청정에너지와 지속가능한 개발에 대한 세계적인 관심이 높아짐에 따라, 효율적이고 깨끗한 에너지 운반체인 수소에너지가 점차 주목받고 있습니다. 수소에너지 산업 사슬의 핵심 연결 고리인 수소 정제 기술은 수소에너지의 안전성과 신뢰성에 중요한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 수소에너지의 적용 범위와 경제적 이익에도 직접적인 영향을 미칩니다.
1. 제품 수소에 대한 요구 사항
수소는 화학 원료 및 에너지 운반체로서 다양한 응용 분야에서 순도 및 불순물 함량에 대한 요구 조건이 다릅니다. 합성 암모니아, 메탄올 및 기타 화학 제품 생산에서는 촉매 중독을 방지하고 제품 품질을 보장하기 위해 공급 가스에 포함된 황화물 및 기타 유독 물질을 사전에 제거하여 불순물 함량을 낮추고 요구 조건을 충족해야 합니다. 야금, 세라믹, 유리, 반도체와 같은 산업 분야에서는 수소 가스가 제품과 직접 접촉하기 때문에 순도 및 불순물 함량에 대한 요구 조건이 더욱 엄격합니다. 예를 들어, 반도체 산업에서는 수소가 결정 및 기판 준비, 산화, 어닐링 등의 공정에 사용되는데, 이러한 공정에서는 수소 내 산소, 수분, 중질 탄화수소, 황화수소 등의 불순물 함량에 대한 제한이 매우 높습니다.
2. 탈산소화의 작동 원리
촉매의 작용으로 수소에 소량의 산소가 반응하여 물을 생성함으로써 탈산소화를 달성할 수 있습니다. 이 반응은 발열 반응이며, 반응식은 다음과 같습니다.
2H₂ + O₂ (촉매) → 2H₂O + Q
촉매의 조성, 화학적 성질 및 품질은 반응 전후에 변하지 않으므로 촉매는 재생 없이 지속적으로 사용할 수 있습니다.
탈산기는 내측 및 외측 원통 구조로 되어 있으며, 촉매는 외측 및 내측 원통 사이에 채워져 있습니다. 내측 원통 내부에는 방폭형 전기 가열 소자가 설치되어 있고, 촉매 패킹의 상단과 하단에는 두 개의 온도 센서가 위치하여 반응 온도를 감지하고 제어합니다. 외측 원통은 단열층으로 감싸져 있어 열 손실을 방지하고 화상을 예방합니다. 미처리 수소는 탈산기의 상부 입구를 통해 내측 원통으로 유입되어 전기 가열 소자에 의해 가열된 후 촉매층을 아래에서 위로 통과합니다. 미처리 수소에 포함된 산소는 촉매의 작용으로 수소와 반응하여 물을 생성합니다. 하부 출구로 배출되는 수소의 산소 함량은 1ppm 이하로 낮출 수 있습니다. 반응으로 생성된 물은 기체 상태로 수소 가스와 함께 탈산기에서 배출되어 후속 수소 냉각기에서 응축되고, 기수분리기를 거쳐 여과된 후 시스템 밖으로 배출됩니다.
3. 건조의 작동 원리
수소 가스 건조는 분자체를 흡착제로 사용하는 흡착법을 채택합니다. 건조 후 수소 가스의 이슬점은 -70℃ 이하로 낮아질 수 있습니다. 분자체는 입방 격자를 가진 알루미노실리케이트 화합물의 일종으로, 탈수 후 내부에 동일한 크기의 기공이 다수 형성되어 매우 넓은 표면적을 가집니다. 분자체는 모양, 직경, 극성, 끓는점 및 포화도가 서로 다른 분자들을 분리할 수 있기 때문에 분자체라고 불립니다.
물은 극성이 매우 강한 분자이며, 분자체는 물에 대한 친화력이 강합니다. 분자체의 흡착은 물리적 흡착이며, 흡착이 포화되면 다시 흡착하기 위해서는 가열 및 재생 과정을 거쳐야 합니다. 따라서, 수소 가스의 연속적인 생산을 보장하기 위해 정화 장치에는 최소 두 개의 건조기가 포함되어 있으며, 하나는 작동하고 다른 하나는 재생하는 방식으로 가동됩니다.
이 건조기는 내측 및 외측 원통 구조로 되어 있으며, 흡착제는 외측 및 내측 원통 사이에 채워집니다. 내측 원통 내부에는 방폭형 전기 가열 장치가 설치되어 있고, 분자체 충전재의 상단과 하단에는 반응 온도를 감지하고 제어하기 위한 두 개의 온도 센서가 위치합니다. 외측 원통은 단열층으로 감싸져 있어 열 손실을 방지하고 화상을 예방합니다. 흡착 상태(1차 및 2차 작동 상태 포함)와 재생 상태에서의 공기 흐름은 반전됩니다. 흡착 상태에서는 상단 파이프가 가스 배출구이고 하단 파이프가 가스 유입구입니다. 재생 상태에서는 상단 파이프가 가스 유입구이고 하단 파이프가 가스 배출구입니다. 건조 시스템은 건조기 개수에 따라 2탑 건조기와 3탑 건조기로 구분됩니다.
4. 두 개의 탑 공정
본 장치에는 두 개의 건조기가 설치되어 있으며, 이 건조기들은 한 주기(48시간) 동안 교대로 작동하고 재생하여 전체 장치의 연속 운전을 가능하게 합니다. 건조 후 수소의 이슬점은 -60℃ 이하로 떨어질 수 있습니다. 작동 주기(48시간) 동안 건조기 A와 B는 각각 작동 상태와 재생 상태를 거칩니다.
한 번의 전환 주기 동안 건조기는 작동 상태와 재생 상태, 두 가지 상태를 거칩니다.
•재생 상태: 처리 가스량은 최대 가스량입니다. 재생 상태는 가열 단계와 송풍 냉각 단계를 포함합니다.
1) 가열 단계 – 건조기 내부의 히터가 작동하며, 최고 온도가 설정값에 도달하거나 가열 시간이 설정값에 도달하면 자동으로 가열이 중지됩니다.
2) 냉각 단계 – 건조기가 가열을 멈춘 후에도 건조기가 작동 모드로 전환될 때까지 공기 흐름은 원래 경로를 따라 계속 흐르면서 건조기를 냉각합니다.
• 작동 상태: 처리 공기량은 최대 용량이며, 건조기 내부의 히터는 작동하지 않습니다.
5. 3개 타워 워크플로
현재 3탑 공정이 널리 사용되고 있습니다. 이 공정은 흡착 용량이 크고 내열성이 우수한 제습제(분자체)가 들어 있는 건조기 3개로 구성됩니다. 3개의 건조기는 작동, 재생, 흡착 과정을 번갈아 수행하여 전체 장치의 연속 운전을 가능하게 합니다. 건조 후 수소 가스의 이슬점은 -70℃ 이하로 낮아질 수 있습니다.
전환 주기 동안 건조기는 작동, 흡착 및 재생의 세 가지 상태를 거칩니다. 각 상태에서 탈산소화, 냉각 및 수분 여과를 거친 후 원료 수소 가스가 유입되는 첫 번째 건조기가 위치합니다.
1) 작동 상태: 처리 가스량은 최대 용량이며, 건조기 내부의 히터는 작동하지 않고, 매체는 탈수되지 않은 미처리 수소 가스입니다.
두 번째 건조기는 다음 위치에 있습니다:
2) 재생 상태: 가스량 20%: 재생 상태에는 가열 단계와 송풍 냉각 단계가 포함됩니다.
가열 단계 – 건조기 내부의 히터가 작동하며, 최고 온도가 설정값에 도달하거나 가열 시간이 설정값에 도달하면 자동으로 가열이 중지됩니다.
냉각 단계 – 건조기가 가열을 멈춘 후, 건조기가 작동 모드로 전환될 때까지 공기 흐름이 원래 경로를 따라 건조기를 계속 통과하여 냉각합니다. 건조기가 재생 단계에 있을 때, 매체는 탈수된 건조 수소 가스입니다.
세 번째 건조기는 다음 위치에 있습니다:
3) 흡착 상태: 처리 가스량은 20%이고, 건조기 내 히터는 작동하지 않으며, 재생 매체는 수소 가스입니다.
게시 시간: 2024년 12월 19일
