KR102398422B1 - 수증기 탄화수소 개질기 - Google Patents

수증기 탄화수소 개질기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버, 적어도 일부가 상기 하부챔버와 상부챔버 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며 연소가스가 배출되는 과정에서 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하도록 개질부 주변에 형성되는 유로로 연소가스가 균일하게 유입되어 효율적인 수소개질반응을 도모할 수 있는 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것이다.

Description

수증기 탄화수소 개질기{Steam Hydrocarbon Reformer}
본 발명은 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버, 적어도 일부가 상기 하부챔버와 상부챔버 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며 연소가스가 배출되는 과정에서 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하도록 개질부 주변에 형성되는 유로로 연소가스가 균일하게 유입되어 효율적인 수소개질반응을 도모할 수 있는 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것이다.
수소에너지는 유력한 차세대 에너지원으로, 온실가스 및 미세먼지 감축을 위하여 전세계적으로 개발에 참여하려는 동향을 보이고 있다. 그동안 수소에너지는 특수한 분야에 국한되어 사용되었으나, 실용화 범위가 확대되고 있다. 수소에너지는 물을 전기분해하여 얻거나 화석연료를 수증기 개질 또는 부분 산화하여 얻을 수 있고, 바이오매스를 가스화 혹은 탄화시켜 얻을 수도 있다. 수소에너지는 태양광, 태양열, 화석연료 등 모든 에너지 자원으로부터 에너지 변환하여 얻을 수도 있다.
수소를 얻어낼 수 있는 여러 방법 중에서, 천연가스(Natural Gas)로부터 수소를 생산하는 수소 개질 기술은 메탄이 주성분인 천연가스 등을 연료의 연소롤 통해 개질하는 것이다. 수소 개질에 사용되는 천연가스와 수증기 등을 원료가스라고 하며, 소정 양의 천연가스와 개질과정 등에서 부산물로써 획득되는 오프가스(OFF gas) 및 천연가스의 혼합물을 연소시킴으로써 개질을 실시하는데, 연소에 사용되는 천연가스와 오프가스를 연료가스라 한다. 오프가스에는 약 32~40%의 수소가 포함되어 연소가 촉진된다.
수증기 탄화수소 개질기는 천연가스 등을 원료로 하여 수소를 제조할 수 있도록 하며, 연료가스인 천연가스와 오프가스를 공기와 함께 연소하여 원료가스를 수소로 전환하는 장치이다. 천연가스 수증기 개질은 세계 총 수소 생산의 상당량을 점유하고 있다. 수증기(스팀)와 천연가스를 혼합하여 700~1000도, 바람직하게는 700~850도로 가열하여 촉매반응기에서 소정의 압력 하에 반응하여 수소를 생산할 수 있다. 도 1은 일반적인 천연가스를 이용한 수소 개질방식을 도시한 도면으로, 원료가스를 탈황장치를 통해 탈황시킨 후, 개질기에서 연료가스와 수증기와 함께 반응시켜 개질된 수소를 얻는다. 이후 전이공정 및 가스 제거공정을 통해 정제된 수소를 얻을 수 있으며, 상기 과정에서의 부산물인 오프가스는 연료와 함께 수소 개질에 사용될 수 있다. 이러한 수소개질기에서 일어나는 개질은 많은 반응을 수반하지만, 본질적인 화학적 변환은 하기의 식과 같다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 [식 1]
CH4 + 2H2O → CO2+ 4H2 [식 2]
상기 식 1의 개질반응은 흡열반응에 해당하고, 식 2의 수성가스 변환 반응은 발열반응에 해당한다. 상기 식 1의 흡열반응을 위해서는 많은 열이 필요하므로, 높은 온도에서 촉매를 첨가하여 반응을 촉진시킨다. 이를 위하여, 통상적인 수소 개질장치는 노 또는 챔버 내에서 연료가스를 연소시키고, 촉매가 들어있는 반응튜브에 원료가스를 주입하여 높은 온도에서 수소를 얻어낸다.
그러나 종래의 수증기 탄화수소 개질기는, 연소가스의 연소에 의한 열이 촉매가 들어있는 반응튜브에 온전히 열전달을 하지 못하고 빠져나감으로써, 열교환 효율이 낮아져 수소 개질 효율이 낮은 문제가 있었다.
또한, 노에 유입되는 공기와 원료가스가 개질반응이 일어나는 온도보다 매우 낮아서 개질반응까지 충분히 승온되지 않는 경우에는 노 내의 높은 온도에도 불구하고 촉매에 의한 개질반응이 잘 일어나지 않고 촉매에 의한 반응 시 불완전한 반응으로 인해 탄소 등의 부산물이 생성되어 반응튜브가 막히는 경우가 많았으며, 원료가스와 연료가스를 승온시키기 위하여 추가적인 열원을 구비하여야 하는 문제가 있었다.
수소의 연소속도는 메탄보다 약 8배 빠르고(수소 291cm/s, 메탄 37cm/s), 수소의 높은 연소속도는 연소 시 화염온도를 국부적으로 증가시키며, 이는 수소가 포함된 연료가스의 연소 시 높은 수준의 Nox를 생성할 수 있어 환경오염을 유발할 수 있는 문제가 있다. 넓은 가연성과 높은 온도로 인해 반응튜브가 파손되는 문제와 촉매가 화염에 의해 취성파괴되는 문제가 있다.
나아가, 노 안에서는, 연소반응이 통상적으로 노의 중앙부에서 진행되고, 반응튜브는 연소공간의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되게 된다. 이 경우, 연소가스에 의한 열이 반응튜브에 골고루 전달되지 못하여 개별 반응튜브 내에서 개질반응이 균등하게 일어나지 못하고, 반응튜브 내의 일 부분에 국한되어 발생함으로써 수소 개질 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에 더하여, 효율적인 수소 개질을 위하여 승온된 원료가스를 반응튜브에 투입하거나, 개질된 고온의 개질 가스를 유출시키는 경우 고압, 고온에 의해 도관이 파손되거나 변형되는 문제가 발생하고 있다.
따라서, 업계에서는 상술한 문제점들을 보완한 수소 개질장치 또는 수증기 탄화수소 개질기를 요구하고 있는 실정이다.
한국등록특허공보 10-0209989호(1999.04.22.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 연소가스와 연료가스의 열교환 효율을 높여 높은 수소 수득률을 얻을 수 있는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 챔버 내부로 유입되는 공기와 원료가스를 개질반응이 일어나기 전에 다른 열원 없이 연소가스를 통해 가열시켜 효율적인 개질반응이 일어날 수 있는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 수소가 포함된 연료가스의 연소 시 일정한 화염을 통해 적은 질소산화물이 생성되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 화염에 의해 개질부가 파괴되거나 손상되는 것을 방지하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 연소가스 또는 화염에 의한 열이 개질부에 균일하게 전달되어 개질부 내에서의 개질반응이 균일하게 진행되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 가열된 원료가스 또는 개질가스의 유동 시 고압, 고온의 가스에 의해 도관이 파손되거나 변형되는 것을 방지하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버, 적어도 일부가 상기 하부챔버와 상부챔버 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며, 상기 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하여 연소가스가 배출되는 과정에서 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하도록 개질부 주변에 형성되는 유로로 연소가스가 균일하게 유입되어 효율적인 수소개질반응을 도모하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 개질부는 상하로 연장되어 적어도 일부가 제1공간까지 연장되는 외측튜브, 상기 외측튜브 내에 동축정렬되어 구비되는 내측튜브, 상기 제1공간에 배치된 외측튜브 내에 형성되는 촉매 및 상기 외측튜브의 외측에 동축정렬되며 외측튜브로부터 이격되어 상하로 연장되는 보호재킷을 포함하되, 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 균일하게 유동하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 보호재킷은 일단이 상기 제1공간과 연통하고, 타단이 제2공간과 연통하도록 형성되고, 제1연통홀과 제2연통홀의 직경은 외측튜브의 직경보다 크고, 상기 보호재킷의 직경은 상기 제2연통홀의 직경과 상응하도록 형성되어 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 제1공간에서 제2공간으로 유동하되 상기 연소가스는 상기 보호재킷 내로 균일하게 유입되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 보호재킷은 제2연통홀로부터 상기 외측튜브를 감싸면서 수직으로 연장되는 슬리브와, 상기 슬리브의 하단을 폐색하면서 연소가스를 수용하는 연소가스 수용부를 포함하여 하측으로 연소가스를 수용하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 복수의 유입공은 슬리브의 중심을 기준으로 하여 같은 각도를 이루면서 방사상으로 형성되어 균일하게 연소가스를 보호재킷 내로 수용하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 슬리브는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장되어 외측튜브 내의 촉매를 보호하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 수증기 탄화수소 개질기는 하부챔버의 하측 중앙에서 열을 공급하도록 연료가스와 공기를 연소시키는 연소부를 더 포함하고, 상기 연소부는 하부챔버의 하측 중앙에서 연료가스와 공기의 연소반응이 일어나는 상측이 개방된 연소하우징을 포함하고, 상기 슬리브는 상기 연소하우징의 상단보다 하측까지 연장되어 연소부로부터의 열이 직접 보호재킷 내로 진입하지 않는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 원료가스 공급부는 상부챔버의 측면에 외부와 연결되도록 형성되는 원료가스 유입구, 제2공간에 구비되어 원료가스가 상기 개질부에 공급되기 전에 원료가스를 가열하는 원료가스 가열관을 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 제1연통홀 및 제2연통홀을 통과하여 상기 제2공간으로 유입되고 상기 상부챔버에 형성된 개구부를 통해 배출되는 연소가스에 의해 원료가스를 가열하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 원료가스 공급부는 가열된 원료가스를 개질부로 분배하는 분배헤더를 더 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 외측나선과 내측나선을 포함하고, 상기 외측나선과 내측나선은 상호연통되며, 원료가스 유입구는 상기 외측나선과 연결되고, 상기 내측나선은 상기 분배헤더와 연통하도록 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선을 통해 가열되고 내측나선을 통해 이차적으로 가열되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상부챔버의 내부에는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 연소가스의 유동은 안내하는 유로안내부가 구비되며, 상기 유로안내부는 상부챔버와 동축정렬되고, 복수의 외측튜브를 감싸도록 소정 높이의 원통 형상을 가져 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 유로안내부는 복수의 제2연통홀로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장되는 제1유로안내부와 상기 제1유로안내부의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되는 제2유로안내부를 포함하여 하측에서 상측으로, 상측에서 하측으로 연소가스가 유동하도록 하여 원료가스에 열전달을 촉진하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버, 적어도 일부가 상기 하부챔버와 상부챔버 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며, 상기 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 개질부는 상하로 연장되어 적어도 일부가 제1공간까지 연장되는 외측튜브, 상기 외측튜브 내에 동축정렬되어 구비되는 내측튜브, 상기 제1공간에 배치된 외측튜브 내에 형성되는 촉매 및 상기 외측튜브의 외측에 동축정렬되며 외측튜브로부터 이격되어 상하로 연장되는 보호재킷을 포함하되, 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 균일하게 유동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 보호재킷은 일단이 상기 제1공간과 연통하고, 타단이 제2공간과 연통하도록 형성되고, 제1연통홀과 제2연통홀의 직경은 외측튜브의 직경보다 크고, 상기 보호재킷의 직경은 상기 제2연통홀의 직경과 상응하도록 형성되어 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 제1공간에서 제2공간으로 유동하되 상기 연소가스는 상기 보호재킷 내로 균일하게 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 보호재킷은 제2연통홀로부터 상기 외측튜브를 감싸면서 수직으로 연장되는 슬리브와, 상기 슬리브의 하단을 폐색하면서 연소가스를 수용하는 연소가스 수용부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 연소가스 수용부는 측면에 복수의 유입공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 복수의 유입공은 슬리브의 중심을 기준으로 하여 같은 각도를 이루면서 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 슬리브는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 수증기 탄화수소 개질기는 하부챔버의 하측 중앙에서 열을 공급하도록 연료가스와 공기를 연소시키는 연소부를 더 포함하고,
상기 연소부는 하부챔버의 하측 중앙에서 연료가스와 공기의 연소반응이 일어나는 상측이 개방된 연소하우징을 포함하고, 상기 슬리브는 상기 연소하우징의 상단보다 하측까지 연장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 원료가스 공급부는 상부챔버의 측면에 외부와 연결되도록 형성되는 원료가스 유입구, 제2공간에 구비되어 원료가스가 상기 개질부에 공급되기 전에 원료가스를 가열하는 원료가스 가열관을 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 제1연통홀 및 제2연통홀을 통과하여 상기 제2공간으로 유입되고 상기 상부챔버에 형성된 개구부를 통해 배출되는 연소가스에 의해 원료가스를 가열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 원료가스 공급부는 가열된 원료가스를 개질부로 분배하는 분배헤더를 더 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 외측나선과 내측나선을 포함하고, 상기 외측나선과 내측나선은 상호연통되며, 원료가스 유입구는 상기 외측나선과 연결되고, 상기 내측나선은 상기 분배헤더와 연통하도록 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선을 통해 가열되고 내측나선을 통해 이차적으로 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상부챔버의 내부에는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 연소가스의 유동은 안내하는 유로안내부가 구비되며, 상기 유로안내부는 상부챔버와 동축정렬되고, 복수의 외측튜브를 감싸도록 소정 높이의 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 유로안내부는 복수의 제2연통홀로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장되는 제1유로안내부와 상기 제1유로안내부의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되는 제2유로안내부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은, 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버, 적어도 일부가 상기 하부챔버와 상부챔버 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며, 상기 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하여 연소가스가 배출되는 과정에서 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하도록 개질부 주변에 형성되는 유로로 연소가스가 균일하게 유입되어 효율적인 수소개질반응을 도모하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 효과가 있다.
본 발명은, 상기 개질부는 상하로 연장되어 적어도 일부가 제1공간까지 연장되는 외측튜브, 상기 외측튜브 내에 동축정렬되어 구비되는 내측튜브, 상기 제1공간에 배치된 외측튜브 내에 형성되는 촉매 및 상기 외측튜브의 외측에 동축정렬되며 외측튜브로부터 이격되어 상하로 연장되는 보호재킷을 포함하되, 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 균일하게 유동하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은, 상기 보호재킷은 일단이 상기 제1공간과 연통하고, 타단이 제2공간과 연통하도록 형성되고, 제1연통홀과 제2연통홀의 직경은 외측튜브의 직경보다 크고, 상기 보호재킷의 직경은 상기 제2연통홀의 직경과 상응하도록 형성되어 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 제1공간에서 제2공간으로 유동하되 상기 연소가스는 상기 보호재킷 내로 균일하게 유입되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 보호재킷은 제2연통홀로부터 상기 외측튜브를 감싸면서 수직으로 연장되는 슬리브와, 상기 슬리브의 하단을 폐색하면서 연소가스를 수용하는 연소가스 수용부를 포함하여 하측으로 연소가스를 수용하는 효과를 도출한다.
본 발명은, 상기 복수의 유입공은 슬리브의 중심을 기준으로 하여 같은 각도를 이루면서 방사상으로 형성되어 균일하게 연소가스를 보호재킷 내로 수용한다.
본 발명은, 상기 슬리브는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장되어 외측튜브 내의 촉매를 보호하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 수증기 탄화수소 개질기는 하부챔버의 하측 중앙에서 열을 공급하도록 연료가스와 공기를 연소시키는 연소부를 더 포함하고, 상기 연소부는 하부챔버의 하측 중앙에서 연료가스와 공기의 연소반응이 일어나는 상측이 개방된 연소하우징을 포함하고, 상기 슬리브는 상기 연소하우징의 상단보다 하측까지 연장되어 연소부로부터의 열이 직접 보호재킷 내로 진입하지 않도록 하는 효과를 안출한다.
본 발명은, 원료가스 공급부는 상부챔버의 측면에 외부와 연결되도록 형성되는 원료가스 유입구, 제2공간에 구비되어 원료가스가 상기 개질부에 공급되기 전에 원료가스를 가열하는 원료가스 가열관을 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 제1연통홀 및 제2연통홀을 통과하여 상기 제2공간으로 유입되고 상기 상부챔버에 형성된 개구부를 통해 배출되는 연소가스에 의해 원료가스를 가열한다.
본 발명은, 원료가스 공급부는 가열된 원료가스를 개질부로 분배하는 분배헤더를 더 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 외측나선과 내측나선을 포함하고, 상기 외측나선과 내측나선은 상호연통되며, 원료가스 유입구는 상기 외측나선과 연결되고, 상기 내측나선은 상기 분배헤더와 연통하도록 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선을 통해 가열되고 내측나선을 통해 이차적으로 가열되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공한다.
본 발명은, 상부챔버의 내부에는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 연소가스의 유동은 안내하는 유로안내부가 구비되며, 상기 유로안내부는 상부챔버와 동축정렬되고, 복수의 외측튜브를 감싸도록 소정 높이의 원통 형상을 가져 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 한다.
본 발명은, 상기 유로안내부는 복수의 제2연통홀로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장되는 제1유로안내부와 상기 제1유로안내부의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되는 제2유로안내부를 포함하여 하측에서 상측으로, 상측에서 하측으로 연소가스가 유동하도록 하여 원료가스에 열전달을 촉진하는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 천연가스를 이용한 수소 개질방식을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 절개사시도
도 4는 도 2의 A-A' 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급부(20)를 도시한 도면
도 6은 공기가열관(23)에 열이 전달되는 것을 도시한 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소부(30) 부분의 절개사시도
도 8은 도 4의 연소부(30) 부분을 확대한 도면
도 9는 도 4의 상측 부분을 확대한 도면
도 10은 본 발명에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 평면도
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 공급부(40)의 사시도
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선지지부를 도시한 도면
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원료가스 공급부(40)를 도시한 도면
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 분배관(47)이 분배헤더(45)와 개질부(50) 사이를 연결하며 구비되는 모습을 도시한 도면
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소가스가 제1공간(117) 및 제2공간(155)을 따라 유동하면서 배출되는 것을 도시한 도면
도 16은 상부챔버(15) 내에서 연소가스의 유동을 도시한 도면
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질부(50)의 단면을 도시한 도면
도 18은 개질부(50)가 제1연통홀(11b)과 제2연통홀(15b)을 통과하여 배치된 것을 도시한 도면
도 19는 도 2의 B-B' 단면을 도시한 단면도
도 20은 도 17의 C-C' 단면을 도시한 단면도
도 21은 도 19의 일부분을 확대한 도면
도 22는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2전달체(553)의 배치를 도시한 도면
이하에서는 본 발명에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에서 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에서 사용된 정의에 따른다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니고, 다른 구성요소 또한 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결"된다는 것은 직접 연결될 수도 있으나 다른 구성요소를 매개하여 연결되는 것을 배제하지는 않는다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기(1)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기(1)의 절개사시도이며, 도 4는 도 2의 A-A' 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 수증기 탄화수소 개질기(1)는 원료가스와 연소가스 및 촉매 사이의 열교환 효율을 높여 개질반응을 통한 수소의 수득률을 상승시키며, 연소가스가 배출되는 과정에서 개질부 주위로 연소가스가 균일하게 유동하여 개질부와 열교환하도록 개질부 주변에 형성되는 유로로 연소가스가 균일하게 유입되어 효율적인 수소개질반응을 도모할 수 있다. 상기 수증기 탄화수소 개질기는 바디(10), 공기공급부(20), 연소부(30), 원료가스 공급부(40), 개질부(50), 개질가스 배출부(60)를 포함하며, 상기 개질부(50)는 복수개가 구비되어 각각의 개질부에서 수소개질반응이 수행될 수 있다.
상기 바디(10)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기(1)의 전체적인 외관을 형성하며 내부에 수소개질반응을 위한 다수의 수단이 단계적으로 구비될 수 있다. 상기 바디(10)는 전체적으로 내부가 비어있는 원통형의 형상을 가질 수 있으며, 격판(13)에 의해 구분되는 하부챔버(11)와 상부챔버(15)를 포함한다.
상기 하부챔버(11)는 내부에 공간을 가지는 통의 형상을 가지며, 바람직하게는 적어도 하나 이상의 개구부를 가지는 원통의 형상을 가질 수 있다. 하부챔버(11)의 내부에서는 연소가스와 공기가 연소되어 연소가스가 생성되고, 연소가스의 열로 인해 개질반응이 진행될 수 있다. 하부챔버(11)는 전체적으로 밀폐되되 유체의 유입 또는 유출을 위해 형성되는 개구부를 통해 공기와 연소가스 등의 연소에 필요한 기체를 공급받을 수 있다. 상기 하부챔버(11)는 하부하우징(111), 제1층(113), 제2층(115) 및 제1연통홀(119)을 포함할 수 있다.
상기 하부하우징(111)은 하부챔버(11)의 외형을 형성하며, 상판과 하판 및 측판을 가지고 바람직하게는 내부에 공간을 가진 원통형으로 형성되며 전체적으로 밀폐된다. 하부하우징(111)의 상부에는 제1연통홀(119)이 형성될 수 있고, 측면에는 개구부가 형성될 수 있다.
상기 제1층(113)은 하부하우징(111) 내측에 형성되는 층으로, 단열층이 형성되어 내부의 연소가스에 의한 열을 외부로 방출시키지 않음이 바람직하다.
상기 제2층(115)은 제1층(113) 내측에 형성되는 층으로, 내화층이 형성되어 내부의 화염에 의해 제1층(113) 또는 하부하우징(111)이 파괴되지 않도록 함이 바람직하다. 상기 제2층(115)은 단열층으로 형성될 수도 있으나, 소정의 열을 전달할 수 있도록 구비됨이 바람직하다. 상기 제1층(113)과 제2층(115)은 앵커 등으로 체결되어 하부하우징(111)에 고정 또는 연결될 수 있고, 제1층(113)과 제2층(115)의 사이에는 후술하는 공기가열관(23)이 구비되어 외부로부터 유입되는 공기를 연소 전에 충분한 온도까지 가열할 수 있다.
상기 제1공간(117)은 하부챔버(11) 내에서 연료가스와 외부공기의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 공간으로, 전체적으로 밀폐된 하부하우징(111) 내부에 규정된다. 연소에 의해 연소가스는 고열을 가지고 유동하면서 제1공간(117) 내에 배치된 개질부(50)에 열을 전달함으로써 개질부(50) 내에서 원료가스가 수소로 변환될 수 있도록 한다. 연소가스의 유동은 후술하도록 한다.
상기 제1연통홀(119)은 하부챔버(11)의 상부에 형성되며, 바람직하게는 하부하우징(111)의 상판에 소정의 직경을 가지는 구멍으로 형성되고, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 제1연통홀(119)은 복수의 개질부(50)를 관통수용할 수 있으며, 후술하는 제2연통홀(157)과 연통되며 동축정렬될 수 있다. 제1연통홀(119)은 하부챔버(11)의 중심을 기준으로 방사상으로 형성될 수 있다. 제1연통홀(119)은 바람직하게는 원형이되, 개질부(50)의 평면 형상과 대응하도록 형성될 수도 있다. 후술하겠으나, 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)의 직경(d2)은 개질부(50)의 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 크게 형성되어 제1연통홀(119) 및 제2연통홀(157)과 외측튜브(51) 사이로 연소가스가 유동하는 유로를 형성할 수 있다.
상기 격판(13)은 하부챔버(11)와 상부챔버(15)를 구분지으며, 소정의 두께를 가진 원판의 형상을 가짐이 바람직하다. 상기 격판(13)은 적어도 하나 이상의 개구부(13a)를 포함할 수 있는데, 상기 개구부(13a)는 제1연통홀(119) 및 제2연통홀(157)과 대응되도록 형성되어 제1연통홀(119) 및 제2연통홀(157)과 동축정렬되고 지름이 같으며 각 개구부(13a)는 개질부(50)를 관통수용함이 바람직하다.
상기 상부챔버(15)는 내부에 공간을 가지는 통의 형상을 가지며, 바람직하게는 적어도 하나 이상의 개구부를 가지는 원통의 형상을 가질 수 있다. 상부챔버(15)의 내부에서는 연소가스가 배출을 위해 유동하면서, 연소가스의 열을 후술하는 원료가스 가열관으로 전달하고, 전달된 열로 인해 원료가스 가열관 내를 유동하는 원료가스가 가열될 수 있다. 상부챔버는 전체적으로 밀폐되되 개구부가 형성되어 개구부를 통해 원료가스를 공급받고 연소가스를 배출할 수 있다. 상기 상부챔버(15)는 상부하우징(151), 단열층(153), 제2연통홀(157) 및 상부홀(159)을 포함할 수 있다.
상기 상부하우징(151)은 상부챔버(15)의 외형을 형성하며, 상판과 하판 및 측판을 가지고 바람직하게는 내부에 공간을 가진 원통형으로 형성된다. 상부하우징(151)은 전체적으로 밀폐되도록 형성되며, 상부하우징(151)의 하판에는 제2연통홀(157)이 형성되며 상판에는 상부홀(159)이 형성될 수 있고, 측면에는 개구부가 형성되어 연료가스를 받아들이거나 연소가스가 배출될 수 있다.
상기 단열층(153)은 상부하우징(151) 내측에 형성되는 층으로, 내부에 유동하는 연소가스에 의한 열을 외부로 방출시키지 않음이 바람직하다. 상기 단열층은 세라믹 화이버로 형성됨이 바람직하나, 재료가 이에 국한되지는 않는다.
상기 제2공간(155)은 상부챔버(15) 내에서 연소가스가 유동하는 공간이다. 연소가스는 상부챔버(15)에서 상부하우징의 측판에 형성된 개구부를 통해 배출되기 위하여 고열을 가지고 유동하면서 제2공간(155) 내에 배치된 원료가스 가열관(43)에 열을 전달함으로써 원료가스를 일차적으로 가열할 수 있다.
상기 제2연통홀(157)은 상부챔버(15)의 하부에 형성되며, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 제2연통홀(157)은 복수의 개질부(50)를 관통수용할 수 있으며, 상기 제1연통홀(119) 및 격판의 개구부(13a)와 연통되며 동축정렬될 수 있다. 제2연통홀(157)은 상부챔버(15)의 중심을 기준으로 방사상으로 형성될 수 있다. 제2연통홀(157)은 바람직하게는 원형이되, 개질부(50)의 평면 형상과 대응하도록 형성될 수도 있다.
상기 상부홀(159)은 상부챔버(15)의 상부에 형성되며, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 상부홀(159)은 복수의 개질부(50)를 관통수용할 수 있다. 상기 제1연통홀(119), 제2연통홀(157)과는 달리, 상부홀(159)은 연소가스가 유동하는 유로를 형성하지 않고 개질부의 외측튜브(51)에 의해 폐색되도록 그 직경이 외측튜브의 직경(d1)과 대응될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급부(20)를 도시한 도면이며, 도 6은 공기가열관(23)에 열이 전달되는 것을 도시한 도면이다. 도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 공기공급부(20)는 연소반응을 위해 상기 제1공간(117) 측으로 공기를 공급하도록 구비된다. 공기공급부(20)는 적어도 일부가 하부챔버(11) 내에 위치하여 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에서 발생하는 연소가스의 열을 통해 외부공기를 가열한다. 공기공급부(20)는 공기유입구(21), 공기가열관(23), 공기유출구(25)를 포함한다.
상기 공기유입구(21)는 외부공기를 받아들이도록 구비되며, 바람직하게는 하부챔버(11)를 관통하도록 형성되고, 하부하우징의 측면에 형성된 개구부를 통해 외부와 연통됨으로써 외부공기를 유입시킨다. 이때, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 유입되는 공기는 상온의 공기이므로 대략 20~30도의 온도를 가진다.
상기 공기가열관(23)은 연소가스의 열에 의해 공기가열관(23) 내를 유동하는 외부공기를 가열하도록 구비된다. 외부로부터 유입되는 공기는 추가적인 열원의 공급 없이 200~250도로 승온시켜 연소부(30)에 공급될 수 있다. 후술하는 연소부(30)에서의 연소반응은 연료가스인 천연가스와 오프가스를 연소시켜 개질반응에 필요한 열을 발생시키는데, 원활한 연소를 위해서는 충분히 승온된 외부공기가 필요하다. 따라서, 상기 공기가열관(23)은 하부챔버(15) 내에 구비되어 제1공간(117)의 연소가스로부터 열을 전달받아 공기를 가열시킨다. 공기가열관(23)은 제1층(113)과 제2층(115) 사이에 구비될 수 있으며, 제1층과 제2층 사이에서 코일 형태를 형성하면서 제2층(115)의 외주면을 따라 구비될 수 있다. 도 6을 참고하면, 제1공간(117)으로부터의 열은 바람직하게는 내화층인 제2층(115)으로 전달되고, 단열층인 제1층(113)에 의해 막혀 외부로 진행하지 못하는 열은 공기가열관(23)으로 열을 전달하게 된다. 코일 형태를 구성하기 위하여 공기가열관(23)을 감는 횟수는 제한되지 않는다.
상기 공기유출구(25)는 공기가열관(23)과 연결되어 공기가열관(23) 측에서 승온된 공기를 후술하는 연소부(30)로 투입한다. 연소하우징(31)의 적어도 일부가 하부챔버(11)의 외측, 바람직하게는 하측으로 돌출되어 형성될 수 있는데, 공기유출구(25)가 200~250도로 승온된 공기를 투입하기 위하여 하부챔버(11)의 하측에 구비되면서 연소부(30)의 연소하우징(31)과 직결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소부(30) 부분의 절개사시도이며, 도 8은 도 4의 연소부(30) 부분을 확대한 도면이다. 도 2 내지 도 4 및 도 7 내지 도 8을 참고하여 이하를 설명하면, 상기 연소부(30)는 연료가스와 공기를 연소시켜 연소가스를 생성하며, 연소가스는 개질반응에 필요한 열을 공급할 수 있다. 상기 연소부(30)는 하부챔버(11)의 하측 중앙에 구비될 수 있다. 연소부(30)는 연소하우징(31), 혼합부(32), 연료가스 공급부(33)를 포함하며, 추가적으로 제1교반수단(34)과 제2교반수단(35)을 더 포함할 수 있다.
상기 연소하우징(31)은 연소부(30)의 전체적인 외형을 형성하며 내부에서 연소가스의 생성에 필요한 일련의 과정들이 수행되도록 한다. 본 발명의 일 실시예에서 연소부(30)가 하부챔버(11)의 하측 중심에 구비되고, 연소반응에 의해 연소가스를 생성하고 상측으로 연소가스를 유동시키게 되는데, 연소하우징은 상측이 개방되어 연소하우징(31)의 상부에서는 연소반응이 일어나고 하부에서는 연소반응을 위하여 연료가스와 외부공기를 공급받을 수 있다. 연소하우징(31)은 제1연소용기(311), 확경부(313), 제2연소용기(315)를 포함할 수 있다.
도 8을 참고하면, 상기 제1연소용기(311)는 연소하우징(31)의 하측에 구비되고, 소정 직경을 가지는 원통형으로 형성되며, 일측에 형성되는 연소공기 유입구(311a)를 통해 공기공급부(20)로부터 투입되는 승온된 공기와 연료가스를 공급받을 수 있다. 제1연소용기(311)에서는 측면에 형성된 연소공기 유입구(311a)를 통해 승온된 공기를 공급받고, 하측을 관통하며 형성되는 연료가스 유입구(331)를 통해 연료가스를 공급받을 수 있다. 그러나, 도 7 및 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료가스와 승온된 공기는 제1연소용기(311) 내에서 바로 섞이지 않고, 후술하는 연료가스 공급부(33)에 의해 분리되어있다가 혼합부(32)에서 서로 섞일 수 있다.
상기 확경부(313)는 제1연소용기(311)와 제2연소용기(315)를 연결하며, 상광하협의 형상으로 형성되어 상측으로 갈수록 직경이 넓어지고, 점화기(36)와 연결된다.
상기 제2연소용기(315)는 연소하우징(31)의 상측에 구비되고, 상측이 개방된 소정 직경을 가지는 원통형으로 형성되며, 바람직하게는 제1연소용기와 동축정렬되고 제1연소용기(311)보다는 큰 직경을 가질 수 있다. 제2연소용기(315) 내부에서는 난류 상태로 유동하는 연료가스와 공기에 점화기(36)를 통해 연소반응을 실시한다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 상기 혼합부(32)는 제1연소용기(311) 내부에서 연료가스와 공기의 연소 전에 연료가스와 공기를 혼합하도록 구비된다. 연소속도가 빠르고 폭발성이 있는 수소의 연소특성상, 불완전연소가 발생하여 NOx 등의 화합물이 발생하거나 화염을 제어하기 어려워 화염에 의해 개질부(50)에 손상이 가는 문제가 존재한다. 연료가스에 포함된 수소의 공급을 일정하게 하도록 하기 위하여 연소 전 공기와 연료가스를 혼합하고, 난류를 발생시켜 비교적 일정하게 연소가 진행되도록 할 수 있다. 상기 혼합부(32)는 공기저장실(323), 예혼합실(325) 및 림(327)을 포함할 수 있다.
공기저장실(323)은 제1연소용기(311) 내의 후술하는 연료가스 공급부(33)와 구분된 공간으로, 공기저장실(323)에서는 연소공기 유입구(311a)로부터 도입된 도입된 가열된 공기를 일시적으로 저장한 후 일시적으로 저장된 공기를 예혼합실(325)로 유동시킨다.
예혼합실(325)은 제1연소용기(311)의 비교적 상측에 구비되며, 공기저장실(323) 상부에서 연료가스 분배구(333) 주위를 둘러싸며 형성될 수 있다. 상기 예혼합실(325)에서는 연소 전 연료가스와 공기의 혼합이 일어난다. 후술하는 연료가스 공급부(33)로부터 토출된 연료가스는 예혼합실(325)에서 공기와 섞여 역화 또는 화염의 갑작스러운 변화를 방지할 수 있다.
상기 림(327)은 제1연소용기(311)의 상단에서 내주면을 따라 형성되며, 교반수단(34,35)과 함께 제1연소용기(311)의 벽쪽으로 흐르는 공기를 굴절시켜 난류를 발생시킬 수 있다.
상기 연료가스 공급부(33)는 천연가스와 오프가스의 혼합물인 연료가스를 연소부에 공급하도록 구비된다. 상기 연료가스 공급부는 제1연소용기(311) 내에 구비되어 연료가스와 공기가 곧바로 섞이지 않도록 하고, 예혼합실(325) 내에서 난류와 함께 혼합되도록 할 수 있다. 연료가스 공급부(33)는 전체적으로 제1연소용기(311)와 동축정렬될 수 있으며, 연료가스 유입구(331)와 연료가스 분배구(333)를 포함한다.
다시 도 7을 참고하면, 상기 연료가스 유입구(331)는 제1연소용기(311)의 하측을 관통하며 제1연소용기의 하측으로부터 소정높이 연장되어 형성된다. 연료가스 유입구(331)를 통해 공기저장실(323)이 구분지어질 수 있으며, 연료가스 유입구(331)를 통해 연료가스를 도입받는다.
상기 연료가스 분배구(333)는 연료가스 유입구(331)의 상측, 예혼합실(325) 내에 구비되어 연료가스 유입구(331)로부터 유입된 연료가스를 예혼합실(325)로 분배한다. 상기 연료가스 분배구(333)는 연료가스 유입구(331)로부터 확경된 후 수직으로 연장되고, 중앙으로 절곡되어 연장형성되고, 상부는 폐색되도록 형성될 수 있다. 상기 연료가스 분배구(333)에는 노즐(333a)이 구비되어 예혼합실(325) 측 또는 상측으로 연료가스를 분사할 수 있다. 이때, 노즐(333a)은 직경이 바람직하게는 1.2mm~2mm일 수 있다.
상기 제1교반수단(34)은 예혼합실(325) 내부에서 연료가스 분배구(333)를 중심으로 하여 상승하는 연료가스와 공기의 유동경로를 커버하며 배치되되, 연료가스 분배구(333)로부터 제1연소용기(311)로 연장되는 복수의 제1베인(341)과 제1베인(341) 사이에 형성되는 제1이격공간(343)을 포함한다.
도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1베인(341)은 연료가스 분배구(333)에 일정 각도 비틀려 결합되어 있으며, 각 상기 제1베인(341) 사이에 상기 제1이격공간(343)이 형성되어 이격공간을 통과한 혼합된 가스가 나선형으로 유동할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제2교반수단(35)은 제2연소용기(315) 내에서 연소가 발생하는 부분을 중심으로 하여 상승하는 연소가스 또는 연료가스의 유동경로를 커버하며 배치될 수 있으며, 상기 제2교반수단(35)은 제1교반수단(34)과 동축정렬될 수 있다. 제2교반수단(35)은 내화 캐스터블(355)로부터 중심측으로 연장되는 복수의 제2베인(351), 각각의 제2베인(353) 사이에 형성되는 제2이격공간(353) 및 화염으로부터 제2연소용기(315)를 보호하는 내화 캐스터블(355)을 포함한다.
도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2베인(351)은 내화 캐스터블(355)에 일정 각도 비틀려 결합되어 있으며, 각 상기 제2베인(351) 사이에 상기 제2이격공간(353)이 형성되어 이격공간을 통과한 혼합된 가스가 나선형으로 유동할 수 있는 것을 특징으로 한다. 내화 캐스터블(355)은 수직으로 연장되며 제2연소용기(315)에 부착되는 수직부분(355a)과 상측으로 가면서 직경이 넓어지는 확경부분(355b)을 포함할 수 있다.
상기 점화기(36)는 연료가스와 공기의 혼합된 가스를 연소시키며, 확경부(313)에 구비되어 상측으로 불을 붙일 수 있다.
도 9 내지 도 14를 참고하면, 상기 원료가스 공급부(40)는 개질부(50)로 원료가스를 공급하여 개질부(50)에서 수소 개질반응이 일어나도록 한다. 원료가스는 천연가스와 수증기의 혼합체일 수 있으며, 이때 수증기는 일정 정도 가열된 상태로, 바람직하게는 230도 내외의 온도를 가질 수 있다. 후술하겠으나 개질부(50) 내에서 촉매에 의해 개질반응이 일어날 때 필요한 온도는 약 700도이므로, 원료가스를 공급하는 과정에서 원료가스의 승온이 필요하다. 원료가스 공급부(40)는 원료가스 유입구(41), 원료가스 가열관, 나선지지부(44), 분배헤더(45) 및 분배관(47)을 포함한다.
상기 원료가스 유입구(41)는 원료가스를 받아들이도록 구비되며, 바람직하게는 상부챔버(15)의 측면을 관통하여 형성됨으로써 상부하우징에 형성된 개구부를 통해 외부와 연결되어 원료가스를 유입받는다.
도 9 및 도 11을 참고하면, 상기 원료가스 가열관(43)은 원료가스 유입구(41)를 통해 유입되어 유동하는 원료가스를 개질부(50)에 공급하기 전에 가열하도록 구비된다. 원료가스 가열관(43)은 제2공간(155)에 구비되어 제2공간(155)을 유동하는 연소가스와 열교환하여 원료가스를 가열할 수 있다. 원료가스 가열관(43)은 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)을 유동하는 연소가스와 효율적인 열교환을 수행하기 위하여 나선 형상을 형성할 수 있다. 상기 원료가스 가열관(43)은 이중으로 중첩된 나선 형상을 형성하며, 원료가스 유입구(41)와 연통하면서 연결되는 외측나선(431), 상기 내측나선은 상기 분배헤더(45)와 연통하면서 연결되는 내측나선(433)을 포함하고, 상기 외측나선(431)과 내측나선(433) 또한 연통되면서 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선(431)을 통해 가열되고 내측나선(433)을 통해 이차적으로 가열되도록 할 수 있다.
도 11 내지 도 12를 참고하면, 외측나선(431)은 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)에 나선 또는 코일을 형성하며 구비되고, 내측나선(433)은 외측나선(431)과 동심정령되면서 외측나선(431)과 이격되어 나선 또는 코일을 형성한다. 상기 외측나선(431)과 내측나선(433)은 상부챔버(15)의 내면으로부터 이격되어 구비될 수 있다. 내면으로부터 이격된다는 것은 상부챔버(15)의 내측면, 즉 단열층(153)의 측면으로부터 이격됨을 포함하고, 하면 및/또는 상면으로부터 이격되는 것도 포함한다.
상부챔버(15) 내에서 연소가스의 유동을 도시한 도면인 도 16을 참고하면, 상기 원료가스 가열관(43)의 외측 또는 내측에는 연소가스의 유로를 안내하는 유로안내부(435)가 추가로 형성될 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 제2공간(155) 즉 상부챔버(15)의 내부에서 유동하는 연소가스의 유동방향을 안내하도록 구비될 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 튜브 또는 벽의 형태로 구비될 수 있으며, 바람직하게는 상부챔버(15)와 동축정렬되어 상부챔버(15)의 중심을 기준으로 하는 원통형의 형상을 가질 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 상부챔버(15) 내에서 원통형의 형상으로 복수개 형성되되, 연소가스가 지나갈 수 있도록 제2공간(155)의 높이보다 작은 높이를 가짐이 바람직하다. 유로안내부(435)는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 할 수 있는데, 연소가스 가열관(43)이 나선 형상을 가져 원료가스가 연소가스 가열관(43)의 형태에 따라 유동함에 대비하여, 유로안내부(435)는 소정 높이를 가진 원통형으로 형성됨으로써 연소가스 가열관(43) 주변에서 상측으로 하측으로 유동하거나 하측에서 상측으로 연소가스가 유동하도록 하여 서로 대향하는 연소가스와 원료가스 사이에서 효율적인 열전달이 가능하도록 한다.
유로안내부(435)는 제1유로안내부(435a)와 제2유로안내부(435b)를 포함할 수 있다. 제1유로안내부(435a)는 복수의 제2연통홀(157)로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장될 수 있다. 제2연통홀(157)을 통과하여 제2공간(155)으로 유동한 연소가스는 제1유로안내부(435a)에 따라 하측에서 상측으로 유동하고, 제1유로안내부(435a)와 상부챔버 상면의 이격된 부분을 통해 외측으로 확산되면서 연소가스 가열관과 열교환이 가능하다.
제2유로안내부(435b)는 제1유로안내부(435a)의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되도록 형성될 수 있다. 제2유로안내부(435b)에 의해 연소가스는 하측으로 유동하고, 제2유로안내부(435b)의 하단과 상부챔버 하면 사이의 이격된 공간을 통해 다시 외측으로 확산되어 연소가스 배출구를 향하면서 원료가스 가열관(43)과 열교환할 수 있다. 이러한 연소가스의 유동은 도 15 및 도 16에서 확인할 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참고하면, 상기 나선지지부(44)는 외측나선(431)과 내측나선(433)을 지지하도록 구비된다. 외측나선과 내측나선이 상부챔버(15)의 내면으로부터 이격되도록 나선지지부(44)가 지지하게 된다. 나선지지부(44)는 외측나선을 지지하는 외측지지체(441)와 내측나선을 지지하는 내측지지체(443) 및 외측지지체(441)와 내측지지체(443)를 연결하면서 지지체의 위치를 고정 또는 안내하는 지지연결체(445)를 포함한다.
외측지지체(441)와 내측지지체(443)는 브라켓일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 브라켓 형상의 외측지지체(441)와 내측지지체(443)가 복수개, 더욱 바람직하게는 네 쌍이 서로 반대 방향으로 정렬되도록 구비되어 외측나선과 내측나선을 지지할 수 있다. 외측지지체(441)와 내측지지체(443)가 형성하는 브라켓의 형상은 국한되지는 않으나, 양 단부 사이에 원형 단면을 가지는 원료가스 가열관을 수용할 수 있으면 족하다. 상기 지지연결체는 한 쌍의 외측지지체(441)와 내측지지체(443) 사이에서 외측지지체(441)와 내측지지체(443)를 연결하며, 상부챔버(15)의 내면으로부터 연장되어 외측지지체(441)와 내측지지체(443)의 위치를 고정하거나 안내할 수 있다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 외측지지체(441')와 내측지지체(443')가 벽으로 형성될 수 있다. 벽으로 형성되는 외측지지체(441')와 내측지지체(443') 각각 상부챔버(15)의 상면 또는 하면으로부터 연장될 수 있고, 외측지지체(441')와 내측지지체(443') 사이에는 이격공간(446)이 형성되어 그 사이로 연소가스가 유동할 수 있다. 이 경우, 이격공간(446)과 각 지지체 사이로 연소가스의 흐름을 유도함으로써 열교환 효율을 도모할 수 있다.
다시 도 9 내지 도 14를 참고하면, 상기 분배헤더(45)는 원료가스 가열관(43)과 연결되어 승온된 원료가스를 공급받고, 이를 개질부(50)로 분배한다. 본 발명의 일 실시예에서는 분배헤더(45)가 상부챔버(15)의 상측 중앙에 구비되어 상부챔버(15)의 상측에 형성되는 개구부를 통해 공기가열관(43)과 연결되어 가열된 원료가스를 공급받고 분배헤더를 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 개질부(50)로 원료가스를 공급할 수 있다. 분배헤더(45)는 바람직하게 소정의 직경(d3)을 가지는 원통형상을 가질 수 있고, 측면에 각 개질부(50)의 측면과 연결되는 복수의 분배관(47)과 연통되도록 연결될 수 있다. 분배헤더(45)는 평면상 중앙에 배치되어 각 개질부(50)에 원료가스를 균등하게 분배할 수 있다.
도 14를 참고하면, 상기 분배관(47)은 분배헤더(45)로부터 각 개질부(50)로 승온된 원료가스를 공급한다. 상기 분배관(47)은 일단이 분배헤더(45)의 측면에 연결되어 분배헤더와 연통되고, 타단이 개질부(50)의 외측튜브(51)의 측면에 연결되어 외측튜브(51)와 연통되도록 구비된다. 분배관(47)은 고온의 원료가스 유동에 의해 파괴되거나 손상되지 않도록 신축성을 가질 수 있다. 또한 분배관(47)은 굴곡을 가지도록 형성되어 신축을 수용하도록 형성될 수 있다. 분배관(47)은 소정의 직경(d4), 바람직하게는 10mm 이하의 직경을 가지는 관의 형상을 가지되, 분배관(47)의 직경(d4)은 분배헤더의 직경(d3)보다 작도록 형성될 수 있고, 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성될 수 있다.
상기 분배관(47)은 분배헤더(45)의 측면으로부터 대략 직선으로 연장되는 제1연장부(471), 굴곡지게 형성되어 신축을 수용하는 굴곡부(473), 굴곡부(473)로부터 개질부(50)의 측면, 즉 외측튜브(51)의 측면까지 대략 직선으로 연장되는 제2연장부(473)를 포함한다.
상기 굴곡부(473)는 제1연장부로부터 일측으로 굴곡지도록 형성된 제1굴곡(473a)과 제1굴곡으로부터 타측으로 굴곡지도록 형성된 제2굴곡(473b)을 포함할 수 있다. 제1굴곡(473a)과 제2굴곡(473b)은 제1연장부(471)와 제2연장부(473)가 평행하도록 굴곡져 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제1굴곡(473a)은 제1연장부로부터 상측 및 분배헤더(45) 측으로 굴곡지고, 제2굴곡(473b)은 제1굴곡(473a)으로부터 제1연장부(471)와 평행하게 개질부(50) 측으로 굴곡짐으로써, 분배관(47)은 전체적으로 Z자 형상을 가지면서 형성될 수 있다. 고온의 원료가스가 유동할 시, 신축성을 가지는 분배관은 온도에 의해 그 길이가 늘어날 수 있는데, 굴곡부(473)에 의해 신축이 점선 모양과 같이 수용됨으로써 분배관(47), 분배헤더(45) 및 개질부(50)의 파손 내지 손상을 방지할 수 있다.
나아가, 분배관(47)은 직경(d4)이 분배헤더의 직경(d3)보다 작도록 형성되어 차압을 형성하여 균일한 양의 원료가스가 분배될 수 있도록 한다. 따라서 분배헤더(45)가 중심에서 복수의 개질부(50)에 균일한 양의 원료가스를 공급하면서, 각 개질부(50)에 대해서는 분배관(47)과 분배헤더(45)의 차압에 의해 균일하게 원료가스를 공급할 수 있다.
또한, 분배관(47)은 직경(d4)이 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성됨으로써, 외측튜브(51)의 평면상 내부에 균일하게 원료가스를 공급할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소가스가 제1공간(117) 및 제2공간(155)을 따라 유동하면서 배출되는 것을 도시한 도면이고, 도 16은 상부챔버(15) 내에서 연소가스의 유동을 도시한 도면이다. 연소부(30)에서 외부공기와 연료가스의 연소에 의해 연소가스가 제1공간(117)에서 생성되고, 하부챔버(11)는 공기와 연료가스가 유입되는 개구부를 제외하면 밀폐되어 있으므로 제1공간(117)의 연소가스는 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 통해 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)으로 유동하고, 제2공간과 연결되며 상부하우징(151)의 측면에 형성되는 연소가스 배출구를 통해 외부로 배출된다. 이 과정에서, 제2공간의 고온으로 배출되는 연소가스는, 원료가스 가열관(43) 주위를 둘러싸면서 유동하게 되고, 원료가스 가열관(43) 내부를 유동하는 원료가스와 효율적인 열교환을 통해 약 230도의 원료가스를 650~700도까지 승온시킬 수 있다.
도 3 내지 도 4 및 도 17 내지 도 19를 참고하면 상기 개질부(50)는 적어도 일부가 하부챔버(11)와 상부챔버(15) 내에 배치되어, 연소부(30)에서 발생되는 연소가스로부터 열을 공급받아 개질반응을 수행하여 수소를 발생시킨다. 개질부(50)는 복수개 구비되되, 평면 상 중앙으로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 상기 개질부는 용량에 따라 갯수를 달리하며 구비될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 3개의 개질부(50)가 수소 개질반응을 수행할 수 있으나, 처리용량이 증가하는 경우 6개, 8개 또는 10개 이상의 개질부(50)가 방사상으로 배치되어 수소개질반응을 수행할 수 있다. 상기 개질부(50)는 적어도 일부가 상부챔버(15)의 상측에 구비되고, 적어도 일부는 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)에 위치하고, 적어도 일부는 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 관통하여 배치되고, 적어도 일부는 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에 위치한다. 상기 개질부(50)는 외측튜브(51), 내측튜브(52), 촉매(53), 보호재킷(54), 열전달수단(55), 유로(56) 및 센서(57)를 포함할 수 있다.
상기 외측튜브(51)는 원료가스 공급부(40)와 연결되어 가열된 원료가스를 공급받는다. 외측튜브(51)는 일정한 직경(d1)을 가지면서 상하로 연장될 수 있는데, 제1연통홀(119), 제2연통홀(157)의 직경(d2)보다는 작아 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 관통할 때 유로(56)를 형성하고, 상부홀(159)의 직경(d1)과는 대응되어 상부홀을 폐색할 수 있다. 외측튜브(51)의 측면에는 유입공(51a)이 형성되어 분배관(47)과 연결되는데, 분배관의 직경(d4)은 외측튜브의 직경(d1)보다 작아 외측튜브(51) 내로 균등하게 가열된 원료가스를 공급하고, 원료가스는 외측튜브(51) 내에서 하향유동한다. 외측튜브(51)는 상부챔버(15)의 상측으로부터 제1공간(117)까지 수직하게 연장되어 형성될 수 있다. 외측튜브(51)는 전체적으로 상하가 폐색되도록 형성되나 가스의 유입과 배출을 위해 개구부가 형성될 수 있고, 내부에 수용된 내측튜브(52)와 연통될 수 있다. 상기 외측튜브는 상측이 연소가스 공급부와 연결되고 하측이 폐색될 수 있다. 외측튜브(51)는 외측관(511), 외측관의 하단을 폐색하는 하측캡(513) 및 외측관의 상단을 폐색하는 상측캡(515)을 포함한다.
상기 외측관(511)은 원통형의 수직으로 연장된 관으로, 측면에 유입공(51a)이 형성되고, 하단은 하측캡(513)에 의해 폐색되며, 상단은 상측캡(515)에 의해 폐색되는데, 상측캡(515)은 중앙에 개구부를 형성하여 후술하는 내측튜브(52)를 관통수용할 수 있다. 외측관(511)은 상부챔버(15)의 상측으로부터 제2공간(155)을 거쳐 하부챔버(11) 내의 제1공간(117) 내로 연장되며, 제1공간(117)에 배치된 부분에는 촉매(53)를 구비하여 원료가스를 수소로 변환할 수 있다.
상기 내측튜브(52)는 외측튜브(51) 내에 구비되며, 외측튜브(51)와 동축으로 정렬될 수 있다. 이에 따라 내측튜브의 직경은 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성된다. 내측튜브(52)는 하단이 하측캡(513)으로부터 이격되도록 구비되어 촉매(53)를 통해 개질된 개질가스가 내측튜브(52)의 하단으로 유입될 수 있다. 내측튜브(52)의 상단은 후술하는 개질가스 배출부(60)와 연결되어 개질가스를 배출하도록 구비될 수 있는데, 상단캡(515)에 형성된 개구부를 관통하도록 형성될 수 있다. 내측튜브(52)는 상부챔버(15)의 상측으로부터 제1공간(117)까지 수직하게 연장되어 형성되되, 하단은 외측튜브(51)의 하단보다 상측에 위치하고, 상단은 외측튜브(51)의 상단보다 상측에 위치할 수 있다.
상기 촉매(53)는 개질부(50) 내에 구비되어 천연가스와 수증기를 포함하는 원료가스를 수소를 포함한 개질가스로 변환한다. 촉매(53)는 외측튜브(51)와 내측튜브(52) 사이에 구비될 수 있다. 상기 촉매(53)는 제1공간(117)에 배치된 외측튜브 내에 형성될 수 있다. 촉매(53)에서 일어나는 개질반응은 흡열반응으로, 열의 공급이 필요하고, 원료가스의 온도가 낮거나 500도 이하에서 개질반응이 수행되는 경우 불완전한 반응에 따라 탄소 등의 부산물이 생성되어 개질부(50)가 막힐 수도 있다. 이에 따라 연소가 일어나는 제1공간(117)에 구비되되, 후술하는 열전달수단(55) 등에 의해 열을 전달받을 수 있고, 촉매(53) 부근에 유입되는 원료가스는 미리 650~700도 정도로 승온되어 유동하게 된다.
상기 촉매(53)는 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에 배치되되, 바람직하게는 제1공간(117)의 상측에 배치되어 개질반응을 일으킬 수 있다. 다시 도 15를 참고하면, 하측의 연소하우징(31)에서 연소가스가 발생할 때(bottom firing), 연소가스는 먼저 상측으로 진행하게 되고, 밀폐된 공간에서 보호재킷(54)에 열을 전달한 후 아래로 유동하여 후술하는 연소가스 수용부(543) 측으로 유입된다. 이에 따라 제1공간(117)과 보호재킷(54) 사이에서는 상부 쪽에서 열전달이 원활하게 발생할 수 있으며, 연소가스가 비교적 하측에 구비되는 연소가스 수용부(543) 측으로 유입되면서 하향이동함에 따라 하부 쪽에서도 열전달이 발생한다. 이를 고려하여, 상기 촉매(53)는 제1공간(117)의 상단으로부터 하측으로 연장되어 외측튜브(51) 내에 배치됨으로써 수소 개질반응의 효율을 높일 수 있다.
상기 보호재킷(54)은 외측튜브(51)의 외측에 동축정렬되어 구비되며, 제2연통홀(157)에서부터 제1연통홀(119)을 지나 제1공간(117)까지 수직으로 연장된다. 상기 보호재킷(54)은 일단이 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)과 연통하고, 타단이 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)과 연통하도록 구비된다. 보호재킷(54)의 직경은 제1연통홀(119), 제2연통홀(157)의 직경(d2)과 상응하여 외측튜브(51)와 소정거리 이격될 수 있다. 상기 보호재킷(54)은 외측튜브(51)의 하단이 노출되도록 연장될 수도 있으나, 외측튜브(51)의 하단이 노출되지 않도록 외측튜브(51)의 하단보다 아래까지 연장되는 것이 바람직하다. 보호재킷(54)을 구비하지 않는 경우, 화염이 직접 외측튜브(51)에 열을 전달하게 되는데, 이러한 경우 촉매(53)의 취성으로 인하여 개질부(50)가 파손되거나 개질반응이 원활하게 일어나지 않는다. 따라서 보호재킷(54)은 외측튜브(51)로 화염이 직접 닿는 것을 보호하면서, 대류 내지 복사에 의해 외측튜브(51)에 열을 전달하여 개질반응이 일어나도록 할 수 있다. 보호재킷(54)은 슬리브(541)와 연소가스 수용부(543)를 포함한다.
상기 슬리브(541)는 외측튜브(51)의 외측을 감싸도록 구비되며, 제2연통홀(157)로부터 수직으로 연장되며 하단이 개방되는데 후술하는 연소가스 수용부(543)에 의해 소정 정도 폐색된다. 슬리브(541)는 외측튜브(511)와 소정거리 이격되어 사이에 유로(56)를 형성함으로써, 유로(56)를 통해 상향유동하는 연소가스의 대류열에 의해 외측튜브(51) 내로 열이 전달되도록 하면서, 슬리브(541)로부터 복사되는 열을 통해 외측튜브(51)로 열이 전달되도록 할 수 있다. 상기 슬리브(541)는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장될 수 있다. 슬리브(541)는 연소하우징(31)의 상단보다 아래까지 연장됨이 바람직하고, 제2연소용기(315)의 상단보다 아래까지 연장됨이 더욱 바람직하다. 연소하우징(31)으로부터의 열이 직접적으로 전달되는 경우에는 화염과 면하는 측으로의 열전달과 화염과 면하지 않는 측으로의 열전달이 불균형하여 열교환 효율 및 개질 효율이 하락할 수 있는데, 슬리브(541)가 제2연소용기(315)의 상단보다 아래까지 연장됨으로써 간접적으로 연소가스를 슬리브(541) 내로 유입받아 균일한 열전달을 수행할 수 있다.
도 20은 도 17의 C-C' 단면을 도시한 단면도이다. 도 20을 참고하면, 상기 연소가스 수용부(543)는 슬리브(541)의 하단에서 연소가스를 수용하도록 구비되는데, 복수의 유입공(543a)을 형성하여 유입공을 통해 연소가스가 슬리브(541) 내로 유입되되록 할 수 있다. 상기 복수의 유입공(543a)은 개질부(50), 즉 연소가스 수용부(543)의 원형 평면의 중심으로부터 방사상으로 같은 각도를 가지면서 형성될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서는 45도의 각도를 가지면서 8개의 유입공(543a)이 형성될 수 있다. 유입공(543a)이 방사상으로 형성됨에 따라 제1공간(117)에서의 연소가스가 각 유입공(543a)을 따라 균일하게 유입된다. 연소가스 수용부(543)는 수용캡(5431)과 수용벽(5433)을 포함한다.
상기 수용캡(5431)은 연소가스 수용부(543)의 하단해서 연소가스 수용부의 하면을 폐색하고, 수용벽(5433)은 연소가스 수용부(543)의 하측면에 수용공(543a)이 형성되도록 수용캡(5431)으로부터 연장되는데, 같은 각도를 가지면서 방사상으로 수용공(543a)이 형성되도록 수용벽 또한 같은 각도를 가지면서 방사상으로 형성될 수 있다.
다시 도 15, 도 17 내지 18을 참고하면, 상기 보호재킷(54)의 슬리브(541)와 외측튜브(51) 사이에는 유로(56)가 형성되고, 유로를 통해 연소가스가 상향유동하여 제1공간(117)에서 제2공간(155)으로 유동한다. 이때 유로(56) 내부로는 균일하게 연소가스가 유입되면서, 대류를 통해 연소가스로부터 외측튜브(51)로 열을 전달하게 된다. 한편, 경막층에 전달되는 열전달의 계수이며, 단위 면적, 단위 시간, 단위 온도차에 대한 이동하는 열 전달량[kcal/m2·h·℃]으로 나타내어지는 경막전열계수는, 바람 등의 외력을 통한 강제대류의 경우 15~40, 가열 등에 의해 유체 내에 생성되는 밀도차에 의한 자연대류의 경우 5~8로, 강제대류의 경우 열전달 효율성이 높다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 보호재킷(54)이 길게 형성되는 경우 유로(56) 내에서 연소가스의 이동속도가 증가하게 되고, 이로 인해 유로(56) 내에서의 대류의 성질은 강제대류에 가깝게 되어 대류에 의한 열전달 효율이 높아진다. 외측튜브(51)의 하단, 또는 보호재킷(54)의 하단을 기준으로 볼 때, 슬리브(541)가 제1공간(117)의 상단, 즉 하부챔버(11) 내에서만 연장되는 것이 아니라 상부챔버(15)의 제2연통홀(157)까지 연장됨으로써, 단일 챔버로 구성된 수증기 탄화수소 개질기에서 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)에 의해 외측튜브(51)와 대류 열전달하는 것보다 높은 효율로 대류 열전달이 가능하도록 한다.
도 21은 도 19의 일부분을 확대한 도면으로, 본 발명의 개질부(50)에 열전달수단(55)이 부착된 것을 중심으로 도 17 내지 도 19 및 도 21을 참고하여 이하를 설명하도록 한다. 상기 열전달수단(55)은 촉매(53) 또는 원료가스로의 열전달을 보조하여 수소 개질의 효율을 높이도록 구비될 수 있다. 열전달수단(55)은 제1공간(117)의 연소가스로부터 촉매(53) 또는 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 또는 열전달수단(55)은 내측튜브(52)를 통해 상승하는 개질가스로부터 하강하는 외측튜브(51) 내의 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 열전달수단(55)은 핀(fin)의 형상을 가지도록 구비될 수 있는데, 일측으로 연장되는 판의 형상을 가져 보호재킷(54) 또는 내측튜브(52)에 부착됨으로써 표면적 또는 열전달 면적을 넓혀 열전달을 촉진함이 바람직하다. 상기 열전달수단(55)은 제1전달체(551)와 제2전달체(553)를 포함할 수 있다.
상기 제1전달체(551)는 수소를 포함한 개질가스로부터 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 제1전달체(551)는 내측튜브(52)와 외측튜브(51) 사이에 구비되어 개질가스로부터 원료가스로 열을 전달하되, 내측튜브(52)의 외주면에 형성될 수 있다. 제1전달체(551)는 내측튜브(52)의 외주면에서 수직으로 연장되는 판의 형상을 가짐으로써, 하향하는 원료가스의 유동을 방해하지 않으면서 약 750도 정도로 온도가 높은 개질가스로부터 약 600~700도 정도의 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 이를 위하여 제1전달체(551)는 촉매(53)의 상측에 구비될 수 있다. 상기 제1전달체(551)는 복수개가 형성되어 내측튜브(52)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 각 제1전달체(551)는 내측튜브(52)의 중심으로부터 같은 각도를 가지면서 연장되어 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 제1전달체(551)가 중심으로부터 90도의 각도를 가지면서 형성될 수 있다.
도 21을 참고하면, 상기 제2전달체(553)는 제1공간(117)의 연소가스로부터 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 제2전달체(553)는 보호재킷(54) 또는 슬리브(541) 외측에 구비되어 연소가스로부터 슬리브(541)로 열을 전달하고, 슬리브(541)로부터 외측튜브(51)로는 복사를 통해 열이 전달될 수 있다. 제2전달체(553)는 슬리브(541)의 외주면에 형성되되, 슬리브(541)의 외주면에서 수직으로 연장되는 판의 형상을 가짐이 바람직하다. 제2전달체(553)는 제1공간(117)의 상측에 구비될 수 있으며, 바람직하게는 촉매(53)의 상단과 대응되는 높이에 형성될 수 있다. 촉매(53)에서의 개질반응에 많은 열이 필요하며, 특히 개질반응이 처음 발생하는 촉매의 상단부에서 많은 열이 필요하므로, 제2전달체(553)는 촉매의 상측에 열을 효율적으로 전달하도록 구비된다.
상기 제2전달체(553)는 복수개가 슬리브(541)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2전달체(553)는 슬리브(541) 주변으로 같은 간격을 가지면서 배치될 수 있다. 이에 따라 제2전달체(553)에 의해 제1공간(117)의 열이 슬리브(541)로 전달되고, 슬리브(541)에서 복사에 의해 외측튜브(51)로 열이 전달된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 8개의 제2전달체가 45도 각도로 배치될 수 있으나, 다른 배치형태를 권리범위에서 배제하지는 않는다.
도 22는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2전달체(553)의 배치를 도시한 도면이다. 도 22를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에서의 복수의 제2전달체(553)는 슬리브(541)의 중심으로부터 다른 각도를 가지면서 연장되어 형성될 수 있다. 연소가스 수용부(543)의 경우에는 복수의 수용공(543a)이 같은 각도를 가지면서 방사상으로 형성됨으로써 보호재킷 내에 균일하게 연소가스를 도입할 수 있으나, 슬리브(541)의 외부의 경우에는 연소하우징(31)의 화염측을 면하는 곳에서는 연소가스에 의해 열이 많이 전달되고, 화염을 면하지 않는 부분에서는 열이 적게 전달될 수 있다. 이렇게 되면 슬리브(541)에서 외측튜브로 복사에 의한 열전달이 균일하지 않아 외측튜브(51) 내의 촉매(53)에서 수소 개질반응이 불균일하게 일어날 수 있다. 이에 따라서, 각 제2전달체(553)는 연소부(30) 또는 연소하우징(31)을 면하는 측에서는 슬리브(541)의 중심으로부터 넓은 각도(β)를 가지도록 이격되어 구비되고, 연소부(30) 또는 연소하우징(31)을 면하지 않는 측에서는 슬리브(541)의 중심으로부터 좁은 각도(α)를 가지도록 이격되어 구비된다. 이에 따라, 화염을 면하는 측에 구비되는 제2전달체(553)는 화염을 면하지 않는 측에 구비되는 제2전달체(553)보다 넓은 각도를 이루면서 구비되고(α<β), 화염을 면하지 않는 측으로 갈수록 각 제2전달체(553) 사이의 각도가 점진적으로 작아지도록 하여 배치될 수 있다. 또한, 복수의 제2전달체(553)는 연소부(30) 또는 내부공간(117)의 중심으로부터 슬리브(541)의 중심을 연결하는 가상의 직선에 대하여 대칭되도록 배치될 수 있다.
상기 유로(56)는 상기 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)가 외측튜브(51)의 외측에서 외측튜브를 감싸면서 연장됨으로써 형성되며, 연소가스가 상기 유로(56)를 통해 제1공간(117)에서 제2공간(155)으로 상승유동하면서 대류를 통해 외측튜브(51)로 열을 전달하게 되고, 이에 따라 촉매(53)에서 원료가스가 수소를 포함한 개질가스로 변환된다. 상술한 것에 따르면, 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)가 제2연통홀(157)로부터 수직으로 연장됨에 따라 유로(56)가 제2연통홀(157)로부터 외측튜브(51)의 하단까지 형성되고, 이로 인해 하부챔버(11) 내에서만 유로가 형성되는 것보다 빠른 속도로 연소가스가 상향유동하여 높은 경막전열계수로 효율적인 열전달이 가능하다.
상기 센서(57)는 수소 개질반응이 수행되는 개질부(50) 내의 각 부분의 온도를 감지하도록 구비될 수 있다. 개질반응이 효율적으로 발생하기 위해서는 일정한 온도를 유지하거나, 적정 범위 내의 온도가 유지되어야 하므로, 센서(57)에 의해 개질반응이 수행되고 있는 부분의 온도를 감지한 후 개질반응을 제어할 수 있다. 상기 센서(57)는 보호재킷의 슬리브(541) 외주면에 부착되거나 외주면으로부터 연장되어 구비될 수 있다(57a). 상기 센서(57a)는 제1공간(117)의 온도를 감지함으로써, 개질반응에 필요한 열의 공급 여부를 확인할 수 있도록 한다. 상기 센서(57a)는 제1공간 내에서 슬리브(541)의 상측, 하측, 하단에 구비될 수 있다. 상기 센서(57)는 내측튜브(52)와 외측튜브(51) 사이에서 촉매(53)의 온도를 감지할 수도 있다(57b). 촉매(53)의 온도를 감지함으로써 촉매의 전반적인 영역에 걸쳐 개질반응이 잘 수행되는지 체크할 수 있다. 상기 센서(57b)는 내측튜브(52)의 외주면에 구비되되 촉매가 배치되는 영역에 배치될 수 있으며, 촉매가 배치된 영역 뿐만이 아니라 내측튜브(52)가 연장되는 영역에 걸쳐 구비되어 개질부(50) 내 위치별로 온도 데이터를 수집할 수도 있다. 나아가, 상기 센서(57)는 내측튜브의 외주면에 구비되어 하향유동하는 원료가스의 온도를 감지할 수도 있고, 내측튜브의 내주면에 구비되어 상향유동하는 개질가스의 온도를 감지할 수도 있다. 또한, 센서(57)는 외측튜브(51)의 외주면을 따라 수직으로 연장되며 부착되어 외측튜브(51)의 온도 데이터를 추출할 수 있다. 추출된 상기 데이터들은 효율적인 수소 개질을 위하여 연소부(30)의 제어 및 화염 또는 열과 관련된 안전관리에 사용될 수 있다.
다시 도 9 내지 도 10을 참고하면, 상기 개질가스 배출부(60)는 개질부(50)에서의 반응을 통해 생성된 개질가스를 배출하도록 구비된다. 개질가스 배출부(60)는 상부챔버(15)의 상측에 배치되어 개질가스를 배출하도록 구비될 수 있다. 개질가스 배출부(60)는 개질가스 유입구(61), 유출관(63), 유출헤더(65) 및 개질가스 유출구(67)를 포함한다.
상기 개질가스 유입구(61)는 개질부(50)로부터 개질가스를 유입받는다. 상기 개질가스 유입구(61)는 내측튜브(52)의 개방된 상단과 연결되어 상향유동하는 개질가스를 유입받을 수 있다.
상기 유출관(63)은 개질가스 유입구(61)와 유출헤더(65)를 연결하여 개질가스를 유출헤더(65)로 공급한다. 유출관(63)은 일단이 개질가스 유입구(61)와 연결되고 타단이 유출헤더(65)의 측면 또는 상면에 연결되어 유출헤더와 연통되도록 구비된다. 유출관(63)은 고온의 개질가스 유동에 의해 파괴되거나 손상되지 않도록 신축성을 가질 수 있다. 또한 유출관(63)은 굴곡을 가지도록 형성되어 신축을 수용하도록 형성될 수 있다. 유출관(63)은 소정의 직경, 바람직하게는 20mm 이하의 직경을 가지는 관의 형상을 가지되, 상술한 분배관(47)에서의 경우와 같이 유출관(63)의 직경은 개질가스 유입구 직경보다 작도록 형성될 수 있고, 유출헤더(65)의 직경보다 작도록 형성될 수 있다.
유출관(63)은 개질가스 유입구(61)로부터 대략 직선으로 연장되는 제3연장부(631), 굴곡지게 형성되어 신축을 수용하는 굴곡부(633), 굴곡부(633)로부터 유출헤더(65)의 측면 또는 상면과 연결되는 제4연장부(675)를 포함한다.
상기 굴곡부(633)는 제3연장부(631)로부터 일측으로 굴곡지도록 형성된 제3굴곡(633a)과 제3굴곡으로부터 타측으로 굴곡지도록 형성된 제4굴곡(633b)을 포함할 수 있다. 제3굴곡(633a)과 제4굴곡(633b)은 제3연장부(631)와 제4연장부(635)가 바람직하게는 직각을 이루도록 굴곡져 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제3굴곡(633a)은 제3연장부(631)로부터 하측 및 유출헤더(65) 측으로 굴곡지고, 제4굴곡(633b)은 제3굴곡(633a)으로부터 제3연장부(631)와 직각이 되도록 유출헤더(65) 측으로 굴곡짐으로써, 유출관(63)은 전체적으로 S자 형상을 가지면서 형성될 수 있다. 고온의 개질가스가 유동할 시, 신축성을 가지는 유출관은 온도에 의해 그 길이가 늘어날 수 있는데, 굴곡부(633)에 의해 신축이 수용됨으로써 ㅇ유출관(63), 유출헤더(65) 및 개질부(50)의 파손 내지 손상을 방지할 수 있다. 나아가, 유출관(63)은 직경이 개질가스 유입구(61)의 직경보다 작도록 형성되어 차압을 형성하여 균일한 양의 원료가스가 유출될 수 있도록 한다.
상기 유출헤더(65)는 상부챔버(15)의 상측에 원형의 링 형태로 구비되고, 복수의 유출관(63)으로부터 개질가스를 유입받고, 유출헤더(65)의 일측에 형성되는 개질가스 유출구(67)를 통해 개질가스를 유출시킨다.
이에 따라, 원료가스는 원료가스 유입구(41)로 유입되어 원료가스 가열관(43)에서 가열된 후, 분배헤더(45) 및 분배관(47)을 걸쳐 외측튜브(51) 내로 유입되고, 외측튜브(51)에서 하향유동하면서 열교환하면서 촉매(53)에 의해 개질가스로 변환된다. 변환된 개질가스는 외측튜브(51) 내에 수용되는 내측튜브(52)의 개방된 하단으로 유입된 후 상향유동하여 개질가스 유입구(61)로 유입되고, 유출관(63) 및 유출헤더(65)를 거쳐 개질가스 유출구(67)를 통해 유출된다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 수증기 탄화수소 개질기
10: 바디 11: 하부챔버
13: 격판 15: 상부챔버
20: 공기공급부 21: 공기유입구
23: 공기가열관 25: 공기유출구
30: 연소부 31: 연소하우징
32: 혼합부 33: 연료가스 공급부
34: 제1교반수단 35: 제2교반수단
40: 원료가스 공급부 41: 원료가스 유입구
43: 원료가스 가열관 431: 외측나선
433: 내측나선 435: 유로안내부
44: 지지부 45: 분배헤더
47: 분배관 471: 제1연장부
473: 굴곡부 475: 제2연장부
50: 개질부 51: 외측튜브
52: 내측튜브 53: 촉매
54: 보호재킷 541: 슬리브
543: 연소가스 수용부 543a: 유입공
55: 열전단수단 56: 유로
57: 센서 60: 개질가스 배출부
61: 개질가스 유입구 63: 유출관
65: 유출헤더 67: 개질가스 유출구

Claims (13)

  1. 내부에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 바디, 적어도 일부가 상기 바디 내에 배치되어 개질반응을 수행하는 개질부를 포함하고,
    상기 개질부는 상하로 연장되는 외측튜브, 상기 외측튜브 내에 동축정렬되어 구비되는 내측튜브 및 상기 외측튜브의 외측에 동축정렬되며 외측튜브로부터 이격되어 상하로 연장되는 보호재킷을 포함하되,
    상기 보호재킷은 직경이 상기 외측튜브의 직경보다 크도록 형성되고, 상기 외측튜브를 감싸면서 수직으로 연장되는 슬리브와, 상기 슬리브의 하면을 폐색하면서 연소가스를 수용하는 연소가스 수용부를 포함하며,
    상기 연소가스 수용부는 측면에 슬리브의 중심을 기준으로 방사상으로 형성되는 복수의 유입공을 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바디는 중심에서 연료가스의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 제1공간과 상부에 제1연통홀을 가지는 하부챔버, 내부에 제2공간을 가지며 하부에 상기 제1연통홀과 연통되는 제2연통홀을 가지는 상부챔버를 포함하고,
    상기 제1연통홀과 제2연통홀은 동축정렬되고, 상기 제1연통홀과 제2연통홀은 개질부를 관통수용하여 상기 개질부는 적어도 일부가 제1공간과 제2공간에 걸쳐 배치되며,
    상기 개질부는 상기 제1공간에 배치된 외측튜브 내에 형성되는 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보호재킷은 일단이 상기 제1공간과 연통하고, 타단이 제2공간과 연통하며 상기 외측튜브와 보호재킷 사이에 형성되는 유로를 통해서 연소가스가 제1공간에서 제2공간으로 유동하는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 슬리브는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장되고 복수의 수용공이 상기 슬리브의 하단에 배치되는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 수증기 탄화수소 개질기는 하부챔버의 하측 중앙에서 열을 공급하도록 연료가스와 공기를 연소시키는 연소부를 더 포함하고,
    상기 연소부는 하부챔버의 하측 중앙에서 연료가스와 공기의 연소반응이 일어나는 상측이 개방된 연소하우징을 포함하고, 상기 슬리브는 상기 연소하우징의 상단보다 하측까지 연장되는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  9. 제2항에 있어서, 연소반응을 위해 상기 제1공간으로 공기를 공급하는 공기공급부, 상기 개질부로 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부, 상기 개질부에서의 반응을 통해 생성된 개질가스를 배출하는 개질가스 배출부를 더 포함하는 수증기 탄화수소 개질기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 원료가스 공급부는 상부챔버의 측면에 외부와 연결되도록 형성되는 원료가스 유입구, 제2공간에 구비되어 원료가스가 상기 개질부에 공급되기 전에 원료가스를 가열하는 원료가스 가열관을 포함하며,
    상기 원료가스 가열관은 제1연통홀 및 제2연통홀을 통과하여 상기 제2공간으로 유입되고 상기 상부챔버에 형성된 개구부를 통해 배출되는 연소가스에 의해 원료가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  11. 제10항에 있어서, 원료가스 공급부는 가열된 원료가스를 개질부로 분배하는 분배헤더를 더 포함하며, 상기 원료가스 가열관은 외측나선과 내측나선을 포함하고, 상기 외측나선과 내측나선은 상호연통되며, 원료가스 유입구는 상기 외측나선과 연결되고, 상기 내측나선은 상기 분배헤더와 연통하도록 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선을 통해 가열되고 내측나선을 통해 이차적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  12. 제11항에 있어서, 상부챔버의 내부에는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 연소가스의 유동은 안내하는 유로안내부가 구비되며, 상기 유로안내부는 상부챔버와 동축정렬되고, 복수의 외측튜브를 감싸도록 소정 높이의 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유로안내부는 복수의 제2연통홀로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장되는 제1유로안내부와 상기 제1유로안내부의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되는 제2유로안내부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 탄화수소 개질기.
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