KR102204580B1 - 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치 - Google Patents

고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 수증기 및 메탄가스의 유동 방향으로 연속되는 상류 구간, 중류 구간 및 하류 구간을 포함하고, 그 내부에 촉매가 충진되는 중공의 반응기; 및 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유 가열하는 코일부; 를 포함하고, 상기 코일부는, 상기 상류 구간의 외면에 권선되는 제1코일부; 상기 중류 구간의 외면에 권선되는 제2코일부; 및 상기 하류 구간의 외면에 권선되는 제3코일부; 를 포함하고, 상기 제1 내지 제3코일부는, 각각 독립적으로 전원을 인가받는다.

Description

고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치{REFORMING REACTION APPARATUS WITH HIGH-FREQUENCY INDUCTION HEATING FOR HYDROGEN PRODUCTION}
본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다.
수소 생산용 개질 반응기는, 메탄(CH4)과 같은 탄화수소(CXHX)를 개질하여 수소(H2)를 생산하는데 사용되는 것으로, 그 내부에 개질 반응의 활성화를 위한 촉매가 충진된 반응기 및 반응기 내부에서의 흡열 개질 반응을 지원하기 위한 가열기를 포함한다. 일반적으로 소정의 직경 및 길이의 파이프 형상으로 성형되는 반응기를 가스버너와 같은 가열기가 열을 제공한다.
종래에는, 가스를 연소시켜서 열을 제공하는 가스버너가 가열기로 주로 사용되었다. 따라서 종래에는, 가스버너의 경우에는, 가스가 연소되는 과정에서 배기가스가 발생되는 문제점뿐만 아니라, 가스의 연소에 의하여 발생되는 화염과 접촉되는 부분에 대한 매우 국부적인 가열이 이루어지므로, 전체적인 온도 제어가 용이하지 않으므로, 종국적으로 수소의 생산 효율이 저하되는 단점이 발생한다.
대한민국 등록특허 제1403699호(명칭: 열교환 장치를 내장한 일산화탄소 선택적 산화반응기 및 연료 개질 시스템) 대한민국 등록특허 제1353917호(명칭: 원료의 혼합과 분배가 개선된 연료 개질기)
본 발명은, 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 효율적인 수소의 생산이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 수증기 및 메탄가스의 유동 방향으로 연속되는 상류 구간, 중류 구간 및 하류 구간을 포함하고, 그 내부에 촉매가 충진되는 중공의 반응기; 및 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유 가열하는 코일부; 를 포함하고, 상기 코일부는, 상기 상류 구간의 외면에 권선되는 제1코일부; 상기 중류 구간의 외면에 권선되는 제2코일부; 및 상기 하류 구간의 외면에 권선되는 제3코일부; 를 포함하고, 상기 제1 내지 제3코일부는, 각각 독립적으로 전원을 인가받는다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 내지 제3코일부는, 각각 상이한 온도로 상기 상류 구간, 중류 구간 및 하류 구간을 유도 가열한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제3코일부가 상기 상류 구간 및 하류 구간을 가열하는 온도에 비하여 상기 제2코일부가 상기 중류 구간을 상대적으로 높은 온도로 유도 가열한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제3코일부는, 760℃의 온도로 상기 상류 구간 및 하류 구간을 유도 가열하고, 상기 제2코일부는, 830℃의 온도로 상기 중류 구간을 유도 가열한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 상류 구간은, 상기 반응기 전체 길이의 25%로 설정되고, 상기 중류 구간은, 상기 반응기 전체 길이의 50%로 설정되며, 상기 하류 구간은, 상기 반응기 전체 길이의 25%로 설정된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 촉매는, 상기 중류 구간 및 하류 구간에 해당하는 상기 반응기의 내부에만 충진된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 촉매는, 상기 하류 구간에 비하여 상기 중류 구간에 상대적으로 고밀도로 충진된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 중류 구간에 충진되는 상기 촉매의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간에 충진되는 상기 촉매의 양의 합(Sb2)의 비는, 3:1로 설정된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 상류 구간 및 하류 구간 중 적어도 어느 하나는, 수증기 및 메탄가스가 상기 반응기의 내부를 유동하는 방향으로 점차적으로 유동단면적이 감소하거나 증가되고, 상기 중류 구간은, 수증기 및 메탄가스가 상기 반응기의 내부를 유동하는 방향으로 유동단면적이 동일하게 설정된다.
본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에서는, 가열기가 반응기의 외면을 둘러싸도록 배치되는 유도 가열 코일을 포함한다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 보다 효율적으로 반응기의 내부, 실질적으로 수소의 생산을 위한 개질 반응에 소요되는 열을 제공할 수 있게 된다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 탄화수소의 유동방향을 기준으로 반응기를 상류부, 중류부 및 하류부로 구분하고, 코일의 권선 횟수, 촉매의 양 및 유동단면적을 조절함으로써, 동일한 재료 및 에너지를 사용하여 최종적으로 수소의 생산효율을 증진시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 단면도.
이하에서는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(1)는, 반응기(101) 및 코일부(200)를 포함한다. 실질적으로 상기 반응기(101)의 내부를 유동하는 수증기 및 메탄가스의 개질 반응에 의하여 수소가 생산된다. 이때 상기 반응기(101)의 내부에는 개질 반응의 활성화를 위한 촉매(300)가 충진되고, 상기 코일부(200)가, 흡열 개질 반응을 위한 열을 제공한다.
보다 상세하게는, 상기 반응기(101)는, 수증기 및 메탄가스가 그 내부를 유동하는 중공의 원형 또는 사각형 파이프 형상으로 형성될 수 있다. 특히, 본 실시예에서는, 상기 반응기(101)가, 수증기 및 메탄가스의 유동 방향으로 연속되는 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)을 포함한다. 따라서 실질적으로 수증기 및 메탄가스는, 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)을 순차적으로 유동할 것이다. 여기서, 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)은, 수소의 효율적인 생산을 위하여, 상기 반응기(101) 전체 구간을 후술할 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)가 권선되는 부분, 상기 촉매(300)의 충진량 및 유동단면적과 같은 인자가 가변되는 구간으로 구분한 것이다.
본 실시예에서는, 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)이, 각각 상기 반응기(101) 전체 길이의 20~30%, 40~60% 및 20~30%로 설정된다. 바람직하게는, 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)은, 상기 반응기(101) 전체 길이의 25%, 50% 및 25%로 설정된다.
다음으로, 상기 코일부(200)는, 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)를 포함한다. 실질적으로 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)는, 각각 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)의 외면에 권선된다.
본 실시예에서는, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)는, 각각 독립적으로 전원을 인가받는다. 따라서, 실질적으로, 본 실시예에서는, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)는, 각각 상이한 온도로 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)을 유도 가열할 수 있다.
특히, 상기 제1 및 제3코일부(210)(230)가 상기 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)을 가열하는 온도에 비하여 상기 제2코일부(220)가 상기 중류 구간(101B)을 상대적으로 높은 온도로 유도 가열한다. 예를 들면, 상기 제1 및 제3코일부(210)(230)는, 760℃의 온도로 상기 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)을 유도 가열하고, 상기 제2코일부(220)는, 830℃의 온도로 상기 중류 구간(101B)을 유도 가열할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 상기 촉매(300)가, 상기 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)에 해당하는 상기 반응기(101)의 내부에만 충진된다. 특히, 본 실시예에서는, 상기 촉매(300)가, 상기 하류 구간(101C)에 비하여 상기 중류 구간(101B)에 상대적으로 고밀도로 충진된다. 바람직하게는, 상기 중류 구간(101B)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간(101C)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb2)의 비가, 7:3 내지 8:2로 설정된다. 보다 바람직하게는, 상기 중류 구간(101B)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간(101C)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb2)의 비가, 3:1로 설정된다.
이와 같은, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)에 의하여 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)이 유도 가열되는 온도, 및 상기 중류 구간(101B)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간(101C)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb2)의 비는, 후술할 바와 같이, 본 발명의 발명자의 실험에 의하여 수소의 생산을 위하여 최적화된 값으로 확인된 것이다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 단면도이다. 본 실시예의 구성 요소 중 상술한 본 발명의 제1실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는, 도 1의 도면 부호를 원용하고, 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(2)에서는, 상류 구간(102A) 및 하류 구간(102C) 중 적어도 어느 하나가, 수증기 및 메탄가스가 반응기(102)의 내부를 유동하는 방향으로 점차적으로 유동단면적이 감소하거나 증가되고, 중류 구간(102B)은, 수증기 및 메탄가스가 상기 반응기(102)의 내부를 유동하는 방향으로 유동단면적이 동일하게 설정된다. 따라서, 실질적으로, 상기 상류 구간(102A)에서는 수증기 및 메탄가스의 유속은 점차적으로 증가되고, 상기 하류 구간(102C)에서는 수증기 및 메탄가스의 유속은 점차적으로 감소되며, 상기 중류 구간(102B)에서는 수증기 및 메탄가스의 유속이 상기 상류 구간(102A) 및 하류 구간(102C)에 비하여 상대적으로 증가된 값을 유지한다. 본 실시예에서는, 상기 상류 구간(102A) 또는 하류 구간(102C)의 유동단면적의 최대값은, 그 최소값의 20%이내에서 증가 또는 감소된다.
이하에서는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 효율을 그 실험값을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 실험에 사용된 반응기(101)로는, 80mm의 내경, 20mm의 두께 및 2,000mm의 길이를 갖는 인코넬(inconel) 재질의 원형 파이프가 사용되었고, 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)이, 상기 반응기(101) 전체 길이의 25%, 50% 및 25%로 설정되었다. 그리고, 코일부(200)로는, 피복층을 포함하여 15mm＊10mm의 장방형 단면을 갖는 구리 재질의 코일이 사용되었고, 상기 코일부(200)는, 상기 반응기(101)의 외주면에 10mm 간격으로 권선되었다. 또한, 촉매(300)로는, 총량 8L의 니켈-알루미늄 촉매(Ni/Al2O3)가 상기 반응기(101)의 내부에 충진되었다. 상기 반응기(101)의 내부로는, 3:1비의 수증기(H2O)와 메탄가스(CH4)가 6,000h-1의 공간속도로 공급되었다.
<실험예 1>에서, 상기 제1 및 제3코일부(210)(230)에는, 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)이 각각 760℃의 온도로 유도 가열되도록 전원이 인가되었고, 상기 제2코일부(220)에는, 중류 구간(101B)이 830℃의 온도로 가열되도록 전원이 인가되었다. 그리고, <실험예 1>에서, 상기 촉매(300)는, 상기 반응기(101)를 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)으로 구분하지 않고 그 총량이 상기 반응기(101)의 내부에 고르게 충진되었다.
<실험예 2>에서, 상기 제1 내지 제3코일부(200)에 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)이 800℃의 온도로 가열되도록 전원이 인가되었다. 실질적으로, <실험예 1>에서 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)에 인가되는 전원의 총합과 <실험예 2>에서 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)에 인가되는 전원의 총합이 동일하게 설정되었다. 그리고, <실험예 2>에서, 상기 촉매(300)는, 상기 중류 구간(101B)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간(101C)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb2)의 비가, 3:1이 되도록 상기 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)에만 충진된다.
다음으로, <실험예 3>에서는, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)로의 전원의 공급은 <실험예 1>과 동일하게 진행되었다. 그리고, <실험예 3>에서는, 상기 촉매(300)의 충진은 <실험예 2>와 동일하게 진행되었다.
<실험예 4>의 경우에는, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)로의 전원의 공급 및 상기 촉매(300)의 충진은, <실험예 3>과 동일하게 진행되었다. 그리고 <실험예 4>에서는, 상기 상류 구간(102A)은, 상대적으로 상류측 선단의 내경이 140mm가 되도록 그 유동단면적이 점차적으로 감소되었고, 상기 하류 구간(102C)은, 상대적으로 하류측 선단의 내경이 140mm가 되도록 그 유동단면적이 점차적으로 증가되었다.
마지막으로, <비교예>의 경우에는, 상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)로의 전원의 공급은 <실험예 2>와 동일하게 진행되었고, 상기 촉매(300)의 충진이 상기 반응기(101)의 전체에 고르게 이루어졌다.
이와 같은, <실험예 1> 내지 <실험예 4> 및 <비교예>에 대한 실험 결과는 아래의 [표 1]과 같다.
실험예 1 실험예 2 실험예 3 실험예 4 비교예 1
CH4전환율(%) 92 94 96 98 90
H2분율(%) 72 74 76 78 70
수소생산량g(Nm3/h) 38 40 42 45 34
<실험예 1>과 <비교예>의 실험 결과를 대비하면, 동일한 전원의 총량을 사용하여 상기 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)에 비하여 상기 중류 구간(101B)이 고온으로 가열하는 경우에 상대적으로 수소의 생산 효율이 증진됨을 확인할 수 있다. 또한 <실험예 2>와 <비교예>의 실험 결과를 대비하면, 상기 촉매(300)의 충진량을 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)으로 구분하여 설정하는 경우에 상대적으로 수소의 생산 효율이 증진됨을 확인할 수 있다.
그리고 <실험예 3>과 <실험예 1> 및 <실험예 2>의 실험 결과를 대비하면, 상기 상류 구간(101A), 중류 구간(101B) 및 하류 구간(101C)의 가열 온도 및 상기 촉매(300)의 충진을 모두 조절하는 경우가, 그 중 어느 하나만 조절하는 경우에 비하여 그 수소 생산 효율의 향상이 더욱 증가됨을 확인할 수 있다. 또한, <실험예 4>와 <실험예 3>의 실험 결과를 대비하면, 추가적으로, 상기 반응기(102)의 형상을 가변하는 경우가 보다 향상된 수소 생산 효율을 기대할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
101: 반응기 200: 코일부
300: 촉매

Claims (9)

  1. 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서:
    수증기 및 메탄가스의 유동 방향으로 연속되는 상류 구간(101A)(102A), 중류 구간(101B)(102B) 및 하류 구간(101C)(102C)을 포함하고, 그 내부에 촉매(300)가 충진되는 중공의 반응기(101)(102); 및
    상기 반응기(101)(102)의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기(101)(102)를 유도 가열하는 코일부(200); 를 포함하고,
    상기 코일부(200)는,
    상기 상류 구간(101A)(102A)의 외면에 권선되는 제1코일부(210);
    상기 중류 구간(101B)(102B)의 외면에 권선되는 제2코일부(220); 및
    상기 하류 구간(101C)(102C)의 외면에 권선되는 제3코일부(230); 를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3코일부(210)(220)(230)는, 각각 독립적으로 전원을 인가받으며,
    상기 제1 및 제3코일부(210)(230)가 상기 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)을 가열하는 온도에 비하여 상기 제2코일부(220)가 상기 중류 구간(101B)을 상대적으로 높은 온도로 유도 가열하고,
    상기 상류 구간(101A)(102A)은, 상기 반응기(101)(102) 전체 길이의 25%로 설정되며,
    상기 중류 구간(101B)(102B)은, 상기 반응기(101)(102) 전체 길이의 50%로 설정되고,
    상기 하류 구간(101C)(102C)은, 상기 반응기(101)(102) 전체 길이의 25%로 설정되며,
    상기 촉매(300)는, 상기 중류 구간(101B)(102B) 및 하류 구간(101C)(102C)에 해당하는 상기 반응기(101)(102)의 내부에만 충진되고,
    상기 촉매(300)는, 상기 하류 구간(101C)(102C)에 비하여 상기 중류 구간(101B)(102B)에 상대적으로 고밀도로 충진되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제3코일부(210)(230)는, 760℃의 온도로 상기 상류 구간(101A) 및 하류 구간(101C)을 유도 가열하고,
    상기 제2코일부(220)는, 830℃의 온도로 상기 중류 구간(101B)을 유도 가열하는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중류 구간(101B)(102B)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb1) 및 상기 하류 구간(101C)(102C)에 충진되는 상기 촉매(300)의 양의 합(Sb2)의 비는, 3:1로 설정되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상류 구간(102A) 및 하류 구간(102C) 중 적어도 어느 하나는, 수증기 및 메탄가스가 상기 반응기(102)의 내부를 유동하는 방향으로 점차적으로 유동단면적이 감소하거나 증가되고,
    상기 중류 구간(102B)은, 수증기 및 메탄가스가 상기 반응기(102)의 내부를 유동하는 방향으로 유동단면적이 동일하게 설정되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
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