KR101832136B1 - 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치 - Google Patents

축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101832136B1
KR101832136B1 KR1020160073364A KR20160073364A KR101832136B1 KR 101832136 B1 KR101832136 B1 KR 101832136B1 KR 1020160073364 A KR1020160073364 A KR 1020160073364A KR 20160073364 A KR20160073364 A KR 20160073364A KR 101832136 B1 KR101832136 B1 KR 101832136B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reforming
heat
heat exchanger
unit
raw material
Prior art date
Application number
KR1020160073364A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170140695A (ko
Inventor
동상근
이은경
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020160073364A priority Critical patent/KR101832136B1/ko
Publication of KR20170140695A publication Critical patent/KR20170140695A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101832136B1 publication Critical patent/KR101832136B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058—Nickel catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082—Composition of support materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 개질 장치는, 원료인 탄화수소의 탈황 처리를 위한 탈황부, 탈황부로부터 탈황된 탄소수소 원료와 수분 원료가 도입되는 개질기와 개질기를 유동하는 수증기 상태의 원료에 열을 가해 수증기 개질 반응이 이루어지도록 하는 연소기를 포함하는 개질부, 개질부로부터의 개질 가스에 대하여 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 위한 수성가스 전환부, 수성가스 전환부에서 공급되는 가스로부터 흡착제를 이용하여 수소 이외의 불순 가스를 흡착 제거하여 고순도의 수소로 정제하는 PSA(Pressure Swing Absorption)부, 탄화수소 원료를 상기 개질부의 열을 이용해 소정 온도로 예열시켜 상기 탈황부에 공급하는 제1 열교환기 및 탈황된 탄화수소 원료와 수분 원료의 혼합물을 개질부의 열을 이용해 예열시켜 개질기로 도입되도록 하는 제2 열교환기를 포함한다. 본 발명에 따른 개질 장치는, 열교환기를 개질부 내부에 내장형으로 구성하여 전체적인 설비의 컴팩트화를 도모한다. 이를 위해 자기 축열식 구조의 연소기를 사용하여 배기가스 열의 회수율을 높임으로써 고효율을 달성하고 열교환기 내장이 가능한 컴팩트한 구조의 개질 장치를 구성하는 것이다.

Description

축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치{High Efficient compact steam reforming reactor using regenerative burner}
본 발명은 수증기 개질 장치에 관한 것으로, 상세하게는 탄화수소와 물을 원료로 고온환경에서 개질하여 화석연료의 대체에너지인 고순도의 수소에너지를 생산해내는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치에 관한 것이다.
정유 공정(Refinery)에 사용되는 대형의 수소 제조 설비들은 주로 안정적인 수증기 공급을 위해 별도의 스팀보일러를 사용하여 왔으나, 연료전지 시스템(연료전지 자동차, 가정용, 분산 발전용 등)과 같은 중, 소형 규모(1~1,000Nm3/h)의 수소 제조의 경우에는 높은 열 효율 및 소형화를 위해 자체 열 회수를 통한 수증기 공급이 필요하다.
중ㅇ소형의 수소제조설비의 수증기 개질(Steam Reforming) 공정에서는 수증기와 탄화수소의 비율을 일정하게 가져가는 것이 안정적 운전의 핵심이며, 물이 완전히 기화되지 않은 상태에서 2상 흐름(Two Phase Stream)이 생성될 경우 변동이 발생해 유량 및 조성 등의 변화가 초래되고 전체적으로 시스템 운전이 불안정해질 수 있다.
이에 따라 종래 중ㅇ소형의 수소제조설비에서는, 설비의 전반적인 에너지 효율을 높이고 수증기의 안정적인 공급을 위하여, 탄화수소 개질에 있어서 반응로에서 열원으로 버너 연소후 배출되는 배기가스로 수증기를 생성하고, 개질 반응 후 반응로 바깥으로 배출되는 개질 가스의 열을 이용하여 혼합물(탄화수소+수증기)의 온도를 상승시킬 수 있도록 도 1과 같은 형태로 수소 제조 설비를 구축하고 있다.
도 1에 예시된 종래의 수조 제조 설비에서, 도면부호 100은 탄소수소 원료의 탈황처리를 위한 탈황부이며, 200은 수증기 개질 반응이 이루어지는 개질부 이다. 그리고 300은 추가적인 수소 추출을 위한 수성가스 전환부이며, 400은 불순 가스 제거를 위한 PSA부이다. 그리고 500과, 510은 수증기를 생성을 스팀 발생기 및 제1 열교환기이며, 600은 혼합물 예열을 위한 제2 열교환기이다.
그러나 도 1과 같은 종래 수조 제조 설비는 개질부에 대해 수증기 발생기와 열교환기가 이원화되어 있기 때문에, 전체적인 설비 구조가 상당히 복잡하고 부피가 커서 공간소요가 크고 적용 환경에 제약이 있을 수 밖에 없는 구조이며, 복잡하고 부피가 큰 구조인 만큼 설비의 전반적인 유지/보수에 있어서도 곤란함이 수반되는 단점이 있는 구조이다.
또한, 개질부에서 배출되는 연소 배기가스가 관을 통해 개질부 외부의 스팀 발생기 및 열교환기로 이동되는 중간에 상당양의 열이 손실될 수 밖에 없는 구조이어서 열효율이 상당히 떨어지며, 스팀 발생기 및 열교환기를 통해 일부 열을 회수하고도 고온의 활용 가능한 열에너지가 그대로 방출되어 폐기됨에 따라 대기 환경에 악영향을 미치는 비효율적인 구조이다.
일본공개특허 제2007-501178호(공개일자 2007. 01. 25)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 열교환기를 개질부 내부에 내장형으로 구성하여 전체적인 설비의 컴팩트화를 도모할 수 있는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 자기 축열식 구조의 연소기를 사용하여 배기가스 열의 회수율을 높임으로써 고효율을 달성할 수 있는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치를 제공하고자 하는 것이다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 실시 예에 따르면,
원료인 탄화수소를 공급받아 탈황 처리하는 탈황부;
탈황 처리된 탄화수소로부터 수소를 생성하기 위한 수증기 개질 반응이 일어나는 개질부;
상기 개질부에서부터의 개질 가스에 대하여 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 통해 추가적으로 수소를 추출하는 수성가스 전환부;
상기 수성가스 전환부에서 공급되는 가스로부터 흡착제를 이용하여 수소 이외의 불순 가스를 흡착 제거하여 고순도의 수소로 정제하는 PSA(Pressure Swing Absorption);를 포함하며,
상기 개질부는,
연소공간이 형성된 반응로와;
상기 반응로의 중앙부에서부터 열을 가하는 자기 축열식 연소기와;
상기 자기 축열식 연소기를 둘러싸는 형태로 반응로 내부에 다수로 설치되며, 외부에서 탄화수소 원료에 수분 원료를 혼합시킨 수증기 상태의 원료를 공급받아 상기 자기 축열식 연소기의 복사열과 내부 촉매를 이용하여 개질시키는 개질기와;
탄화수소 원료와 혼합되는 상기 수분 원료가 신속하게 수증기로 전환되도록 고온 환경으로 유지되는 상기 반응로 내부에 탄화수소 원료 예열을 위한 열교환 경로를 형성하는 제1 열교환기;
탈황 처리 후 탄화수소 원료와 상기 수분 원료가 혼합된 혼합물이 상 분리 없이 기화 수증기 상태의 단일 상을 유지하면서 상기 개질기에 도입되도록 고온 환경으로 유지되는 상기 반응로 내부에 상기 혼합물 예열을 위한 열교환 경로를 형성하는 제2 열교환기;를 포함하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치를 제공한다.
여기서, 상기 탄화수소 원료의 일부, 소정 온도의 공기 및 상기 PSA부를 거친 잔가스가 상기 연소기에 연료로 공급되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 열교환기는 판상 열교환기(Plate type heat exchanger) 또는 다관 원통형 열교환기(Shell and tube heat exchanger)이며, 헤더가 상기 반응로 상부의 분리형 커버에 유닛 형태로 결합되어 상기 분리형 커버 상면부 위로 돌출되는 구성일 수 있다.
그리고, 상기 연소기는 둘 이상이 상기 반응로 중앙부에 배치되고, 반응로 중앙의 연소기들을 다수의 개질기가 둘러싸도록 반응로가 구성될 수 있다.
이때, 상기 개질기와 반응로 내주면 사이에 제1 열교환기와 제2 열교환기가 배치될 수 있다.
또한, 반응로에 설치되는 상기 자기 축열식 연소기는, 상기 반응로 내에 위치된 버너 본체의 둘레부를 축열체를 내장한 축열부가 감싸도록 구성되고, 상기 버너 본체에 연소공기가 공급되거나 상기 축열부를 통과하면서 열교환 된 배기가스의 배출을 단속하는 절환장치가 상기 반응로 외부에서 상기 버너 본체에 결합된 구성일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치에 의하면, 개질부에 복수의 열교환기를 내장한 컴팩트한 구성으로써, 제한된 스테이션 공간에도 큰 제약 없이 설치가 가능하다는 장점이 있으며, 컴팩트한 구성만큼이나 유지/보수에 있어서도 용이성을 충분히 확보할 수 있어 운영비 절감 차원에서도 효과가 있다.
또한, 열교환기가 개질부의 반응로 내에 설치되는 것과 함께 자기 축열식 구조의 연소기가 사용됨에 따라, 개질 전 원료 예열에 필요한 열을 개질 반응에 사용되는 열을 이용하여 충분히 충당할 수 있어 히터와 같은 별도의 전기적 예열장치가 필요 없는 구조이면서 열의 효율적 이용 측면에서 고효율화를 달성할 수 있는 구조이다.
또한, 연소기를 구성하는 축열체를 통해 배출 배기가스 중의 열에너지를 회수하여 원료 예열에 사용되도록 구성함으로써, 반응로 바깥으로 최종 배출되는 배기가스의 온도를 크게 낮출 수 있다. 즉 배출 배기가스 온도 저감을 통해 고온 배기가스가 그대로 대기중에 방출됨에 따라 환경에 악영향을 미치는 문제 또한 해소할 수 있다.
또한, 탈황 전 원료인 탄화수소를 개질부 열을 이용하여 개질 반응에 적합한 온도로 승온시키는 사전 작업 및 탄화수소와 물(수분 원료)을 혼합시킨 혼합물을 개질부의 열을 이용하여 승온시키는 사전 작업에 의하여, 탄화수소와 물이 서로 상 분리 없이 기화된 수증기 상태의 단일 상을 유지하면서 개질부로 도입될 수 있어 반응 효율 또한 크게 높일 수 있는 구조이다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄화 수소 개질 방식 수조제조설비의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치의 개략도.
도 3은 도 2에 따른 블록 구성도.
도 4는 개질기의 튜브 형상 및 개질 반응 개념도.
도 5는 개질 반응이 일어나는 반응로의 모델링 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치에 설치되는 자기 축열식 연소기의 개략 측면도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 살펴보기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 공지된 구성에 대한 부연설명은 생략하기로 한다.
명세서 전반에 걸쳐 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치의 개략 구성도이며, 도 3은 도 2에 따른 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치는 크게, 탄화수소 탈황처리를 위한 탈황부(20), 실질적인 수소생성을 위한 개질 반응이 행해지는 개질부(40), 추가적인 수소 추출을 위한 수성가스 전환부(50), 불순물 제거를 위한 PSA부(60) 및 원료를 개질에 필요한 온도로 예열시키는 제1 열교환기(10)와 제2 열교환기(30)를 포함한다.
탈황부(20)에 도입되는 탄화수소 원료로는 LNG가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, LNG를 비롯해 LPG, Naphtha, 휘발유, 등유 등을 포함한 기상 혹은 액상인 탄화수소가 사용되거나, 자원의 재활용 및 경제성 측면을 고려하면 오ㅇ폐수나 음식물 쓰레기 처리과정에 발생하는 메탄(CH4) 가스가 원료로 사용될 수도 있다.
탄화수소는 수소 발생을 위한 원료(Feed)와 수소 발생을 위한 개질 반응에 사용되는 연료(Fuel)로 크게 두 가지로 나뉘어지며, 이때 상기 원료(Feed)로 투입되는 탄화수소는 제1 열교환기(10)를 통한 소정의 예열을 거쳐 상기 탈황부(20)에 제공되며, 연료(Fuel)로 사용되는 탄화수소는 송풍기(B)에 의한 공기와 함께 개질부(40)를 구성하는 연소기(44)에 제공된다.
탈황 전 탄화수소 원료를 예열하는 상기 제1 열교환기(10)는, 탈황 처리 전 상기 탄화수소 원료가 후술하는 상기 수분 원료(물)과 혼합 시 상기 수분 원료가 빠르게 수증기로 전환될 수 있도록 예열하는 수단으로서, 상기 개질부(40)를 구성하는 연소기(44) 화염에 의한 복사 및 대류열을 열원으로 이용해 상기 탄화수소 원료를 소정 온도로 예열시켜 상기 탈황부(20)에 제공한다.
탄화수소 원료 중 상기 연소기(44) 연료로 공급되는 일부 탄화수소는 바람직하게, 상기 송풍기(B)가 공급하는 공기에 더하여 상기 PSA부(60)를 통한 소정의 처리과정(개질 가스에 포함된 불순물을 흡착 제거 처리하는 과정)에서 걸러진 일부 불순물을 포함하는 잔가스(Off-Gas)와 함께 상기 연소기(44)에 연료로 공급되어 연료로 이용될 수 있다.
탈황부(20)에서는 탄화수소 원료로부터 황을 흡착 제거하는 탈황이 이루어진다. 탄화수소 원료에 대한 탈황 방법에는 유황 화합물을 300∼400℃의 고온환경에서 수첨 탈황하거나 직접 촉매에 흡착시키는 방법이 사용될 수 있다. 이 경우 촉매로는 예를 들어, 코발트, 아연, 동 등의 금속이나 그 산화물 또는 유화물, 나아가 제오라이트나 활성탄 등이 사용될 수 있다.
탈황부(20)를 통해 탈황 처리된 탄소수소 원료는 펌프(P)가 공급하는 수분 원료(이하, '물'이라 한다)과 혼합되고 소정의 예열처리를 거쳐 상기 개질부(40)에 제공된다. 이때 탄화수소 및 물의 혼합물은 개질 반응을 위해 개질부(40)를 가열하는 연소기(44) 화염에 의한 복사 및 대류열을 열원으로 이용하는 제2 열교환기(30)를 경유하면서 개질에 적합한 온도(약 450 ~ 500℃)로 가열된다.
제2 열교환기(30)를 통한 가열에 의하여 혼합물 속 수분은 액상과 기상의 2개의 상으로 분리된 상태로 개질기(46)에 유입되지 않고, 충분히 기화된 증기 상태의 단일상을 유지하면서 상기 개질기(46)에 도입될 수 있으며, 이때 수분의 단일상 성립과 유지는 제2 열교환기(30)에 도입되는 물의 압력과 그 압력에서의 기화온도를 고려한 열교환부의 적절한 설계로서 가능하다.
제2 열교환기(30)와 상기 제1 열교환기(10)는 상기 연소기(44)에 의하여 상기 개질부(40)의 반응로(42) 내에 조성되는 고온환경에 탄화수소 원료와 상기 혼합물이 각각 간접적으로 노출되어 예열되는 열교환이 수행되도록, 상기 제2 열교환기(30)와 제1 열교환기(10)는 상기 개질부(40)를 이루는 반응로(42) 내부의 소정 위치에 배치될 수 있다.
제1 열교환기(10)와 제2 열교환기(30)는 판상 열교환기(Plate type heat exchanger) 또는 다관 원통형 열교환기(Shell and tube heat exchanger)일 수 있으나 특별히 이에 국한되는 것은 아니며, 각 열교환기 상단의 헤더가 상기 반응로(42) 상부의 분리형 커버에 모듈형태로 결합되어 상기 분리형 커버 상면부 위로 돌출되는 구성일 수 있다.
개질부(40)는 상기 혼합물(탄화수소 원료+수분)을 개질 촉매에 접촉시키고 수증기 개질 하는 것으로, 고농도의 수소 함유 가스를 제조한다. 개질부(40)는 밀폐된 연소공간을 형성하는 상기 반응로(42)와, 반응로(42) 중앙부에서부터 가열하는 연소기(44)를 포함하며, 연소기(44) 주변을 실제 개질 반응이 일어나는 다수의 개질기(46)가 둘러싼다.
개질기(46)는 개질기의 형상 및 개질 반응 개념도를 도시한 도 4와 같이, 상기 혼합물이 유동 가능한 구조의 막대 모양 튜브 중간에 펠릿(Pellet) 형태로 소결시킨 개질 촉매를 넣어 촉매 반응부를 형성한 구성일 수 있으며, 이때 상기 개질 촉매로는 루테늄(ruthenium) 또는 니켈 등의 원소를 알루미나(alumina), 실리카(silica) 등의 담체에 담지시킨 것 등을 들 수 있다.
개질부(40)에서 탈황된 탄화수소에 대해 수행되는 수증기 개질 반응을 통한 수소 생성은 다음의 화학식으로 표현될 수 있다. 메탄가스를 원료로 사용하는 경우를 예로 든다.
[수증기 개질 반응]
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
개질부(40)의 반응로(42) 내부는 상기 연소기(44)에 의한 가열과 촉매 반응에 수반하는 반응열에 의해 고온 환경으로 조성된다. 이때 수소 생성율을 높이기 위하여 운전 온도를 500∼800℃로 유지하며, 고온 환경으로 조성된 반응로(42) 내부의 복사열이 반응로(42) 내에 배치된 상기 제1 열교환기(10)와 제2 열교환기(30)에 전달되어 원료와 혼합물을 예열시키게 된다.
개질부(40)를 통과한 개질 가스는 상기 수성가스 전환부(50)로 도입되고, 여기에 충전된 수성가스 전환 촉매를 이용한 수성가스 전환 반응을 통해 개질 가스 중 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환시키게 된다. 수성가스 전환부(50) 구성 및 촉매, 그리고 여기에서 일어나는 수성가스 전환 반응은 당업계에 이미 잘 알려진 공지의 사안이다.
수성가스 전환 촉매로서는 철-크롬(예를 들어, Fe2O3-Cr2O3계 촉매) 또는, 동-아연 등의 산화물인 동(銅)계 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다. 반응온도는 Fe2O3-Cr2O3계 촉매의 경우에는, 300∼450℃, 동(銅)계 촉매는 200~250℃가 바람직하다. 이때의 수성가스 전환 반응은 CO + H2O ↔ CO2 + H2로 이루어진다.
수성가스 전환부(50) 후단의 전환 가스는 상수(수돗물)를 이용한 열교환을 통해 대략 30 내지 40℃까지 낮아진 상태로 상기 PSA부(60)에 도입될 수 있다. 이때 상기 수성가스 전환 가스의 냉각을 위한 상수는 약 60℃ 이상의 온수로 회수되어, 단독 주택/ 집단 주거 시설의 연료 전지 발전 시스템의 경우 급탕(목욕 등) 또는 바닥 난방용 온수로 사용될 수 있다.
PSA(Pressure Swing Absorption, 압력흡착분리)부는 당업계에서 수소 분리를 위하여 일반적으로 채용하고 있는 공정 장비로서, 여기서 압력흡착분리란, 고농도 수소 함유 가스로부터 흡착제를 이용하여 수소 이외의 불순한 가스를 흡착 제거하여 고순도의 수소로 정제하는 방법이다.
PSA부(60)에서 분리된 고순도 수소는 적합한 저장수단에 보관되고 목적에 따라 적절히 활용될 수 있으며, PSA부(60)를 통한 불순 가스 제거과정에서 걸러진 잔가스(Off-Gas)는 앞서도 간단히 언급한 바와 같이, 상기 개질부(40)의 가열을 위한 연소기(44)의 연료로 회수되어 재활용된다.
도 5는 개질 반응이 일어나는 반응로를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 연소기(44)는 적어도 둘 이상이 상기 반응로(42)의 중앙부에 위치하도록 배치될 수 있으며, 개질기(46)는 상기 반응로(42)의 반경 방향에 대해 상기 연소기(44)로부터 소정 거리 이격된 위치에서 다수가 상기 연소기(44)를 일정한 간격으로 둘러싸는 원호형 배열을 이루도록 설치될 수 있는데, 이때 개질기(46)의 개수는 특정 숫자로 특정되지 않는다.
개질기(46)는 막대 모양 튜브 중간에 개질 촉매를 펠릿(Pellet) 형태로 소결시켜 충전한 구성일 수 있으며, 상기 연소기(44)는 반응로(42) 내 고른 열 분포를 구현할 수 있으면서 연소 후 배기가스 열이 원료 예열에 효율적으로 이용될 수 있도록 배기가스 배출 경로 중간에 축열체가 내장된 축열부를 갖춘 자기 축열식 연소기일 수 있다.
제1 열교환기(10)와 제2 열교환기(30)는 개질기(46)와 반응로(42) 내주면 사이에 배치될 수 있다. 제1, 제2 열교환기(10)(30)가 개질기(46)와 연소기(44) 사이에 위치할 경우 필요 이상으로 과열되어 각각의 열교환기를 따라 유동하는 탄화수소 원료 또는 혼합물(탄화수소+수분)을 개질 반응에 적절한 온도로 유지되지 못해 효율적인 반응이 일어날 수 없다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치에 적용되는 자기 축열식 연소기의 측면 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 자기 축열식 연소기(40)는, 반응로 내에 위치된 버너 본체(400, burner body)의 둘레부를 축열체를 내장한 축열부(420)가 감싸도록 구성되고, 버너 본체(400)에 연소공기가 공급되거나 상기 축열부를 통과하면서 열교환 된 배기가스의 배출을 단속하는 절환장치(440)가 상기 반응로 외부에서 버너 본체(400)에 결합된 구성일 수 있다.
즉 높은 열에너지를 포함하는 고온의 배기가스가 상기 축열체를 통과하면서 열을 빼앗김과 동시에 축열체에 의한 유동저항에 의해 보다 긴 시간 동안 반응로(42) 내에 체류할 수 있으며, 이 과정에서 대부분의 열에너지가 회수되어 외부에서 도입되는 연소용 흡기를 예열하거나 개질 반응에 필요한 열에너지로 재사용되도록 하여 열효율을 극대화한 구성일 수 있다.
이와 같은 자기 축열식 연소기에 대해서는, 동일 출원인의 선행기술인 대한민국 특허등록 제0921720호의 '고효율 자기 축열식 버너'와 대한민국 특허등록 제0669543호의 '열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조'를 통해 이미 공지된 구성이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치에 의하면, 개질부에 복수의 열교환기를 내장한 컴팩트한 구성으로써, 제한된 스테이션 공간에도 큰 제약 없이 설치가 가능하다는 장점이 있으며, 컴팩트한 구성만큼이나 유지/보수에 있어서도 용이성을 충분히 확보할 수 있어 운영비 절감 차원에서도 효과가 있다.
또한, 열교환기가 개질부의 반응로 내에 설치되는 것과 함께 축열식 구조의 연소기가 사용됨에 따라, 개질 전 원료 예열에 필요한 열을 개질 반응에 사용되는 열을 이용하여 충분히 충당할 수 있어 히터와 같은 별도의 전기적 예열장치가 필요 없는 구조이면서 열의 효율적 이용 측면에서 고효율화를 달성할 수 있는 구조이다.
또한, 연소기를 구성하는 축열체를 통해 배출 배기가스 중의 열에너지를 회수하여 원료 예열에 사용되도록 구성함으로써, 반응로 바깥으로 최종 배출되는 배기가스의 온도를 충분히 낮출 수 있다. 즉 배출 배기가스 온도 저감을 통해 고온 배기가스가 그대로 대기중에 방출됨에 따라 환경에 악영향을 미치는 문제 또한 해소 가능하다.
또한, 탈황 전 원료인 탄화수소를 개질부 열을 이용하여 개질 반응에 적합한 온도로 승온시키는 사전 작업 및 탄화수소와 물(수분 원료)을 혼합시킨 혼합물을 개질부의 열을 이용하여 승온시키는 사전 작업에 의하여, 탄화수소와 물이 서로 상 분리 없이 기화된 수증기 상태의 단일 상을 유지하면서 개질부로 도입될 수 있어 반응 효율 또한 크게 높일 수 있는 구조이다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 제1 열교환기 20 : 탈황부
30 : 제2 열교환기 40 : 개질부
42 : 반응로 44 : 연소기
46 : 개질기 50 : 수성가스 전환부
60 : PSA부
B : 송풍기 P : 펌프

Claims (7)

  1. 원료인 탄화수소를 공급받아 탈황 처리하는 탈황부, 탈황 처리된 탄화수소로부터 수소를 생성하기 위한 수증기 개질 반응이 일어나는 개질부, 상기 개질부에서부터의 개질 가스에 대하여 일산화탄소의 수성가스 전환 반응을 통해 추가적으로 수소를 추출하는 수성가스 전환부, 상기 수성가스 전환부에서 공급되는 가스로부터 흡착제를 이용하여 수소 이외의 불순 가스를 흡착 제거하여 고순도의 수소로 정제하는 PSA(Pressure Swing Absorption)를 포함하며,
    상기 개질부는,
    연소공간이 형성된 반응로와;
    상기 반응로의 중앙부에서부터 열을 가하는 자기 축열식 연소기와;
    상기 자기 축열식 연소기를 둘러싸는 형태로 상기 반응로 내부에 다수로 설치되며, 외부에서 탄화수소 원료에 수분 원료를 혼합시킨 수증기 상태의 원료를 공급받아 상기 자기 축열식 연소기의 복사열과 내부 촉매를 이용하여 개질시키는 개질기와;
    탄화수소 원료와 혼합되는 상기 수분 원료가 신속하게 수증기로 전환되도록 고온 환경으로 유지되는 상기 반응로 내부에 탄화수소 원료 예열을 위한 열교환 경로를 형성하는 제1 열교환기;
    탈황 처리 후 탄화수소 원료와 상기 수분 원료가 혼합된 혼합물이 상 분리 없이 기화 수증기 상태의 단일 상을 유지하면서 상기 개질기에 도입되도록 고온 환경으로 유지되는 상기 반응로 내부에 상기 혼합물 예열을 위한 열교환 경로를 형성하는 제2 열교환기;를 포함하고,
    둘 이상의 상기 자기 축열식 연소기가 상기 반응로 내부 중앙에 위치하도록 배치되며, 상기 반응로 중앙에 배치되는 연소기들을 상기 다수의 개질기가 둘러싸는 것을 특징으로 하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소 원료의 일부와 소정 온도의 공기 및 상기 PSA부를 거친 잔가스가 상기 연소기에 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 열교환기는 판상 열교환기(Plate type heat exchanger) 또는 다관 원통형 열교환기(Shell and tube heat exchanger)이며,
    헤더가 상기 반응로 상부의 분리형 커버에 유닛 형태로 결합되어 상기 분리형 커버 상면부 위로 돌출되는 것을 특징으로 하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기와 제2 열교환기가 상기 개질기와 반응로의 내주면 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 축열식 연소기는,
    상기 반응로 내에 위치된 버너 본체의 둘레부를 축열체를 내장한 축열부가 감싸도록 구성되고,
    상기 버너 본체에 연소공기가 공급되거나 상기 축열부를 통과하면서 열교환 된 배기가스의 배출을 단속하는 절환장치가 상기 반응로 외부에서 상기 버너 본체에 결합된 구성으로 이루어지는 는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 혼합물이 유동 가능한 구조의 막대 모양 튜브 중간에 펠릿(Pellet) 형태로 소결시킨 개질 촉매를 넣어 촉매 반응부를 형성시킨 구성으로 이루어지며,
    상기 촉매 반응부를 형성하는 개질 촉매로 루테늄(ruthenium) 또는 니켈을 알루미나(alumina)나 실리카(silica) 담체에 담지시킨 것을 특징으로 하는 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치.
KR1020160073364A 2016-06-13 2016-06-13 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치 KR101832136B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160073364A KR101832136B1 (ko) 2016-06-13 2016-06-13 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160073364A KR101832136B1 (ko) 2016-06-13 2016-06-13 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170140695A KR20170140695A (ko) 2017-12-21
KR101832136B1 true KR101832136B1 (ko) 2018-02-27

Family

ID=60936101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160073364A KR101832136B1 (ko) 2016-06-13 2016-06-13 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101832136B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102094646B1 (ko) 2019-10-14 2020-03-30 주식회사 트리신 수소탈황을 구비한 고효율 스팀 리포밍 수소 제조 장치
KR20240062164A (ko) 2022-10-26 2024-05-09 한국생산기술연구원 축열식 청록수소 생산 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102323734B1 (ko) * 2019-12-31 2021-11-11 한국과학기술연구원 블루수소 생산공정 및 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100921720B1 (ko) * 2008-03-04 2009-10-15 한국에너지기술연구원 고효율 자기축열식버너
KR101300331B1 (ko) * 2007-11-01 2013-08-28 에스케이이노베이션 주식회사 용이한 초기 구동, 운전 안정성 및 높은 열효율을 갖는수소발생 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101300331B1 (ko) * 2007-11-01 2013-08-28 에스케이이노베이션 주식회사 용이한 초기 구동, 운전 안정성 및 높은 열효율을 갖는수소발생 장치
KR100921720B1 (ko) * 2008-03-04 2009-10-15 한국에너지기술연구원 고효율 자기축열식버너

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102094646B1 (ko) 2019-10-14 2020-03-30 주식회사 트리신 수소탈황을 구비한 고효율 스팀 리포밍 수소 제조 장치
KR20240062164A (ko) 2022-10-26 2024-05-09 한국생산기술연구원 축열식 청록수소 생산 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170140695A (ko) 2017-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6002249B2 (ja) 水素生成のための触媒燃焼式熱統合型改質器
KR101300331B1 (ko) 용이한 초기 구동, 운전 안정성 및 높은 열효율을 갖는수소발생 장치
JP4335535B2 (ja) 単一チャンバーのコンパクトな燃料処理装置
US6767530B2 (en) Method for producing hydrogen
MXPA01013140A (es) Dispositivo y metodo para proporcionar un flujo de hidrogeno puro para utilizarse con celdas de combustible.
CN102822086B (zh) 氢制造装置以及燃料电池系统
JP2010513835A (ja) 燃料処理適用のためのハイブリッド燃焼器
KR102094646B1 (ko) 수소탈황을 구비한 고효율 스팀 리포밍 수소 제조 장치
JP2010513834A (ja) 蒸気発生及びガス予熱用の熱伝達ユニット
CN111344249B (zh) 氢产生装置
JP2008535766A (ja) 熱交換器用の一体型かつ円筒状の水蒸気改質装置
KR101832136B1 (ko) 축열식 연소 방식의 고효율 컴팩트 수증기 개질 장치
KR20230029615A (ko) 수소 생성 방법
JP2023530573A (ja) 水素の生成のためのプロセス
JP5963848B2 (ja) 非触媒性の復熱式改質装置
AU2007250925B2 (en) Method for treatment of drain in hydrogen production and hydrogen production system
US11691874B2 (en) Apparatuses and methods for hydrogen production
JP6436693B2 (ja) 水素ステーション用水素製造システム
JP2016184550A (ja) ガス製造装置
KR102323731B1 (ko) 수소 생산용 다연료 개질 시스템
JP5140361B2 (ja) 燃料電池用改質装置
KR20240012479A (ko) 수소 생산을 위한 암모니아 크래킹
JP2023144657A (ja) 水素発生装置
JP2024521560A (ja) 水素製造のためのアンモニア分解
JP2006008453A (ja) 水素製造装置および水素製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant