KR101098850B1 - Integrated CO shift reactor with steam generating part and control method of outlet temperature using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것으로, 그 목적은 별도의 복잡한 냉각관과 고온수 펌프 사용없이 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 연소 배가스 또는 개질 가스 열교환에 의한 열원으로 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(1)와; 수증기발생부 내부에 장치되어 반응에 의한 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부에 저장된 고온수와 열교환되어 출구온도가 안정되게 조절되는 일산화탄소전이반응부(2);가 일체로 구성된 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 특징으로 한다.
일산화탄소 전이 반응기, 수증기 발생기, 전열관, 촉매층, 냉각관
The present invention relates to a carbon monoxide transition reactor including a steam generator and a method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor using the same, and an object thereof is a carbon monoxide transition that can stably control the outlet temperature without using a separate complicated cooling pipe and a hot water pump. It is to provide an outlet temperature control method of a reactor and a carbon monoxide transition reactor using the same.
The configuration of the present invention comprises a steam generator (1) for generating steam as a heat source by combustion exhaust gas or reformed gas heat exchange; The carbon monoxide transition reaction unit (2) which is installed inside the steam generator and heat exchanged with the hot water stored in the steam generator at a lower temperature than that is stable to control the outlet temperature stably; comprises a steam generator A method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor and a carbon monoxide transition reactor using the same.
Carbon monoxide transfer reactor, steam generator, heat pipe, catalyst bed, cooling pipe
Description
본 발명은 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것으로, 자세하게는 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 외부 벽면을 경계로 외곽에 냉각매체를 접촉토록 하여 일산화탄소전이반응기의 출구온도를 안정되게 조절할 수 있도록, 수증기 발생부와 일산화탄소전이반응부의 일체화에 의한 단순한 구조를 제공하는 일산화탄소 전이 반응기와 이러한 구조를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon monoxide transition reactor including a steam generator and a method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor using the same. Specifically, a cooling medium is provided on the outer wall of the carbon monoxide transition reactor without a heat pipe installed thereon. A carbon monoxide transfer reactor providing a simple structure by integrating a steam generator and a carbon monoxide transition reactor so that the outlet temperature of the carbon monoxide transition reactor can be stably controlled so as to be in contact with each other, and a method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor using such a structure will be.
화석연료 수증기 개질 공정은 700℃ 이상에서 반응이 진행되는 수증기 개질 반응기 공정과 200~450℃ 온도 범위에서 작동하는 일산화탄소 전이 반응기(혹은 수성 가스 전이 반응기, water gas shit reactor) 공정으로 구성된다.The fossil fuel steam reforming process consists of a steam reforming reactor process in which the reaction proceeds above 700 ° C and a carbon monoxide transition reactor (or water gas shit reactor) process operating in the temperature range of 200 to 450 ° C.
또한 상기한 반응에서 수증기 개질 반응은 강한 흡열 반응으로, 통상 버너 혹은 촉매연소기 등의 연소 장치로 촉매층을 가열하여 적정 작동 온도를 유지하도록 하고 있다. 이때 촉매층을 가열하고 배출되는 연소 배가스의 폐열은 수증기 발생기에서 회수하여 반응 원료인 수증기를 제공하도록 구성되어 있다. 수증기발생기는 물을 수증기로 변환시켜 수증기를 발생시키는 것으로, 수증기 개질 공정에 포함된 수증기 발생기의 열원으로는 주로 연소배가스 폐열 혹은 개질 가스의 폐열을 이용하고 있다.In the above reaction, the steam reforming reaction is a strong endothermic reaction, in which a catalyst layer is usually heated by a combustion device such as a burner or a catalytic burner to maintain an appropriate operating temperature. At this time, the waste heat of the combustion flue-gas which is heated after the catalyst layer is discharged from the steam generator is configured to provide steam as a reaction raw material. The steam generator converts water into steam to generate steam. The heat source of the steam generator included in the steam reforming process mainly uses waste heat of combustion flue gas or reformed gas.
상기 일산화탄소전이반응기는 일산화탄소와 수증기가 반응하여 이산화탄소와 수소를 생성하는 반응으로 약한 발열 반응이며 수소의 수율을 증가시키는 반응으로 기존 공정에서는 빠른 반응 속도와 평형 일산화탄소 배출 농도 감소를 위해 2기의 단열 반응기를 주로 사용한다. 즉, 고온 작동 일산화탄소 전이 반응기는 300~450℃의 온도 범위에서 작동하며 빠른 반응속도를 이용하여 출구 일산화탄소를 2~3% 정도까지 저감하고 200~250℃ 정도에서 운영되는 저온 작동 일산화탄소 전이 반응기에서 출구 일산화탄소 농도를 1% 이하까지 저감하게 되는데 저온 일산화탄소 전이 반응기 작동 온도 조절을 위해서 고온 작동 일산화탄소 전이 반응기 후단이며 저온 작동 일산화탄소 전이 반응기 전단에 해당하는 위치에 개질 가스 온도 조절용 열교환기가 설치되어 있다.The carbon monoxide transfer reactor is a reaction that generates carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide and water vapor, and is a weak exothermic reaction, and increases the yield of hydrogen. In the existing process, two adiabatic reactors for fast reaction speed and equilibrium carbon monoxide emission concentration are reduced. Mainly used. That is, the high temperature operating carbon monoxide transfer reactor operates in the temperature range of 300 to 450 ° C., and uses a fast reaction rate to reduce the outlet carbon monoxide by 2 to 3% and the outlet at the low temperature operating carbon monoxide transfer reactor operated at about 200 to 250 ° C. The carbon monoxide concentration is reduced to 1% or less. For controlling the temperature of the low temperature carbon monoxide transfer reactor, a heat exchanger for controlling the temperature of the reformed gas is installed at the rear end of the high temperature carbon monoxide transfer reactor and at the front end of the low temperature carbon monoxide transfer reactor.
또한 연료전지 수소 공급용의 중소규모 분산 생산 시스템에서는 장치의 간편화와 소형화를 위해 1기의 반응기를 사용한다. In addition, the small- and medium-sized distributed production system for fuel cell hydrogen supply uses one reactor for simplicity and miniaturization.
하지만 1기의 반응기 사용시 입구온도가 높으면 반응 속도가 증가하여 촉매 사용량은 감소하나 평형 조건에 의해 출구 온도가 높아서 생성가스 내 일산화탄소 농도를 2% 이하로 저감하기 어려움이 있다.However, when one reactor is used, if the inlet temperature is high, the reaction rate is increased to decrease the amount of catalyst used, but it is difficult to reduce the carbon monoxide concentration in the produced gas to 2% or less due to the high outlet temperature due to equilibrium conditions.
반대로 입구온도가 낮으면 출구온도도 감소하여 일산화탄소 농도를 1% 이하까지 저감할 수 있으나 반응 속도가 감소하여 촉매 사용량이 증가, 반응기 전체 부피가 증가한다는 문제점이 있다.On the contrary, if the inlet temperature is low, the outlet temperature is also reduced to reduce the carbon monoxide concentration to 1% or less, but there is a problem that the reaction rate decreases, thus increasing the amount of catalyst used and increasing the total volume of the reactor.
이에 입구온도 180~220℃ 내외에서 반응기 촉매층의 후단 부분에 냉각 장치를 설치하여 강제 냉각하는 방식의 일산화탄소 전이 반응기를 주로 채택하고 있다.Accordingly, the carbon monoxide transfer reactor of the forced cooling method is mainly adopted by installing a cooling device in the rear end portion of the reactor catalyst layer at around the inlet temperature of 180 ~ 220 ℃.
하지만 기존 냉각 장치는 촉매층 내부에 설치되고 수증기, 물, 원료 화석연료, 공기 등으로 냉각하는 방식으로 액상 냉매의 경우 고온수 펌프 등의 회전기기가 필요하여 시스템의 복잡성이 증가한다는 문제점이 있다.However, the existing cooling device is installed inside the catalyst bed and is cooled by steam, water, raw fossil fuel, air, etc., and thus, a liquid refrigerant requires a rotating device such as a hot water pump, thereby increasing the complexity of the system.
도 7은 종래 한실시예에 따른 수증기 개질 시스템 구성도인데, 도시된 바와 같이 화석연료 수증기 개질 시스템은 통상 수증기 개질 반응기(51); 버너(52) 및 연소공간(53); 원료 탄화수소 탈황기(54); 원료 예열기(55); 수증기 발생기(512); 및 일산화탄소전이반응기(57)로 구성된다.7 is a schematic diagram of a steam reforming system according to an exemplary embodiment of the present invention. As illustrated, a fossil fuel steam reforming system is typically a
수증기 개질 반응기(51)에서는 600~800℃ 정도의 온도에서 수증기 개질 반응이 진행되고 수증기 개질 반응기의 온도는 버너(52)에서 발생한 연소열을 이용하여 촉매층 온도를 유지한다. 연소 공간에 인접한 수증기 개질 촉매층에 반응열을 공급하고 배출되는 연소 배가스의 온도는 500℃ 이상이므로 수증기 발생기(512)의 연소 배가스 열회수용 냉각관(59)과 수증기 발생기 고온수 저장부(510)간의 열교환에 의 해 수증기 생성에 필요한 열량을 공급하고 200℃ 이하의 온도로 냉각되어 배출된다. 원료 탄화수소와 수증기는 수증기 개질 반응기(51)에서 수소가 풍부한 개질가스로 전환되어 500℃ 이상으로 배출되고 이는 원료예열기(55)에서 원료 탄화수소와 수증기의 혼합물 원료와 열교환하여 일산화탄소전이반응기(57)로 공급된다. In the
일산화탄소전이반응기(57)는 통상 단열반응기 형태로 구성되므로 발열반응이 진행되는 일산화탄소전이반응기 출구는 입구온도보다 높은 온도로 처리된 개질가스가 배출된다. 이때 일산화탄소전이반응기에서 배출되는 개질가스의 온도가 200~300℃ 정도의 온도이므로 개질가스내 폐열 회수를 위하여 수증기발생기(512)에 개질가스 열회수용 냉각관(58)을 설치하여 추가적인 수증기 발생열 공급이 가능하도록 구성하고 있다. 수증기발생기(512)는 일정 압력에서 작동하도록 압력 제어를 하도록 구성되어 있으므로 고온수의 비등(boiling) 온도가 일정 온도를 유지 하게 되며 설정 압력에 따라 145~200℃ 정도에서 운전된다.Since the carbon
도면중 미설명 부호 56은 원료탄화수소, 수증기 혼합기(mixer)이고, 511은 수증기발생기 수증기 저장부이다.In the drawing,
[참고문헌][references]
1. "연료전지발전시스템"(JP1994-140068, 출원일 : 1992.10.26)1. "Fuel cell power generation system" (JP1994-140068, filed date: October 26, 1992)
2. "연료전지용 일산화탄소변성기"(JP1997-268001, 출원일 : 1996.04.01)2. "Carbon monoxide modifier for fuel cells" (JP1997-268001, filing date: 1996.04.01)
3. "연료전지용 개질계에 있어서 CO 변성기"(JP2002-216827, 출원일 : 2001.01.12)3. "CO transformer in reforming system for fuel cell" (JP2002-216827, filed date: Jan. 12, 2001)
4. "개질가스중의 CO 변성방법"(JP2003-34505, 출원일 : 2001.07.19)4. "CO modification method in reformed gas" (JP2003-34505, filing date: July 19, 2001)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 작동온도가 유사한 일산화탄소 전이반응부와 열회수형 수증기발생부를 일체화하여 장치를 소형화하며 일산화탄소 전이반응부의 발생열을 수증기발생부의 고온수 저장 구역과 접촉시켜 열교환함으로써 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기를 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to integrate the carbon monoxide transition reaction unit and heat recovery type steam generator having a similar operating temperature to miniaturize the device and to heat the heat generated by contacting the heat generated by the carbon monoxide transition reaction unit with the hot water storage zone of the steam generator. By providing a carbon monoxide transition reactor that can control the outlet temperature in a stable manner.
본 발명의 다른 목적은 별도의 복잡한 냉각관과 고온수 펌프 사용없이 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공하는 데 있다It is another object of the present invention to provide a method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor that can stably control the outlet temperature without using a separate complicated cooling pipe and a hot water pump.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연소 배가스 폐열과 수증기의 원료가 되는 공급수 간의 열교환에 의해 수증기를 발생시키는 수증기 발생부와; The present invention to achieve the object as described above and to solve the conventional drawbacks, the present invention comprises: a steam generator for generating steam by heat exchange between combustion exhaust gas waste heat and supply water as a raw material of steam;
수증기발생부 내부에 장치되어 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부에 저장된 고온수와 열교환되어 출구온도가 안정되게 조절되는 일산화탄소전이반응부;가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기를 제공함으로써 달성된다.Carbon monoxide transition unit comprising a steam generator, characterized in that the steam generator is characterized in that the unit is installed inside the steam generator is heat exchanged with the hot water stored in the steam generator at a lower temperature than the heat generation is stable control the outlet temperature; By providing a reactor.
상기 일산화탄소전이반응부의 전이반응부출구 온도 제어는 전이반응부입구로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매 후단부의 전이반응부케이스가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 구성한 것을 특징으로 한다. The temperature control of the transition reaction outlet of the carbon monoxide transition reaction part controls the temperature of the gas introduced into the transition reaction inlet, the pressure inside the case of the steam generation part, and the transition of the hot water temperature in the boiling state and the rear end of the carbon oxide transition catalyst. The reaction unit case is characterized in that the temperature is controlled by adjusting any one or more of the areas in contact with the hot water portion.
상기 일산화탄소전이반응부는 발생열이 수증기 발생부와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어 일산화탄소전이반응촉매 출구온도가 200℃ 이하로 조절되도록 하고,The carbon monoxide transition reaction unit is operated in a temperature range of 180 ~ 300 ℃ by heat exchange with the steam generator to control the carbon monoxide transition reaction catalyst outlet temperature to 200 ℃ or less,
상기 수증기 발생부에 저장된 고온수는 일산화탄소전이반응부와의 열교환에 의해 145 ~ 180 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 한다.The hot water stored in the steam generating unit is characterized in that configured to operate in a temperature range of 145 ~ 180 ℃ by heat exchange with the carbon monoxide transition reaction unit.
수증기 발생부는, 고온수를 저장하는 수증기발생부 케이스와; 수증기발생부 케이스 내부에 저장된 고온수에 잠겨 설치된 열교환기와; 수증기발생부 케이스 내벽에 설치된 보조전기히터;로 구성된 것을 특징으로 한다.The steam generator includes a steam generator case for storing hot water; A heat exchanger immersed in hot water stored in the steam generator case; An auxiliary electric heater installed on the inner wall of the steam generating unit case; characterized in that consisting of.
상기 수증기발생부 케이스는 상부에 저장된 고온수와 수밀되어 격리되고 열교환기를 구성하는 다수개 관이 관통되는 수평격리판과; 수평격리판을 두 개의 공간부로 나누는 수직격리판과; 수직격리판으로 나뉘어진 일측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 입구 및 타측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 출구와; 상부에 일산 화탄소전이반응부의 전이반응부케이스가 삽입될 크기로 개방되어 돌출된 상부 개방부와; 상부 개방부 일 지점 측면에 형성된 수증기배출구와; 하부 수평격리판보다 높은쪽 일 측면에는 형성된 보충수 공급구;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The steam generating unit case is horizontally isolated from the high-temperature water stored in the upper part is isolated and horizontally separated through a plurality of pipes constituting a heat exchanger; A vertical separator separating the horizontal separator into two space parts; A burner exhaust gas inlet formed at a lower portion of one side space divided by a vertical separation plate and a burner exhaust gas outlet formed at a lower portion of the other space; An upper opening which protrudes and is opened to a size into which the transition reaction part case of the carbon monoxide transition reaction part is inserted; A water vapor outlet formed at one side of the upper opening; It is characterized in that it comprises a; supplementary water supply port formed on one side higher than the lower horizontal isolation plate.
상기 열교환기는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 코일형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.The heat exchanger is characterized in that a plurality of pipes having a different radius is installed in a coil shape having a separate circulation path.
상기 열교환기는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 'U'자형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.The heat exchanger is characterized in that a plurality of tubes having a different radius is installed in a 'U' shape having a separate circulation path.
상기 일산화탄소전이반응부는 수증기발생부 케이스의 상부에 돌출 형성된 상부개방부에 삽입되어 장치되고, 그 상부에는 전이반응부입구가 형성된 전이반응부케이스와; The carbon monoxide transition reaction unit is inserted into the upper open portion protruding from the upper portion of the steam generating unit case, the transition reaction portion case formed on the upper portion of the transition reaction inlet;
전이반응부케이스 내부에 설치되고 그 상부 끝단의 전이반응부출구가 형성된 구간은 절곡되어 전이반응부케이스를 관통하여 돌출된 내부상승관과; An inner riser pipe installed inside the transition reaction part case and having a transition reaction outlet at the upper end thereof bent to protrude through the transition reaction part case;
전이반응부케이스과 내부상승관 사이 공간에 충전된 일산화탄소전이반응촉매;로 구성된 것을 특징으로 한다.Characterized in that consisting of; carbon monoxide transfer reaction catalyst filled in the space between the transition reaction part case and the inner riser.
상기 일산화탄소전이반응부는 수증기발생부 케이스의 상부에 돌출 형성된 상 부개방부에 삽입되어 장치되고, 그 상부에 전이반응부입구가 형성된 전이반응부케이스와; The carbon monoxide transition reaction unit is inserted into the upper open portion protruding from the upper portion of the steam generating unit case, the transition reaction portion case formed with a transition reaction inlet on the upper portion;
전이반응부케이스 하부와 바깥쪽에서 연결되고, 상부개방부를 관통한 후, 전이반응부출구가 형성된 끝단 구간은 절곡되어 형성된 외부상승관과; A lower end pipe connected to a lower portion of the transition reaction part case and an outer side, and penetrating the upper opening portion, the end section in which the transition reaction outlet is formed is bent;
전이반응부케이스에 충전된 일산화탄소전이반응촉매;로 구성된 것을 특징으로 한다.Characterized in that consisting of; carbon monoxide transfer reaction catalyst charged in the transfer reaction case.
또한 본 발명은 다른 실시형태로 상기 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기를 구비하여 일산화탄소전이반응부의 발생열을 수증기발생부의 고온수 저장 구역과 접촉시켜 열교환토록 함으로써 수증기발생부에서 필요한 열은 일산화탄소전이반응부로부터 회수토록 하고,In another embodiment, the present invention includes a carbon monoxide transfer reactor including the steam generator, and heats the carbon monoxide transition reaction unit by contacting the heat generated by the carbon monoxide transfer unit with the hot water storage zone of the steam generation unit to heat exchange the carbon monoxide transition unit. To recover from
일산화탄소전이반응부의 전이반응부출구 온도 제어는 전이반응부입구로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매 후단부의 전이반응부케이스가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 한 방법을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공함으로써 달성된다.Transition reaction outlet temperature control of the carbon monoxide transition reaction part controls the temperature of the gas introduced into the transition reaction inlet, the pressure inside the case of the steam generating part, the temperature of the hot water in the boiling state and the transition reaction at the rear end of the carbon oxide transfer catalyst. It is achieved by providing a method for controlling the outlet temperature of a carbon monoxide transition reactor comprising a steam generator, characterized in that the temperature is controlled by controlling any one or more of the areas in which the subcase is in contact with the hot water portion.
상기 일산화탄소전이반응부는 발생열이 수증기 발생부와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어, 일산화탄소전이반응촉매 출구온도를 200℃ 이하로 조절되도록 하고, The carbon monoxide transition reaction part is operated in a temperature range of 180 ~ 300 ℃ by heat exchange with the steam generator, so that the carbon monoxide transition reaction catalyst outlet temperature is adjusted to 200 ℃ or less,
상기 수증기 발생부는 일산화탄소전이반응부와의 열교환에 의해 145 ~ 180 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 한다.The steam generator is characterized in that configured to operate in a temperature range of 145 ~ 180 ℃ by heat exchange with the carbon monoxide transition reaction unit.
본 발명은 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 외부 벽면을 경계로 외곽에 냉각매체를 접촉하도록 하여 반응기 구조를 단순화 시켰다는 장점과,The present invention has the advantage of simplifying the reactor structure by contacting the cooling medium on the outer boundary of the outer wall without installing a heat pipe inside the catalyst layer of the carbon monoxide transfer reactor,
또한 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 수증기 발생부의 고온수 부분과 일산화탄소전이반응부 외벽이 접촉하도록 하여 고온수 펌프등의 외부 회전기기 없이 간단한 구조로 반응기를 냉각시킨다는 장점과,In addition, there is an advantage of cooling the reactor with a simple structure without an external rotating device such as a high temperature water pump by allowing the hot water portion of the steam generating unit and the outer wall of the carbon monoxide transfer reaction unit to contact each other without installing a heat pipe inside the catalyst layer of the carbon monoxide transfer reactor.
또한 기존 특허가 CO 변성기 촉매층 내부에 냉각 배관의 피치를 조절하여 온도 분포를 조절하는 것과 달리 본 발명은 수증기 발생기 액상과 기상부에 노출되는 일산화탄소전이 반응기 길이를 조절하여 온도 분포를 조절한다는 장점과,In addition, unlike the existing patent to control the temperature distribution by adjusting the pitch of the cooling pipe inside the CO transformer catalyst layer, the present invention provides an advantage that the temperature distribution is controlled by adjusting the length of the carbon monoxide transfer reactor exposed to the vapor phase liquid phase and the gas phase portion,
또한 기존 특허가 일산화탄소전이반응기 전단부와 후단부에 각각 다른 촉매를 충전하고 후단 저온부 온도 조절을 위하여 냉각관을 설치하였으나 본 발명은 냉각관을 설치하지 않고 일산화탄소전이반응부 외부에 냉매를 접촉하여 일산화탄소전이반응부 후단부 온도를 조절한다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.In addition, the existing patent is filled with a different catalyst in the front end and the rear end of the carbon monoxide transition reactor, and the cooling tube is installed to control the temperature of the lower end of the carbon monoxide transition, but the present invention does not install a cooling tube to contact the refrigerant outside the carbon monoxide transition reactor carbon monoxide It is a useful invention having the advantage of controlling the temperature at the rear end of the transition reaction part, and is an invention that is expected to be greatly used in industry.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명을 포함하는 수증기 개질 시스템의 전체 구성도로, 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 수증기 개질 시스템의 구성으로 개질 반응기(51); 버너(52) 및 연소공간(53); 원료 탄화수소 탈황기(54); 원료 예열기(55); 로 구성되는 것은 종래의 시스템 구성과 유사하나 본 발명의 특징은 종래의 수증기발생기에 해당하는 수증기 발생부(1); 및 종래의 일산화탄소전이반응기에 해당하는 일산화탄소전이반응부(2)를 일체화하여 수증기발생부(1)의 내부에 일산화탄소전이반응부(2)가 위치하여 발생되는 반응열을 수증기발생기(1)에서 직접 회수하도록 일체화한 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기로 구성된 것이 대표적인 차이점이다.1 is an overall configuration diagram of a steam reforming system including the present invention, the reforming
즉 일산화탄소전이반응부(2)의 일부 구역의 외곽면을 수증기 발생부 고온수 저장부(510)에 직접 접촉하도록 하여 일산화탄소전이반응부 자체를 냉각하고 처리된 개질가스가 배출되도록 구성한 것이다.In other words, the outer surface of a portion of the carbon monoxide
이하 보다 구체적으로 본 발명의 구성을 살펴본다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail.
도 2는 본 발명의 한실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도로, 화석연료(천연가스, LPG 등) 수증기 개질 공정에서 수소 수율을 높이기 위한 일산화탄소 전이 반응기와 폐열 회수 방식의 수증기 발생기를 일체화한 형태로 이루어진 것임을 알 수 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 일산화탄소 전이 반응기의 구성은 연소 배가스 폐열과 수증기의 원료가 되는 공급수 간의 열교환에 의해 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(1)와; 수증기발생부 내부에 장치되어 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부저장된 고온수와 열교환토록 함으로써 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응부(2);가 일체화되어 구성된다. 이때 일산화탄소전이반응부(2)의 출구 일산화탄소 농도를 1%로 이하로 하기 위해 일산화탄소전이반응부 출구온도를 180~220℃ 정도로 조절하도록 한다.2 is a front sectional view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to an embodiment of the present invention, integrating a carbon monoxide transfer reactor and a waste heat recovery type steam generator to increase hydrogen yield in a fossil fuel (natural gas, LPG, etc.) steam reforming process It can be seen that one form. To this end, the configuration of the carbon monoxide transfer reactor according to the present invention includes a steam generator (1) for generating steam by heat exchange between combustion exhaust gas waste heat and a supply water that is a raw material of steam; The carbon monoxide transition reaction unit (2), which is installed inside the steam generator and heat exchanges with the hot water stored in the steam generator at a lower temperature, to stably control the outlet temperature, is integrated. At this time, in order to control the carbon monoxide concentration of the outlet of the carbon
수증기 발생부(1)는 수증기 발생용 고온수가 저장된 수증기발생부 케이스(11)와, 수증기발생부 케이스(11) 내부에 저장된 고온수에 잠겨 설치된 열교환기(12)가 설치되는데, 이 열교환기는 고온수에 의해 잠겨 물과 열교환하게 된다. 고온수 저장구역이란 열교환기와 열교환된 고온의 물이 비등(boiling) 상태로 저장된 공간을 말한다.The
상기 수증기발생부 케이스(11)는 하부에 상부의 물저장공간과 수밀되어 격리하고 열교환기의 다수개 관이 관통되는 수평격리판(111)이 설치되고, 수평격리판은 다시 수직격리판(112)에 의해 두개의 공간부로 격리된다. The
또한 수직격리판(112)으로 나뉘어진 일측 공간부로는 하부에 버너 배가스 입구(113)이 형성되고, 타측 공간부 하부에는 버너 배가스 출구(114)가 형성된다.In addition, a burner
또한 상부에는 일산화탄소전이반응부(2)의 전이반응부케이스가 삽입될 크기로 개방되어 돌출된 상부 개방부(115)가 설치되고, 상부 개방부(115) 측면에는 생성된 수증기가 배출되는 수증기배출구(116)가 형성된다.In addition, the
또한 하부의 수평격리판(111) 보다 높은쪽 일 측면에는 보충수 공급구(117)가 형성되어 수증기 배출에 의해 고온수의 수위가 낮아져도 이를 보충수 공급에 의해 일정 수위가 유지되도록 구성된다.In addition, the supplementary
상기 열교환기(12)는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 코일형으로 설치되어 구성되는데, 각각의 관은 수평격리판(111)을 관통하여 물과 접촉하지 않는 일측 열교환기 입구(121)가 수증기발생부 케이스(11)의 하부에 형성된 버너 배가스 입구(113)를 통해 배가스를 공급받아 내부 경로를 통해 순환 후 타측 열교환기 출구(122)를 통해 배출된 후 타측 버너 배가스 출구(114)로 배출된다. 이와 같은 순환경로를 따라 이동하면서 저장된 물과 열교환하여 물을 증발시키게 된다. 도면에서 타공판처럼 보이는 것은 개별 코일의 단면을 나타낸것으로 개별 코일의 형상은 오른쪽에 도시된 것과 같은 형상이면 족하고, 그 반경만 다르게 구성하면 된다. 또한 코일의 형상은 그 회전방식을 도시된 것에만 제한되지 않고 상승할때도 회전하면서 올라가고 하강할때도 직접 내려오지 않고 회전하면서 내려오도록 구성할 수도 있다.The
또한 수증기 발생부(1)는 배가스 또는 일산화탄소전이반응부(2)로부터 장치 초기 기동시와 같이 공급받는 열원이 수증기를 발생시키기에 충분치 않을 때를 대비하여 보조적으로 물을 가열하는 보조전기히터(13)가 수증기발생부 케이스(11) 내벽에 설치된다.In addition, the
한편, 일산화탄소전이반응부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되는, 상부에 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와; 전이반응부케이스(21) 내부에 설치되고 상부 끝단의 전이반응부출구(221)가 형성된 구간은 절곡되어 전이반응부케이스(21)를 관통하여 돌출된 내부상승관(22)과; 전이반응부케이스(21)과 내부상승관(22) 사이 공간에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된다.On the other hand, the carbon monoxide
상기한 구성에 의해 전이반응부입구(211)를 통해 유입된 수증기와 일산화탄소는 일산화탄소전이반응촉매(23)를 지나면서 이산화탄소와 수소로 변환된 후 내부의 내부상승관(22) 하부로 유입되어 상승 후 전이반응부출구(221)를 통해 배출되게 된다.The water vapor and carbon monoxide introduced through the
상기 전이반응부케이스(21)는 일부 구간이 고온수에 잠긴 코일형상을 가진 열교환기(12)의 일정 지점까지 내려오도록 설치함으로써 전이반응시 발생하는 반응열이 고온수 및 열교환기(12)가 위치한 고온수와 열교환하면서 전이반응촉매(23)의 출구측 온도가 낮아지게 되고, 이로 인해 전이반응부출구(221)의 온도가 일정한 범위에서 제어되게 된다.The transition
이때 전이반응부출구(221) 온도 제어는 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도를 조절하거나, 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도를 조절하거나, 산화탄소전이반응촉매(23) 후단부의 전이반응부케이스(21)가 고온수 부분과 접촉하는 면적을 조절함으로써 온도를 제어할 수 있다. 여기서 전이반응부케이스와 접촉하는 고온수는 수증기 발생부 내에서 비등(boiling) 상태에 있으므로 수증기 발생기의 설정 압력과 동일한 포화수증기압의 수증기를 발생시키며 전이반응부로부터 전달된 열은 고온수의 증발 잠열로 이용되므로 고온수의 온도가 일정하게 유지된다. 통상 상압식 수증기 개질 개질 공정의 수증기 발생부는 3 기압~ 10기압의 압력으로 운전 하고 있다. 이 압력 범위에서 물의 끓는 점은 145 ~ 180 ℃에 해당한다.At this time, the temperature control of the
상기와 같이 수증기 발생부(1)와 일산화탄소전이반응부(2)가 일체형으로 구성됨으로써 일산화탄소전이반응부(2)는 발열 반응으로 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되며 출구온도를 200℃ 이하로 유지하게 된다. 수증기 발생부(1)는 145 ~ 180 ℃의 온도 범위에서 끓는 상태로 유지하게 된다.As described above, since the
이와 같은 온도 조건으로 운전하면 도 3과 같이 촉매층 입구부분에서 200~270℃로 운전되어 일산화탄소전이반응이 급격히 일어나며 후단부 냉각에 의해 반응 평형에 의해 출구 CO 농도를 1%이하로 할 수 있게 된다. 냉각하지 않을 경우 출구 온도가 250℃ 이상이므로 출구 CO 농도가 1% 이상이 된다.When operating under such a temperature condition, as shown in FIG. 3, the carbon monoxide transition reaction occurs rapidly at the inlet portion of the catalyst layer at 200 to 270 ° C., and the outlet CO concentration can be lowered to 1% or less by the reaction equilibrium by the rear end cooling. Without cooling, the outlet CO concentration is above 1% because the outlet temperature is above 250 ° C.
또한 상기에서 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도조절은 도 1의 원료 예열기(55)에서 바이 패스 경로 등을 구성하여 열교환량을 조절하여 온도차를 조절하면 된다.In addition, the temperature of the gas introduced into the
또한 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절은 도 2,도 4, 도 5에 표시된 보조 전기 히터(13)를 이용하여 고온수 온도를 조절하면 비등상태에 있는 고온수의 포화 수증기 압력이 일정 범위에서 유지되므로 내부 압력을 조절할 수 있다.In addition, the internal pressure of the
도 3은 본 발명에 의한 일산화탄소전이반응부 길이방향 온도분포도인데, 통상의 단열반응기 형태로 일산화탄소전이반응기를 구성한 경우와 본 발명의 경우와 같이 일산화탄소전이반응부의 일부 영역을 수증기 발생부의 고온수 저장 구역에 직접 접촉하도록하여 일산화탄소전이반응부의 후단 부분을 냉각하도록 한 경우에 반응부 길이 방향에 대한 일산화탄전이반응촉매의 온도 변화를 비교, 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 구성에 의하면 일산화탄소전이반응부의 길이 기준 후단 50% 정도를 냉각한 경우 촉매층 출구 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것이 가능하며 출구 개질가스의 CO 농도를 1%이하로 저감할 수 있다.3 is a longitudinal temperature distribution diagram of a carbon monoxide transition reaction unit according to the present invention, where a carbon monoxide transition reactor is configured in the form of a conventional adiabatic reactor and in the case of the present invention, a portion of the carbon monoxide transition reaction unit is a hot water storage zone of a steam generation unit; The temperature change of the carbon monoxide reaction catalyst with respect to the longitudinal direction of the reaction part when the rear end portion of the carbon monoxide transfer reaction part is cooled by direct contact with is shown. As shown, according to the configuration of the present invention, when the rear end of the carbon monoxide transfer part is cooled to about 50% of the rear end, it is possible to cool the catalyst bed outlet temperature to 200 ° C or less, and reduce the CO concentration of the outlet reforming gas to 1% or less. Can be.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도로, 기본적인 구성은 도 2의 구성과 동일하고, 단지 일산화탄소전이반응부(2)의 구성이 일부 다른데 도시된 바와 같이 일산화탄소전이발생부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되고, 그 상부 에 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와; Figure 4 is a front sectional view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to another embodiment of the present invention, the basic configuration is the same as the configuration of Figure 2, only the configuration of the carbon
전이반응부케이스(21) 하부와 바깥쪽에서 연결되고, 상부개방부(115)를 관통한 후, 전이반응부출구(221)가 형성된 끝단 구간은 절곡되어 형성된 외부상승관(22')과; A lower end pipe 22 'which is connected to the lower and outer portion of the transition
전이반응부케이스(21)에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된다.It is composed of; carbon monoxide transfer reaction catalyst (23) filled in the transition reaction part case (21).
상기와 같은 구성에 의해 외부상승관(22')의 열교환 효율을 보다 높이면서 낮은 온도로 제어할 수 있다. 즉, 이러한 구조에 의해 일산화탄소전이반응촉매(23)의 충전량을 증가시킬수 있고 일산화탄소전이반응기에서 배출된 가스가 외부상승관(22')에 인접한 고온수로 추가적인 열교환이 가능하다.According to the above configuration, it is possible to control the heat exchange efficiency of the external rising pipe 22 'to a lower temperature. That is, by this structure, the amount of charge of the carbon
상기한 구성에 의해 전이반응부입구(211)를 통해 유입된 수증기와 일산화탄소는 일산화탄소전이반응촉매(23)를 지나면서 이산화탄소와 수소로 변환된 후 외부상승관(22')으로 유입되어 상승 후 전이반응부출구(221)를 통해 배출되게 된다.The water vapor and carbon monoxide introduced through the
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고, 도 6은 도 5의 A-A'선 단면도인데, 기본적인 구성은 도 2의 구성과 동일하고, 단지 열교환기(12)의 형상이 도 2 처럼 코일형이 아닌 'U'자형 열교환기를 사용한 것만 다르다. 이러한'U'자형 열교환기는 다발로 구성된 직관형 열교환 튜브들과 이를 연결하기 위한 입출구 매니폴드로 구성되므로 수증기 발생기 용량 증가 에 대해 코일형 열교환기 보다 제작편이성 면에서 유리하다.FIG. 5 is a sectional front view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5, and the basic configuration is the same as that of FIG. The shape of 12) is different from that of using a 'U' shaped heat exchanger, not a coil type as shown in FIG. The 'U' shaped heat exchanger is composed of straight tube heat exchange tubes consisting of bundles and inlet and outlet manifolds for connecting them, which is more advantageous in terms of fabrication convenience than a coil type heat exchanger for increasing steam generator capacity.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
도 1은 본 발명을 포함하는 수증기 개질 시스템의 전체 구성도이고,1 is an overall configuration diagram of a steam reforming system including the present invention,
도 2는 본 발명의 한실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,2 is a front sectional view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to one embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명에 의한 일산화탄소전이반응부 길이방향 온도분포도이고,3 is a longitudinal temperature distribution diagram of the carbon monoxide transition reaction unit according to the present invention,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,4 is a front sectional view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to another embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,5 is a front sectional view of an integrated carbon monoxide transfer reactor according to another embodiment of the present invention,
도 6은 도 5의 A-A'선 단면도이고, 6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5;
도 7은 종래 한실시예에 따른 수증기 개질 시스템 구성도이다.7 is a schematic diagram of a steam reforming system according to a conventional embodiment.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) : 수증기 발생부 (2) : 일산화탄소전이반응부 (1): steam generating part (2): carbon monoxide transition reaction part
(11) : 수증기발생부 케이스 (12) : 열교환기(11): steam generator case (12): heat exchanger
(13) : 보조 전기 히터 (21) : 전이반응부케이스(13): auxiliary electric heater (21): transition reaction case
(22) : 내부상승관 (22') : 외부상승관 (22): Internal lift tube (22 '): External lift tube
(23) : 일산화탄소전이반응촉매 (111) : 수평격리판(23): carbon monoxide transfer reaction catalyst (111): horizontal separator
(112) : 수직격리판 (113) : 버너 배가스 입구(112): vertical separator (113): burner flue gas inlet
(114) : 버너 배가스 출구 (115) : 상부 개방부114: burner exhaust gas outlet 115: upper opening
(116) : 수증기배출구 (117) : 보충수 공급구116: water vapor outlet 117: supplemental water supply port
(121) : 열교환기 입구 (122) : 열교환기 출구 121: heat exchanger inlet 122: heat exchanger outlet
(211) : 전이반응부입구 (221) : 전이반응부출구 (211): transition reaction inlet (221): transition reaction inlet
Claims (11)
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---|---|---|---|
KR1020090043809A KR101098850B1 (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Integrated CO shift reactor with steam generating part and control method of outlet temperature using thereof |
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KR1020090043809A KR101098850B1 (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Integrated CO shift reactor with steam generating part and control method of outlet temperature using thereof |
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KR20240080506A (en) | 2022-11-30 | 2024-06-07 | 주식회사 원일티엔아이 | Steam reforming system with improved starting characteristics |
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