KR102315289B1 - 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열원을 중심으로 동심원으로 배치되는 각각의 개질 반응기에 연소가스를 균등 분배시켜 연소가스의 불균등 분배에 의한 일부 개질 반응기의 활성저하를 방지하여 기대하는 반응 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 수증기 개질장치의 구동에 따른 안정성을 크게 향상시킬 수 있고, 국부 가열에 따른 열 변형에 의해 그 성능이 영향을 받지 않도록 고안되어 장기간 사용에 따른 생산성과 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있는, 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수증기 개질장치 내부에 위치한 다수의 개질 반응기에 균일한 반응열을 제공하여 수증기 개질장치의 개질 효율을 향상시킬 수 있는, 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜서 전기와 열을 동시에 발생시키는 발전시스템이다. 이러한 연료전지는 에너지효율이 우수하여 내연기관을 대체할 것으로 예상되므로, 가까운 미래에는 수소의 안정적인 공급이 연료전지가 미래의 대체에너지로 사용되기 위한 필수요소라 할 수 있다.
연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 방법과 수소를 함유하고 있는 원료를 수증기 개질 반응하여 수소를 생산하는 수증기 개질 반응을 이용한 방법이 있다. 이때, 천연가스, LPG, 납사, 휘발유, 등유 등 모든 종류의 탄화수소가 원료로 사용될 수 있다. 또한, 상기의 수증기 개질 반응은 고온에서 촉매의 존재하에 일어난다.
따라서, 수증기 개질 반응이 일어나는 장소에는 촉매가 필요하며, 수증기 개질 반응에 필요한 열이 공급되어야 한다.
종래에는 상기 수증기 개질 반응에 필요한 열을 별도의 장소에서 연소시킨 다음, 이 열을 수소 발생 장치에 전달하는 방식이 사용되었으나, 장치의 대형화 및 고온의 연소가스의 전달 과정에서 열손실이 발생하므로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
최근에는 관형 또는 판형 금속을 이용하여 수소 발생 장치의 내부를 두 구역으로 구획한 다음 한쪽 구역은 수증기 개질 구역(개질부)으로, 다른 한쪽 구역은 수증기 반응에 필요한 열을 발생시키는 구역(연소부)으로 나누어 사용토록 하고 있다(특허문헌 0001 및 특허문헌 0002 참조).
이때, 상기 개질부의 촉매는 많은 경우 직경이 크지 않은 촉매 반응기 내에 위치하며, 수소 발생 장치의 용량과 크기에 따라 여러 개의 촉매 반응기들을 열원 주위에 대칭적으로 설치하고 있다. 또한, 상기 연소부에서 발생한 열은 복사 혹은 연소가스의 대류에 의해 촉매 반응기로 전달되어 수증기 개질 반응에 이용된다.
그러나 이와 같은 연소가스를 이용한 열전달 방식은 연소가스의 불균일 흐름에 의해 각 반응기에 고르게 열을 전달하지 못할 가능성이 높으며, 결과적으로 충분히 열을 공급받지 못한 반응기에서 수증기 개질 반응이 원활하게 진행되지 못하여 반응기 성능 및 전체 효율을 저하시키는 원인이 되고, 연소부에서 발생한 열을 직접적으로 전달받는 반응기에서는 국부 가열 위험이 있는 동시에 개질가스에 의한 금속침탈 등에 의한 손상을 유발하여 결과적으로 개질 반응 장치의 내구성을 약화시키게 된다.
따라서, 수증기 개질 장치에 있어서, 연소가스의 불균일 흐름에 따른 문제점을 해소하고, 각 개질 반응기에 같은 양의 열을 균일하게 공급시켜 개질 장치내 반응열에 대한 열교환 높일 수 있는 수증기 개질 장치에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연소가스의 불균일 흐름에 따른 문제점을 해소하고, 각각의 개질 반응기에 같은 양의 열을 균일하게 공급시킴으로써, 개질 반응기의 국부 가열을 억제하는 동시에 개질 반응기간 온도 편차를 줄여 반응 균일성을 향상시킬 수 있는, 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 내부 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징의 내부 공간 중심에 배치되며, 연소가스를 발생시키는 열원; 상기 열원을 중심으로 동심원에 배열되고, 원료가스를 개질하는 하나 이상의 개질 반응기; 상기 개질 반응기와 열원 사이의 공간에 상호 이격되어 배치되며, 상기 열원의 연소가스가 도입되는 단부의 타단부는 폐쇄되고, 측면부에는 개질 반응기로 열원의 연소가스가 배출될 수 있도록 다수개의 연소가스 배출홀이 형성된 연소가스 도관; 상기 개질 반응기와 하우징 내면 사이의 공간에 배치되며, 개질 반응기의 일면과 대향하는 외주면이 상기 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상으로 형성되어 있는 단열 부재; 및 상기 하우징 일측 단부에 구비되며, 상기 연소가스 도관의 연소가스 배출홀을 통과한 연소가스를 외부로 배출시키는 연소가스 배출관;을 포함하고, 상기 연소가스 배출홀은 연소가스 도관으로 유입된 연소가스를 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 사이의 공간으로 배출되도록 상기 연소가스 도관에 형성된 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단열 부재는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 1]
b ≤ a 또는/및 b ≤ a'
식 1에서 a는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 일측 지점을 일직선으로 연장한 제1 가상선의 길이이고, a'는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 타측 지점을 일직선으로 연장한 제2 가상선의 길이이며, b는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 단열 부재 외주면의 임의의 한점을 일직선으로 연장한 가상선 중 가장 짧은 제3 가상선의 길이이다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단열 부재는 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 2]
b ≤ a = a'
식 2에서 a는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 일측 지점을 일직선으로 연장한 제1 가상선의 길이이고, a'는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 타측 지점을 일직선으로 연장한 제2 가상선의 길이이며, b는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점과 단열 부재 외주면의 임의의 한 점을 일직선으로 연장한 가상선 중 가장 짧은 제3 가상선의 길이이다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단열 부재는 일측이 연소가스 배출관과 연통되고, 타측은 개방된 연소가스 배기통로가 소정 간격으로 내부에 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 개질 반응기는 일측 단부가 폐쇄된 외측관; 상기 외측관의 내측으로 이격 배치되고, 일측 단부가 개방된 내측관; 및 상기 내측관 외면과 외측관 내면 사이의 공간에 개질촉매가 충진된 개질촉매부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 하우징은 개질 반응기가 관통될 수 있는 홀을 구비하고, 상기 개질 반응기를 고정하는 지지부재를 구비하며, 상기 개질 반응기는 원료가스가 주입되는 원료가스 주입부 및 개질가스가 배출되는 개질가스 배출부가 지지부재 일측에 노출되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 수증기 개질장치는 열원을 중심으로 동심원으로 배치되는 각각의 개질 반응기에 연소가스를 균등 분배시켜 연소가스의 불균등 분배에 의한 일부 개질 반응기의 활성저하를 방지하여 기대하는 반응 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 수증기 개질장치의 구동에 따른 안정성을 크게 향상시킬 수 있고, 국부가열에 따른 열 변형에 의해 그 성능이 영향을 받지 않도록 고안되어 장기간 사용에 따른 생산성과 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 3D 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 단열 부재 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개질 반응기 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 3D 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 단열 부재 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개질 반응기 사시도이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
본 발명에 기재된 "다중 개질 반응기"는 수소 제조장치 내 구비되는 개질 반응이 수행되는 반응기가 수증기 개질장치 내에 하나 이상 구비되는 것을 의미한다.
본 발명에 기재된 "원료"는 탄화수소계 탄소화합물 및 물을 포함하는 액체상 또는 기체상 물질을 총칭하는 것을 의미한다.
또한, 명세서 및 첨부된 특허 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 발명은 일 관점에서 내부 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징의 내부 공간 중심에 배치되며, 연소가스를 발생시키는 열원; 상기 열원을 중심으로 동심원에 배열되고, 원료가스를 개질하는 하나 이상의 개질 반응기; 상기 개질 반응기와 열원 사이의 공간에 상호 이격되어 배치되며, 상기 열원의 연소가스가 도입되는 단부의 타단부는 폐쇄되고, 측면부에는 개질 반응기로 열원의 연소가스가 배출될 수 있도록 다수개의 연소가스 배출홀이 형성된 연소가스 도관; 상기 개질 반응기와 하우징 내면 사이의 공간에 배치되며, 개질 반응기의 일면과 대향하는 외주면이 상기 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상으로 형성되어 있는 단열 부재; 및 상기 하우징 일측 단부에 구비되며, 상기 연소가스 도관의 연소가스 배출홀을 통과한 연소가스를 외부로 배출시키는 연소가스 배출관;을 포함하고, 상기 연소가스 배출홀은 연소가스 도관으로 유입된 연소가스를 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 사이의 공간으로 배출되도록 연소가스 도관에 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치에 관한 것이다.
이하 도면 및 구체예를 들어 본 발명에 따른 수증기 개질장치를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수증기 개질장치의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 유체 흐름을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 3D 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 단열 부재 사시도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치의 개질 반응기 사시도이다.
도 1 내지 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치(1)는 하우징(100), 열원(200), 개질 반응기(300), 연소가스 도관(400), 단열부재(500) 및 연소가스 배출관(600)를 포함한다.
상기 하우징(100)은 내부에 열원(200)을 비롯하여 각종 구성 부품이 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하며, 하우징 내부 공간 중심에는 열원(200)을 구비하고, 상기 구비된 열원을 중심으로 동심원으로 하나 이상의 개질 반응기(300)가 배치된다. 상기 개질 반응기(300)는 그 형상이 원통형인 것일 수 있으나, 이에 제한받지 않는다.
상기 열원(200)은 외부로부터 공기와 연료를 공급받아 연소시키는 공정을 수행하여 개질 반응에 필요한 연소가스와 반응열을 생성하고 공급한다. 상기 열원(200)은 버너(burner)일 수 있으나, 수증기 개질 반응에 필요한 열을 발생시킬 수 있는 가열 장치는 제한 없이 적용 가능하며, 하우징(100) 상단부 또는 하단부에 배치될 수 있다.
상기 열원(200)에서 발생한 연소가스는 연소가스 도관(400)을 통해 각각의 개질 반응기(300)에 열을 전달한다.
상기 연소가스 도관(400)은 개질 반응기(300)와 열원(200) 사이의 공간에 상호 이격되어 배치되고, 상기 열원(200)의 연소가스가 도입되는 연소가스 도관의 단부의 타단부는 폐쇄된 동시에 측면부에는 다수개의 연소가스 배출홀(410)이 형성되어, 상기 연소가스 배출홀(410)을 통해 열원(200)로부터 발생된 연소가스를 개질 반응기(300)로 균일하게 배출시킬 수 있다.
일반적으로 열원에서 발생된 연소가스는 연소에 의해 화염 형태로 열을 분사한다. 이와 같이 분사된 화염은 열원에 인접한 개질 반응기의 일부 측면을 국부적으로 가열하여 균일한 반응이 일어나지 않아 반응 안정성과 전환 효율이 저하되고, 개질 반응기 내 또는 개질 반응기 간의 반응 편차가 심하여 운전, 유지 및 관리에 어려움이 있으며, 장치 내 고가의 내열 재료가 요구되는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명에서는 열원(200)과 개질 반응기(300) 사이 공간에 연소가스 도관(400)을 구비함으로써, 화염으로부터 개별 개질 반응기로의 직접적인 접촉을 방지할 수 있고, 연소가스 도관(400)에 형성된 다수개의 연소가스 배출홀(410)을 통해 균일하게 연소가스의 열을 분배하여 개질 반응기에 전달시킬 수 있어 다수의 개질 반응기의 구성에도 국부 가열에 따른 열 변형을 방지하고, 연소가스의 불균일 흐름에 따른 문제점을 해결할 수 있다.
이때, 상기 연소가스 도관의 연소가스 배출홀(410)은 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이의 공간(TS)으로 연소가스가 배출될 수 있도록 연소가스 도관(400)에 일정 간격으로 형성될 수 있다.
전술된 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기에 있어서, 상기 개질 반응기는 하나의 개질 반응기 또는 두 개 이상의 개질 반응기가 하나로 묶인 개질 반응기 세트일 수 있고, 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 역시, 상기 개질 반응기에 이웃하는 하나의 개질 반응기 또는 두 개 이상의 개질 반응기가 하나로 묶인 개질 반응기 세트일 수 있다.
일 예로 본 발명의 도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 연소가스 도관의 연소가스 배출홀(410)은 두 개의 개질 반응기가 하나로 묶인 개질 반응기 세트와 상기 개질 반응기 세트에 이웃하는 두 개의 개질 반응기가 하나로 묶인 개질 반응기 세트 사이의 공간(TS)으로 연소가스가 배출될 수 있도록 연소가스 도관에 형성시킬 수 있다.
이와 같이 상기 연소가스 배출홀(410)에 의해 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이의 공간(TS)으로 배출된 연소가스는 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이 공간에 위치한 단열 부재(500)의 내측 외주면에 부딪혀 연소가스 흐름에 와류(vortex)를 형성시키고, 와류로 형성된 연소가스는 연소가스가 직접 접촉되지 않는, 단열 부재(500)와 개질 반응기(300, 300') 사이 공간(DS)으로 용이하게 안내된다.
상기 연소가스 배출홀(410)의 크기는 수증기 개질장치의 형태 및 크기 등에 따라 조절할 수 있으며, 바람직하게는 열원의 연소가스가 도입되는 연소가스 도관의 단부에서 타단부 방향으로 갈수록 연소가스 배출홀의 크기가 커지는 것을 특징으로 할 수 있다. 이와 같은 연소가스 배출홀(410)의 크기는 열원에 가까이 배치된 개질 반응기 측면과 연소가스의 직접적인 접촉을 방지함과 동시에 열원과 거리가 먼 개질 반응기 부분까지 연소가스를 원활하게 공급할 수 있어 효율적인 열 전달을 유도하여 개질 반응 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 연소가스 배출홀(410)은 오리피스(orifice) 구조로, 연소가스 배출홀의 연소가스 유입구에서 연소가스 배출구로 갈수록 연소가스 배출홀의 홀의 크기가 증가하여 연소가스 도관 내에서의 연소가스의 유속을 증가시켜 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 사이로 연소가스를 효율적으로 배출시키고, 배출된 연소가스는 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 사이 공간의 단열 부재(500)에 부딪혀 연소가스의 와류(vortex flow) 형성을 촉진시킬 수 있다.
상기 개질 반응기(300)는 하우징의 내부 중심에 위치하는 열원(200)을 중심으로 동심원에 배열되고, 원료가스의 개질 반응이 수행된다. 상기 개질 반응기(300)는 열원(200)을 중심 기준으로 하여 일정 반경의 위치에 다수 개가 형성될 수 있다. 이때, 개질 반응기의 개수 및 배치 구조는 제한되지 않으나, 바람직하게는 수증기 개질장치의 용량, 컴팩트화, 효율적인 열 교환 등을 위해 조절될 수 있다.
상기 개질 반응기(300)에서는 반응원료인 탄화수소계 탄소화합물의 원료가스와 수증기가 수소를 포함하는 개질가스로 전환되는 개질 반응이 일어나며, 그 형태는 크게 제한되지 않지만, 베요넷(bayonet) 튜브 형태일 수 있다.
또한, 상기 개질 반응기(300)는 외측관(310)와 내측관(320)으로 구성되는 이중관 구조를 가질 수 있다. 상기 외측관(310)은 일측 단부가 폐쇄되어 있고, 상기 내측관(320)은 외측관의 내측으로 이격 배치되며 일측 단부가 개방되어 있는 형태일 수 있다. 또한, 상기 외측관(310)) 내면과 내측관(320) 외면 사이의 공간에는 개질촉매가 충진된 개질 촉매부(330)가 포함된다.
상기 개질 촉매부(330)에는 원료가스의 개질 반응을 위한 것으로 개질촉매가 충진된다. 상기 개질촉매로는 그 종류에 크게 제한되는 것은 아니지만, 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 백금, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 개질 반응기(300)는 일측이 수증기 개질장치에 고정될 수 있다. 즉 개질 반응기 일측만이 하우징(100)에 고정될 수 있다. 상기 개질 반응기 외측면은 열원으로부터 발생된 연소가스가 접촉하여 열이 전달된다. 전달된 열은 개질 반응기에서 진행되는 흡열 반응인 개질 반응에 이용된다.
상기 개질 반응기(300)에서는 일측에 구비된 원료가스 주입부(350)로부터 원료가스가 공급되고, 공급된 원료가스는 외측관(310)과 내측관(320) 사이의 개질 촉매부(330)를 통과하면서 개질 반응을 수행한다. 상기 개질 촉매부를 통과하면서 개질된 개질가스는 내측관(320)으로 빠져나와 개질가스 배출부(360)로 배출된다. 이때, 상기 개질가스는 내측관(320)을 통과하면서 개질가스가 가지고 있는 열 또한 개질가스 촉매부의 개질촉매에 전달할 수 있어 열을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 상기 개질 반응기는 하우징에 구비된 홀(미도시)에 고정되어 장착되며, 상기 개질 반응기(300)는 상기 홀과 접합된 지지부재(미도시)에 의해 고정될 수 있다. 상기 개질 반응기(300)는 원료가스가 주입되는 원료가스 주입부(350) 및 개질가스가 배출되는 개질가스 배출부(360)가 상기 지지부재의 상단에 노출될 수 있으며, 이에 따라 노출된 부위의 단열을 위하여 하우징 외부에 추가 하우징을 구비하거나 단열 부재를 이용하여 노출 부위를 단열시킬 수 있다.
상기 단열 부재(500)는 개질 반응기(300)와 하우징(100) 내면 사이의 공간에 배치되며, 개질 반응기(300)의 일면과 대향하는 내측 외주면이 상기 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 단열 부재(500)는 기하학적 형상으로 제공될 수 있고, 특히 하우징 내에 배치된 개질 반응기의 일면과 대향하는 단열 부재의 내측 외주면은 개질 반응기의 상기 일면의 형상에 대응되도록 형성되며, 상기 개질 반응기의 상기 일면과 단열 부재의 상기 내측 외주면 사이에 연소가스가 유동될 수 있도록 공간(DS)을 제공하도록 크기가 조절될 수 있다.
상기 단열 부재(500)의 형상은 개질 반응기 일면과 대응(합치)되는 형상으로, 열전달 비율, 유동 균일성, 압력 강하 등의 측면에서 바람직하게 원호 형상일 수 있으며, 그 형상의 수는 하우징 내에 구비된 개질 반응기(300)의 수와 동일할 수 있고, 단열 부재의 길이는 개질 반응기 길이보다 길거나 또는 동일할 수 있다.
또한, 단열 부재(500)는 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이 공간(TS)에 위치된 단열 부재의 내측 외주면 형상을 조절하여 균일하고 원활한 연소가스의 열 공급을 유도할 수 있다.
상기 단열 부재(500)는 하기 식 1, 바람직하게는 하기 식 2를 만족하는 것으로, 하기 식 1 및 2에서 a는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 일측 지점(IP)을 일직선으로 연장한 제1 가상선의 길이이고, a'는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 타측 지점(IP')을 일직선으로 연장한 제2 가상선의 길이이며, b는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 단열 부재 외주면의 임의의 한점(RP)을 일직선으로 연장한 가상선 중 가장 짧은 제3 가상선의 길이이다.
[식 1]
b ≤ a 또는/및 b ≤ a'
[식 2]
b ≤ a = a'
단열 부재에 있어서, 상기 식 1과 같이, 상기 제3 가상선의 길이(b)가 제1 가상선의 길이(a) 및/또는 제2 가상선의 길이(a')보다 작거나 같을 경우에는 연소가스 배출홀(410)과 대향되는 단열 부재(500)의 표면(외주면)이 개질 반응기와 단열 부재 사이의 공간(DS)으로 연소가스가 원활하게 유입될 수 있는 형상으로 형성됨에 따라 개질 반응기와 단열 부재 사이의 공간(DS)으로도 연소가스의 유동을 용이하게 유도할 수 있어 개질 반응기 내의 반응 온도 편차를 줄임으로써 전체적으로 균일한 반응을 실시할 수 있다.
특히 상기 식 2와 같이, 상기 제1 가상선의 길이(a)와 제2 가상선의 길이(a')가 동일하면서, 제1 가상선의 길이(a)와 제2 가상선의 길이(a')가 제3 가상선의 길이(b)보다 클 경우에는 연소가스가 접촉된 단열 부재의 일측에 배치된 개질 반응기 또는 타측에 배치된 개질 반응기에 머물려 있지 않고, 각각의 개질 반응기에 균일하게 연소가스를 유동시킬 수 있어 효율적인 대류 열교환을 유도할 수 있다.
만일, 제3 가상선의 길이(b)가 제1 가상선의 길이(a) 및/또는 제2 가상선의 길이(a')보다 클 경우에는 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 일측 지점(IP) 또는 타측 지점(IP')이 개질 반응기와 단열 부재 사이의 유입 공간을 막거나, 연소가스의 와류 형성을 방해하여 연소가스의 개질 반응기와 단열 부재 사이 공간으로 연소가스의 유입이 원활하지 못해 개질 반응기로의 열 전달 불균형을 유발하는 문제점이 발생될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 단열 부재(500)는 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이 공간(TS)에 위치된 단열 부재의 내측 외주면 형상은 바람직하게 하우징 중심 내측으로 볼록 또는 뾰족한 형상일 수 있다.
또한, 상기 단열 부재(500)는 일측이 연소가스 배출관(600)과 연통되고, 타측은 개방된 연소가스 배기통로(610)가 소정 간격으로 내부에 형성되어, 연소가스가 연소가스 배출관(600)을 통해 외부로 배출될 때에도 연소가스 배기통로(610)를 통해 연소가스 열을 단열 부재에 전달시킬 수 있다. 이때, 상기 연소가스 배기통로(610)는 장치 내 효율적인 열 전달을 위하여 수증기 개질장치의 규모를 기준으로 그 폭, 개수 등이 조절될 수 있다.
상기 단열 부재 재질은 당업계에서 적용될 수 있는 단열 재질이면 제한되지 않으며 구제적으로는 세라믹, 섬유, 발포플라스틱 등일 수 있다.
상기 연소가스 배출관(600)은 하우징 일측에 구비될 수 있으며, 상기 단열 부재에 형성된 연소가스 배기통로(610)와 연통되어 있다. 상기 단열 부재의 연소가스 배기통로로 유입된 연소가스는 연소가스 배출관를 통해 외부로 배출된다.
이하, 도 4 및 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질장치 내에서의 연소가스(실선 표시) 및 개질가스(굵은 점선 표시)의 유동 경로를 전체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예 따른 수증기 개질장치(1)는 내부 중심에 공기와 연료가 공급되어 연소가 실시되고, 고온의 연소가스(실선 표시)를 발생시킨다. 상기 고온의 연소가스는 연소가스 도관(400) 내로 유입되고, 연소가스 도관 내로 유입된 연소가스는 연소가스 도관내 형성된 연소가스 배출홀(410)을 통해 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이 공간(TS)으로 유입된다. 이때, 연소가스의 열은 연소가스 배출홀과 인접한 측면의 개질 반응기(300)와 접촉하여 열 전달을 수행한다.
이후 상기 연소가스는 개질 반응기(300)와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기(300') 사이 공간(TS)으로 유동하는 과정에서 상기 개질 반응기와 이웃하는 개질 반응기 사이 공간(TS)의 단열 부재(500)와의 충돌로 와류가 형성되면서 단열 부재와 개질 반응기 사이의 공간(DS)으로 유입된다. 상기 단열 부재와 개질 반응기 사이의 공간으로 유입된 연소가스는 상기 단열부재와 개질 반응기 사이 공간(DS)을 유동하면서 열원의 열이 직접적으로 전달되지 않은 개질 반응기(300, 300') 측면과 접촉하여 연소가스의 열을 개질 반응기(300, 300')에 고르게 전달하고, 단열 부재에 형성된 연소가스 배기통로(610)를 통해 연소가스 배출관(600)으로 유입된다. 상기 연소가스 배출관(600)에 유입된 연소가스는 연소가스 배출관(600)을 통해 외부로 배출된다.
다음으로, 상기 개질 반응기(300,300')에는 원료가스(얇은 점선 표시)가 원료가스 주입부(350)를 통해 개질 반응기의 개질 촉매부(330)로 유입되면, 개질촉매와 접촉하여 개질 반응이 진행되고, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응물 및 여분의 물을 포함하는 개질가스(굵은 점선 표시)가 발생된다. 상기 발생된 개질가스는 개질 반응기(300,300')의 내측관(320)을 통해 개질가스 배출부(360)로 공급되고, 개질가스 배출부로 공급된 개질가스는 외부로 배출된다. 상기 개질 반응기 운용 압력은 원료가스 공급 압력 내지 1.0 MPa 범위일 수 있으며, 이는 비한정적인 일 예일 뿐 상기 수치범위에 제한받지 않는다.
본 발명에 따른 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치는 열원을 중심으로 동심원으로 배치되는 각각의 개질 반응기에 연소가스를 균등 분배시켜 연소가스의 불균등 분배에 의한 일부 개질 반응기나, 개별 개질 반응기 내의 활성저하를 방지하여 기대하는 반응 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 원통형 수증기 개질장치의 구동에 따른 안정성을 크게 향상시킬 수 있고, 국부 가열에 따른 열 변형에 의해 그 성능이 영향을 받지 않도록 고안되어 장기간 사용에 따른 생산성과 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전술된 수증기 개질장치를 포함하는 수소 제조장치 및 수소 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 제조장치 및 방법은 전술된 수증기 개질장치를 포함 또는 이용하여, 탄화수소계 원료를 수증기로 개질하여 수소를 제조할 수 있다. 상기 수증기 개질장치에서 생성된 개질가스 즉, 수소 및 일산화탄소의 혼합물은 이후 수성가스전환반응에 의해 수소와 이산화탄소로 변환하는 수소 증폭공정을 추가로 포함할 수 있고, 변환된 상기 이산화탄소를 함유하는 수소 혼합물은 수소 가스 이외의 물질을 흡착시키는 공정을 통해 수소만을 분리하는 분리공정을 추가로 포함할 수 있다.
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 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 수증기 개질장치
100 : 하우징
200 : 열원
300 : 개질 반응기
310 : 외측관
320 : 내측관
330 : 개질 촉매부
350 : 원료가스 주입부
360 : 개질가스 배출부
400 : 연소가스 도관
410 : 연소가스 배출홀
500 : 단열 부재
600 : 연소가스 배출관
610 : 연소가스 배기통로
100 : 하우징
200 : 열원
300 : 개질 반응기
310 : 외측관
320 : 내측관
330 : 개질 촉매부
350 : 원료가스 주입부
360 : 개질가스 배출부
400 : 연소가스 도관
410 : 연소가스 배출홀
500 : 단열 부재
600 : 연소가스 배출관
610 : 연소가스 배기통로
Claims (6)
- 내부 공간을 가지는 하우징;
상기 하우징의 내부 공간 중심에 배치되며, 연소가스를 발생시키는 열원;
상기 열원을 중심으로 동심원에 배열되고, 원료가스를 개질하는 하나 이상의 개질 반응기;
상기 개질 반응기와 열원 사이의 공간에 상호 이격되어 배치되며, 상기 열원의 연소가스가 도입되는 단부의 타단부는 폐쇄되고, 측면부에는 개질 반응기로 열원의 연소가스가 배출될 수 있도록 다수개의 연소가스 배출홀이 형성된 연소가스 도관;
상기 개질 반응기와 하우징 내면 사이의 공간에 배치되며, 개질 반응기의 일면과 대향하는 내측 외주면이 상기 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상으로 형성되어 있는 단열 부재; 및
상기 하우징 일측 단부에 구비되며, 상기 연소가스 도관의 연소가스 배출홀을 통과한 연소가스를 외부로 배출시키는 연소가스 배출관;을 포함하고,
상기 연소가스 배출홀은 연소가스 도관으로 유입된 연소가스를 개질 반응기와 상기 개질 반응기에 이웃하는 개질 반응기 사이의 공간으로 배출되도록 연소가스 도관에 형성되며,
상기 단열 부재는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치:
[식 1]
b ≤ a 또는/및 b ≤ a'
식 1에서 a는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 일측 지점(IP)을 일직선으로 연장한 제1 가상선의 길이이고, a'는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 타측 지점(IP')을 일직선으로 연장한 제2 가상선의 길이이며, b는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 단열 부재 외주면의 임의의 한점(RP)을 일직선으로 연장한 가상선 중 가장 짧은 제3 가상선의 길이임.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 단열 부재는 하기 식 2을 만족하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치:
[식 2]
b ≤ a = a'
식 2에서 a는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 일측 지점(IP)을 일직선으로 연장한 제1 가상선의 길이이고, a'는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 개질 반응기의 형상과 합치되는 형상이 끝나는 단열 부재의 타측 지점(IP')을 일직선으로 연장한 제2 가상선의 길이이며, b는 동일 수평선상의 연소가스 배출홀 중심점(BP)과 단열 부재 외주면의 임의의 한점(RP)을 일직선으로 연장한 가상선 중 가장 짧은 제3 가상선의 길이임.
- 제1항에 있어서,
상기 단열 부재는 일측이 연소가스 배출관과 연통되고, 타측은 개방된 연소가스 배기통로가 소정 간격으로 내부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치.
- 제1항에 있어서,
상기 개질 반응기는 일측 단부가 폐쇄된 외측관; 상기 외측관의 내측으로 이격 배치되고, 양측 단부가 개방된 내측관; 및 상기 내측관 외면과 외측관 내면 사이의 공간에 개질촉매가 충진된 개질촉매부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징은 개질 반응기가 관통될 수 있는 홀을 구비하고, 상기 개질 반응기를 고정하는 지지부재를 구비하며, 상기 개질 반응기는 원료가스가 주입되는 원료가스 주입부 및 개질가스가 배출되는 개질가스 배출부가 상기 지지부재 일측에 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 수증기 개질장치.
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