KR101194244B1

KR101194244B1 - 수증기 개질기

Info

Publication number: KR101194244B1
Application number: KR1020100085469A
Authority: KR
Inventors: 신장식; 한상철
Original assignee: (주)알티아이엔지니어링
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-10-29
Also published as: KR20120022191A

Abstract

본 발명은 컴팩트한 구조를 가지며 반응원료가 이송되는 코일관을 연소가스의 배기구에 구비시켜 반응원료의 효율적인 예열이 가능하고 내부의 교차 열교환 구조를 통해 각 반응에 필요한 열이 효율적으로 교환되어 전체적인 운전시간을 단축시키고 열효율을 극대화시킬 수 있는 수증기 개질기에 관한 것으로, 반응원료를 공급하는 원료 공급부; 상부 일단이 개방되며 버너를 통해 연소가스를 배출시키는 연소가스 공급관; 상기 연소가스 공급관의 외주면에 배치되며 내부로 반응원료가 유입되어 수증기 개질반응이 이루어지는 개질촉매 반응부; 상기 개질촉매 반응부의 외측에 이격되어 배치되며 상기 연소가스 공급관으로부터 배출된 연소가스를 하부로 이송시키는 연소가스 배기부; 상기 연소가스 배기부의 내부 공간을 따라 감겨지며 상기 원료 공급부로부터 공급되는 반응원료를 상부로 이송시켜 상기 개질촉매 반응부로 공급하는 원료이송 코일관; 및 상기 연소가스 공급관의 외측에 이격되어 배치되며 상기 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 고온전환 촉매부 및 저온전환 촉매부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수증기 개질기{STEAM REFORMER}

본 발명은 수증기 개질기에 관한 것으로, 컴팩트한 구조를 가지며 반응원료가 이송되는 코일관을 연소가스의 배기구에 구비시켜 반응원료의 효율적인 예열이 가능하고 내부의 교차 열교환 구조를 통해 각 반응에 필요한 열이 효율적으로 교환되어 전체적인 운전시간을 단축시키고 열효율을 극대화시킬 수 있는 수증기 개질기에 관한 것이다.

수소는 그 자원이 풍부하며 연소생성물이 환경친화적이라는 점에서, 최근 화석연료의 대체 에너지원으로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소생산기술은 다양한 방법으로 연구되고 있으나, 현재는 천연가스를 이용한 수소생산기술이 널리 사용되고 있다. 천연가스를 이용한 수소생산기술은 크게 수증기개질법과 부분산화법으로 나눌 수 있는데, 생산비용이 염가이며 이산화탄소 발생율이 낮은 수증기개질법이 가장 많이 사용되고 있다.

수증기개질법은 천연가스가 먼저 반응식 1과 같이 개질촉매 상에서 과잉의 수증기와 반응(수증기 개질반응, SR)하며, 다음으로 반응식 2와 같은 전환반응(수성가스화 반응, 수성가스 전환반응)의 연속적인 반응에 의해서 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되어 생성가스의 일산화탄소 농도가 줄어든다.

[반응식 1]

CH₄ + H₂0 → CO + 3H₂ ΔH°298= 206.1 KJ/mol

[반응식 2]

CO + H₂0 → CO₂ + H₂ ΔH°298= -41.16 KJ/mol

상기 반응식 1과 같은 수증기 개질반응은 높은 흡열반응이며 보통 상압～40기압의 압력과 700-900℃의 온도범위에서 일어나고, 개질촉매로는 Ni/Al₂O₃ 가 주로 사용된다.

상기 반응식 2와 같은 수성가스전환반응은 보통 고온전환반응(HTS : High Temperature Shift) 및 저온전환반응(LTS : Low Temperature Shift)으로 이루어지게 된다. 고온전환반응은 보통 약 330-530℃의 온도범위에서 Fe 촉매 상에서 반응이 일어나며, 저온전환반응은 보통 약 180-260℃범위의 온도에서 Cu 촉매 상에서 일산화탄소와 물이 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환된다.

수성가스전환반응을 통하여 일산화탄소가 제거된 수소 혼합가스에는 이산화탄소와 소량의 미반응 메탄과 일산화탄소가 포함되며, 대부분의 이산화탄소는 이산화탄소 제거공정을 거치면서 고순도의 수소로 정제된다. 이산화탄소 제거공정으로는 주로 PSA(pressure swing adsorption)공정이 사용된다.

이상과 같은 수증기개질법에 의한 종래 개질장치는 스팀발생기, 개질반응기, 고온전환반응기, 열교환기, 저온전환반응기 등이 각각 독립적으로 구성되어 있어 전체적으로 개질장치가 복잡하여 컴팩트한 구성이 어려운 단점이 있었다.

이를 개선하기 위하여, 최근에는 컴팩트한 소형 개질기들이 개발되고 있으며, 국제공개번호 WO 00/63114 및 WO 02/98790호에는 복수의 원형통체를 동심형상으로 배치하여 통체 사이의 틈을 통하여 연소가스를 배기시켜 인접한 반응층에 반응열을 전달하는 방식의 원통형 수증기개질기가 개시되어 있다.

도 1은 WO 02/98790호에 개시된 수증기개질기의 구성을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 수증기개질기는 복수의 원형 통체를 동심 형상으로 간격을 두고 배치한 복사통(1, 2, 3, 4)과, 복사통(1, 2, 3, 4)의 중심에 배치된 버너로 이루어져 있다.

또한, 제 1 통체(1)와 제 2 통체(2)에 의해 구획된 틈에 개질촉매층(15)을 구비하고, 제 2 통체(2) 및 제 3 통체(3) 사이의 틈에 CO변성촉매층(16) 및 CO제거촉매층(19)을 구비하고 있다.

또한, 제 3 통체(3)의 바깥둘레에 전열관(냉각관)(26)을 배치하고, 전열관(26)내에 물을 유통시킴으로써, 개질용 수증기를 생성함과 동시에, CO변성촉매층(16) 및 CO제거촉매층(19)을 냉각하도록 구성되어 있다.

이상과 같은 종래 수증기개질기는 내부에 냉각기구 등을 개재시키지 않고, 개질촉매층, CO변성촉매층 및 CO제거촉매층을 일체화하여 소형 경령화를 이룰 수는 있으나, 다음과 같은 문제점들이 있다.

첫째, 반응원료(원료가스 및 물)가 충분한 예열을 거치지 않아 활성화되지 않은 상태로 반응에 투입되게 되어 운전시간을 단축시키는데 한계가 있으며, 반응 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

둘째, 수성가스전환반응을 위해 별도의 냉각관 등을 사용함으로써 기기의 소형화가 어렵고 제조비용이 높아지는 문제점이 있다.

셋째, 고온의 연소가스로 인해 연소가스가 이동되는 배기통로가 변형되는 등의 구조적 손상이 발생되며 이러한 잦은 기계적 결함으로 인해 장비의 유지보수에 많은 비용이 소모되며 장비의 수명이 짧고 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 연소가스 공급관, 개질촉매 반응부, 고온전환 촉매부, 저온전환 촉매부 및 열 교환부 등을 일체로 구성할 수 있는 단순화된 소형 수증기 개질기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 반응원료가 충분한 예열을 거쳐 활성화된 후 반응에 투입되게 함으로써 반응에 필요한 운전시간을 단축시키고 반응 효율을 향상시킬 수 있는 수증기 개질기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 발열 반응인 수성가스전환반응을 위해 별도의 냉각관 없이 열 교환을 통해 자연적으로 반응가스의 온도를 낮춤으로써 기기의 소형화 및 구조의 단순화가 가능한 수증기 개질기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 고온의 연소가스로 인한 배기통로의 변형을 막아 장비의 신뢰성을 향상시키고 유지보수 비용의 저감과 생산성 향상을 도모할 수 있게 되는 수증기 개질기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 반응원료를 공급하는 원료 공급부; 상부 일단이 개방되며 버너를 통해 연소가스를 배출시키는 연소가스 공급관; 상기 연소가스 공급관의 외주면에 배치되며 내부로 반응원료가 유입되어 수증기 개질반응이 이루어지는 개질촉매 반응부; 상기 개질촉매 반응부의 외측에 이격되어 배치되며 상기 연소가스 공급관으로부터 배출된 연소가스를 하부로 이송시키는 연소가스 배기부; 상기 연소가스 배기부의 내부 공간을 따라 감겨지며 상기 원료 공급부로부터 공급되는 반응원료를 상부로 이송시켜 상기 개질촉매 반응부로 공급하는 원료이송 코일관; 및 상기 연소가스 공급관의 외측에 이격되어 배치되며 상기 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 고온전환 촉매부 및 저온전환 촉매부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 원료 공급부를 통해 공급되는 반응원료는 상기 고온전환 촉매부와 저온전환 촉매부의 사이에 개재되는 제 1 열 교환부를 따라 이송되며, 상기 고온전환 촉매부로부터 배출되는 반응가스가 이동되는 제 2 가스 투입관과 상기 제 1 열 교환부가 교차되어, 원료 공급부를 통해 공급되는 반응원료의 예열과 고온전환 촉매부로부터 배출되는 반응가스의 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 원료 공급부에서 배출된 반응원료는 상기 개질촉매 반응부의 하부에 형성된 제 2 열 교환부를 따라 이송되며, 해당 제 2 열 교환부가 상기 개질촉매 반응부로부터 배출되는 반응가스의 이동로인 반응가스 배출층과 인접 배치되어, 원료 공급부에서 배출된 반응원료의 예열과 개질촉매 반응부로부터 배출되는 반응가스의 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 연소가스 배기부에서 배출된 연소가스는 상기 고온전환 촉매부의 하부에 형성된 제 3 열 교환부를 따라 이송되며, 상기 고온전환 촉매부로 투입되는 반응가스가 이동되는 제 1 가스 투입관과 상기 제 3 열 교환부가 교차되어, 고온전환 촉매부로 투입되는 반응가스의 예열이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 개질촉매 반응부의 반응원료 이동 부위에는 다수의 금속 모노리스가 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 연소가스 배기부를 구획하는 벽면에는 주름판이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저온전환 촉매부는 적어도 하나 이상의 타공판에 의해 구획되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상술한 구성을 통하여, 연소가스 공급관, 개질촉매 반응부, 고온전환 촉매부, 저온전환 촉매부 및 열 교환부 등을 일체로 구성할 수 있는 단순화된 소형 수증기 개질기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 반응원료가 충분한 예열을 거쳐 활성화된 후 반응에 투입되게 함으로써 반응에 필요한 운전시간을 단축시키고 반응 효율을 향상시킬 수 있는 수증기 개질기를 제공할 수 있다.

또한, 발열 반응인 수성가스전환반응을 위해 별도의 냉각관 없이 열 교환을 통해 자연적으로 반응가스의 온도를 낮춤으로써 기기의 소형화 및 구조의 단순화가 가능한 수증기 개질기를 제공할 수 있다.

또한, 고온의 연소가스로 인한 배기통로의 변형을 막아 장비의 신뢰성을 향상시키고 유지보수 비용의 저감과 생산성 향상을 도모할 수 있게 되는 수증기 개질기를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 수증기 개질기의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질기의 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소가스 배기부 및 이에 내장되는 원료이송 코일관의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 가스 흐름을 도시한 작동도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 측단면도이다.

해당 도 2에서는 축방향 중심을 기준으로 좌우 대칭되는 구성요소는 좌우측의 일측에만 도면부호를 도시하고, 그 타측에는 도면부호를 생략하였다. 또한 대칭되는 좌우 구성요소 중 일부는 서로 다른 형태로 도시되어 있으나 이는 단면도를 통해 해당 구성요소에 대하여 보다 다양한 구성요소의 구조적 특징을 나타내기 위한 것으로 이해되어야 한다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기는 원료 공급부(110), 제 1 열 교환부(120), 제 2 열 교환부(130), 연소가스 공급관(140), 개질촉매 반응부(150), 연소가스 배기부(160), 원료이송 코일관(170), 고온전환 촉매부(180), 저온전환 촉매부(190), 제 3 열 교환부(200) 및 생성가스 배출부(210)를 포함하여 이루어진다.

전체적으로 상기 연소가스 공급관(140)이 장치의 중심부에 위치하며, 중공된 내부를 갖고 상부가 개방되어 내부 연소가스를 상부로 배출한다. 그리고 해당 연소가스 공급관(140)의 외주면을 둘러싸게 배치되는 개질촉매 반응부(150)는 원형의 통체로 형성되어 상기 연소가스 공급관(140) 및 연소가스로부터 열을 전달받게 배치된다. 그리고 상기 개질촉매 반응부(150)를 둘러싸게 배치되되 일정 간격 이격되게 구성되는 연소가스 배기부(160)는 원형의 통체로 형성되어 상기 연소가스 공급관(140)으로부터 배출된 연소가스를 하부로 이동시키며 내부 공간을 따라 코일 형태로 감겨진 원료이송 코일관(170)을 통해 이동되는 반응원료에 열을 전달하게 된다. 그리고 상기 연소가스 배기부(160)를 둘러싸게 배치되되 일정 간격 이격되게 구성되는 고온전환 촉매부(180) 및 저온전환 촉매부(190)는 서로 분리된 원형의 통체로 하측 및 상측에 형성되며 상기 개질촉매 반응부(150)로부터 배출되는 반응가스를 차례로 제공받아 수성가스전환반응을 시킨 후 상부의 생성가스 배출부(210)를 통해 생성가스를 배출하게 된다. 이때, 이러한 상기 개질촉매 반응부(150)와 상기 연소가스 배기부(160)의 사이, 그리고 상기 연소가스 배기부(160)와 상기 고온전환 촉매부(180) 및 저온전환 촉매부(190)의 사이에는 단열재가 개재되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수증기 개질기의 전체적인 구조는 동축으로 간격을 두고 배치된 복수의 통체들(개질촉매 반응부, 연소가스 배기부, 고온전환 촉매부, 저온전환 촉매부)과 해당 통체들의 중심에 배치된 연소가스 공급관(140)으로 구성된다.

이들 구성을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기 원료 공급부(110)는 수증기 개질기의 내부로 천연가스 등과 같은 원료가스 및 수증기를 공급하기 위한 것으로, 개질기의 측면에 형성되어 반응원료(원료가스+수증기)를 유입받는 반응원료 투입단(111)과, 상기 반응원료 투입단(111)의 하부에 형성되어 반응원료를 배출하는 반응원료 배출단(112)으로 구성된다.

그리고 상기 원료 공급부(110)의 반응원료 투입단(111)과 반응원료 배출단(112)의 사이의 반응원료 이송 경로에는 제 1 열 교환부(120)가 개재된다.

상기 제 1 열 교환부(120)는 상기 반응원료 투입단(111)과 연통되어 해당 유입되는 반응원료가 이송되는 상부 열 교환관(121)과, 상기 상부 열 교환관(121)과 연통되며 반응원료를 이송시켜 상기 반응원료 배출단(112)으로 배출시키는 하부 열 교환관(122)을 포함하여 구성된다. 이러한 제 1 열 교환부(120)의 상부 열 교환관(121) 및 하부 열 교환관(122)은 상기 고온전환 촉매부(180)로부터 배출되는 고온의 반응가스가 지나는 제 2 가스 투입관(191)과 교차되는 구조를 가져 최초 투입되는 반응원료의 예열이 이루어지게 된다.

즉, 수평으로 적층배열된 상기 상부 열 교환관(121)과 하부 열 교환관(122)에 대하여 수직으로 배치되는 상기 제 2 가스 투입관(191)이 십자형으로 교차됨으로써 고온의 반응가스가 통과하는 제 2 가스 투입관(191)의 열이 상기 상부 열 교환관(121)과 하부 열 교환관(122)을 지나는 반응연료에 전달되어 해당 반응연료에 대한 예열이 이루어지게 되는 것이다. 이러한 제 1 열 교환부(120)를 통한 반응원료의 예열을 통해 투입된 수증기를 증발시키고 원료가스와 함께 반응온도까지 활성화시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 제 2 가스 투입관(191)을 통해 이동하는 반응가스는 고온의 반응열이 필요한 고온전환 촉매부(180)에서 배출된 반응가스이기 때문에 일정 정도 그 온도를 낮춘 상태로 상부의 저온전환 촉매부(190)에 투입되어야 하기 때문에, 별도의 냉각 부재가 없이도 제 2 가스 투입관(191)을 지나는 동안 이러한 제 1 열 교환부(120)와의 열 교환을 통해 자연스럽게 열을 빼앗겨 온도가 낮추어진 적정 상태로 저온전환 촉매부(190)에 투입될 수 있게 된다.

이때, 이러한 상부 열 교환관(121) 및 하부 열 교환관(122)와 상기 제 2 가스 투입관(191)의 열 교환을 위한 교차 배치는 수평 배치된 상부 열 교환관(121) 및 하부 열 교환관(122)의 내부를 상기 제 2 가스 투입관(191)이 수직 관통하는 교차 구조를 가지거나, 수직 배치된 상기 제 2 가스 투입관(191)의 내부를 수평 배치된 상기 상부 열 교환관(121) 및 하부 열 교환관(122)이 수평 관통하는 교차 구조로 형성될 수 있다. 또한 이와 달리 수직 배치된 상기 제 2 가스 투입관(191)과 수평 배치된 상기 상부 열 교환관(121) 및 하부 열 교환관(122)이 서로 밀접하게 접촉한 상태에서 교차되는 것도 가능하다.

한편, 수증기 개질기의 측부에 형성된 상기 제 1 열 교환부(120)를 통해 예열이 이루어진 반응원료는 상기 반응원료 배출단(112)을 통해 일시배출된 후 하부에 형성된 제 2 열 교환부(130)로 이동되어 또 한번의 예열이 이루어지게 된다.

이러한 제 2 열 교환부(130)는 수증기 개질기의 하부에 형성되며 상기 반응원료 배출단(112)과 연통되어 1차 예열된 반응원료가 유입되는 반응원료 공급단(131)과, 상기 반응원료 공급단(131)과 연통되며 유입된 반응원료를 수평 이송시켜 해당 반응원료를 상기 원료이송 코일관(170) 측으로 배출시키는 원료 배출층(132)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 원료 배출층(132)은 구조적으로 상기 개질촉매 반응부(150)의 반응가스 배출층(154)과 인접 배치되기 때문에 상기 개질촉매 반응부(150)를 지나며 가열된 반응가스의 열이 상기 원료 배출층(132)에 그대로 전달될 수 있게 된다. 이렇게 반응가스 배출층(154)에서 원료 배출층(132)으로 전달된 열은 해당 제 2 열 교환부(130)를 지나는 반응원료를 반응에 적절한 수준까지 2차 예열시키게 된다.

또한, 상기 반응가스 배출층(154)을 통해 이동하는 반응가스는 고온으로 진행되는 개질촉매 반응부(150)에서 배출된 반응가스이기 때문에 일정 정도 그 온도를 낮춘 상태로 타측의 고온전환 촉매부(180)에 투입되어야 하기 때문에, 별도의 냉각 부재가 없이도 해당 반응가스 배출층(154)을 지나는 동안 이러한 제 2 열 교환부(130)와의 열 교환을 통해 자연스럽게 열을 빼앗겨 온도가 낮추어진 적정 상태로 고온전환 촉매부(180)에 투입될 수 있게 된다.

한편, 상기 연소가스 공급관(140)은 수증기 개질기의 중심에 배치되고 그 내부에 버너가 배치되어 고온의 연소가스를 발생시키며 발생된 고온의 연소가스를 개질기의 상부로 배출시켜 반응열을 개질기 내에 전달하게 된다.

상기 연소가스 공급관(140)의 개방된 상부에는 일정 간격 이격된 상태로 연소가스 공급관(140)의 외경 보다 큰 판형의 차폐벽(141)이 설치되어 해당 연소가스 공급관(140)과 차폐벽(141)의 사이에 연소가스가 개질기 외측 방향으로 이동될 수 있는 상부 배기층(142)이 형성되며, 연소가스 공급관(140)을 통해 상부로 배출된 연소가스는 상기 상부 배기층(142)의 가이드에 따라 외측 방향으로 이동된다.

이때, 상부 배기층(142)의 말단 부위는 상기 연소가스 배기부(160)의 상부 말단과 연통하게 되며, 이를 위해 해당 연소가스 배기부(160)의 상부 말단에는 상기 연소가스 배기부(160)의 상부 말단으로 해당 연소가스를 진입시킬 수 있는 연소가스 투입구(161)가 형성되어 상부 배기층(142)을 통해 외측으로 이동된 연소가스를 상기 연소가스 배기부(160)로 진입시키게 된다. 이렇게 연소가스 배기부(160)로 진입된 연소가스는 해당 연소가스 배기부(160)를 따라 하부로 이동해 하부 말단의 연소가스 배기구(163)을 통해 배출되며, 배출된 연소가스는 연소가스 배기층(164)을 따라 개질기의 외측 방향으로 이동하게 된다.

이때, 상기 연소가스 배기부(160)는 열전도도가 높은 금속재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 이를 통과하여 지나는 연소가스의 높은 고열로 인해 해당 연소가스 배기부(160)는 열 팽창에 의한 변형이 일어날 수 있다. 이러한 기계적 결함을 막기 위하여 본 발명에서는 상기 연소가스 배기부(160)를 구획하는 일측 또는 양측 벽면(도면에서는 외측 벽면)의 일부에 텐션을 갖는 주름판(162)을 형성시켜 이러한 변형을 원천적으로 방지하게 된다.

즉, 고온의 연소가스에 의해 연소가스 배기부(160)에 열 팽창이 일어나더라도 팽창으로 늘어난 부분이 해당 주름판(162)에 의해 커버되게 됨으로써 구조적 손상이나 기계적 결함을 방지할 수 있게 된다.

그리고, 상술한 바와 같이 연소가스 배기층(164)을 따라 외측으로 이동된 고온의 연소가스는 제 3 열 교환부(200)를 통해 개질촉매 반응부(150)로부터 배출된 반응가스와 열 교환을 이루게 된다.

상기 제 3 열 교환부(200)는 상기 연소가스 배기층(164)의 외측 말단과 연통되어 유입되는 고온의 연소가스가 이송되는 연소가스 이송관(201)과, 상기 연소가스 이송관(201)과 연통되어 연소가스를 배출시키는 연소가스 배출단(202)을 포함하여 구성된다. 이러한 제 3 열 교환부(200)의 연소가스 이송관(201)은 상기 개질촉매 반응부(150)로부터 배출되는 반응가스가 지나는 제 1 가스 투입관(181)과 교차되는 구조를 가져 고온전환 촉매부(180)로 투입되는 반응가스에 열을 전달하게 된다.

즉, 수평으로 배열된 상기 연소가스 이송관(201)에 대하여 수직으로 배치되는 상기 제 1 가스 투입관(181)이 십자형으로 교차됨으로써 고온의 연소가스가 통과하는 연소가스 이송관(201)의 열이 상기 제 1 가스 투입관(181)을 지나는 반응가스에 전달되는 것이다. 이러한 제 3 열 교환부(200)를 통한 열 교환을 통해 반응가스를 반응온도까지 활성화시킬 수 있게 된다.

이때, 이러한 연소가스 이송관(201)과 상기 제 1 가스 투입관(181)의 열 교환을 위한 교차 배치는 수평 배치된 연소가스 이송관(201)의 내부를 상기 제 1 가스 투입관(181)이 수직 관통하는 교차 구조를 가지거나, 수직 배치된 상기 제 1 가스 투입관(181)의 내부를 수평 배치된 상기 연소가스 이송관(201)이 수평 관통하는 교차 구조로 형성될 수 있다. 또한 이와 달리 수직 배치된 상기 제 1 가스 투입관(181)과 수평 배치된 상기 연소가스 이송관(201)이 서로 밀접하게 접촉한 상태에서 교차되는 것도 가능하다.

한편, 상기 원료이송 코일관(170)은 상기 제 2 열 교환부(130)을 통해 열 교환이 이루어진 반응원료를 개질기의 상부로 이송시키는 이송로로서, 상기 연소가스 배기부(160)에 내장된다.

도 3을 참조하면, 상기 연소가스 배기부(160)의 내부 공간을 따라 원형으로 감겨지는 해당 원료이송 코일관(170)은 하부의 코일 투입구(171)를 통해 반응원료를 공급받아 해당 반응원료를 상부로 이동시키며 상부의 코일 배출구(172)를 통해 해당 반응원료를 배출시키게 된다. 이때, 상기 원료이송 코일관(170)은 해당 연소가스 배기부(160)의 내부 공간을 통해 상부에서 하부로 이동하는 연소가스로부터 열을 공급받아 반응원료를 예열시키게 되는 것이다.

그리고 상기 원료이송 코일관(170)을 따라 이동하면서 열을 공급받은 반응원료는 상부의 코일 배출구(172)를 따라 배출되어 원료 투입구(151)를 통해 개질촉매 반응부(150)로 투입되게 된다.

상기 개질촉매 반응부(150)는 상기 연소가스 공급관(140)과 연소가스 배기부(160)의 사이에 위치되며, 상기 연소가스 공급관(140)을 둘러싸게 인접 배치된 원형 통체로서 형성된다.

해당 개질촉매 반응부(150)에 채워지는 개질촉매로는 Ni/Al₂O₃가 주로 사용되며, 촉매의 구성은 내열성 담체(α-알루미나 혹은 칼슘-알루미네이트)에 환원된 니켈이 담지되어 있는 형태로서 표면적은 10㎡/g 이하가 바람직하며, 일반적으로 ICI 25-4와 ICI 57-4가 주로 사용된다. 이러한 수증기 개질반응은 높은 흡열반응이며 보통 상압～40기압의 압력과 700-900℃의 온도범위에서 일어나게 된다.

상기한 바와 같이 수증기 개질반응은 많은 반응열을 공급해야 하는 흡열반응이므로 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되면 단위 촉매당 반응활성이 늘어나 반응기의 크기를 줄일 수 있음은 물론 수율을 높일 수 있게 된다.

본 발명에서는 촉매 자체의 열전도도를 향상시켜 열전달 특성을 늘리기 위해 개질촉매 반응부(150) 내에 금속 모노리스(Metal Monolith)(152)를 다수 구비시키게 된다. 이러한 금속 모노리스는 금속지지체에 촉매를 코팅하는 방법으로 구비될 수 있으며, 얇은 금속판으로 벌집 형태의 금속 모노리스를 만들어 니켈 등의 활성금속을 코팅한 형태의 금속모노리스 촉매를 구비시킬 수도 있다. 이 경우 열전도도가 높아서 모노리스 금속 촉매의 온도가 균일하게 유지되어 우수한 반응수율을 얻을 수 있다는 이점이 있다.

상기 개질촉매 반응부(150)의 하부에 마련된 반응가스 배출구(153)를 통해 배출되는 반응가스는 상술한 바와 같이 반응가스 배출층(154)을 지나면서 하부의 제 2 열 교환부(130)에 열을 전달하는 동시에 일정 온도 냉각된 상태로 제 1 가스 투입관(181)을 통해 고온전환 촉매부(180)로 투입되게 된다.

상기 제 1 가스 투입관(181)과 하부 말단이 연통되는 고온전환 촉매부(180)는 개질촉매 반응부(140)의 외측에 배치된 원형 통체로서, 내부에 고온전환 촉매층(HTC : High Temperature shift Catalyst)이 채워지게 된다.

또한, 해당 고온전환 촉매부(180)의 상부 말단을 통해 배출되는 반응가스는 상부에서 연통되는 제 2 가스 투입관(191)를 통해 저온전환 촉매부(190)로 투입되게 되며, 상술한 바와 같이 반응가스가 제 2 가스 투입관(191)을 지나면서 제 1 열 교환부(120)에 열을 전달하는 동시에 일정 온도 냉각된 상태로 해당 저온전환 촉매부(190)로 투입되게 된다.

상기 제 2 가스 투입관(191)과 하부 말단이 연통되는 저온전환 촉매부(190)는 개질촉매 반응부(140)의 외측에 배치되고 또한 상기 고온전환 촉매부(180)의 상부에 배치되는 원형 통체로서, 내부에 저온전환 촉매층(LTC : Low Temperature shift Catalyst)이 채워지게 된다.

그리고 저온전환 촉매부(190)에서 반응을 마쳐 생성된 생성가스는 해당 저온전환 촉매부(190)의 상부에 연통된 생성가스 배출관(211)을 따라 이동되어 생성가스 배출단(210)을 통해 배출되도록 구성된다.

상기 고온전환 촉매부(180) 및 저온전환 촉매부(190)에서 이루어지는 수성가스전환반응(수성가스화 반응, 수성가스 전환반응)은 보통 고온전환반응(HTS) 및 저온전환반응(LTS)으로 이루어지게 된다. 고온전환반응은 보통 약 330-530℃의 온도범위에서 Fe 촉매 상에서 반응이 일어나며, 저온전환반응은 보통 약 180-260℃범위의 온도에서 Cu 촉매 상에서 일산화탄소와 물이 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환된다. 즉, 고온전환촉매는 Fe촉매가 이용되고 저온전환촉매는 Cu촉매가 이용되며, 구체적으로는 ICI 75-5 및 ICI 83-3이 주로 사용된다.

이때, 상기 저온전환 촉매부(190)은 내부에 채워지는 촉매가 보다 잘 혼합될 수 있도록 다수의 타공판(192)에 의해 구획형성될 수 있다. 또한 이러한 타공판(192)을 통한 분산 작용에 의해 반응이 편중되는 채널링 현상을 방지할 수 있게 된다.

여기에서 상기 구성들은 열전도도가 높은 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 연소가스 공급관(140) 내에 배치되는 버너는 화염버너가 사용되며, 열에 의한 부식 및 누전이 일어나지 않는 사양을 선택하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 상향식 수소 버너가 바람직하다.

또한 상기 연소가스 공급관(140), 개질촉매 반응부(150), 연소가스 배기부(160), 고온전환 촉매부(180) 및 저온전환 촉매부(190)는 도면에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성되는 것이 바람직하나, 각각의 지름방향 단면이 원형 이외에 타원형이나 각형 등 다양한 형태를 가질 수도 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여, 본 발명의 수증기 개질기에서 일어나는 반응을 상술한 수증기 개질기의 구조를 바탕으로 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 가스 흐름을 도시한 작동도이다.

도 4에서 점선은 연소가스의 흐름을 나타내고, 일점쇄선은 반응원료(원료가스+수증기)의 흐름을 나타내며, 이점쇄선은 생성가스의 흐름을 나타낸다.

반응원료는 반응원료 투입단(111)으로 투입되며, 제 1 열 교환부(120)를 거쳐 예열된 후 반응원료 배출단(112)을 통해 배출된다. 이러한 반응원료의 예열은 상기 제 2 가스 투입관(191)을 통해 전달되는 열에 의해 이루어지며, 이러한 반응원료 중 원료가스로는 천연가스가 사용될 수 있고 주로 메탄가스가 사용된다.

이렇게 배출된 반응원료는 다시 상기 반응원료 공급단(131)을 통해 투입되어 원료 배출층(132)을 거치면서 제 2 열 교환부(130)를 통해 예열되고, 코일 투입구(171)를 통해 원료이송 코일관(170)으로 공급된다.

해당 반응원료는 원료이송 코일관(170)을 따라 중심축을 축으로 회전하며 상부로 이동되면서 연소가스 배기부(160)에서 이동되는 연소가스에 의해 고온의 열을 공급받으며, 코일 배출구(172)를 통해 배출되어 개질촉매 반응부(150)로 투입된다. 이때, 해당 원료이송 코일관(170)을 거치면서 반응원료의 원료가스와 수증기는 잘 섞이게 되고 원료이송 코일관(170)을 통과하는 과정에서 개질반응이 일어나는 온도인 700℃ 이상까지 온도가 상승하게 된다. 이러한 반응원료는 개질반응 온도까지 활성화된 상태에서 상기 연소가스 공급관(140)을 감싸고 있는 개질촉매 반응부(150)의 상부를 말단으로 유체의 흐름이 반전되어 이동된다.

상기 반응원료는 상기 개질촉매 반응부(150)를 하측 방향으로 통과하면서 개질반응(반응식 1)이 일어나게 된다. 반응식 1과 같은 수증기 개질반응은 700℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 일어나고 높은 흡열 반응이므로 열이 계속 공급되는 조건 하에서 반응이 더욱 활발하게 진행된다. 따라서 열원인 상기 연소가스 공급관(140)을 감싸고 있는 개질촉매 반응부(150)의 구조는 연소가스 공급관(140)과 접해 있어 연소가스로부터 계속해서 열을 전달받게 됨으로써 흡열 반응인 개질 반응이 더욱 활발하게 일어나게 된다.

이렇게 개질촉매 반응부(150)를 통과한 반응가스는 하부의 반응가스 배출층(154)를 거쳐 상기 제 1 가스 투입관(181)을 따라 상승하여 고온전환 촉매부(180)로 투입되게 되며, 이때 해당 반응가스는 제 3 열 교환부(200)를 거치면서 연소가스 이송관(201)으로부터 열을 공급받게 된다.

또한, 상기 고온전환 촉매부(180)에서 배출된 반응가스는 상기 제 2 가스 투입관(191)을 따라 상승하여 저온전환 촉매부(190)로 투입되게 되며, 이때 해당 반응가스는 제 2 가스 투입관(191)을 거치면서 제 1 열 교환부(120)를 지나는 반응원료에 열을 공급하게 된다.

이렇게 고온전환 촉매부(180) 및 저온전환 촉매부(190)로 투입된 반응가스는 이 전환촉매층을 통과하면서 수성가스전환반응(반응식 2)이 일어나게 된다. 반응식 2와 같은 수성가스전환반응은 고온전환반응이 약 330℃ 내지 530℃의 온도범위에서 일어나게 되고, 저온전환반응이 약 180℃ 내지 260℃의 범위에서 일어나는 발열 반응이므로 열이 계속 방출되는 조건 하에서 반응이 더욱 활발하게 진행된다.

특히 이러한 저온전환반응은 저온조건에서 활발하게 일어나게 되는데, 해당 저온전환 촉매부(190)로 투입되는 반응가스가 제 2 가스 투입관(191)을 거치면서 제 1 열 교환부(120)를 통해 일정 열을 빼앗긴 상태에서 저온전환 촉매부(190)로 투입되기 때문에 저온 전환촉매층(LTC)이 비교적 낮은 온도의 열을 공급받아 발열 반응인 수성가스전환반응이 더욱 활발하게 일어나게 되고 자연스럽게 저온전환반응의 온도조건을 만족시키게 된다.

따라서 본 발명의 수증기 개질기는 별도의 냉각장치를 이용하지 않고서도 연소가스 및 반응가스의 열전달을 통해 개질반응 및 수성가스전환반응의 조건을 직접 형성하게 되어 시동시간을 크게 단축시킬 수 있게 된다.

한편, 연소가스는 상기 연소가스 공급관(140)에서 상부 배기층(142)을 따라 배출되어 연소가스 배기부(160)를 따라 하측으로 이동하면서 반응열을 원료이송 코일관(170)으로 전달하게 되고, 또한 해당 연소가스 배기부(160)의 하부 말단에서 배출된 후 연소가스 배기층(164)을 따라 외측으로 이동되고 제 3 열 교환부(200)의 연소가스 이송관(201)을 통해 외부로 배출됨으로써 해당 연소가스는 제 1 가스 투입관(181)을 지나는 반응가스로 열을 전달할 수 있게 된다. 이렇게 열 전달을 마친 연소가스는 연소가스 이송관(201)의 외측 말단에 연결된 연소가스 배출단(202)을 통해 배출되게 된다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 원료 공급부 111 : 반응원료 투입단
112 : 반응원료 배출단 120 : 제 1 열 교환부
121 : 상부 열 교환관 122 : 하부 열 교환관
130 : 제 2 열 교환부 131 : 반응원료 공급단
132 : 원료 배출층 140 : 연소가스 공급관
141 : 차폐벽 142 : 상부 배기층
150 : 개질촉매 반응부 151 : 원료 투입구
152 : 금속 모노리스 153 : 반응가스 배출구
154 : 반응가스 배출층 160 : 연소가스 배기부
161 : 연소가스 투입구 162 : 주름판
163 : 연소가스 배기구 164 : 연소가스 배기층
170 : 원료이송 코일관 171 : 코일 투입구
172 : 코일 배출구 180 : 고온전환 촉매부
181 : 제 1 가스 투입관 190 : 저온전환 촉매부
191 : 제 2 가스 투입관 192 : 타공판
200 : 제 3 열 교환부 201 : 연소가스 이송관
202 : 연소가스 배출단 210 : 생성가스 배출단
211 : 생성가스 배출관

Claims

반응원료를 공급하는 원료 공급부;
상부 일단이 개방되며 버너를 통해 연소가스를 배출시키는 연소가스 공급관;
상기 연소가스 공급관의 외주면에 배치되며 내부로 반응원료가 유입되어 수증기 개질반응이 이루어지는 개질촉매 반응부;
상기 개질촉매 반응부의 외측에 이격되어 배치되며 상기 연소가스 공급관으로부터 배출된 연소가스를 하부로 이송시키는 연소가스 배기부;
상기 연소가스 배기부의 내부 공간을 따라 감겨지며 상기 원료 공급부로부터 공급되는 반응원료를 상부로 이송시켜 상기 개질촉매 반응부로 공급하는 원료이송 코일관; 및
상기 연소가스 공급관의 외측에 이격되어 배치되며 상기 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 고온전환 촉매부 및 저온전환 촉매부; 를 포함하되,
상기 원료 공급부를 통해 공급되는 반응원료는 상기 고온전환 촉매부와 저온전환 촉매부의 사이에 개재되는 제 1 열 교환부를 따라 이송되며,
상기 고온전환 촉매부로부터 배출되는 반응가스가 이동되는 제 2 가스 투입관과 상기 제 1 열 교환부가 교차되어, 원료 공급부를 통해 공급되는 반응원료의 예열과 고온전환 촉매부로부터 배출되는 반응가스의 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 원료 공급부에서 배출된 반응원료는 상기 개질촉매 반응부의 하부에 형성된 제 2 열 교환부를 따라 이송되며,
해당 제 2 열 교환부가 상기 개질촉매 반응부로부터 배출되는 반응가스의 이동로인 반응가스 배출층과 인접 배치되어, 원료 공급부에서 배출된 반응원료의 예열과 개질촉매 반응부로부터 배출되는 반응가스의 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
제 1항에 있어서,
상기 연소가스 배기부에서 배출된 연소가스는 상기 고온전환 촉매부의 하부에 형성된 제 3 열 교환부를 따라 이송되며,
상기 고온전환 촉매부로 투입되는 반응가스가 이동되는 제 1 가스 투입관과 상기 제 3 열 교환부가 교차되어, 고온전환 촉매부로 투입되는 반응가스의 예열이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
제 1항에 있어서,
상기 개질촉매 반응부의 반응원료 이동 부위에는 다수의 금속 모노리스가 구비되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
제 1항에 있어서,
상기 연소가스 배기부를 구획하는 벽면에는 주름판이 형성되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
제 1항에 있어서,
상기 저온전환 촉매부는 적어도 하나 이상의 타공판에 의해 구획되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.