KR100707834B1

KR100707834B1 - 내부 열교환 구조를 이용하여 열효율을 향상시킨연료개질장치

Info

Publication number: KR100707834B1
Application number: KR1020050127653A
Authority: KR
Inventors: 서동주; 윤왕래; 이호태; 서용석; 박종수; 서유택; 박상호; 황영재
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-04-13

Abstract

본 발명은 천연가스, 도시가스, LPG 및 납사 등의 탄화수소와 수증기를 혼합하여 개질촉매 상에서 반응을 유도하여 수소가 풍부한 개질가스를 제조하는 동심관형 연료개질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도입되는 개질 반응원료와 반응 후 배출되는 생성 개질가스간의 열교환 향상을 위한 구조물을 설치하여 반응원료 예열과 생성 개질가스의 냉각이 효과적으로 일어나도록 하여 열효율을 개선시킨 연료개질장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 공급되는 반응원료와 생성된 개질가스간의 내부 열교환 개선으로 연료개질장치 상단부 표면온도 감소로 인한 열손실 저감 효과와 함께 생성 개질가스로부터 효과적으로 반응원료 쪽으로 열을 회수하는 내부 구조에 의해 개질촉매층 도입전까지의 반응원료를 효과적으로 예열시킴으로써 버너에서 공급해야 하는 연료사용량을 감소시켜 연료개질장치의 열효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

수소 제조, 탄화수소, 수증기 개질반응, 연료개질장치

Description

내부 열교환 구조를 이용하여 열효율을 향상시킨 연료개질장치{Thermal efficiency improved fuel reformer using internal heat exchanging structure}

도 1은 종래기술에 의한 연료개질장치의 정단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 연료개질장치의 정단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 연료개질장치의 정단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 버너 1a : 연료투입구

1b : 공기투입구 4 : 측면 단열층

5 : 하부 단열층 6 : 내측 원통형 격벽

7 : 원료예열유로 9 : 내측 원통

10 : 외측 원통형 격벽 11 : 개질촉매층하부 격벽

12 : 개질촉매층 13 : 연소가스유로

14 : 연소가스배출구 15 : 반응원료투입구

16 : 개질가스배출구 21 : 버너

21a : 연료투입구 21b : 공기투입구

22 : 가이드 원통관 23 : 촉매층내측 원통관

24 : 촉매층외측 원통관 25 : 예열유로 외측 격벽

26 : 연소가스 냉각 유로 외측 격벽 27 : 촉매층 가열 유로

28 : 개질촉매층 29 : 개질가스 냉각유로

30 : 반응원료 예열유로 31 : 반응원료 추가예열유로

32 : 연소가스 냉각 유로 33 : 연소가스배출구

34 : 반응원료 도입구 35 : 개질가스 배출구

36 : 버너보호 단열재 37 : 연소부상단 단열재

38 : 연소부상단 격벽 41 : 버너

41a : 연료투입구 41b : 공기투입구

42 : 가이드 원통관 43 : 촉매층내측 원통관

44 : 촉매층외측 원통관 45 : 예열유로 외측 격벽

46 : 연소가스 냉각 유로 외측 격벽 47 : 촉매층 가열 유로

48 : 개질촉매층 49 : 개질가스 냉각유로

50 : 반응원료 예열유로 51 : 반응원료 추가예열유로

52 : 연소가스 냉각 유로 53 : 연소가스배출구

54 : 반응원료 도입구 55 : 개질가스 배출구

56 : 버너보호 단열재 57 : 연소부상단 단열재

58 : 동심관형 배플 59 : 동심관형 열교환 핀

60 : 추가예열유로 하부격판 61 : 연소부상단 격벽

연료개질장치는 천연가스, 도시가스, LPG 및 납사 등의 탄화수소와 수증기를 원료로 개질촉매 상에서 수증기 개질 반응을 유도하여 수소가 풍부하게 포함된 개질가스를 생성하는 장치로서 그 반응온도는 650~800℃ 정도에서 진행된다. 연료개질장치에서의 수증기 개질반응을 메탄을 예로 들어 나타내면 하기 반응식과 같다.
CH₄+ H₂O ↔ 3H₂ + CO ΔH = 206 KJ/gmol (1)

상기 반응은 반응 (1)과 반응 (2)가 동시에 일어나며 전체 수증기 개질 반응은 흡열반응이 되므로 반응을 지속하기 위해서는 가열이 필요하고 일반적으로 버너 등의 연소 장치를 이용하여 반응열을 공급하고 있다.

도 1은 일본공개특허공보 평03-97602호에 의하여 공지된 종래의 동심관형 연료개질장치의 개략적인 구성을 나타내는 정단면도이다. 도 1에 도시한 동심관형 연료개질장치는 장치 상부의 중심에 버너(1)가 위치하고 있으며 연료투입구(1a)에서 공급된 연소 연료와 공기투입구(1b)에서 공급된 연소용 공기가 혼합되어 연소된 후 발생된 열이 내측 원통(9)에 인접한 개질촉매층(12)으로 공급된다. 개질촉매층을 가열한 버너 연소배가스는 개질장치 하부 유로를 거쳐 연소가스유로(13)를 통과하고 이때 인접한 원료예열유로(7)를 지나는 개질반응원료에 열을 공급하고 냉각된 뒤 연소가스배출구(14)로 배출된다. 반응원료투입구(15)에서 공급된 탄화수소와 수증기를 포함한 반응원료는 외측 원통형 격벽(10)과 내측 원통형 격벽(6) 사이의 원료예열유로(7)를 통과하면서 그 외측에 인접한 연소가스유로(13)를 통과하는 연소배가스와 열교환되고 또한 그 내측에 인접한 개질촉매층(12)과 열교환되어 반응물이 개질촉매층에 도입되기 전까지 예열된다. 개질촉매층(12)에서는 예열된 반응물이 개질 반응이 일어나 수소가 풍부하게 포함된 개질가스로 전환되고 개질가스배출구(16)를 통해서 배출된다.

상기에서 살펴본 종래의 연료개질장치는 내측 원통(9)에 직접 버너(1)의 화염이 접촉하여 복사 열전달에 의해 반응열이 개질촉매층(12)으로 공급되며 개질촉매층 하부 보다 개질촉매층 상부의 온도가 높으므로 반응원료에 의해 개질가스가 냉각되더라도 개질가스배출구(16)를 통과하는 개질가스의 온도가 고온으로 유지되므로 연료개질 장치의 상부를 구성하는 재질로서 고온용 고급 합금을 사용하고 그 두께도 증가하여 제작비의 증가를 초래하고 고온의 가스가 통과하는 유로가 최상단에 위치함에 따라 단열두께가 증가하여 전체 연료개질기의 부피가 증가하는 문제점이 있었다. 또한 상기 도 1에 도시된 장치처럼 반응원료 도입구(15)가 원료개질장치의 측면에 위치하는 경우, 촉매층 내부의 환상 방향으로 유체 분포가 균일하도록 도입구 입구 메니폴드 설계가 필요하므로 장치의 복잡성이 증가할 수 있었다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 버너를 연료개질장치의 하부에 설치하고 연료개질기의 상부에 반응원료와 개질가스 간의 열교환을 유도하는 유로와 열교환 구조체를 배치하여 반응원료의 예열효과와 개질가스의 냉각효과를 동시에 얻고 이를 통하여 열효율을 향상시킨 연료개질장치를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상부에 반응원료와 개질가스 간의 열교환을 유도하는 유로와 구조체를 배치함으로써 반응원료의 예열효과와 개질가스의 냉각효과를 동시에 얻을 수 있도록 제조한 연료개질장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 버너를 연료개질장치의 하부에 설치하고 연료개질장치의 상부는 반응원료와 개질가스간의 열교환 공간으로 구성하였다.

개질반응은 상기 반응식에서 보여주는 반응 (1) 및 반응 (2)가 복합된 반응으로서 전체 반응이 강한 흡열 반응이므로 반응의 적절한 진행을 위해서는 반응열이 지속적으로 공급되어야 한다. 연료개질장치의 열효율은 일반적으로 반응원료와 연소연료를 포함한 투입물 발열량에 대한 생성 가스에서 이용가능한 성분인 생산 수소의 발열량비로 표현된다. 연료개질장치의 열효율 향상을 위해서는 공급되는 탄화수소 중 수소로 전환되는 비율이 크고, 이를 수행하기 위해서 공급되는 반응열이 효과적으로 개질촉매층으로 전달되며 외부 열손실이 작도록 구성하여야 한다.

본 발명에서는 연료개질장치 상부의 외부 표면 온도가 보다 낮은 온도로 운전되도록 하였으며 반응원료는 개질촉매층으로 도입되기 전에 한층 더 높은 온도로 예열되어 도입되고 개질가스는 연료개질장치에서 배출되기 전에 한층 더 낮은 온도로 냉각되므로 연료개질장치 본체 내부의 열교환 향상으로 열효율이 증가하도록 하였다.

이하 본 발명을 도면과 함께 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에서는 도 2에 도시된 개략적인 구성을 가지는 연료개질장치를 제공한다. 이를 보다 상세히 설명하면, 연료개질장치의 상부에 반응원료 추가예열유로(31)와 그 내측에 인접하여 위치하는 생성물 냉각유로(29)를 설치하고 반응열 공급용 버너(21)는 연료개질장치의 하부에 설치하였다. 연료개질장치 하부에 설치된 버너(21)의 외곽에 가이드 원통관(22)을 설치하여 버너의 화염이 개질촉매층(28)을 둘러싸고 있는 촉매층내측 원통관(23)에 직접 접촉하지 않도록 하였다. 상기의 구조에 의해 버너 화염의 불균일한 복사에 의한 촉매층내측 원통관(23)의 부분 과열을 억제할 수 있다.

버너(21)에 의한 연소배가스는 가이드 원통관(22)과 촉매층 내측 원통관(23) 사이에 형성된 촉매층 가열 유로(27)를 통과하면서 개질촉매층에 반응열을 공급하고 하부로 이동된 뒤 반응원료 예열유로 외측 격벽(25)의 외곽에 형성된 연소가스 냉각 유로(32)를 통과하면서 반응원료 예열유로(30)를 통과하는 반응원료에 열을 공급하고 연소가스배출구(33)로 배출된다.

개질 반응원료는 반응원료 도입구(34)를 통하여 개질장치로 도입되며 반응원 료 추가예열유로(31), 반응원료 예열유로(30)를 차례로 거치면서 개질촉매층(28)의 하단부로 공급된다. 상기의 반응원료 도입과정에서 반응원료 추가예열유로(31)를 지나는 반응원료는 그 하단에 설치된 개질가스 냉각유로(29)와 인접하게 배치되므로 상호간에 열교환이 일어나고 실제로는 개질가스의 온도가 항상 반응원료 온도보다 높으므로 열의 이동이 개질가스 냉각유로(29)에서 반응원료 추가예열유로(31) 방향으로 일어나게 된다. 반응원료는 반응원료 추가예열유로(21)에서 예열된 후 반응원료 예열유로(30)을 통과하면서 그 외곽에 인접하여 위치한 연소가스 냉각 유로(32)에서 공급된 열에 의해 한층 더 예열되어 온도가 상승하여 하부로 이동하여 개질촉매층(28)으로 공급된다. 개질촉매층(28)에서는 반응원료인 탄화수소와 수증기가 반응하여 수소가 풍부한 개질가스로 전환되며 생성된 개질가스는 촉매층 상부로 배출되어 개질가스 냉각유로(29)를 거쳐 개질가스배출구(35)에서 연료개질기 외부로 배출된다.

도 2에 도시된 연료개질장치는 촉매층에서 배출되는 개질가스는 개질가스 냉각유로(29)와 개질가스배출구(35)를 거쳐 최종 배출되기까지 항상 반응원료 추가예열유로(31)의 내측에 위치함으로서 연료개질장치 상부의 표면을 보다 낮은 온도로 유지할 수 있다. 버너보호 단열재(36)는 연료개질장치 하부에 부착된 버너(21)와 그 주변으로의 외부 열손실을 방지하기 위해서 설치하였다. 연소부상단 단열재(37)는 버너(21)에서 발생한 화염에 의한 연소부상단 격벽(38)의 손상을 방지하는 역할 뿐만 아니라 화염에서 복사되는 열이 직접 개질가스 냉각유로(29)로 전달되는 것을 억제하기 위해서 설치한다.

또한 본 발명에서는 도 3에 도시된 개략적인 구성을 가지는 연료개질장치를 제공한다. 이는 상기 도 2에 도시된 연료개질장치의 내부구조와 동일하게 연료개질장치의 상부에 반응원료 추가예열유로(51)와 그 내측에 인접하여 위치하는 개질가스 냉각유로(49)를 설치하고 반응열 공급용 버너(41)는 연료개질장치의 하부에 설치하였다. 도 3에 도시된 연료개질장치는 개질가스 냉각유로(49) 내부로 하향 돌출되고 반응원료 추가예열유로(51)를 구성하는 추가예열유로 하부격판(60)에 부착된 동심관형 열교환 핀(59)을 다수 설치하여 도 2에 도시된 연료개질장치에서 구현한 개질가스와 반응원료간의 내부열교환을 한층 더 향상시킨 구조를 가진다. 부착된 동심관형 열교환 핀(59)과 개질가스 냉각유로(49)를 통과하는 개질가스 간의 접촉을 향상시키기 위하여 동심관형 열교환 핀(59)과 엇갈리게 연소부상단 격벽(61)의 상부에 부착되고 개질가스 냉각유로(49) 내부로 상향 돌출된 동심관형 배플(58)을 다수 설치한다. 상기 설치된 동심관형 열교환 핀(59)과 동심관형 배플(58)의 설치 개수와 위치는 도 3에 나타낸 개수만을 한정하는 것이 아니고 필요한 숫자만큼 추가로 설치할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 자세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시예들은 본 발명을 구체적으로 설명하려는 것이지, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1은 도 2에 도시된 연료개질장치에 관한 것으로서, 반응원료로 천연가스, 도시가스, LPG 및 납사와 같은 탄화수소와 수증기의 혼합물을 사용하였다. 반응원료 도입구(34)로 공급되는 반응원료는 외부 열교환기를 이용하여 300~400℃ 정도로 예열되어 공급되며 연료개질장치 내부에서 추가예열유로(31), 반응원료 예열유로(30)를 통과하면서 500℃ 이상으로 예열되어 개질촉매층(28)으로 공급되었다. 연료개질장치 하부 중앙에 설치된 버너(21)에서 생성된 연소배가스는 가이드 원통관(22)과 촉매층 내측 원통관(23) 사이에 형성된 촉매층 가열 유로(27)를 통과하면서 개질촉매층에 반응열을 공급하였다. 연소배가스에서 공급되는 열에 의해 개질촉매층(28) 내부에서 흡열 반응인 개질 반응이 일어나더라도 개질촉매층(28)은 그 위치에 따라 650~720℃ 정도로 유지되었다. 개질가스 냉각유로(29)로 도입되기 직전의 개질촉매층(28)의 최상단부의 온도는 680~720℃ 정도를 유지하게 되고 생성된 개질가스는 개질가스 냉각유로(29)를 통과하면서 인접한 반응원료 추가예열유로(31) 쪽으로 열을 전달함에 따라 냉각되었다. 개질가스 배출구(35)를 통해 연료개질장치 외부로 배출되는 개질가스의 온도는 500~600℃ 정도이었다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2는 도 3에 도시된 연료개질장치에 관한 것으로서 개질가스 냉각유로(49) 내부로 하향 돌출되고 반응원료 추가예열유로(51)를 구성하는 추가예열유로 하부격판(60)에 부착된 동심관형 열교환 핀(59)을 다수 설치하여 실시예 1에서 구현한 개질가스와 반응원료간의 내부열교환을 한층 더 향상시켰다. 부착 된 동심관형 열교환 핀(59)과 개질가스 냉각유로(49)를 통과하는 개질가스 간의 접촉을 향상시키기 위해 동심관형 열교환 핀(59)과 엇갈리게 연소부상단 격벽(61)의 상부에 부착되고 개질가스 냉각유로(49) 내부로 상향 돌출된 동심관형 배플(58)을 다수 설치하였다. 실시예 2에 의하면 내부 열교환의 향상으로 개질촉매층(48) 하부로부터 도입되는 반응원료가 실시예 1 보다 높은 온도로 공급되므로 버너(41)에 의해 개질촉매층으로 공급해야 할 열량이 감소하였다. 감소된 버너 공급 열량은 개질가스가 연료개질장치 외부로 배출되기 전에 개질가스 냉각유로(49)로부터 반응원료 추가예열유로(51)로 전달되는 열에 의해 열회수 형식으로 공급되었다. 따라서, 실시예 2에서 제조한 연료개질장치는 동심관형 열교환 핀(59)과 동심관형 배플(58)에 의해 더욱 효과적으로 열교환이 이루어지도록 제조함으로써 열효율을 향상시킬 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 공급되는 반응원료와 생성된 개질가스간의 내부 열교환 개선으로 연료개질장치 상단부 표면온도 감소로 인한 열손실 저감 효과와 함께 생성 개질가스로부터 효과적으로 반응원료 쪽으로 열을 회수하는 내부 구조에 의해 개질촉매층 도입전까지의 반응원료를 효과적으로 예열 함에 따라 버너에서 공급해야 하는 연료사용량 감소로 연료개질장치의 열효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있었다.

또한 본 발명의 실시예 1과 실시예 2의 반응원료 도입구(34), (54)와 개질가스 배출구(35), (55)는 모두 동심관형 구조의 중심에 위치하고 있으므로 촉매층을 통과하는 반응물이 촉매층의 환상 방향으로 고르게 분포되는 효과를 얻을 수 있었다.

Claims

버너(21)를 연료개질장치 하부 중앙에 설치하고 가이드 원통관(22)과 촉매층 내측 원통관(23) 사이에 형성된 촉매층 가열 유로(27)를 설치하여 연소배가스에 의해 개질촉매가 충전된 개질촉매층(28)을 가열하여 개질반응이 유도되고 연료개질장치의 상단부에 개질가스 냉각유로(29)의 인접한 외곽에 반응원료 추가예열유로(31)를 배치하여 도입되는 반응원료와 배출되는 개질가스간의 내부열교환을 증대하여 열효율 개선시킨 것을 특징으로 하는 연료개질장치.
개질가스 냉각유로(49) 내부로 하향 돌출되고 반응원료 추가예열유로(51)를 구성하는 추가예열유로 하부격판(60)에 부착된 동심관형 열교환 핀(59)을 다수 설치하고 부착된 동심관형 열교환 핀(59)과 개질가스 냉각유로(49)를 통과하는 개질가스 간의 접촉을 향상시키기 위해 동심관형 열교환 핀(59)과 엇갈리게 연소부상단 격벽(61)의 상부에 부착되며 개질가스 냉각유로(49) 내부로 상향 돌출된 동심관형 배플(58)이 하나 이상 설치된 내부 열교환 구조에 의하여 개질가스와 반응원료간의 내부열교환을 더 향상시킬 수 있도록 제조한 것을 특징으로 하는 연료개질장치.
제1항에 있어서,

상기 연료개질장치의 중심에 반응원료 도입구(34)와 개질가스 배출구(35)를 위치시켜 동심관형 내부 유로의 환상방향으로 지나는 유체의 분배가 균일하게 유도되는 것임을 특징으로 하는 연료개질장치.
제2항에 있어서,

상기 연료개질장치의 중심에 반응원료 도입구(54)와 개질가스 배출구(55)를 위치시켜 동심관형 내부 유로의 환상방향으로 지나는 유체의 분배가 균일하게 유도되는 것임을 특징으로 하는 연료개질장치.
제2항에 있어서,

상기 추가예열유로 하부격판(60)에 부착된 동심관형 열교환 핀(59)과 연소부상단 격벽(61)의 상부에 부착되고 개질가스 냉각유로(49) 내부로 상향 돌출된 동심관형 배플(58)을 서로 엇갈리게 배치하는 단순한 내부 열교환 구조를 가짐을 특징으로 하는 연료개질장치.