KR102525702B1 - 기능성 촉매 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기능성 촉매 반응기에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료를 제1 반응기에 의해 개질하여 개질 가스를 생성하고, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 제2 반응기에 의해 재차 개질하는 연료 가스 개질 장치에 설치되는 것으로서, 상기 제1 반응기로부터 상기 제2 반응기 측으로 연장 형성되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 상기 제2 반응기 측으로 안내하는 안내부; 상기 안내부의 상기 제2 반응기 측 단부에 설치되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 통과시키고, 내부에 수용공간이 형성되는 통기부; 및 상기 통기부의 내부 수용공간에 수용되어 상기 통기부를 통과하는 개질 가스와 반응하는 기능성 촉매;를 포함하는, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.

Description

기능성 촉매 반응기 {FUNCTIONAL CATALYTIC REACTOR}
본 발명은 기능성 촉매 반응기에 대한 발명이다.
급격한 산업화의 영향으로 석유 및 석탄 등과 같은 화석연료의 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 환경오염, 에너지 자원 고갈과 같은 문제가 대두되면서 신재생에너지에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다. 특히, 신재생에너지 중 하나인 수소에너지는 에너지 밀도가 높고 환경오염이 거의 없어 미래의 핵심 에너지원으로 평가된다.
수소는 대체로 알코올계 연료(메탄올, 에탄올 등), 탄화수소계 연료(메탄, 부탄, 프로판 등), 천연가스계 연료(액화천연가스 등) 및 바이오 가스와 같은 수소 함유 연료가 연료 개질기에 의해 개질됨으로써 수득된다. 이러한 연료 개질기는 주로 수증기 개질 방식을 이용하고 있다. 수증기 개질 방식의 연료 개질기는 수소 함유 연료가 물과 함께 개질기 내로 공급되고, 개질기 내에서 촉매와 반응하여 수소 생성 반응을 통해 수소를 생산한다. 이때, 버너에 의해 반응에 적합한 열이 공급될 수 있다. 하지만, 이러한 수증기 개질 방식은 강한 흡열 반응이 수반되므로, 높은 열원이 요구되고, 시동 특성이 느리다는 문제가 있다. 또한, 미량의 황 화합물에 촉매 피독 등과 같은 기술적인 여러가지 제약이 있고, 개질기가 차지하는 규모가 커지므로, 운전 및 유지 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제를 보완하기 위해, 플라즈마를 이용하여 수소 함유 연료를 개질하는 방식의 연료 개질기에 대한 개발이 진행되고 있다. 플라즈마 개질 방식의 연료 개질기는 교류 전원으로부터 변환된 직류 전원에 의해 플라즈마 유도 가스가 방전되어 고온의 플라즈마가 생성되고, 생성된 고온의 플라즈마를 이용하여 연료를 개질한다. 종래의 플라즈마 개질 방식의 연료 개질기는 교류 전원을 다시 직류 전원으로 전환하여야 하므로, 비용이 추가적으로 발생하는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 2가지 개질 방식이 혼합된 복합 연료 개질 시스템을 제안한 바 있다. 복합 연료 개질 시스템은 플라즈마를 이용한 제1 개질 반응부를 통해 연료를 1차 개질하여 개질 가스를 생성하고, 1차 개질된 개질 가스를 촉매를 이용한 제2 개질 반응부를 통해 다시 한번 개질하여 수소를 생산하게 된다. 그러나 상기 복합 연료 개질 시스템의 제1 개질 반응부인 플라즈마 개질 반응기는 낮은 메탄(CH4) 전환율과 높은 이산화탄소(CO2) 생성량으로 인해 제2 개질 반응부인 촉매 개질 반응기의 개질 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제2390611호
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 배경에서 발명된 것으로서, 제1 반응기에서 생성된 미반응 가스를 기능성 촉매에 의해 반응시켜 이산화탄소를 저감함으로써, 수소 및 일산화탄소의 생산 성능을 향상시킬 수 있는 기능성 촉매 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료를 제1 반응기에 의해 개질하여 개질 가스를 생성하고, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 제2 반응기에 의해 재차 개질하는 연료 가스 개질 장치에 설치되는 것으로서, 상기 제1 반응기로부터 상기 제2 반응기 측으로 연장 형성되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 상기 제2 반응기 측으로 안내하는 안내부; 상기 안내부의 상기 제2 반응기 측 단부에 설치되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 통과시키고, 내부에 수용공간이 형성되는 통기부; 및 상기 통기부의 내부 수용공간에 수용되어 상기 통기부를 통과하는 개질 가스와 반응하는 기능성 촉매;를 포함하는, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 안내부는 상기 통기부가 형성된 상기 제2 반응기 측 단부를 제외한 부분이 상기 제1 반응기와 외부를 차단하도록 상기 제1 반응기를 감싸도록 형성되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스의 전부가 상기 통기부를 통과하는, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 통기부는, 상기 안내부의 상기 제2 반응기 측 단부에 설치되며, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제1 메쉬부재; 및 상기 제1 메쉬부재와 이격되도록 상기 안내부의 내측에 설치되어 상기 제1 메쉬부재와의 사이에 수용공간을 생성하고, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제2 메쉬부재;를 포함하는, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응기는 개질 수단으로 플라즈마를 사용하며, 상기 통기부는 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스의 온도가 600°C 내지 900°C인 상태로 통과하는 지점에 설치되는, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 기능성 촉매는 페로브스카이트 구조를 갖는 Ni/BaZrO3인, 기능성 촉매 반응기가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 반응기에서 생성된 미반응 가스를 기능성 촉매에 의해 반응시켜 이산화탄소를 저감함으로써, 수소 및 일산화탄소의 생산 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기가 설치되는 연료 가스 개질 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기가 설치되는 연료 가스 개질 장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기를 설명하기에 앞서 본 발명이 설치되는 연료 가스 개질 장치에 대해 설명한다.
상기한 연료 가스 개질 장치는 반응로(10), 버너부(20), 제1 반응기(30), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50)을 포함한다.
반응로(10)는 버너부(20), 제1 반응기(30), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50)가 배치될 수 있는 내부 공간을 제공할 수 있다. 이를 위해, 반응로(10)는 버너부(20), 제1 반응기(30), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50) 중 적어도 하나가 배치되는 제1 반응 본체(11) 및 제1 반응 본체(110)와 결합되고, 버너부(20), 제1 반응기(30), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50) 중 나머지가 배치되는 제2 반응 본체(12)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 제1 반응 본체(11)에 제1 반응기(30)가 배치되고, 제2 반응 본체(12)에 버너부(20), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50)가 배치되는 경우를 일 예로 들어 설명한다.
제1 반응 본체(11)는 내부에 제1 반응기(30)가 배치되고, 상부가 개방된 형상을 갖는 제1 반응 본체측 수용부(111) 및 제1 반응 본체측 수용부(111)의 개방된 상부에 연결되는 제1 반응 본체측 결합부(112)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 반응 본체측 수용부(111) 및 제1 반응 본체측 결합부(112)는 일체로 형성될 수도 있고, 제1 반응 본체측 수용부(111) 및 제1 반응 본체측 결합부(112)는 각각 별도로 제작된 다음 상호 결합될 수도 있다. 이때, 제1 반응 본체측 수용부(111)의 바닥면에는 유입구(1111)가 연결될 수 있다. 이러한 유입구(1111)를 통해 개질 대상이 되는 연료, 플라즈마 유도 가스 등과 같은 유체가 유입될 수 있으며, 유입된 유체는 후술할 제1 반응기(30)의 전극(32) 사이로 공급될 수 있다.
제2 반응 본체(12)는 내부에 버너부(20), 열교환부(40) 및 제2 반응기(50)가 배치되고, 하부가 개방된 형상을 갖는 제2 반응 본체측 수용부(121) 및 제2 반응 본체측 수용부(121)의 개방된 하부에 연결되는 제2 반응 본체측 결합부(122)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 반응 본체측 수용부(121) 및 제2 반응 본체측 결합부(122)는 일체로 형성될 수도 있고, 제2 반응 본체측 수용부(121) 및 제2 반응 본체측 결합부(122)는 각각 별도로 제작된 다음 상호 결합될 수도 있다. 이때, 제2 반응 본체측 수용부(121)의 내측면에는 연결 부재(1211)가 구비될 수 있다. 이러한 연결 부재(1211)에는 열교환기(41), 버너부(20) 및 제2 반응기(50) 중 적어도 하나가 연결될 수 있다.
한편, 제1 반응 본체(11)의 제1 반응 본체측 결합부(112)와 제2 반응 본체(12)의 제2 반응 본체측 결합부(122)는 별도의 체결 수단(미도시)에 의해 상호 체결될 수 있다. 이 경우, 제1 반응 본체(11)의 제1 반응 본체측 결합부(112)에 기 형성된 제1 관통홀(1121)과 제2 반응 본체(12)의 제2 반응 본체측 결합부(122)에 기 형성된 제2 관통홀(1221)이 상호 연통될 수 있다. 이와 같이 상호 연통된 제1 관통홀(1121)과 제2 관통홀(1221)은 제1 반응기(30)에서 생성된 제1 개질 가스가 열교환부(40)의 열교환기(41)로 공급되기 위한 통로로 이용될 수 있다. 이를 위해, 제1 관통홀(1121) 및 제2 관통홀(1221)에 대응하는 위치에 열교환부(40)의 열교환기(41)의 단부가 연결될 수 있다.
버너부(20)는 열교환부(40)로 열을 전달하여 제1 개질 가스를 제1 온도로 예열할 수 있고, 제2 반응기(50)로 열을 전달하여 제1 온도로 예열된 제1 개질 가스를 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열할 수 있다. 달리 말하면, 버너부(20)의 열이 열교환부(40)로 전달되면, 열교환부(40)에 공급되는 제1 개질 가스가 버너부(20)의 열에 의해 제1 온도로 예열되고, 버너부(20)의 열이 제2 반응기(50)로 전달되면, 제2 반응기(50)로 공급되는 예열된 제1 개질 가스가 제2 온도로 가열될 수 있다. 여기서, 제1 개질 가스는 제1 반응기(30)에 의해 연료가 개질됨으로써 생성되는 가스를 의미한다. 나아가, 가스가 제2 온도로 가열된 제1 개질 가스는 후술할 제2 반응기(50)에 의해 개질되어 제2 개질 가스로 전환될 수 있다. 여기서, 제1 온도는 약 650°C내지 약 700°C일 수 있고, 제2 온도는 약 800°C내지 약 850°C일 수 있다.
버너부(20)는 반응로(10)의 내부, 예컨대, 제2 반응 본체(12)의 내부에 구비될 수 있다. 이러한 버너부(20)는 제2 반응 본체(12)에 기 형성된 홀에 삽입될 수 있으며, 제2 반응 본체(12)의 내측면에 결합된 연결 부재(1211)에 의해 지지될 수 있다. 이를 위해, 버너부(20)의 둘레를 따라 지지편(21)이 돌출 형성될 수 있으며, 이러한 지지편(21)은 연결 부재(1211)와 면접촉될 수 있다.
이때, 버너부(20)는 일 예로 제2 반응 본체(12)의 내주면이 갖는 형상에 대응되도록 내부에 소정의 공간이 형성된 원통 구조로 구비될 수 있다. 이때, 버너부(20)의 열을 열교환부(40) 및 제2 반응기(50)에 각각 균일하게 공급하기 위해, 버너부(20)는 일 예로 메탈 화이버(metal fiber)가 적용된 내부 원통형 오프가스 버너로 구비될 수 있다. 이에 따라, 버너부(20)를 통해 열교환부(40)에서 제1 개질 가스를 예열하는데 필요한 열량과 제2 반응기(50)에서 예열된 제1 개질 가스를 개질하는데 필요한 열량이 동시에 균일하게 공급될 수 있다.
제1 반응기(30)는 연료를 제1 개질 가스로 전환할 수 있다. 이를 위해, 제1 반응기(30)는 반응로(10)의 내부, 예컨대, 제1 반응 본체(11)의 내부에 구비될 수 있으며, 외부로부터 공급되는 연료를 개질할 수 있는 제1 개질 수단을 선택적으로 생성할 수 있다. 여기서, 연료는 알코올계 연료, 탄화수소계 연료, 천연가스계 연료, 바이오 가스와 같은 수소 함유 연료일 수 있고, 제1 개질 수단은 글라이딩 아크 플라즈마일 수 있다. 이러한 제1 반응기(30)는 가이드 부재(31), 전극(32) 및 전원공급장치를 포함할 수 있다.
가이드 부재(31)는 개질 대상인 연료 및 글라이딩 아크 플라즈마를 유도하기 위한 플라즈마 유도 가스가 유동하는 공간으로 규정할 수 있다. 이를 위해, 가이드 부재(31)는 제1 반응 본체측 결합부(112)의 내측면에는 연결될 수 있다. 이러한 가이드 부재(31)는 제1 반응 본체측 수용부(111)의 바닥면을 향하여 연장 형성됨으로써, 내부에 소정의 공간을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 가이드 부재(31)의 내부 공간에는 전극(32)의 적어도 일부가 배치되어 가이드 부재(31)에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, 가이드 부재(31)는 전극(32)과 전기적으로 절연될 수 있는 재질로 구비될 수 있다.
전극(32)은 제1 반응 본체측 수용부(111)에 결합되는 전극 지지체(321)에 결합되어 지지될 수 있다. 예를 들어, 전극(32)은 곡선을 포함하는 부채꼴 형상으로 구비될 수 있다. 이때, 전극(32)은 복수로 구비되어 플라즈마 방전 영역을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 전극(32)은 전극(32) 간 간격이 상부로 갈수록 넓어지도록 소정 간격으로 이격되게 배치될 수 있다. 이러한 전극(32)은 전원 공급 장치와 전기적으로 연결되어 전원 공급 장치로부터 교류 전원을 인가받을 수 있다. 제1 반응 본체측 수용부(111)에 구비된 유입구(1111)를 통해 연료 및 글라이딩 아크 플라즈마를 유도하기 위한 플라즈마 유도 가스가 전극(32) 사이로 유입된 후, 전극(32)에 교류 전원을 인가하면, 전극(32) 간 거리가 가장 짧은 하부에서 방전이 시작된다. 이렇게 발생된 아크는 하부에서 공급된 플라즈마 유도 가스의 유동 및 고온 아크의 부력에 의해 상부로 미끄러지면서 이동한다. 플라즈마가 전극(32)의 꼭대기에 도달했을 때 상부로 이동한 플라즈마는 전극(32)의 마지막 부분에서 소화된다. 아크가 사라지면 동시에 전극(32)이 가장 가까운 부분에서 재 점화되고 이 현상이 반복적으로 유지된다. 이렇게 발생한 플라즈마는 연료를 개질하는 개질 수단으로 이용될 수 있다.
열교환부(40)는 제1 반응기(30)로부터 제1 개질 가스를 공급받을 수 있으며, 제1 반응기(30)로부터 공급된 제1 개질 가스에 버너부(20)의 열을 전달하여 제1 개질 가스를 제1 온도로 예열시킬 수 있다. 이를 위해, 열교환부(40)는 반응로(10)의 내부, 예컨대, 제2 반응 본체(12)의 내부에 배치될 수 있다. 이때, 복수의 열교환기(41) 중 적어도 일부는 후술할 제2 개질 반응부(50)의 복수의 제2 개질 반응기(51) 중 적어도 일부와 어긋나게 배치됨에 따라, 버너부(20)의 복사열이 복수의 열교환기(41)로 용이하게 전달될 수 있다. 이러한 열교환부(40)는 복수의 열교환기(41)를 포함할 수 있다. 복수의 열교환기(41)는 버너부(20)의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원을 따라 이격 배치될 수 있다. 열교환기(41)는 제1 개질 가스가 유동할 수 있는 통로를 내부에 구비할 수 있다. 이때, 열교환기(41)의 일 단부는 제2 반응 본체(12)의 제2 반응 본체측 결합부(122)의 내측면에 결합될 수 있다. 이 경우, 열교환기(41)의 일 단부가 제1 반응 본체(11)의 제1 반응 본체측 결합부(112)에 기 형성된 제1 관통홀(1121) 및 제2 반응 본체(12)의 제2 반응 본체측 결합부(122)에 기 형성된 제2 관통홀(1221)과 연통될 수 있다. 이로써, 열교환기(41)의 내부에 마련되는 통로가 제1 반응 본체(11)의 내부 공간과 연통됨에 따라, 제1 반응 본체(11)의 제1 개질 가스가 열교환기(41)로 공급될 수 있다. 열교환기(41)의 타 단부는 제2 반응 본체측 수용부(121)의 내측면에 결합된 연결 부재(1211)에 기 형성된 홀에 관통 결합될 수 있다. 이때, 홀의 외측 둘레에 해당하는 연결 부재(1211)의 일면으로부터 연장편이 연장 형성될 수 있다. 이러한 연장편은 연결 부재(1211)에 기 형성된 홀을 커버할 수 있다. 연장편에는 연결관이 연결됨에 따라, 열교환기(41)의 타 단부를 통해 배출되는 제1 개질 가스는 연결관을 통해 제2 반응기(50)로 공급될 수 있다.
제2 반응기(50)는 열교환부(40)를 통과한 제1 개질 가스를 제2 개질 가스로 전환할 수 있다. 이를 위해, 제2 반응기(50)는 제1 개질 수단과 상이한 제2 개질 수단을 구비할 수 있다. 이를 위해, 제2 반응기(50)는 반응로(10)의 내부, 예컨대, 제2 반응 본체(12)의 내부에 배치될 수 있다. 이때, 복수의 제2 반응부(51) 중 적어도 일부는 복수의 열교환기(41) 중 적어도 일부와 어긋나게 배치됨에 따라, 버너부(20)의 복사열이 복수의 제2 반응부(51)로 용이하게 전달될 수 있다. 이러한 제2 반응기(50)는 복수의 제2 반응부(51)를 포함할 수 있다. 이러한 복수의 제2 반응부(51)는 버너부(20)의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원을 따라 이격 배치될 수 있다. 여기서, 제2 반응기(50)는 열교환부(40)보다 버너부(20)에 인접하게 배치되므로, 복수의 제2 반응부(51)가 버너부(20)의 중심을 기준으로 형성하는 원의 크기는 복수의 열교환기(41)가 버너부(20)의 중심을 기준으로 형성하는 원의 크기보다 작을 수 있다. 제2 반응기(50)는 외관(511) 및 외관(511)의 내측에 배치되는 내관(512)을 포함할 수 있다. 이때, 외관(511)의 하단부는 막혀 있고, 내관(512)의 하단부는 개방된 구조로 구비될 수 있다. 따라서, 외관(511)과 내관(512) 사이의 제2 개질 수단, 예컨대, 개질 촉매가 구비될 수 있다. 이와 같이, 제2 반응기(50)가 외관(511) 및 내관(512)을 포함하는 이중관 형태로 구비됨에 따라, 제1 개질 가스의 체류 시간이 증대될 수 있다. 외관(511)에는 제1 개질 가스가 유동하는 제1 통로(5112)가 구비되고, 내관(512)에는 제1 통로(5112)와 연통되고, 제1 개질 가스 및 제2 개질 가스 중 적어도 하나가 유동하는 제2 통로(5122)가 구비될 수 있다. 버너부(20)의 복사열이 외관(511)에 전달되면, 버너부(20)의 복사열과 제1 개질 가스의 열교환이 진행되며, 외관(511)의 상단에 연결된 유입구(5111)를 통해 공급된 제1 개질 가스가 외관(511)과 내관(512) 사이에 구비된 제2 개질 수단, 예컨대, 개질 촉매를 통과하면서 개질 반응이 진행된다. 외관(511)의 하단으로 이동된 제1 개질 가스의 온도는 외관(511)의 상단으로 공급된 제1 개질 가스의 온도보다 높아지고, 승온된 제1 개질 가스는 상승관인 내관(512)을 통해 상승하면서 제2 개질 가스로 전환된 후, 내관(512)의 상단에 연결된 배출구(5121)로 배출된다.
상술한 연료 가스 개질 장치는 연료가 제1 반응기(30)에 의해 1차 개질되고, 열교환부(40)를 통해 개질 반응이 일어날 수 있는 온도로 예열된 다음, 제2 반응기(50)에서 2차 개질되어 개질 효율이 향상된다.
그러나 제1 반응기(30)에 의해 1차 개질된 1차 개질 가스는, 표 1과 같이, 메탄(CH4)의 전환율이 낮으며, 이산화탄소(CO2)의 생성량이 높아 제2 반응기(50)의 개질 효율이 저하되는 문제가 있다.
성분 H2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 C2H2 C3H8
함유량(%) 23.75 33.45 14.1 28.02 0.11 0.05 0.52 0.001
이를 해결하고자, 제1 반응기(30)와 제2 반응기(50)의 사이에 기능성 촉매 반응기(60)를 형성하고, 제1 반응기(30)에 의해 개질된 1차 개질 가스의 미반응 메탄과 이산화탄소를 기능성 촉매 반응기(60)에 의해 메탄개질반응(DRM, Dry Reforming of Methane)시켜 수소를 더욱 많이 생산하여 제2 반응기(50)의 개질 효율을 증가시킬 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 촉매 반응기(60)는 제1 반응기(30)로부터 제2 반응기(50) 측으로 연장 형성되어 제1 반응기(30)에 의해 개질된 개질 가스를 제2 반응기(50) 측으로 안내하는 안내부(61), 안내부(61)의 제2 반응기(50) 측 단부에 설치되어 제1 반응기(30)에 의해 개질된 개질 가스를 통과시키고 내부에 수용공간이 형성되는 통기부(62) 및 통기부(62)의 내부 수용공간에 수용되어 통기부(62)를 통과하는 개질 가스와 반응하는 기능성 촉매(63)를 포함한다.
안내부(61)는 내부에 공간이 형성되어 이 내부 공간에 제1 반응기(30)가 형성된다. 안내부(61)의 하부(도 2의 하부)는 제1 반응 본체측 수용부(111)과 결합되어 폐쇄되고, 안내부(61)의 상부(도 2의 상부)는 개방되어 이 개방된 일측에 통기부(62)가 설치된다. 즉, 안내부(61)는 통기부(62)가 형성된 안내부(61)의 상부 개방된 일측을 제외한 부분이 제1 반응기(30)와 외부를 차단하도록 제1 반응기(30)를 감싸도록 형성된다. 이로 인해, 제1 반응기(30)를 통해 개질된 개질 가스의 전부가 통기부(62)를 통과하게 된다. 이때, 안내부(61)는 제1 반응기(30)의 가이드 부재(31) 내측에 형성될 수 있다.
통기부(62)는 안내부(61)의 상부에 설치되어 제1 반응기(30)에 의해 개질된 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제1 메쉬부재(621) 및 제1 메쉬부재(621)와 이격되도록 안내부(61)의 내측에 설치되어 제1 메쉬부재(621)와의 사이에 수용공간을 생성하고 제1 반응기(30)에 의해 개질된 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제2 메쉬부재(622)를 포함한다. 제1 메쉬부재(621)는 안내부(61)의 개방된 일측에 대응되는 면적을 갖도록 형성되어 안내부(61)의 개방된 일측을 폐쇄하도록 설치된다. 제2 메쉬부재(622)는 안내부(61)의 내측 면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성되어 안내부(61)의 내측을 폐쇄하도록 설치되며, 이때, 제1 메쉬부재(621)와 일정 간격 이격하여 설치되어 제1 메쉬부재(621)와의 사이에 수용공간을 생성한다. 상기한 제1 메쉬부재(621) 및 제2 메쉬부재(622)에 의해 안내부(61)의 개방된 일측이 폐쇄되지만, 제1 메쉬부재(621) 및 제2 메쉬부재(622)에는 복수 개의 통기공이 형성되어 있어 안내부(61)를 통해 안내되는 개질 가스가 통기부(62)를 통과하게 된다. 상기와 같이 제1 메쉬부재(621) 및 제2 메쉬부재(622)의 사이에 형성되는 수용공간에 기능성 촉매(63)이 수용되어 통기부(62)를 통과하는 개질 가스와 반응하게 된다. 이때, 개질 가스와 기능성 촉매(63)는 메탄개질반응(DRM)이 이루어지는데 메탈개질반응이 이루어지려면 600°C 내지 900°C의 반응열이 필요하다. 제1 반응기(30)는 플라즈마에 의해 연료를 개질하기 때문에, 제1 반응기(30)에 의해 개질된 개질 가스는 고온을 유지하고 있다. 따라서 통기부(62)는 개질 가스가 고온을 유지하고 있는 위치, 즉, 상기 개질 가스의 온도가 600°C 내지 900°C인 상태로 통과할 수 있는 지점에 설치되어야 한다. 통기부(62)가 안내부(61)의 개방된 일측의 단부에 설치되어 있으므로, 안내부(61)의 길이를 조절하여 통기부(62)를 개질 가스의 온도가 600°C 내지 900°C인 상태로 통과하는 지점에 설치할 수 있다. 또한, 안내부(61)의 길이를 길게 형성하고 통기부(62)를 안내부(61)의 내측에 설치하여 통기부(62)를 개질 가스의 온도가 600°C 내지 900°C인 상태로 통과하는 지점에 설치할 수 있다. 이 경우에는 안내부(61)의 전체 길이와 상관없이 통기부(62)를 해당 위치에 설치할 수 있다.
한편, 기능성 촉매(63)는 페로브스카이트 구조를 갖는 Ni/BaZrO3일 수 있다. 기능성 촉매(63)는 BaZrO3를 지지체로 하며, 고상법으로 제조한 BaZrO3 분말과 압출 성형하여 제조한 펠렛 형태의 BaZrO3 구조체에 니켈을 코팅한 촉매이다. 기능성 촉매(63)를 제조하는 방법을 살펴보면, 먼저, 전구물질은 탄산바륨(BaCO3, 99.9%), 산화지르코늄(ZrO2, 99.9%), 산화이트륨(Y2O3, 99.9%) 및 아세톤을 혼합하여 균질화한다. 상기와 같이 혼합된 재료를 110°C에서 건조시킨 분쇄한 다음 공기 중에서 1200°C에서 5시간 동안 열처리하고, 열처리된 물질을 초미분쇄기(attrition milling)를 사용하여 균일한 분말로 분쇄한다. 이렇게 제조된 BaZrO3 분말은 비표면적이 10m2/g 내지 20 m2/g인 구조체일 수 있다. 다음으로, BaZrO3 분말에 온도 조절 화학 기상 증착법을 통해 금속 전구체를 코팅한다. 여기서, 금속 전구체는 Ni(Cp)2가 사용될 수 있으며, BaZrO3 담체(BaZrO3 분말 또는 BaZrO3 기어형 펠렛)의 중량 대비 1 wt% 내지 30 wt%로 금속 전구체를 주입하여 BaZrO3담체의 표면에 코팅되는 니켈(Ni)의 함량을 제어할 수 있다. 니켈의 증착을 위해 250 ℃의 온도에서 승화된 유기금속화합물 형태의 니켈 증기가 BaZrO3 담체 표면에서 공기 중에 있는 산소와 반응하여 NiO 형태로 코팅되며, 800 ℃(환원 분위기)에서 2~4시간동안 열처리하여 Ni/BaZrO3로 이루어진 기능성 촉매(63)를 제조한다, 기능성 촉매(63)인 Ni/BaZrO3는 메탄개질반응(DRM)의 높은 성능과 구조적으로 안정화된 페로브스카이트 구조를 갖아 증기(steam) 분위기에서 높은 안정성을 갖는다. 따라서, 제1 반응기(30)에서 생성된 미반응 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), CxHx 계열의 가스가 기능성 촉매 반응기(60)로 공급되어 제1 반응기(30)의 플라즈마 열원과의 메탄개질반응(DRM)을 통해 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)의 생산량을 증가시켜 연료의 개질 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 반응로 11: 제1 반응 본체
111: 제1 반응 본체측 수용부 1111: 유입구
112: 제1 반응 본체측 결합부 1121: 제1 관통홀
12: 제2 반응 본체 121: 제2 반응 본체측 수용부
1211: 연결 부재 122: 제2 반응 본체측 결합부
1221: 제2 관통홀 20: 버너부
21: 지지편 30: 제1 반응기
31: 가이드 부재 32: 전극
321: 전극 지지체 40: 열교환부
41: 열교환기 50: 제2 반응기
51: 제2 반응부 511: 외관
5111: 유입구 5112: 제1 통로
512: 내관 5121: 배출구
5122: 제2 통로 60: 기능성 촉매 반응기
61: 안내부 62: 통기부
621: 제1 메쉬부재 622: 제2 메쉬부재
63: 기능성 촉매

Claims (5)

  1. 제1 반응기가 내부에 배치되는 제1 반응 본체측 수용부와 상기 제1 반응 본체측 수용부의 상부에 배치되고 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부와 연통되는 제1 관통홀이 형성되는 제1 반응 본체측 결합부를 포함하는 제1 반응 본체 및
    제2 반응기가 내부에 배치되는 제2 반응 본체측 수용부, 및 상기 제2 반응 본체측 수용부의 하부에 배치되어 상기 제1 반응 본체측 결합부와 결합되고 상기 제1 관통홀과 연결되어 상기 제1 반응 본체측 수용부와 상기 제2 반응 본체측 수용부를 서로 연통시키는 제2 관통홀이 형성되는 제2 반응 본체측 결합부를 포함하는 제2 반응 본체를 포함하고,
    상기 제1 반응 본체측 수용부로 연료를 공급하여 제1 반응기에 의해 개질 가스를 생성하고, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스를 제2 반응 본체측 수용부로 공급하여 상기 제2 반응기에 의해 재차 개질하는 연료 가스 개질 장치에 설치되는 것으로서,
    상기 제1 반응기를 감싸도록 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부 하부면에서 상부측으로 연장 형성되되, 상단부가 상기 제1 반응 본체측 결합부와 이격되도록 연장되는 안내부;
    상기 안내부로부터 수평방향으로 이격된 위치에 배치되어, 상기 제1 반응 본체측 결합부로부터 상기 반응 본체측 수용부의 내부 바닥면을 향하여 하방으로 연장 형성되되, 하단부가 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부 바닥면과 상측으로 이격되도록 연장되는 가이드 부재;
    상기 제1 반응 본체측 결합부로부터 하측으로 이격되도록 상기 안내부의 상단부에 배치되며, 내부에 수용공간이 형성되는 통기부; 및
    상기 통기부의 내부 수용공간에 수용되는 기능성 촉매;를 포함하고,
    상기 제1 관통홀은 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부 측면과 상기 가이드 부재 사이의 상기 제1 반응 본체측 결합부에 형성되며,
    상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스는 상기 안내부를 따라 상부방향으로 이동되어 상기 통기부를 통과함에 따라 상기 기능성 촉매와 반응하고,
    상기 기능성 촉매와 반응한 상기 개질 가스는 상기 가이드 부재를 따라 하부방향으로 이동되어 상기 가이드 부재와 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부 바닥면과의 이격 공간을 통과하며,
    상기 가이드 부재와 상기 제1 반응 본체측 수용부의 내부 바닥면과의 이격 공간을 통과한 상기 개질 가스는 제1 반응 본체측 수용부의 내부 면을 따라 상부방향으로 이동되어 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 통과하여 상기 제2 반응 본체측 수용부로 이동되는,
    기능성 촉매 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안내부는 상기 통기부가 형성된 상단부를 제외한 부분이 상기 제1 반응기와 외부를 차단하도록 상기 제1 반응기를 감싸도록 형성되어 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스의 전부가 상기 통기부를 통과하는,
    기능성 촉매 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통기부는,
    상기 안내부의 상단부에 설치되며, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제1 메쉬부재; 및
    상기 제1 메쉬부재와 이격되도록 상기 안내부의 내측에 설치되어 상기 제1 메쉬부재와의 사이에 수용공간을 생성하고, 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스가 통과하기 위한 복수 개의 통기공이 형성되는 제2 메쉬부재;를 포함하는,
    기능성 촉매 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 반응기는 개질 수단으로 플라즈마를 사용하며,
    상기 통기부는 상기 제1 반응기에 의해 개질된 상기 개질 가스의 온도가 600°C 내지 900°C인 상태로 통과하는 지점에 설치되는,
    기능성 촉매 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능성 촉매는 페로브스카이트 구조를 갖는 Ni/BaZrO3인,
    기능성 촉매 반응기.
KR1020220127789A 2022-10-06 2022-10-06 기능성 촉매 반응기 KR102525702B1 (ko)

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