KR101870026B1 - Reactor reforming for liquid hydrocarbon fuel - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박과 같은 수송수단에서 사용할 수 있는 자열개질기로, 액상연료를 개질하여 수소를 생산하기 위해 복수 개의 연소블럭 및 개질블럭을 교번으로 적층 배치하여 반응기를 이루어, 상기 연소블럭에서 발생된 연소열을 직접 개질블럭으로 전달하기 때문에 열에너지의 손실이 낮고, 상기 연소블럭 및 개질블럭의 공간 개폐가 용이해 촉매의 충전이 용이하며, 판 상의 열교환판을 이용하여 상기 연소블럭과 개질블럭을 서로 면접시켜 높은 열교환 면적을 확보하므로 열의 공급이 원활하고, 연료의 공급량에 따라 촉매 반응과정에서 발생되는 반응열을 조절할 수 있으며, 촉매연소기로 공급되는 반응물의 양을 조절하여 촉매층 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 과열에 의한 질소산화물의 생성도 억제할 수 있는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기를 제공한다.The present invention relates to an autothermal reformer which can be used in a transportation means such as a ship and is a reactor in which a plurality of combustion blocks and reforming blocks are alternately stacked and arranged to produce hydrogen by reforming a liquid fuel, The combustion block and the reforming block can be easily opened and closed so that the catalyst can be easily charged and the combustion block and the reforming block can be interfaced with each other by using a heat exchange plate on the plate It is possible to adjust the amount of the reactant supplied to the catalytic combustor and to maintain the temperature inside the catalyst bed constantly by adjusting the amount of the reactant supplied to the catalytic combustor, , A liquid hydrocarbon fuel reforming which can suppress the generation of nitrogen oxides by overheating Lt; / RTI >
Description
본 발명은 액체탄화수소 연료 개질용 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박과 같은 수송수단에서 사용할 수 있는 자열개질기로, 액상연료인 디젤을 개질하여 수소를 생산하도록, 복수 개의 연소블럭 및 개질블럭을 교번으로 적층 배치하여 반응기를 이루어, 상기 연소블럭에서 발생된 연소열을 직접 개질블럭으로 전달하기 때문에 열에너지의 손실이 낮고, 상기 연소블럭 및 개질블럭의 공간 개폐가 용이해 촉매의 충전이 용이하며, 판 상의 열교환판을 이용해 상기 연소블럭과 개질블럭을 서로 면접시켜, 높은 열교환 면적을 확보하므로 열의 공급이 원활한 액체탄화수소 연료 개질용 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a reactor for reforming liquid hydrocarbon fuel, and more particularly, to a self-heating reformer that can be used in a transportation means such as a ship, comprising a plurality of combustion blocks and reforming blocks And the heat of combustion generated in the combustion block is directly transferred to the reforming block. Thus, the thermal energy loss is low, the space of the combustion block and the reforming block is easily opened and the catalyst is easily filled, The present invention relates to a reactor for reforming a liquid hydrocarbon fuel, in which the combustion block and the reforming block are interfaced with each other by using a heat exchange plate on the heat exchange plate and a high heat exchange area is secured.
차세대 신에너지 청정 환경기술로서 가장 상용화 시기가 빠를 것으로 기대되는 소형(수백 W에서 수 kW급 규모) 고분자전해질 연료전지 발전시스템의 보급을 확대하기 위해서는 스택 효율 향상과 더불어 발전 연료인 수소를 공급하는 연료 개질기의 고효율화 및 소형화를 위한 컴팩트 통합형 시스템화 기술개발이 필수적이다.In order to expand the supply of small-sized (several hundred W to several kW scale) polymer electrolyte fuel cell power generation systems, which are expected to be the most commercially available next-generation clean energy environment technology, fuel efficiency It is essential to develop compact integrated systemization technology for high efficiency and miniaturization of reformer.
연료 개질기는 천연가스, LPG, 가솔린, 메탄올 등과 같은 연료를 촉매 반응시켜 수소를 포함하는 개질가스로 전환해서 연료전지에 공급하는 장치로, 가정용 연료전지에 적용할 수 있는 고효율 및 소형화를 필요로 하며 고농도의 수소를 안정적으로 생산할 수 있어야 한다.The fuel reformer is a device for converting a fuel such as natural gas, LPG, gasoline or methanol into a reformed gas containing hydrogen to supply the reformed gas to the fuel cell. The fuel reformer requires high efficiency and miniaturization applicable to domestic fuel cells It is necessary to stably produce hydrogen at a high concentration.
연료 개질기는 개질 방식에 따라 부분산화(Partial oxidation, POX), 수증기 개질(Steam reformer, SR), 자열개질(Autothermal reformer, ATR)로 구별 된다. The fuel reformer is divided into partial oxidation (POX), steam reformer (SR) and autothermal reformer (ATR) according to the reforming method.
이때, 부분산화 개질은 발열 반응을 하여 열 공급이 필요 없고 응답특성이 빠르지만 수소 전환 효율이 낮은 단점이 있고, 수증기 개질 반응은 보통 강한 흡열반응으로 연료의 수소전환율을 높이기 위해 높은 온도가 필요하다. In this case, the partial oxidation reforming is an exothermic reaction, and there is a disadvantage in that it does not require heat supply and the response characteristic is fast but the hydrogen conversion efficiency is low, and the steam reforming reaction is usually a strong endothermic reaction and requires a high temperature to increase the hydrogen conversion of the fuel .
일반적으로 촉매가 사용되는 반응 조건은 반응온도 700~850℃, 압력은 상압~40기압, 공간속도(GHSV) 3,000~6000hr-1 정도이며, 촉매 구성은 내열성 담체(α-alumina 혹은 calcium aluminate)에 환원된 니켈이 담지(약 10~12%)되어 있는 형태이므로 표면적이 10m2/g 이하가 된다. In general, the reaction conditions in which the catalyst is used are a reaction temperature of 700 to 850 ° C., a pressure of about 40 atm to about 3000 atmospheric pressure (GHSV) of about 3,000 to 6,000 hr -1, and a catalyst composition of α-alumina or calcium aluminate Since the reduced nickel is supported (about 10 to 12%), its surface area is less than 10 m2 / g.
수증기 개질은 수소 전환 효율이 높지만 흡열 반응을 하기 때문에 열을 공급해주어야 하고 응답 특성이 느린 단점이 있다. The steam reforming has a high hydrogen conversion efficiency, but it suffers an endothermic reaction and therefore has to supply heat and has a slow response characteristic.
자열 개질기는 부분산화 개질과 수증기 개질 방식의 장점을 이용할 수 있으며 에너지가 적게 필요하고 응답 특성이 빠른 장점을 갖고 있고, 수증기 개질은 흡열 반응이고 부분산화반응은 발열반응이므로 열적으로 평형상태를 유지하면 에너지를 공급하지 않고도 자열개질 반응이 진행될 수 있다.The autothermal reformer can take advantage of the advantages of partial oxidation reforming and steam reforming. It has the advantages of low energy and fast response characteristics. Steam reforming is an endothermic reaction and partial oxidation reaction is an exothermic reaction. The autothermal reforming reaction can proceed without supplying energy.
종래의 기술로는 등록특허 제10-1220120호(2013.01.03)에서 보는 바와 같이 본체의 내부에 내통을 구비하여 본체와 내통 속에 각각 ATR 촉매층이 내장되고, 상기 내통의 하단에는 확산부가 형성된 반응기, 상기 본체의 상단을 마감하며, 그 외부에 전원부와 제1원료주입부가 형성된 헤드, 상기 헤드를 상, 하로 관통하여 상기 내통의 상단에 결합하는 튜브와, 상기 튜브 내에 적어도 한 줄 이상이 상, 하로 배치되는 반응물 연통과, 상기 튜브의 어느 일측 상부에 형성되는 증류수 도입부와, 상기 증류수 도입부에 연통되어 튜브의 하단까지 지그재그 형태로 연장되는 지그재그판과, 상기 튜브의 어느 일측이나 양측 하부에 형성되는 수증기 배출공과, 상기 튜브의 상부면 상에 형성되는 생성물 배출부로 구성되는 열교환기, 상기 본체의 내부에서 상기 튜브를 감싸며 상기 전원부에서 전원을 인가받는 전기히터, 상기 전기히터의 하측에 설치되는 부분산화촉매층, 및 상기 본체의 외부에 장착되어 내부온도를 감지하는 서모커플을 포함하는 개질장치를 제공하였다.Conventionally, as shown in Patent Document No. 10-1220120 (Mar. 03, 2013), an ATR catalyst layer is provided in a body and an inner cylinder, respectively, and a diffusion portion is formed at the lower end of the inner cylinder. A tube having a top end of the main body and having a power supply portion and a first raw material injection portion formed outside the tube, a tube penetrating the head upward and downward to couple the top end of the inner tube to the top end of the inner tube, A zigzag plate communicating with the distilled water inlet portion and extending in a staggered manner to a lower end of the tube, and a water vapor permeable to water vapor formed on either side of both sides of the tube, A heat exchanger comprising a discharge hole and a product discharge portion formed on an upper surface of the tube; Is attached to the outside of the partial oxidation catalyst bed, and the main body is installed on the lower side of the electric heater is receiving power from the power source, the electric heater provided a reforming unit comprising a thermocouple for detecting the internal temperature.
하지만, 탄화수소의 개질에 의한 수소의 제조에서 가장 문제가 되는 부분은 열의 공급이라 할 수 있는데, 개질반응은 높은 흡열반응으로서 천연가스 개질을 위해서는 700 ~ 750℃ 정도의 온도가 유지되어야 하고, 디젤연료의 개질의 경우 800℃ 이상의 고온이 요구된다. However, the most problematic part in the production of hydrogen by reforming hydrocarbons is the supply of heat. The reforming reaction is a high endothermic reaction. In order to reform natural gas, a temperature of about 700 to 750 ° C must be maintained, A high temperature of 800 DEG C or more is required.
대부분의 개질기는 열의 원활한 공급을 위하여 개질기와 연소기를 통합형으로 설계되고 있으며, 매우 다양한 형태의 열교환 방식이 적용되고, 특히 연료전지용 소형 개질기는 스택 배가스의 열을 직접 이용하는 방식과 스택 배가스 중의 미반응 연료를 연소하는 방식이 채택되며, 고온의 스택 배가스의 열을 열교환기를 통하여 직접 이용하는 것이 가장 바람직할 수 있으나, 스택 배가스의 온도가 800 ~ 850℃ 수준이므로 배가스의 열을 이용하여 개질기의 온도는 800℃ 이상으로 유지하기에 다소 열 전달 효율이 낮을 수 있다. Most of reformers are designed to integrate reformer and combustor for the smooth supply of heat, and various types of heat exchange methods are applied. Particularly, a compact reformer for a fuel cell uses a method of directly using the heat of the stacked flue gas, It is most preferable to directly use the heat of the stacked flue gas at a high temperature through the heat exchanger. However, since the temperature of the stacked flue gas is in the range of 800 to 850 ° C, the temperature of the reformer is increased to 800 ° C The heat transfer efficiency may be somewhat low.
그리고 기본적인 화염연소방식은 온도의 조절이 매우 어렵고 화염의 온도가 매우 높기 때문에 조연제로 사용되는 공기 중, 질소의 산화로부터 질소산화물이 생성되어 환경문제를 유발할 수 있다. Since the basic flame combustion method is very difficult to control the temperature and the temperature of the flame is very high, nitrogen oxides are generated from the oxidation of nitrogen in the air, which is used as an oxidizing agent, to cause environmental problems.
본 발명은 선박과 같은 수송수단에서 사용할 수 있는 자열개질기로, 액상연료를 개질하여 수소를 생산하기 위해 복수 개의 연소블럭 및 개질블럭을 교번으로 적층 배치하여 반응기를 이루어, 상기 연소블럭에서 발생된 연소열을 직접 개질블럭으로 전달하기 때문에 열에너지의 손실이 낮고, 상기 연소블럭 및 개질블럭의 공간 개폐가 용이해 촉매의 충전이 용이하며, 판 상의 열교환판을 이용하여 상기 연소블럭과 개질블럭을 서로 면접시켜 높은 열교환 면적을 확보하므로 열의 공급이 원활하고, 연료의 공급량에 따라 촉매 반응과정에서 발생되는 반응열을 조절할 수 있으며, 촉매연소기로 공급되는 반응물의 양을 조절하여 촉매층 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 과열에 의한 질소산화물의 생성도 억제할 수 있는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention relates to an autothermal reformer which can be used in a transportation means such as a ship and is a reactor in which a plurality of combustion blocks and reforming blocks are alternately stacked and arranged to produce hydrogen by reforming a liquid fuel, The combustion block and the reforming block can be easily opened and closed so that the catalyst can be easily charged and the combustion block and the reforming block can be interfaced with each other by using a heat exchange plate on the plate It is possible to adjust the amount of the reactant supplied to the catalytic combustor and to maintain the temperature inside the catalyst bed constantly by adjusting the amount of the reactant supplied to the catalytic combustor, , A liquid hydrocarbon fuel reforming which can suppress the generation of nitrogen oxides by overheating And to provide a reactor.
본 발명에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기는 일측에 연결된 연료가스 주입관을 통해 내부 공간으로 인입된 연료 및 공기를 촉매와 접촉시켜 촉매연소하여 발열하는 복수 개의 연소블럭과, 상기 연소블럭과 면접하게 배치되고, 상기 연소블럭에서 전도된 열을 이용하여, 일측에 연결된 연료가스 주입관을 통해 내부 공간으로 인입된 연료 및 공기를 촉매와 접촉시켜 연료를 개질하는 복수 개의 개질블럭과, 상기 연소블럭과 개질블럭 사이에 결합되어, 상기 연소블럭에서 발생한 열을 개질블럭으로 전달하는 복수 개의 열교환판과, 한 쌍으로 최외각에 위치하는 연소블럭 또는 개질블럭과 면접하고, 한 쌍이 서로 볼트와 너트의 체결로 결합되어, 한 쌍의 사이에 위치하는 연소블럭, 개질블럭 및 열교환판을 고정하는 외측마감판과, 상기 연소블럭 및 개질블럭 각각의 연료가스 주입관에 설치되어, 공급되는 액상 연료를 기화시키는 기화기, 및 상기 연소블럭 및 개질블럭 각각의 연료가스 주입관에 설치되어, 공급되는 공기를 예열하는 예열기를 포함하고, 상기 연소블럭은 내부에 공간을 형성하고, 전면과 배면을 개방한 프레임과, 상기 프레임의 공간 상측에 배치되고, 인입된 연료 및 공기를 분산시키는 한 쌍의 타공판과, 상기 타공판의 하부에 수직으로 배치되어, 상기 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이루도록, 촉매가 코팅된 다공성 금속 구조체인 메탈폼으로 이루어진 복수 개의 촉매플레이트를 포함한다.The reactor for reforming liquid hydrocarbon fuel according to the present invention comprises a plurality of combustion blocks for generating heat by catalytically burning fuel and air introduced into an inner space through a fuel gas injection tube connected to one side, A plurality of reforming blocks disposed in the combustion block and reforming the fuel by bringing the fuel and air introduced into the inner space into contact with the catalyst through the fuel gas injection tube connected to the one side using the heat transferred from the combustion block, A plurality of heat exchange plates coupled between the reforming blocks for transferring the heat generated in the combustion block to the reforming block and a combustion block or reforming block located at the outermost pair, An outer finishing plate for fixing the combustion block, the reforming block and the heat exchange plate located between the pair, And a preheater installed in the fuel gas injection tube of each of the reforming block to vaporize the supplied liquid fuel and a preheater installed in the fuel gas injection tube of each of the combustion block and the reforming block to preheat the air to be supplied, The combustion block includes a frame which forms a space therein and opens a front surface and a rear surface, a pair of perforated plates disposed above the space of the frame for dispersing the drawn fuel and air, And a plurality of catalyst plates made of metal foam, which is a porous metal structure coated with a catalyst, so as to form a channel through which fuel and air flow in the space.
이때, 본 발명에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기는 상기 복수 개의 연소블럭 중 어느 하나의 연소블럭을 기준으로 개질블럭 및 연소블럭을 교번하여 면접하게 적층 배치한다.At this time, in the reactor for reforming liquid hydrocarbon fuel according to the present invention, the reforming block and the combustion block are alternately stacked on the basis of any one of the plurality of combustion blocks.
그리고, 본 발명에 따른 상기 열교환판에 구비되어, 상기 열교환판과 밀착되는 연소블럭 및 개질블럭의 개방된 전면 또는 후면을 실링하여 상기 연소블럭 및 개질블럭 공간의 기밀이 유지되도록 하는 세라믹 소재의 실링재가 포함된다.A sealing material of a ceramic material, which is provided in the heat exchange plate according to the present invention to seal the open front or rear face of the combustion block and the reforming block in close contact with the heat exchange plate to maintain the airtightness of the combustion block and the reforming block space, .
또한, 본 발명에 따른 상기 촉매플레이트는 페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 그 표면에는 연소촉매가 코팅된다.Further, the catalyst plate according to the present invention is an alloy material of any one of ferroalloy (FeCrAl) and nickel (NiCrAl), and its surface is coated with a combustion catalyst.
더불어, 본 발명에 따른 상기 개질블럭은 내부에 공간을 형성한 사각형상의 프레임과, 상기 프레임의 공간 상측에 배치되고, 인입된 연료 및 공기를 분산시키는 한 쌍의 타공판과, 상기 타공판의 하부에 수직으로 배치되어, 상기 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이루는 복수 개의 개질촉매플레이트를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a reforming block comprising: a rectangular frame having a space formed therein; a pair of perforated plates disposed above the space of the frame for dispersing fuel and air introduced therein; And a plurality of reforming catalyst plates forming a channel through which fuel and air flow in the space.
이때, 상기 개질촉매플레이트는 페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 표면에는 개질촉매가 코팅된 완전 개방형 다공성 금속 구조체인 메탈폼으로 이루어진다.At this time, the reforming catalyst plate is made of a metal foam, which is a fully open porous metal structure in which a reforming catalyst is coated on the surface of any one of ferroalloy (FeCrAl) and nickel (NiCrAl).
그리고, 본 발명에 따른 상기 연소블럭의 연소가스 주입관에서 기화된 연료를 분사하는 연료노즐은 공기를 유동하는 통로의 종단에 배치하여, 상기 연소블럭 의 내부 공간에서 공기와 연료가 서로 혼합되도록 한다.The fuel nozzle for injecting fuel vaporized in the combustion gas injection pipe of the combustion block according to the present invention is disposed at the end of the passage for the air to mix air and fuel in the internal space of the combustion block .
본 발명의 일 실시에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기는 다음과 같은 효과를 가진다.The liquid hydrocarbon fuel reforming reactor according to one embodiment of the present invention has the following effects.
첫째, 복수 개의 연소블럭 및 개질블럭을 교번으로 적층 배치하여 반응기를 이루어, 상기 연소블럭에서 발생된 연소열을 직접 개질블럭에 전달하기 때문에 열에너지의 손실이 낮고, 상기 연소블럭 및 개질블럭의 공간 개폐가 용이해 촉매의 충전이 용이하며, 판 상의 열교환판을 이용하여 상기 연소블럭과 개질블럭을 서로 면접시켜 높은 열교환 면적을 확보하므로 열의 공급이 원활한 효과를 가진다.First, a plurality of combustion blocks and reforming blocks are alternately laminated to form a reactor. Since the combustion heat generated in the combustion block is directly transferred to the reforming block, thermal energy loss is low, and the combustion block and the space opening / Facilitates the charging of the catalyst, and the combustion block and the reforming block are interfaced with each other by using a heat exchange plate on the plate to secure a high heat exchange area, so that the heat supply is smooth.
둘째, 연료의 공급량에 따라 촉매 반응과정에서 발생되는 반응열을 조절할 수 있어 과열을 방지할 수 있고, 인입되는 반응물의 양을 조절하여 촉매층 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있으며, 과열에 의한 질소산화물의 생성도 억제할 수 있는 효과를 가진다.Second, the reaction heat generated in the catalytic reaction process can be controlled according to the fuel supply amount, thereby preventing the overheat. The amount of the reactant introduced can be controlled to maintain the temperature inside the catalytic layer constant. And also has an effect of suppressing the generation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기 분해하여 보인 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소블럭 및 개질블럭을 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기의 사용 예를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소블럭으로 유입되는 연료의 공간속도에 따른 반응기 내 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소블럭으로 유입되는 공기의 공간속도에 따른 반응기 내 온도변화를 나타낸 그래프이다.1 is an exemplary view showing a reactor for reforming liquid hydrocarbon fuel according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view showing decomposition of a liquid hydrocarbon reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view showing a combustion block and a reforming block according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating an example of the use of a liquid hydrocarbon reforming reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a temperature change in a reactor according to a space velocity of a fuel flowing into a combustion block according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a graph illustrating a temperature change in a reactor according to a space velocity of air introduced into a combustion block according to an embodiment of the present invention. FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, at the time of the present application, It should be understood that variations can be made.
본 발명은 선박과 같은 수송수단에서 사용할 수 있는 자열개질기로, 액상연료인 디젤을 개질하여 수소를 생산하도록, 복수 개의 연소블럭 및 개질블럭을 교번으로 적층 배치하여 반응기를 이루어, 상기 연소블럭에서 발생된 연소열을 직접 개질블럭에 전달하기 때문에 열에너지의 손실이 낮은 액체탄화수소 연료 개질용 반응기에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.The present invention relates to an autothermal reformer which can be used in a transportation means such as a ship and is a reactor in which a plurality of combustion blocks and reforming blocks are alternately stacked and arranged so as to produce hydrogen by reforming diesel as a liquid fuel, The present invention relates to a reactor for reforming a liquid hydrocarbon fuel, in which the heat of combustion is directly transferred to the reforming block and thus the loss of thermal energy is low, and will be described in more detail with reference to the drawings.
본 발명의 일 실시 예에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기(10)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 연소기인 연소블럭(100) 및 개질기인 개질블럭(200)을 복수 개로 구비하는데, 이때 상기 개질블럭(200)을 n개로 구비하면, 연소블럭(100)은 n+1개로 구비하는 것이 바람직하다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
그리고, 복수 개인 상기 연소블럭(100) 및 개질블럭(200)은 복수 개의 연소블럭(100) 중 어느 하나의 연소블럭(100)을 기준으로 하여 개질블럭(200), 연소블럭(100) 순으로 교번 면접하여, 상기 연소블럭(100) 및 개질블럭(200)가 샌드위치 형태로 적층되는 구조를 이루고, 상기 연소블럭(100)과 개질블럭(200)의 적층 수를 증가할수록 비례하여 반응기의 처리 용량도 증가한다.The plurality of the
이때, 상기 연소블럭(100)과 개질블럭(200) 사이에는 열교환판(300)을 배치하는데, 상기 열교환판(300)은 상기 연소블럭(100)과 개질블럭(200) 사이에 구비되어, 상기 연소블럭(100)에서 발생한 열을 개질블럭(200)으로 전달한다. A
또한, 상기 열교환판(300)의 표면에는 세라믹 소재의 실링재를 도포하여, 상기 상기 열교환판(300)과 밀착되는 연소블럭(100) 및 개질블럭(200)의 개방된 전면 또는 후면을 실링하여 상기 연소블럭(100) 및 개질블럭(200) 공간의 기밀이 유지되도록 해, 상기 열교환판(300)과 상기 연소블럭(100) 및 개질블럭(200)의 사이 틈을 통한 연료가스의 누출을 방지한다. A sealing material of a ceramic material is applied to the surface of the
상기한 연소블럭(100), 개질블럭(200) 및 열교환판(300)의 고정은 외측마감판(400)로 이루어지는데, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 외측마감판(400)은 한 쌍으로 구비하고, 상기 열교환판(300)을 사이에 두고 교번으로 적층된 상기 연소블럭(100) 및 개질블럭(200) 중 최외각에 위치하는 연소블럭(100) 또는 개질블럭(200)과 면접한 후, 한 쌍이 서로 볼트와 너트의 체결로 결합하여, 한 쌍의 외측마감판(400) 사이에 연소블럭(100), 개질블럭(200) 및 열교환판(300)을 고정한다.The fixing of the
그리고, 도 3을 참고하여 상기 연소블럭(100)을 보다 상세하게 살펴보면, 상기 연소블럭(100)은 내부 공간으로 인입된 연료 및 공기를 촉매와 접촉시켜 촉매연소하여 발열한다.Referring to FIG. 3, the
이때, 상기 연소블럭(100)은 내부에 공간을 형성하고, 전면과 후면이 개방된 프레임(110)을 포함하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임(110)은 철재로 가로 150mm, 세로 200mm, 두께 20mm인 사각형상을 이룬다.At this time, the
그리고, 상기 프레임(110)의 일측에는 상기 프레임(110)의 공간으로 연료 및 공기가 인입되도록 유도하는 연료가스 주입관(111)을 연결하고, 대향진 타측에는 연소에 의해 생성된 배기가스를 외부로 유도하는 배출관(112)을 연결한다.A fuel
상기 프레임(110)의 공간 상측에는 한 쌍의 타공판(113)을 상, 하로 배치하여, 상기 프레임(110)의 공간으로 인입된 연료 및 공기를 공간 전체에 고르게 확산되도록 분산시킨다.A pair of
이때, 한 쌍의 타공판(113) 중, 상측에 위치하는 타공판(113)은 하측에 위치하는 타공판(113)보다 타공의 크기를 크게 형성하는 것이 바람직하다.At this time, among the pair of
또한, 상기 타공판(113)의 하부에는 복수 개의 촉매플레이트(120)를 수직으로 배치하여, 상기 프레임(110)의 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이룬다.A plurality of
여기서, 상기 촉매플레이트(120)는 페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 완전 개방형 다공성 금속 구조체인 메탈폼 형태로 구비되는 것이 바람직하고, 표면에는 연소촉매를 코팅하고 있다.Here, the
또한, 상기 연소블럭(100)의 내부 공간으로 연료 및 공기를 인입하는 연료가스 주입관(111)에는 기화기(130) 및 예열기(140)를 구비하는데, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 기화기(130)는 연료가스 주입관(111)을 통해 공급되는 액상연료(디젤)를 기화시키면서 200℃까지 예열한 후, 상기 연소블럭(100)으로 제공하고, 상기 예열기(140)는 연료가스 주입관(111)을 통해 공급되는 공기를 400℃로 예열하여 상기 연소블럭(100)으로 제공한다.The fuel
여기서, 연소블럭(100)은 온도가 운전조건에 도달하면, 개질블럭(200)을 작동시켜 정상운전조건으로 유지하고, 때때로 연소블럭(100) 중 연료가스가 인입되는 연료가스 주입관(111) 측만 과열되는 현상이 발생하는데, 이는 반응기의 온도가 충분히 고온조건을 유지하는 상태로서 기화된 액상연료가 공기와 반응하여 연소하는 것이 원인이다.Here, when the temperature reaches the operating condition, the
이와 같은 현상은 반응기로 유입되기 전, 상기 연료가스 주입관(111)에서 연료가 연소되는 것으로서 연료가스 주입관(111) 내에서 연소하여 발생된 연소열이 연료가스 주입관(111) 측벽으로 열손실이 일어나기 때문에 연소기 내부에서 연소열이 충분히 얻어질 수 없다. This phenomenon occurs when the fuel is combusted in the fuel
그러므로 연료가스 주입관(111) 부분에서 연소반응이 일어나지 않게 하기 위해서는 기화된 연료와 예열된 공기가 연소블럭(100) 내에서 만날 수 있도록 하는 것이 바람직하다. Therefore, in order to prevent the combustion reaction from occurring in the portion of the fuel
따라서, 본 발명의 일 실시에 따른 연소블럭(100)의 연소가스 주입관(111)은 통로의 종단인 연소블럭(100) 측에 연료노즐(114)를 구비하고, 연소가스 주입관(111)을 통해서는 예열된 공기만을 인입하며, 기화된 연료는 상기 연소가스 주입관(111)에서 통로의 종단에서 분사되어, 상기 연소블럭(100) 내부 공간에서 공기와 연료가 서로 혼합된 후 촉매연소되도록 한다.The combustion
상기한 구성에 따라 연료와 공기를 각각 별도의 배관에서 가열하고, 연소블럭(100) 내부의 유입구에서 혼합된 후, 연소블럭(100) 내에서 촉매연소가 이루어지도록 해 연소가스 주입관(111)의 과열현상을 방지함은 물론, 연소블럭(100) 내부의 온도도 안정적으로 유지한다.According to the above-described configuration, the fuel and air are heated in separate pipes, mixed at the inlet of the
그리고, 상기 개질블럭(200)을 보다 상세하게 살펴보면, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 개질블럭(200)은 상기 연소블럭(100)과 면접하게 배치되고, 상기 연소블럭(100)에서 전도된 열을 이용하여, 내부 공간으로 인입된 연료 및 공기를 촉매와 접촉시켜 연료를 개질한다.3, the reforming
이때, 상기 개질블럭(200)은 내부에 공간이 형성되고, 전면과 후면이 개방된 프레임(210)을 포함하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 개질블럭(200)의 프레임(210) 역시, 철재로 가로 150mm, 세로 200mm, 두께 20mm인 사각형상을 이룬다.In this case, the reforming
여기서, 상기 개질블럭(200)의 프레임(210)의 두께 증가로 개질기의 용량을 증가시킬 수 있다.Here, the capacity of the reformer can be increased by increasing the thickness of the
상기 프레임(210)의 일측에는 상기 프레임(210)의 공간으로 연료 및 공기가 인입되도록 유도하는 연료가스 주입관(211)을 연결하고, 대향진 타측에는 연소에 의해 생성된 배기가스를 외부로 유도하는 배출관(212)을 연결한다.A fuel
그리고, 상기 프레임(210)의 공간 상측에는 한 쌍의 타공판(213)을 상, 하로 배치하여, 상기 프레임(210)의 공간으로 인입된 연료 및 공기를 공간 전체에 고르게 확산되도록 분산시킨다.A pair of
이때, 한 쌍의 타공판(213) 중, 상측에 위치하는 타공판(213)은 하측에 위치하는 타공판(213)보다 타공의 크기를 크게 형성하는 것이 바람직하다.At this time, among the pair of the
또한, 상기 타공판(213)의 하부에는 복수 개의 개질촉매플레이트(220)를 수직으로 배치하여, 상기 프레임(210)의 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이룬다.A plurality of reforming
여기서, 상기 개질촉매플레이트(220)는 페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 완전 개방형 다공성 금속 구조체인 메탈폼 형태로 구비되는 것이 바람직하고, 표면에는 개질촉매를 코팅하고 있다.Here, the reforming
더불어, 본 발명에 따른 상기 촉매플레이트() 및 개질촉매플레이트()는 코팅장치에 의해 메탈폼의 표면에 촉매를 코팅하는데, 상기 코팅장치는 원통형 챔버와 코팅액 중의 용매를 진공증발하여 제거하기 위한 가열히터와 아스피레이터로 구성하고, 개질촉매는 동일한 지지체에 로듐을 담지 하였으며, 귀금속 촉매의 담지량은 대략 0.02 wt%정도이다. In addition, the catalyst plate () and the reforming catalyst plate () according to the present invention coat the catalyst on the surface of the metal foam by a coating apparatus, and the coating apparatus includes a heating chamber for vacuum evaporation of the solvent in the cylindrical chamber and the coating liquid Heater and an aspirator, and the reforming catalyst has rhodium supported on the same support, and the loading amount of the noble metal catalyst is about 0.02 wt%.
상기한 메탈폼 형태의 촉매는 균일한 기공을 형성하고 있기 때문에 반응물의 유량을 높이더라도 압력강하가 적으므로 촉매층의 단위부피당 처리량을 높일 수 있다는 장점을 가지고, 이를 공간속도로 나타낼 경우, 약 23000 h-1정도 이다. Since the catalyst of the metal foam forms uniform pores, it has an advantage that the throughput per unit volume of the catalyst layer can be increased since the pressure drop is small even if the flow rate of the reactant is increased. -1.
또한, 금속 소재가 사용되므로 열전달에도 유리한 부분이 있고, 메탈폼 형태의 촉매플레이트 및 개질촉매플레이트는 반응기 내부에 유체의 흐름 방향으로 채널형태로 충전되며, 개질연료의 처리량에 따라 충전되는 개질촉매플레이트의 개수를 조절할 수 있다.The catalyst plate and the reforming catalyst plate in the form of a metal are filled in the form of a channel in the flow direction of the fluid inside the reactor, and the reforming catalyst plate, which is filled in accordance with the throughput of the reforming fuel, Can be adjusted.
도 4 내지 도 6을 참고하여 상기한 구성의 본 발명에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기의 실시 예를 살펴보면 다음과 같다.4 to 6, an embodiment of the reactor for reforming liquid hydrocarbon fuel according to the present invention having the above-described structure will be described.
본 발명에 따른 액체탄화수소 연료 개질용 반응기(10)의 연소기를 이루는 연소블럭은 시동을 위하여, 전기로를 이용한 핫 박스(20)의 초기 온도를 270 ~ 350℃로 가열한다. The combustion block constituting the combustor of the liquid
이때, 촉매연소의 초기 가열온도에 따라 반응기 내의 온도 상승속도는 달랐는데, 핫 박스의 온도가 높을수록 반응기 내 온도상승 속도는 빨라진다.At this time, depending on the initial heating temperature of the catalytic combustion, the temperature rising rate in the reactor was different. The higher the temperature of the hot box, the faster the temperature rise in the reactor.
또한, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 연료의 공급량에 따라 반응기 내부의 온도가 달라지고, 공간속도가 8000인 경우에는 연소블럭 내부의 온도가 약 600℃에 수렴하였으며, 공간속도를 단계적으로 증가시키면 반응기 내부의 온도도 단계적으로 상승하였다. Also, as shown in FIGS. 5 and 6, the temperature inside the reactor varied according to the amount of fuel supplied, and when the space velocity was 8000, the temperature inside the combustion block converged to about 600 ° C, The temperature inside the reactor also increased stepwise.
여기서, 공간속도 23000정도에서 연소블럭 내부의 온도는 약 980℃ 정도로 유지하면, 개질기를 이루는 개질블럭(200)의 온도도 약 750 ~ 800℃까지 상승하였으며, 개질 반응은 시동조건과 운전조건으로 구분하여 S/C 및 O2/C비를 조절하였다. When the temperature inside the combustion block is maintained at about 980 ° C at a space velocity of about 23000, the temperature of the reforming
개질기는 시동조건에서 부분산화반응에 의해서 반응기 내 온도가 약 870℃까지 상승하였고, 운전조건에서도 대략 820 ~ 850℃의 조건으로 유지한다.In the reformer, the temperature in the reactor was raised to about 870 ° C by the partial oxidation reaction under the starting condition, and maintained at about 820 to 850 ° C under the operating conditions.
이때, 핫 박스의 온도는 지속적으로 상승되어 약 750℃ 정도에서 수렴되었으며, 이미 전기로의 가열조건을 넘어선 전기로는 더 이상 가열히터가 작동되지 않는 상태로 운전상태를 유지한다. At this time, the temperature of the hot box continuously rises and converges at about 750 ° C., and the electric furnace which has already exceeded the heating condition of the electric furnace keeps the operation state in which the heating heater is no longer operated.
상기한 운전상태에서 약 700시간 동안 운전을 하였으며, 안정적인 운전조건이 유지되었다. The operation was performed for about 700 hours in the above-mentioned operation state, and the stable operation condition was maintained.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 액체탄화수소 연료 개질용 반응기
20: 핫 박스(Hot box)
100: 연소블럭
110, 210: 프레임
111, 211: 연료가스 주입관
112, 212: 배출관
113, 213: 타공판
120: 촉매플레이트
130: 기화기
140: 예열기
200: 개질블럭
220: 개질촉매플레이트
300: 열교환판
400: 외측마감판10: Reactor for liquid hydrocarbon fuel reforming
20: Hot box
100: Combustion block
110, 210: frame
111, 211: Fuel gas injection tube
112, 212: discharge pipe
113 and 213:
120: catalyst plate
130: vaporizer
140: preheater
200: reforming block
220: reforming catalyst plate
300: Heat exchange plate
400: outer finishing plate
Claims (7)
상기 연소블럭은 내부에 공간을 형성하고, 전면과 배면을 개방한 프레임과;
상기 프레임의 공간 상측에 배치되고, 인입된 연료 및 공기를 분산시키는 한 쌍의 타공판과;
상기 타공판의 하부에 수직으로 배치되어, 상기 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이루도록, 촉매가 코팅된 다공성 금속 구조체인 메탈폼으로 이루어진 복수 개의 촉매플레이트를 포함하는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
A plurality of combustion blocks for generating heat by catalytically burning the fuel and air drawn into the inner space through a fuel gas injection pipe connected to one side of the catalyst and contacting with the catalyst; A plurality of reforming blocks for reforming the fuel by bringing the fuel and air introduced into the inner space into contact with the catalyst through a fuel gas injection pipe connected to the one side of the reforming block and a reforming block connected between the combustion block and the reforming block, A plurality of heat exchange plates for transferring generated heat to a reforming block, and a combustion block or a reforming block positioned at an outermost pair, and a pair of the heat exchange plates are coupled to each other by fastening bolts and nuts, An outer finishing plate for fixing the combustion block, the reforming block, and the heat exchange plate; and an exhaust fin provided on the fuel gas injection pipe of each of the combustion block and the reforming block, And a preheater installed in the fuel gas injection tube of each of the combustion block and the reforming block for preheating the air to be supplied,
The combustion block having a space formed therein and having a front surface and a rear surface opened;
A pair of perforated plates disposed above the space of the frame for dispersing the introduced fuel and air;
And a plurality of catalyst plates made of a metal foam, which is a porous metal structure coated with a catalyst, so as to form a channel through which fuel and air flow in the space, the catalyst plate being vertically disposed at a lower portion of the perforated plate.
상기 복수 개의 연소블럭 중 어느 하나의 연소블럭을 기준으로 개질블럭, 연소블럭을 교번하여 면접하게 적층 배치하는 것을 특징으로 하는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
The method according to claim 1,
Wherein the reforming block and the combustion block are alternately stacked and arranged in a face-to-face manner based on any one of the plurality of combustion blocks.
상기 열교환판에 구비되어, 상기 열교환판과 밀착되는 연소블럭 및 개질블럭의 개방된 전면 또는 후면을 실링하여 상기 연소블럭 및 개질블럭 공간의 기밀이 유지되도록 하는 세라믹 소재의 실링재가 포함되는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
The method of claim 2,
And a sealing material of a ceramic material which is provided on the heat exchange plate to seal the open front or rear face of the combustion block and the reforming block in close contact with the heat exchange plate to maintain the airtightness of the combustion block and the reforming block space, Reforming reactor.
상기 촉매플레이트는
페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 그 표면에는 연소촉매가 코팅되는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
The method according to claim 1,
The catalyst plate
Wherein the combustion catalyst is coated on the surface of any one of ferroalloy (FeCrAl) or nickel (La) carbon (NiCrAl).
상기 개질블럭은
내부에 공간을 형성한 사각형상의 프레임과;
상기 프레임의 공간 상측에 배치되고, 인입된 연료 및 공기를 분산시키는 한 쌍의 타공판과;
상기 타공판의 하부에 수직으로 배치되어, 상기 공간 내에서 연료 및 공기가 통하는 채널을 이루는 복수 개의 개질촉매플레이트를 포함하는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
The method of claim 2,
The reforming block
A rectangular frame having a space formed therein;
A pair of perforated plates disposed above the space of the frame for dispersing the introduced fuel and air;
And a plurality of reforming catalyst plates arranged perpendicularly to a lower portion of the perforated plate to form a channel through which fuel and air flow in the space.
상기 개질촉매플레이트는
페크랄로(FeCrAl)이 또는 니크랄로(NiCrAl)이 중 어느 하나의 합금소재로 표면에는 개질촉매가 코팅된 완전 개방형 다공성 금속 구조체인 메탈폼으로 이루어지는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.
The method of claim 5,
The reforming catalyst plate
Wherein the reforming catalyst comprises a metal foam, which is a fully open porous metal structure having a surface coated with a reforming catalyst, either of ferroalloy (FeCrAl) or nichalor (NiCrAl).
상기 연소블럭의 연소가스 주입관에서 기화된 연료를 분사하는 연료노즐은
공기를 유동하는 통로의 종단에 배치하여, 상기 연소블럭의 내부 공간에서 공기와 연료가 서로 혼합되도록 한 것을 특징으로 하는 액체탄화수소 연료 개질용 반응기.The method according to claim 1,
The fuel nozzle for injecting the vaporized fuel in the combustion gas injection pipe of the combustion block
Wherein the fuel cell is disposed at an end of a passage through which air flows so that air and fuel are mixed with each other in an inner space of the combustion block.
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