전 세계적으로 청정 에너지와 지속 가능한 개발에 대한 관심이 높아짐에 따라, 효율적이고 깨끗한 에너지원으로서 수소 에너지가 점차 사람들의 관심을 받고 있습니다. 수소 에너지 산업 사슬의 핵심 고리인 수소 정제 기술은 수소 에너지의 안전성과 신뢰성을 확보할 뿐만 아니라 수소 에너지의 적용 범위와 경제적 이익에도 직접적인 영향을 미칩니다.
1. 제품수소에 대한 요구사항
화학 원료이자 에너지 운반체인 수소는 다양한 응용 분야에서 순도 및 불순물 함량에 대한 요건이 다릅니다. 합성 암모니아, 메탄올 및 기타 화학 제품 생산 시 촉매 피독을 방지하고 제품 품질을 보장하기 위해서는 공급 가스 내 황화물 및 기타 유해 물질을 사전에 제거하여 불순물 함량을 줄여야 합니다. 야금, 세라믹, 유리, 반도체와 같은 산업 분야에서는 수소 가스가 제품과 직접 접촉하기 때문에 순도 및 불순물 함량 요건이 더욱 엄격합니다. 예를 들어, 반도체 산업에서 수소는 결정 및 기판 제조, 산화, 어닐링 등과 같은 공정에 사용되며, 이러한 공정은 산소, 물, 중질 탄화수소, 황화수소 등과 같은 불순물에 대한 제한이 매우 높습니다.
2. 탈산소화의 작동 원리
촉매의 작용으로 수소에 포함된 소량의 산소가 수소와 반응하여 물을 생성하고, 이를 통해 탈산소화라는 목적을 달성할 수 있습니다. 이 반응은 발열 반응이며, 반응식은 다음과 같습니다.
2H₂+O₂(촉매) -2H₂O+Q
촉매 자체의 구성, 화학적 특성, 품질이 반응 전후에 변하지 않으므로 촉매를 재생하지 않고도 연속적으로 사용할 수 있습니다.
탈산소기는 내외부 실린더 구조를 가지며, 촉매는 외측 실린더와 내측 실린더 사이에 적재됩니다. 내측 실린더 내부에는 방폭형 전기 가열 부품이 설치되어 있으며, 촉매 패킹의 상단과 하단에 두 개의 온도 센서가 위치하여 반응 온도를 감지하고 제어합니다. 외측 실린더는 열 손실을 방지하고 화상을 방지하기 위해 단열층으로 감싸져 있습니다. 탈산소기의 상단 입구에서 내부 실린더로 유입된 수소는 전기 가열 소자에 의해 가열되어 촉매층을 통해 하단에서 상단으로 흐릅니다. 촉매 작용으로 수소와 반응하여 물이 생성됩니다. 하단 출구에서 유출되는 수소의 산소 함량은 1ppm 미만으로 감소될 수 있습니다. 이러한 반응으로 생성된 물은 수소 가스와 함께 기체 상태로 탈산소기에서 유출되어 후속 수소 냉각기에서 응축되고, 공기-물 분리기에서 여과된 후 시스템에서 배출됩니다.
3. 건조의 작동 원리
수소 기체 건조는 분자체를 흡착제로 사용하는 흡착법을 사용합니다. 건조 후 수소 기체의 이슬점은 -70℃ 이하에 도달할 수 있습니다. 분자체는 입방 격자를 가진 알루미노실리케이트 화합물의 일종으로, 탈수 후 내부에 동일한 크기의 많은 공동을 형성하여 매우 넓은 표면적을 갖습니다. 분자체는 모양, 직경, 극성, 끓는점, 포화도가 다른 분자들을 분리할 수 있기 때문에 분자체라고 불립니다.
물은 극성이 매우 높은 분자이며, 분자체는 물과 강한 친화력을 가지고 있습니다. 분자체의 흡착은 물리적 흡착이며, 흡착이 포화되면 다시 흡착되기까지 가열 및 재생에 일정 시간이 걸립니다. 따라서 정화 장치에는 최소 두 대의 건조기가 포함되어 있으며, 하나는 작동하는 동안 다른 하나는 재생되어 이슬점 안정 수소 가스의 연속 생산을 보장합니다.
건조기는 내외부 원통 구조를 가지며, 흡착제는 외측 원통과 내측 원통 사이에 적재됩니다. 내측 원통 내부에는 방폭형 전기 가열 부품이 설치되어 있으며, 분자체 패킹의 상단과 하단에 두 개의 온도 센서가 위치하여 반응 온도를 감지하고 제어합니다. 외측 원통은 열 손실을 방지하고 화상을 방지하기 위해 단열층으로 감싸져 있습니다. 흡착 상태(1차 및 2차 작동 상태 포함)와 재생 상태에서의 공기 흐름은 역전됩니다. 흡착 상태에서는 상단 파이프가 가스 배출구이고 하단 파이프가 가스 유입구입니다. 재생 상태에서는 상단 파이프가 가스 유입구이고 하단 파이프가 가스 배출구입니다. 건조 시스템은 건조기 수에 따라 2대의 타워 건조기와 3대의 타워 건조기로 나눌 수 있습니다.
4. 2타워 공정
장치에는 두 대의 건조기가 설치되어 있으며, 한 사이클(48시간) 동안 교대로 작동하고 재생하여 전체 장치의 연속 작동을 보장합니다. 건조 후 수소의 이슬점은 -60℃ 이하로 떨어질 수 있습니다. 작동 사이클(48시간) 동안 건조기 A와 B는 각각 작동 상태와 재생 상태를 거칩니다.
한 번의 스위칭 사이클에서 건조기는 작동 상태와 재생 상태의 두 가지 상태를 경험합니다.
·재생 상태: 처리 가스량은 전체 가스량입니다. 재생 상태에는 가열 단계와 송풍 냉각 단계가 포함됩니다.
1) 가열 단계 - 건조기 내부의 히터가 작동하여, 최고 온도가 설정값에 도달하거나 가열 시간이 설정값에 도달하면 자동으로 가열을 멈춥니다.
2) 냉각 단계 – 건조기가 가열을 멈춘 후에도 공기 흐름은 건조기가 작동 모드로 전환될 때까지 원래 경로에서 건조기를 계속 통과해 냉각됩니다.
·작동 상태: 처리 공기량이 최대 용량이며, 건조기 내부 히터가 작동하지 않습니다.
5. 3개의 타워 워크플로
현재 3탑 공정이 널리 사용되고 있습니다. 장치에는 흡착 용량이 크고 내열성이 우수한 건조제(분자체)가 포함된 3대의 건조기가 설치되어 있습니다. 3대의 건조기는 작동, 재생, 흡착 과정을 번갈아 수행하여 전체 장치의 연속 운전을 구현합니다. 건조 후 수소 가스의 이슬점은 -70℃ 이하로 낮아질 수 있습니다.
스위칭 사이클 동안 건조기는 작동, 흡착, 재생의 세 가지 상태를 거칩니다. 각 상태에서, 탈산소, 냉각, 그리고 물 여과 후 수소 가스가 유입되는 첫 번째 건조기는 다음과 같습니다.
1) 작업 상태: 처리 가스 용량이 최대 용량이고, 건조기 내부 히터가 작동하지 않으며, 매체는 탈수되지 않은 원시 수소 가스입니다.
두 번째 건조기는 다음 위치에 있습니다.
2) 재생 상태: 20% 가스 용량: 재생 상태에는 가열 단계와 송풍 냉각 단계가 포함됩니다.
가열 단계 - 건조기 내부의 히터가 작동하여, 최고 온도가 설정값에 도달하거나 가열 시간이 설정값에 도달하면 자동으로 가열을 멈춥니다.
냉각 단계 – 건조기가 가열을 멈춘 후에도 공기 흐름은 건조기가 작동 모드로 전환될 때까지 원래 경로에서 건조기를 계속 통과하여 냉각됩니다. 건조기가 재생 단계에 있을 때 매체는 탈수된 건조한 수소 가스입니다.
세 번째 건조기는 다음 위치에 있습니다.
3) 흡착상태 : 처리가스량은 20%이고, 건조기 내부의 히터는 작동하지 않으며, 재생을 위한 매체는 수소가스입니다.
게시 시간: 2024년 12월 19일
