KR101492966B1 - 하이브리드 탄화수소 개질 장치 - Google Patents

하이브리드 탄화수소 개질 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 탄화수소 개질 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 개시된 하이브리드 탄화수소 개질 장치는 산소나 공기, 탄화수소, 수증기를 공급받는 하이브리드챔버; 상기 하이브리드챔버의 일측에 배치되고, 상기 탄화수소, 상기 산소나 공기, 상기 수증기를 연소시켜 연소열 및 연소가스를 상기 하이브리드챔버의 내부에 공급하는 버너; 상기 하이브리드챔버의 내부에 제공되고, 상기 탄화수소, 상기 수증기, 상기 연소열, 발열 반응열과 SMR(Steam Methane Reformer) 공정용 촉매간 흡열 반응에 의해 합성가스의 흡열흐름을 발생시켜 수소를 생성하는 적어도 하나의 제 1 반응기; 및 상기 하이브리드챔버의 내부에서 상기 제 1 반응기에 인접하게 배치되고, 상기 연소열 및 상기 연소가스와 ATR(AutoThermal Reformer) 공정용 촉매간 발열 반응에 의해 합성가스의 발열흐름을 발생시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응열을 상기 제 1 반응기에 공급하는 제 2 반응기를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 탄화수소 개질 장치{HYBRID APPARATUS FOR REFORMING HYDROCARBON}
본 발명은 하이브리드 탄화수소 개질 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 고효율 운영이 가능한 하이브리드 탄화수소 개질 장치에 관한 것이다.
일반적으로 석유계 화합물 중에는 탄화수소는 수소 등의 합성 가스로 변환시키기 위해 활성화 에너지를 이용할 수 있는 환경에서 반응을 시키고 있다.
대표적인 탄화수소 개질 고정은 메탄 수증기 개질(SMR: Steam Methane Reformer), 자가열 개질(ATR: AutoThermal Reformer) 등의 공정이 있다.
SMR 공정은 현존하는 가장 저렴하고 상용화된 수소 생산 방식으로서, 촉매 상태에서 탄화수소인 메탄에 수증기 및 버너의 연소열을 가하여 SMR 공정용 촉매에 의한 분해 반응, 즉 흡열 반응이 일어남에 따라서, 이러한 흡열 반응에 의한 합성가스의 흡열흐름이 발생되는 공정을 의미할 수 있다.
이러한 SMR 공정은 탄화수소를 원료로 한 부분산화 공정에 비하여 CO2 생성비가 낮고 일정량의 탄화수소로부터 더 많은 양의 수소를 얻을 수 있지만, 촉매의 코킹을 막기 위하여 수증기/탄소비를 2.5-3 정도로 높여 과잉으로 공급하여야 하고, 공정 온도가 850℃ 내외로 높고, 공정 압력이 20기압 이상의 고압이 요구되므로 에너지 소비가 높다는 단점이 있다.
한편, ATR 공정은 탄화수소인 메탄을 원료로 기체 및 수증기를 버너에서 직접 연소시키고, 이때 버너의 연소열 및 연소가스가 ATR 공정용 촉매에 전달되어서 촉매 개질 반응, 즉 발열 반응이 일어나고, 이러한 발열 반응에 의한 합성가스의 발열흐름이 발생되는 공정을 의미할 수 있다.
이러한 ATR 공정은 촉매를 사용하지 않을 경우 촉매를 사용할 때보다 더 높은 온도 조건이 유지되어야 하므로, ATR 공정에 사용되는 버너의 용량을 더 크게 하여야 한다.
위에 언급된 SMR 공정은 현존하는 가장 저렴하고 상용화된 수소 생산 방식으로서, 촉매 상태에서 탄화수소인 메탄에 수증기를 가하여 분해 반응을 일으키는 흡열 반응을 갖는다.
이러한 SMR 공정과 ATR 공정을 통합하여 투입 에너지 대비 수소 생산량을 증가시키면서, 공정 열의 효율적 활용을 통해 버너의 용량을 감소시킬 수 있는 새로운 공정이 요구되고 있다.
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2009-0084844호(2009.08.05. 공개)
(특허문헌 2) 한국등록특허공보 제10-0856039호(2008.09.09. 공고)
(특허문헌 3) 한국공개특허공보 제10-2008-0009700호(2008.01.29. 공개)
본 발명의 목적은 SMR 공정과 ATR 공정 각각의 공정을 모두 포함하면서도 콤팩트한 구성을 갖고, SMR 공정 및 ATR 공정의 융합을 통해 수소 생산을 극대화할 수 있는 하이브리드 탄화수소 개질 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따르면, 산소나 공기, 탄화수소, 수증기를 공급받는 하이브리드챔버; 상기 하이브리드챔버의 일측에 배치되고, 상기 탄화수소, 상기 산소나 공기, 상기 수증기를 연소시켜 연소열 및 연소가스를 상기 하이브리드챔버의 내부에 공급하는 버너; 상기 하이브리드챔버의 내부에 제공되고, 상기 탄화수소, 상기 수증기, 상기 연소열, 발열 반응열과 SMR(Steam Methane Reformer) 공정용 촉매간 흡열 반응에 의해 합성가스의 흡열흐름을 발생시켜 수소를 생성하는 적어도 하나의 제 1 반응기; 및 상기 하이브리드챔버의 내부에서 상기 제 1 반응기에 인접하게 배치되고, 상기 연소열 및 상기 연소가스와 ATR(AutoThermal Reformer) 공정용 촉매간 발열 반응에 의해 합성가스의 발열흐름을 발생시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응열을 상기 제 1 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 탄화수소가 저장된 탄화수소공급부; 상기 기체가 저장된 기체공급부; 상기 수증기가 저장된 증기공급부; 상기 탄화수소공급부, 상기 기체공급부, 상기 증기공급부를 상기 버너에 연결하는 제 1 유입배관망; 상기 탄화수소공급부, 상기 증기공급부를 상기 제 1 반응기의 입구에 연결하는 제 2 유입배관망; 상기 제 1 반응기의 출구, 상기 제 2 반응기의 출구를 합성가스저장부에 연결하는 합성가스 회수배관망; 및 상기 하이브리드챔버를 연소가스배출부에 연결하는 연소가스 배출배관망을 포함할 수 있다.
또한, 상기 발열흐름과 상기 흡열흐름이 동일한 흐름(Co-Current Flow)을 가질 수 있다.
또한, 상기 발열흐름과 상기 흡열흐름이 서로 반대의 흐름(Counter-Current Flow)을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 반응기와 상기 제 2 반응기를 서로 연결하여 상기 제 2 반응기의 발열 에너지를 상기 제 1 반응기에 전달하는 열전달부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치에 의하면, 버너를 이용하여 하이브리드챔버의 내부에 투입한 열 에너지(예: 연소열 및 연소가스)가 ATR 반응기에 공급되어 발열 반응을 수행하고, 이때 발생된 발열 반응열이 상기 버너에 의한 연소열에 더해져서 SMR 반응기에 전달됨에 따라, 하이브리드챔버에 투입한 에너지 대비 수소 생산량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 하이브리드챔버의 내부에서 버너를 공용으로 사용하기 때문에, 기존의 ATR 반응기 및 SMR 반응기에서 요구한 버너 용량 또는 하중을 감소시키면서 버너 배치를 최적화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 하이브리드챔버 내에서 SMR 반응기와 ATR 반응기를 순차적으로 배열하고, SMR 반응기들의 사이로 ATR 반응기의 상부에 버너를 배치함으로써, 수소 생산량을 증가시키고 열효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 SMR 반응기와 ATR 반응기를 직접 연결하는 열전달부를 더 구비하여, 대류, 복사 및 전도와 같은 열전달 방식을 모두 이용할 수 있고, 이에 따라 ATR 반응기의 열을 SMR 반응기에 효율적으로 전달함으로써, 공정 열의 효율적 활용 및 버너의 하중 감소를 실현하면서, 열전달의 효율 향상을 통해 스타트업 시간을 감소, 즉 반응에 필요한 온도 도달 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예들에 따른 구성, 결합관계 및 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하의 실시예들에서 사용된 SMR 반응기는 수백에서 수천개의 개수, 즉 복수개로 이루어질 수 있는 관형 반응기를 통칭하는 것으로서, 버너의 연소열, 탄화수소 및 수증기가 SMR 공정용 촉매를 갖는 각각의 SMR 반응기에 공급되어서 SMR 공정용 촉매와 흡열 반응을 일으킴에 따라, 수소를 포함한 합성가스의 흡열흐름이 발생되는 것으로서, 설명의 용이성을 위하여 이하의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 제 1 반응기로 호칭될 수 있다.
본 실시예에서 사용된 ATR 반응기는 제 1 반응기의 사이에 배치되는 것으로서, 탄화수소, 수증기 및 기체(예: 산소 또는 공기)가 버너에 공급되고, 버너의 연소열 및 연소가스가 각 ATR 반응기에 공급되어서 ATR 공정용 촉매와 발열 반응을 일으킴에 따라, 수소를 포함한 합성가스의 발열흐름이 발생되는 것으로서, 역시 설명의 용이성을 위하여 이하의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 제 2 반응기로 호칭될 수 있다.
제 1 실시예
제 1 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치는 수소 플랜트, 연료전지용 수소 공급원, 수소자동차 등과 같이, 석유계 화합물인 탄화수소(예: 메탄)를 개질하여 에너지원으로 활용하려는 관련 장치 또는 설비에 적용될 수 있으므로, 이하의 설명으로 한정되지 않을 수 있다.
다만, 설명의 용이성을 위해서, 제 1 실시예를 비롯한 이하의 실시예들에서는 수소 플랜트를 기준으로 설명이 이루어질 수 있다.
제 1 실시예는 하이브리드챔버(99), 버너(410), 제 1 반응기(500), 제 2 반응기(600), 탄화수소공급부(100), 기체공급부(200), 증기공급부(300), 제 1 유입배관망, 제 2 유입배관망, 합성가스 회수배관망, 연소가스 배출배관망, 연소가스배출부(700), 합성가스저장부(800)를 포함할 수 있다.
하이브리드챔버(99)는 적어도 하나의 버너(410), 적어도 하나의 제 1 반응기(500), 적어도 하나의 제 2 반응기(600)를 설치할 수 있는 내부 공간을 갖는 용기 또는 챔버와 유사한 구조물일 수 있다.
하이브리드챔버(99)의 구조물은 외형을 이루는 하우징 프레임과, 하우징 프레임의 길이 방향을 따라 이격 배치되어 구조적 안정성을 제공하는 격벽 프레임을 포함할 수 있고, 하우징 프레임 또는 격벽 프레임에 부설 가능한 단열재(미 도시) 및 단열재의 열화소멸을 방지하기 위한 냉각수단(미 도시)을 더 구비할 수 있다.
하이브리드챔버(99)의 구조물은 미 도시 되어 있지만, 각종 배관, 연결라인, 센서 연결용 전선 등을 설치하기 위한 관통 구멍 또는 배관 연결 구멍 등을 더 가지고 있을 수 있다.
하이브리드챔버(99)는 후술할 제 1 유입배관망, 제 2 유입배관망, 합성가스 회수배관망, 연소가스 배출배관망을 통해서 산소나 질소와 산소로 구성된 공기, 탄화수소, 수증기를 공급받고, 물(수분), 이산화탄소 등을 포함한 연소가스, 혹은 수소를 포함한 합성가스를 배출시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
버너(410)는 하이브리드챔버(99)의 일측에 다수로 마련되어서 이격 배치될 수 있다.
예컨대, 버너(410)의 옆에 표시한 다수의 점(419)은 다수의 버너 배치를 의미할 수 있다.
또한, 버너(410)는 하이브리드챔버(99)의 일측, 즉 챔버 천정에 버너 몸체를 설치하여, 하향으로 연소 화염이 발생될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 버너(410)는 버너 본체를 챔버 천정의 내부 또는 외부에 설치된 후, 화염 출구인 버너 노즐만을 챔버 천정에 다수로 배치시킬 수 있다.
이러한 버너(410)는 하이브리드챔버(99)로 탄화수소, 산소나 질소와 산소로 구성된 공기, 수증기를 혼합된 상태로 공급하고, 하이브리드챔버(99) 내부에서 연소시켜서, 연소열(Q1) 및 연소가스(Q2)를 발생시키고, 발생된 연소열(Q1) 및 연소가스(Q2)를 하이브리드챔버(99)의 내부에 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
버너(410)는 세라믹 버너 등과 같이, 노(furnace)에 사용되는 각종 버너 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 버너(410)의 개수는 하이브리드챔버(99)에서 필요로 하는 버너 하중 또는 용량에 대응하게 정해질 수 있으므로, 특정 개수로 한정되지 않을 수 있다.
제 1 반응기(500)는 하이브리드챔버(99)의 내부에서 버너(410)의 사이에 배치 또는 제공될 수 있다.
제 1 반응기(500)도 다수로 구비될 수 있다. 예컨대, 제 1 반응기(500)의 옆에 표시한 다수의 점(509)은 다수의 제 1 반응기 배치를 의미할 수 있다.
적어도 하나의 제 1 반응기(500)는 탄화수소, 수증기, 연소열(Q1), 발열 반응열(Q3)과 SMR(Steam Methane Reformer) 공정용 촉매간 흡열 반응에 의해 합성가스의 흡열흐름(R1)을 발생시켜 수소를 생성하는 역할을 담당할 수 있다.
이를 위해 제 1 반응기(500)는 입구(510)와 출구(520)를 양단에 마련하고 내부에 SMR 공정용 촉매(502)(예: NiAl2O2)를 충진하고 있는 반응용기(501)를 가지고 있을 수 있다.
제 1 반응기(500)는 반응기 설치용 지지브래킷(156)에 의해 지지될 수 있다.
제 1 반응기(500)는 버너(410)의 주변에서 이격된 상태로 벽체 구조물이 되고, 버너(410)의 화염이 제 2 반응기(600) 쪽으로 향하도록 가이드하는 역할을 담당할 수 있으므로, 제 2 반응기(600)용 연소 챔버를 별도로 구비하지 않아도 됨에 따라 하이브리드챔버(99)를 콤팩트하게 구성시킬 수 있다.
적어도 하나의 제 2 반응기(600)는 하이브리드챔버(99)의 내부에서 제 1 반응기(500)의 사이 위치인 하이브리드챔버(99)의 타측에 배치되거나, 또는 제 1 반응기(500)에 인접하게 배치될 수 있다.
예컨대, 제 2 반응기(600)도 다수로 구비될 수 있는데, 제 2 반응기(600)의 옆에 표시한 다수의 점(609)은 다수의 제 2 반응기 배치를 의미할 수 있다.
제 1 실시예에서는 제 2 반응기(600)도 각각의 버너(410)의 아래쪽에서 이격 배치될 수 있고, 역시 지지브래킷(156)에 의해 설치되어 있을 수 있다.
이러한 제 2 반응기(600)는 버너(410)의 화염으로부터 발생된 연소열(Q1) 및 상기 연소가스(Q2)와 ATR(AutoThermal Reformer) 공정용 촉매간 발열 반응에 의해 합성가스의 발열흐름(R2)을 발생시킴에 따라 수소를 생성함과 함께, 이때 추가적으로 발생되는 발열 반응열(Q3)을 상기 제 1 반응기(500)에 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
즉, 제 1 반응기(500)는 버너(410)의 연소열(Q1)과 제 2 반응기(600)의 발열 반응열(Q3)을 동시에 공급받아 수소를 포함한 합성가스를 생산할 수 있다. 이때, 합성가스는 수소 순도 70% 이상이고, 버너(410)에 투입한 열 에너지 대비 상대적으로 많은 열원, 즉 버너(410)의 연소열(Q1) 및 제 2 반응기(600)의 발열 반응열(Q3)에 의해 흡열 반응을 진행함으로써, 공정 열의 효율적 활용이 가능하고, 상대적으로 버너의 용량을 감소시킬 수 있다.
위와 같은 역할을 담당할 수 있도록, 제 2 반응기(600)는 연소가스(Q2)가 유입될 수 있는 입구(606)를 갖는 반응용기(601)와, 반응용기(601)의 상부 섹션(603)에 충진된 ATR 공정용 촉매(602)(예: Ni)와, 반응용기(601)의 상부 섹션(603)과 하부 섹션(605)을 구획하는 다공성 구획벽(604)과, 반응용기(601)의 하부에 관통하게 마련된 출구(620)를 포함할 수 있다. 위에 언급된 촉매(502, 602)는 촉매 베드 형식으로 준비될 수 있다.
여기서, 제 2 반응기(600)에서 발열 반응에 의해 생성된 합성가스는 반응용기(601)의 하부 섹션(605)의 내부 공간에 모인 후, 출구(620)를 통해 반응용기(601)의 외부로 유동될 수 있다.
탄화수소공급부(100)에는 탄화수소 처리 설비 또는 저장탱크가 구비되어 있어서, 하이브리드챔버(99)에 공급할 탄화수소가 저장되거나, 공급 가능한 상태로 유지될 수 있다.
기체공급부(200)에는 공기 포집 및 필터링 장치, 혹은 산소 생산 설비, 또는 저장탱크가 구비되어 있어서, 하이브리드챔버(99)에 공급할 유체, 즉 산소 또는 공기가 저장되거나, 공급 가능한 상태로 유지될 수 있다.
기체공급부(200)는 일종의 ASU(Air Separation Unit)로서 구성될 수 있고, 이 경우, 고순도의 산소를 제공할 수 있다. 또한, 기체공급부(200)는 질소와 산소로 이루어진 공기(Air)를 제공할 수도 있다.
증기공급부(300)에는 증기 생산 설비 또는 저장탱크가 구비되어 있어서, 하이브리드챔버(99)에 공급할 수증기가 저장되거나, 공급 가능한 상태로 유지될 수 있다.
제 1 유입배관망은 탄화수소공급부(100), 기체공급부(200), 증기공급부(300)를 버너(410)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
제 1 유입배관망은 탄화수소공급부(100)로부터 제 1 라인연결부재(400)까지 연결된 제 1 유입라인(102)과, 제 1 유입라인(102)에 설치된 제 1 밸브(101)를 포함할 수 있다.
위와 같은 방식 또는 연결 구조로, 제 1 유입배관망은 기체공급부(200)와 제 1 라인연결부재(400) 사이의 제 2 유입라인(202) 및 제 2 밸브(201)를 포함할 수 있고, 또한, 증기공급부(300)와 제 1 라인연결부재(400) 사이의 제 3 유입라인(302) 및 제 3 밸브(301)를 포함할 수 있다.
탄화수소, 기체, 수증기는 제 1 내지 제 3 유입라인(102, 202, 302)을 통해 제 1 라인연결부재(400)에서 혼합된 후, 제 1 라인연결부재(400)의 제 1 메인라인(401) 쪽으로 이동할 수 있다. 이후, 제 1 메인라인(401)의 제 1 분기부재(402)에서 분기된 각각의 제 1 분배라인(403, 404)을 통해서 해당 버너(410)에 공급될 수 있다.
제 2 유입배관망은 탄화수소공급부(100), 증기공급부(300)를 제 1 반응기(500)의 입구(510)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
제 2 유입배관망은 탄화수소공급부(100)로부터 제 2 라인연결부재(430)까지 연결된 제 4 유입라인(104)과, 제 4 유입라인(104)에 설치된 제 4 밸브(103)를 포함할 수 있다.
위와 같은 방식 또는 연결 구조로, 제 2 유입배관망은 증기공급부(300)와 제 2 라인연결부재(430) 사이의 제 5 유입라인(304) 및 제 5 밸브(303)를 포함할 수 있다.
탄화수소, 수증기는 제 4 내지 제 5 유입라인(104, 304)을 통해 제 2 라인연결부재(430)에서 혼합된 후, 제 2 라인연결부재(430)의 제 2 메인라인(430a) 쪽으로 이동할 수 있다. 이후, 제 2 메인라인(430a)의 제 2 분기부재(431)에서 분기된 각각의 제 2 분배라인(432, 433, 434)을 통해서 해당 제 1 반응기(500)의 입구(510)에 공급될 수 있다.
일측의 합성가스 회수배관망은 제 1 반응기(500)의 출구(520)와, 그 출구(520)로부터 각각 연장된 제 1 회수라인(530)과, 제 1 회수라인(530)이 배관된 제 3 라인연결부재(550) 및 제 1 저장라인(560)을 통해서 합성가스저장부(800)에 연결될 수 있다.
타측의 합성가스 회수배관망은 제 2 반응기(600)의 출구(620)와, 그 출구(620)로부터 각각 연장된 제 2 회수라인(630)과, 제 2 회수라인(630)이 배관된 제 4 라인연결부재(650) 및 제 2 저장라인(660)을 통해서 합성가스저장부(800)에 연결될 수 있다.
또한, 연소가스배출부(700)와 하이브리드챔버(99)의 사이에는 서로를 관통하게 연결하는 연소가스 배출배관망(730)이 마련되어 있으므로, 반응을 끝낸 연소가스, 물(수분) 및 이산화탄소가 하이브리드챔버(99)의 외부로 배출될 수 있다.
이때, 하이브리드챔버(99)의 내부에서는 흡열흐름(R1)과 발열흐름(R2)이 동일한 흐름(Co-Current Flow)으로 이루어질 수 있다.
이와 함께, 버너(410)의 화염 근처에 제 1 반응기(500) 및 제 2 반응기(600)의 초입 부위가 위치함으로써, 연소열(Q1) 및 연소가스(Q2)가 제 1 반응기(500) 및 제 2 반응기(600)에 빠르게 전달될 수 있다.
이하, 본 실시예의 작동에 관하여 설명하고자 한다.
탄화수소와 수증기는 해당 탄화수소공급부(100)의 제 4 유입라인(104) 또는 증기공급부(300)의 제 2 라인연결부재(430)를 시작으로 유동하여서, 제 2 라인연결부재(430), 제 2 메인라인(430a), 제 2 분기부재(431), 제 2 분배라인(432, 433, 434)을 통해서 해당 제 1 반응기(500)의 입구(510)에 공급될 수 있다.
또한, 탄화수소, 기체(산소 또는 공기) 및 수증기는 해당 탄화수소공급부(100)의 제 1 내지 제 3 유입라인(102, 202, 302) 중 하나를 시작으로 유동하여서, 제 1 라인연결부재(400), 제 1 메인라인(401), 제 1 분기부재(402), 제 1 분배라인(403, 404)을 경유하여 해당 버너(410)에 공급될 수 있다.
또한, 버너(410)의 연소에 따라 발생된 연소열(Q1) 또는 연소가스(Q2)에 해당하는 열에너지는 제 1 반응기(500) 또는 제 2 반응기(600)에 전달되고, 결과적으로 해당 반응기(500, 600)에 맞게 흡열 반응 또는 발열 반응이 일어날 수 있다.
특히, 제 2 반응기(600)의 발열 반응에 따른 발열 반응열(Q3)은 제 2 반응기(600)에 인접한 위치의 제 1 반응기(500)의 입열원으로 작용한다.
즉, 제 1 반응기(500)는 버너(410)의 연소열(Q1)과 제 2 반응기(600)의 발열 반응열(Q3) 함께 이용하여 흡열 반응을 수행함으로써, 흡열흐름(R1)이 수소를 포함한 합성가스로 변환될 수 있다.
이와 같이, 제 1 실시예는 제 2 반응기(600)가 제 1 반응기(500)의 반응 효율을 극대화시킬 수 있고, 풍부한 열원의 사용에 따라 스타트업(start-up) 시간을 감소시킬 수 있는 반면, 종래의 단독적인 SMR 공정만을 행하는 장치에 비하여, 버너(410)의 탄화수소 소비량을 상대적으로 줄일 수 있고, 반응에 필요한 온도 도달 시간을 단축할 수 있다.
또한, 제 2 반응기(600)도 발열 반응을 수행함으로써, 발열흐름(R2)이 수소를 포함한 합성가스로 변환될 수 있다. 즉, 즉, 투입되는 에너지에 대비 순도 70%이상의 수소를 포함한 합성가스가 생성됨으로써, 탄화수소로부터의 수소 회수 비율을 증가시킬 수 있다.
한편, 위 또는 하기의 실시예들에 있어서, 제 2 반응기(600)는 촉매를 사용하지 않을 수 있다. 다만, 이 경우, 촉매를 사용할 때보다 더 높은 온도 조건을 유지하는 것이 필요하고, 이에 따라 버너(410)의 로드 또는 용량도 더 커질 수 있다.
제 2 실시예
이 실시예에서 설명하는 본 발명의 하이브리드 탄화수소 개질 장치는 버너가 하이브리드챔버의 천장에 배치되고, 제 1 반응기의 흡열흐름과 제 2 반응기의 발열흐름이 서로 반대로 이루어지는 것을 제외하고는 제 1 실시예와 동일하다. 그러므로, 도 1 내지 도 2에서 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략될 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제 2 실시예의 특징은 제 1 반응기(500)의 흡열흐름(R1)과 제 2 반응기(600)의 발열흐름(R2)이 서로 반대의 흐름(Counter-Current Flow)을 가질 수 있다.
이를 위해, 버너(410)는 하이브리드챔버(99)의 타측, 즉 바닥면에 버너 몸체를 설치하여, 상향으로 연소 화염이 발생될 수 있도록 구성된다. 이에 한정되지 않고, 버너(410)는 버너 본체를 하이브리드챔버(99)의 바닥의 내부 또는 하이브리드챔버(99)의 기저면 바깥쪽에 설치된 후, 화염 출구인 버너 노즐만을 하이브리드챔버(99)의 바닥면에 다수로 배치시킬 수 있다.
이런 버너(410) 위치의 변경에 따라서, 관련 배관망 및 라인 및 부재들도 역시 버너(410)에 탄화수소, 유체 및 수증기를 공급할 수 있도록 변경될 수 있고, 아울러, 제 2 반응기(600)의 합성가스 회수 방향도 제 1 실시예에 비해 반대쪽(예: 하이브리드챔버 상측)에서 이루어질 수 있다.
또한, 제 2 반응기(600)도 하이브리드챔버(99)의 천정쪽에 위치됨에 따라, 제 2 실시예에서는 제 2 반응기(600)가 행거 구조물(157)에 의해 하이브리드챔버(99)의 내부에 설치될 수도 있다.
제 3 실시예
이 실시예에서 설명하는 본 발명의 하이브리드 탄화수소 개질 장치는 SMR 반응기와 ATR 반응기의 사이에 열전달부가 상호 연결되어 있는 것을 제외하고는 제 1 또는 제 2 실시예와 동일하다. 그러므로, 도 1 내지 도 3에서 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략될 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 개질 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제 3 실시예의 특징은 제 1 반응기(500)와 제 2 반응기(600)를 서로 연결하여서, 제 2 반응기(600)에서 발생된 발열 반응열(Q3)을 제 1 반응기(500) 쪽으로 직접 전도시키는 열전달부(900)를 더 포함한다는 점이다.
예컨대, 열전달부(900)는 열전달부(900)의 외표면에 다수의 돌출핀 또는 디스크를 돌출되게 구비한 봉상의 몸체를 포함하고, 그 몸체의 일측 단부가 제 1 반응기(500)의 반응용기(501)의 표면에 용접 등의 방식으로 고정되고, 그 몸체의 타측 단부가 제 2 반응기(600)의 반응용기(601)의 표면에 역시 같은 방식으로 고정되어, 열전달 수단으로서의 역할을 수행할 수 있다.
열전달부(900)는 위의 예에 국한되지 않고, 열을 직접적으로 전달하거나, 대류, 전도 및 복사를 동시에 수행할 수 있는 다양한 형상의 연결부재, 바(bar), 판(plate), 메시(mesh), 열전달 물질을 충진한 박스형 열전달 구조물 등이 될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 바람직한 실시예들로서 단지 발명 원리의 적용을 예시하는 것에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 : 탄화수소공급부 200: 기체공급부
300 : 증기공급부 500 : 제 1 반응기
600 : 제 2 반응기 700 : 연소가스배출부
800 : 합성가스저장부 900 : 열전달부

Claims (5)

  1. 산소나 공기, 탄화수소, 수증기를 공급받는 하이브리드챔버;
    상기 하이브리드챔버의 일측에 배치되고, 상기 탄화수소, 상기 산소나 공기, 상기 수증기를 연소시켜 연소열 및 연소가스를 상기 하이브리드챔버의 내부에 공급하는 버너;
    상기 하이브리드챔버의 내부에 제공되고, 상기 탄화수소, 상기 수증기, 상기 연소열, 발열 반응열과 SMR(Steam Methane Reformer) 공정용 촉매간 흡열 반응에 의해 합성가스의 흡열흐름을 발생시켜 수소를 생성하는 적어도 하나의 제 1 반응기; 및
    상기 하이브리드챔버의 내부에서 상기 제 1 반응기에 인접하게 배치되고, 상기 연소열 및 상기 연소가스와 ATR(AutoThermal Reformer) 공정용 촉매간 발열 반응에 의해 합성가스의 발열흐름을 발생시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응열을 상기 제 1 반응기에 공급하는 제 2 반응기를 포함하는 하이브리드 탄화수소 개질 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소가 저장된 탄화수소공급부;
    상기 산소나 공기가 저장된 기체공급부;
    상기 수증기가 저장된 증기공급부;
    상기 탄화수소공급부, 상기 기체공급부, 상기 증기공급부를 상기 버너에 연결하는 제 1 유입배관망;
    상기 탄화수소공급부, 상기 증기공급부를 상기 제 1 반응기의 입구에 연결하는 제 2 유입배관망;
    상기 제 1 반응기의 출구, 상기 제 2 반응기의 출구를 합성가스저장부에 연결하는 합성가스 회수배관망; 및
    상기 하이브리드챔버를 연소가스배출부에 연결하는 연소가스 배출배관망을 포함하는 하이브리드 탄화수소 개질 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열흐름과 상기 흡열흐름이 동일한 흐름(Co-Current Flow)을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄화수소 개질 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열흐름과 상기 흡열흐름이 서로 반대의 흐름(Counter-Current Flow)을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄화수소 개질 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응기와 상기 제 2 반응기를 서로 연결하여 상기 제 2 반응기의 발열 에너지를 상기 제 1 반응기에 전달하는 열전달부를 더 포함하는 하이브리드 탄화수소 개질 장치.
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