KR102639053B1 - 탄화수소 열분해 반응장치 - Google Patents

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우종헌
길효종
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Abstract

본 발명은 탄화수소 열분해 반응장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치는, 기체 상태의 탄화수소를 공급하는 탄화수소 공급기; 상기 탄화수소 공급기에서 공급된 상기 탄화수소를 공급받아 수소를 포함하는 기체를 발생시키는 반응기; 상기 수소를 포함하는 기체에서 탄소를 분리하는 탄소 분리기; 및 상기 탄소 분리기에서 탄소가 분리된 기체에서 수소를 분리하는 수소 분리기를 포함하고, 상기 반응기는, 하우징; 상기 하우징의 내부에 배치되는 촉매 담체; 및 상기 하우징의 내부에 배치되며, 상기 촉매 담체와 이격된 상태로 상기 촉매 담체를 둘러싸도록 배치되는 하나 이상의 히터를 포함할 수 있다.

Description

탄화수소 열분해 반응장치{THERMAL CRACKING REACTOR OF HYDROCARBON}
본 발명은 탄화수소 열분해 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소가스를 열분해하여 수소를 생산할 수 있는 탄화수소 열분해 반응장치에 관한 것이다.
수소는 연료전지에서 전력을 생산할 때 주요한 원료로 이용된다. 이러한 수소를 안정적으로 공급하려면 안정적으로 수소가 공급될 필요가 있다. 수소의 생산은 천연가스를 이용한 수증기 개질법, 물을 이용한 전기분해법 및 석탄을 이용한 석타가스화법 등이 있으며, 그 중 수증기 개질법은, 천연가스, LPG, LNG, 휘발유나 등유 등과 같은 탄화수소를 원료로 이용할 수 있어 제조원가가 저렴하여 많은 연구가 이루어진다.
이러한 수증기 개질법은, 고온의 촉매(담체)가 이용되고 높은 온도를 일정하게 조절할 필요가 있다. 이를 위해 종래에는 화염을 발생시키는 버너가 이용되는데, 화염을 이용함에 따라 높은 온도를 유지할 수 있지만, 고온의 온도를 미세하게 조절하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1403883호 (2014.05.29.) 대한민국 공개특허 제10-2008-0033816호 (2008.04.17.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고온의 온도를 미세하게 조절하고 유지할 수 있는 탄화수소 열분해 반응장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치는, 기체 상태의 탄화수소를 공급하는 탄화수소 공급기; 상기 탄화수소 공급기에서 공급된 상기 탄화수소를 공급받아 수소를 포함하는 기체를 발생시키는 반응기; 상기 수소를 포함하는 기체에서 탄소를 분리하는 탄소 분리기; 및 상기 탄소 분리기에서 탄소가 분리된 기체에서 수소를 분리하는 수소 분리기를 포함하고, 상기 반응기는, 하우징; 상기 하우징의 내부에 배치되는 촉매 담체; 및 상기 하우징의 내부에 배치되며, 상기 촉매 담체와 이격된 상태로 상기 촉매 담체를 둘러싸도록 배치되는 하나 이상의 히터를 포함할 수 있다.
하나 이상의 상기 히터는 복수 개이며, 상기 반응기는, 복수 개의 상기 히터 사이에 배치되는 복수 개의 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징에는, 복수 개의 상기 히터 및 복수 개의 상기 격벽으로 둘러싸인 복수 개의 연소실이 구비될 수 있다.
상기 하우징은, 상기 탄화수소가 투입되고, 상기 촉매 담체의 일 측을 고정하는 투입부; 상기 하우징의 타 측에 배치된 배출부; 및 상기 배출부의 내측에 배치되며, 상기 촉매 담체의 타 측을 고정하는 고정부를 포함할 수 있다.
상기 촉매 담체를 통해 상기 수소를 포함하는 기체가 배출되도록 상기 고정부의 내측에 상기 촉매 담체의 타단이 노출될 수 있다.
상기 히터가 구동하여 발생되는 배기가스가 배출되도록 상기 배출부 및 상기 고정부 사이가 이격되어 배치될 수 있다.
상기 촉매 담체의 내부에 소정의 공간이 형성되며, 상기 반응기는, 상기 촉매 담체의 내부 공간에 배치된 하나 이상의 서브 히터를 더 포함할 수 있다.
하나 이상의 상기 서브 히터는 복수 개이이고, 상기 반응기는, 복수 개의 상기 서브 히터 사이에 배치되는 복수 개의 서브 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 담체의 내부 공간에는, 복수 개의 상기 서브 히터 및 복수 개의 상기 서브 격벽으로 둘러싸인 복수 개의 서브 연소실이 형성될 수 있다.
상기 서브 히터의 구동으로 발생되는 배기가스가 배출되도록 상기 촉매 담체의 내부 공간과 외부를 연결하는 배기관을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응기에 설치된 히터에 전원을 공급하여 반응기 내부에서 고온을 유지할 수 있으며, 그에 따라 안정적으로 반응기 내부 온도를 유지할 수 있다.
또한, 반응기 내부에 히터를 구간을 나누어 배치하고, 반응기 내부에 균일하게 고온의 온도를 유지하고 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기 내부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기에 포함되는 히터의 소재를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기 내부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명을 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기 내부를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기에 포함되는 히터의 소재를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치(10)에 대해 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치(10)는, 반응기(100), 탄화수소 공급기(200), 탄소 분리기(300) 및 수소 분리기(400)를 포함한다.
반응기(100)는 탄화수소 공급기(200)로부터 탄화수소가 공급되면 공급된 탄화수소를 열분해하여 탄소와 수소를 분리한다. 이를 위한 반응기(100)는, 하우징(110), 촉매 담체(120) 및 히터(130)를 포함한다.
하우징(110)은 대략 원통 형상을 가지며, 내부에 촉매 담체(120) 및 히터(130)가 수용될 수 있는 공간이 형성된다. 하우징(110)은 일 측에 탄화수소가 투입되는 투입부(112)가 배치되고, 타 측에 탄소, 수소 및 배기가스가 배출되는 배출부(114)가 배치된다.
또한, 하우징(110)에는 고정부(116)가 포함된다. 고정부(116)는 배출부(114)의 내측에 배치되며, 촉매 담체(120)를 고정하기 위해 구비된다. 이러한 고정부(116)는 배출부(114) 내측에 결합될 수 있으며, 고정부(116)와 배출부(114) 사이에 소정의 공간이 형성될 수 있다. 즉, 고정부(116)는 배출부(114)와 소정의 간격이 이격된 상태로 배출부(114)에 고정될 수 있다.
상기와 같은 하우징(110)은 히터(130)가 동작하여 탄화수소를 연소될 때 견딜 수 있는 내열성을 갖는 소재가 이용될 수 있다.
촉매 담체(120)는 기체 상태의 탄화수소가 공급되면, 개질 반응에 의해 수소와 일산화탄소 및 가타 가스가 생성된다. 촉매 담체(120)는 대략 원기둥 형상을 가지며, 탄화수소가 원기둥 형상의 촉매 담체(120)를 투과할 수 있다.
이러한 촉매 담체(120)는 일 측이 반응기(100)의 투입부(112)에 결합되고, 타 측이 반응기(100)의 고정부(116)에 결합되어 하우징(110)의 내부에 고정된다. 여기서, 투입부(112)는 하우징(110)에 일체로 형성되며, 촉매 담체(120)의 일단 외주면을 감싸도록 배치되고, 기체 상태의 탄화수소가 촉매 담체(120)를 통해 유입될 수 있게 촉매 담체(120)의 일단이 노출되는 형상을 가질 수 있다. 고정부(116)는 촉매 담체(120)의 타단 외주면을 감싸도록 배치되며, 촉매 담체(120)를 통해 배출되는 기체 상태의 수소가 배출될 수 있게 촉매 담체(120)의 타단이 노출되는 형상을 가질 수 있다.
히터(130)는 하우징(110)의 내부에 배치되고, 촉매 담체(120)의 외주를 감싸는 형상을 가질 수 있다. 즉, 히터(130)는 대략 원통 형상을 가질 수 있으며, 내측에 촉매 담체(120)가 배치되고, 촉매 담체(120)와 소정의 간격이 이격된 상태로 배치될 수 있다.
히터(130)는 외부에서 전력을 공급받아 구동될 수 있으며, 복수 개가 구비될 수 있다. 즉, 히터(130)는 소정의 길이를 가지는 원통 형상을 가지며, 복수 개의 히터(130)가 히터(130)의 길이 방향을 따라 나열된 상태로 배치될 수 있다. 복수 개의 히터(130)는 복수 개의 격벽(134)에 의해 서로 분리될 수 있다.
다시 말해, 복수 개의 히터(130) 사이에 각각 격벽(134)이 배치되어 복수 개의 히터(130)를 분리시킬 수 있다.
이러한 히터(130)는 탄화수소 개질(reforming)을 위한 열원으로 금속 섬유가 적용된다. 히터(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 금속섬유(metal fiber)로 직조될 수 있으며, 그에 따라 히터(130)의 표면에서 연소가 이루어질 수 있다.
격벽(134)은 하우징(110)의 내면에서 하우징(110)의 중심 방향으로 돌출되어 배치될 수 있다. 이러한 격벽(134)은 하우징(110)과 동일한 소재를 가질 수 있다.
그러므로 하우징(110)과 히터(130) 사이에 격벽(134)에 의해 소정의 공간이 형성되고, 이렇게 형성되 공간은 연소실(132)이다. 연소실(132)은 촉매 담체(120)를 통해 하우징(110) 내부로 유입된 탄화수소가 히터(130)에 의해 연소되는 공간이다.
탄화수소 공급기(200)는, 반응기(100)에 기체 상태의 탄화수소를 공급한다. 탄화수소 공기에서 공급하는 탄화수소는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등일 수 있다.
탄소 분리기(300)는 반응기(100)에서 배출되는 기체에서 탄소를 분리한다. 이때, 탄소 분리기(300)는 촉매 담체(120)를 통해 배출되는 기체에서 탄소를 분리하며, 촉매 담체(120)를 통해 배출되는 기체는 기체 상태의 수소가 포함될 수 있다.
여기서, 하우징(110)의 고정부(116)와 배출부(114)가 이격됨에 따라 소정의 공간이 형성되는데, 이렇게 고정부(116)와 배출부(114) 사이로 연소실(132)에서 탄화수소가 연소됨에 따라 발생하는 배기가스가 배출될 수 있다. 이러한 배기가스는 별도로 포집되어 처리될 수 있다.
수소 분리기(400)는 탄소 분리기(300)를 거친 기체가 유입되며, 유입된 기체에서 수소를 분리하여 외부로 배출한다. 수소 분리기(400)를 통해 순수한 수소만 분리하고, 수소가 분리되고 남은 기체는 다시 반응기(100)로 이송된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치를 도시한 개략도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기 내부를 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치의 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치(10)에 대해 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치(10)는, 반응기(100), 탄화수소 공급기(200), 탄소 분리기(300) 및 수소 분리기(400)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화수소 열분해 반응장치(10)에 대해 설명하면서, 일 실시예에서와 동일한 설명은 생략한다.
반응기(100)는, 탄화수소를 가열할 때, 균일한 온도제어를 위해, 하우징(110), 촉매 담체(120), 히터(130), 서브 히터(140) 및 배출관을 포함한다.
촉매 담체(120)는 외부 형상은 대략 원기둥 형상을 가지며, 내부에 소정의 공간이 형성될 수 있다. 촉매 담체(120)의 내부 공간은 대략 원기둥 형상을 가질 수 있다. 이러한 촉매 담체(120)의 내부 공간은 촉매 담체(120)에 의해 둘러싸인 형상을 가질 수 있다.
촉매 담체(120)의 내부 공간에 서브 히터(140)가 배치될 수 있다. 서브 히터(140)는 복수 개가 구비될 수 있으며, 각각 원통 형상을 가질 수 있다. 이러한 서브 히터(140)는 촉매 담체(120)의 내부 공간에 배치되고, 촉매 담체(120)의 내면과 소정의 간격이 이격된 상태로 배치될 수 있다.
서브 히터(140)는 외부에서 전력을 공급받아 구동될 수 있고, 복수 개가 구비될 수 있다. 즉, 서브 히터(140)는 소정의 길이를 가지는 원통 형상일 수 있으며, 히터(130)보다 작은 직경을 가질 수 있다. 서브 히터(140)는 히터(130)와 마찬가지로 탄화수소 개질을 위한 열원으로 금속 섬유가 적용되어 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 히터(130)와 서브히터(140)는 병렬로 배치되되, 서브히터(140)는 히터(130)의 내부에 배치된다.
이러한 복수 개의 서브 히터(140)는 서브 히터(140)의 길이 방향을 따라 나열된 상태로 배치될 수 있다. 이러한 복수 개의 서브 히터(140)는 복수 개의 서브 격벽(144)에 의해 서로 분리될 수 있다. 복수 개의 서브 히터(140)는 복수 개의 서브 히터(140) 사이에 각각 배치되며, 복수 개의 서브 히터(140)를 분리할 수 있다.
서브 격벽(144)은 서브 히터(140)의 사이에 대략 원판 형상을 가질 수 있다. 서브 격벽(144)은, 하우징(110)과 동일한 소재를 가질 수 있다.
서브 연소실(142)은 서브 히터(140)의 내측에 형성될 수 있다. 이러한 서브 연소실(142)은 서브 히터(140)와 서브 격벽(144)에 의해 둘러싸일 수 있다. 따라서 서브 히터(140)에 전력이 공급되어 구동되면, 서브 연소실(142)에서 탄화수소에 대한 연소가 이루어질 수 있다.
배출관은 촉매 담체(120)의 내부 공간과 연결되고, 촉매 담체(120)의 내부 공간에서 발생되는 배기가스가 외부로 배출된다. 이러한 배출관은 일단이 촉매 담체(120)의 내부 공간에서 서브 히터(140)의 외측 공간과 연결될 수 있으며, 타단이 촉매 담체(120)를 관통하여 고정부(116)의 내측으로 이어질 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
10: 탄화수소 열분해 반응장치
100: 반응기
110: 하우징
112: 투입부
114: 배출부
116: 고정부
120: 촉매 담체
130: 히터
132: 연소실
134: 격벽
140: 서브 히터
142: 서브 연소실
144: 서브 격벽
150: 배출관
200: 탄화수소 공급기
300: 탄소 분리기
400: 수소 분리기

Claims (10)

  1. 기체 상태의 탄화수소를 공급하는 탄화수소 공급기;
    상기 탄화수소 공급기에서 공급된 상기 탄화수소를 공급받아 수소를 포함하는 기체를 발생시키는 반응기;
    상기 수소를 포함하는 기체에서 탄소를 분리하는 탄소 분리기; 및
    상기 탄소 분리기에서 탄소가 분리된 기체에서 수소를 분리하는 수소 분리기를 포함하고,
    상기 반응기는, 하우징; 상기 하우징의 내부에 배치되는 촉매 담체; 및 상기 하우징의 내부에 배치되며, 상기 촉매 담체와 이격된 상태로 상기 촉매 담체를 둘러싸도록 배치되는 하나 이상의 히터를 포함하고,
    하나 이상의 상기 히터는 복수 개이며,
    상기 반응기는, 복수 개의 상기 히터 사이에 배치되는 복수 개의 격벽을 더 포함하며, 상기 하우징에는, 복수 개의 상기 히터 및 복수 개의 상기 격벽으로 둘러싸인 복수 개의 연소실이 구비하며,
    상기 촉매 담체의 내부에 소정의 공간이 형성되며,
    상기 반응기는,
    상기 촉매 담체의 내부 공간에 배치된 하나 이상의 서브 히터를 더 포함하고, 하나 이상의 상기 서브 히터는 복수 개이고,
    상기 반응기는, 복수 개의 상기 서브 히터 사이에 배치되는 복수 개의 서브 격벽을 더 포함하고, 상기 촉매 담체의 내부 공간에는, 복수 개의 상기 서브 히터 및 복수 개의 상기 서브 격벽으로 둘러싸인 복수 개의 서브 연소실이 형성되며, 병렬로 배치되는 상기 히터와 서브히터는 금속섬유에 의한 표면연소가 이루어지며, 상기 서브히터는 상기 히터의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 반응장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 탄화수소가 투입되고, 상기 촉매 담체의 일 측을 고정하는 투입부;
    상기 하우징의 타 측에 배치된 배출부; 및
    상기 배출부의 내측에 배치되며, 상기 촉매 담체의 타 측을 고정하는 고정부를 포함하는,
    탄화수소 열분해 반응장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 촉매 담체를 통해 상기 수소를 포함하는 기체가 배출되도록 상기 고정부의 내측에 상기 촉매 담체의 타단이 노출된,
    탄화수소 열분해 반응장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 히터가 구동하여 발생되는 배기가스가 배출되도록 상기 배출부 및 상기 고정부 사이가 이격되어 배치된,
    탄화수소 열분해 반응장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브 히터의 구동으로 발생되는 배기가스가 배출되도록 상기 촉매 담체의 내부 공간과 외부를 연결하는 배기관을 더 포함하는,
    탄화수소 열분해 반응장치.
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