KR-20260060688-A - Ammonia Production System

Abstract

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 암모니아 생산 시스템의 일 면(aspect)은, 천연가스를 개질하며, 상기 천연가스가 개질된 제1 유체를 배출하는 제1 개질기, 상기 제1 개질기에서 배출되는 상기 제1 유체에서 이산화탄소를 제거하여, 상기 제1 유체에서 이산화탄소가 제거된 제2 유체를 배출하는 제1 처리부, 상기 제1 처리부에서 배출되는 제2 유체를 메탄화하고 건조처리한 유체를 이루는 제3 유체를 배출하는 제2 처리부, 상기 제2 처리부에서 배출된 상기 제3 유체에 수소를 혼합하여 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 유닛, 및 상기 제1 처리부와 열교환되어 배출된 스팀이 공급되는 발전기를 포함한다. 본 발명은, 폐열을 활용하여 암모니아 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

Inventors

• 이원태
• 방야호
• 백만석

Assignees

• 삼성중공업 주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (5)

1. 천연가스를 개질하며, 상기 천연가스가 개질된 제1 유체를 배출하는 제1 개질기; 상기 제1 개질기에서 배출되는 상기 제1 유체에서 이산화탄소를 제거하여, 상기 제1 유체에서 이산화탄소가 제거된 제2 유체를 배출하는 제1 처리부; 상기 제1 처리부에서 배출되는 제2 유체를 메탄화하고 건조처리한 유체를 이루는 제3 유체를 배출하는 제2 처리부; 상기 제2 처리부에서 배출된 상기 제3 유체에 수소를 혼합하여 암모니아를 생산하는 암모니아 생산 유닛; 및 상기 제1 처리부와 열교환되어 배출된 스팀이 공급되는 발전기를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 발전기에서 생산된 전기를 공급받으며, 물을 전기 분해하여 생산된 수소를 상기 암모니아 생산 유닛으로 공급하는 전기 분해 장치를 더 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 개질기와 상기 제1 처리부 사이에 마련되어, 상기 천연가스를 개질하는 제2 개질기를 더 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 처리부는, 수성가스전환기(Water Gas Shift)와 이산화탄소 포집기를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 처리부는, 메탄화 반응기와 건조기를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.

Description

암모니아 생산 시스템{Ammonia Production System} 본 발명은 암모니아 생산 시스템에 관한 것이다. 연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스에 포함된 오염물질로 인한 대기오염이 증가함에 따라 환경 친화적으로 추진할 수 있는 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 동력원 중 하나로 연료전지가 대두된다. 예를 들어, 액화천연가스를 개질하여 생성한 수소를 연료전지에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하고, 이때, 생성된 전기를 모터에 공급하여 선박의 추진에 필요한 동력을 생성하는 연료전지가 대두된다. 한편, 암모니아 생산 시스템의 효율화를 위한 개선의 노력이 지속되고 있다. 도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 암모니아 생산 시스템에 의해 생산된 암모니아를 사용하는 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 생산 시스템을 도시한 도면이다. 이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참고 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 암모니아 생산 시스템에 의해 생산된 암모니아를 사용하는 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 생산 시스템을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 암모니아 연료 선박(10)은 선체(11)가 유선형으로 형성되어 해수로 인한 저항을 최소화하는 구조를 가질 수 있다. 선체(11)는 엔진(13)에서 생성된 동력으로 추진될 수 있으며, 암모니아 저장 탱크(12)로부터 연료인 암모니아를 공급받아 구동될 수 있다. 저장 탱크(12)는 액상 암모니아를 저장하는 탱크로서, 예를 들어, 5bar의 압력을 견딜 수 있는 압력 탱크로서 실린더 타입으로 제공될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 멤브레인 타입, 상압 탱크 등 본 실시예에 상충되지 않는다면 다양한 변형예가 가능하다. 저장 탱크(12)는 외부로 연장되어 엔진(13)에 연결될 수 있다. 저장 탱크(12)와 엔진(13) 사이에는 액상 암모니아 또는 액상 암모니아가 기화된 기상 암모니아를 가압하는 펌프(미도시), 압축기(미도시) 및/또는 암모니아를 가열하는 히터(미도시) 등이 제공된 연료 공급 시스템이 제공될 수 있다. 즉 액상 암모니아는 엔진(13)에서 요구되는 압력과 온도로 가압 및 가열된 후 엔진(13)에 공급될 수 있다. 저장 탱크(12)의 암모니아는 항구에서 암모니아를 공급받아 저장할 수도 있으나, 암모니아 생산 시스템(100)에서 생산된 암모니아를 공급받아 저장할 수도 있다. 본 실시예의 암모니아 생산 시스템(100)은 저장 탱크(12)로 암모니아를 공급하는 것을 예시하나, 암모니아 생산 시스템(100)은 암모니아를 생산하여 육상의 탱크(미도시) 및/또는 운반 차량 등에 공급할 수도 있는 바와 같이 여러 변형예가 가능하다. 본 실시예의 암모니아 생산 시스템(100)은, 개질 유닛(131, 133), 제1 처리부(140), 제2 처리부(150), 암모니아 생산 유닛(160), 발전기(170) 및 전기 분해 장치(180)를 포함할 수 있다. 여기서, 암모니아 생산 시스템(100)은 천연가스가 저장된 저장탱크(110)와 암모니아 생산 유닛(160)을 연결하는 제1 라인(L1)이 제공될 수 있고, 제1 라인(L1)에 개질 유닛(131, 133), 제1 처리부(140), 제2 처리부(150), 암모니아 생산 유닛(160)이 제공될 수 있으며, 발전기(170) 및 전기 분해 장치(180)는 제1 라인(L1)에 연결되지 않고 별도로 제공되되, 제1 처리부(140)에서 발생된 폐열을 사용할 수 있도록 제1 처리부(140)에 연결된 제3 라인(L3)과 발전기(170)가 연결될 수 있다. 개질 유닛(131, 133)은 천연가스를 개질하는 구성으로서 다수의 개질기를 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1 개질기(131) 및 제2 개질기(133)를 포함할 수 있다. 제1 개질기(131)와 제2 개질기(133)는 제1 라인(L1)에서 일렬로 마련될 수 있다. 예시로 제2 개질기(133)는 제1 라인(L1)에서 제1 개질기(131)의 하류에 마련될 수 있어 제1 개질기(131)와 제1 처리부(140) 사이에 배치될 수 있다. 제1 개질기(131)와 제2 개질기(133) 각각은 천연가스를 개질하여 천연가스가 개질된 제1 유체를 배출할 수 있다. 제1 개질기(131) 및/또는 제2 개질기(133)로 공급되는 천연가스는 저장탱크(110)에 액상 또는 기상으로 저장될 수 있고, 또한 육상 또는 해상의 다른 설비에서 파이프라인을 통해 암모니아 생산 시스템(100)으로 공급될 수도 있다. 액상으로 저장된 천연가스는 개질 유닛(131, 133)으로 공급되기 전 기화되어 기상으로 공급될 수 있다. 여기서 개질 유닛(131, 133)으로 공급되는 기상의 천연가스는, 개질을 위해 물과 열이 필요할 수 있으며, 스팀기(120)에서 발생된 스팀을 통하여 공급받을 수 있다. 또는 제1 처리부(140)와 열교환되어 배출된 스팀이 공급될 수도 있는 바와 같이 다양한 실시예가 가능하다. 본 실시예의 개질 유닛(131, 133)은 기화된 천연가스를 개질하여, 수소와 이산화탄소를 포함하는 제1 유체를 배출될 수 있다. 더불어 제1 라인(L1)에는 제2 라인(L2)이 분기될 수 있는데, 제2 라인(L2)은 제1 개질기(131)의 상류에서 분기된 후 제1 라인(L1)으로 합류하지 않고 즉 제2 개질기(133)에 연결되지 않고 제1 개질기(131)에서 필요로 하는 열원을 공급하기 위한 연료(Fuel)를 공급하기 위해 제공될 수 있다. 다시 말해서 천연가스는 일부가 개질되고 나머지는 개질을 위한 연료로 제공될 수 있다. 그리고 제1 개질기(131)는 제1 개질기(131)에서 발생된 연소가스(flue gas)가 배출되도록, 제1 개질기(131)에는 연소가스 배출 라인 또는 스택(stack)이 제공될 수도 있다. 제1 처리부(140)는 제1 개질기(131) 및/또는 제2 개질기(133)에서 배출되는 제1 유체에서 이산화탄소를 제거하여, 제1 유체에서 이산화탄소가 제거된 제2 유체를 배출할 수 있다. 예를 들어 제1 처리부(140)는 수성가스전환기(Water gas shift)와 이산화탄소 포집기를 포함할 수 있다. 수성가스전환기는 수성가스 전환 반응이 수행되고, 이산화탄소 포집기는 이산화탄소가 포집될 수 있으며, 이들 각각에는 반응 촉진을 위한 촉매가 포함될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이러한 제1 처리부(140)의 수성가스전환기는 제1 유체에서 일산화탄소 성분을 수소와 이산화탄소로 전환하고, 이후 이산화탄소 포집기가 이산화탄소를 제거하여, 이산화탄소가 제거된 제2 유체를 배출할 수 있다. 제2 처리부(150)는 제1 처리부(140)에서 배출되는 제2 유체에서 잔여 일산화탄소와 이산화탄소를 메탄으로 전환하고 건조처리한 제3 유체를 배출할 수 있다. 예시로 제2 처리부(150)는 메탄화 반응기와 건조기를 포함할 수 있다. 암모니아 생산 유닛(160)은, 제2 처리부(150)에서 배출된 제3 유체에 수소 가스를 혼합(예, 추가 공급)하여 암모니아를 생산할 수 있다. 도면에 도시하지 않았으나, 암모니아 생산 유닛(160)의 전단에는 압축기가 제공되어 제2 처리부(150)에서 배출된 제3 유체가 암모니아 합성에 필요한 압력으로 가압된 후 공급될 수 있다. 암모니아 생산 유닛(160)은 천연가스의 개질로 생산된 수소와 질소를 반응시켜 암모니아를 생산할 수 있다. 질소는 제2 개질기(133)에 공기의 형태로 공급하여 제공될 수 있으며, 전기 분해 장치(180)에서 제공(생산)되는 수소 가스를 이용하여, 즉 전기 분해 장치(180)에서 수소 가스가 추가로 더 공급되어, 더 많은 암모니아가 생산될 수 있다. 발전기(170)는 제1 처리부(140)와 열교환되어 배출된 스팀이 공급될 수 있다. 예를 들어 제1 처리부(140)에는 스팀이 경유하는 제3 라인(L3)이 제공될 수 있는데, 제3 라인(L3)의 스팀은 제1 처리부(140)에서 발생되는 폐열로 제공될 수 있다. 제3 라인(L3)을 경유하는 스팀은 발전기(170)에 공급되어 발전기를 구동시킬 수 있다. 전기 분해 장치(180)는 발전기(170)에서 생산된 전기를 공급받으며, 물을 전기 분해할 수 있다. 여기서 제4 라인(L4)은 전기 분해 장치(180)와 제1 라인(L1)에서 제2 처리부(150)와 암모니아 생산 유닛(160) 사이에 연결될 수 있다. 전기 분해 장치(180)에서 생산된 수소는 제4 라인(L4)을 경유하여 암모니아 생산 유닛(160)에 공급될 수 있다. 이와 같이 암모니아 생산 시스템(100)에서 생산된 암모니아는 별도의 육상 탱크 및/또는 암모니아 연료 선박(10)의 저장 탱크(12)에 공급될 수 있다. 그리고 생상된 암모니아는 액화 설비(미도시)를 통해 액상 상태로 저장될 수 있다. 이와 같은 실시예에 따른 암모니아 생산 시스템(100)은, 암모니아 생산을 효율적으로 수행할 수 있으며, 암모니아 생산을 위한 수소를 추가로 제공하기 위해 폐열을 활용하여 에너지 효율 증대가 가능하다. 이상과 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.