KR102587388B1 - System for extracting hydrogen - Google Patents
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Abstract
수소 추출 시스템으로, 천연가스(NG)와 스팀을 공급받아 연소와 개질반응이 일어나는 개질기(RF-10); 상기 개질기(RF-10)스팀을 공급하기 위한 물 공급 펌프(WP-11); 상기 개질기(RF-10)로 공급되는 연료가스 라인에는 제 1 열교환기(E-13)와, 상기 연료가스를 스팀을 혼합하기 위한 혼합기(M-11)를 포함하고, 상기 물 공급 펌프(WP)과 상기 개질기(RF-10)의 사이에 구비된 제 2, 제 3 열교환기(E15. E11) 및 제 4 열교환기(E12)를 포함하는 수소 추출 시스템이 제공ㄷ괸다. A hydrogen extraction system, a reformer (RF-10) that receives natural gas (NG) and steam and undergoes combustion and reforming reactions; A water supply pump (WP-11) for supplying steam to the reformer (RF-10); The fuel gas line supplied to the reformer (RF-10) includes a first heat exchanger (E-13), a mixer (M-11) for mixing the fuel gas with steam, and the water supply pump (WP) ) and a hydrogen extraction system including second and third heat exchangers (E15, E11) and a fourth heat exchanger (E12) provided between the reformer (RF-10).
Description
본 발명은 수소 추출 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상압에서 운전되는 개질기와 가압 정제장치를 이용하여 고순도 수소를 생산하여 수증기 개질기의 수소 전환율을 유지하는데 있어서 빠르고 안정적으로 생산할 수 있는, 수소 추출 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen extraction system, and more specifically, to a hydrogen extraction system that produces high purity hydrogen using a reformer operated at normal pressure and a pressurized purification device, and can produce it quickly and stably in maintaining the hydrogen conversion rate of the steam reformer. It's about.
자원 고갈 문제 및 환경 오염 문제 등으로 인하여 화석연료의 대체에너지를 찾고자 하는 많은 연구가 진행 중이다. 그 중 수소 연료전지는 발전 효율이 높고 불순물의 배출이 적을 뿐만 아니라, 연료인 수소를 화석연료를 비롯한 다양한 원료를 통하여 공급할 수 있어, 발전용, 가정/상업용, 휴대용 등 여러 분야에서의 산업화 방법들이 활발히 연구되고 있다.Due to resource depletion issues and environmental pollution issues, many studies are underway to find alternative energy to fossil fuels. Among them, hydrogen fuel cells not only have high power generation efficiency and low emissions of impurities, but also can supply hydrogen as a fuel through various raw materials, including fossil fuels, enabling industrialization methods in various fields such as power generation, home/commercial use, and portable use. It is being actively researched.
수소 연료전지의 주된 연료인 수소는 그 자체로는 자연계에 존재하지 않으므로 열, 빛, 전기 등을 이용하여 화석연료, 물, 바이오매스 등에서 얻어야 한다. 수소의 국내 생산량은 연간 약 40 만톤 이상이 되는데, 이들 대부분이 석유의 정제공장, 화학공장, 반도체 및 철강산업에서 산업적인 목적으로 주로 사용되고 있으며, 높은 생산 단가로 인하여 에너지 목적으로의 수소 생산은 아직 활발히 이루어지고 있지 않은 상황이다.Hydrogen, the main fuel for hydrogen fuel cells, does not exist in nature by itself, so it must be obtained from fossil fuels, water, biomass, etc. using heat, light, and electricity. Domestic production of hydrogen is approximately 400,000 tons per year, most of which is mainly used for industrial purposes in petroleum refineries, chemical plants, semiconductors, and steel industries. However, due to the high production cost, hydrogen production for energy purposes is not yet possible. This is not being done actively.
수소 에너지 생산 기술로는 1) 천연가스, LPG, 납사, 석탄 등의 화석연료의 수증기 개질, 부분산화, 자열반응, 열분해 등을 이용한 수소제조방법, 2) 풍력, 태양광 등의 재생에너지를 이용한 물의 전기분해, 광전기화학적 또는 광생물학적 수소제조방법, 3) 원자력 에너지를 활용한 물의 열화학적 또는 전기분해 방법에 의한 수소제조방법 등 다양한 방법들이 연구되고 있다.Hydrogen energy production technologies include 1) a hydrogen production method using steam reforming, partial oxidation, autothermal reaction, and thermal decomposition of fossil fuels such as natural gas, LPG, naphtha, and coal, and 2) using renewable energy such as wind and solar energy. Various methods are being studied, including electrolysis of water, photoelectrochemical or photobiological hydrogen production method, and 3) hydrogen production method by thermochemical or electrolysis method of water using nuclear energy.
그 중에서도, 단기적으로 경제성이 있는 화석연료로부터 연료 전지용 수소를 제조하는 방법에 대한 산업화 연구가 가장 활발히 이루어지고 있으며, 그 중에서도 특히 기술적 상용화를 위하여 제조 가격을 절감시키려는 노력이 다양하게 행하여지고 있다.Among them, industrialization research on methods for producing hydrogen for fuel cells from short-term economically feasible fossil fuels is being conducted most actively, and among these, various efforts are being made to reduce manufacturing costs for technological commercialization.
화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 개질(reforming)이라 한다. 특히 이러한 개질반응은 가장 활발히 사용되고 있는 수증기 개빌 반응은 흡열반응으로 온도를 섭씨 700도 이상으로 높게 올려줘야 한다. The reaction that produces hydrogen, a fuel used in fuel cells, from fossil fuels is called reforming. In particular, the steam gabil reaction, which is the most actively used reforming reaction, is an endothermic reaction and requires the temperature to be raised to over 700 degrees Celsius.
하지만, 이 경우, 고온반응에서의 반응기의 응력 등에 의한 용기 파손의 문제와, 열 효율을 향상시켜야 하는 문제는 여전히 해결되어야 할 과제이다. However, in this case, the problem of container damage due to stress in the reactor during high temperature reaction and the problem of improving thermal efficiency are still problems that need to be solved.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반응기의 응력 등에 의한 용기 파손의 문제와, 열 효율을 향상시킬 수 있는 개질 반응 기반 수소 추출 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다. Therefore, the problem to be solved by the present invention relates to the problem of vessel damage due to reactor stress, etc., and to a reforming reaction-based hydrogen extraction system and its operation method that can improve thermal efficiency.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수소 추출 시스템으로, 천연가스(NG)와 스팀을 공급받아 연소와 개질반응이 일어나는 개질기(RF-10); 상기 개질기(RF-10)에 스팀을 공급하기 위한 물 공급 펌프(WP-11); 상기 개질기(RF-10)로 공급되는 연료가스 라인에 구비된 제 1 열교환기(E-13)와, 상기 연료가스를 스팀을 혼합하기 위한 혼합기(M-11); 및 상기 물 공급 펌프(WP)과 상기 개질기(RF-10)의 사이에 구비된 제 2, 제 3 열교환기(E15. E11) 및 제 4 열교환기(E12)를 포함하는 수소 추출 시스템을 제공한다. In order to solve the above problem, the present invention is a hydrogen extraction system, which includes a reformer (RF-10) where combustion and reforming reactions occur by receiving natural gas (NG) and steam; A water supply pump (WP-11) for supplying steam to the reformer (RF-10); A first heat exchanger (E-13) provided in the fuel gas line supplied to the reformer (RF-10) and a mixer (M-11) for mixing the fuel gas with steam; and a second and third heat exchanger (E15, E11) and a fourth heat exchanger (E12) provided between the water supply pump (WP) and the reformer (RF-10). .
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 4 열교환기의 콜드라인은 상기 혼합기(M-11)와 연결되며, 상기 시스템은 상기 개질기의 정상 운전 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도에서 상기 제 2, 제 3 열교환기(E15. E11) 및 제 4 열교환기(E12)에 물을 공급하여, 상기 열교환기의 응축 균열을 방지한다. In one embodiment of the present invention, the cold line of the fourth heat exchanger is connected to the mixer (M-11), and the system operates the second heat exchanger at a first temperature lower than the second temperature, which is the normal operating temperature of the reformer. , water is supplied to the third heat exchanger (E15, E11) and the fourth heat exchanger (E12) to prevent condensation cracks in the heat exchanger.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 물을 공급하는 기간은 기설정된 기간 동안 공급된다. In one embodiment of the present invention, the water supply period is supplied for a preset period.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 개질기가 정상 운전 온도에 도달한 경우, 상기 개질기로부터 발생한 버너 오프가스는 상기 제 4 열교환기(E12)의 핫라인으로 유입되어 상기 제 4 열교환기(E12)로부터 공급된 물을 증기화한다. In one embodiment of the present invention, when the reformer reaches the normal operating temperature, the burner off gas generated from the reformer flows into the hot line of the fourth heat exchanger (E12) and is supplied from the fourth heat exchanger (E12). vaporize the water.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 물을 공급하는 기간은 기설정된 기간은 상기 열교환기의 재질에 따라 결정된다. In one embodiment of the present invention, the preset water supply period is determined depending on the material of the heat exchanger.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 혼합기(M-11) 내부에는 상기 혼합된 연료가스와 스팀을 유동방향으로 와류를 형성하기 위한 스크류 구조체가 구비된다. In one embodiment of the present invention, a screw structure is provided inside the mixer (M-11) to form a vortex in the flow direction of the mixed fuel gas and steam.
본 발명에 따른 추출 시스템은 시스템 내 급속한 열 상승으로 인한 문제와, 개질기 내 탄소침적 등의 문제를 혼합기와 열교환기 내 운전 방법을 개선하여 해결할 수 있다. The extraction system according to the present invention can solve problems such as rapid heat rise in the system and carbon deposition in the reformer by improving the operation method in the mixer and heat exchanger.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소추출 시스템의 공정 플로우 다이어그램(PFD)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테틱 혼합기(M-11) 절개 단면도이다.
도 3은 도 2의 혼합기를 이용한 스팀 제어 방식을 설명하는 도면이다.
도 4는 스팀의 일부를 연료가스와 미리 혼합하지 않고 바로 개질기로 넣은 경의 개질기 내 촉매에서의 막핌 현상의 문제를 설명하는 도면이다.1 is a process flow diagram (PFD) of a hydrogen extraction system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of a static mixer (M-11) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a steam control method using the mixer of FIG. 2.
Figure 4 is a diagram illustrating the problem of clogging of the catalyst in the reformer when part of the steam is directly fed into the reformer without prior mixing with the fuel gas.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.The technical idea of the present invention is determined by the claims, and the following examples are only a means to efficiently explain the technical idea of the present invention to those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 개질기와, 상기 개질기에 공급되는 연료가스(도시가스와 같인 천연가스) 전단의 열교환기를 배치하고, 하기 시나리오로 그 운전을 수행한다. 'In order to solve the above-mentioned problems, the present invention arranges a reformer and a heat exchanger in front of the fuel gas (natural gas such as city gas) supplied to the reformer, and operates it in the following scenario. '
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소추출 시스템의 공정 플로우 다이어그램(PFD)이다. 1 is a process flow diagram (PFD) of a hydrogen extraction system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수소추출 시스템은 천연가스(NG)와 스팀 을 공급받아 연소와 개질반응이 일어나는 개질기(RF-10)와, 상기 개질기(RF-10)스팀을 공급하기 위한 물 공급 펌프(WP-11)로 구성된다. 또한 상기 개질기(RF-10)로 공급되는 연료가스 라인에는 제 1 열교환기(E-13)와, 상기 연료가스를 스팀을 혼합하기 위한 혼합기(M-11)가 구비된다. Referring to Figure 1, the hydrogen extraction system according to the present invention includes a reformer (RF-10) that receives natural gas (NG) and steam and undergoes combustion and reforming reactions, and a reformer (RF-10) for supplying steam to the reformer (RF-10). It consists of a water supply pump (WP-11). In addition, the fuel gas line supplied to the reformer (RF-10) is equipped with a first heat exchanger (E-13) and a mixer (M-11) for mixing the fuel gas with steam.
또한 물 공급 펌프(WP)로부터 공급되는 물은 제 2 및 제 3 열교환기(E15. E11)을 거친 후, 다시 별도의 또 따른 제 4 열교환기(E12)를 거친 후, 상기 혼합기(M-11)에 연결된다. In addition, the water supplied from the water supply pump (WP) passes through the second and third heat exchangers (E15 and E11), then again through a separate fourth heat exchanger (E12), and then into the mixer (M-11). ) is connected to.
본 명세서에서 핫라인은 열교환기와 연결되어 매체를 통하여 열을 공급하는 라인이며, 콜드라인은 열교환기와 연결되어 상기 핫라인의 매체로부터 열을 공급받아 가열되는 매체가 흐르는 라인을 의미한다. In this specification, a hot line is a line that is connected to a heat exchanger and supplies heat through a medium, and a cold line is a line that is connected to a heat exchanger and flows through a medium that receives heat from the medium of the hot line and is heated.
본 발명은 특히 스팀이 생산되기 전 상대적으로 낮은 온도의 증기를 열교환기에 미리 공급하여 열교환기의 급격한 온도상승으로 인한 응축균열을 방지하는데, 이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 시스템의 운전방법을 보다 상세히 설명한다. In particular, the present invention prevents condensation cracks due to a rapid increase in temperature of the heat exchanger by supplying relatively low temperature steam to the heat exchanger before steam is produced. Referring to FIG. 1 below, the operating method of the system according to the present invention is described below. Explain in more detail.
단계 1Step 1
개질 반응 운전 시, 먼저 개질기(RF-10)의 온도를 단계별로 높인다. 이후, 개질기 내부의 버너의 온도가 상승됨에 따라 개질기 내부 온도 상승을 온도센서 등으로 확인하는데, 최적화된 버너 열량으로 전체 시스템의 내부를 버너 열량으로 온도를 균일하게 분포를 시킨다. When operating a reforming reaction, first increase the temperature of the reformer (RF-10) step by step. Afterwards, as the temperature of the burner inside the reformer increases, the rise in temperature inside the reformer is checked using a temperature sensor, and the temperature is evenly distributed inside the entire system using the optimized burner heat amount.
단계 2Step 2
이후, 개질기 내부 평균온도가 기설정된 제 1 온도(예를 들어 600℃)가 되었을때 물 공급펌프(WP-11)을 제 1 동작시킨다. 상기 제 1 온도는 정상적인 개질반응을 위한 개질기의 정상 운전 온도인 제 2 온도보다는 낮은 온도이다. Thereafter, when the average temperature inside the reformer reaches a preset first temperature (for example, 600°C), the water supply pump (WP-11) is first operated. The first temperature is lower than the second temperature, which is the normal operating temperature of the reformer for a normal reforming reaction.
이로써, 물 공급라인에 연결되어 제 2 및 제 3 열교환기(E15. E11)와 제 4 열교환기(E-12)의 콜드 라인을 통하여 물이 공급되는데, 본 발명은 특히 실제 개질 운전 온도보다 낮은 온도 조건에서 소정 기간(예를 들어 1분) 동안만 물을 열교환기로 공급한다. 이로써 고온 가스에 의해 열교환기 온도가 급격히 상승하여 열변형이 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 전체 열교기 내부 용량 대비 10 내지 30% 수준으로 물을 채워놓았다. 이로써 과도하게 빠른 온도 상승으로 인한 열교환기와 시스템 내부 열응력의 문제를 해결하였는데, 만약 상기 수치범위 미만인 경우 과도한 온도 상승으로 인한 열응력으로 인한 균열을 방지하기 어렵고, 상기 수치범위를 초과하는 경우, 이후 단계3의 정상 운전시 열교환기의 효율이 떨어진다. As a result, water is connected to the water supply line and supplied through the cold line of the second and third heat exchangers (E15. E11) and the fourth heat exchanger (E-12). In particular, the present invention provides a temperature lower than the actual reforming operation temperature. Water is supplied to the heat exchanger only for a predetermined period (for example, 1 minute) under temperature conditions. This can solve the problem of thermal deformation occurring due to a rapid increase in the temperature of the heat exchanger due to high-temperature gas. In one embodiment of the present invention, water was filled at 10 to 30% of the total internal capacity of the heat exchanger. This solved the problem of thermal stress inside the heat exchanger and system due to excessively rapid temperature rise. If it is below the above numerical range, it is difficult to prevent cracks due to thermal stress due to excessive temperature rise, and if it exceeds the above numerical range, During normal operation in stage 3, the efficiency of the heat exchanger decreases.
단계 3Step 3
이후, 개질기 내부 평균온도가 상기 제 1 온도도다 높은 제 2 온도(예를 들어 800℃)가 될 때 버너에서 나오는 버너 오프 가스를 제 4 열교환기(E-12)의 핫라인(hot line)으로 공급한다. 또한, 이 때 물 공급펌프(WP-11)를 제 2 동작시키며, 이로써 상온 0~20℃ 물이 제 4 열교환기(E-12)의 콜드 라인(cold line)에 공급됩니다. 그 결과, 제 4 열교환기의 핫 라인(hot line)으로 공급되는 버너 오프 가스의 열을 이용해 상기 콜드라인으로 공급된 물을 150℃ 이상의 증기화하여 개질기 내부로 공급해준다. Thereafter, when the average temperature inside the reformer reaches a second temperature (e.g., 800°C) higher than the first temperature, the burner-off gas from the burner is supplied to the hot line of the fourth heat exchanger (E-12). do. Also, at this time, the second water supply pump (WP-11) is operated, and thus room temperature 0~20℃ water is supplied to the cold line of the fourth heat exchanger (E-12). As a result, the water supplied to the cold line is vaporized at 150°C or higher using the heat of the burner off gas supplied to the hot line of the fourth heat exchanger and supplied into the reformer.
특히 본 발명은 상기 스팀을 연료가스와 일부 혼합하여, 과도한 탄소침적의 문제를 해결하는데, 이는 이하 보다 상세히 설명한다. In particular, the present invention solves the problem of excessive carbon deposition by partially mixing the steam with fuel gas, which will be described in more detail below.
단계 4Step 4
제 4 열교환기(E-12)에서 열교환 후 나온 핫라인의 버너 오프 가스 열(300℃)을 제 1 열교환기(E-13) 핫라인에 공급되며, 이때 탈황기(D-11, 12)를 거친 도시가스를 콜드라인에 공급하여 연료가스를 예열시키며, 제 5 열교환기(E-13) 에서 거친 열을 활용하여 제 5 열교환기(E-14) 핫라인에 공급되며 공기를 예열시킨다. The burner-off gas heat (300°C) from the hot line after heat exchange in the fourth heat exchanger (E-12) is supplied to the hot line of the first heat exchanger (E-13), where it passes through the desulfurizers (D-11 and 12). City gas is supplied to the cold line to preheat the fuel gas, and the heat from the 5th heat exchanger (E-13) is utilized to be supplied to the 5th heat exchanger (E-14) hot line to preheat the air.
단계 5Step 5
스팀과 예열된 연료가스를 미리 혼합하는 혼합기(static mixer)를 통해 개질기 내부로 부하 30%로 운전하며, 이후 개질기 내부 흡열반응이 진행되며, 개질가스가 생성된다. 본 발명은 특히 스태틱 혼합기(M-11)를 사용하여 개질기 내부 흡열반응으로 인한 온도 저하를 줄여주며 개질기 내부 온도를 유지시켜 줄 수 있다. The reformer is operated at a load of 30% through a static mixer that pre-mixes steam and preheated fuel gas. Afterwards, an endothermic reaction occurs inside the reformer, and reformed gas is generated. In particular, the present invention can reduce the temperature drop due to endothermic reaction inside the reformer and maintain the internal temperature of the reformer by using a static mixer (M-11).
즉, 본 발명에 따른 스태틱 혼합기는 유체를 효과적으로 혼합하는 기능을 수행하는데, 보통 개질기 내부 NG와 Water와 흡열반응을 도와주는 촉매가 있는데 그 전에 미리 스태틱 혼합기의 엘리먼트 형태로 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화하면서, 유체들을 효과적으로 혼합시켜서 개질기 내부로 공급되기 때문에 개질기 내부 온도 저하를 줄여줄 수 있다. 또한 예혼합으로 인해 개질기 수소 생산 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다. In other words, the static mixer according to the present invention performs the function of effectively mixing fluids. Usually, there is a catalyst that helps the endothermic reaction with NG and water inside the reformer, but before that, resistance to the flow of fluid is created in the form of elements of the static mixer. Since the fluids are effectively mixed and supplied into the reformer while minimizing the temperature drop inside the reformer, it can be reduced. In addition, there is an advantage of shortening the reformer hydrogen production time due to premixing, which will be described in more detail below.
단계 6Step 6
이하 필요 부하에 따른 단계별 부하운전을 수행한다. Below, step-by-step load operation is performed according to the required load.
이하 혼합기와 스팀 제어 방식으로 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the mixer and steam control method will be described in more detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테틱 혼합기(M-11) 절개 단면도이다. Figure 2 is a cross-sectional view of a static mixer (M-11) according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테틱 혼합기(M-11)는, 연료가스(도시가스)와 스팀이 유입되는 일 단면(110)과 내부에서 효과적으로 혼합된 스팀과 연료가스가 배출되는 타 단면(120)을 가지는 원통형의 바디(100)를 갖는다. 또한 원통형의 바디 내에는 스크류 구조체(200)가 내부에 구비되어, 유체를 와류 방식으로 일방향으로 흐르게 한다. 이로써 효과적인 스팀과 연료가스를 내부에서 혼합하며, 특히 이러한 구조로 인하여 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화하면서, 유체들을 효과적으로 혼합시켜서 개질기 내부로 공급되기 때문에 개질기 내부 온도 저하를 줄여줄 수 있다. 즉, 바로 연료가스가 공급되는 경우, 개질기 내에 국부적인 온도저하는 피할 수가 없지만, 본 발명은 스팀과 연료가스를 긴 거리를 갖는 혼합기를 통하여 유동 방향으로 혼합시켜 주므로 이러한 문제를 피할 수 있다. Referring to FIG. 2, the static mixer (M-11) according to an embodiment of the present invention has an end face 110 through which fuel gas (city gas) and steam are introduced, and steam and fuel gas effectively mixed therein. It has a cylindrical body 100 having another cross section 120 through which the is discharged. Additionally, a screw structure 200 is provided inside the cylindrical body to allow fluid to flow in one direction in a vortex manner. This effectively mixes steam and fuel gas internally, and in particular, due to this structure, resistance to fluid flow is minimized, and the fluids are effectively mixed and supplied into the reformer, thereby reducing the temperature drop inside the reformer. That is, when fuel gas is supplied immediately, a local temperature drop within the reformer cannot be avoided, but this problem can be avoided in the present invention by mixing steam and fuel gas in the flow direction through a mixer with a long distance.
도 3은 도 2의 혼합기를 이용한 스팀 제어 방식을 설명하는 도면이다. FIG. 3 is a diagram illustrating a steam control method using the mixer of FIG. 2.
도 3에서는 본 발명에 따른 시스템은 개질기(RF-10)와, 열교환기(E-13)과 스테틱 혼합기(M-11)이 개시되며, 열교환기(E-12)을 거친후 물은 스팀화된다. 본 발명은 스팀 전량을 연료가스와 혼합하여 개질기를 공급하는 경우, 혼합기(M-11)에 형성되는 과도한 압력(즉, 배압)으로 인하여 펌프에 의한 물 공급이 불안정해지는 것을 문제가 발생하였다. In Figure 3, the system according to the present invention includes a reformer (RF-10), a heat exchanger (E-13), and a static mixer (M-11), and after passing through the heat exchanger (E-12), water is converted into steam. I get angry. In the present invention, when the entire amount of steam is mixed with fuel gas and supplied to the reformer, a problem occurred in that the water supply by the pump became unstable due to excessive pressure (i.e., back pressure) formed in the mixer (M-11).
따라서, 본 발명은 열교환기(E-13)에서 발생한 스팀의 일부는 스테틱 혼합기(M-11)로, 나머지는 개질기(RF-10)로 유입된다. 이로써 과도한 고온이 스팀과 연료가스의 혼합기 내 혼합에 따른 배압 증가의 문제를 해결하여 안정적인 스팀과 연료가스의 예혼합 효과를 얻을 수 있다. Therefore, in the present invention, part of the steam generated in the heat exchanger (E-13) flows into the static mixer (M-11), and the remainder flows into the reformer (RF-10). This solves the problem of excessively high temperature causing increased back pressure due to mixing of steam and fuel gas in the mixer, thereby achieving a stable premixing effect of steam and fuel gas.
도 4는 스팀의 일부를 연료가스와 미리 혼합하지 않고 바로 개질기로 넣은 경의 개질기 내 촉매에서의 막핌 현상의 문제를 설명하는 도면이다.(X축 반응시간, Y축 온도) Figure 4 is a diagram illustrating the problem of clogging in the catalyst in the reformer when part of the steam is directly fed into the reformer without prior mixing with the fuel gas (X-axis reaction time, Y-axis temperature).
도 4를 참조하면, 미리 스팀과 혼합되지 않은 연료가스 내 성분인 메탄이 흡열반응으로 개질되지 않음에 따라 탄소로 침적되고, 이로 인한 촉매 성능이 저하되어 개질 반응 즉, 흡열반응을 하지 않아 혼자 온도가 떨어지는 현상이 발생하는 것을 알 수 있다(도 4의 적색 원 영역)Referring to FIG. 4, methane, which is a component of fuel gas that has not been previously mixed with steam, is deposited with carbon as it is not reformed through an endothermic reaction, and as a result, catalyst performance deteriorates and the reforming reaction, i.e., an endothermic reaction, does not occur, thereby increasing the temperature alone. It can be seen that a falling phenomenon occurs (red circle area in Figure 4).
따라서, 본 발명은 본 발명은 스팀과 연료가스를 긴 거리를 갖는 혼합기를 통하여 유동 방향으로 혼합시켜 주므로 이러한 문제를 피할 수 있다. Therefore, the present invention can avoid this problem by mixing steam and fuel gas in the flow direction through a mixer with a long distance.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
Claims (6)
천연가스(NG)와 스팀을 공급받아 연소와 개질반응이 일어나는 개질기(RF-10);
상기 개질기(RF-10)에 스팀을 공급하기 위한 물 공급 펌프(WP-11);
상기 개질기(RF-10)로 공급되는 연료가스 라인에 구비된 제 1 열교환기(E-13)와, 상기 연료가스를 스팀을 혼합하기 위한 혼합기(M-11); 및
상기 물 공급 펌프(WP)과 상기 개질기(RF-10)의 사이에 구비된 제 2, 제 3 열교환기(E-15, E-11) 및 제 4 열교환기(E-12)를 포함하는 수소 추출 시스템으로, 상기 제 4 열교환기(E-12)의 콜드라인은 상기 혼합기(M-11)와 연결되며, 상기 시스템은 상기 개질기의 정상 운전 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도에서 상기 제 2, 제 3 열교환기(E-15. E-11) 및 제 4 열교환기(E-12)에 물을 공급하여, 상기 열교환기의 응축 균열을 방지하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 시스템.With a hydrogen extraction system,
A reformer (RF-10) that receives natural gas (NG) and steam and undergoes combustion and reforming reactions;
A water supply pump (WP-11) for supplying steam to the reformer (RF-10);
A first heat exchanger (E-13) provided in the fuel gas line supplied to the reformer (RF-10) and a mixer (M-11) for mixing the fuel gas with steam; and
Hydrogen including second and third heat exchangers (E-15, E-11) and fourth heat exchanger (E-12) provided between the water supply pump (WP) and the reformer (RF-10) As an extraction system, the cold line of the fourth heat exchanger (E-12) is connected to the mixer (M-11), and the system extracts the first temperature at a first temperature lower than the second temperature, which is the normal operating temperature of the reformer. 2, A hydrogen extraction system characterized by supplying water to the third heat exchanger (E-15, E-11) and the fourth heat exchanger (E-12) to prevent condensation cracks in the heat exchanger.
상기 물을 공급하는 기간은 기설정된 기간 동안 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 시스템.According to clause 1,
A hydrogen extraction system, wherein the water is supplied for a predetermined period of time.
상기 개질기가 정상 운전 온도에 도달한 경우, 상기 개질기로부터 발생한 버너 오프가스는 상기 제 4 열교환기(E-12)의 핫라인으로 유입되어 상기 제 4 열교환기(E-12)로부터 공급된 물을 증기화하는 것을 특징으로 하는 수소 추출 시스템.According to clause 3,
When the reformer reaches the normal operating temperature, the burner off gas generated from the reformer flows into the hot line of the fourth heat exchanger (E-12) and turns the water supplied from the fourth heat exchanger (E-12) into steam. A hydrogen extraction system characterized in that it is converted to hydrogen.
상기 물을 공급하는 기간은 기설정된 기간은 상기 열교환기의 재질에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 수소 추출 시스템.According to clause 3,
A hydrogen extraction system, wherein the water supply period is a preset period determined according to the material of the heat exchanger.
상기 혼합기(M-11) 내부에는 상기 혼합된 연료가스와 스팀을 유동방향으로 와류를 형성하기 위한 스크류 구조체가 구비된 것을 특징으로 하는 수소 추출 시스템.
According to clause 1,
A hydrogen extraction system, characterized in that the mixer (M-11) is provided with a screw structure inside the mixed fuel gas and steam to form a vortex in the flow direction.
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