KR102619135B1 - 버너 일체형 탄화수소 개질기 및 이를 이용한 탄화수소 개질 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 탄화수소 유입부, 개질 반응부 및 개질 가스 배출부가 순차 연결되는 제1 유로; 연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로; 상기 연료 배출부에서 배출되는 연료를 연소하는 연소부; 및 상기 제1 유로, 제2 유로 및 연소부가 내부에 배치되는 외장 하우징;를 포함하고, 상기 탄화수소 유입부 및 개질 가스 배출부는 상기 외장 하우징의 하부에 배치되고, 상기 개질 반응부는 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되며 형성되고, 상기 외장 하우징의 상부에서 벤딩되어 상기 개질 가스 배출부를 향해 하방으로 연장되며, 상기 연소부는 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부 및 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 버너 일체형 탄화수소 개질기 및 이를 이용한 탄화수소 개질 시스템에 관한 것이다.
최근 기후 변화로 인한 피해가 증가하고 있다. 급격한 기후 변화의 원인으로 탄소 배출량의 증가를 들 수 있는데, 탄소 배출량의 증가로 인해 대기의 온실 효과가 강화되며 지구 평균 온도가 상승하게 되는 결과를 초래하였다,
종래 인류의 문명은 대부분 화석 연료의 연소에 의하여 대부분의 동력을 얻고 있었다. 발전을 위하여 석탄 또는 석유를 때는 화력 발전기를 가동하였으며, 용광로는 화석연료를 태워 철광석을 슬래그로 만들고 있으며, 항공기, 선박, 대부분의 자동차는 화석 연료를 태움으로써 축을 돌리는 동력을 얻어 운행하였다.
이들 모두는 탄소 배출의 주 원인이며, 감축하기 위한 노력이 집중되는 분야이다.
주요 자동차 제조사들은 승용차, 버스, 트럭, 건설기계 등의 자동차는 최근에 가솔린 또는 디젤 연료를 연소시키는 내연기관에 대한 연구 개발을 차례대로 중단하고 있으며, 탄소 배출을 저감할 수 있는 전기차 또는 수소차로의 개발역량을 집중시키고 있다. 특히, 개인용 승용차 분야에서는 전기차(electric vehicle)가 기술적으로 앞서고 우세적인 차세대 자동차로 각광받고 있지만, 트럭, 버스 등 장거리 운행 및 큰 힘과 에너지를 필요로 하는 차량에 있어서는 다량의 에너지를 단기간에 충전하기 어려운 전기차의 특성상 수소 차량이 더욱 효과적인 친환경 차로 주목받고 있다.
이에 따라서 새로운 에너지원으로서 수소를 얻는 방법 또한 중요해지고 있으나, 자연계에서 수소 분자의 형태로 얻어질 수 있는 수소는 극소량이며, 수소는 주로 물의 전기 분해 또는 탄화수소를 개질하여 얻을 수 있다.
상기 탄화수소의 개질 반응은 높은 열량을 필요로 하는 흡열 반응으로, 고온의 반응 온도를 유지하여야 한다. 이를 위해 종래의 탄화수소 개질 공정은 튜브형 개질 반응기에서 사용되지 못한 열을 회수하여 수증기 생산, 개질 반응물 및 연소 가스의 예열을 위해 사용하였다. 반응물의 가열을 위해 예혼합 공정을 거치거나 예개질기(prereformer) 등을 통해 반응물을 예열하는 경우, 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
하지만 상기의 방식으로는, 전달되지 못한 폐열을 회수할 수 있으나 개질 반응기의 온도를 높이는데 한계가 있다. 특히 좁은 영역에 열량을 집중시켜 가열 영역의 온도를 고온으로 유지하는 방법으로는 충분한 열량을 공급하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 탄화수소 개질량을 증대시킬 수 있는 버너 일체형 탄화수소 개질기 및 이를 이용한 탄화수소 개질 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 유지 보수가 간편한 버너 일체형 탄화수소 개질기 및 이를 이용한 탄화수소 개질 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 탄화수소 개질 반응의 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 탄화수소 유입부, 개질 반응부 및 개질 가스 배출부가 순차 연결되는 제1 유로; 연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로; 상기 연료 배출부에서 배출되는 연료를 연소하는 연소부; 및 상기 제1 유로, 제2 유로 및 연소부가 내부에 배치되는 외장 하우징;를 포함하고, 상기 탄화수소 유입부 및 개질 가스 배출부는 상기 외장 하우징의 하부에 배치되고, 상기 개질 반응부는 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되며 형성되고, 상기 외장 하우징의 상부에서 벤딩되어 상기 개질 가스 배출부를 향해 하방으로 연장되며, 상기 연소부는 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부 및 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 연소부는 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되는 개질 반응부를 가열하도록 배치되고, 상기 제2 연소부는 상기 개질 가스 배출부를 향해 연장되는 상기 개질 반응부를 가열하도록 배치될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 제3 연소부를 추가로 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제3 연소부는 상기 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되는 개질 반응부 및 상기 개질 가스 배출부를 향해 연장되는 상기 개질 반응부를 함께 가열하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기의 개질 반응부는 나선형 형상을 가질 수 있다.
이 때, 상기 나선형 형상의 중심축이 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 예시에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 상기 나선형 형상의 중심축의 연장선 상에 배치되는 제3 연소부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 탄화수소 개질 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 전술한 탄화수소 개질기의 탄화수소 유입부로 탄화수소 및 스팀을 포함하는 혼합물이 유입되고, 상기 유입된 혼합물은 상기 개질 반응부로 이송되어 개질 반응하여 수소를 생성하며, 생성된 수소 및 미반응 가스를 포함하는 합성 가스(syngas)를 상기 개질 가스 배출부로 배출될 수 있다.
이 때, 상기 혼합물은 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부에서 1차 가열되고 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부에서 2차 가열될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 제3 연소부를 추가로 포함하고 상기 제3 연소부는 높이 방향에서 보았을 때 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치될 수 있다.
한편, 상기 개질 반응부는 나선형 형상을 가지고 상기 나선형 형상의 중심축이 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치될 수 있다.
다른 예시에서, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 개질 반응부의 나선형 형상의 중심 축의 연장선 상에 배치되는 제3 연소부를 더 포함하고, 상기 제3 연소부는 상기 나선형 형상의 중심축에 인접한 개질 반응부를 가열하는 것일 수 있다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 탄화수소 개질량을 증대시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 유지 보수가 간편한 버너 일체형 탄화수소 개질기 및 이를 이용한 탄화수소 개질 시스템을 제공할 수 있는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 탄화수소 개질 반응의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 변형례를 개락적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 4의 변형례를 개락적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 변형례를 개락적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 4의 변형례를 개락적으로 도시한 단면도이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이는 본 명세서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경 (modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물 (alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용될 수 있다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명할 수 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, "A 또는 B", "A 또는/및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
도면에서, X 방향은 제1 방향, L 방향 또는 길이 방향, Y 방향은 제2 방향, W 방향 또는 폭 방향, Z 방향은 제3 방향, T 방향 또는 두께 방향으로 정의될 수 있다.
본 발명은 버너 일체형 탄화수소 개질기에 관한 것이다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1)는 탄화수소 유입부(111), 개질 반응부(112) 및 개질 가스 배출부(113)가 순차 연결되는 제1 유로(110); 연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로(120); 상기 연료 배출부에서 배출되는 연료를 연소하는 연소부(121, 122); 및 상기 제1 유로(110), 제2 유로(120) 및 연소부(121, 122)가 내부에 배치되는 외장 하우징(130);를 포함할 수 있다.
상기 탄화수소 유입부(111) 및 개질 가스 배출부(113)는 상기 외장 하우징(130)의 하부에 배치되고, 상기 개질 반응부(120)는 상기 탄화수소 유입부(111)로부터 상방으로 연장되며 형성되고, 상기 외장 하우징(130)의 상부에서 벤딩되어 상기 개질 가스 배출부(113)를 향해 하방으로 연장될 수 있다.
이 때, 상기 연소부(121, 122)는 상기 탄화수소 유입부(111)에 인접한 제1 연소부(121) 및 상기 개질 가스 배출부(113)에 인접한 제2 연소부(122)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 탄화수소 개질 공정은 천연가스, 경질 나프타 등의 탄화수소와 스팀(steam, H2O)을 반응시켜 일산화탄소 및 수소로 개질하는 습식 개질 공정을 의미할 수 있다. 상기 습식 개질 공정은 하기 반응식 1 및 2에 따른 개질 반응이 수행될 수 있다.
[반응식 1]
CnHm+nH2O ↔ nCO +(n+m/2)H2 -△H0 298 < 0
[반응식 2]
CH4+H2O ↔ CO+3H2 -△H0 298= -206.2 kJ/mol
상기 개질 반응은 매우 큰 흡열 반응으로, 개질 반응의 진행을 위하여는 반응열의 공급이 필요하다. 또한 탄화수소의 전환율을 높이기 위해서는 800 ℃ 이상의 높은 온도가 필요하며, 지속적으로 고온의 환경을 유지할 필요가 있다.
고온의 반응 온도를 유지하기 위해, 종래의 탄화수소 개질 공정은 튜브형 개질 반응기에서 사용되지 못한 열을 회수하여 수증기 생산, 개질 반응물 및 연소 가스의 예열을 위해 사용하였다. 반응물의 가열을 위해 예혼합 공정을 거치거나 예개질기(prereformer) 등을 통해 반응물을 예열하는 경우, 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
하지만 상기의 방식으로는, 전달되지 못한 폐열을 회수할 수 있으나 개질 반응기의 온도를 높이는데 한계가 있다. 특히 좁은 영역에 열량을 집중시켜 가열 영역의 온도를 고온으로 유지하는 방법으로는 충분한 열량을 공급하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1)는 탄화수소 유입부(111), 개질 반응부(112) 및 개질 가스 배출부(113)가 순차 연결되는 제1 유로(110)를 포함하고, 상기 제1 유로(110)에서 원료물질이 유입되는 탄화수소 유입부(111)에 인접하는 제1 연소부(121) 및 개질 반응부(112)로부터 외부로 연결되는 개질 가스 배출부(113)에 인접한 제2 연소부(122)를 포함함으로써, 개질 반응부에 전달되는 열량을 증대시킬 수 있어 탄화수소 개질 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 예시에서, 탄화수소 유입부(111)에 인접한 제1 연소부(121)는 상기 탄화수소 유입부(111)로부터 상방으로 연장되는 개질 반응부(112)를 가열하도록 배치되고, 개질 가스 배출부(113)에 인접한 제2 연소부(122)는 상기 개질 가스 배출부(113)를 향해 연장되는 개질 반응부(112)를 가열하도록 배치될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 유로(110)는 순차 연결되는 탄화수소 유입부(111), 개질 반응부(112) 및 개질 가스 배출부(113)를 포함할 수 있으며, 상기 개질 반응부(112)는 상기 탄화수소 유입부(111)에서 상방을 향하여 연장되어 배치될 수 있다. 또한 상방을 향하여 연장되는 개질 반응부(112)는 외장 하우징(130)의 상부에서 벤딩되어 하방을 향하도록 형성될 수 있다. 상기 하방을 향하여 연장되는 개질 반응부(112)는 외장 하우징(130)의 하부에 위치하는 개질 가스 배출부(113)를 향해 하방으로 연장되어 상기 개질 가스 배출부(113)와 연결될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 연소부(121)는 상기 탄화수소 유입부(111)에 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 탄화수소 유입부(111)에 인접하여 배치되는 제1 연소부(121)는 상기 탄화수소 유입부(111)를 가열함과 동시에 상기 탄화수소 유입부(111)로부터 연결되는 개질 반응부(112), 즉 원료 물질이 유입되는 입구 쪽에 위치하는 개질 반응부(112)를 가열할 수 있다.
또한 외장 하우징(130)의 상부에서 벤딩되어 하방을 향하는 개질 반응부(112)는 외장 하우징(130)의 하부에 배치되는 개질 가스 배출부(113)와 연결된다. 이 때 상기 개질 가스 배출부(113)에 인접하여 배치되는 제2 연소부(122)는 상기 개질 가스 배출부(113)를 향하여 하방으로 연장되는 개질 반응부(112), 즉 생성 물질이 배출되는 출구 쪽에 위치하는 개질 반응부(112)를 가열할 수 있다. 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1)는 상기와 같이 튜브형의 개질 반응부(112)의 입구측 및 출구측을 모두 가열할 수 있어 개질 반응부(112)의 전 영역에 걸쳐 개질 반응을 유도할 수 있어 후술하는 바와 같이 개질 반응부(112)의 내부에 배치되는 촉매의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 탄화수소 유입부, 개질 반응부 및 개질 가스 배출부가 순차 연결되는 제1 유로를 포함할 수 있다.
상기 탄화수소 유입부는 개질 반응부로 개질 대상 물질을 공급하는 기능을 수행하는 영역일 수 있으며, 전술한 바와 같이 개질 반응부의 입구측과 연결된 탄화 수소 유입부가 함께 가열되어 원료 가스를 예열하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 원료 가스는 탄화수소 가스, 예를 들어 천연가스 등과 수증기의 혼합물일 수 있다. 상기 탄화수소 유입부로 유입된 원료 가스는 전술한 제1 연소부로부터 예열되어 개질 반응부로 공급될 수 있다.
상기 개질 반응부는 관형 형상을 가질 수 있으며, 내부에 탄화수소 가스와 수증기를 수소 및 기타 물질로 개질 반응시키는 촉매가 배치될 수 있다. 상기 개질 반응은 전술한 바와 같이 흡열반응으로, 상기 촉매의 존재 하에 개질 반응이 유도될 수 있다. 상기 촉매는 원료 가스의 개질 반응을 유도할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 데코킹 촉매(decoking catalyst)일 수 있으며, 반응 조건에 따라 적절한 촉매를 적용할 수 있다.
상기 촉매는 상기 개질 반응부의 내부에 채워져 있을 수 있으며, 개질 반응부를 따라 탄화수소 유입부로부터 상방을 향하여 연장되어 배치될 수 있으며, 외장 하우징의 상단측으로부터 개질 기스 배출부는 향하여 하방을 향해 연장되어 배치될 수 있다. 또한 상기 촉매는 개질 반응부의 내부 형상에 따라 원기둥 형상을 가지거나 또는 실린더 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 촉매가 높이가 낮은 형태의 실리더 형상을 가지는 경우, 상기 개질 반응부 내부에 복수개의 촉매가 배치될 수 있다. 이 경우 촉매의 점검 및 교체가 용이하며 전체 개질기의 유지 보수가 용이해질 수 있다.
상기 개질 가스 배출부는 개질 반응이 완료된 생성물을 배출할 수 있으며, 상기 개질 가스 배출부는 통해 합성 가스(syngas)를 배출할 수 있다. 상기 합성 가스는 수소, 이산화탄소 및 기타 미반응 가스 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 연료 배출부는 전술한 탄화수소 유입부에 인접하는 제1 연소부 및 전술한 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부로 연결될 수 있다.
상기 연료 유입부로 상기 연소부에서의 연소반응을 위해 연료 물질이 공급될 수 있다. 상기 연료 유입부로 유입되는 연료 물질은 메탄 등의 가연성 가스 및 공기의 혼합물일 수 있으며, 필요에 따라 다양한 연료 물질을 선택하여 사용할 수 있다.
또한 상기 연료 배출부는 공급된 연료가 배출되는 영역으로 상기 연료 유입부로부터 유입된 연료는 상기 연료 배출부로 배출되는 동안 소정의 온도로 승온되어 상기 연료 배출부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기의 연료 배출부의 단부에 연소부가 배치될 수 있다. 상기 연소부는 전술한 연료 물질을 연소시키는 영역일 수 있으며, 상기 연소 반응에 의해 개질반응에 필요한 열을 발생시키는 영역일 수 있다. 상기 연소부에서 연소되는 연료 물질의 열은 전술한 개질 반응부로 전달될 수 있으며, 탄화수소의 개질 반응을 유도할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 외부 하우징을 포함할 수 있다, 상기 외부 하우징은 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기의 외관을 이루는 것으로, 내부에 전술한 제1 유로 및 제2 유로가 배치될 수 있다. 상기 외부 하우징은 개질 반응부를 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 상기 개질 반응부가 수용되는 원통형의 내부 공간을 포함할 수 있다. 상기 외부 하우징은 상기 개질 반응부로부터 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
상기 외부 하우징의 하부에는 제1 유로의 유입부인 탄화수소 유입부와 제1 유로의 유출구에 해당하는 개질 가스 배출부가 배치될 수 있다. 또한 상기 외부 하우징의 하부에 제2 유로의 연료 유입부가 배치될 수 있다.
상기 외장 하우징의 상부에는 연소부에서 연소된 연소 가스를 배출하는 연통이 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1')는 제3 연소부(123)를 추가로 포함할 수 있다. 도 3은 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1')를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1')는 제1 연소부(121) 및 제2 연소부(122)와 상이한 위치에 배치되는 제3 연소부(123)를 포함할 수 있다.
상기 제3 연소부(123)는, 예를 들어 상기 탄화수소 유입부(111)와 상기 개질 가스 배출부(113)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 연소부(123)가 상기 탄화수소 유입부(111)와 상기 개질 가스 배출부(113)의 사이에 배치된다는 것은, 상기 제3 연소부(123)가 상기 탄화수소 유입부(111) 및 상기 개질 가스 배출부(113) 보다 외장 하우징(130)의 중심부에 더 가까운 곳에 배치되는 것을 의미할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(1')의 상기 제3 연소부(123)가 탄화수소 유입부(111)와 개질 가스 배출부(113)의 사이에 배치되는 경우, 상기 제3 연소부(113)는 탄화수소 유입부(111)에 인접한 개질 반응부(112) 및 개질 가스 배출부(113)에 인접한 개질 반응부(112) 모두를 가열할 수 있다. 이 경우 상기 제3 연소부(123)가 개질 반응부(112)의 입구측 및 출구측을 모두 가열할 수 있어 개질 반응부(112)를 보다 고온으로 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)의 개질 반응부는 나선형 형상을 가질 수 있다. 본 명세서에서 「나선형」이란 소정의 중심축에 대하여 일정한 거리만큼을 두고 비틀려 올라간 모양을 의미할 수 있으며, 영문상으로 스파이럴(spiral) 또는 헬릭스(helix)로 표현되는 형상을 의미할 수 있고, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감겨 올라간 일반적인 스프링의 형상과 유사한 형상을 의미하는 것일 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(222)의 개질 반응부(212)는 나선형 형상을 가질 수 있으며, 전술한 바와 같이 탄화수소 유입부(211)로부터 상방을 향하여 형성된 개질 반응부(212)가 나선형으로 상방을 향하여 감겨 올라가는 형상을 가질 수 있다. 또한 외장 하우징(230)의 상부에서 개질 가스 배출부(213)를 향하여 하방으로 연장되도록 형성된 개질 반응부(212)가 하방을 향하여 나선형으로 감겨 내려오는 형상을 가질 수 있다. 상기 탄화수소 유입부(211), 개질 반응부(212) 및 개질 가스 배출부(213)는 순차 연결되어 제1 유로(210)를 형성할 수 있다.
본 예시와 같이 개질 반응부(212)가 나선형 형상을 가지는 경우, 연소부(에서 배출되는 고온의 가스와 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 또한 상기 고온의 가스와 열교환하는 시간을 늘릴 수 있어 탄화수소의 개질량 자체를 증가시킬 수 있다.
본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)는 연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로(220)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 연료 배출부는 전술한 탄화수소 유입부(211)에 인접하는 제1 연소부(221) 및 전술한 개질 가스 배출부(213)에 인접한 제2 연소부(222)로 연결될 수 있다. 이 경우 상기 제 2 유로(220_는 상기 제1 연소부(221) 및 제2 연소부(222)로 분기되어 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)의 개질 반응부(212)는 나선형 형상의 중심축이 탄화수소 유입부(211) 및 개질 가스 배출부(213)의 사이에 배치될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)의 개질 반응부(212)는 소정의 중심축을 기준으로 감겨있는 나선형 형상을 가질 수 있으며, 상기 나선형의 중심축이 탄화수소 유입부(211)과 개질 가스 배출부(213)의 사이에 위치할 수 있다.
상기 나선형의 중심축이 탄화수소 유입부(211)와 개질 가스 배출부(213)의 사이에 위치한다는 것은, 상기 나선형의 중심축이 외장 하우징(230)의 중앙 영역에 배치된 구조를 의미할 수 있다. 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2)의 개질 반응부(212)가 외장 하우징(230)의 중앙 영역에 나선형의 중심축이 위치하도록 배치되는 경우 상기 개질 반응부(212)의 열교환 면적을 증가시킬 수 있어 개질 반응의 열효율을 향상시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2')의 개질 반응부(212)의 나선형 형상의 중심축의 연장선 상에 제3 연소부(223)가 추가로 배치될 수 있다. 이 때, 상기 버너 일체형 개질기(2')의 제2 유로(220')는 제1 연소부(221), 제2 연소부(222) 및 제3 연소부(223)로 분기되어 형성될 수 있다.
도 6은 본 예시에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기(2')의 나선축의 연장선 상에 배치되는 제3 연소부(223)를 추가로 더 포함하는 경우 상기 제3 연소부(223)에서 배출되는 열에너지가 나선형의 개질 반응부(212)의 내측 영역을 통해 열교환하도록 할 수 있다. 이를 통해 개질 반응부(212)의 가열 영역을 증대시킬 수 있으며, 개질 반응부(212)의 여러 영역을 통해 내부 촉매를 가열할 수 있어 개질 반응의 속도를 높일 수 있다.
본 발명은 또한 탄화수소 개질 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 전술한 버너 일체형 탄화수소 개질기의 탄화수소 유입부로 탄화수소 및 스팀을 포함하는 원료 물질이 유입되고, 상기 유입된 원료 물질은 상기 개질 반응부로 이송되어 개질 반응하여 수소를 생성하며, 생성된 수소 및 미반응 가스를 포함하는 합성 가스(syngas)를 상기 개질 가스 배출부로 배출할 수 있다.
이 때, 상기 원료 물질은 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부에서 1차 가열되고 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부에서 2차 가열될 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 버너 일체형 탄화수소 개질기는 제1 연소부 및 제2 연소부를 포함하여, 상기 제1 연소부 및 제2 연소부를 통해 개질 반응부를 가열함으로써 개질 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 제3 연소부를 추가로 포함하고 상기 제3 연소부는 높이 방향에서 보았을 때 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치될 수 있다. 이 때, 상기 제3 연소부는 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부를 함께 가열할 수 있으며, 동시에 탄화수소 유입부에 인접한 개질 반응부 및 개질 가스 배출부에 인접한 개질 반응부 모두를 가열할 수 있다. 이 경우 상기 제3 연소부가 개질 반응부의 입구측 및 출구측을 모두 가열할 수 있어 개질 반응부를 보다 고온으로 유지할 수 있다.
다른 예시에서, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템의 개질 반응부는 나선형 형상을 가지고 상기 나선형 형상의 중심축이 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치될 수 있다. 상기 개질 반응부가 나선형 형상을 가지는 경우 상기 나선형의 중심축이 탄화수소 유입부과 개질 가스 배출부의 사이에 위치할 수 있다. 본 예시와 같이 개질 반응부가 나선형 형상을 가지는 경우 전술한 연소부에서 배출되는 연소 가스와 개질 반응부의 접촉 면적을 증가시킬 수 있어 개질 반응의 열효율을 향상시킬 수 있다.
상기 예시에서, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템은 제3 연소부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 연소부는 상기 개질 반응부의 나선형 형상의 중심축의 연장선 상에 배치될 수 있다. 이 때, 상기 제3 연소부는 상기 나선형 형상의 중심축에 인접한 개질 반응부를 가열할 수 있다.
상기 제3 연소부가 상기 나선형 형상의 중심축에 인접한 개질 반응부를 가열하는 경우, 제1 연소부 및 제2 연소부를 통해 개질 반응부의 입구측 및 출구측이 가열됨과 동시에 상기 제3 연소부를 통해 나선형 형상의 개질 반응부의 내측을 가열할 수 있다. 이를 통해 개질 반응부에 더 많은 열을 공급할 수 있어 본 발명에 따른 탄화수소 개질 시스템의 효율을 극대화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1: 버너 일체형 탄화수소 개질기
110, 210: 제1 유로
120, 220: 제2 유로
111, 211: 탄화수소 유입부
112, 212: 개질 반응부
113, 213: 개질 가스 배출부
121, 221: 제1 연소부
122, 222: 제2 연소부
123, 213: 제3 연소부
130, 230: 외장 하우징
110, 210: 제1 유로
120, 220: 제2 유로
111, 211: 탄화수소 유입부
112, 212: 개질 반응부
113, 213: 개질 가스 배출부
121, 221: 제1 연소부
122, 222: 제2 연소부
123, 213: 제3 연소부
130, 230: 외장 하우징
Claims (11)
- 탄화수소 유입부, 개질 반응부 및 개질 가스 배출부가 순차 연결되는 제1 유로;
연소를 위한 연료를 유입받는 연료 유입부 및 상기 연료를 배출하는 연료 배출부를 포함하는 제2 유로;
상기 연료 배출부에서 배출되는 연료를 연소하는 연소부;
상기 연소부에서 연소된 연소 가스를 배출하는 연통; 및
상기 제1 유로, 제2 유로 및 연소부가 내부에 배치되는 외장 하우징;를 포함하고,
상기 탄화수소 유입부 및 개질 가스 배출부는 상기 외장 하우징의 하부에 배치되고,
상기 개질 반응부는 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되며 형성되고, 상기 외장 하우징의 상부에서 벤딩되어 상기 개질 가스 배출부를 향해 하방으로 연장되며,
상기 연소부는 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부 및 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부를 포함하고,
상기 연통은 상기 외장 하우징의 상부에 배치되며,
상기 제1 연소부는 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되는 개질 반응부를 가열하도록 배치되고,
상기 제2 연소부는 상기 개질 가스 배출부를 향해 연장되는 상기 개질 반응부를 가열하도록 배치되는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
제3 연소부를 추가로 포함하는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 제3항에 있어서,
상기 제3 연소부는 상기 상기 탄화수소 유입부로부터 상방으로 연장되는 개질 반응부 및 상기 개질 가스 배출부를 향해 연장되는 상기 개질 반응부를 함께 가열하도록 배치되는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 개질 반응부는 나선형 형상을 가지는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 제5항에 있어서,
상기 나선형 형상의 중심축이 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치되는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 제6항에 있어서,
상기 나선형 형상의 중심축의 연장선 상에 배치되는 제3 연소부를 더 포함하는 버너 일체형 탄화수소 개질기.
- 제1항의 버너 일체형 탄화수소 개질기의 탄화수소 유입부로 탄화수소 및 스팀을 포함하는 혼합물이 유입되고, 상기 유입된 혼합물은 상기 개질 반응부로 이송되어 개질 반응하여 수소를 생성하며, 생성된 수소 및 미반응 가스를 포함하는 합성 가스(syngas)를 상기 개질 가스 배출부로 배출하고.
상기 혼합물은 상기 탄화수소 유입부에 인접한 제1 연소부에서 1차 가열되고 상기 개질 가스 배출부에 인접한 제2 연소부에서 2차 가열되는 탄화수소 개질 시스템.
- 제8항에 있어서,
제3 연소부를 추가로 포함하고 상기 제3 연소부는 높이 방향에서 보았을 때 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치되는 탄화수소 개질 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 개질 반응부는 나선형 형상을 가지고 상기 나선형 형상의 중심축이 상기 탄화수소 유입부 및 상기 개질 가스 배출부의 사이에 배치되는 탄화수소 개질 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 나선형 형상의 중심축의 연장선 상에 배치되는 제3 연소부를 더 포함하고, 상기 제3 연소부는 상기 나선형 형상의 중심축에 인접한 개질 반응부를 가열하는 탄화수소 개질 시스템.
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2022
- 2022-12-29 KR KR1020220189772A patent/KR102619135B1/ko active IP Right Grant
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