KR101278780B1 - 분리형 수증기 개질기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리 가능한 컴팩트한 구조를 가지며 내부 연소가스의 열이 내부의 교차 열교환 구조를 통해 각 반응에 효율적으로 전달될 수 있도록 하여 운전시간을 단축시키고 열효율을 극대화시킬 수 있는 수증기 개질기에 관한 것으로, 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 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 전환촉매 반응부; 및 상기 개질촉매 반응부 및 전환촉매 반응부의 하부에 구비되어 반응원료를 개질촉매 반응부로 공급하는 원료 공급부; 를 포함하여 본체가 이루어지며, 상부 격벽으로 상부가 밀폐된 분리체의 분리 격벽이 상기 개질촉매 반응부와 개질촉매 반응부의 이격 공간에 배치되어 상기 연소가스 공급관으로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 구획하는 것을 특징으로 한다.

Description

분리형 수증기 개질기{SEPARATING TYPE STEAM REFORMER}
본 발명은 분리형 수증기 개질기에 관한 것으로, 분리 가능한 컴팩트한 구조를 가지며 내부 연소가스의 열이 내부의 교차 열교환 구조를 통해 각 반응에 효율적으로 전달될 수 있도록 하여 운전시간을 단축시키고 열효율을 극대화시킬 수 있는 분리형 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, 연소가스는 개질반응에만 직접적으로 열전달을 하고, 수성가스전환반응은 냉각관이나 단열재를 이용해 반응조건을 형성함으로써, 운전시간을 단축시키는데는 한계가 있다.
둘째, 연소가스는 개질촉매층에 열을 전달한 후 곧바로 배출되므로, 높은 온도의 폐열을 회수할 수 없게 되어 열효율을 향상시키는 데도 한계가 있다.
셋째, 통체의 구조가 복잡하고 일체형으로 고정되어 있어서 내부 파손이나 가스유통의 이상시 보수가 어렵고 그 구조상 유지관리 역시 한계가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 연소가스 공급관, 개질촉매반응부, 전환촉매반응부 및 열 교환기 등을 일체로 구성할 수 있는 단순화된 소형 수증기 개질기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고온의 연소가스가 개질반응과 수성가스전환반응에 모두 직접적으로 열 전달을 할 수 있도록 해 각 반응층의 반응 조건을 형성함으로써 열 전달 효율이 향상되고 시동시간이 보다 단축된 수증기 개질기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 개질기의 구조를 분리체의 분리를 통해 반응부와 연소가스 배기부로 분리시킬 수 있어서 유지보수에 유리한 수증기 개질기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 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 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 전환촉매 반응부; 및 상기 개질촉매 반응부 및 전환촉매 반응부의 하부에 구비되어 반응원료를 개질촉매 반응부로 공급하는 원료 공급부; 를 포함하여 본체가 이루어지며, 상부 격벽으로 상부가 밀폐된 분리체의 분리 격벽이 상기 개질촉매 반응부와 개질촉매 반응부의 이격 공간에 배치되어 상기 연소가스 공급관으로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 구획하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 분리체의 상부 격벽과 상기 개질촉매 반응부의 상부 말단 사이에는 상기 연소가스 공급관으로부터 배출되는 연소가스를 본체 외측으로 이동시킬 수 있는 제 1 배기층이 형성되며, 상기 분리 격벽과 상기 개질촉매 반응부의 사이에는 상기 제 1 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체 하측으로 이동시킬 수 있는 제 2 배기층이 형성되며, 상기 분리 격벽의 하부에는 상기 제 2 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체의 외측 방향으로 이동시킬 수 있는 제 3 배기층이 형성되며, 상기 분리 격벽과 상기 전환촉매 반응부의 사이에는 상기 제 3 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체 상측으로 이동시킬 수 있는 제 4 배기층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 원료 공급부를 통해 공급된 반응원료는 상기 개질촉매 반응부의 제 1 촉매 반응층에 유입되어 상부로 이동하고 연통구를 통해 제 2 촉매 반응층으로 이동하여 해당 제 2 촉매 반응층을 따라 하부로 이동하여 제 2 열 교환관으로 유입되며, 상기 제 1 촉매 반응층은 인접 배치된 상기 연소가스 공급관으로부터 열을 공급받고, 상기 제 2 촉매 반응층은 상기 제 2 배기층의 연소가스로부터 열을 공급받아 수증기 개질반응이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 원료 공급부를 통해 공급된 반응원료는 제 1 열 교환관을 이동하며 상기 연소가스 공급관 및 제 2 열 교환관으로부터 열을 공급받아 예열되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 열 교환관은, 원료가스 공급단을 통해 유입되는 원료가스를 이송시켜 원료가스 배기단으로 배출시키는 하부 열 교환관; 및 수증기와 상기 원료가스 배기단으로부터 배출된 원료가스를 포함하는 반응원료를 원료 공급단을 통해 유입받고 이송시켜 원료 배기구를 통해 상기 개질촉매 반응부로 배출시키는 상부 열 교환관; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 하부 열 교환관 및 상부 열 교환관은 복수의 원형 통체가 동심 형상으로 간격을 두고 배치되어 원형의 지그재그 이송경로를 통해 원료가스 또는 반응원료가 지연이동되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 개질촉매 반응부의 반응원료 이동 부위에는 다수의 금속 모노리스가 구비되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 연소가스의 연소가스 공급부 및 배기구에서의 이동 방향과 상기 반응원료의 개질촉매 반응부 및 전환촉매 반응부에서의 이동 방향이 인접 부위에서 동일 방향으로 구조화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상술한 구성을 통하여, 연소가스 공급관, 개질촉매반응부, 전환촉매반응부 및 열 교환기 등을 일체로 구성할 수 있는 단순화된 소형 수증기 개질기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고온의 연소가스가 개질반응과 수성가스전환반응에 모두 직접적으로 열 전달을 할 수 있도록 해 각 반응층의 반응 조건을 형성함으로써 열 전달 효율이 향상되고 시동시간이 보다 단축된 수증기 개질기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 개질기의 구조를 분리체의 분리를 통해 반응부와 연소가스 배기부로 분리시킬 수 있어서 유지보수에 유리한 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 다른 실시예에 따른 수증기 개질기의 측단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 제 1 열 교환관의 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 5는 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 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수증기 개질기의 측단면도이다.
해당 도 2 및 도 3에서는 축방향 중심을 기준으로 좌우 대칭되는 구성요소는 좌우측의 일측에만 도면부호를 도시하고, 그 타측에는 도면부호를 생략하였다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기는 본체(100)와 분리체(200)로 구성된다.
상기 본체(100)에서는 원료 가스의 이송 및 연소 가스의 발생이 이루어지고 개질반응 및 수성가스전환반응이 이루어지게 되며, 이러한 본체(100)와 분리가능하게 결합되는 상기 분리체(200)는 본체와의 결합에 의해 연소 가스의 이동 통로를 구획하게 되며 간단한 분리 절차에 의해 본체(100)와 쉽게 분리가능하여 해당 수증기 개질기의 유지보수가 편리하게 이루어질 수 있도록 한다. 이러한 본체(100)와 분리체(200)의 분리에 대하여는 이하 관련 설명에서 상세히 기술된다.
상기 본체(100)는 원료 공급부(110), 제 1 열 교환관(120), 연소가스 공급관(130), 개질촉매 반응부(140), 제 2 열 교환관(150), 전환촉매 반응부(160) 및 생성가스 배출단(170)를 포함하여 이루어진다.
상기 연소가스 공급관(130)은 본체(100)의 중심부에 위치하며, 중공된 내부를 갖고 상부가 개방되어 내부 연소가스를 상부로 배출한다. 해당 연소가스 공급관(130)의 외주면을 둘러싸게 배치되는 개질촉매 반응부(140)는 원형의 통체로 형성되어 상기 연소가스 공급관(130) 및 연소가스로부터 열을 전달받으며, 상기 개질촉매 반응부(140)를 둘러싸게 배치되되 일정 간격 이격되게 구성되는 전환촉매 반응부(140) 역시 원형의 통체로 형성되어 연소가스로부터 열을 전달받을 수 있게 구성된다.
이들 구성을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 원료 공급부(110)는 수증기 개질기의 본체(100) 내부로 천연가스 등과 같은 원료가스 및 수증기를 공급하기 위한 것으로, 본체(100)의 하측에 형성되어 원료가스를 유입받는 원료가스 공급단(111)과, 상기 원료가스 공급단(111)을 통해 본체(100) 내부로 유입된 원료가스를 일시배출하도록 측면에 형성된 원료가스 배기단(112)과, 상기 원료가스 배기단(112)과 연통되어 원료가스를 공급받아 수증기(또는 물)와 함께 본체 내로 공급하는 원료 공급단(113)으로 구성된다.
그리고 상기 원료 공급부(110)의 원료가스 공급단(111), 원료가스 배기단(112) 및 원료 공급단(113)의 사이에 있는 원료가스 및 수증기 이송 경로에는 제 1 열 교환관(120)이 개재된다.
도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 제 1 열 교환관의 구조를 설명하기 위한 단면도가 도시되어 있다.
이러한 제 1 열교환관(120)은 상기 원료가스 공급단(111)과 연통되어 해당 원료가스를 이송시켜 원료가스 배기단(112)으로 배출시키는 하부 열 교환관(121)과, 상기 원료 공급단(113)과 연통되어 원료가스 및 수증기를 포함하는 반응 원료를 이송시켜 원료 배기구(123)을 통해 배출시키는 상부 열 교환관(122)을 포함하여 구성된다.
우선 도 4a를 참조하면, 본체(100)의 하측에 형성된 원료가스 공급단(111)으로부터 유입된 원료가스는 원형의 지그재그 이송경로를 가지는 하부 열 교환관(121)을 따라 비교적 장시간 이송되어 최종적으로 원료가스 배기단(112)을 통해 배출되게 된다. 이때, 해당 하부 열 교환관(121)은 열이 발생되는 연소가스 공급관(130)을 중심으로 배치되기 때문에 해당 연소가스 공급관(130)으로부터 열을 전달받아 내부를 따라 이송되는 원료가스를 일정 온도 이상으로 가열할 수 있게 된다.
또한, 도 4b를 참조하면, 본체(100)의 측면에 형성된 원료 공급단(113)으로부터 유입된 반응원료(원료가스 및 수증기)는 원형의 지그재그 이송경로를 가지는 상부 열 교환관(122)을 따라 비교적 장시간 이송되어 최종적으로 원료 배기구(123)을 통해 배출되게 된다. 이때, 해당 상부 열 교환관(122)는 열이 발생되는 연소가스 공급관(130)을 중심으로 배치되기 때문에 해당 연소가스 공급관(130)으로부터 열을 전달받아 내부를 따라 이송되는 반응원료를 가열할 수 있게 되며 이와 더불어 해당 상부 열교환관(122)의 상부에 인접하여 배치되는 제 2 열교환관(150)으로부터도 열을 전달받아 해당 이송되는 반응원료를 가열할 수 있게 된다.
이러한 하부 열 교환관(121) 및 상부 열 교환관(122)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 원형 통체가 동심 형상으로 간격을 두고 배치되는 구조를 가지며, 각각의 통체는 마주하는 방향으로 양쪽에 반응원료의 이송을 위한 배기구가 각각 형성되되, 인접한 통체 간의 배기구는 90°의 각도를 두고 어긋나게 배치됨으로써 내부에서 이송되는 원료가스 또는 반응원료가 최대한 오랜 시간 열 교환관 내에 머무르게 되어 연료가스 공급관(130) 또는 제 2 열 교환관(150)으로부터 충분한 열을 전달받을 수 있게 구성된다.
이러한 하부 열 교환관(121) 및 상부 열 교환관(122)을 통한 원료가스 및 반응원료의 예열을 통해 투입된 수증기를 증발시키고 원료가스와 함께 반응온도까지 활성화시킬 수 있게 된다.
상기 연소가스 공급관(130)은 본체(100)의 중심에 배치되고 그 내부에 버너가 배치되어 고온의 연소가스를 발생시키며 발생된 고온의 연소가스를 본체(100)의 상부로 배출시켜 상기 분리체(200)에 의해 그 흐름이 가이드되어 반응열을 전달하게 된다.
상기 구성을 통해 예열된 상태로 원료 배기구(123)를 통과한 반응원료는 개질촉매 반응부(140)의 내부로 유입되며 해당 개질촉매 반응부(140)의 내부에 충진된 개질촉매층(RC)을 통과하면서 촉매 반응을 일으키게 되고, 촉매 반응을 통해 발생된 가스는 제 2 열교환관(150)을 통해 배출되게 된다.
이때, 상기 개질촉매 반응부(140)는 상기 연소가스 공급관(130)을 둘러싸게 인접 배치된 원형 통체인 제 1 촉매 반응층(141)과 해당 제 1 촉매 반응층(141)을 감싸게 외부에 인접 배치된 원형 통체인 제 2 촉매 반응층(142)으로 구성되며, 해당 제 1 촉매 반응층(141)과 제 2 촉매 반응층(142)의 상부는 연통구(143)를 통해 연통되게 된다.
따라서 상기 원료 배기구(123)를 통해 개질촉매 반응부(140)로 유입된 반응원료는 상기 제 1 촉매 반응층(141)을 따라 상부로 이동하고 상기 연통구(143)를 통해 제 2 촉매 반응층(142)으로 이동하여 해당 제 2 촉매 반응층(142)을 따라 하부로 이동하여 제 2 열교환관(150)으로 유입되게 된다.
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(160) 내에 금속 모노리스(Metal Monolith)(144)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(140)를 지나 제 2 열교환관(150)으로 유입된 반응원료는 제 2 열 교환관(150)을 경유하여 전환촉매 반응부(160)로 유입되게 된다.
여기에서 상기 제 2 열 교환관(150)은 상기 개질촉매 반응부(140)의 제 2 촉매 반응층(142)의 하부와 일측이 연통되고 타측이 상기 전환촉매 반응부(160)의 하부와 연통되며, 구조적으로 상기 제 1 열 교환관(120)의 상부에 격벽을 사이에 두고 인접 배치되기 때문에 상기 개질촉매 반응부(140)를 지나며 가열된 반응원료의 열을 상기 제 1 열 교환관(120)에 그대로 전달할 있게 된다. 이렇게 제 2 열 교환관(150)을 통해 제 1 열 교환관(120)으로 전달된 열은 상술한 바와 같이 해당 제 1 열 교환관(120)을 지나는 반응원료를 반응에 적절한 수준까지 예열시키게 된다.
한편, 상기 제 2 열 교환관(150)의 타측에 하부 말단이 연통되는 전환촉매 반응부(160)는 개질촉매 반응부(140)의 외측에 배치된 원형 통체로서, 내부에 전환촉매가 채워지게 된다.
일 예로, 이러한 전환촉매 반응부(160)는 도 2에 도시된 바와 같이 본체(100)의 절반 위치의 측부에 형성된 생성가스 배출단(170)를 통해 반응의 완료에 따른 생성가스를 배출하도록 구성될 수 있다. 이 경우 해당 전환촉매 반응부(160) 내에는 하부에 고온전환 촉매층(HTC : High Temperature shift Catalyst)이 채워지고, 상부에 저온전환 촉매층(LTC : Low Temperature Shift Catalyst)이 채워지는 것이 바람직하다.
또한 다른 예로, 전환촉매 반응부(160)는 도 3에 도시된 바와 같이 본체(100) 전체의 측부 외관을 구획하게 형성되며 하부에는 고온전환 촉매층(161)이 배치되고 상부에는 저온전환 촉매층(162)이 배치되는 형태로 구성되어, 저온전환 촉매층(162)의 상부에 형성된 생성가스 배출단(170)를 통해 반응의 완료에 따른 생성가스를 배출하도록 구성될 수도 있다.
상기 전환촉매 반응부(160)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.
한편, 이와 같은 구조로 구성된 수증기 개질기의 본체(100)에는 상기 연소가스 공급관(130)으로부터 공급되는 고열의 연소가스가 효율적으로 이동될 수 있는 구역 구획을 위해 분리체(200)가 결합되게 된다.
상기 분리체(200)는 상부가 밀폐된 원형의 통체로 형성되며, 밀폐된 일단의 상부 격벽(210)과 상기 상부 격벽(210)으로부터 연장된 원통 형상의 분리 격벽(220)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 분리체(200)의 분리 격벽(220)은 상기 개질촉매 반응부(140)와 전환촉매 반응부(160)의 사이에서 양자와 일정 간격 이격되게 배치되며, 그 하부 말단이 상기 제 2 열 교환관(150)과 일정 간격 이격되게 배치된다. 또한 상기 분리체(200)의 상부 격벽(210)은 상기 연소가스 공급관(130)과 마주한 상태로, 내부에 수용되는 개질촉매 반응부(140)의 상부 말단, 보다 정확하게는 연통구(143)와 일정 간격 이격되게 배치된다.
이러한 분리체(200)가 상술한 바와 같이 본체(100)와 밀봉 플랜지(flange) 등을 통해 결합하게 되면, 상부 격벽(210)과 상기 개질촉매 반응부(140)의 상부 말단의 사이에는 상기 연소가스 공급관(130)으로부터 배출되는 연소가스를 외측으로 이동시킬 수 있는 제 1 배기층(E1)이 형성되게 된다.
또한, 상기 분리 격벽(220)과 상기 개질촉매 반응부(140)의 사이에는 상기 연소가스를 하측으로 이동시킬 수 있는 제 2 배기층(E2)이 형성되게 된다.
또한, 상기 분리 격벽(220)과 하부의 제 2 열 교환관(150)의 사이에는 상기 연소가스를 수평 방향으로 이동시킬 수 있는 제 3 배기층(E3)이 형성되게 된다.
또한, 상기 분리 격벽(220)과 상기 전환촉매 반응부(160)의 사이에는 상기 연소가스를 상측으로 이동시킬 수 있는 제 4 배기층(E4)이 형성되게 된다.
이러한 제 2 배기층(E2)의 연소가스는 상기 개질촉매 반응부(140)에 충분한 열을 전달할 수 있으며, 또한 하측의 제 3 배기층(E3)으로 이동된 연소가스는 제 2 열 교환부(150)를 가열하여 반응원료의 예열을 돕게 된다.
그리고 제 4 배기층(E4)의 연소가스는 상기 전환촉매 반응부(160)에 충분한 열을 전달할 수 있다. 이때, 서서히 온도가 내려가는 해당 연소가스는 해당 전환촉매 반응부(160)로의 열 전달시 제 4 배기층(E4)의 구조상 하부의 고온전환 촉매층에는 보다 높은 온도를 전달하고 상부의 저온전환 촉매층에는 비교적 낮은 온도를 정확하게 전달할 수 있게 된다. 이렇게 예열을 마친 연소가스는 제 4 배기층(E4)의 상부 말단에 연결된 연소가스 배출부(230)를 통해 배출되게 된다.
이러한 본체(100) 및 분리체(200)는 열전도도가 높은 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 연소가스 공급관(130) 내에 배치되는 버너는 화염버너가 사용되며, 열에 의한 부식 및 누전이 일어나지 않는 사양을 선택하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 상향식 수소 버너가 바람직하다.
여기에서 상기 연소가스 공급관(130), 개질촉매 반응부(140) 및 개질촉매 반응부(140)과 이에 결합되는 분리체(200)는 도면에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성되는 것이 바람직하나, 각각의 지름방향 단면이 원형 이외에 타원형이나 각형 등 다양한 형태를 가질 수도 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여, 본 발명의 수증기 개질기에서 일어나는 반응을 상술한 수증기 개질기의 구조를 바탕으로 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수증기 개질기의 가스 흐름을 도시한 작동도이다.
도 5에서 점선은 연소가스의 흐름을 나타내고, 일점쇄선은 반응원료(원료가스+수증기)의 흐름을 나타내며, 이점쇄선은 생성가스의 흐름을 나타낸다.
원료가스는 원료가스 공급단(111)으로 투입되며, 하부 열 교환관(121)을 거쳐 예열된 후 원료가스 배기단(112)을 통해 배출된다. 이러한 원료가스의 예열은 상기 연소가스 공급관(143)을 통해 전달되는 열에 의해 이루어지며, 이러한 원료로는 천연가스가 사용될 수 있고 주로 메탄가스가 사용된다.
이렇게 배출된 원료가스는 다시 물(또는 수증기)와 함께 상기 원료 공급단(113)을 통해 투입되어 상부 열 교환관(122)을 거쳐 수증기로 증발된다. 여기에 필요한 열은 반응원료가 상기 열 교환관(122)을 거치는 동안 상기 연소가스 공급관(143)의 버너로부터 전달받아 공급받게 되고 또한 상기 제 2 열 교환관(150)을 통과하는 가열된 생성가스로부터 전달받게 된다.
상기 상부 열 교환관(122)을 통과한 반응원료는 각각 개질촉매 반응부(140)로 투입된다. 이때, 해당 상부 열 교환관(122)을 거치면서 반응원료의 원료가스와 수증기는 잘 섞이게 되고 상부 열 교환관(122)을 통과하는 과정에서 개질반응이 일어나는 온도인 700℃ 이상까지 온도가 상승하게 된다. 이러한 반응원료는 개질반응 온도까지 활성화된 상태에서 상기 연소가스 공급관(130)을 감싸고 있는 개질촉매 반응부(140)의 제 1 촉매 반응층(141)의 하부를 말단으로 유체의 흐름이 반전되어 이동되며, 상부의 연통구(143)를 통해 제 2 촉매 반응층(142)으로 이동된다.
상기 반응원료는 상기 제 1 촉매 반응층(141) 및 제 2 촉매 반응층(142)을 순차적으로 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(130)을 감싸고 있는 개질촉매 반응부(140)의 구조는 연소가스 공급관(130)과 접해 있어 연소가스로부터 계속해서 열을 전달받게 됨으로써 흡열 반응인 개질 반응이 더욱 활발하게 일어나게 된다. 더군다나, 상기 연소가스 공급관(130)으로부터 배출된 연소가스가 제 1 배기층(E1)을 거쳐 제 2 배기층(E2)를 따라 이동하며 계속적으로 열을 공급하기 때문에 개질촉매 반응부(140)에서의 흡열은 더욱 원활하게 이루어지게 된다.
이렇게 개질촉매 반응부(140)를 통과한 반응가스는 하부의 제 2 열 교환관(150)을 거쳐 전환촉매 반응부(160)으로 투입되게 되며, 이때 해당 반응가스는 제 2 열 교환관(150)을 거치면서 인접한 상부 열 교환관(122)으로 열을 공급하여 투입되는 반응원료를 충분히 예열시키게 된다.
이렇게 전환촉매 반응부(160)으로 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.
이러한 수성가스전환반응은 저온조건에서 활발하게 일어나게 되는데, 해당 전환촉매 반응부(160)가 개질촉매 반응부(140)에 비하여 비교적 연소가스 공급관(130)과 멀리 배치되며, 여기에서 배출된 연소가스가 일정 열을 빼앗긴 상태에서 제 4 배기층(E4)을 따라 이동하게 되므로 고온 및 저온 전환촉매층(HTC : High Temperature shift Catalyst, LTC : Low Temperature shift Catalyst)이 비교적 낮은 온도의 열을 공급받아 반응가스가 계속하여 열을 방출함으로써, 발열 반응인 수성가스전환반응이 더욱 활발하게 일어나게 되고 자연스럽게 고온전환반응 및 저온전환반응의 온도조건을 만족시키게 된다.
따라서 본 발명의 수증기 개질기는 별도의 냉각장치나 단열을 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(130)에서 제 1 배기층(E1)을 따라 제 2 배기층(E2)으로 흐르면서 반응열을 개질촉매 반응부(140)로 반응열을 전달하게 되고, 또한 제 3 배기층(E3)으로 이동된 연소가스는 제 2 열 교환부(150)를 가열하여 반응원료의 예열을 돕게 된다. 그리고 제 4 배기층(E4)의 연소가스는 상기 전환촉매 반응부(160)에 충분한 열을 전달할 수 있다. 이때, 서서히 온도가 내려가는 해당 연소가스는 해당 전환촉매 반응부(160)로의 열 전달시 제 4 배기층(E4)의 구조상 하부의 고온전환 촉매층에는 보다 높은 온도를 전달하고 상부의 저온전환 촉매층에는 비교적 낮은 온도를 정확하게 전달할 수 있게 된다. 이렇게 예열을 마친 연소가스는 제 4 배기층(E4)의 상부 말단에 연결된 연소가스 배출부(230)를 통해 배출되게 된다.
이러한 구조에 따르면, 상기 연소가스는 연소가스 공급관(130)에서 배출되면서 상부로 이동하고 상기 제 1 배기구(E1)를 거쳐 상기 제 2 배기구(E2)를 따라 하부로 이동하며, 이후 제 3 배기구(E3)를 거쳐 제 4 배기구(E4)를 따라 상부로 이동하는 이동 경로를 가지게 된다. 또한 이와 마찬가지로, 상기 원료 배기구(123)를 통해 개질촉매 반응부(140)로 유입된 반응물은 상기 제 1 촉매 반응층(141)을 따라 상부로 이동하고 연통구(143)를 거쳐 상기 제 2 촉매 반응층(142)을 따라 하부로 이동하며, 이후 제 2 열 교환관(150)을 거쳐 전환촉매 반응부(160)를 따라 상부로 이동하는 이동 경로를 가지게 된다. 따라서 인접 부위에서 상기 연소가스와 반응물이 동일한 방향으로 이동함에 따라 각 부위별로 반응에 필요한 균일한 온도를 연소가스가 제공할 수 있어 효율적인 반응이 이루어질 수 있게 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.
100 : 본체 110 : 원료 공급부
111 : 원료가스 공급단 112 : 원료가스 배기단
113 : 원료 공급단 120 : 제 1 열 교환관
121 : 하부 열 교환관 122 : 상부 열 교환관
123 : 원료 배기구 130 : 연소가스 공급관
140 : 개질촉매 반응부 141 : 제 1 촉매 반응층
142 : 제 2 촉매 반응층 143 : 연통구
144 : 금속 모노리스 150 : 제 2 열 교환관
160 : 전환촉매 반응부 161 : 고온전환 촉매층
162 : 저온전환 촉매층 170 : 생성가스 배출단
200 : 분리체 210 : 상부 격벽
220 : 분리 격벽 230 : 연소가스 배출부
E1 : 제 1 배기층 E2 : 제 2 배기층
E3 : 제 3 배기층 E4 : 제 4 배기층

Claims (8)

  1. 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 개질촉매반응부를 거친 반응가스가 내부로 유입되어 수성가스 전환반응이 이루어지는 전환촉매 반응부; 및
    상기 개질촉매 반응부 및 전환촉매 반응부의 하부에 구비되어 반응원료를 개질촉매 반응부로 공급하는 원료 공급부; 를 포함하는 본체와, 해당 본체에 분리가능하게 결합되는 분리체로 이루어지며,
    상부 격벽으로 상부가 밀폐된 분리체의 분리 격벽이 상기 개질촉매 반응부와 전환촉매 반응부의 이격 공간에 배치되어 상기 연소가스 공급관으로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 구획하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분리체의 상부 격벽과 상기 개질촉매 반응부의 상부 말단 사이에는 상기 연소가스 공급관으로부터 배출되는 연소가스를 본체 외측으로 이동시킬 수 있는 제 1 배기층이 형성되며,
    상기 분리 격벽과 상기 개질촉매 반응부의 사이에는 상기 제 1 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체 하측으로 이동시킬 수 있는 제 2 배기층이 형성되며,
    상기 분리 격벽의 하부에는 상기 제 2 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체의 외측 방향으로 이동시킬 수 있는 제 3 배기층이 형성되며,
    상기 분리 격벽과 상기 전환촉매 반응부의 사이에는 상기 제 3 배기층으로부터 이동된 연소가스를 본체 상측으로 이동시킬 수 있는 제 4 배기층이 형성되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원료 공급부를 통해 공급된 반응원료는 상기 개질촉매 반응부의 제 1 촉매 반응층에 유입되어 상부로 이동하고 연통구를 통해 제 2 촉매 반응층으로 이동하여 해당 제 2 촉매 반응층을 따라 하부로 이동하여 제 2 열 교환관으로 유입되며,
    상기 제 1 촉매 반응층은 인접 배치된 상기 연소가스 공급관으로부터 열을 공급받고, 상기 제 2 촉매 반응층은 상기 제 2 배기층의 연소가스로부터 열을 공급받아 수증기 개질반응이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 원료 공급부를 통해 공급된 반응원료는 제 1 열 교환관을 이동하며 상기 연소가스 공급관 및 제 2 열 교환관으로부터 열을 공급받아 예열되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환관은,
    원료가스 공급단을 통해 유입되는 원료가스를 이송시켜 원료가스 배기단으로 배출시키는 하부 열 교환관; 및
    수증기와 상기 원료가스 배기단으로부터 배출된 원료가스를 포함하는 반응원료를 원료 공급단을 통해 유입받고 이송시켜 원료 배기구를 통해 상기 개질촉매 반응부로 배출시키는 상부 열 교환관; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 하부 열 교환관 및 상부 열 교환관은 복수의 원형 통체가 동심 형상으로 간격을 두고 배치되어 원형의 지그재그 이송경로를 통해 원료가스 또는 반응원료가 지연이동되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 개질촉매 반응부의 반응원료 이동 부위에는 다수의 금속 모노리스가 구비되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연소가스의 연소가스 공급부 및 배기구에서의 이동 방향과 상기 반응원료의 개질촉매 반응부 및 전환촉매 반응부에서의 이동 방향이 인접 부위에서 동일 방향으로 구조화되는 것을 특징으로 하는 수증기 개질기.
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