KR102563958B1 - High efficiency fuel processing device - Google Patents
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Abstract
상부에 버너가 구비되고, 외부로부터 연료가스 및 버너 공기를 공급받아 상기 연료가스를 연소시키는 버너연소실, 상기 버너연소실의 외측에 구비되어 탄화수소계 원료가스를 개질가스로 변환시키는 개질반응부, 상기 개질반응부의 외측에 구비된 단열재, 상기 단열재의 외측에 구비되어 상기 버너연소실로부터 배기된 버너연소가스의 배출 경로를 제공하는 제1 유로, 상기 제1 유로의 외측에 구비되어 상기 개질반응부로부터 배기된 개질가스의 배출 경로를 제공하는 제2 유로, 상기 제1 및 제2 유로 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스와 상기 개질가스의 열량으로 외부로부터 공급되는 물을 수증기화시키는 제1 열교환부, 상기 제1 유로와 상기 단열재 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스의 열량으로 상기 제1 열교환부로부터 공급되는 수증기화된 물과 외부로부터 공급되는 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2 열교환부, 상기 제2 유로와 연통하도록 상기 제2 유로의 하부에 구비되어 상기 개질가스로부터 CO를 제거하는 CO변성반응기, 상기 제1 유로와 상기 CO변성반응기 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환부로 공급되는 물의 이동 경로를 제공하여 상기 CO변성반응기를 냉각하는 제3 열교환부, 상기 제2 유로의 외측에 구비되어, 상기 CO변성반응기로부터 배기된 CO가 제거된 개질가스로부터 CO를 추가 제거하는 선택산화반응기, 상기 제2 유로와 상기 선택산화반응기 사이에 구비되고, 상기 버너연소실로 공급되는 버너 공기의 이동 경로를 제공하여 상기 선택산화반응기를 냉각하는 제4 열교환부를 포함하는 고효율 연료처리장치가 개시된다.A burner combustion chamber having a burner provided thereon and receiving fuel gas and burner air from the outside to combust the fuel gas; a reforming reaction unit provided outside the burner combustion chamber to convert hydrocarbon-based raw material gas into reformed gas; A heat insulating material provided on the outside of the reaction unit, a first flow path provided on the outside of the heat insulating material to provide a discharge path for the burner combustion gas exhausted from the burner combustion chamber, and a first flow path provided on the outside of the first flow path for exhausting from the reforming reaction unit. A second flow passage providing a discharge path for the reformed gas, a first heat exchanger provided between the first and second flow passages and evaporating water supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas and the reformed gas; A second heat exchange unit provided between the first flow path and the insulator and preheating the temperature of the vaporized water supplied from the first heat exchange unit and the hydrocarbon-based raw material gas supplied from the outside with the heat amount of the burner combustion gas; A CO transformation reactor provided under the second flow path to communicate with the second flow path to remove CO from the reformed gas, provided between the first flow path and the CO transformation reactor, and a movement path for water supplied to the first heat exchange unit. A third heat exchange unit provided on the outside of the second flow path to provide a third heat exchanger to cool the CO conversion reactor, a selective oxidation reactor to additionally remove CO from the reformed gas from which CO exhausted from the CO conversion reactor is removed, the first Disclosed is a high-efficiency fuel processing apparatus including a fourth heat exchange unit disposed between a second flow path and the selective oxidation reactor and providing a path for burner air supplied to the burner combustion chamber to cool the selective oxidation reactor.
Description
본 발명은 고효율 연료처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 메탄(CH4)를 주성분으로 가지는 탄화수소계 원료가스 또는 천연가스를 수증기 개질반응을 통해 연료전지 스택에 수소를 공급하되, 연료처리장치 기동, 운전 및 정지 시에 내부 반응기들과 연계된 열교환부들의 최적화된 열교환을 이용하여 안정적인 수소생산이 가능하게 함과, 아울러 일산화탄소를 제거할 수 있도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency fuel processing device, and more particularly, to supply hydrogen to a fuel cell stack through a steam reforming reaction of a hydrocarbon-based raw material gas or natural gas having methane (CH 4 ) as a main component, the fuel processing device The present invention relates to a high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable production of hydrogen by using optimized heat exchange of heat exchangers associated with internal reactors during start-up, operation, and stop, as well as removal of carbon monoxide.
최근에 들어, 국내·외에서 고효율 발전이 가능하게 하는 연료전지시스템을 분산형 에너지 공급원의 발전시스템으로 개발·사업화하는 작업이 한창 진행되고 있다.Recently, work to develop and commercialize a fuel cell system that enables high-efficiency power generation as a power generation system of a distributed energy source is in full swing at home and abroad.
현재, 연료전지시스템에 공급되는 수소는, 도시가스와 같이 공급 파이프라인 인프라가 구축되어 있지 않아, 연료전지 시스템을 운영하기 위해서는 수소 트레일러를 설치하여 지속적인 수소 공급을 하거나, 기존 인프라가 구축된 메탄을 주성분으로 하는 도시가스를 이용하여 수소를 생산하는 수증기개질(Steam Reforming) 방법을 사용하고 있다.Currently, hydrogen supplied to the fuel cell system does not have a supply pipeline infrastructure like city gas, so in order to operate the fuel cell system, a hydrogen trailer is installed to continuously supply hydrogen, or methane for which the existing infrastructure is built is required. A steam reforming method is used to produce hydrogen using city gas as a main component.
이러한 수증기개질반응을 통해 수소함유 가스 중 발생되는 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해 CO변성반응기를 구성하며, 일산화탄소를 완전히 제거하기 위해 선택산화반응기를 구성하여 개질가스 내의 일산화탄소를 제거하고(10ppm 이하), 연료전지 스택에 수소 조성이 높은 개질가스(74% 이상)를 공급함으로써, 연료전지에서 전력과 열원을 생산하고 있다.In order to reduce the concentration of carbon monoxide generated in the hydrogen-containing gas through this steam reforming reaction, a CO conversion reactor is configured, and a selective oxidation reactor is configured to completely remove carbon monoxide to remove carbon monoxide in the reformed gas (10 ppm or less), By supplying reformed gas (more than 74%) with a high hydrogen composition to the fuel cell stack, the fuel cell produces power and heat sources.
수증기개질반응에서 사용되는 촉매는 Ru 또는 Ni을 600~700℃ 운전온도 범위에서 사용하며, CO변성반응기 촉매는 Cu-Zn을 200~300℃ 운전온도 범위에서 사용하고, 선택산화반응기 촉매는 Ru를 포함한 산화촉매를 90~150℃의 운전온도 범위에서 사용되도록 설계하고 있다.The catalyst used in the steam reforming reaction uses Ru or Ni in the operating temperature range of 600 ~ 700 ℃, the CO conversion reactor catalyst uses Cu-Zn in the operating temperature range of 200 ~ 300 ℃, and the selective oxidation reactor catalyst uses Ru It is designed to be used in the operating temperature range of 90 ~ 150 ℃.
특히, 선택산화반응기 촉매는 온도가 너무 낮으면 반응이 일어나지 않아 일산화탄소가 제거되지 않고, 반대로 온도가 너무 높으면 촉매의 열화가 빨라 연료처리장치 수명을 확보하기 어렵게 되며, 메탄화반응(Methanation)이 발생하여 생산되는 개질가스 내의 수소 조성을 높이기 어렵게 된다.In particular, in the selective oxidation reactor catalyst, if the temperature is too low, the reaction does not occur and carbon monoxide is not removed. Conversely, if the temperature is too high, the catalyst deteriorates quickly, making it difficult to secure the life of the fuel processor and methanation occurs. Thus, it is difficult to increase the hydrogen composition in the reformed gas produced.
즉, 상기 연료전지 스택에 일산화탄소(CO)가 미량(≥50ppm)이라도 장시간 공급되면, 연료전지 촉매에서 CO 피독이 발생하여 촉매 열화 및 연료전지 성능저하가 발생하게 되는 문제점이 있었다.That is, if carbon monoxide (CO) is supplied to the fuel cell stack in a small amount (≧50 ppm) for a long time, CO poisoning occurs in the fuel cell catalyst, resulting in catalyst deterioration and fuel cell performance degradation.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 선행기술로서 특허문헌 1 내지 3이 알려져 있다. Patent Documents 1 to 3 are known as prior art devised to solve the above problems.
그러나, 특허문헌1에 의하면, 수증기 개질반응기에 공급되는 원료와 수증기를 연소실 상부에 반응물을 순환시켜 외부로 배출되는 열을 회수하고 예열하기 위한 챔버가 형성되어 있으며, 이 챔버에서 예열된 원료-수증기가 수증기개질반응기로 공급되지만, CO변성반응기와 선택산화반응기의 연료처리장치 기동 시에 반응기들의 열균형을 이루는데 긴 기동시간이 필요한 문제점이 있다.However, according to Patent Document 1, a chamber is formed to recover and preheat the heat discharged to the outside by circulating the raw material and steam supplied to the steam reforming reactor at the upper part of the combustion chamber, and the raw material preheated in the chamber - steam Although is supplied to the steam reforming reactor, there is a problem in that a long start-up time is required to achieve heat balance between the reactors when the fuel processing device of the CO conversion reactor and the selective oxidation reactor is started.
또한, 특허문헌2에 의하면, 수증기개질반응기와 원료-수증기가 직접 열교환 하는 구조로 되어 있으며, 수증기 개질반응기의 출구온도는 650~700℃로 고온으로, CO변성부와 열교환된 물(수증기)이 바로 수증기개질반응기와 열교환 할 경우, 수증기개질반응기의 온도가 낮아져 온도를 높이기 위해 많은 열량을 공급하는 문제점이 있다. In addition, according to Patent Document 2, the steam reforming reactor has a structure in which the raw material and steam directly exchange heat, and the outlet temperature of the steam reforming reactor is as high as 650 to 700 ° C. In the case of heat exchange with the steam reforming reactor, the temperature of the steam reforming reactor is lowered, so there is a problem in supplying a large amount of heat to increase the temperature.
그리고, 특허문헌3에 의하면, 연료처리장치의 중앙측에 배치되는 연료개질부와 상기 연료개질부를 가열하도록, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 가열부와 상기 연료개질부와 연결되고, 상기 장치바디의 하측에 배치되는 CO변성반응부 및 상기 CO변성반응부와 연결되고, 상기 장치바디의 상측에 배치되는 프록스반응부를 포함하여 구성하고 있으나, 열분산판으로는 개질촉매의 내구성을 보장할 수 없으며, 연료처리장치 기동 시에 CO변성반응부의 승온시간이 길고, 운전 시에 효율적인 냉각을 할 수 없는 문제점이 있다.And, according to Patent Document 3, the fuel reforming unit disposed at the center of the fuel processing device and the heating unit disposed on the upper side of the device body and the fuel reforming unit are connected to heat the fuel reforming unit, and the device body It is configured to include a CO transformation reaction unit disposed below and a Prox reaction unit connected to the CO transformation reaction unit and disposed above the device body, but the durability of the reforming catalyst cannot be guaranteed by the heat dissipation plate, When starting the fuel processor, there is a problem in that the temperature rise time of the CO conversion reaction unit is long and efficient cooling cannot be performed during operation.
본 발명은 전술한 종래 기술에서 드러난 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 여러 목적 중 하나는 메탄(CH4)를 주성분으로 가지는 탄화수소계 원료가스 또는 천연가스를 수증기 개질반응을 통해 연료전지 스택에 수소를 공급하되, 연료처리장치 기동, 운전 및 정지 시에 내부 반응기들과 연계된 열교환부들의 최적화된 열교환을 이용하여 안정적인 수소생산이 가능하게 함과 아울러 일산화탄소를 제거할 수 있도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems revealed in the above-mentioned prior art, one of the several objects of the present invention is a hydrocarbon-based raw material gas or natural gas having methane (CH 4 ) as a main component through a steam reforming reaction to a fuel cell stack While supplying hydrogen, stable hydrogen production is possible by using the optimized heat exchange of the heat exchangers linked to the internal reactors when starting, operating, and stopping the fuel processing unit, and it is durable and highly efficient to remove carbon monoxide. To provide a fuel processing device.
또한, 연료처리장치 내의 각 반응기들의 반응 열량에 맞는 최적화된 구성과 각 반응기들의 운전온도에 따른 유체 열교환부들을 통해, 빠른 기동시간과 운전 시에 안정적인 온도 유지를 통한 각 반응기들의 촉매 반응 효율을 높일 수 있는 고효율 연료처리장치를 제공하는 데 있다.In addition, through a configuration optimized for the reaction heat of each reactor in the fuel processing device and fluid heat exchangers according to the operating temperature of each reactor, the catalytic reaction efficiency of each reactor is increased through fast start-up time and stable temperature maintenance during operation. It is to provide a high-efficiency fuel processing device capable of
아울러, 기동 및 정지 시에 발생하는 열응력을 견딜 수 있는 균형 구조들을 구성하여, 연료처리장치의 일체형 및 소형화가 가능한 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치를 제공하는데 목적이 있다.In addition, high-efficiency fuel with durability that enables stable production of hydrogen and removal of carbon monoxide through optimization of heat exchange that enables integrated and miniaturization of the fuel processing device by configuring balanced structures that can withstand thermal stress generated during start-up and stop. The purpose is to provide a processing device.
일 측면에 따르면, 상부에 버너가 구비되고, 외부로부터 연료가스 및 버너 공기를 공급받아 상기 연료가스를 연소시키는 버너연소실; 상기 버너연소실의 외측에 구비되어 탄화수소계 원료가스를 개질가스로 변환시키는 개질반응부; 상기 개질반응부의 외측에 구비된 단열재; 상기 단열재의 외측에 구비되어 상기 버너연소실로부터 배기된 버너연소가스의 배출 경로를 제공하는 제1 유로; 상기 제1 유로의 외측에 구비되어 상기 개질반응부로부터 배기된 개질가스의 배출 경로를 제공하는 제2 유로; 상기 제1 및 제2 유로 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스와 상기 개질가스의 열량으로 외부로부터 공급되는 물을 수증기화시키는 제1 열교환부; 상기 제1 유로와 상기 단열재 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스의 열량으로 상기 제1 열교환부로부터 공급되는 수증기화된 물과 외부로부터 공급되는 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2 열교환부; 상기 제2 유로와 연통하도록 상기 제2 유로의 하부에 구비되어 상기 개질가스로부터 CO를 제거하는 CO변성반응기; 상기 제1 유로와 상기 CO변성반응기 사이에 구비되고, 상기 버너연소실로 공급되는 버너 공기의 이동 경로를 제공하여 상기 CO변성반응기를 냉각하는 제3 열교환부; 상기 제2 유로의 외측에 구비되어, 상기 CO변성반응기로부터 배기된 CO가 제거된 개질가스로부터 CO를 추가 제거하는 선택산화반응기; 상기 제2 유로와 상기 선택산화반응기 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환부로 공급되는 물의 이동 경로를 제공하여 상기 선택산화반응기를 냉각하는 제4 열교환부;를 포함하는 고효율 연료처리장치가 제공된다.According to one aspect, a burner combustion chamber having a burner provided thereon, receiving fuel gas and burner air from the outside and combusting the fuel gas; a reforming reaction unit provided outside the burner combustion chamber to convert hydrocarbon-based raw material gas into reformed gas; a heat insulating material provided outside the reforming reaction unit; a first flow path provided outside the heat insulating material and providing a discharge path for the burner combustion gas exhausted from the burner combustion chamber; a second flow path provided outside the first flow path to provide a discharge path for the reformed gas exhausted from the reforming reaction unit; a first heat exchanger provided between the first and second passages to vaporize water supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas and the reformed gas; a second heat exchanger provided between the first flow path and the insulator to preheat the temperature of the vaporized water supplied from the first heat exchanger and the hydrocarbon-based raw material gas supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas; a CO modification reactor provided at a lower portion of the second flow path to communicate with the second flow path and removing CO from the reformed gas; a third heat exchanger provided between the first flow path and the CO transformation reactor and cooling the CO transformation reactor by providing a path for burner air supplied to the burner combustion chamber; a selective oxidation reactor provided outside the second flow path to additionally remove CO from the reformed gas from which CO exhausted from the CO conversion reactor is removed; A fourth heat exchange unit provided between the second flow path and the selective oxidation reactor and providing a movement path for water supplied to the first heat exchange unit to cool the selective oxidation reactor; A high efficiency fuel processing device including a is provided.
일 실시예에 있어서, 상기 버너연소실의 하단 측벽에는 복수의 배기 구멍이 균등 간격으로 마련되어 상기 버너연소가스가 방사형으로 배기될 수 있다.In one embodiment, a plurality of exhaust holes are provided at equal intervals on a lower side wall of the burner combustion chamber so that the burner combustion gas can be radially exhausted.
일 실시예에 있어서, 상기 CO변성반응기와 상기 선택산화반응기의 외측에 구비된 히터를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a heater provided outside the CO denaturation reactor and the selective oxidation reactor may be further included.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 열교환부는 상기 제1 유로의 측벽에 코일 형태로 권회되게 설치되어, 그 내부의 버너 공기가 나선형 이동 경로를 가질 수 있다.In one embodiment, the third heat exchanger is installed to be wound in a coil form on a sidewall of the first flow path, so that burner air therein may have a spiral movement path.
본 발명의 일 측면에 따른 고효율 연료처리장치에 따르면, 버너연소가스를 활용하여 연료처리장치 하부에서 상부까지 열교환을 할 수 있는 버너연소가스 이동 통로를 구비하되, 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 연료처리장치에 공급되는 물을 수증기화시키는 제1열교환부와, 버너연소가스의 열량으로 수증기(물)와 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2열교환부를 통해 공급되는 탄화수소계 원료가스와 수증기의 온도를 높힐 수 있게 된다.According to a high-efficiency fuel processing device according to an aspect of the present invention, a burner combustion gas passage for heat exchange from the bottom to the top of the fuel processing device using burner combustion gas is provided, but the heat of the burner combustion gas and the reformed gas is The hydrocarbon-based raw material gas and water vapor supplied through the first heat exchanger that vaporizes the water supplied to the fuel processing device and the second heat exchanger that preheats the temperature of the steam (water) and the hydrocarbon-based raw material gas with the heat of the burner combustion gas temperature can be raised.
또한, 본 발명의 열교환의 최적화를 통해 안정적인 수소생산 및 일산화탄소 제거가 가능하도록 한 내구성을 갖는 고효율 연료처리장치에 의하면, 연료처리장치 운전 시에 CO변성반응기를 버너 공기로 냉각하는 제3열교환부와, 개질가스 통로 외벽에 구성하는 선택산화반응기 내측에 물의 이송 통로를 구성하여 선택산화반응기를 냉각하는 제4열교환부를 구비함으로써, 연료처리장치의 일체화가 가능한 내구성 있는 고효율 연료처리장치를 제공할 수 있다.In addition, according to the high-efficiency fuel processing device having durability that enables stable hydrogen production and carbon monoxide removal through optimization of heat exchange of the present invention, a third heat exchange unit for cooling the CO conversion reactor with burner air during operation of the fuel processing device and , By providing a fourth heat exchange unit for cooling the selective oxidation reactor by configuring a water transfer passage inside the selective oxidation reactor constituting the outer wall of the reformed gas passage, it is possible to provide a durable, high-efficiency fuel processing device capable of integrating the fuel processing device. .
본 발명의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of one aspect of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 A 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 열교환부를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 물의 이동경로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 탄화수소계 원료가스의 이동경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 개질가스의 이동경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 버너 공기(버너연소가스)의 이동경로를 나타낸 도면이다.1 is a block diagram of a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of part A of FIG. 1 .
3 is a schematic diagram showing a third heat exchange unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a movement path of water in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a movement path of a hydrocarbon-based raw material gas in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a movement path of a reformed gas in a high-efficiency fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a movement path of burner air (burner combustion gas) in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and can be implemented in various different forms, only these embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the knowledgeable person of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well-known process steps, well-known structures and well-known techniques have not been described in detail in order to avoid obscuring the interpretation of the present invention.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.Terms used in this specification are for describing embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.As used herein, "comprises" and "comprising" means the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements other than the mentioned components, steps, operations and/or elements. Or used in the sense of not excluding additions.
그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.And "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or schematic views, which are ideal exemplary views of the present invention.
따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.Therefore, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form produced according to the manufacturing process.
그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.In addition, in each drawing shown in the present invention, each component may be shown somewhat enlarged or reduced in consideration of convenience of description.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 A 부분 확대도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 열교환부를 나타낸 모식도이다.1 is a configuration diagram of a high-efficiency fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of part A of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic diagram showing a third heat exchange unit according to an embodiment of the present invention. .
우선 고효율 연료처리장치의 내구성을 향상시키기 위해서는 개질반응부로 공급되는 수증기 및 탄화수소계 원료가스가 혼합된 혼합가스의 예열이 충분히 이뤄져야 하며, CO변성반응기와 선택산화반응기의 발열반응으로 인한 냉각이 효과적으로 이루어져야 하며, 연료처리장치의 기동, 운전 및 정지 시의 반응기들의 열균형이 잘 이루어야 함을 밝혀둔다. First of all, in order to improve the durability of the high-efficiency fuel processing device, the mixed gas in which steam and hydrocarbon-based raw material gas are supplied to the reforming reaction unit must be sufficiently preheated, and cooling due to the exothermic reaction of the CO conversion reactor and the selective oxidation reactor must be effectively performed. It should be noted that the heat balance of the reactors should be well achieved during start-up, operation and stop of the fuel processing device.
본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치(100)는 전반적으로 원통 형상으로 구현될 수 있으며, 높은 열과 충격에 견딜 수 있는 내열성 및 강성이 높은 재질로 이뤄질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치(100)의 하단에는 고효율 연료처리장치(100)가 안정적으로 지지될 수 있도록, 대략 원판 형상의 받침판 및 상기 받침판과 연결되며 고효율 연료처리장치를 지지하는 복수의 지지대가 구비될 수 있다.The high-efficiency fuel processing device 100 according to an embodiment of the present invention may be generally implemented in a cylindrical shape, and may be made of a material having high heat resistance and high rigidity capable of withstanding high heat and impact. In addition, at the lower end of the high-efficiency fuel processor 100 according to an embodiment of the present invention, a substantially disc-shaped support plate and the support plate are connected to the high-efficiency fuel processor 100 so that the high-efficiency fuel processor 100 can be stably supported. A plurality of supports for supporting may be provided.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치(100)는 중앙으로부터 버너연소실(12), 개질반응부(25), 단열재(61), 제2 열교환부(23), 제1 유로(14)가 순차적으로 형성된 원통형 구조를 가지며, 상기 제1 유로(14)의 외부에는 제2 유로(26), 제4 열교환부(52) 및 선택산화반응기(42)가 순차적으로 형성되고, 상기 제2 유로(26)의 하부에는 제3 열교환부(32) 및 CO 변성반응기(27)가 순차적으로 형성된다.Referring to FIG. 1, a high-efficiency fuel processing device 100 according to an embodiment of the present invention includes a burner combustion chamber 12, a reforming reaction unit 25, a heat insulating material 61, a second heat exchange unit 23, It has a cylindrical structure in which the first flow path 14 is sequentially formed, and the second flow path 26, the fourth heat exchange unit 52 and the selective oxidation reactor 42 are sequentially formed outside the first flow path 14. In the lower part of the second flow path 26, a third heat exchange unit 32 and a CO conversion reactor 27 are sequentially formed.
버너연소실(12)은 고효율 연료처리장치(100)의 중앙에 마련되어, 탄화수소계 원료가스를 수증기와의 개질반응에 의해 수소로 변환하는데 필요한 열원을 지속적으로 공급해 주는 역할을 한다.The burner combustion chamber 12 is provided at the center of the high-efficiency fuel processing device 100 and serves to continuously supply a heat source necessary for converting hydrocarbon-based raw material gas into hydrogen through a reforming reaction with water vapor.
이러한 버너연소실(12)의 상부에는 버너(11)가 설치되며, 가스 공급포트(13)를 통해 연료가스 및 버너 공기를 공급받아 연소시킨다. 여기서, 연료가스는 탄화수소계 원료 및 연료전지 스택 오프가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.A burner 11 is installed above the burner combustion chamber 12, and fuel gas and burner air are supplied through the gas supply port 13 and burned. Here, the fuel gas may be at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based raw material and a fuel cell stack off-gas.
연료가스 중 연료전지 스택 오프가스와 버너 공기가 혼합되어 공급될 경우에는, 역화가 발생할 수 있으므로 개별적인 배관으로 버너(11)에 공급하는 것이 바람직하다. When the fuel cell stack off-gas and burner air are mixed and supplied, it is preferable to supply them to the burner 11 through separate pipes because backfire may occur.
한편, 버너연소실(12)의 하부에는 버너의 점화/연소 상태를 외부에서 확인할 수 있도록 온도센서(미도시)를 구성하여 연소실 상태를 모니터링 할 수 있다. Meanwhile, a temperature sensor (not shown) may be configured at a lower portion of the burner combustion chamber 12 so as to check the ignition/combustion state of the burner from the outside to monitor the state of the combustion chamber.
버너연소실(12)의 외측에는 탄화수소계 원료가스를 개질가스로 변환시키는 개질반응부(25)가 구비된다.Outside the burner combustion chamber 12, a reforming reaction unit 25 for converting hydrocarbon-based raw material gas into reformed gas is provided.
개질반응부(25)는 개질촉매로 충진되어 있으며, 이에 사용되는 촉매는 Ru 또는 Ni 개질 촉매를 사용하며, 600~700℃의 운전 온도에서 탄화수소계 원료가스를 수증기와의 개질반응을 통해 수소로 변환시킨다. The reforming reaction unit 25 is filled with a reforming catalyst, and the catalyst used therein is a Ru or Ni reforming catalyst, and converts hydrocarbon-based feed gas into hydrogen through a reforming reaction with water vapor at an operating temperature of 600 to 700 ° C. convert
이러한 수증기 개질 반응의 화학식은 하기와 같고, 개질반응부(25)에서의 반응은 흡열반응으로 개질반응부(25)의 온도가 낮아지기 때문에 버너연소실(12)로부터 지속적으로 열량을 공급해야만 한다.The chemical formula of the steam reforming reaction is as follows, and since the reaction in the reforming reaction unit 25 is an endothermic reaction and the temperature of the reforming reaction unit 25 is lowered, heat must be continuously supplied from the burner combustion chamber 12.
개질반응부(25)의 외벽에는 단열재(61)가 구비되며, 단열재(61)는 개질반응부(25)의 고온의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하고, 고효율 연료처리장치(100)의 다른 구성요소와의 열교환을 방지하는 역할을 한다.A heat insulator 61 is provided on the outer wall of the reforming reaction unit 25, and the heat insulator 61 prevents high-temperature heat from the reforming reaction unit 25 from being discharged to the outside, and the other parts of the high-efficiency fuel processing device 100 It serves to prevent heat exchange with the components.
단열재(61)의 외측에는 버너연소실(12)로부터 배기된 버너연소가스의 배출 경로를 제공하는 제1 유로(14)가 구비된다.A first flow path 14 providing a discharge path for burner combustion gas exhausted from the burner combustion chamber 12 is provided outside the heat insulator 61 .
도 2를 참고하면, 버너연소실(12) 내부의 버너연소가스는 버너연소실(12) 하단 측변에 균등 간격으로 마련된 복수의 배기 구멍(12a)를 통해 방사형으로 배기되어 제1 유로(14) 하단의 내부 측변에 균등 간격으로 마련된 복수의 배기 구멍(14a)을 통해 제1 유로(14)로 유입될 수 있다. 이 경우, 버너연소가스를 원통 형상으로 구현된 제1 유로(14)에 균등하게 분배할 수 있어, 제1 유로(14)와 후술할 다른 구성 요소 간 열교환 효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.Referring to FIG. 2 , the burner combustion gas inside the burner combustion chamber 12 is radially exhausted through a plurality of exhaust holes 12a provided at equal intervals at the lower side of the burner combustion chamber 12, and the lower portion of the first flow path 14 It may be introduced into the first flow path 14 through a plurality of exhaust holes 14a provided at equal intervals on the inner side. In this case, burner combustion gas can be evenly distributed in the first flow path 14 implemented in a cylindrical shape, thereby maximizing heat exchange efficiency between the first flow path 14 and other components to be described later.
제1 유로(14)를 흐르는 버너연소가스는 고효율 연료처리장치(100)의 상부에 마련된 버너연소가스 배출포트(15)를 통해 외부로 배출된다.The burner combustion gas flowing through the first flow path 14 is discharged to the outside through the burner combustion gas discharge port 15 provided on the upper part of the high-efficiency fuel processing device 100 .
제1 유로(14)의 외측에는 개질반응부(25)로부터 배기된 개질가스의 배출 경로를 제공하는 제2 유로(26)가 구비된다.Outside the first flow path 14, a second flow path 26 providing a discharge path for the reformed gas exhausted from the reforming reaction unit 25 is provided.
제2 유로(26)를 흐르는 개질가스는 제2 유로(26)와 연통하도록 제2 유로(26)의 하부에 구비된 CO 변성반응기(27)로 공급된다.The reformed gas flowing through the second flow path 26 is supplied to the CO alteration reactor 27 provided at the bottom of the second flow path 26 so as to communicate with the second flow path 26 .
CO변성반응기(27)는 Cu-Zn 촉매로 충진되어 있으며, 운전온도는 200℃~300℃ 범위이다. The CO conversion reactor 27 is filled with a Cu-Zn catalyst, and the operating temperature is in the range of 200 ° C to 300 ° C.
개질반응부(25)로부터 배출된 600~700℃의 고온의 개질가스는 제1 유로(14)를 흐르면서 약 200℃ 범위의 온도로 냉각되어 CO변성반응기(27)로 공급된다.The high-temperature reformed gas of 600 to 700° C. discharged from the reforming reaction unit 25 is cooled to a temperature in the range of about 200° C. while flowing through the first flow path 14 and supplied to the CO transformation reactor 27 .
CO 변성반응기(27)에서 일어나는 CO변성반응의 화학식은 하기와 같으며, 개질가스는 CO변성반응기(27)를 경유하면서 일산화탄소 함량이 약 0.1~0.5%로 저감된다. The chemical formula of the CO transformation reaction occurring in the CO transformation reactor 27 is as follows, and the carbon monoxide content of the reformed gas is reduced to about 0.1 to 0.5% while passing through the CO transformation reactor 27.
CO 변성반응기(27)를 흐르는 개질가스는 CO 변성반응기(27)의 일측에 마련된 개질가스 배출포트(28)를 통해 외부로 배출된다.The reformed gas flowing through the CO transformation reactor 27 is discharged to the outside through a reformed gas discharge port 28 provided on one side of the CO transformation reactor 27 .
CO 변성반응기(27)의 외벽에는 연료처리장치(100)의 기동 시에 빠른 승온을 위해 히터가 마련되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A heater may be provided on the outer wall of the CO transformation reactor 27 to quickly increase the temperature when the fuel processing device 100 is started, but is not limited thereto.
제1 및 제2 유로(14, 26) 사이에는 버너연소가스와 개질가스의 열량으로 외부로로부터 공급되는 물을 수증기화시키는 제1 열교환부(22)가 구비되며, 제1 유로(14)와 단열재(61) 사이에는 버너연소가스의 열량으로 제1 열교환부(22)로부터 공급되는 수증기화된 물과 외부로부터 공급되는 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2 열교환부(23)가 구비된다.A first heat exchange unit 22 is provided between the first and second flow passages 14 and 26 to vaporize water supplied from the outside using the heat of burner combustion gas and reformed gas, and the first flow passage 14 and the heat insulating material Between the 61 is provided a second heat exchanger 23 for preheating the temperature of the vaporized water supplied from the first heat exchanger 22 and the hydrocarbon-based source gas supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas.
개질반응부(25)에서 예열되지 않은 탄화수소계 원료와 수증기가 혼합될 경우, 수증기의 온도가 낮아져 액체 형태의 물방울이 발생할 수 있으며, 이 경우 수증기와 탄소의 비율이 맞지 않아 개질반응의 효율이 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명의 연료처리장치(100)에서는 제1 및 제2 유로(14, 26)와 제1 열교환부(22) 간의 열교환을 통해 외부로부터 공급되는 물을 수증기화시키고, 제1 유로(14)와 제2 열교환부(23) 간의 열교환을 통해 탄화수소계 원료와 수증기를 예열하므로 개질반응의 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명의 연료처리장치(100)에서는 제1 열교환부(22)와 제2 유로(26) 간의 열교환을 통해 600℃∼700℃의 온도범위를 갖는 개질가스의 온도를 약 200℃로 냉각하여 전술한 CO변성반응기(27)로 공급함으로써, CO 변성반응의 효율을 극대화할 수 있다.When the hydrocarbon-based raw material that is not preheated in the reforming reaction unit 25 is mixed with steam, the temperature of the steam is lowered and liquid water droplets may be generated. It can be. However, in the fuel processing device 100 of the present invention, water supplied from the outside is vaporized through heat exchange between the first and second flow passages 14 and 26 and the first heat exchange unit 22, and the first flow passage 14 ) and the second heat exchange unit 23, the hydrocarbon-based raw material and steam are preheated through heat exchange, so that the efficiency of the reforming reaction can be maximized. In addition, in the fuel processing apparatus 100 of the present invention, the temperature of the reformed gas having a temperature range of 600 ° C to 700 ° C is cooled to about 200 ° C through heat exchange between the first heat exchange unit 22 and the second flow path 26. By supplying it to the above-described CO conversion reactor 27, it is possible to maximize the efficiency of the CO conversion reaction.
제1 유로(14)와 CO 변성반응기(27) 사이에는 전술한 버너연소실(12)로 공급되는 버너 공기의 이동 경로를 제공하여 CO 변성반응기(27)를 냉각하는 제3 열교환부(32)가 구비된다.Between the first flow path 14 and the CO transformation reactor 27, a third heat exchange unit 32 cools the CO transformation reactor 27 by providing a path for burner air supplied to the burner combustion chamber 12 described above. are provided
CO 변성반응기(27)에서 일어나는 CO 변성반응은 발열반응이므로, 통상 CO 변성반응기에는 공랭식 팬과 같은 별도의 냉각장치가 마련된다. 그러나, 본 발명의 연료처리장치(100)에서는 CO 변성반응기(27)와 제3 열교환부(32) 간의 열교환을 통해 별도의 냉각장치 없이도 CO 변성반응기(27)를 효과적으로 냉각할 수 있으며, 그 결과 연료처리장치를 소형화할 수 있다. 또한, 버너연소실(12)로 공급되는 버너 공기를 사전에 가열함으로써, 버너(11)에 의한 연료가스 연소 효율을 극대화할 수 있다. Since the CO transformation reaction occurring in the CO transformation reactor 27 is an exothermic reaction, a separate cooling device such as an air-cooled fan is usually provided in the CO transformation reactor. However, in the fuel processing device 100 of the present invention, the CO transformation reactor 27 can be effectively cooled without a separate cooling device through heat exchange between the CO transformation reactor 27 and the third heat exchanger 32, and as a result The fuel processing device can be miniaturized. In addition, by heating the burner air supplied to the burner combustion chamber 12 in advance, the fuel gas combustion efficiency by the burner 11 can be maximized.
도 3을 참고하면, 제3 열교환부(32)는 제1 유로(14)의 측벽에 코일 형태로 권회되게 설치되어, 그 내부의 버너 공기가 나선형 이동 경로를 갖도록 할 수 있다. 이 경우, 버너 공기가 제3 열교환부(32) 내부에서 체류하는 시간이 길어져 CO 변성반응기(27)와 제3 열교환부(32) 간의 열교환이 보다 효과적으로 일어날 수 있다.Referring to FIG. 3 , the third heat exchanger 32 is installed in a coil shape on the sidewall of the first flow path 14 so that burner air therein has a spiral movement path. In this case, the time for the burner air to stay inside the third heat exchanger 32 is longer, so that heat exchange between the CO conversion reactor 27 and the third heat exchanger 32 can occur more effectively.
제2 유로(26)의 외측에는 CO 변성반응기(27)로부터 배기된 CO가 제거된 개질가스로부터 CO를 추가 제거하는 선택산화반응기(42)가 구비된다.Outside the second flow path 26, a selective oxidation reactor 42 for additionally removing CO from the reformed gas from which CO exhausted from the CO conversion reactor 27 is removed is provided.
선택산화반응기(42)에서 일어나는 CO제거반응의 화학식은 하기와 같으며, 개질가스는 선택산화반응기(42)를 경유하면서 일산화탄소 함량이 약 10ppm 이하로 저감된다. The chemical formula of the CO removal reaction occurring in the selective oxidation reactor 42 is as follows, and the carbon monoxide content of the reformed gas is reduced to about 10 ppm or less while passing through the selective oxidation reactor 42.
제2 유로(26)와 선택산화반응기(42) 사이에는 전술한 제1 열교환부(22)로 공급되는 물의 이동 경로를 제공하여 선택산화반응기(42)를 냉각하는 제4 열교환부(52)가 구비된다.Between the second flow path 26 and the selective oxidation reactor 42, a fourth heat exchange unit 52 cools the selective oxidation reactor 42 by providing a movement path for the water supplied to the first heat exchange unit 22 described above. are provided
선택산화반응기(42)에서 일어나는 CO 제거반응은 발열반응이므로, 통상 선택산화반응기에는 공랭식 팬과 같은 별도의 냉각장치가 마련된다. 그러나, 본 발명의 연료처리장치(100)에서는 선택산화반응기(42)와 제4 열교환부(52) 간의 열교환을 통해 별도의 냉각장치 없이도 선택산화반응기(42)를 효과적으로 냉각할 수 있으며, 그 결과 연료처리장치를 소형화할 수 있다. 또한, 제1 열교환부(22)로 공급되는 물을 사전에 가열함으로써, 제1 열교환부(22)에서 일어나는 물의 수증기화를 보다 용이하게끔 할 수 있다. Since the CO removal reaction occurring in the selective oxidation reactor 42 is an exothermic reaction, a separate cooling device such as an air-cooled fan is usually provided in the selective oxidation reactor. However, in the fuel processing device 100 of the present invention, the selective oxidation reactor 42 can be effectively cooled without a separate cooling device through heat exchange between the selective oxidation reactor 42 and the fourth heat exchanger 52, and as a result The fuel processing device can be miniaturized. In addition, by heating the water supplied to the first heat exchange unit 22 in advance, it is possible to more easily vaporize the water that occurs in the first heat exchange unit 22 .
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 물의 이동경로를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a movement path of water in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참고하면, 물은 냉각수 공급포트(51)를 통해 제4 열교환부(52)로 공급되며, 선택산화반응기(42)와의 열교환을 통해 온도가 상승된 물이 냉각수 배출포트(53)를 통해 외부로 배출된다. 또한, 냉각수 배출포트(53)를 통해 배출된 물은 물 공급포트(21)를 통해 제1 열교환부(22)로 공급되며, 제1 및 제2 유로(14, 26)와의 열교환을 통해 수증기화된다. 또한, 수증기화된 물은 제2 열교환부(23)로 공급되며, 제1 유로(14)와의 열교환을 통해 예열된다.Referring to FIG. 4 , water is supplied to the fourth heat exchange unit 52 through the cooling water supply port 51, and the water whose temperature has risen through heat exchange with the selective oxidation reactor 42 flows through the cooling water discharge port 53. discharged to the outside through In addition, the water discharged through the cooling water discharge port 53 is supplied to the first heat exchange unit 22 through the water supply port 21, and is vaporized through heat exchange with the first and second flow passages 14 and 26. do. In addition, the vaporized water is supplied to the second heat exchanger 23 and is preheated through heat exchange with the first flow path 14 .
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 탄화수소계 원료가스의 이동경로를 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing a movement path of a hydrocarbon-based raw material gas in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
탄화수소계 원료가스는 연료처리장치(100) 상단에 마련된 탄화수소계 원료가스 공급포트(24)를 통해 제2 열교환부(23)로 공급되며, 전술한 수증기화된 물과 더불어 제1 유로(14)와의 열교환을 통해 예열된다.The hydrocarbon-based raw material gas is supplied to the second heat exchange unit 23 through the hydrocarbon-based raw material gas supply port 24 provided at the top of the fuel processing device 100, and the first flow path 14 together with the above-described steamed water It is preheated through heat exchange with
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 개질가스의 이동경로를 나타낸 도면이다.6 is a diagram showing a movement path of a reformed gas in a high-efficiency fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
제2 열교환부(23)로부터 공급된 수증기화된 물과 탄화수소계 원료가스는 개질반응부(25)에서의 개질반응에 의해 600℃∼700℃의 온도범위를 갖는 개질가스로 전환되며, 전환된 개질가스는 제2 유로(25)로 공급되어, 제1 열교환부(22)와의 열교환을 통해 약 200℃로 냉각된다. 약 200℃로 냉각된 개질가스는 제2 유로(26)와 연통하도록 제2 유로(26)의 하부에 구비된 CO 변성반응기(27)로 공급되어, CO 변성반응을 통해 CO 함량이 약 0.1~0.5%로 저감되며, 개질가스 배출포트(28)를 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 개질가스는 급기포트(41)를 통해 선택산화반응기(42)로 공급되어, CO 제거반응을 통해 CO 함량이 약 10ppm 이하로 저감되며, 배기포트(43)를 통해 외부로 배출된다. The vaporized water and the hydrocarbon-based raw material gas supplied from the second heat exchange unit 23 are converted into reformed gas having a temperature range of 600° C. to 700° C. by a reforming reaction in the reforming reaction unit 25, and the converted The reformed gas is supplied to the second flow path 25 and cooled to about 200° C. through heat exchange with the first heat exchanger 22 . The reformed gas cooled to about 200 ° C is supplied to the CO conversion reactor 27 provided at the bottom of the second passage 26 so as to communicate with the second passage 26, and the CO content is reduced from about 0.1 to about 0.1 to about 0.1% through the CO conversion reaction. It is reduced to 0.5%, and is discharged to the outside through the reformed gas discharge port 28. The reformed gas discharged to the outside is supplied to the selective oxidation reactor 42 through the air supply port 41, the CO content is reduced to about 10 ppm or less through the CO removal reaction, and is discharged to the outside through the exhaust port 43. .
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 연료처리장치에서 버너 공기(버너연소가스)의 이동경로를 나타낸 도면이다.7 is a diagram showing a movement path of burner air (burner combustion gas) in a high-efficiency fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
버너 공기는 냉각용 외기 공급포트(31)를 통해 제3 열교환부(32)로 공급되며, CO 변성반응기(27)와의 열교환을 통해 온도가 상승된 버너 공기가 냉각용 외기 배출포트(33)을 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 버너 공기는 연료가스와 더불어 연료처리장치(100) 상단에 마련된 가스 공급포트(13)를 통해 버너연소실(12)로 공급되며, 연료가스는 버너연소실(12) 상부 중앙에 마련된 버너(11)에 의해 연소되어 버너연소가스로 전환된다. 버너연소가스는 버너연소실(12) 하단 측변에 균등 간격으로 마련된 복수의 배기 구멍(12a)를 통해 방사형으로 배기되어 제1 유로(14) 하단의 내부 측변에 균등 간격으로 마련된 복수의 배기 구멍(14a)을 통해 제1 유로(14)로 유입된다. 제1 유로(14)를 흐르는 버너연소가스는 제1 및 제2 열교환부(22, 23)와의 열교환을 통해 냉각되어 연료처리장치(100) 상단에 마련된 버너연소가스 배출포트(15)를 통해 외부로 배출된다.Burner air is supplied to the third heat exchange unit 32 through the cooling outside air supply port 31, and the burner air whose temperature has risen through heat exchange with the CO conversion reactor 27 passes through the outside air discharge port 33 for cooling. discharged to the outside through The burner air discharged to the outside is supplied to the burner combustion chamber 12 through the gas supply port 13 provided at the top of the fuel processing device 100 together with the fuel gas, and the fuel gas is supplied to the burner provided in the upper center of the burner combustion chamber 12. It is burned by (11) and converted into burner combustion gas. The burner combustion gas is radially exhausted through a plurality of exhaust holes 12a provided at equal intervals on the lower side of the burner combustion chamber 12, and a plurality of exhaust holes 14a provided at equal intervals on the inner side of the lower end of the first flow path 14. ) is introduced into the first flow path 14 through. The burner combustion gas flowing through the first flow path 14 is cooled through heat exchange with the first and second heat exchange units 22 and 23 and passes through the burner combustion gas discharge port 15 provided at the top of the fuel processing device 100 to the outside. is emitted with
상기와 같은 구성을 갖는, 본 발명은 탄화수소계 원료가스나 메탄(CH4)이 주성분인 천연가스를 수소로 변환하기 위한 연료처리장치를 수증기개질반응, CO변성반응, 그리고 CO선택산화반응을 통해 수소를 생산할 때, 버너 연소가스의 열원을 최대한 활용하는 열교환 방법과 각 반응기들의 운전온도에 따른 열교환 효율을 높혀 내구성 있는 고효율 연료처리장치를 제공할 수 있게 된다.Having the configuration as described above, the present invention provides a fuel processing device for converting hydrocarbon-based raw material gas or natural gas whose main component is methane (CH 4 ) into hydrogen through steam reforming reaction, CO modification reaction, and CO selective oxidation reaction. When producing hydrogen, it is possible to provide a durable, high-efficiency fuel processing device by increasing the heat exchange efficiency according to the operating temperature of each reactor and the heat exchange method that utilizes the heat source of the burner combustion gas to the maximum.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described by way of example, but the scope of the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope obvious to those skilled in the art who understand the spirit of the present invention, the components Other embodiments may be proposed by addition, change, deletion, addition, etc. of, but this should also be construed as belonging to the scope described in the claims of the present invention.
본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present specification is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present specification.
100 : 연료처리장치 11 : 버너
12 : 버너연소실 12a: 제1 배기 구멍
13 : 가스 공급포트 14: 제1 유로
14a: 제2 배기 구멍 15: 버너연소가스 배출포트
21: 물 공급포트 22: 제1 열교환부
23: 제2 열교환부 24: 탄화수소계 원료가스 공급포트
25: 개질반응부 26: 제2 유로
27: CO 변성반응기 28: 개질가스 배출포트
31: 냉각용 외기 공급포트 32: 제3 열교환부
33: 냉각용 외기 배출포트 41: 급기포트
42: 선택산화반응기 43: 배기포트
51: 냉각수 공급포트 52: 제4 열교환부
53: 냉각수 배출포트 61: 단열재100: fuel processing device 11: burner
12: burner combustion chamber 12a: first exhaust hole
13: gas supply port 14: first flow path
14a: second exhaust hole 15: burner combustion gas discharge port
21: water supply port 22: first heat exchange unit
23: second heat exchange unit 24: hydrocarbon-based raw material gas supply port
25: reforming reaction unit 26: second flow path
27: CO transformation reactor 28: reformed gas discharge port
31: outside air supply port for cooling 32: third heat exchange unit
33: outside air discharge port for cooling 41: air supply port
42: selective oxidation reactor 43: exhaust port
51: cooling water supply port 52: fourth heat exchange unit
53: cooling water discharge port 61: insulation
Claims (4)
상기 버너연소실의 외측에 구비되어 탄화수소계 원료가스를 개질가스로 변환시키는 개질반응부;
상기 개질반응부의 외측에 구비된 단열재;
상기 단열재의 외측에 구비되어 상기 버너연소실로부터 배기된 버너연소가스의 배출 경로를 제공하는 제1 유로;
상기 제1 유로의 외측에 구비되어 상기 개질반응부로부터 배기된 개질가스의 배출 경로를 제공하는 제2 유로;
상기 제1 및 제2 유로 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스와 상기 개질가스의 열량으로 외부로부터 공급되는 물을 수증기화시키는 제1 열교환부;
상기 제1 유로와 상기 단열재 사이에 구비되어, 상기 버너연소가스의 열량으로 상기 제1 열교환부로부터 공급되는 수증기화된 물과 외부로부터 공급되는 탄화수소계 원료가스의 온도를 예열시키는 제2 열교환부;
상기 제2 유로와 연통하도록 상기 제2 유로의 하부에 구비되어 상기 개질가스로부터 CO를 제거하는 CO변성반응기;
상기 제1 유로와 상기 CO변성반응기 사이에 구비되고, 상기 버너연소실로 공급되는 버너 공기의 이동 경로를 제공하여 상기 CO변성반응기를 냉각하는 제3 열교환부;
상기 제2 유로의 외측에 구비되어, 상기 CO변성반응기로부터 배기된 CO가 제거된 개질가스로부터 CO를 추가 제거하는 선택산화반응기;
상기 제2 유로와 상기 선택산화반응기 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환부로 공급되는 물의 이동 경로를 제공하여 상기 선택산화반응기를 냉각하는 제4 열교환부;
를 포함하는 고효율 연료처리장치.a burner combustion chamber having a burner provided thereon, receiving fuel gas and burner air from the outside and combusting the fuel gas;
a reforming reaction unit provided outside the burner combustion chamber to convert hydrocarbon-based raw material gas into reformed gas;
a heat insulating material provided outside the reforming reaction unit;
a first flow path provided outside the heat insulating material and providing a discharge path for the burner combustion gas exhausted from the burner combustion chamber;
a second flow path provided outside the first flow path to provide a discharge path for the reformed gas exhausted from the reforming reaction unit;
a first heat exchanger provided between the first and second passages to vaporize water supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas and the reformed gas;
a second heat exchanger provided between the first flow path and the insulator to preheat the temperature of the vaporized water supplied from the first heat exchanger and the hydrocarbon-based raw material gas supplied from the outside with the heat of the burner combustion gas;
a CO modification reactor provided at a lower portion of the second flow path to communicate with the second flow path and removing CO from the reformed gas;
a third heat exchanger provided between the first flow path and the CO transformation reactor and cooling the CO transformation reactor by providing a path for burner air supplied to the burner combustion chamber;
a selective oxidation reactor provided outside the second flow path to additionally remove CO from the reformed gas from which CO exhausted from the CO conversion reactor is removed;
a fourth heat exchange unit provided between the second flow path and the selective oxidation reactor and cooling the selective oxidation reactor by providing a movement path for water supplied to the first heat exchange unit;
High-efficiency fuel processing device comprising a.
상기 버너연소실의 하단 측벽에는 복수의 배기 구멍이 균등 간격으로 마련되어 상기 버너연소가스가 방사형으로 배기되는, 고효율 연료처리장치.According to claim 1,
A plurality of exhaust holes are provided at equal intervals on the lower side wall of the burner combustion chamber, and the burner combustion gas is radially exhausted.
상기 CO변성반응기와 상기 선택산화반응기의 외측에 구비된 히터를 더 포함하는, 고효율 연료처리장치.According to claim 1,
Further comprising a heater provided outside the CO conversion reactor and the selective oxidation reactor, high efficiency fuel processing device.
상기 제3 열교환부는 상기 제1 유로의 측벽에 코일 형태로 권회되게 설치되어, 그 내부의 버너 공기가 나선형 이동 경로를 갖는, 고효율 연료처리장치.According to claim 1,
The third heat exchange unit is installed to be wound in a coil form on the sidewall of the first flow path, and the burner air therein has a spiral movement path.
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