KR101720577B1 - Fixed-bed reforming system and method using the oxygen transfer material - Google Patents
Fixed-bed reforming system and method using the oxygen transfer materialInfo
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Abstract
Description
본 발명은 연료를 이용하여 수소를 생산하는 개질기에 관한 발명으로서, 구체적으로, 산소전달물질(Oxygen Carrier)을 매체순환 방식이 아닌 촉매 형태로서, 챔버 내에 고정시키고 챔버 내에 공기와 연료를 교번적으로 출입시켜 산화와 환원과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 발명에 대한 것이다. The present invention relates to a reformer for producing hydrogen using a fuel, and more particularly, to a fuel reforming apparatus for reforming an oxygen carrier by fixing an oxygen carrier in the form of a catalyst rather than a medium circulation system, And the oxidation and reduction processes are repeated.
엔진의 연소 시에 연료로 쓰이는 화석연료로는 대표적으로 석유와 천연가스가 있는데, 이들 화석연료의 매장량의 한계와 연소시의 오염물질에 의한 환경문제로 인하여 청정연료의 개발과 그 이용방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 알려진 대표적인 청정연료로는 수소, 바이오 디젤, 바이오 에탄올 등이 있다.As fossil fuels used as fuels for combustion of engines are typically petroleum and natural gas, due to the limitations of these fossil fuel reserves and the environmental problems caused by pollutants during combustion, Research is actively underway. Currently known representative clean fuels include hydrogen, biodiesel, and bioethanol.
특히 수소는 석유에 포함되는 탄소 성분이 포함되지 않아 이산화탄소가 배출되지 않아 친환경적이라는 장점이 있으며, 연료로서의 빠른 연소속도와 넓은 가연한계라는 특징상 엔진의 효율을 높일 수 있는 장점이 있고, 부존량이 거의 무한정이라는 최대의 장점을 가진다. 이러한 장점으로 인해 수소는 새로운 청정연료로서 가장 큰 주목을 받고 있다.In particular, hydrogen has an advantage of being environmentally friendly because it does not contain carbon components contained in petroleum, and is advantageous in that it can improve the efficiency of the engine due to its fast combustion speed as a fuel and wide flammability limit. It has the greatest advantage of being infinite. Because of these advantages, hydrogen is receiving the greatest attention as a new clean fuel.
연료로써의 수소에 대한 관심이 높아지는 가운데, 발전시스템, 연료전지, 운송수단 등 수소의 응용 분야는 빠르게 넓어지는 추세이다. 수소를 효율적으로 생산하기 위해 연료 개질(Fuel Reforming)이 널리 사용되고 있는데, 탄화수소 연료를 농후 조건에서 산화시켜 수소만을 분리해내는 방법이다.With growing interest in hydrogen as a fuel, hydrogen applications such as power generation systems, fuel cells, and transportation systems are rapidly expanding. Fuel reforming is widely used to efficiently produce hydrogen. It is a method of separating only hydrogen by oxidizing a hydrocarbon fuel under a rich condition.
기존의 개질 방법은 산화가스로 공기를 사용하기 때문에 반응 후의 가스에서 질소를 분리해내는 공정이 필요하고 독성이 강한 질소산화물이 생성되기도 한다. 이를 해결하기 위해 산소 발생장치를 추가하여 순 산소 반응을 유도하기도 하지만 장치의 대형화가 불가피하여 소형 개질기에는 사용이 어렵다. 이에 제안된 방법이 매체순환 개질(Chemical Loop Reforming, CLR)이다. Since the conventional reforming method uses air as the oxidizing gas, a step of separating nitrogen from the gas after the reaction is required, and a toxic nitrogen oxide is generated. In order to solve this problem, an oxygen generating device is added to induce a pure oxygen reaction. The proposed method is Chemical Loop Reforming (CLR).
매체순환 개질 방식은 공기 반응기와 연료 반응기가 구분되어 있어 금속 산소공여입자가 두 반응기를 순환하여 움직이면서 공기 반응기 쪽에서 산소만을 흡착하고 연료 반응기 쪽으로 전달하여 개질 반응을 일으킨다. 산소공여입자가 공기에서 산소를 분리해내어 개질기로 전달하기 때문에 공기 중에 섞여 있는 질소, 이산화탄소 등 반응에 필요하지 않은 불순물을 완전히 제거할 수 있으며 연료 반응기에서 화염이 발생하지 않아 질소산화물 발생이 원천적으로 차단된다는 장점이 있다. The air circulation reforming system is divided into an air reactor and a fuel reactor, so that the metal oxygen donor particles circulate through the two reactors, adsorbing only oxygen from the air reactor and transferring the oxygen to the fuel reactor to cause a reforming reaction. Since the oxygen donor particles separate oxygen from the air and transfer it to the reformer, it is possible to completely remove the impurities that are not necessary for the reaction such as nitrogen and carbon dioxide mixed in the air. Since the flame is not generated in the fuel reactor, There is an advantage that it is blocked.
하지만 매체순환 개질 방식의 경우 금속 산소공여입자가 직접적으로 이동하기 때문에 입자의 유동 제어가 어렵고 시스템의 부피가 매우 커진다는 단점이 있다. 또한 흡열반응인 금속 산소공여입자의 산화 과정에 열이 공급되어야 하고 연료 반응기에서의 연료 산화 반응에도 고온이 유지되어야 하므로 별도의 열에너지가 필요하다는 것도 약점 중 하나이다.However, in the case of the medium circulation reforming method, since the metal oxygen donor particles directly move, the flow control of the particles is difficult and the volume of the system becomes very large. In addition, it is one of weaknesses that heat is required to be supplied to the oxidation process of the metal oxygen donor particles, which is an endothermic reaction, and that the fuel oxide reaction in the fuel reactor must maintain a high temperature.
한편, 종래 알려진 여러 연료 개질 장치에서는 반응의 결과로서 질소산화물(NOx)이 발생하는 경우가 많은데, 여기서의 질소산화물은 고압, 고온 시에 산소와 질소가 결합하여 발생하는 것으로 산성비의 주요 원인이 되어 건물 부식 및 생태계 파괴를 일으키며, 인체에는 기관지염, 폐렴, 천식과 같은 각종 호흡기 질환의 원인으로 지목되고 있다. On the other hand, in the conventional fuel reforming apparatuses known in the art, nitrogen oxides (NOx) are generated as a result of the reaction. The nitrogen oxides are generated by the combination of oxygen and nitrogen at high pressure and high temperature, Building corrosion and destruction of ecosystems, and the human body is attributed to various respiratory diseases such as bronchitis, pneumonia, and asthma.
또한, 종래 알려진 여러 연료 개질 장치에서는 주로 탄화수소 연료를 사용하여 수소를 생산하기 때문에 일산화탄소나 이산화탄소가 생성되고 남은 잔류 탄소입자가 개질 장치의 표면에 침착되어 개질 반응도가 시간이 갈수록 점차 감소하는 현상을 보인다. 이는 금속 산소공여입자가 유체 유동에 의해 순환하는 매체순환 개질 장치에서 두드러진다. In addition, in the conventional fuel reforming apparatuses, carbon monoxide or carbon dioxide is generated because hydrocarbon fuel is mainly used to produce hydrogen, and the remaining carbon particles are deposited on the surface of the reformer, and the reforming reaction gradually decreases with time . This is notable in a media circulation reformer where metal oxygen donor particles circulate by fluid flow.
이에 대한 해결책으로 이하 설명하는 본 명세서에서는 매체순환 개질에 사용되는 산소공여입자와 유사한 산소전달물질을 활용하지만 직접적인 유동이 필요하지 않은 고정상 개질기의 개념을 제시하고자 한다. 이를 통해 장치의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 매체순환 개질 방식이 가지고 있는 여러 약점들을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.As a solution to this problem, the present invention provides a concept of a fixed bed reformer which utilizes an oxygen transfer material similar to oxygen donor particles used in the medium circulation reforming but does not require direct flow. It is expected that this will not only miniaturize the device but also solve the various weaknesses of the media recycling method.
아울러, 본 명세서에서는 질소산화물의 생성이 미연에 방지되는 시스템 및 그 제어 동작에 대하여 제시하고자 한다. In addition, in this specification, a system in which the generation of nitrogen oxides is prevented in advance and a control operation thereof will be presented.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 산소전달물질(Oxygen Carrier)이 표면에 코팅 형성된 반응챔버; 상기 반응챔버 내부에 공기를 공급하는 제1공급수단과 상기 반응챔버 내부에 연료를 공급하는 제2공급수단을 포함하되, 상기 제1공급수단에 의한 공기 공급과 상기 제2공급수단에 의한 연료 공급이 교번적으로 이루어짐으로써, 산화와 환원 과정이 번갈아가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a plasma processing apparatus comprising: a reaction chamber in which an oxygen transfer material is coated on a surface; A first supply means for supplying air into the reaction chamber, and a second supply means for supplying fuel into the reaction chamber, wherein the air supply by the first supply means and the fuel supply by the second supply means And the oxidizing and reducing processes are alternately performed. The present invention provides a stationary phase reforming system using an oxygen transfer material.
일 실시예에 따르면 상기 산소전달물질은 상기 제1공급수단에 의한 공기 공급 시에 공기 중의 산소를 흡수하되 질소를 포함한 다른 기체는 배출하고, 상기 제2공급수단에 의한 연료 공급 시에 먼저 흡수된 산소를 이용하여 개질함으로써 생성물을 배출하는 물질인 것을 특징으로 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the oxygen transfer material absorbs oxygen in the air at the time of supplying air by the first supply means, and discharges other gases including nitrogen. When the oxygen is supplied by the first supply means, And is a material that releases the product by reforming using oxygen.
여기서, 상기 반응챔버 내에서 상기 제1공급수단의 공기 공급방향과, 상기 제2공급수단의 연료 공급방향은 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the air supply direction of the first supply means in the reaction chamber and the fuel supply direction of the second supply means may be the same.
한편, 복수 개의 반응챔버가 구비되고, 상기 복수 개의 반응챔버 중 어느 하나의 반응챔버와 그에 인접한 반응챔버는 제1공급수단과 제2공급수단의 공기 및 연료의 공급순서가 서로 반대인 것을 특징으로 할 수도 있다.On the other hand, a plurality of reaction chambers are provided, and one of the plurality of reaction chambers and the adjacent reaction chamber are characterized in that the order of supplying air and fuel of the first and second supplying means are opposite to each other You may.
일 실시예에 따르면 상기 복수 개의 반응챔버는 격자형태로 형성될 수 있다.According to one embodiment, the plurality of reaction chambers may be formed in a lattice form.
일 실시예에 따르면 상기 반응챔버 내부에 웨이브 핀, 오프셋 핀 또는 딤플이 형성될 수 있다. According to one embodiment, a wave pin, an offset fin, or a dimple may be formed in the reaction chamber.
일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템은 상기 제1공급수단의 공기 공급량 및 공급시간을 조절하는 제1제어부, 상기 제2공급수단의 연료 공급량 및 공급시간을 조절하는 제2제어부를 더 포함하되, 개질 시스템의 가동 초기에 필요한 에너지를 제외한 나머지 에너지는 자체 수급되도록 상기 제1제어부와 제2제어부를 연동하는 것일 수 있다. The fixed-bed reforming system using an oxygen transfer material according to an embodiment of the present invention includes a first control unit for adjusting the amount of air supplied and the supply time of the first supply unit, a second control unit for adjusting the fuel supply amount and the supply time of the second supply unit The first control unit and the second control unit may be interlocked so that the remaining energy other than the energy required at the beginning of the operation of the reforming system may be received.
일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템은 상기 반응챔버에 연결되어 열교환을 통해 열을 전달하는 냉매 또는 냉각수라인과, 상기 냉매 또는 냉각수라인 상에 배치되는 보조열원을 더 포함할 수 있다.The stationary phase reforming system using the oxygen transfer material according to an embodiment may further include a coolant or coolant line connected to the reaction chamber to transfer heat through heat exchange and an auxiliary heat source disposed on the coolant or coolant line .
본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 산소전달물질이 코팅된 반응챔버 내부에 공기를 공급하여 산소전달물질 표면에 산소를 흡수시키는 단계; (b)반응챔버 내부에 공기 공급을 중단하고 흡수된 산소를 제외한 다른 기체를 배출하는 단계; (c)산소가 흡수된 반응챔버 내부에 연료를 공급하여 개질시키는 단계; 및 (d)반응챔버 내부에 연료 공급을 중단하고 개질반응의 생성물을 배출 하는 단계를 포함하되, 상기 (d) 단계 이후에, 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계를 순차적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (a) supplying air into a reaction chamber coated with an oxygen transfer material to absorb oxygen on the surface of the oxygen transfer material; (b) stopping supply of air to the inside of the reaction chamber and discharging the gas other than the absorbed oxygen; (c) supplying fuel to the inside of the reaction chamber in which oxygen is absorbed to reform it; And (d) stopping the supply of fuel into the reaction chamber and discharging the product of the reforming reaction, wherein after the step (d), the steps (a) to (d) are repeated in sequence The present invention provides a fixed phase reforming method using an oxygen transfer material.
여기서 상기 반응챔버 내부에 공기를 공급하는 방향과 연료를 공급하는 방향은 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the direction of supplying air into the reaction chamber and the direction of supplying fuel may be the same.
일 실시예에 따르면 (e) 상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열을 연산하는 단계;와, (f)상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열이 같아지도록 상기 반응챔버 내부에 공급되는 공기와 연료의 공급 유량 및 공급 시간을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.(E) calculating an oxidation heat and a reduction heat generated in the reaction chamber; and (f) calculating an oxidation heat and a reduction heat generated in the reaction chamber, And adjusting the supply flow rate and the supply time.
일 실시예에 따르면 상기 산화열과 환원열은 상기 제1반응챔버 외부로 배출되는 기체의 유량과, 제1반응챔버에서 측정되는 온도를 이용하여 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an embodiment, the oxidation heat and the reduction heat may be calculated using a flow rate of gas discharged to the outside of the first reaction chamber and a temperature measured in the first reaction chamber.
본 발명에서는 개질반응에서 발생하는 열에너지를 효과적으로 회수하여 사용하는 자열 개질 방법을 적용하였다. 따라서, 열의 낭비를 최소화해 외부로부터의 열에너지의 공급을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.In the present invention, an autothermal reforming method in which heat energy generated in a reforming reaction is effectively recovered is used. Therefore, there is an advantage that the waste of heat is minimized and the supply of heat energy from the outside can be drastically reduced.
고정상 개질 시스템으로서, 개질 장치의 소형화, 단순화, 고효율화가 가능하기 때문에 지금까지 반응기와 전, 후처리 장치로 인한 공간적, 비용적 제약으로 인해 수소의 생산과 사용이 어려웠던 다양한 분야에서 크게 주목받을 수 있을 것이라 예상된다. As a fixed-bed reforming system, it is possible to miniaturize, simplify, and increase the efficiency of the reforming apparatus, so that it can be attracting a great deal of attention in various fields where production and use of hydrogen have been difficult due to the spatial and cost constraints caused by the reactor and the post- .
특히 운송수단 분야에서 기존의 연료를 사용하여 수소를 생산할 수 있기 때문에 가깝게는 내연기관에서의 수소 첨가부터 미래의 연료전지 자동차에 이르기까지 매우 각광받는 기술이 될 것이다.In particular, since hydrogen can be produced using conventional fuels in the field of transportation, it will become a very popular technology from hydrogen fueling in internal combustion engines to future fuel cell vehicles.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템에서 복수 개의 반응챔버가 구비되는 경우 열이 전달되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템의 산화와 환원과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템에서 복수 개의 반응챔버가 구비되는 경우 제어 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템의 반응챔버의 내부에 핀 또는 딤플이 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템의 밸브 제어 동작을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 방법을 나타내는 블록도이다. 1 is a conceptual diagram of a fixed bed reforming system using an oxygen transfer material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a state where heat is transferred when a plurality of reaction chambers are provided in a fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating oxidation and reduction processes of a stationary phase reforming system using an oxygen transfer material according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a control operation when a plurality of reaction chambers are provided in a fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a pin or dimple formed inside a reaction chamber of a fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a block diagram illustrating a fixed bed reforming system in accordance with an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a valve control operation of the fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram illustrating a fixed phase modifying method in accordance with an embodiment of the present invention.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.The embodiments described below are provided so that those skilled in the art can easily understand the technical idea of the present invention, and thus the present invention is not limited thereto. In addition, the matters described in the attached drawings may be different from those actually implemented by the schematic drawings to easily describe the embodiments of the present invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.It is to be understood that when an element is referred to as being connected or connected to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that there may be other elements in between. Also, throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes the case where there is another member between the two members as well as when the member is in contact with the other member.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합, 인접 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다. The term "connection" as used herein means a direct connection or an indirect connection between a member and another member, and may refer to all physical connections such as adhesion, attachment, fastening, bonding, bonding, and proximity.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.Also, the expressions such as 'first, second', etc. are used only to distinguish a plurality of configurations, and do not limit the order or other features between configurations.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.The singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. The word "comprise" or "having" is used herein to mean that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof is disclosed in the specification, A step, an operation, an element, a part, or a combination thereof.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 고정상 개질 시스템의 구성 및 개질 에 대해 구체적으로 설명한다.First, the construction and modification of the stationary phase reforming system of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템에 대한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템에서 복수 개의 반응챔버가 구비되는 경우 열이 전달되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템의 산화와 환원과정을 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템에서 복수 개의 반응챔버가 구비되는 경우 제어 동작을 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a fixed bed reforming system using an oxygen transfer material according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a state where heat is transferred when a plurality of reaction chambers are provided in a fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating oxidation and reduction processes of a stationary phase reforming system using an oxygen transfer material according to an embodiment of the present invention. 4 is a view illustrating a control operation when a plurality of reaction chambers are provided in a fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템은 산소전달물질(Oxygen Carrier, 110)이 표면에 코팅 형성된 반응챔버(100); 상기 반응챔버(100) 내부에 공기를 공급하는 제1공급수단(121)과 상기 반응챔버 내부에 연료를 공급하는 제2공급수단(122)을 포함하되, 상기 제1공급수단(121)에 의한 공기 공급과 상기 제2공급수단(122)에 의한 연료 공급이 교번적으로 이루어짐으로써, 산화와 환원 과정이 번갈아가며 이루어지는 것을 특징으로 한다.A fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention includes a
본 발명에서 산소전달물질(Oxygen Carrier, 110)은 금속표면으로된 반응챔버(100) 내부에 니켈이 담지된 코팅액을 분사 또는 워시코팅한 후, 슬러리를 제거한 다음 오븐에서 수분에서 수십분 간 건조하여 제조된 것일 수 있다. 니켈이 담지된 것으로 일 예시를 들었지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 산소전달물질(110)은 상기 제1공급수단(121)에 의한 공기 공급 시에 공기 중의 산소를 흡수하되 질소를 포함한 다른 기체는 배출하고, 상기 제2공급수단(122)에 의한 연료 공급 시에 먼저 흡수된 산소를 이용하여 개질함으로써 수소를 포함한 개질 생성물을 배출하는 기능을 갖는 것이라면 니켈이 담지된 물질이 아닌 어떠한 물질이라도 좋다. In the present invention, the oxygen transfer material (Oxygen Carrier) 110 is formed by spraying or wash coating a coating liquid containing nickel on the inside of a
본 발명에서 반응챔버(100)는 파이프 관처럼 진(眞)원 형상의 단면을 갖거나, 장방형의 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 반응챔버(100)는 금속 또는 세라믹 모노리스(monolith)로서 다공성의 허니컴 구조도 좋지만, 후술하는 웨이브, 오프셋 핀 또는 딤플 형상을 채택하는 것이 효율 향상 측면에서 보다 바람직하다.In the present invention, the
반응챔버(100)의 형상 및 크기는 개질하고자 하는 물질의 수요량에 따라 달리 제작될 수 있으며, 따라서, 반응챔버의 유입구(120) 및 배출구(130) 또한 다양한 규격의 것들이 이용될 수 있다.The shape and size of the
본 발명에서는 산화(Oxidation)와 환원(Reduction) 반응이 하나의 반응챔버(100) 내부에서 번갈아가며 이루어지는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면, 산소전달물질(110)은 유동하지 않고 대략 반응챔버(100)의 중앙 측에 고정되어 있으며, 공기와 연료가 이를 통과한다. 먼저 공기가 유입구(120)를 통해 유입되어 산소전달물질(110)과 반응한 후 배출구(130) 방향으로 흐른다. 반응챔버(100) 내부는 최초 진공상태인 것으로 가정한다.The present invention is characterized in that oxidation and reduction reactions are alternately performed in one
산소전달물질(110)은 공기 중에서 산소를 흡수(달리 말하면 공기중의 산소와 화학적으로 결합함)하는데, 산소전달물질(110) 표면에 산소가 흡착된 상태에서 나머지 기체는 배출한다. 여기서 산소전달물질(110)은 산소가 흡착되는 과정, 즉 산화반응이 일어나기 때문에 산화를 위한 소정의 열을 필요로 한다. 즉 흡열반응이 발생한다. 본 발명의 고정상 개질 시스템에서는 최초 인가한 구동에너지를 통해 산화에 필요한 열을 제공할 수 있다. 이 과정은 하기 [반응식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 참고로 여기서 공급되는 공기는 건조공기(N2 + O2 + CO2 + CO + Ne + He …)인 것으로 가정한다.The
[반응식 1] [Reaction Scheme 1]
2Ni + O2 ↔ 2NiO, △H298 = -Q1 kJ/mol 2Ni + O 2 ↔ 2NiO, △ H298 = -Q1 kJ / mol
나아가 산소전달물질(110)은 공기의 유입이 차단된 다음, 연료가 공급될 때 연료에 포함된 수소입자를 고분자인 연료로부터 분리 개질시켜 수소를 생성한다. 여기서 연료는 탄화수소(CnH2n+2) 연료를 사용하므로 일산화탄소 및 이산화탄소가 생성되고, 남은 탄소는 표면에 침착될 수 있는데 본 발명에서는 고정상 산소전달물질을 이용하므로 표면에 침착되는 금속입자를 신속히 교체해줄 수 있다. 또한 필요에 따라서 개질장치 내부에 침착되는 탄소를 공기를 이용하여 산화시켜서 제거할 수 있고, 이때 나오는 산화열을 개질에 활용할 수 있다. 매체순환 개질장치에 비해 관리 및 유지에 대한 비용을 절감할 수 있다. Further, when the fuel is supplied, the
[반응식 2] [Reaction Scheme 2]
NiO + CH4 ↔ Ni + 2H2 + CO, △H298 = Q2 kJ/mol NiO + CH 4 ↔ Ni + 2H 2 + CO, △ H298 = Q2 kJ / mol
상기 [반응식 2]에서 살펴본 바와 같이 연료 공급시에 산소전달물질(110)에서는 수소를 포함한 개질 생성물을 배출하게 되는데, 산소가 니켈로부터 떨어지는 과정에서 부분산화, 즉 개질반응이 일어나게 되고 이 때는 환원반응이 일어나기 때문에 소정의 열이 방출된다. 즉, 발열반응이 발생한다. As shown in Reaction Scheme 2, the reforming product containing hydrogen is discharged from the
여기서 말한 산화 과정과 환원 과정은 산소전달물질을 기준으로 나타낸 것이므로 환원 과정은 연료의 산화(개질)과정에 해당한다. 두 과정은 도 1에서 실서과 파선으로 각각 표현되어 있다. Since the oxidation process and the reduction process referred to herein are based on the oxygen transfer material, the reduction process corresponds to the oxidation (reforming) process of the fuel. The two processes are represented in Fig. 1 by seal and dashed lines, respectively.
여기서 주의해야 할 점은 본 발명의 산소전달물질(110) 표면에서의 반응이 촉매의 반응과 전혀 상이한 것이라는 점이다. 촉매(catalyst)는 화학 반응에 참여하여 반응속도를 증가 또는 감소시키는 등, 반응속도의 변화에만 영향을 미치고, 반응 전후에 원래대로 남는 물질이지만, 본 발명의 산소전달물질(110)은 반응속도와는 큰 연관성 없이 산소전달물질(110) 자체가 공기 및 연료와 반응하여 개질 생성물을 얻고 열에너지를 흡수 및 방출한다는 점에서 촉매와 전혀 상이하다.It should be noted that the reaction at the surface of the
촉매의 경우 화학반응을 위해 어떠한 물질을 촉매를 통과하도록 계속적으로 흘려보내주면 되지만, 본 발명의 산소전달물질(110)의 경우 공기로부터 흡착된 산소가 소진되면 연료의 유입을 중단하고 다시 공기를 공급하여 산소를 흡착시키는 등의 제어동작이 필요하다. In the case of the catalyst, any substance may be continuously flowed through the catalyst for the chemical reaction. However, in the case of the
종래의 개질 장치 또는 시스템에 있어서는, 질소산화물이 발생하여 개질 장치 및 시스템의 착화의 문제, 질소산화물 배출시의 환경오염 등 배경기술에서 전술한 각종문제가 발생하고 있었다. 따라서, 본 발명의 하나의 기술적 과제는 이러한 질소산화물의 발생을 저감하는 것이다.In the conventional reforming apparatus or system, various problems have arisen in the background art such as the generation of nitrogen oxides, the problem of ignition of the reforming apparatus and the system, and the environmental pollution at the time of nitrogen oxide emission. Therefore, one technical problem of the present invention is to reduce the generation of such nitrogen oxides.
이를 위해 본 발명에서는 공기를 공급하는 제1공급수단(121)과 연료를 공급하는 제2공급수단(121)을 순차적으로 제어하여 공기 중의 산소입자만을 먼저 걸러내고(공기 중의 질소는 배출함) 이를 연료와의 반응과정에서 이용함으로써 질소산화물의 발생을 최소화하는 장점이 있다.To this end, in the present invention, the first supply means 121 for supplying air and the second supply means 121 for supplying fuel are sequentially controlled to filter out only oxygen particles in the air (nitrogen is discharged from the air) And is advantageous in minimizing the generation of nitrogen oxides by being used in the reaction with the fuel.
한편, 공기 유입 단계에서는 반응을 지속하기 위해서 외부로부터 열공급을 필요로 하는데, 본 발명에서는 산화 과정과 환원 과정을 1 사이클(cycle)로 작동하여, 환원과정에서 연료가 산화되며 발생한 열이 산소전달물질(110)을 포함한 반응챔버 구조체 내부에 저장되어 있다가 산화 과정에서 사용될 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에서는 매체순환 개질 장치와 달리 산소전달물질(110)의 산화에 필요한 열에너지를 외부에서 공급해줄 필요가 없거나 최소한의 에너지 공급만으로도 필요한 에너지의 대부분을 자체의 사이클에서 발생하는 열을 활용해 개질하는 자열 개질이 구현된다.On the other hand, in the air inflow step, heat supply from the outside is required from the outside in order to sustain the reaction. In the present invention, the oxidation and reduction processes are operated in a cycle to oxidize the fuel in the reduction process, Is stored in the reaction chamber structure including the
산소전달물질(110)을 이용한 반응챔버(100)를 하나 구비할 때에는 산소전달물질(110)을 감싸는 부분에 축열부(미도시)를 더 구비하여 에너지를 저장했다가 필요시에 저장된 에너지를 사용할 수 있도록 할 수 있다. When one
그런데, 반응챔버(100)에 축열부를 구비하여 에너지를 저장하는 방식의 경우 시간이 지날수록 열이 외부로 방출되는 열손실현상이 발생하여, 산소전달물질(110) 표면에서 발생된 에너지를 효과적으로 보관 및 이용하는 것이 현실적으로 어려운 문제가 있다. However, in the case of a method of storing energy in the
이러한 경우 도 2에 도시된 바와 같이 산소전달물질(110)을 구비한 반응챔버를 복수 개 구비하여, 인접한 반응챔버(100, 100’) 상호 간에 열전달이 이루어질 수 있도록 구성함으로써, 열에너지의 손실을 방지하고 열에너지를 가장 효율적으로 이용할 수 있게 된다. In this case, as shown in FIG. 2, a plurality of reaction chambers provided with the
도 2를 참조하면, 반응챔버(100, 100’)의 주위로 공기(air)와 연료(gaseous fuel)의 공급유로가 도시되어 있으며, 공급유로 상에 제1공급수단(121, 121’)과 제2공급수단(122, 122’)가 구비되어 있다. 제1공급수단(121, 121’)과 제2공급수단(122, 122’)에는 포펫 밸브, 또는 버터플라이 밸브 등 다양한 유로 개폐수단이 포함될 수 있으나 압력손실이 적고 대유량 조절에 유리한 버터플라이 밸브(또는 플랩 밸브)가 채택되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 2, air and fuel (gaseous fuel) are shown around the
도면에는 제1반응챔버(100)와 제2반응챔버(100’)가 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 제3, 제4, … 제n개의 반응챔버가 더 구비될 수 있음을 유의해야 한다.Although the
제1반응챔버(100)와 둘중 하나의 제2반응챔버(100’)에 먼저 공기가 유입된다. 예컨대 제2반응챔버(100)에 유입된 공기는 산소전달물질(110’)과 반응하여 표면에 산소가 흡착되어 있다. 이때, 제1반응챔버(100)에 공기를, 제2반응챔버(100’)에는 연료를 유입시키면 제1반응챔버(100)에서 산화반응 시 필요한 열은 제2반응챔버(100’)에서 발생한 열에 의해 공급해줄 수 있다. 이와 같이 어느 하나의 반응챔버에서 발생한 열을 회수하여 인접한 반응챔버에 공급해주는 자열 개질 시스템을 구비함으로써 열의 낭비를 최소화해 외부로부터의 열에너지의 공급을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 상기 예시에서 제1반응챔버(100)에는 산화반응이 일어나고 제2반응챔버(100’)에는 환원반응이 발생한 것으로 설명하였으나, 상기 반응 이후의 과정으로서, 제1반응챔버(100)에는 환원반응이 제2반응챔버(100’)에는 산화반응이 발생하게 하면 자열 개질 반응을 지속할 수 있게 된다. 다시 말해, 복수 개의 반응챔버 중 어느 하나의 반응챔버와 그에 인접한 반응챔버에 연결된 제1공급수단(121)과 제2공급수단(122)이 구비된다고 할 때, 제1공급수단(121)과 제2공급수단(122)의 공기 및 연료의 공급순서가 서로 반대가 되도록 하면, 인접하는 반응챔버 간의 열의 회수 및 이용이 계속적으로 이루어져 상당한 양의 열에너지를 절약할 수 있게 된다.Air is first introduced into the
한편, 본 발명은 상기 반응챔버(100) 내에서 상기 제1공급수단(121)의 공기 공급방향과, 상기 제2공급수단(122)의 연료 공급방향이 동일한 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, 공기 공급방향과 연료 공급방향은 구체적으로 반응챔버(100)의 길이방향을 따라 상류측에서 하류측으로 향하는 것일 수 있다.In the meantime, the present invention is characterized in that the air supply direction of the first supply means 121 and the fuel supply direction of the second supply means 122 are the same in the
도 3을 참조하면, 도 3(a)에서는 공기의 유입을 도 3(b)에서는 연료의 유입을 나타내는 도면이 도시된다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이 일정량의 공기가 유입되면 산소전달물질(110)의 표면에 산소입자(m1)가 흡착되는데, 실험적으로 하류 측으로 갈수록 산소전달물질(110) 표면에서 산소입자(m1)가 흡착되는 농도가 감소한다. 이에 따라, 산소전달물질(110)의 전방부근에서 대다수의 흡열반응이 발생하게 된다. Referring to FIG. 3, FIG. 3 (a) shows the inflow of air, and FIG. 3 (b) shows the inflow of fuel. 3 (a), oxygen particles m1 are adsorbed on the surface of the oxygen-transferring
도 3(b)에 도시된 바와 같이 일정량의 연료가 유입되면 산소전달물질(110)의 표면에 흡착되어 있던 산소입자와 연료가 반응하여 개질 생성물(m2)을 생성하게 되는데, 개질 생성물(m2)은 산소입자가 농후한 산소전달물질(110)의 전방부 표면에서 다수 발생하게 되고, 산소입자가 농후도가 떨어지는 후방부 표면에서는 개질 생성물(m2)의 농도 또한 감소하게 된다. As shown in FIG. 3 (b), when a certain amount of fuel flows, the oxygen particles adsorbed on the surface of the
만약, 도 3에서와 달리 공기의 유입 방향과 연료의 유입 방향이 상이하면, 산소전달물질(110) 표면의 산소입자가 농후하지 않은 영역에서 연료와의 반응도가 높은 반면 농후한 영역에서는 연료와의 반응도가 떨어지는 양상을 보인다. 그 결과 개질 생성물(m2)의 양, 즉 생산한 수소의 양에서 차이가 생기게 된다.3, if the direction of air flow is different from the direction of flow of fuel, the reactivity with the fuel is high in the region where the oxygen particles on the surface of the
이러한 점에서 상기 반응챔버(100) 내에서 상기 제1공급수단(121)의 공기 공급방향과, 상기 제2공급수단(122)의 연료 공급방향이 동일하다는 것은 유의미한 실시예에 해당한다.In this respect, it is a significant embodiment that the air supply direction of the first supply means 121 and the fuel supply direction of the second supply means 122 in the
한편 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수 개의 반응챔버는 적층되거나 격자형태로 배치되어, 인접하는 반응챔버끼리는 산화, 환원의 과정이 반대순서가 되며, 교번적으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 4에는 이와 같은 실시예의 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템이 도시되어 있으며, 구체적으로 도 4(a)와 도 4(b)는 적층형성된 고정상 개질 장치의 개념도를, 도 4(c)와 도 4(d)는 격자형태로 배치된 고정상 개질 장치의 개념도를 나타낸다. 도면에서 도시된 바와 같이 산화(Oxidation)과 환원(Reduction)반응이 인접하는 반응챔버에서 반대로 이루어지고 또한 교번적으로 이루어진다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of reaction chambers are stacked or arranged in a lattice shape, and the oxidation and reduction processes of adjacent reaction chambers are alternately performed in an opposite order. 4 (a) and 4 (b) illustrate a conceptual diagram of a stationary phase reforming apparatus in which stacked layers are formed, and FIG. 4 (c) and FIG. 4 4 (d) shows a conceptual diagram of a fixed bed reforming apparatus arranged in a lattice form. As shown in the figure, the oxidation and reduction reactions are reversed in the adjacent reaction chambers and alternately.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템의 반응챔버에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. Next, the reaction chamber of the fixed bed reforming system according to one embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
반응챔버(100)의 내부 표면에는 산소전달물질(110)이 코팅 형성되는데, 반응도를 높이기 위하여, 코팅된 부위와 물질간의 반응하는 표면적이 증가하도록 내부에 핀(fin)형상과 딤플(dimple) 형상이 구비될 수 있다. 핀은 예시적으로 소정의 두께와 패턴으로 형성된 웨이브 핀(wave fin), 오프셋 핀(offset fin) 등이 해당될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 흡열 및 방열 등의 열전달 성능 및 체적효율이 뛰어나도록 형성되는 것이면 어떠한 형상과 크기를 갖는 핀과 딤플도 본 발명의 범주에 모두 포함될 것이다. 구체적인 형성방법으로 도면에 도시된 것처럼 반응챔버(100) 내부에 웨이브 또는 오프셋 형태의 핀이 안착 및 삽입된 뒤 레이져웰딩(Laser Welding) 등의 방법으로 연결될 수 있다.An
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템의 제어 동작을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템의 밸브 제어 동작을 나타내는 블록도이다.Hereinafter, the control operation of the fixed bed reforming system according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6 is a block diagram illustrating a fixed bed reforming system in accordance with an embodiment of the present invention. 7 is a block diagram illustrating a valve control operation of the fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이 본 발명의 고정상 개질 시스템은 복수 개의 반응챔버(도6에서는 2개의 반응챔버 100, 100’가 도시됨)로 이루어질 수 있다. 각각의 반응챔버에는 제1공급수단(121, 121’)과 제2공급수단(122, 122’)이 연결될 수 있는데, 예컨대 여기서의 제1공급수단(121, 121’), 제2공급수단(122, 122’)은 유체가 유동하는 유로를 개폐하는 On/Off밸브가 해당될 수 있다. 제1공급수단(121, 121’)과 제2공급수단(122, 122’)은 각각 제1저장부(S1), 제2저장부(S2)에 연결될 수 있는데, 여기서의 제1저장부(S1)는 공기를 저장하는 역할을, 제2저장부(S2)는 연료를 저장하는 역할을 할 수 있다. As described above, the fixed bed reforming system of the present invention may be composed of a plurality of reaction chambers (two
또한, 각각의 반응챔버에는 제1배출수단(131, 131’)과 제2배출수단(132, 132’)이 연결될 수 있는데, 여기서의 제1배출수단(131, 131’), 제2배출수단(132, 132’)또한 On/Off밸브가 해당될 수 있다. 제1배출수단(131, 121’)과 제2배출수단(132, 132’)은 각각 제3저장부(S3), 제3저장부(S3)에 연결될 수 있는데, 여기서의 제3저장부(S3)는 산소전달물질(110)에 산소가 흡착되고 난 이후 나머지 기체를 저장하는 역할을, 제4저장부(S4)는 개질된 수소 등을 저장하는 역할을 할 수 있다. 제4저장부(S4)는 도면에는 도시되지 않은 기체 또는 기액 분리기가 연결되어 개질된 수소만을 따로 저장할 수도 있다. The first and second discharge means 131 and 131 'and the second discharge means 132 and 132' may be connected to the respective reaction chambers. The first and second discharge means 131 and 131 ' (132, 132 ') Also, an On / Off valve may be applicable. The first discharge means 131 and 121 'and the second discharge means 132 and 132' may be connected to the third storage S3 and the third storage S3, respectively, S3 may serve to store the remaining gas after oxygen is adsorbed to the
도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(300)는 상기 제1공급수단(121)의 공기 공급량 및 공급시간을 조절하는 제1제어부(310), 상기 제2공급수단(122)의 연료 공급량 및 공급시간을 조절하는 제2제어부(320)를 더 포함하되, 개질 시스템(1)의 가동 초기에 필요한 에너지를 제외한 나머지 에너지는 자체 수급되도록 상기 제1제어부(310)와 제2제어부(320)를 연동하는 것을 특징으로 한다.7, the
제1제어부(310), 제2제어부(320)는 차량의 ECU 또는 건설기계의 제어반 등의 구성에 포함되는 요소로서, 공기와 연료의 공급량(U1, U2) 및 공급시간(t1, t2)을 조절한다.The
산화와 환원 반응은 흡열 및 방열하는 에너지의 크기가 다르고 화학반응에서 반응 산물(개질 생성물)의 양이 서로 상이하므로, 자열 개질 장치의 지속적인 작동을 위해서는 제1제어부(310)와 제2제어부(320)의 유기적인 제어동작이 필요하다.In order to continuously operate the autothermal reforming apparatus, the
산화열(Q1)과 환원열(Q2)를 기준으로, 산화열은 공기의 공급량(U1) 및 공급시간(t1)등의 요소에 의해 결정되는 파라메터이고, 환원열은 연료의 공급량(U2) 및 공급시간(t2)등의 요소에 의해 결정되는 파라메터이므로, 공기와 연료의 공급량(U1, U2) 및 공급시간(t1, t2)을 개별적으로 모니터링하여 시스템을 제어할 수 있게 된다.The oxidation heat is a parameter determined by factors such as the supply amount U1 of the air and the supply time t1 with reference to the oxidation heat Q1 and the reduction heat Q2, It is possible to control the system by separately monitoring the supply amounts U1 and U2 and the supply times t1 and t2 of the air and the fuel, because the parameters are determined by factors such as the supply time t2.
한편, 산화열(Q1)과 환원열(Q2)은 반응챔버의 반응온도(T1과 T2)로부터 결정될 수도 있다. On the other hand, the oxidation heat (Q1) and the reduction heat (Q2) may be determined from the reaction temperatures (T1 and T2) of the reaction chamber.
따라서, 공기와 연료의 공급량(U1, U2) 및 공급시간(t1, t2)과 반응챔버의 산화 및 환원 반응 시 반응온도(T1, T2)를 반응챔버 일 측에 마련된 센서(140)를 통해 반응챔버에서 검출되는 산화열(Q1)과 환원열(Q2)의 일치하도록 제1제어부(210)와 제2제어부(220)를 조절할 수 있다. Therefore, the reaction temperatures (T1, T2) during the oxidation and reduction reactions of the reaction chamber with the supply amounts of the air and fuel (U1, U2) and the supply times (t1, t2) The
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 제1제어부(210)와 제2제어부(220)는 각각 제1배출수단(131, 131’)과 제2배출수단(132, 132’)을 제어하는 역할을 할 수도 있다. 다시 말해, 제1제어부(210)는 제1공급수단(121, 121’)과 제1배출수단(131, 131’)을 제어할 수 있으며, 제2제어부(220)는 제2공급수단(122, 122’)과 제2배출수단(132, 132’)를 제어할 수 있다. 이 경우, 공기와 연료의 공급량(U1, U2) 및 공급시간(t1, t2)을 조절뿐만 아니라 산소전달물질(110)에의 산소 흡착 후 나머지 잔류기체의 배출량(U3), 개질과정 이후 개질된 수소 등의 배출량(U4), 배출량(U3)에 대한 배출시간(t3) 및 배출량(U4)에 대한 배출시간(t4)를 조절 가능하다.According to another embodiment of the present invention, the
배출량(U3, U4)과 배출시간(t3, t4)을 능동적으로 조절함으로써, 반응챔버(100, 100’) 내부 산소 흡착량 조절 및 개질된 수소의 농도 조절에 있어서, 보다 미세한 제어가 가능해진다. 예를 들어, 도 3을 통해 살펴본 바와 같이 반응챔버의 하류 측으로 갈수록 산소전달물질(110) 표면에서 산소입자(m1)가 흡착되는 농도가 감소함을 실험적으로 알 수 있었는데, 배출시간(t3)을 지연시키는 제어를 통해 반응챔버의 하류 측 산소입자(m1)이 흡착되는 농도를 증가시킬 수도 있게 된다. 이와 같은 미세 조정 작업을 통해 인접하는 복수 개의 반응챔버 간의 산화열과 환원열의 전달이 등가를 이루도록 할 수 있게 된다.By more actively controlling the emission amounts U3 and U4 and the emission times t3 and t4, it becomes possible to control finer control of the oxygen adsorption amount within the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 보조열원(210)을 추가적으로 구비하여, 반응챔버에 열을 전달할 수 있다. 여기서의 보조열원(210)은 예컨대, 차량의 경우 엔진의 폐열, 전장품의 폐열, 전기모터의 폐열, 배기열 등이 해당될 수 있다. 보조열원(210)은 냉매(ex 초임계유체)라인 또는 냉각수라인(200)을 통해 반응챔버와의 열교환을 통해 열을 전달할 수 있다. 이때, 냉매라인 또는 냉각수라인(200) 상에는 콤프레서(220), 방향전환밸브(230)가 포함될 수 있으며, 반응챔버와는 칠러(chiller, 미도시)를 통해 열교환하도록 구성될 수 있다. 그리고 냉매라인 또는 냉각수라인(200) 상에도 온도 센서(240)를 구비하여 보조열원의 열이 열교환에 이용하기에 적합한지 판단할 수 있다. Meanwhile, the fixed bed reforming system according to an embodiment of the present invention may further include a
즉, 여기서의 실시예에서는 반응챔버에 부족한 열을 보조열원(200)을 통해 보완함으로써 본 발명 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 반응의 효율을 높일 수 있게 된다. 특히, 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템의 초기 반응 시 산소 흡착에 필요한 열을 보조열원(210)을 통해 공급할 수 있다. 초기 반응에 필요한 열 공급 이후에는 인접한 반응챔버끼리의 열교환만 가능하도록 방향전환밸브(230) 예컨대, 삼방밸브의 개도 조절을 통해 보조열원(210)으로부터의 열을 바이패스 시킬 수도 있다. That is, in this embodiment, the efficiency of the fixed bed reforming reaction using the oxygen transfer material of the present invention can be improved by supplementing the heat in the reaction chamber through the
이를 통해, 본 발명 고정상 개질 시스템의 동작에 사용되는 전(全)열을 자체적으로 마련할 수 있게 됨으로써, 이상적인 개질 시스템을 구성할 수 있게 된다. As a result, all the columns used in the operation of the fixed bed reforming system of the present invention can be provided by itself, thereby making it possible to construct an ideal reforming system.
본 발명 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템의 이상적인 제어는 시스템의 일 측에 마련된 제어부(300)에 의해 능동적으로 제어될 수 있다. 일 례로 제어부(300)는 반응챔버(100, 100’)에 마련된 센서(140, 140’)로부터 신호를 수신(도면부호 301에 의함) 받아 제1공급수단, 제2공급수단, 제1배출수단, 제2배출수단을 제어(도면부호 302에 의함)할 수 있으며, 냉매 또는 냉각수라인(200) 상에 구비된 센서(240) 신호를 수신(도면부호 303에 의함) 받아 방향전환밸브(230)를 제어할 수 있다. 여기서의 센서(140, 140’, 240)는 측온센서가 바람직하다.The ideal control of the fixed bed reforming system using the oxygen transfer material of the present invention can be actively controlled by the
마지막으로, 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정상 개질 방법을 나타내는 블록도이다.Finally, referring to FIG. 8, the fixed phase modifying method according to an embodiment of the present invention will be described in detail. 8 is a block diagram illustrating a fixed phase modifying method in accordance with an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면 (a) 산소전달물질이 코팅된 반응챔버 내부에 공기를 공급하여 산소전달물질 표면에 산소를 흡수시키는 단계; (b) 반응챔버 내부에 공기 공급을 중단하고 흡수된 산소를 제외한 다른 기체를 배출하는 단계; (c)산소가 흡수된 반응챔버 내부에 연료를 공급하여 개질시키는 단계; 및 (d) 반응챔버 내부에 연료 공급을 중단하고 개질반응의 생성물을 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 (d) 단계 이후에, 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계를 순차적으로 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다. Referring to FIG. 8, (a), air is supplied into a reaction chamber coated with an oxygen transfer material to absorb oxygen on the surface of the oxygen transfer material; (b) stopping supply of air to the inside of the reaction chamber and discharging the gas other than the absorbed oxygen; (c) supplying fuel to the inside of the reaction chamber in which oxygen is absorbed to reform it; And (d) stopping the supply of fuel into the reaction chamber and discharging the product of the reforming reaction. After step (d), the steps (a) to (d) may be repeated in sequence.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면 (e) 상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열을 연산하는 단계;와 (f) 상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열이 같아지도록 상기 반응챔버 내부에 공급되는 공기와 연료의 공급 유량 및 공급 시간을 조절하는 단계;를 더 포함하여 본 발명 고정상 개질 시스템의 산화와 환원 반응이 지속적으로 이루어질 수 있도록 제어할 수 있다.(E) calculating an oxidation heat and a reduction heat generated in the reaction chamber, and (f) supplying the oxidation heat and the reduction heat generated in the reaction chamber to the inside of the reaction chamber so as to be equal to each other And adjusting the supply flow rate and the supply time of the air and the fuel to control the oxidation and reduction reaction of the stationary reforming system of the present invention to be continuously performed.
본 실시예에서도 상기 반응챔버가 복수 개 구비되는 경우에는 상기 복수 개의 반응챔버 중 어느 하나의 반응챔버와 그에 인접한 반응챔버는 제1공급수단과 제2공급수단의 공기 및 연료의 공급순서가 서로 반대가 되도록 설정할 수 있다. 예를 들어 하나의 반응챔버가 (a) 단계 -> (b) 단계 -> (c) 단계 -> (d) 단계의 순서로 구동되도록 하면, 이와 동시에 인접한 다른 하나의 반응챔버는 (c) 단계 -> (d) 단계 -> (a) 단계 -> (b) 단계의 순서로 구동하도록 설정할 수 있다. 인접한 반응챔버에서 발생하는 산화열과 환원열을 상보적으로 이용할 수 있게 된다.Also in this embodiment, when a plurality of reaction chambers are provided, the reaction chambers of one of the plurality of reaction chambers and the adjacent reaction chambers are arranged such that the order of supply of air and fuel of the first and second supply means is opposite . For example, if one reaction chamber is driven in the sequence of (a) - (b) - (c) - (d) -> (d) -> (a) -> (b). It is possible to complementarily utilize the oxidation heat and the reduction heat generated in the adjacent reaction chambers.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. The above description is only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
100 : 반응챔버
110 : 산소전달물질
120 : 유입구
130 : 배출구
121 : 제1공급수단
122 : 제2공급수단
140, 240 : 센서
200 : 냉매 또는 냉각수라인
210 : 보조열원
220 : 콤프레서
230 : 방향전환밸브
300 : 제어부100: reaction chamber
110: oxygen transfer material
120: inlet
130: Outlet
121: first supply means
122: second supply means
140, 240: sensor
200: Refrigerant or coolant line
210: Auxiliary heat source
220: Compressor
230: Directional switching valve
300:
Claims (12)
상기 반응챔버 내부에 공기를 공급하는 제1공급수단과
상기 반응챔버 내부에 연료를 공급하는 제2공급수단을 포함하되,
상기 제1공급수단에 의한 공기 공급과 상기 제2공급수단에 의한 연료 공급이 교번적으로 이루어짐으로써,
산화와 환원 과정이 번갈아가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.A reaction chamber in which an oxygen transfer material is coated on the surface;
A first supply means for supplying air into the reaction chamber;
And second supply means for supplying fuel into the reaction chamber,
The air supply by the first supply means and the fuel supply by the second supply means are alternately performed,
Wherein the oxidizing and reducing processes are alternately performed.
상기 산소전달물질은 상기 제1공급수단에 의한 공기 공급 시에 공기 중의 산소를 흡수하되 질소를 포함한 다른 기체는 흡수하지 않고,
상기 제2공급수단에 의한 연료 공급 시에 먼저 흡수된 산소를 이용하여 개질함으로써 수소를 포함한 개질 생성물을 배출하는 물질인 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the oxygen transfer material absorbs oxygen in the air when the air is supplied by the first supply means and does not absorb other gases including nitrogen,
Wherein the reforming material is a material which is modified by using oxygen absorbed at the time of fuel supply by the second supply means to thereby discharge the reformed product including hydrogen.
상기 반응챔버 내에서 상기 제1공급수단의 공기 공급방향과, 상기 제2공급수단의 연료 공급방향은 동일한 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the air supply direction of the first supply means and the fuel supply direction of the second supply means in the reaction chamber are the same.
복수 개의 반응챔버가 구비되고,
상기 복수 개의 반응챔버 중 어느 하나의 반응챔버와 그에 인접한 반응챔버는 제1공급수단과 제2공급수단의 공기 및 연료의 공급순서가 서로 반대인 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.The method of claim 3,
A plurality of reaction chambers are provided,
Wherein one of the plurality of reaction chambers and the reaction chamber adjacent to the one of the plurality of reaction chambers has a reverse order of supply of air and fuel of the first supply means and the second supply means.
상기 복수 개의 반응챔버는 격자형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템. 5. The method of claim 4,
Wherein the plurality of reaction chambers are formed in a lattice shape.
상기 반응챔버 내부에 웨이브 핀, 오프셋 핀 또는 딤플이 형성된 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.6. The method of claim 5,
And a wave pin, an offset fin, or a dimple is formed in the reaction chamber.
상기 제1공급수단의 공기 공급량 및 공급시간을 조절하는 제1제어부, 상기 제2공급수단의 연료 공급량 및 공급시간을 조절하는 제2제어부를 더 포함하되,
개질 시스템의 가동 초기에 필요한 에너지를 제외한 나머지 에너지는 자체 수급되도록 상기 제1제어부와 제2제어부를 연동하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.5. The method of claim 4,
Further comprising a first control unit for adjusting an air supply amount and a supply time of the first supply unit, and a second control unit for adjusting a fuel supply amount and a supply time of the second supply unit,
Wherein the first control unit and the second control unit are interlocked with each other so that the remaining energy other than the energy required at the beginning of the operation of the reforming system is received and supplied.
상기 반응챔버에 연결되어 열교환을 통해 열을 전달하는 냉매 또는 냉각수라인과, 상기 냉매 또는 냉각수라인 상에 배치되는 보조열원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템.The method according to claim 1,
A coolant or coolant line connected to the reaction chamber and transferring heat through heat exchange; and an auxiliary heat source disposed on the coolant or coolant line.
(b) 반응챔버 내부에 공기 공급을 중단하고 흡수된 산소를 제외한 다른 기체를 배출하는 단계;
(c) 산소가 흡수된 반응챔버 내부에 연료를 공급하여 개질시키는 단계; 및
(d) 반응챔버 내부에 연료 공급을 중단하고 개질반응의 생성물을 배출하는 단계를 포함하되,
상기 (d) 단계 이후에,
상기 (a) 단계 내지 (d) 단계를 순차적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 방법.(a) supplying air into a reaction chamber coated with an oxygen transfer material to absorb oxygen on the surface of the oxygen transfer material;
(b) stopping supply of air to the inside of the reaction chamber and discharging the gas other than the absorbed oxygen;
(c) supplying fuel to the inside of the reaction chamber in which oxygen is absorbed to reform it; And
(d) stopping the supply of fuel into the reaction chamber and discharging the product of the reforming reaction,
After the step (d)
Wherein the steps (a) to (d) are repeated in sequence.
상기 반응챔버 내부에 공기를 공급하는 방향과 연료를 공급하는 방향은 동일한 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 방법.10. The method of claim 9,
Wherein the direction of supplying air into the reaction chamber and the direction of supplying fuel are the same.
(e) 상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열을 연산하는 단계;와
(f) 상기 반응챔버에서 발생한 산화열과 환원열이 같아지도록 상기 반응챔버 내부에 공급되는 공기와 연료의 공급 유량 및 공급 시간을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 방법.10. The method of claim 9,
(e) calculating an oxidation heat and a reduction heat generated in the reaction chamber;
(f) adjusting a supply flow rate and a supply time of air and fuel supplied to the inside of the reaction chamber so that the oxidation heat generated in the reaction chamber and the heat of reduction become equal to each other, Modification method.
상기 산화열과 환원열은 상기 반응챔버 외부로 배출되는 기체의 유량과, 반응챔버에서 측정되는 온도를 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the oxidation heat and the reduction heat are calculated using a flow rate of gas discharged to the outside of the reaction chamber and a temperature measured in the reaction chamber.
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