KR100761945B1 - Gas fuel processor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 가스연료처리기의 단면을 도시한 도면으로써, 상기 가스연료처리기는 수증기 개질기, 수성가스 전이반응기, 선택적 산화 반응기를 통합 체결하고 있다.1 is a cross-sectional view of a gas fuel processor according to a first embodiment of the present invention, wherein the gas fuel processor is integrated with a steam reformer, a water gas transfer reactor, and a selective oxidation reactor.
도 2a는 본 발명의 실시예1에 따른 가스연료처리기의 본체와 분리, 설치가 가능한 도너츠형 선택적 산화 반응기를 도시한 사시도이다.2A is a perspective view illustrating a donut type selective oxidation reactor capable of being separated from and installed with a main body of a gaseous fuel processor according to Embodiment 1 of the present invention.
도 2b는 도 2a의 평단면도이다.FIG. 2B is a plan sectional view of FIG. 2A.
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 가스연료처리기의 본체와 분리, 설치가 가능한 원통형 선택적 산화 반응기를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a cylindrical selective oxidation reactor capable of being separated from and installed with the main body of the gas fuel processor according to the second embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 버너 2: 원통형 연소실1: burner 2: cylindrical combustion chamber
3: 원통체 4: 개질촉매3: cylindrical body 4: reforming catalyst
5: 버너가이드 6: 열전달핀(heat transfer fin) 5: burner guide 6: heat transfer fin
7: 배출구 8: 원료가스유입구7: Outlet 8: Raw gas inlet
9: 원료가스버퍼 10: 원료가스예열부9: source gas buffer 10: source gas preheating unit
11: 연소실 외벽면 12: 수증기 개질기출구11: outer wall of combustion chamber 12: steam reformer outlet
13: 제1예열부 14: 제2예열부13: first preheater 14: second preheater
15: 유로 16: 케이싱플랜지15: Euro 16: Casing Flange
17: 원통체플랜지 18: 간극17: cylindrical flange 18: gap
19: 고온 전이 반응부 20: 저온 전이 반응부19: high temperature transition reaction unit 20: low temperature transition reaction unit
21: 혼합튜브 22: 스태틱믹서21: Mixing Tube 22: Static Mixer
23: 혼합튜브출력구 24: 확산부23: mixing tube output port 24: diffusion part
25: 개질가스출구 26: 열교환부25: reformed gas outlet 26: heat exchange unit
27: 촉매층 30: 연통홀27: catalyst layer 30: communication hole
31: 배가스버퍼 32: 제1유입홀31: exhaust gas buffer 32: first inlet hole
33: 제1유출홀 34: 제2유입홀33: first inflow hole 34: second inflow hole
35: 제2유출홀 36: 냉각매체공급관35: second outlet hole 36: cooling medium supply pipe
37: 냉각매체배출관 39: 원료가스공급홀37: cooling medium discharge pipe 39: source gas supply hole
40: 케이싱 41: 고온 전이 반응부 유입구40: casing 41: high temperature transition reaction inlet
42: 저온 전이 반응부 유입구 220: 산화반응기케이싱42: low temperature transition reactor inlet 220: oxidation reactor casing
221: 혼합튜브 222: 스태틱 믹서221: mixing tube 222: static mixer
225: 개질가스배출구 227: 촉매층225: reformed gas outlet 227: catalyst bed
228: 냉각관 229: 냉각자켓228: cooling tube 229: cooling jacket
231: 냉각액공급구 232: 냉각액배출구231: coolant supply port 232: coolant discharge port
233: 냉각자켓홀233: cooling jacket hole
본 발명은 천연가스, LPG 또는 일반 가정용 도시가스 등의 연료를 연료처리공정을 통해 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 원통형 연료처리기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 고분자연료전지에 개질가스를 원활하게 공급하기 위한 가스연료처리기에 관한 것이다.The present invention relates to a cylindrical fuel processor for converting fuel such as natural gas, LPG or general household city gas into hydrogen-rich reformed gas through a fuel treatment process, and more particularly, smoothly supplying reformed gas to a polymer fuel cell. It relates to a gas fuel processor for.
일반적으로 가정용의 소형 분산 전원용 고분자 연료전지 (PEMFCs) 시스템에 수소를 공급하기 위한 천연가스 연료처리 시스템은 탈황→수증기 개질→고온 전이→저온 전이→선택적 산화 등 단위공정으로 구성되어 있다. In general, a natural gas fuel treatment system for supplying hydrogen to small-sized distributed polymer fuel cell (PEMFCs) systems for home use consists of a unit process such as desulfurization, steam reforming, high temperature transition, low temperature transition, and selective oxidation.
기존 대형 수소제조 공정에서는 각 단위공정을 독립적으로 운전하며 크기에 별로 구애받지 않았지만, 일반 가정 설치를 목적으로 하는 가정용 연료전지 시스템을 위해서는 각 단위 공정의 모듈화와 통합을 통해 소형 및 고효율화를 유도하는 방향으로 연구되고 있다. In the existing large-scale hydrogen manufacturing process, each unit process is operated independently and is not limited in size, but for the home fuel cell system for general home installation, the direction of induction of small size and high efficiency through modularization and integration of each unit process Is being studied.
예를 들면 대한민국 특허공개 제10-2004-0012890호의 '원통식 수증기 개질기'의 경우 복수의 원통형 관을 설치하고 중심에 버너, 그리고 각 관의 빈틈에 수증기 개질 촉매층, 전이 반응 촉매층, 선택적 산화 촉매층을 설치하여 단위반응기를 통합하였다. For example, in the case of the 'cylinder steam reformer' of Korean Patent Publication No. 10-2004-0012890, a plurality of cylindrical tubes are installed, a burner in the center, and a steam reforming catalyst layer, a transition reaction catalyst layer, and a selective oxidation catalyst layer in the gap of each tube. To install the unit reactor.
그러나 이러한 개질기는 전이 반응 촉매층과 외벽사이에 단열층을 설치하고 선택적 산화 반응기 도입부 구조가 복잡하여, 제조가 어렵고 촉매층 이상 발생시 보수를 위한 작업이 용이하지 않다. However, such a reformer is provided with a heat insulation layer between the transition reaction catalyst layer and the outer wall, and the structure of the selective oxidation reactor introduction part is complicated, making it difficult to manufacture and repair work in the event of abnormal catalyst layer.
또한, 일본국특개평2004-262691의 경우 원통형 수증기 개질 반응기를 설치하고 외벽에 전이 반응기와 선택적 산화 반응기를 설치하였지만, 전이 및 선택적 산화 반응기의 냉각 및 원료 예열을 위한 구조가 복잡하고, 연소배가스로부터의 전열에 의한 전이 반응 촉매 손상시 보수를 위한 작업이 용이하지 않다. In addition, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-262691, although a cylindrical steam reforming reactor was installed and a transition reactor and an optional oxidation reactor were installed on the outer wall, the structure for cooling and preheating the raw material of the transition and selective oxidation reactor was complicated, Repair for the damage of the transfer reaction catalyst by heat transfer is not easy.
상기와 같은 연료처리기를 포함하여 대부분의 경우 단위 반응의 통합을 위해 반응기 설계를 진행하였으나, 선택적 산화 반응기 입구에서 개질 가스와 공기의 혼합을 위해서는 복잡한 구조를 피할 수 없고, 이 때문에 반응기 제조가 어려워지고, 촉매층에 이상 발생시 보수, 유지가 어려워져 전체 시스템의 내구성이 떨어지는등 각종 개량이 필요하다. In most cases, the reactor was designed to integrate the unit reaction including the fuel processor. However, a complicated structure is not avoided for the mixing of the reformed gas and air at the inlet of the selective oxidation reactor, which makes the reactor difficult to manufacture. In the event of an abnormality in the catalyst layer, it is difficult to repair and maintain the system, and the improvement of the overall system is inferior.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 각 단위 반응을 모듈화하여 분리 및 통합을 용이하게하고, 각 단위 반응기들이 상호 열교환 및 반응물 분배를 용이하게 수행할수있도록 단위 반응들의 통합을 유도하며, 이를 통해 소형화, 경량화 및 제작-보수 용이성을 가지는 동시에 높은 열효율로 운전이 가능한 가스연료처리기를 제공하는 데에 있다.An object of the present invention devised to solve the above problems is to modularize each unit reaction to facilitate separation and integration, and to induce integration of unit reactions so that each unit reactors can easily perform mutual heat exchange and reactant distribution. In addition, the present invention provides a gas fuel processor that can be operated with high thermal efficiency while being compact, lightweight, and easy to manufacture and maintain.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 천연가스 또는 LPG를 수소를 함유 하는 개질가스로 전환하는 가스연료처리기에 있어서, 내부에 버너가 설치된 원통형 연소실과, 상기 연소실보다 지름이 큰 원통체와의 사이에 수증기 개질촉매가 충진되는 수증기 개질 반응기; 상기 수증기 개질 반응기를 내부에 수용한 상태로 상기 수질기 개질 반응기와 체결이 가능하고, 상기 수증기 개질 반응기의 외벽과의 사이의 공간인 유로에 전이 반응을 위한 촉매를 충진한 전이 반응기; 및 상기 전이 반응기로부터 공급된 개질가스 중 일산화탄소의 함량을 감소시키도록 촉매층과, 상기 촉매층에 개질가스의 균일한 접촉을 위한 확산수단과, 상기 촉매층의 온도상승을 억제하는 냉각부를 가지는 선택적 반응기를 포함하고, 상기 수증기 개질 반응기, 전이반응기, 선택적 반응기는 일체로 결합되어 상호 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 가스연료처리기이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a gas fuel processor for converting natural gas or LPG into a reforming gas containing hydrogen, comprising a cylindrical combustion chamber having a burner installed therein, and a cylindrical body having a diameter larger than that of the combustion chamber. A steam reforming reactor filled with a steam reforming catalyst therebetween; A transition reactor capable of fastening with the water vapor reforming reactor in a state in which the steam reforming reactor is accommodated therein, and filling a catalyst for transition reaction in a flow path between the outer wall of the steam reforming reactor; And a selective reactor having a catalyst layer to reduce the content of carbon monoxide in the reformed gas supplied from the transition reactor, a diffusion unit for uniformly contacting the reformed gas to the catalyst layer, and a cooling unit for suppressing the temperature rise of the catalyst layer. And, the steam reforming reactor, the transition reactor, the selective reactor is a gas fuel processor, characterized in that the heat exchange with each other integrally combined.
상기 개질 반응기와 상기 전이 반응기는 결합과 분리를 위한 플랜지가 형성된 것을 특징으로 한다.The reforming reactor and the transition reactor are characterized in that the flange for coupling and separation is formed.
또, 상기 연소실의 외벽면에는 상기 개질촉매의 적층된 높이에 한정하여 열전달핀을 설치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the heat transfer fins may be provided on the outer wall of the combustion chamber by limiting the stacked height of the reforming catalyst.
또, 상기 수증기 개질 반응기에 원료가스 유입구를 통해 공급된 원료가스는 상기 원통체의 상부의 둘레로 형성된 원료가스버퍼의 벽과의 충돌에 의해 혼합된 후 상기 연소실과 상기 원통체 사이의 공간에 형성된 원료가스예열부로 공급되는 것을 특징으로 한다.In addition, the source gas supplied to the steam reforming reactor through the source gas inlet is mixed in the space between the combustion chamber and the cylinder after being mixed by the collision with the wall of the source gas buffer formed around the upper portion of the cylindrical body It is characterized in that the feed to the raw material gas preheating unit.
또, 상기 원통체의 저면부에는 수증기 개질기출구가 형성되고, 개질가스는 상기 수증기 개질기출구를 통해 배출되어 유로를 통해 상측으로 이동하는 것을 특징으로 한다.In addition, a steam reformer outlet is formed at the bottom of the cylindrical body, and the reformed gas is discharged through the steam reformer outlet to move upward through the flow path.
또, 상기 수증기 개질 반응기의 외벽과 상기 전이 반응기의 내벽 사이에는 일정 공간을 둠으로서 개질 반응기의 삽입 및 분리가 용이하고, 정상 작동시 상기 개질 반응기가 일정 공간에서 열팽창을 자유롭게 하는 것을 특징으로 한다.In addition, by placing a predetermined space between the outer wall of the steam reforming reactor and the inner wall of the transition reactor, the reforming reactor can be easily inserted and separated, and the reforming reactor frees thermal expansion in a predetermined space during normal operation.
또, 상기 전이반응기의 촉매는 백금 계열의 전이 촉매와, 철-크롬 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst of the transition reactor is characterized in that it comprises a platinum-based transition catalyst, iron-chromium catalyst.
또, 상기 전이 반응기와 상기 선택적 반응기는 스태틱 믹서가 내장된 혼합튜브로 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, the transition reactor and the selective reactor is characterized in that the static mixer is connected to the built-in mixing tube.
또, 상기 선택적 반응기의 촉매층에는 Pt계열 촉매 또는 Ru 계열 촉매를 충진하거나, 또는 Pt계열 촉매를 전반부에 충진하고 Ru계열 촉매를 후반부에 충진하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst layer of the selective reactor is characterized in that the Pt-based catalyst or Ru-based catalyst is filled, or the Pt-based catalyst is filled in the first half and Ru-based catalyst is filled in the second half.
또, 상기 선택적 반응기는 상기 혼합튜브와 연결되는 확산부와 튜브형상으로 형성된 촉매층을 가지고, 상기 확산부는 상기 촉매층과 개질가스의 접촉을 균일하게 하기 위해 부채꼴 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the selective reactor has a diffusion layer connected to the mixing tube and the catalyst layer formed in the shape of a tube, the diffusion portion is characterized in that it is formed in a fan shape in order to make contact between the catalyst layer and the reformed gas uniform.
또, 상기 선택적 반응기는 상기 혼합튜브의 주위를 감싸면서 형성되는 촉매층을 가지고, 상기 촉매층의 외측으로 산화반응기케이싱이 설치되며, 상기 개질가스는 상기 혼합튜브를 통과하여 상기 산화반응기케이싱에 부딪혀 상기 촉매층을 통과하여 배출되고, 상기 촉매층의 입구와 외벽면에 촉매층의 온도를 제어할수있는 냉각관 또는 냉각자켓을 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, the selective reactor has a catalyst layer formed surrounding the mixing tube, the oxidation reactor casing is installed to the outside of the catalyst layer, the reformed gas passes through the mixing tube to hit the oxidation reactor casing the catalyst layer It is discharged through the, characterized in that the inlet and the outer wall surface of the catalyst layer is provided with a cooling tube or a cooling jacket for controlling the temperature of the catalyst layer.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한 다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described. In adding reference numerals to components of the following drawings, it is determined that the same components have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings, and it is determined that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Detailed descriptions of well-known functions and configurations will be omitted.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 원통형 수증기 개질기, 상기 원통형 수증기 개질기를 삽입하고 플랜지를 통해 체결할 수 있는 전이 반응기, 및 개질가스와 공기의 혼합 수단을 갖춘 튜브에 의해 연결되는 선택적 산화 반응기를 포함하여 구성되는 가스연료처리기이다.The present invention provides a selective steam reactor connected by a cylindrical steam reformer, a transition reactor capable of inserting the cylindrical steam reformer and fastening through a flange, and a tube having a mixing means of reforming gas and air to solve the above problems. It is a gas fuel processor comprising.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 가스연료처리기의 단면도를 도시한 것이다.1 is a cross-sectional view of a gas fuel processor according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 수증기 개질기는 내부에 버너(1)가 설치될 수 있는 공간을 가지는 원통형상의 연소실(2)과, 상기 연소실(2)의 직경보다 큰 직경을 가지는 원통체(3)를 포함하여 이루어진다.The steam reformer of the present invention comprises a
상기 연소실(2)과 상기 원통체(3) 사이에 형성되는 공간은 원료가스예열부(10)로써, 상기 원료가스예열부(10)에는 개질촉매(4)가 충진된다.The space formed between the
상기 연소실(2)의 내부에는 상기 연소실(2)의 외벽과 일정 간격을 두고, 상기 버너(1)의 화염이 직접 표면에 닫는 것을 방지하는 버너 가이드(5)가 설치된다.The
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 버너(1)는 상기 연소실(2)의 길이의 대략 절반을 가지고, 상기 버너가이드(5)는 상기 버너(1)보다 길며 대략 상기 연소실(2)의 단부까지 연장된다.As shown in FIG. 1, the burner 1 has approximately half the length of the
이러한, 상기 버너(1), 상기 연소실(2), 및 상기 버너가이드(5)의 길이는 상기 버너(1)로부터 배출되는 화염의 길이를 고려하여 결정된다.The length of the burner 1, the
상기 연소실(2)의 상단부에는 연통홀(30)이 형성되고, 상기 연통홀(30)의 주위로 환형의 배가스버퍼(31)가 설치된다.A
그리고, 상기 배가스버퍼(31)의 상단에는 배출구(7)가 형성된다.In addition, an
따라서, 상기 버너(1)에 의해 생성되는 연소배가스는 상기 버너가이드(5)와 상기 연소실(2) 사이의 공간을 통과하여, 상기 연통홀(30)을 지나 상기 배가스버퍼(31)에 모여져서 상기 배출구(7)로 배출된다.Therefore, the combustion flue gas generated by the burner 1 passes through the space between the
이 때, 상기 배가스버퍼(31)의 열은 상기 배가스버퍼(31)의 주위를 감싸도록 형성되는 제1예열부(13)를 통해 흐르는 물을 가열한다.At this time, the heat of the
상기 제1예열부(13)에는 제1유입홀(32)과 제1유출홀(33)이 형성되어, 물의 출입을 가능하게 한다.The first preheating
또한, 전열면적을 증가시키기 위해 연소실 외벽에 열전달핀(heat transfer fin)(6)을 설치한다. In addition, a
상기 열전달핀(6)의 설치 위치는 수증기 개질 촉매층(4)와 동일한 혹은 촉매층(4)의 높이까지 설치된다.The
상기 열전달핀(6)의 길이는 하기(下記)하는 개질촉매(4)의 적층된 길이와 같거나 이보다 작도록 한정하며, 이는 이보다 길어지는 경우 촉매의 충진 및 반응물 혼합에 안 좋은 영향을 미칠 수 있기 때문이다The length of the
상기 연소실(2)의 상단부에는 상기 배가스버퍼(31)의 하측으로 원료가스버 퍼(9)가 설치된다.At the upper end of the
상기 원료가스버퍼(9)의 상단 일측에는 원료가스를 주입하는 원료가스유입구(8)이 설치된다.A raw
상기 원료가스버퍼(9)는 원료가스를 상기 연소실(2) 주위로 일정하게 공급할 수 있도록 상기 원료가스유입구(8)의 단면적보다 큰 단면적을 가지는 공간을 형성하고, 상기 연소실(2)의 외벽 주위로 원료가스공급홀(39)을 형성한다. The
그리고, 상기 연소실(2)와 상기 연소실(2)의 외벽 주위로 형성된 원통체(3) 사이로 원료가스가 흐르면서 상기 개질촉매(4) 및 상기 열전달핀(6)을 통과하게 된다.The raw material gas flows between the
상기 연소실(2)의 하단부에는 연소실 외벽면(11)이 형성되고, 상기 원통체(3)는 상기 연소실(2)보다 더 하측으로 연장되어 형성되고, 상기 원통체의 단부에는 수증기 개질기출구(12)가 형성된다.A combustion chamber
상기 원통체(3)를 주위에서 감싸면서 상기 수증기 개질기출구(12)와 연통되는 유로(15)를 형성하는 전이 반응기의 케이싱(40)이 설치된다.A
상기 원통체(3)와 상기 케이싱(40)은 상기 원통체(3)의 상단부에 형성된 원통체플랜지(17)와 상기 케이싱(40)의 상단부에 형성된 케이싱플랜지(16)에 의해 체결된다.The
상기 케이싱(40)의 대략 중심부 외측으로는 제2예열부(14)가 형성되어, 상기 유로(15)를 지나는 개질가스와 상기 제2예열부(14) 내를 흐르는 물이 열전달을 이루도록 한다.A
상기 제2예열부(14)에는 제2유입홀(34)과 제2유출홀(35)이 형성되어, 물의 출입을 가능하게 한다.The
상기 유로(15)의 대략 중간부분부터 상측으로는 고온 전이 반응부(19) 및 저온 전이 반응부(20)가 차례대로 적층된다.The high temperature
상기 원통체(3)의 외벽과 상기 고온 전이 반응부(19)와 저온 전이 반응부(20) 사이에는 소정의 간극(18)이 형성되어, 열팽창에 의한 변형을 방지하는 역할을 한다.A
상기 고온 전이 반응부(19)와 저온 전이 반응부(20)는 환형의 하우징에 설치되어 그 형상을 유지하며, 각각 고온 전이 반응부 유입구(41)와 저온 전이 반응부 유입구(42)를 가져서, 상기 유로(15)와 연통되도록 한다.The high temperature
상기 저온 전이 반응부(42)의 상측에는 일정한 공간을 두어 반응된 결과물인 개질가스가 임시로 모이게 되고, 상기 공간의 일측에 형성된 혼합튜브입력구(43)를 통해 상기 혼합튜브(21)를 경유하여 확산부(24)로 혼합튜브출력구(23)을 통해 공급된다.The reformed gas, which is a result of the reaction, is temporarily collected at an upper side of the low temperature
실시예1에서는 선택적 산화 반응기로써, 도 2에 도시된 바와 같이 튜브형의 선택적 산화 반응기를 사용한다.In Example 1, as the selective oxidation reactor, a tubular selective oxidation reactor is used as shown in FIG.
상기 확산부(24)는 상기 촉매층(27)과 인접하여 상기 개질가스를 일정부분에 치우치지 않도록 확산하는 역할을 한다.The
상기 촉매층(27)은 상기 버퍼(9)의 주위로 형성된다.The
그리고, 상기 확산부(24)의 반대측에 수소를 배출하는 개질가스출구(25)가 설치된다.A reformed
도 2는 실시예1의 상기 촉매층(27)과 상기 확산부(24)의 관계를 명확히 도시한 사시도 및 평단면도이다.FIG. 2 is a perspective view and a plan cross-sectional view showing clearly the relationship between the
상기 확산부(24)가 대략 부채꼴의 형상으로 형성되어, 상기 확산부(24) 내의 개질가스가 상기 촉매층(27)의 넓은 범위에 걸쳐 접촉할 수 있도록 하고 있다.The
도 3은 실시예2의 원통형의 선택적 산화반응기를 도시한 것이다. 실시예2의 원통형의 선택적 산화반응기는 실시예1의 튜브형의 선택적 산화반응기를 대체하여 사용될 수 있다.3 shows a cylindrical selective oxidation reactor of Example 2. FIG. The cylindrical selective oxidation reactor of Example 2 may be used in place of the tubular selective oxidation reactor of Example 1.
전이반응기와 연결되는 혼합튜브(221)가 산화반응기케이싱(220)에 관통되어 설치되고, 상기 혼합튜브(221)의 단부는 상기 산화반응기케이싱(220)의 바닥면에 근접하도록 형성된다.A mixing
상기 혼합튜브(221)의 일부분의 주위로 촉매층(227)이 감싸서, 상기 산화반응기케이싱(220)과 상기 혼합튜브(221) 사이의 공간을 충진한다.A
그리고, 상기 촉매층(227)이 형성된 상기 케이싱(220)의 외주면으로 튜브형 냉각관(228)이 형성된다.A
상기 산화반응기케이싱(220)의 저부에 형성된 냉각액공급구(231)와 일체로 상기 산화반응기케이싱(220)의 내부에 절곡되어 형성되는 냉각자켓(229)과, 상기 튜브형 냉각관(228)이 연결되어 상기 냉각자켓(229)을 지난 냉각액이 상기 튜브형 냉각관(228)을 지나게 되고, 상기 튜브형 냉각관(228)의 상측에 형성된 냉각액배출구(232)로 배출되게 된다.The cooling
이 때, 상기 냉각자켓(229)은 상기 산화반응기케이싱(220)의 저면부에 형성된 냉각자켓홀(233)을 통해 외부로 돌출되어 상기 튜브형 냉각관(228)과 연결된다.At this time, the cooling
따라서, 개질가스와 공기는 상기 혼합튜브(221)로 유입되어, 상기 혼합튜브(221) 내에 설치된 스태틱 믹서(222)에 의해 혼합되면서 위에서 아래로 흐르고, 혼합된 개질가스와 공기는 상기 산화반응기케이싱(220)의 바닥면에 부딪혀 상향하면서 상기 촉매층(227)을 지나서 개질가스배출구(225)로 나아가게 된다.Therefore, the reformed gas and air flow into the mixing
이하, 본 발명에 따른 개질과정을 설명한다.Hereinafter, the reforming process according to the present invention will be described.
상기 버너(1)로 연료 및 연소용 공기가 유입되어 연소배가스가 아래방향으로 배출되고, 상기 연소배가스는 상기 연소실(2)과 상기 버너가이드(5) 사이로 상측으로 흐르게 되어, 상기 배가스버퍼(31)을 경유하여 상기 배출구(7)를 통해 배출된다.Fuel and combustion air flow into the burner 1, and combustion exhaust gas is discharged downward, and the combustion exhaust gas flows upward between the
이 때, 상기 연소배가스는 상기 연소실(2) 주위로 흐르는 원료가스를 예열하고, 상기 배가스버퍼(31) 주위의 제1예열부(13) 내의 물에 열을 공급한다.At this time, the combustion exhaust gas preheats the raw material gas flowing around the
원료가스유입구(8)를 통해 도입된 수증기와 천연가스 또는 LPG인 원료는 상기 원료가스버퍼(9)에 부딪히며 수직 방향에서 수평 방향으로 흐름을 바꾸면서 1차로 혼합되며, 다시 수직 하향 방향으로 흐르면서 상기 원료가스예열부(10)를 통과하는 동한 2차로 혼합된다. Water vapor introduced through the raw
상기 원료가스예열부(10)에서 연소배가스에 의해 500℃정도 까지 예열된 수증기와 원료가스의 혼합물은 개질촉매(4)의 층에 도입되어 에탄, 프로판, 이소부탄 등의 탄화수소는 메탄으로 전환된 후 다음의 수증기 개질 반응을 거친다. The mixture of steam and raw material gas preheated to about 500 ° C. by the combustion exhaust gas in the raw material
CH4 + H2O → CO + 3H2 CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
상기 개질촉매(4)는 상기 연소실(2)의 외벽과 하부벽을 통해 모두 반응열을 전달받을 수 있도록 연소실 외벽면(2)과 하부벽면(11)에 모두 접촉해 있도록 구성하였으며, 상기 연소실(2) 외벽을 따라 하강하면서 생성된 개질가스는 상기 원통체(3)의 하측의 수증기 개질기출구(12)에서 하나로 모아진다.The reforming
반응을 위해 공급되는 물은 먼저 상기 제1예열부(13)에서 75℃ 이상으로 예열된 뒤, 상기 고온 수성가스 전이부(19)의 외측으로 설치된 제2예열부(14)에서 반응열을 이용하여 수증기로 전환되어 원료가스유입구(8)로 공급된다.The water supplied for the reaction is first preheated to 75 ° C. or higher in the
이때 상기 제1예열부(13) 및 상기 제2예열부(14)는 자켓 형태로 구성하며, 수증기 발생시 일정 공간에 수증기가 체류하면서 순간적으로 발생하는 끓어오름 현상을 방지하기 위해서는 튜브를 이용하여 구성하는 것도 바람직하다. At this time, the
수증기 개질기출구(12)를 통해 배출된 개질가스는 유로(15)를 통해 상승하면서 상기 개질촉매(4)를 단열해주는 효과를 주면서 전이 반응기 측으로 이동한다.The reformed gas discharged through the
전이 반응기는 상기 케이싱플랜지(17) 및 상기 원통체플랜지플랜지(16)의 분리를 통하여 체결 및 분리가 가능하다.The transition reactor may be fastened and separated through separation of the
상기 전이 반응부는 고온 전이 반응부(19)와 저온 전이 반응부(20)으로 나누어지며, 상기 고온 전이 반응부(19)는 450~350℃, 저온 전이 반응부(20)은 350~200℃의 온도로 운전되도록 한다. The transition reaction unit is divided into a high temperature
이때 다음의 수성 가스 전이 반응을 통해 일산화탄소는 수소와 이산화탄소로 전환된다. At this time, carbon monoxide is converted into hydrogen and carbon dioxide through the following water gas transition reaction.
CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2
상기 고온 전이 반응부(19)는 철-크롬 계열의 전이 촉매층를 충진하고 개질가스에 포함된 13~15%의 일산화탄소 농도를 5%이하로 감소시키며, 상기 저온 전이 반응부(20)는 내열성이 우수하다고 알려져 있는 백금-세리움 계열의 전이 촉매층을 충진하고 5% 가량의 일산화탄소 농도를 1% 이하로 저감시킨다. The high temperature
이때 고온 전이 반응부(19)에도 백금-세리움 계열을 사용하는 것이 가능하지만, 400℃ 영역에서 일산화탄소의 메탄화 반응에 의한 급격한 발열이 예상되고, 고가의 백금 계열 촉매양을 감소시키기 위해 고온 전이 반응부에는 철-크롬 계열 촉매를 이용하는 것이 바람직하다. At this time, it is possible to use a platinum-serium series in the high temperature
또한 저온 전이 반응부(20)는 저가의 구리 계열 촉매를 사용하는 것이 가능하지만, 내열성이 약해 내구성에서 문제가 있고 반응성이 낮아 많은 양의 촉매가 요구되므로, 내열성이 강하고 반응성이 우수한 백금-세리움 계열 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, although the low-temperature
상기 저온 전이 반응부(20)에서 배출된 개질가스가 고분자 연료전지에 공급되기 위해서는 일산화탄소 농도가 10ppm 이하로 저감되어야 한다. In order for the reformed gas discharged from the low temperature
이를 위해 다음의 선택적 산화 반응기를 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 방법이 많이 사용된다. For this purpose, a method of converting carbon monoxide to carbon dioxide through the following selective oxidation reactor is widely used.
CO + 1/2O2 → CO2 CO + 1 / 2O 2 → CO 2
이때 일산화탄소와 반응할 산소를 위해 공기를 공급하게 되며, 개질가스와 공기의 균일 혼합을 통해 효과적인 일산화탄소 산화 반응을 유도해야한다. In this case, air is supplied for oxygen to react with carbon monoxide, and an effective carbon monoxide oxidation reaction must be induced through uniform mixing of reforming gas and air.
이를 위해 상기한 종래의 기술에서는 소정의 통과속도를 얻을수 있도록 개질가스 통과 구멍의 크기를 조절하거나(한국특허공개 제10-2004-0012890호), 열전달입자 충진층을 사용해 적정 온도를 유지하는 방법 (일본특허공개 2004-262691)을 사용하기도 한다. To this end, in the above-described conventional technique, the method of adjusting the size of the reformed gas passage hole to obtain a predetermined passage speed (Korean Patent Publication No. 10-2004-0012890), or maintaining a proper temperature using a heat transfer particle filling layer ( Japanese Patent Laid-Open No. 2004-262691) is also used.
그러나 이들 방법들을 적용하는 경우 전이 반응기와 선택적 산화 반응기를 연결하는 유로 구조가 복잡해지고, 보수와 유지가 곤란해질 수 있다. However, when applying these methods, the flow path structure connecting the transition reactor and the selective oxidation reactor becomes complicated, and maintenance and maintenance may be difficult.
본 발명에서는 도 2 및 도 3에서와 같이, 전이 반응기의 출구와 선택적 산화 반응기 사이를 혼합튜브(21,221)로 연결하고 이 내부에 와류발생 구조체, 더 정확하게는 스태틱 믹서(22,222)를 삽입하여 개질가스와 공기의 혼합을 유도한다.In the present invention, as shown in Figures 2 and 3, between the outlet of the transition reactor and the selective oxidation reactor with a mixing tube (21, 221) and the vortex generating structure, more specifically the static mixer (22, 222) inserted therein reforming gas Induce mixing of air with air.
스태틱 믹서의 경우 반응물의 균일 혼합을 위해 최소 길이가 요구되므로, 튜브 내경에 맞는 믹서의 최소 길이를 삽입할 수 있는 혼합튜브를 사용하였다. In the case of the static mixer, since the minimum length is required for uniform mixing of the reactants, a mixing tube capable of inserting the minimum length of the mixer according to the tube inner diameter was used.
따라서 수성가스 전이 반응기와 선택적 산화 반응기는 일정 거리 이상 떨어지게 되지만, 그 길이는 전체 시스템의 시동시간이나 차압, 열효율 등에 영향을 미칠 정도는 아니다. Therefore, the water gas shift reactor and the selective oxidation reactor are separated by a certain distance, but the length does not affect the startup time, the differential pressure, the thermal efficiency, etc. of the entire system.
더욱이 선택적 산화반응기를 도 2에서와 같이 튜브형으로 하는 경우에는 개질 반응기와 전이 반응기를 결합하는 플랜지(16,17) 위에 놓여지고, 개질 반응기의 상부와 접촉이 가능한 형태를 가지기 때문에 전이 반응기 출구와 선택적 산화 반응기 입구 연결 방향 및 길이를 자유롭게 조절하는 것이 가능하다. Moreover, when the selective oxidation reactor is tubular as shown in Fig. 2, it is placed on the
혼합 튜브를 통과한 개질 가스는 입구(23)을 통해 부채꼴 모양의 확산부(24)에서 넓게 확산되어 촉매층(27)에 도입됨으로서 촉매층의 어느 한 부분에 집중되는 것을 방지하였다. The reformed gas passing through the mixing tube was widely diffused in the fan-shaped
촉매층을 수평 방향으로 통과한 개질가스는 다시 모아져 수직 방향의 출구(25)를 통해 배출된다. 이를 통해 개질 가스가 촉매층 전체를 균일하게 통과하는 것이 가능하다. The reformed gas passing through the catalyst bed in the horizontal direction is collected again and discharged through the
또, 선택적 산화 반응기는 촉매층 입구에서 산화 반응에 의한 급격한 발열 반응이 발생하므로 냉각을 위해 공기 또는 물을 흘릴 수 있는 열교환부(26)을 설치하며, 촉매층 전체의 온도 증가를 방지하는 열교환부를 설치한다. In addition, since the selective oxidation reactor generates a rapid exothermic reaction due to the oxidation reaction at the inlet of the catalyst bed, a
상기 열교환부(26)는 자켓 또는 냉각관를 사용하는 것이 가능하다.The
상기 열교환부(26)에 공기 또는 물을 공급할 수 있는 냉각매체공급관(36) 및 냉각매체배출관(37)이 형성된다.A cooling
상기 열교환부(26)에서의 열교환을 통해 입구 온도는 130℃ 이하로 유지시켜주고, 산화 촉매층 최고 온도는 160℃ 이하로 유지함으로서 백금 계열 또는 루테늄 계열 촉매를 이용하여 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 제거하는 것이 가능하다. The inlet temperature is maintained at 130 ° C. or lower through heat exchange in the
선택적 산화 반응기의 형태는 도너츠 형으로 국한되지는 않으며, 스태틱 믹서를 삽입한 튜브를 내장한 형태의 원통형 반응기로 도 3와 같은 실시예2에 따라 구성하는 것도 가능하다. The type of the selective oxidation reactor is not limited to the donut type, but a cylindrical reactor having a tube into which a static mixer is inserted may be configured according to Example 2 as shown in FIG. 3.
이 경우 개질가스와 공기는 혼합 튜브(221)내의 스태틱 믹서(222)를 통과하면서 균일하게 혼합되고, 반응기 하부에서 반전하여 상승하면서 촉매층(227)에 도입된다. In this case, the reformed gas and the air are uniformly mixed while passing through the
이때 상기와 같은 이유로 상기 촉매층(227) 입구의 급격한 온도 상승을 방지하기 위해 촉매층 입구의 개질가스 온도를 130℃ 이하로 유지시킬 수 있는 냉각관(228)이 설치된다.At this time, in order to prevent the rapid rise of the temperature of the inlet of the
상기 냉각관(228)에서 배출된 물은 다시 촉매층의 온도 증가를 방지하기 위한 냉각관 또는 자켓(29)에 공급되어 촉매층 최고 온도가 160℃ 이하로 유지시킨다. The water discharged from the cooling
[시험예][Test Example]
이하, 시험예를 통하여 본 발명의 특징을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the features of the present invention through the test examples in more detail.
본 실시 예에서는 1kW급 고분자 연료전지를 위해 수소 생산 규모 1.0Nm3/hr의 가스연료처리기에 대하여 실시예1을 예를 적용하였지만, 본 시험예에 한정되지는 않으며 3.0Nm3/hr 이상의 수소 생산 규모에서 적용 가능하다. In the present embodiment, Example 1 is applied to a gas fuel processor having a hydrogen production scale of 1.0 Nm 3 / hr for a 1 kW class polymer fuel cell, but the present invention is not limited to this test example, and the hydrogen production is more than 3.0 Nm 3 / hr. Applicable in scale.
수증기 개질기, 전이 반응기, 선택적 산화 반응기에 각 촉매를 충진하고, 플랜지와 혼합 튜브를 통해 각 반응기를 연결하였다. 개질 원료가스로 도시가스를 사용하며, 유량 4.3NL/min으로 공급하고, 순수 물은 11.8g/min으로 공급하여 수증기/탄소 비 (S/C비) = 3.0에서 운전하였다. Steam reformers, transition reactors, and selective oxidation reactors were charged with each catalyst, and each reactor was connected through a flange and a mixing tube. City gas was used as the reforming feedstock gas, supplied at a flow rate of 4.3NL / min, and pure water was supplied at 11.8 g / min to operate at a water vapor / carbon ratio (S / C ratio) = 3.0.
선택적 산화 반응을 위한 공기는 1.6NL/min으로 공급하였다. Air for the selective oxidation reaction was supplied at 1.6 NL / min.
상기 버너(1)에 공급되는 천연가스 유량은 2.14NL/min이며, 이때 개질가스 출구 온도는 730℃ 이상으로 원료 천연가스내의 메탄과 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 대부분을 수소와 일산화탄소로 전환시키는 것이 가능했다. The flow rate of the natural gas supplied to the burner 1 is 2.14 NL / min, and the reformed gas outlet temperature is 730 ° C. or higher to convert most of the hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane into hydrogen and carbon monoxide in the raw natural gas. It was possible.
표 1은 정상 상태에서 연료처리 시스템에서 배출되는 개질가스의 조성 및 메탄 전환율, 열효율을 나타낸다. Table 1 shows the composition, methane conversion and thermal efficiency of the reformed gas discharged from the fuel treatment system at steady state.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. As described above, it has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below I can understand that you can.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명을 통하여, 원통형 수증기 개질 반응기와 이를 삽입할 수 있는 원통형 전이 반응기를 플랜지를 통해 체결할 수 있기 때문에 전체 시스템의 소형화가 가능하고, 반응기 전체의 교체없이 부분 촉매에 대한 보수가 가능해졌다. As described above, through the present invention, since the cylindrical steam reforming reactor and the cylindrical transition reactor capable of inserting the same can be fastened through the flange, the whole system can be miniaturized, and the partial catalyst can be replaced without replacing the entire reactor. Repair is now possible.
또 전이 반응기와 선택적 산화 반응기는 스태틱 믹서를 삽입한 튜브를 통해 연결해줌으로서 개질 가스와 산화용 공기의 균일 혼합이 가능하고, 복잡한 연결 구조를 피할 수 있었다. In addition, the transition reactor and the selective oxidation reactor were connected through a tube into which a static mixer was inserted, enabling uniform mixing of the reforming gas and the oxidizing air, thereby avoiding complicated connection structure.
반응기 전체의 소형화와 제작의 단순화, 보수 및 유지의 용이성, 열효율 증가 등을 제공할 수 있다. It can provide miniaturization of the entire reactor, simplification of fabrication, ease of maintenance and maintenance, and increased thermal efficiency.
Claims (11)
Priority Applications (1)
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- 2006-06-29 KR KR1020060059591A patent/KR100761945B1/en active IP Right Grant
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