KR20070005561A - 연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 개질기 및 방법 - Google Patents

연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 개질기 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료(12) 및 산화제(16, 18, 20)를 개질유(22)로 전환시키는 개질기에 관한 것이다. 상기 개질기는 산화 구역(24) 및 개질 구역(26)을 포함한다. 연료(12)와 산화제(16, 18, 20)의 혼합물은 산화 구역(24)에 공급되고 연료(12)의 적어도 부분 산화시 개질 구역(26)에 적어도 부분적으로 곱급된다. 본 발명에 따르면, 연료(14)는 개질 구역(26)에 추가로 공급될 수 있는 한편, 열(28)은 개질 구역(26)에 공급될 수 있다. 또한, 본 발명은 연료(12) 및 산화제(16, 18, 20)를 개질유로 전환시키는 방법에 관한 것이다.

Description

연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 개질기 및 방법 {REFORMER AND METHOD FOR REACTING FUEL AND OXIDANT TO REFORMATE}
본 발명은 산화 구역 및 개질 구역을 포함하는, 연료 및 산화제를 개질유(reformate)로 전환시키는 개질기(reformer)에 관한 것으로서, 연료와 산화제의 혼합물은 산화 구역에 공급할 수 있고, 상기 혼합물은 연료의 적어도 부분 산화시 개질 구역에 적어도 부분적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 산화 구역 및 개질 구역을 가진 개질기 내에서 연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 방법에 관한 것으로서, 연료와 산화제의 혼합물은 산화 구역에 공급하고, 상기 혼합물은 연료의 적어도 부분 산화시 개질 구역에 적어도 부분적으로 공급한다.
통상의 개질기 및 통상의 방법은 다수의 적용 분야를 제공한다. 구체적으로, 상기 개질기 및 방법은 연료 전지에 수소-풍부 기체 혼합물을 공급하는 데 기여하는데, 전기화학적 반응에 기초하여 상기 수소-풍부 기체 혼합물로부터 전기 에너지가 생성될 수 있다. 상기 연료 전지는 예를 들어, 소위 APU("Auxiliary Power Unit")로 불리는 보조 전원으로서 차량 분야에 사용된다.
연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 개질 공정은 다양한 방법에 따라 진행시킬 수 있다. 예를 들어, 접촉 개질이 공지되어 있는데, 여기서 연료의 일부는 발열 반응에서 산화된다. 이 접촉 개질은 시스템 구성요소, 특히 접촉 전환기에 회복될 수 없는 손상을 줄 수 있는 고열 발생이라는 단점을 가진다.
탄화수소로부터 개질유를 생성시킬 수 있는 또 다른 방법은 "증기-개질"이다. 이 방법에서, 탄화수소는 흡열 반응에서 수증기의 도움에 의해 수소로 전환된다.
상기 두 방법을 조합한 방법, 즉 발열 반응에 기초한 개질, 및 증기-개질용 에너지가 탄화수소의 연소로부터 나오는 흡열 반응에 의한 수소의 생성은 자열 개질이라고 불린다. 여기서, 물을 공급할 수 있어야 한다는 추가적인 단점이 발생한다. 산화 구역과 개질 구역 사이의 고온 구배는 전체 시스템의 온도 조절에서 추가적인 문제점을 구성한다.
개질 유니트로부터 분리되어 있는 산화 유니트를 가진 개질기의 예는 DE 199 43 248 A1에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 연료 및 산화제를 개질유로 전환시키는 개질기 및 방법을 제공하는 것으로서, 여기서 상기 문제점들은 적어도 부분적으로 극복되고, 특히 고온 및 큰 온도 구배로 인한 문제점들은 발생하지 않는다.
상기 목적은 독립항의 특징으로 해결된다.
본 발명의 바람직한 실시양태는 종속항에서 정의된다.
본 발명은 연료를 개질 구역에 추가로 공급할 수 있고 열을 개질 구역에 공급할 수 있다는 점에서 통상의 개질기보다 진보된 것이다. 따라서, 추가로 공급된 연료는 산화 구역으로부터의 배출 기체와 함께 개질 공정용 출발 기체 혼합물을 형 성한다. 연료와 배출 기체의 혼합으로 인해, 작은 λ-값(예를 들어, λ=0.4)이 제공되고, 흡열 개질 반응이 열 공급에 의해 발생할 수 있다.
여기서, 산화 구역 내의 발열 산화로부터 나온 열을 개질 구역에 공급할 수 있다는 점이 특히 유리하다. 따라서, 산화 구역으로부터 발생되는 열 에너지는 개질 반응 과정에서 전환되어 전체 공정의 최종 열 생성이 개질기의 온도 조절에서 문제점을 발생시키지 않는다.
바람직하게는, 개질 구역은 산화제 공급원을 포함하고, 산화제가 상기 산화 공급원을 통해 추가로 공급될 수 있다. 이러한 방식으로 개질을 최적화하기 위해 개질에 영향을 주는 추가 파라미터를 제공한다.
본 발명은 추가 연료를 주입 및 혼합물 형성 구역에 공급할 수 있고 추가 연료를 주입 및 혼합물 형성 구역으로부터 개질 구역 내로 흘러 들어가게 할 수 있다는 점에서 매우 유리한 방식으로 더욱 진보되어 있다. 따라서, 이 주입 및 혼합물 형성 구역은 개질 구역의 상부에 배치되어 있어서 개질 반응을 위한 잘 혼합된 출발 기체를 개질 구역에 공급한다.
여기서, 추가 연료는 산화 구역을 나오는 기체 혼합물의 열 에너지에 의해 적어도 부분적으로 증발되는 것이 특히 유래하다. 따라서, 산화로부터 발생한 반응열은 연료의 증발 공정을 위해 유리한 방식으로 사용될 수 있다.
또한, 산화 구역에서 생성된 기체 혼합물을 주입 및 혼합물 형성 구역을 통과하여 개질 구역에 부분적으로 공급할 수 있다는 점이 유리할 수 있다. 이로써, 개질기로부터 나오는 개질유의 추가 개선이 이의 사용과 관련하여 달성될 수 있게 끔, 개질 공정에 영향을 줄 수 있는 추가적 가능성이 제공된다.
본 발명은 추가 연료를 개질 구역에 공급하고 열을 개질 구역에 공급한다는 점에서 통상의 방법보다 진보된 것이다. 이 방식으로, 본 발명에 따른 개질기의 장점 및 특징이 개질 방법의 공정에서도 달성된다. 또한, 이것은 본 발명에 따른 방법의 하기 특히 바람직한 실시양태에도 적용된다.
본 방법은 산화 구역 내의 발열 산화로부터 발생한 열이 개질 구역에 공급된다는 점에서 더욱 유리하게 개선되어 있다.
또한, 개질 구역은 산화제 공급원을 포함하고, 이 공급원을 통해 추가 산화제를 공급한다는 점이 유리할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 추가 연료를 주입 및 혼합물 형성 구역에 공급하고 추가 연료를 주입 및 혼합물 형성 구역으로부터 개질 구역 내로 흘러 들어가게 하는 것이 바람직하다.
본 방법과 관련하여, 추가 연료는 산화 구역을 나오는 기체 혼합물의 열 에너지에 의해 적어도 부분적으로 증발된다는 것이 유리하게 예측된다.
또한, 산화 구역에서 생성되는 기체 혼합물은 주입 및 혼합물 형성 구역을 통과하여 개질 구역에 부분적으로 공급한다는 점이 제공될 수 있다.
본 발명은 산화 구역과 개질 구역을 분리하고 산화 구역으로부터의 배출 기체와 추가로 공급된 연료를 혼합함으로써, 후속 개질과 관련하여 우수한 예비조건을 제공하고/하거나 개질 공정과 관련하여 배출 기체 및 산화제의 추가 공급에 의해 최적화될 수 있는 기체 혼합물을 생성할 수 있다는 결론에 기초한 것이다.
지금부터, 본 발명은 첨부된 도면 및 바람직한 실시양태를 언급하면서 실시예 의해 설명될 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 개질기의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1은 본 발명에 따른 개질기의 개략도를 보여준다. 연료(12) 및 산화제(16)은 각각의 공급원을 통해 개질기(10)에 공급할 수 있다. 연료(12)로는 예를 들어, 디젤을 생각할 수 있고, 산화제(16)는 일반적으로 대기이다. 초기 연소에서 즉시 발생되는 반응열은 경우에 따라 제공되는 냉각 구역(24) 내에서 부분적으로 제거할 수 있다. 이어서, 상기 혼합물은 개질 구역(26) 내에 배치된 파이프로서 구현될 수 있는 산화 구역(24) 내로 이동한다. 대체가능한 실시양태에서, 산화 구역은 개질 구역(26) 내의 다수의 파이프 또는 특정 파이프 배열에 의해 구현된다. 산화 구역 내에서, λ~1을 가진 발열 반응에서 연료 및 산화제의 전환이 일어난다. 이로써 기체 혼합물(32)은 주입 및 혼합물 형성 구역(30)으로 들어가고, 이 구역 내에서 주입된 연료(14)와 혼합된다. 이로써, 기체 혼합물(32)의 열 에너지는 연료(14)의 증발을 지지할 수 있다. 추가로, 산화제는 주입 및 혼합물 형성 구역(30) 내로 공급될 수 있다. 따라서, 형성된 혼합물은 개질 구역(26)으로 들어가고, 여기서 상기 혼합물은 예를 들어, λ~0.4를 가진 흡열 반응에서 전환된다. 흡열 반응에 필요한 열(28)은 산화 구역(24)으로부터 방출된다. 개질 공정을 최적화하기 위해, 산화제(18)를 개질 구역(26) 내로 더 공급할 수 있다. 또한, 산화 구 역(24)에서 생성된 기체 혼합물(34)의 일부를 주입 및 혼합물 형성 구역(30)을 통과시켜 개질 구역(26)에 직접 공급할 수 있다. 그 다음, 개질유(22)는 개질 구역(26)을 흘러 나오고, 나아가 여러 용도로 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도를 보여준다. 단계 S01에서, 연료 및 산화제는 산화 구역에 공급한다. 그 후, 단계 S02에서, 적어도 연료의 일부 산화가 발생한다. 단계 S03에 따르면, 산화 구역을 나오는 기체 혼합물은 주입 및 기체 형성 구역에 공급한다. 나아가, 단계 S04에서, 추가 연료는 주입 및 기체 형성 구역에 공급한다. 이어서, 단계 S05에서 주입 및 혼합물 형성 구역에서 생성된 혼합물을 개질 구역에 공급하고, 단계 S06에서 상기 혼합물은 발열 산화의 반응열을 사용하는 흡열 반응에서 개질된다. 단계 S07에서, 개질유를 추출한다.
상기 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위에서 개시된 본 발명의 특징은 개별적으로 및 조합적으로 본 발명의 실시에 필수적일 수 있다.
참조 번호
12 연료
14 연료
16 산화제
18 산화제
20 산화제
22 개질유
24 산화 구역
26 개질 구역
28 열
30 주입 및 혼합물 형성 구역
34 기체 혼합물
36 냉각 구역

Claims (12)

  1. 산화 구역(24) 및 개질 구역(26)을 포함하는, 연료(12) 및 산화제(16, 18, 20)를 개질유(reformate)(22)로 전환시키는 개질기(reformer)로서, 여기서 연료(12)와 산화제(16, 18, 20)의 혼합물은 산화 구역(24)에 공급할 수 있고, 상기 혼합물은 연료(12)의 적어도 부분 산화시 개질 구역에 적어도 부분적으로 공급할 수 있으며,
    - 연료(14)는 개질 구역(26)에 추가로 공급할 수 있고,
    - 열(28)은 개질 구역(26)에 공급할 수 있는 것
    을 특징으로 하는 개질기.
  2. 제1항에 있어서, 산화 구역(24) 내에서의 발열 산화로부터의 열(28)은 개질 구역(26)에 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 개질기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 개질 구역(26)은 산화제 공급원을 포함하며, 산화제(16, 18, 20)는 상기 공급원을 통해 추가로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 개질기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 추가 연료(14)는 주입 및 혼합물 형성 구역(30)에 공급할 수 있고,
    - 추가 연료(14)는 주입 및 혼합물 형성 구역(30)으로부터 개질 구역(26) 내로 흘러 들어갈 수 있는 것을 특징으로 하는 개질기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 연료(14)는 산화 구역(24)을 나오는 기체 혼합물(34)의 열 에너지에 의해 적어도 부분적으로 증발시키는 것을 특징으로 하는 개질기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 산화 구역(24)에서 생성된 기체 혼합물(34)은 주입 및 혼합물 형성 구역(30)을 통과하여 개질 구역(26)에 부분적으로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 개질기.
  7. 산화 구역(24) 및 개질 구역(26)을 가진 개질기 내에서 연료(12) 및 산화제(16, 18, 20)를 개질유(22)로 전환시키는 방법으로서, 여기서 연료(12)와 산화제(16, 18, 20)의 혼합물은 산화 구역(24)에 공급하고, 상기 혼합물은 연료(12)의 적어도 부분 산화시 개질 구역(26)에 적어도 부분적으로 공급하며,
    - 추가 연료(14)는 개질 구역(26)에 공급하고,
    - 열(28)은 개질 구역(26)에 공급하는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 산화 구역(24) 내의 발열 산화로부터의 열(28)은 개질 구 역(26)에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 개질 구역(26)은 산화제 공급원을 포함하며, 추가 산화제(16, 18, 20)는 상기 공급원을 통해 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 추가 연료(14)는 주입 및 혼합물 형성 구역(30)에 공급하고,
    - 추가 연료(14)는 주입 및 혼합물 형성 구역(30)으로부터 개질 구역(26) 내로 흘러 들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 연료(14)는 산화 구역(24)을 나오는 기체 혼합물(34)의 열 에너지에 의해 적어도 부분적으로 증발시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 산화 구역(24)에서 생성된 기체 혼합물(34)은 주입 및 혼합물 형성 구역(30)을 통과하여 개질 구역(26)에 부분적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
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