KR101480083B1 - 연소 배가스 폐열 회수를 위한 열교환 장치가 구비된 연료 개질기 - Google Patents

연소 배가스 폐열 회수를 위한 열교환 장치가 구비된 연료 개질기 Download PDF

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구기영
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Abstract

본 발명은 연소 배가스 폐열 회수를 위한 열교환 장치가 구비된 연료 개질기에 관한 것으로, 연료의 연소로 배가스를 발생시키는 연소실; 배가스가 흐르는 배가스 유로; 및 배가스 유로에 형성되는 튜브 형태로 이루어지고, 내부에는 원료 중 하나인 물이 흐르며, 외부에 흐르는 배가스와 내부에 흐르는 물의 열교환이 이루어지는 배가스 열회수 장치를 내부에 포함하는 연료 개질기를 제공한다.

Description

연소 배가스 폐열 회수를 위한 열교환 장치가 구비된 연료 개질기{Fuel reformer having heat exchanger for waste heat recovery of combustion exhaust gas}
본 발명은 연료전지 시스템용 연료 개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 개질기에서 발생되는 연소 배가스의 열을 효율적으로 회수할 수 있는 연료 개질기에 관한 것이다.
일반적으로 연료 개질기는 연료전지 시스템의 구동에 필요한 수소를 공급하기 위한 장치로서, 물과 탄화수소(LNG, LPG 등)를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하는 장치이다. 이러한 연료 개질기는 주로 탈황, 수증기 개질 반응, 수성가스 전이반응, 선택적 산화반응의 4가지 단위 공정을 수행하는 단위 장치들로 구성되어 있다.
연료 개질기는 대한민국 특허 등록 제429602호, 제512226호, 제677016호, 제761945호에 개시된 바와 같이 주로 동심관형 구조를 갖는데, 구체적으로 크기가 다른 원통들이 동심으로 중첩된 구조를 갖는다. 중앙부에는 버너가 장착된 연소실이 위치하고 있고, 연소실에서는 천연가스의 연소를 통하여 반응 원료인 물과 천연가스를 예열함과 동시에 연료 개질 반응에 필요한 열을 공급한다. 이를 통해 온도가 낮아진 연소 배가스는 연료 개질기의 외부로 배출된다. 따라서 연소 배가스의 열을 최대한 회수하여 반응원료의 예열에 사용하여야 버너로 공급되는 열량을 줄일 수 있으며, 이를 통해 연료 개질기의 개질 효율을 증가시킬 수 있다.
연소 배가스의 열회수 방법 중 하나로서, 개질 반응의 원료인 물과 열교환함으로써 원료를 예열하는 방식을 사용할 수 있다. 가장 효율적인 방식으로는 연료 개질기 외부에 별도의 열교환기를 설치하여 열교환 면적을 최대로 확보하는 방식이 될 수 있다. 하지만 외부에 열교환기를 설치하게 되면, 추가적인 설치 공간이 필요하게 되는 단점이 있다. 이로 인해 비록 열교환 면적이 좁아 연소 배가스로부터의 열회수율이 낮더라도, 열교환 장치를 연료 개질기와 일체형으로 설치하여 부피를 줄이는 방식을 택하고 있다.
기존의 연료 개질기에서 반응 원료인 물과 연소 배가스의 열교환 방식으로는 열교환 면적이 매우 적어 그 효과가 낮거나, 물의 공급관에 전열핀을 부착하여 배가스와 열교환하는 방식으로 인해 설치 부피가 커지는 등의 단점이 있었다.
따라서 추가적인 설치 부피의 증가 없이 연소 배가스의 열을 효과적으로 회수하는 것은 연료 개질기의 효율을 높임과 동시에 소형화에 크게 기여할 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 개질기의 배가스로부터 열을 회수하되, 열교환기 설치로 인한 부피의 증가를 최소화하여 개질기의 원료인 물을 예열함으로써 개질 효율을 향상시킬 수 있는 연료 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 연료의 연소로 배가스를 발생시키는 연소실; 배가스가 흐르는 배가스 유로; 및 배가스 유로에 형성되는 튜브 형태로 이루어지고, 내부에는 원료 중 하나인 물이 흐르며, 외부에 흐르는 배가스와 내부에 흐르는 물의 열교환이 이루어지는 배가스 열회수 장치를 내부에 포함하는 연료 개질기를 제공한다.
본 발명에서 배가스 열회수 장치는 물이 유입되는 유입튜브, 유입튜브와 연결되고 열교환이 이루어지는 열교환 튜브, 열교환 튜브와 연결되고 물이 배출되는 배출튜브를 구비할 수 있다.
본 발명에서 열교환 튜브는 코일 형태로 이루어질 수 있다.
삭제
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 개질기는 연료의 연소로 배가스를 발생시키는 연소실을 형성하는 제1원통체; 제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체; 제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체; 및 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 형성되는 튜브 형태로 이루어지고, 내부에는 원료 중 하나인 물이 흐르며, 외부에 흐르는 배가스와 내부에 흐르는 물의 열교환이 이루어지는 배가스 열회수 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 제1원통체와 제2원통체 사이에 형성되는 배가스 유로; 제2원통체에 형성되는 배가스 통기공; 제2원통체와 제3원통체 사이에서 배가스 통기공과 인접하여 형성되는 칸막이; 칸막이에 의해 제2원통체와 제3원통체 사이에 형성되는 열교환 쉘; 및 열교환 쉘과 통하도록 제3원통체에 설치되는 배가스 배출튜브를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 배가스 열회수 장치는 열교환 쉘에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 제3원통체에 형성되고 원료 중 하나인 탄화수소가 유입되는 원료 유입튜브를 추가로 포함할 수 있고, 원료 유입튜브는 배가스 열회수 장치의 배출튜브와 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 연소실에 설치되는 버너; 및 제2원통체와 제3원통체에 사이에 설치되는 수증기 개질반응부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 제3원통체와 동심으로 배치되고, 제3원통체보다 직경이 큰 제4원통체를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 제4원통체의 외부 또는 내부에 설치되는 수성가스 전이반응부; 및 수성가스 전이반응부와 연결되는 선택적 산화반응부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 개질기는 수성가스 전이반응부와 선택적 산화반응부 사이에 형성되는 공기 유입튜브; 및 선택적 산화반응부에 설치되는 개질가스 배출튜브를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 개질기의 배가스와 원료인 물을 열교환하기 위하여, 쉘 및 튜브(shell & tube) 형태의 열교환기를 연료 개질기의 배가스 출구부에 설치하여 개질기와 일체화 제작함으로써, 별도의 외부 열교환기가 필요치 않아 설치공간이 절약되고, 열교환 면적을 크게 증가시킬 수 있어 배가스로부터의 열회수율이 증가하게 되며, 또한 버너에 공급되는 연소 연료(NG)의 양이 감소하여 개질 효율이 증가하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 개질기의 구성도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 개질기의 구성도로서, 이 실시형태에 따른 연료 개질기는 동심으로 배치되면서 직경이 단계적으로 커지는 제1원통체(10), 제2원통체(20), 제3원통체(30), 제4원통체(40)로 구성되는 동심관형 개질기로서, 중앙에는 버너(50)와 연소실(60)이 구비되고, 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 형성된 하부 공간에는 수증기 개질반응이 일어나는 수증기 개질반응부(70)가 설치되며, 제4원통체(40)의 외부에는 수성가스 전이반응이 일어나는 수성가스 전이반응부(80) 및 선택적 산화반응이 일어나는 선택적 산화반응부(90)가 순차적으로 설치되고, 제3원통체(30)의 일측에는 원료가 유입되는 원료 유입튜브(100)가 설치되며, 수성가스 전이반응부(80) 및 선택적 산화반응부(90) 사이에는 공기 유입튜브(110)가 설치되고, 제3원통체(30)의 다른 일측에는 배가스가 배출되는 배가스 배출튜브(120)가 설치되며, 선택적 산화반응부(90)에는 개질가스가 배출되는 개질가스 배출튜브(140)가 설치되고, 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 형성된 상부 공간에는 유입튜브(142), 열교환 튜브(144), 배출튜브(146)로 구성되는 배가스 열회수 장치(140)가 설치되며, 배가스 배출 경로를 따라 순차적으로 배가스 유로(150), 배가스 통기공(152), 칸막이(154), 열교환 쉘(156)이 설치된다.
제1원통체(10)는 연료 개질기의 가장 안 쪽에 배치되고, 그 내부공간은 연소실(60)을 형성하며, 상부 중앙에는 버너(50)가 설치된다.
제2원통체(20)는 제1원통체(10)와 동심으로 배치되고, 제1원통체(10)보다 직경이 크며, 즉 제1원통체(10)를 둘러싸도록 배치된다.
제1원통체(10)와 제2원통체(20) 사이에 형성되는 도넛 형태의 공간은 연소 배가스가 흐르는 배가스 유로(150)가 된다. 배가스의 배출을 위해 제1원통체(10)의 하단은 개질기 바닥과 붙지 않고 이격되어 제1원통체(10)는 하부로 개방된 구조를 갖는다.
연소실(60)에서 생성된 배가스(EG)는 배가스 유로(150)를 지나면서 인접하는 수증기 개질반응부(70)에 필요한 열을 제공하고, 또한 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이의 공간으로 도입되는 원료 혼합물(NG+W)을 예열시킨 후, 개질기 상부에 설치된 배가스 열회수 장치(140)를 통해 원료 중 하나인 물(W)과 열교환된 뒤, 배가스 통기공(152)과 열교환 쉘(156)을 거쳐 배가스 배출튜브(120)를 통해 개질기 밖으로 배출된다.
제3원통체(30)는 제2원통체(20)와 동심으로 배치되고, 제2원통체(20)보다 직경이 커서, 제2원통체(20)를 둘러싸도록 배치된다.
제4원통체(40)는 제3원통체(30)와 동심으로 배치되고, 제3원통체(30)보다 직경이 커서, 제3원통체(30)를 둘러싸도록 배치된다.
버너(50)는 연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 연소기이다. 연소용 연료로는 개질기의 원료와 동일한 천연가스(NG) 등이 사용될 수 있다.
연소실(60)은 제1원통체(10)의 내부에 형성되는 연소공간이다. 연소실(60)에서는 연료의 연소로 인해 배가스(EG)가 발생된다.
제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 형성되는 원주 형태의 공간 중 하부에는 수증기 개질반응부(70)가 형성되고, 상부는 원료 혼합물의 예열부로 작용한다.
수증기 개질반응부(70)에는 탈황기를 통해 황 성분이 제거된 탄화수소(LNG, LPG 등) 원료가 유입되고, 탄화수소와 수증기로 구성되는 원료 혼합물은 개질반응부(70)의 개질 촉매층에 도입되어 에탄, 프로판, 이소부탄 등의 탄화수소는 메탄으로 전환된 후 다음의 수증기 개질 반응을 거친다. 개질 촉매로는 니켈 계열, 루테늄 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 1]
CH4 + H2O → CO + 3H2
제4원통체(40)의 외부에는 수성가스 전이반응부(80)가 설치되고, 수성가스 전이반응부(80)의 하류측에는 선택적 산화반응부(90)가 설치될 수 있다. 그러나, 도면과 달리, 수성가스 전이반응부(80) 및 선택적 산화반응부(90)는 제3원통체(30)와 제4원통체(40) 사이에 형성되는 공간에 설치될 수도 있는데, 이 경우 상기 공간 중 하부에는 수성가스 전이반응부(80)가 형성되고, 상부에는 선택적 산화반응부(90)가 형성될 수 있다.
수성가스 전이반응부(80)에는 수증기 개질반응부(70)를 거쳐 개질된 가스가 유입되며, 다음의 수성가스 전이반응을 통해 일산화탄소는 수소와 이산화탄소로 전환된다. 수성가스 전이반응부(80)는 고온 전이반응부와 저온 전이반응부로 구분되어 이루어질 수 있다. 전이 촉매로는 철-크롬 계열, 백금-세리움 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 2]
CO + H2O → CO2 + H2
수증기 개질 반응과 수성가스 전이반응을 거친 개질 가스에는 약 0.5 내지 1% 정도의 일산화탄소가 포함되어 있다. 일산화탄소는 연료전지에 사용되는 백금 촉매를 피독시켜 활성 저하를 일으키기 때문에, 연료전지에 공급되기 전에 10 ppm 이하의 농도로 제거 되어야 한다. 이를 위해 선택적 산화반응부(90)에는 수성가스 전이반응부(80)를 거친 가스 및 공기 유입튜브(110)를 통해 유입된 공기(A)가 유입되고, 다음과 같은 일산화탄소의 선택적 산화반응을 통해 일산화탄소가 선택적으로 이산화탄소로 산화되어 일산화탄소의 농도가 10 ppm 이하로 유지되도록 한다. 선택적 산화반응용 촉매로는 백금 계열, 루테늄 계열 등의 촉매를 사용할 수 있다.
[반응식 3]
CO + 1/2O2 → CO2
수증기 개질반응용 촉매, 수성가스 전이반응용 촉매, 선택적 산화반응용 촉매는 촉매층의 형태로 구성될 수 있는데, 예를 들어 하니컴(honeycomb) 형태의 세라믹 또는 금속 담체에 금속 촉매를 담지하여 구성할 수 있다.
선택적 산화반응부(90)를 통과한 최종 개질가스(RG)는 예를 들어 수소 72 내지 76%, 이산화탄소 18 내지 21%, 질소 2 내지 6%, 메탄 1 내지 3%, 일산탄화탄소 10 ppm 이하로 조성될 수 있으며, 개질가스 배출튜브(130)를 통해 개질기 밖으로 배출된다.
원료 유입튜브(100)는 제3원통체(30)와 직각으로 연결되거나, 제3원통체(30)의 접선방향으로 연결될 수 있다. 한편, 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이의 상부 공간에는 원료 분배판(미도시)이 설치될 수 있다. 원료 분배판은 원료 유입튜브(100)의 하부에 위치하고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 형성되는 다수의 분배구멍을 구비할 수 있다. 접선방향으로 연결되는 원료 유입튜브(100)를 통해 개질기 내부로 공급된 원료 혼합물은 원주방향을 따라 원형으로 회전하는 흐름을 갖게 되고, 이를 통해 액체 상태인 물은 제2원통체(20)의 원주 방향으로 특정 위치에서 정체되지 않게 되며, 이에 따라 가스 성분인 천연가스 및 수증기와 함께 원료 분배판의 분배구멍을 통해 고르게 분배될 수 있다. 이와 같이, 유입튜브(100)를 통해 도입된 원료 혼합물은 제2원통체(20)와 제3원통체(30)에 형성된 원주 형태의 공간에서 수평방향의 원형 회전흐름을 형성하며, 이후 원료 혼합물은 타공판 형태의 원료 분배판을 통해 수평방향의 원형 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환된 후, 수증기 개질반응부(70) 쪽으로 균일하게 공급되면서 촉매층과 균일하게 접촉됨으로써, 촉매 반응 효율이 월등히 개선될 수 있다.
배가스 열회수 장치(140)는 배가스(EG)의 배출 경로 중에서 튜브 형태의 열교환기로서, 그 내부에는 원료 중 하나인 물(W)이 흐르며, 그 외부에 흐르는 배가스(EG)와 내부에 흐르는 물(W)의 열교환이 이루어지게 된다. 이러한 열교환 방식을 통해, 연료 개질기 외부에 별도의 열교환기를 설치한 경우와 동일한 열교환 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 배가스 열회수 장치(140)가 연료 개질기 내부에 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 배가스 열회수에 필요한 공간을 별도로 만들지 않아도 된다.
도 1의 상부에 도시된 확대 도면을 통해 확인할 수 있듯이, 배가스 열회수 장치(140)는 물(W)이 유입되는 유입튜브(142), 유입튜브(142)와 연결되고 실질적인 열교환이 이루어지는 열교환 튜브(144), 열교환 튜브(144)와 연결되고 물(W)이 배출되는 배출튜브(146)를 구비할 수 있다.
열교환 튜브(144)는 열교환 면적을 증대시키기 위해 코일 형태로 이루어질 수 있다. 코일 형태로 이루어진 열교환 튜브(144)의 감는 회수를 조절하여 물이 예열되는 정도를 조절할 수 있다.
배출튜브(146)는 원료 유입튜브(100)와 연결되고, 배가스 열회수 장치(140)를 통해 예열된 물(W)이 또 다른 원료인 천연가스(NG)와 합쳐져서 개질기에 공급된다.
배가스 유로(150)는 제1원통체(10)와 제2원통체(20) 사이에 형성되는데, 넓은 의미에서는 연소실(60)과 열교환 쉘(156)을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
배가스 통기공(152)은 제2원통체(20)의 상부에 형성되고, 이를 통해 배가스 유로(150)와 열교환 쉘(156)이 통하게 되여 배가스가 배출될 수 있다.
칸막이(154)는 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이에 설치되되, 배가스 통기공(152)과 인접하도록 상부 쪽에 설치된다.
열교환 쉘(156)은 칸막이(154)에 의해 제2원통체(20)와 제3원통체(30) 사이의 상부 공간에 형성되는 열교환 공간으로, 배가스 유로 중 일부 또는 연장구간이라고 볼 수 있다.
배가스 배출튜브(120)는 열교환 쉘(156)과 통하도록 제3원통체(30)의 상부에 설치된다.
배가스 열회수 장치(140)는 열교환 쉘(156)에 설치될 수 있다. 개질기 내부의 빈 공간인 열교환 쉘(156)에 배가스 열회수 장치(140)를 설치하기 때문에 추가적인 부피를 차지하지 않는 장점이 있다.
배가스 유로(150) 및 열교환 쉘(156)은 연소실(60)을 둘러싸고 있고, 배가스 열회수 장치(140)의 열교환 튜브(144)는 열교환 쉘(156)에서 연소실(60)을 둘러싸도록 설치될 수 있다. 이와 같이, 열교환 튜브(144)는 연소실(60)을 둘러싸는 원주 형태로 설치됨으로써, 열교환 면적이 획기적으로 증대될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 연소 배가스와 원료인 물이 직접 열교환 가능한 쉘 & 튜브 형태의 열교환 장치를 내부에 구비한 연료 개질기를 제공한다.
연소 배가스(EG)는 연소열을 수증기 개질반응부(70)의 촉매층에 공급하고 예열부에서 원료인 물과 천연가스를 예열한다. 그리고 최종적으로 연료 개질기 상부에서 외부로 배출된다. 연소 배가스가 배출튜브(120)를 통해 연료 개질기 외부로 빠져나가기 전에 원통(20)과 원통(30) 사이에는 공간(156)이 존재하는데, 이 공간(156)에 원료인 물(W)이 공급될 수 있는 수관, 즉 배가스 열회수 장치(140)를 삽입하여 코일형태로 감기도록 설치한다. 이러한 원통(20, 30) 사이의 공간(156)과 수관(140)은 쉘 & 튜브 형상의 열교환기로 볼 수 있으며, 이때 쉘(156) 쪽으로는 배가스가 지나가고, 튜브(140) 쪽에는 원료인 물이 지나간다. 이러한 열교환 방식을 통해, 연료 개질기 외부에 별도의 열교환기를 설치하여 배가스의 열을 회수하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 내부의 빈 공간에 설치하기 때문에 추가적인 부피를 차지하지 않는 장점이 있다. 또한 수관(144)의 감는 회수를 조절하여 물이 예열되는 정도를 조절할 수도 있다.
[실시예]
1 kW급 연료전지용 연료 개질기 운전 결과, 도 1과 같이 연소 배가스의 열회수를 위한 열교환기를 설치하였을 경우, 아래 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 연소 배가스의 열이 회수되어 최종적으로 배출되는 배가스의 온도가 현저히 감소되었고, 상온(20℃)의 개질수가 예열되어 개질기로 공급되었으며, 이로 인해 버너로 공급되는 연소 연료인 NG의 유량이 감소하였다.
열교환기 미설치 열교환기 설치
연소 배가스 배출온도 123℃ 85℃
개질수 예열온도 20℃ 68℃
버너 공급 NG 유량 1.62 L/min 1.55 L/min
10: 제1원통체
20: 제2원통체
30: 제3원통체
40: 제4원통체
50: 버너
60: 연소실
70: 수증기 개질반응부
80: 수성가스 전이반응부
90: 선택적 산화반응부
100: 원료 유입튜브
110: 공기 유입튜브
120: 배가스 배출튜브
130: 개질가스 배출튜브
140: 배가스 열회수 장치
142: 유입튜브
144: 열교환 튜브
146: 배출튜브
150: 배가스 유로
152: 배가스 통기공
154: 칸막이
156; 열교환 쉘
NG: 원료(천연가스)
W: 물
A: 공기
EG: 배가스
RG: 개질가스

Claims (10)

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  5. 연료의 연소로 배가스를 발생시키는 연소실을 형성하는 제1원통체;
    제1원통체와 동심으로 배치되고, 제1원통체보다 직경이 큰 제2원통체;
    제2원통체와 동심으로 배치되고, 제2원통체보다 직경이 큰 제3원통체;
    제1원통체와 제2원통체 사이에 형성되는 배가스 유로;
    제2원통체에 형성되는 배가스 통기공;
    제2원통체와 제3원통체 사이에서 배가스 통기공과 인접하여 형성되는 칸막이;
    칸막이에 의해 제2원통체와 제3원통체 사이에 형성되는 열교환 쉘;
    열교환 쉘과 통하도록 제3원통체에 설치되는 배가스 배출튜브;
    열교환 쉘에 설치되는 튜브 형태로 이루어지되, 원료 중 하나인 물이 유입되는 유입튜브, 유입튜브와 연결되고 코일 형태로 이루어지는 열교환 튜브, 열교환 튜브와 연결되고 물이 배출되는 배출튜브를 구비하며, 각 튜브 내부에 흐르는 물은 각 튜브 외부에 흐르는 배가스와 열교환을 통해 예열되는 배가스 열회수 장치;
    제3원통체의 측면에서 제3원통체에 접선방향으로 연결되고, 원료 중 하나인 탄화수소가 유입되며, 배가스 열회수 장치의 배출튜브와 연결되는 원료 유입튜브; 및
    원료 유입튜브 하부에 위치하고, 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에 설치되며, 원주방향을 따라 다수의 분배구멍이 형성되는 원료 분배판을 포함하고,
    원료 유입튜브를 통해 유입된 원료 혼합물은 제2원통체와 제3원통체의 사이 공간에서 원주방향으로 수평적인 원형 회전흐름을 형성하며,
    원료 혼합물은 원료 분배판을 통해 원주방향의 수평적인 원형 회전흐름에서 수직방향 흐름으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료 개질기.
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