KR20070075613A - The selective co oxidation reactor for hydrogen-rich stream - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 선택적 산화반응기에 있어서 믹서내장형 선택적 산화반응기의 개략적 구성단면도 1 is a schematic cross-sectional view of a mixer-containing selective oxidation reactor in the selective oxidation reactor according to the present invention
도 2는 본 발명에 따른 선택적 산화반응기에 있어서 믹서외장형 선택적 산화반응기의 개략적 구성단면도 2 is a schematic cross-sectional view of a mixer exterior type selective oxidation reactor according to the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 선택적 산화반응기를 천연가스 개질 시스템과 연결하여 3일간 운전하여 그 성능을 도시한 그래프이다. 3 is a graph showing the performance of the selective oxidation reactor produced in accordance with an embodiment of the present invention by operating for three days in conjunction with a natural gas reforming system.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 선택적 산화 반응기와 연결된 천연가스 개질 시스템의 부하 변동에 따른 운전결과를 도시한 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the operation results according to the load variation of the natural gas reforming system connected to the selective oxidation reactor produced in accordance with an embodiment of the present invention.
***도면의 주요부호에 대한 설명****** Explanation of major symbols in drawings ***
100: 1차 반응기 200: 2차 반응기100: primary reactor 200: secondary reactor
110, 210: 가스믹서 111, 211: 파이프110, 210:
112, 212: 스테틱 스크류 120, 220: 반응부112, 212:
121, 221: 상부선반 122, 222: 하부선반121, 221:
123, 223: 촉매층 130. 230: 냉각부123 and 223
131, 231: 코일형 냉각관 132, 232: 냉각자켓131, 231: coiled
본 발명은 수소가 풍부한 개질가스 내에서 일산화탄소를 선택적 산화시키기 위한 반응기 및 그 운전 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 개질가스 내의 일산화탄소를 선택적으로 산화시키기 위해 가능한 적은 양의 산소를 공급하고 적정 반응 온도를 유지하면서 수소와 CO2 및 H2O를 함유하는 개질가스 혼합물로부터 CO를 10ppm 이하의 조성으로 유지할 수 있는 일산화탄소 선택적 산화 반응기에 관한 것이다. The present invention relates to a reactor for the selective oxidation of carbon monoxide in a hydrogen-rich reforming gas and to a method for operating the same, more particularly, to supplying as little oxygen as possible to selectively oxidize carbon monoxide in the reforming gas and to an appropriate reaction temperature. The present invention relates to a carbon monoxide selective oxidation reactor capable of maintaining CO in a composition of 10 ppm or less from a reforming gas mixture containing hydrogen and CO 2 and H 2 O.
일반적으로 소형 및 분산 전원용 고분자 연료전지 (PEMFCs) 시스템에 수소를 공급하기 위한 천연가스 개질 시스템은 탈황/수증기 개질/고온 전이/저온 전이/선택적 산화 등 5가지의 단위공정으로 구성되어 있다. In general, a natural gas reforming system for supplying hydrogen to polymer fuel cell (PEMFCs) systems for small and distributed power supplies consists of five unit processes: desulfurization, steam reforming, high temperature transition, low temperature transition, and selective oxidation.
상기 저온 전이 공정을 통과한 개질 가스의 출구 조성은 일반적으로 60 부피% H2, 15부피% CO2, 20 부피% H2O, 1~4 부피% CH4, 그리고 0.5~1 부피% CO등을 포함하고 있다. The exit composition of the reformed gas passed through the low temperature transition process is generally 60% by volume H 2 , 15% by volume CO 2 , 20% by volume H 2 O, 1-4% by volume CH 4 , and 0.5-1% by volume CO. It includes.
그러나 이 중 CO는 고분자연료전지 연료극 촉매(Pt)를 피독시켜 전지성능을 급격히 저하시키는 요인이 되므로 이를 보호하기 위하여 CO 농도를 10ppm이하로 제거시켜야 하는 문제점이 있으며, 상기와 같이 CO를 선택적으로 제거하는 방법으로는 Pd분리막, 메탄화반응(methanation), 그리고 선택적 산화반응(preferential oxidation, PrOx) 등이 고려될 수 있는데, 이 중 선택적 산화 반응이 주로 연구되고 있다. However, since the CO poisons the polymer fuel cell anode catalyst (Pt) and causes a drastic drop in battery performance, there is a problem in that the CO concentration must be removed below 10 ppm in order to protect it. The Pd separation membrane, methanation, and selective oxidation (PrOx) may be considered as the method, and selective oxidation reaction is mainly studied.
그리고 상기와 같이 일산화탄소의 선택적 산화반응에 사용되는 촉매는, 주로 귀금속 계통으로서 알루미나에 담지된 백금계열 금속(Pt, Rh와 Ru)이 보고되어져 있다. 이 촉매들은 평판형 반응기 또는 동심관형, 튜브형 고정층 반응기에 수용하여 CO를 제거하는 역할을 수행하며, 필요할 경우 2단 이상의 반응기를 설치한다. 이때 선택적 산화 반응에 필요한 산화제로서 공기를 주입하고 이를 개질 가스와 혼합하는 장치와 수소의 산화 반응을 피하고 CO의 산화 반응을 유도하는 적절한 온도 범위를 유지해주는 열교환기가 필요하기 때문에 선택적 산화반응기의 부피가 커지는 단점이 있다. As the catalyst used for the selective oxidation of carbon monoxide as described above, platinum-based metals (Pt, Rh and Ru) supported on alumina have been reported mainly as precious metals. These catalysts are housed in flat-bed reactors or concentric tubular, tubular, fixed-bed reactors to remove CO and, if necessary, install two or more reactors. In this case, the volume of the selective oxidation reactor is increased because a device for injecting air as an oxidant for the selective oxidation reaction and mixing it with a reforming gas and a heat exchanger that avoids oxidation of hydrogen and maintains an appropriate temperature range inducing oxidation of CO are required. There is a drawback to growing.
따라서 최근에는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 혼합 장치와 열교환기를 통합하고, 촉매층에 수용한 촉매의 양을 최소화하는 반응기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Therefore, in recent years, in order to solve the above problems, researches on a reactor integrating a mixing device and a heat exchanger and minimizing the amount of the catalyst accommodated in the catalyst bed have been actively conducted.
그 대표적인 예로, 도쿄 가스에서는 개질가스와 공기가 특정 크기의 공간에서 혼합되어 반응기에 도입하고 냉각수를 반응기 도입부 또는 반응기 벽면에 흐르게 하여 열교환을 실시하는 동심관형 반응기를 사용하고 있으며, 오사카 가스는 개 질가스와 공기가 혼합되어 반응기에 도입되고 이때 공급되는 공기에 의해 냉각이 이루어지는 평판형 반응기를 사용하고 있다[Nishizaki, K., Kawamuram M., Osaka, N. Ito, K., Fujiwara, N., Nishizaka, Y. and Kitazawa, H.: Fuel Cell Seminar (2005), Mitsuaki, E., Shinske, N., Takami, S., and Tabata, T. : Journal of Power Sources, 132, 29 (2004)].As a representative example, Tokyo Gas uses a concentric tubular reactor in which reformed gas and air are mixed in a specific size space, introduced into the reactor, and the cooling water flows through the reactor inlet or the reactor wall to perform heat exchange. Gas and air are mixed and introduced into the reactor, and a flat reactor is cooled by the supplied air [Nishizaki, K., Kawamuram M., Osaka, N. Ito, K., Fujiwara, N., Nishizaka, Y. and Kitazawa, H .: Fuel Cell Seminar (2005), Mitsuaki, E., Shinske, N., Takami, S., and Tabata, T.: Journal of Power Sources , 132, 29 (2004).
그러나 상기와 같은 반응기의 경우 개질가스와 공기의 혼합이 원활이 이루어지지 않기 때문에, 주입하는 공기의 양이 증가하여 산소와 일산화탄소의 비율([O2]/[CO])이 2~3으로 커지는 단점이 있다. 더구나 Ru 촉매를 사용한 반응기의 경우 Ru 촉매가 가지고 있는 CO2의 메탄화 반응성으로 인해 주입하는 공기 양의 증가는 온도 제어에서의 어려움을 유발하며, 과량의 공기는 산화 반응에 의한 H2의 소모량을 급격히 증가한다고 보고되어 지고 있다[Twigg, M. V.: Catalyst Handbook, 2nd edition, Wolfe Publishing Ltd., London, UK, 1989]. However, in the reactor as described above, since the mixing of the reformed gas and air is not performed smoothly, the amount of air to be injected increases and the ratio of oxygen and carbon monoxide ([O 2 ] / [CO]) increases to 2 to 3 There are disadvantages. Moreover, in the case of the reactor using Ru catalyst, the increase of the amount of air injected due to the methanation reactivity of the CO 2 catalyst of Ru catalyst causes difficulty in temperature control, and the excess air reduces the consumption of H 2 by oxidation reaction. It is reported to increase rapidly (Twigg, MV: Catalyst Handbook, 2nd edition, Wolfe Publishing Ltd., London, UK, 1989).
따라서 공기와 개질가스를 효과적으로 혼합하여 적정 반응 온도를 유지하여 개질가스내의 일산화탄소를 선택적으로 산화시키기 위한 반응기 및 그 운전 방법이 절실히 요구되고 있다. Therefore, there is an urgent need for a reactor and an operation method for selectively oxidizing carbon monoxide in the reformed gas by effectively mixing air with the reformed gas to maintain an appropriate reaction temperature.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가능한 적은 양의 산소를 사용하고 비교적 적은 양의 촉매를 사용하여 개질가스 혼합물로부터 일산화 탄소를 선택적으로 산화하며, 공기와 개질 가스 혼합 장치와 열교환기를 통합한 일산화탄소 선택적 산화 반응기를 제공하는데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to selectively oxidize carbon monoxide from a reforming gas mixture using as little oxygen as possible and using a relatively small amount of catalyst, and to exchange heat with the air and reforming gas mixing device. To provide a carbon monoxide selective oxidation reactor incorporating a group.
본 발명의 다른 목적은, 복잡한 혼합 장치와 냉각기를 통합한 작은 부피의 반응기를 제조하여 전체 천연가스 수증기 개질 시스템의 제조 공정을 단순하게 하고, 가격 면에서 효과적으로 생산할 수 있는 일산화탄소 선택적 산화 반응기 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to produce a small-volume reactor incorporating a complex mixing device and a cooler, simplifying the production process of the entire natural gas steam reforming system, and effectively operating a carbon monoxide selective oxidation reactor and its operation. To provide a way.
본 발명에 따른 선택적 산화 반응기는 수소가 풍부한 개질가스와 공기가 효과적으로 혼합될 수 있는 가스믹서를 일산화탄소의 선택적 산화반응이 일어나는 반응부의 외부 혹은 내부에 설치하여 일산화탄소의 선택적 산화반응을 유도하고, 상기 일산화탄소의 산화 반응에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 냉각부를 선택적 산화반응이 일어나는 반응부의 혼합기체 도입부와 반응부의 외벽면에 설치하여 구성한 것으로, In the selective oxidation reactor according to the present invention, a gas mixer capable of effectively mixing hydrogen-rich reformed gas and air is installed inside or outside the reaction unit in which selective oxidation of carbon monoxide occurs, inducing selective oxidation of carbon monoxide, and Cooling unit that can effectively remove the heat generated in the oxidation reaction of the reaction mixture is installed on the gas inlet and the outer wall surface of the reaction section where the selective oxidation reaction occurs,
본 발명은, 수소가 풍부한 개질가스 내의 일산화탄소를 2단의 산화반응을 통해 산화될 수 있도록 2기의 반응기에서 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 통해 제거 하는데, 1차 반응기에서는 반응 온도를 100~300℃, 바람직하게는 140~190℃, 공간속도가 10,000hr- 1이하 인 조건에서 반응이 실시되며, 2차 반응기에서는 반응 온도를 100~200oC, 바람직하게는 120~160oC, 공간속도 10,000hr- 1이하인 조건에서 수소 가 풍부한 개질가스 내의 일산화탄소를 선택적 산화시키기 위한 반응기가 제공된다.The present invention is to remove the carbon monoxide in the hydrogen-rich reforming gas through a two-stage oxidation reaction through the selective oxidation of carbon monoxide in two reactors, the first reactor in the
또한 본 발명은, 1단의 반응기에 백금(Pt)계 촉매층을 도입하여 저온 수성가스 반응기에서 배출되는 개질가스에 포함된 0.5~1 부피%의 일산화탄소를 300ppm 이하로 저감시키는 산화반응을 수행하며, 개질가스와 공기의 효과적인 혼합 장치를 반응기의 내부 혹은 외부에 배치해 개질가스와 혼합되는 공기에 포함된 산소의 양을 일산화탄소와 [O2]/[CO] = 1.5의 비율로 유지하고, 이때 촉매층 반응 온도를 140~190℃로 유지하는 열교환기를 이용하여 발열 반응에 의한 급격한 온도 상승과 이로 인한 H2의 소모량을 최대한 억제하는 반응기가 제공된다.In addition, the present invention, by introducing a platinum (Pt) -based catalyst layer in a single stage of the reactor performs an oxidation reaction to reduce the carbon monoxide of 0.5 ~ 1% by volume contained in the reformed gas discharged from the low temperature water gas reactor to 300ppm or less, An effective mixing device of reformed gas and air is placed inside or outside the reactor to maintain the amount of oxygen contained in the air mixed with the reformed gas at a ratio of carbon monoxide and [O 2 ] / [CO] = 1.5, wherein the catalyst bed By using a heat exchanger maintaining the reaction temperature at 140 ~ 190 ℃ is provided a reactor that suppresses the rapid rise of the temperature due to the exothermic reaction and the resulting consumption of H 2 .
또한 본 발명은, 2차 반응기에 루테늄(Ru)계 촉매층을 도입하여 1단 선택적 산화 반응기에서 배출되는 개질가스에 포함된 300ppm 이하의 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 저감시키는 산화반응을 수행하며, 개질가스와 공기의 혼합 장치를 마찬가지로 반응기의 내부 혹은 외부에 배치해 개질가스와 혼합되는 공기에 포함된 산소의 양을 일산화탄소와 [O2]/[CO] = 1.5의 비율로 유지하고, 이때 촉매층의 반응 온도는 특별한 냉각부의 도움 없이 120~160oC로 유지되는 반응기가 제공된다.In addition, the present invention, by introducing a ruthenium (Ru) -based catalyst layer in the secondary reactor to perform the oxidation reaction to reduce the carbon monoxide concentration of less than 300ppm contained in the reformed gas discharged from the first stage selective oxidation reactor to 10ppm or less, And a mixture of air and air are similarly arranged inside or outside the reactor to maintain the amount of oxygen contained in the air mixed with the reforming gas at a ratio of carbon monoxide and [O 2 ] / [CO] = 1.5, wherein the reaction of the catalyst bed A reactor is provided where the temperature is maintained between 120 and 160 ° C without the aid of special cooling.
그리고 본 발명에서 이용되는 반응기는, 개질가스와 공기를 혼합하는 가스믹서가 사용될 수 있으며, 가스믹서로서 특별한 제한은 없으나 바람직하기로는 와류 발생 구조체를 응용한 믹서 등을 선택하여 사용할 수 있다.In the reactor used in the present invention, a gas mixer for mixing the reformed gas and air may be used. There is no particular limitation as the gas mixer, but preferably, a mixer using an vortex generating structure may be selected and used.
상기 와류 발생 구조체에는 스태틱 믹서, 허니콤 타입 믹서, 메탈 폼 믹서 등으로 제한되지는 않으며 다음과 같은 방법을 사용하는 것이 바람직하다.The vortex generating structure is not limited to a static mixer, a honeycomb type mixer, a metal foam mixer, and the like, and it is preferable to use the following method.
저온 수성 가스 전이 반응기를 통과한 개질 가스에는 0.5~1 부피%의 일산화탄소가 포함되어 있는데, 이 일산화탄소와 [O2]/[CO] = 1.5의 비율에 해당하는 산소를 포함하는 공기를 1차 반응기의 입구에 주입한다. The reformed gas passed through the low temperature water gas shift reactor contains 0.5 to 1% by volume of carbon monoxide, which contains air containing carbon monoxide and oxygen in a ratio of [O 2] / [CO] = 1.5. Inject at the inlet.
층류 상태의 개질가스와 공기는 충분히 혼합되지 않은 채로 본 발명의 선택적 산화 반응기에 도입되지만 반응부의 촉매층에 도달하기 전 반응기 내부 혹은 외부에 설치된 가스믹서에서 와류가 발생되면서 개질가스 내에 산소가 균일하게 혼합된다. 공기와 개질가스의 혼합가스는 반응부의 촉매층에 도입되면서 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소와 산소가 이산화탄소로 전환된다. 와류 발생 구조체는 반응기의 외부 혹은 내부에 설치된 튜브에 삽입하는 방법이 바람직하다. The reformed gas and air in the laminar flow state are introduced into the selective oxidation reactor of the present invention without being sufficiently mixed, but the oxygen is uniformly mixed in the reformed gas as a vortex occurs in the gas mixer installed inside or outside the reactor before reaching the catalyst bed of the reaction section. do. The mixed gas of air and reformed gas is introduced into the catalyst layer of the reaction unit to convert carbon monoxide and oxygen into carbon dioxide through a selective oxidation reaction. The vortex generating structure is preferably inserted into a tube installed outside or inside the reactor.
이어서, 선택적 산화 반응에서 발생하는 반응열을 냉각부는 효과적으로 제거해 준다. Subsequently, the cooling unit effectively removes the reaction heat generated in the selective oxidation reaction.
이때, 반응물이 가장 많은 반응부의 촉매층 입구의 반응열을 효과적으로 제거해주지 못하면 촉매층의 온도가 급격히 증가하면서 일산화탄소의 산화 반응 보다 수소의 산화 반응이 선택적으로 우세하게 된다. 따라서 촉매층의 온도가 적정 범위 내에서 즉 1차 반응기의 경우 140~190℃의 범위에서, 2차 반응기의 경우 120~160oC의 범위에서 온도를 유지해야 하며, 이를 위해 1차, 2차 반응기에 반응열을 제거할 수 있는 냉각부를 설치하고 냉각수를 순환하여 적정 온도를 유지한다. At this time, if the reactants do not effectively remove the heat of reaction at the inlet of the catalyst layer, the temperature of the catalyst layer increases rapidly, and the oxidation reaction of hydrogen is preferentially superior to the oxidation reaction of carbon monoxide. Therefore, the temperature of the catalyst bed must be maintained within an appropriate range, that is, in the range of 140 to 190 ° C. for the primary reactor and in the range of 120 to 160 o C for the secondary reactor. Install a cooling unit to remove the heat of reaction in the circulating cooling water to maintain the proper temperature.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 선택적 산화반응기에 대하여 이하 첨부도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.The selective oxidation reactor according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with the accompanying drawings.
단, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 본 발명을 설명하기 위한 최선의 방법으로 선택한 개념으로 간주하고 본 발명의 기술적 내용을 파악함에 있어서 본 발명의 기술적 사상에 부합한 의미와 개념으로 적절히 해석되어야 할 것이다.However, the terms or words used in the present specification and claims are regarded as concepts selected by the inventors as the best way to explain the present invention and the meanings consistent with the technical spirit of the present invention in grasping the technical contents of the present invention. It should be properly interpreted as a concept.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 선택적 산화반응기의 개략적 구성 단면도로 도 1은 믹서내장형 선택적 산화반응기이고, 도 2는 믹서외장형 선택적 산화반응기를 단면도로 도시한 것이다.1 and 2 are schematic cross-sectional views of a selective oxidation reactor according to the present invention, Figure 1 is a mixer-type selective oxidation reactor, Figure 2 shows a mixer external selective oxidation reactor in cross-sectional view.
본 발명에 따른 내장형 선택적 산화반응기는 2단의 산화반응을 유도하기 위한 1차 반응기(100)와 2차 반응기(200)로 구성되되, 1차반응기(100)는 저온 전이공정을 통과하여 생산된 일산화탄소를 포함한 개질가스와 공기를 혼합시키는 와류발생구조체로 된 가스믹서(110)와 상기 가스믹서로부터 배출된 개질가스와 공기가 혼합된 가스를 통과시켜 촉매를 이용하여 가스중에 포함된 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 것으로 촉매가 충진된 촉매층이 형성된 반응부(120)와 상기 반응부에서 일산화탄소의 선택적 산화반응으로 인해 발생된 반응열을 효과적으로 제거하여 반응부의 산화반응을 효과적으로 진행시키는 냉각부(130)로 구성된다. 상기 가스믹서(110)는 개질가스와 공기를 혼합하는 혼합 장치로서 특별한 제한은 없으나 바람직하기로는 와류 발생 구조체를 응용한 믹서 등을 선택하여 사용할 수 있다.Built-in selective oxidation reactor according to the present invention is composed of a
또한, 상기 와류 발생 구조체를 응용한 가스믹서(110)에는 스태틱 믹서, 허니콤 타입 믹서, 메탈 폼 믹서 등으로 제한되지는 않으며 다음과 같은 방법을 사용 하는 것이 바람직하다.In addition, the
상기 스태틱 믹서(110)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 개질가스와 공기가 압송되는 파이프(111)내에 스태틱 스크류(112)가 삽입되어 형성된다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
상기 반응부(120)는 통상구조되고 통내부에 다수의 가스유통구(120h)가 형성된 다공판으로 된 상부 선반(121)과 하부 선반(122)을 일정한 간격을 갖도록 형성하여 상부에 공간을 형성하고 상하부 선반(121, 122) 사이 공간에 패블상의 백금(Pt) 촉매층(123)을 형성시킨다.The
상기 냉각부(130)는 저온의 냉각수가 외부에서 도입되어 개질가스를 냉각하는 것으로 먼저 상기 가스믹서(110)의 개질가스 출구부분 또는 반응부(120)의 개질가스 도입부분에 설치되어 반응부(120)에 유입되는 개질가스를 냉각하는 것으로 냉각수가 코일형 관을 흐르는 코일형 냉각관(131)와 상기 반응부(120)의 외벽에 냉각수가 흐르도록 겹벽으로 냉각수를 수납한 공간을 형성한 냉각수자켓(Cooling water jacket)으로 된 냉각자켓(132)으로 구성된다.The
그런데 본 발명에 따른 선택적 산화반응기는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 믹서내장형(도 1)과 믹서외장형(도 2)로 나뉘어 있으므로 그 설치구조 다르다.However, the selective oxidation reactor according to the present invention is divided into a mixer built-in type (FIG. 1) and a mixer exterior type (FIG. 2), as shown in FIGS. 1 and 2, so that the installation structure is different.
믹서 내장형 선택적 산화반응기는 파이프상의 가스믹서(110)가 통상인 반응부(120)의 중앙을 세로로 관통하여 형성하고 그 하단부가 하부선반(122)의 바로 하단에 위치하도록 하고 냉각부(130)의 코일형 냉각관(131)을 반응부(120)내의 촉매층(123)의 아래 공간 즉 촉매층(123)의 입구에 설치하여 구성한다. The selective oxidation reactor built-in mixer has a pipe-shaped
반면에 믹서 외장형 선택적 산화반응기는 가스믹서(110)가 반응부(120)의 외부에 별도로 형성시키어 그 단부 즉 혼합된 기체를 반응부(120)의 상부측으로 도입시키고 냉각부(130)의 코일형 냉각관(131)을 반응부(120)의 촉매층(123)의 입구측 공간에 설치하여 구성한다.On the other hand, in the mixer external selective oxidation reactor, the
따라서 상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 1차 반응기(100)는 개질가스와 공기를 가스믹서(110)로 압송하면 두 기체는 가스믹서(110)를 통과하면서 균일하게 혼합되어 반응부(120)로 인입되는데, 가스 믹서 내장형의 경우는 상대적으로 저온인 상기 도입되어 혼합되는 개질가스와 공기의 혼성가스는 반응부(120)의 하부선반(122)의 아래측 공간으로 도입되어 냉각부(130)의 코일형 냉각부(131)에 의하여 냉각되고, 하부선반(122)의 구멍을 통해 반응부(120)의 촉매층(123)을 통과하면서 일산화탄소가 선택적으로 반응하여 반응열과 함께 이산화탄소가 발생된다.Therefore, when the
이 일산화탄소의 선택적 산화반응을 돕기 위하여 냉각부(130)가 작동되는데 코일형 냉각부(131)는 반응부(120)의 도입부 즉 촉매층(123)의 입구에 설치하여 개질가스와 공기 혼합기체를 냉각시켜 인입하도록 하는 것이다. 반면에 냉각부(130)의 자켓형 냉각부(132)는 반응부(120)의 촉매층(123)으로부터 직접 발생되는 반응열을 제거한다.The
상기 2차 반응기(200)는 상기 1차 반응기(100)에서 선택적으로 일산화탄소를 산하시키고 방출되는 개질가스와 공기의 혼합기체에 아직 포함된 미산화 일산화탄소를 재차 선택적으로 산화시키는 공정을 수행하는 것이다.The
2차 반응기(200)는 상기 1차 반응기(100)와 동일한 구조로 형성된다. 즉, 2 차반응기(200)는 1차 반응기(100)와 동일한 가스믹서(210)와 반응부(220)와 냉각부(230)로 구성된다. 다만 반응부(220)의 촉매층(223)을 상기 1차 반응기와 달리 루테늄(Ru)계 촉매층으로 구성된다는 점이 다르다.The
이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 선택적 산화 반응기는, 수소가 풍부한 개질가스 내의 일산화탄소를 선택적으로 산화시켜 이산화탄소로 전환시킴으로써 개질가스를 고분자 연료전지 스택에 공급 성능 저하를 방지한다. The selective oxidation reactor according to the present invention having the above configuration prevents the performance of supplying the reformed gas to the polymer fuel cell stack by selectively oxidizing carbon monoxide in the hydrogen-rich reformed gas to carbon dioxide.
특히, 상기 냉각부의 자켓형 냉각부 경우 반응기 외벽 전체를 감싸는 구성으로 제한되는 것은 아니며, 냉각수가 통과하는 튜브를 설치하는 것도 가능하다. 또 반응열이 많은 촉매층 입구에 냉각관을 설치하여 온도를 제어하는 방법을 사용하는 것도 바람직하다. In particular, the jacket-type cooling unit of the cooling unit is not limited to the configuration surrounding the entire outer wall of the reactor, it is also possible to install a tube through which the cooling water passes. It is also preferable to use a method of controlling the temperature by providing a cooling tube at the inlet of the catalyst layer having a large amount of reaction heat.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 특징을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the features of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
실시예와 비교예에서 개질가스 농도와 공급된 공기의 양을 비교하였다. In the examples and comparative examples, the reformed gas concentration was compared with the amount of air supplied.
비교예Comparative example 1 One
비교예 1은 본 발명과 유사하게 선택적 산화 반응기를 독립적으로 설치한 천연가스 개질 시스템 중 우수한 것으로 보고된 독일 ZBT GmbH의 운전 결과이다[Mathiak, J., Heinzel, A., Roes, J., Talk, Th., Kraus, H., and Brandt, H.: Journal of Power Sources , 131, 112(2004)]. 저온 수성가스 전이 반응기에서 약 1 부피% 농도의 일산화탄소를 함유한 개질가스가 80oC의 온도로 선택적 산화반응기에 도입되며, 정상 운전 상태에서 반응기는 일산화탄소의 농도를 50ppm 이하로 저감한 다. 이때 공급되는 공기는 산소가 일산화탄소와 [O2]/[CO] = 3.5 의 비율을 유지하는 양으로, 이로 인한 추가적인 수소의 산화로 인해 수소 농도가 줄어드는 단점이 있다. 또한 일산화탄소의 농도가 50ppm으로 목표 농도인 10ppm 보다 높기 때문에 고분자연료전지 전극에서 공기 유입을 통해 일산화탄소의 피독을 방지하므로 전지 성능의 저하가 야기된다. Comparative Example 1 is a result of the operation of ZBT GmbH, Germany, reported to be excellent among natural gas reforming systems independently installed with selective oxidation reactors similar to the present invention [Mathiak, J., Heinzel, A., Roes, J., Talk , Th., Kraus, H., and Brandt, H .: Journal of Power Sources , 131, 112 (2004). In a low temperature water gas shift reactor, a reforming gas containing about 1% by volume of carbon monoxide is introduced into the selective oxidation reactor at a temperature of 80 ° C., and in normal operation the reactor reduces the concentration of carbon monoxide below 50 ppm. At this time, the air supplied is an amount in which oxygen maintains a ratio of carbon monoxide and [O 2 ] / [CO] = 3.5, which has a disadvantage in that the hydrogen concentration is reduced due to the oxidation of additional hydrogen. In addition, since the concentration of carbon monoxide is higher than the target concentration of 10 ppm, which is 50 ppm, the polymer fuel cell electrode prevents poisoning of carbon monoxide through inflow of air, thereby causing deterioration of battery performance.
상기와 같은 반응기를 통해 얻어지는 개질가스의 농도와 CO 전환율을 표 1에 나타내었다. 더불어 비교예 2에서 언급할 선택적 산화 반응기의 성능과 본 발명에서 제공하는 선택적 산화 반응기의 성능 또한 함께 제시하였다. Table 1 shows the concentration and the CO conversion of the reformed gas obtained through the reactor as described above. In addition, the performance of the selective oxidation reactor mentioned in Comparative Example 2 and the performance of the selective oxidation reactor provided in the present invention were also presented.
비교예Comparative example 2 2
비교예 2의 경우 본 발명에 제안하는 반응기와 유사하지만 공기와 개질가스의 혼합 장치가 설치되지 않은 반응기의 성능이다. In the case of Comparative Example 2 is the performance of the reactor similar to the reactor proposed in the present invention, but without a mixing device of air and reformed gas.
먼저, 1차 반응기(100)에 백금 촉매층(123)을 설치하고 저온 수성 가스 전이 반응기에서 배출되는 개질 가스에 포함된 0.2 부피%의 일산화탄소를 제거하기위해 공기를 주입하였다. 반응기의 온도를 160~180oC로 유지하면서 공기의 양을 일산화탄소와 [O2]/[CO]=3.5~5의 비율을 유지하도록 주입하였으며 이때 일산화탄소의 농도는 0.07 부피%로 감소하였다. 2차 반응기(200)에서는 루테늄 촉매층(223)을 설치하고, 온도를 140~160oC로 유지하면서 공기의 양을 [O2]/[CO]=3.5~5의 비율을 유지하도록 주입하였으며 이때 일산화탄소의 농도는 10ppm 이하로 감소하였다. 일산화탄소 농 도를 10ppm 이하로 감소시키는 것에는 성공하였으나 공급된 공기의 양이 많아 부가적인 수소의 연소가 야기되었다. 마찬가지로 비교예 2의 산화 반응기 성능을 표 1에 함께 나타내었다. First, a
표 1. 선택적 산화 반응기의 실시 예에 따른 개질가스의 농도 및 공급 공기 비율Table 1. Concentration of reformed gas and feed air ratio according to the embodiment of the selective oxidation reactor
실시예Example 1 One
실제 선택적 산화반응공정의 운전 시에는 CO의 완전 산화를 위한 적정 산소량 공급과 적정 온도 영역의 제어를 위한 반응기의 설계가 요구된다. In actual operation of the selective oxidation reaction process, it is required to supply a proper amount of oxygen for the complete oxidation of CO and to design a reactor for controlling the temperature range.
따라서 실시예 1의 경우 도 1 및 도 2에서와 같이 반응기를 설계하여 적정양의 촉매로 일산화탄소를 제거할 수 있도록 하였다. Therefore, in the case of Example 1, a reactor was designed as shown in FIGS. 1 and 2 to remove carbon monoxide with an appropriate amount of catalyst.
도 1 는 공기와 개질가스 혼합 장치를 내부에 설치한 방식인 내장형 선택적 산하반응기이다. 1 is a built-in selective acid reactor, which is a system in which an air and reforming gas mixing device is installed therein.
1차 반응기(100)의 도입부에서 공기와 유입된 개질 가스는 반응기의 반응부내를 관통하여 삽입되어 있는 가스믹서(100)의 와류 발생 구조체인 스태틱 스크류(112)를 통과하면서 균일한 혼합이 이루어지고 파이프(111)를 통과한 후 역방향으 로 흐르면서 반응부(120)의 촉매층(123)에 유입된다. 이때 개질가스는 촉매층(123) 도입부에 설치된 냉각부(130)의 코일형 냉각관(131))을 거치면서 온도가 150oC에서 120oC까지 냉각되어 촉매층(123)에 도입된다. 촉매층(123)입구에서는 일산화탄소와 산소가 격렬한 발열반응을 시작하기 때문에 촉매층(123)의 온도가 급격히 상승한다. 이 온도를 제어하기 위해 반응기 외벽에 냉각관 또는 냉각자켓(132)을 설치하여 140~190℃의 범위에서 온도가 안정하게 유지되도록 유도한다. 또한 내부의 혼합 장치를 흐르는 개질가스도 촉매층(123) 내부가 급격히 과열되는 것을 막는 냉각 역할을 수행한다. 도 2는 공기와 개질가스 혼합 장치인 가스믹서(110)가 반응부(120)의 외부에 설치한 방식이다. 이 경우 상기 가스믹서(110)가 차지하는 부피만큼 반응기의 부피가 감소하며, 효과적인 반응열 제거를 위해 촉매층(123) 도입부에 설치한 코일형 냉각관 (131)과 외벽에 설치한 냉각관 또는 냉각자켓(132)을 반응기의 접촉면과 최적화하여 설계해야 한다. 혼합된 개질가스와 공기는 촉매층(123)에서 선택적 산화반응을 거친다. 도 1과 도 2의 반응기 성능은 유사하며 이때 얻어진 개질가스 조성을 표 1에 함께 표시하였다. At the inlet of the
실시예Example 2 2
선택적 산화 반응기의 장기 안정성을 알아보기 위해 2단으로 구성된 반응기를 설치하고 3일간의 운전을 통해 최종 배출되는 개질가스의 농도를 측정하였다. 반응 온도는 각 반응기의 적정 온도 영역에서 유지되었으며, 공급되는 공기의 양은 산소와 일산화탄소의 비율로 [O2]/[CO] = 1.5를 유지하면서 2단 반응기에서 배출되 는 일산화탄소의 농도는 10ppm 이하로 유지되었다. In order to examine the long-term stability of the selective oxidation reactor, a reactor consisting of two stages was installed and the concentration of the reformed gas discharged was measured through three days of operation. The reaction temperature was maintained in the proper temperature range of each reactor, and the amount of air supplied was 10 ppm or less while the amount of air supplied was maintained in the ratio of oxygen and carbon monoxide while maintaining [O 2 ] / [CO] = 1.5. Was maintained.
이에 따르면, 본 발명의 반응기를 사용하는 경우 장기 성능 실험 결과 수소가 풍부한 개질가스 내의 일산화탄소를 장시간 안정하게 제거하는 것을 알 수 있다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. According to this, in the case of using the reactor of the present invention, the long-term performance test results show that carbon monoxide in the hydrogen-rich reformed gas is stably removed for a long time. The results are shown in FIG.
실시예Example 3 3
천연가스 개질기의 부하 변동에 대한 선택적 산화 반응기의 성능을 알아보기 위해 75%, 50%, 30%로 개질기의 부하를 바꾸면서 선택적 산화 반응기에서 배출되는 개질 가스의 농도를 측정하였다. 부하가 50% 이하로 낮아지는 경우 촉매층의 발열량이 작아지게 되므로 온도 제어가 더 용이했으며, 공급되는 공기의 양은 산소와 일산화탄소의 비율로 [O2]/[CO] = 1.5의 비율을 유지하였다. 각 부하에서의 개질 가스 농도를 도 4와 표 2에 나타내었다. 도 4에는 각 부하에서 생산되는 수소의 유량을 함께 나타내었다. In order to determine the performance of the selective oxidation reactor for the load variation of the natural gas reformer, the concentration of the reformed gas discharged from the selective oxidation reactor was measured while changing the load of the reformer to 75%, 50%, and 30%. When the load was lowered to 50% or less, the heat generation amount of the catalyst layer was reduced, so temperature control was easier, and the amount of air supplied was maintained at a ratio of [O 2 ] / [CO] = 1.5 in the ratio of oxygen and carbon monoxide. The reformed gas concentrations at each load are shown in FIGS. 4 and 2. 4 shows the flow rate of hydrogen produced at each load.
표 2. 부하 변동에 따른 선택적 산화 반응기의 성능Table 2. Performance of Selective Oxidation Reactor with Load Variation
그 결과, 개질기의 부하가 100%에서 30%로 변하는 경우에도 적정 공기양을 주입하면서 개질가스내 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 유지하는 것이 가능함을 알 수 있었다. As a result, it was found that even when the load of the reformer changed from 100% to 30%, it was possible to maintain the carbon monoxide concentration in the reformed gas at 10 ppm or less while injecting an appropriate amount of air.
따라서 본 발명의 반응기를 이용하면 부하 변동 하에서도 고분자연료전지 전극의 피독에 대한 우려 없이 안정적인 운전이 가능하다. Therefore, when the reactor of the present invention is used, stable operation can be performed even under load fluctuation without concern for poisoning of the polymer fuel cell electrode.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀 두고자 한다. While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be appreciated that the invention can be variously modified and modified without departing from the spirit or scope of the invention as provided by the following claims. It will be clear to those skilled in the art that they can easily know.
도면의 미설명부호 210는 가스믹서, 211는 파이프, 212는 스테틱 스크류이고, 220는 반응부, 221은 상부선반, 222는 하부선반, 223는 촉매층이고, 230는 냉각부, 231는 코일형 냉각관, 232는 냉각자켓이다.In the drawings,
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따르면, 수소가 풍부한 개질가스 내의 일산화탄소를 선택적으로 산화시키기 위한 반응기에 개질가스와 공기의 혼합을 유도하는 와류 발생 구조체를 내부 혹은 외부에 설치하고, 적정 온도를 유지시켜주기 위한 열교환기를 반응기의 외벽과 촉매층의 도입부에 설치함으로써 일산화탄소를 안정적으로 10ppm 이하까지 제거시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, in a reactor for selectively oxidizing carbon monoxide in a hydrogen-rich reformed gas, a vortex generating structure for inducing the mixing of the reformed gas and air is installed inside or outside, and maintained at an appropriate temperature. By installing a heat exchanger to the outer wall of the reactor and the introduction portion of the catalyst layer it can be stably removed to 10ppm or less carbon monoxide.
특히, 3일 이상의 장기 운전과 부하 변동 하에서도 저온 수성가스 전이반응에서 배출되는 0.5-1 부피%의 일산화탄소를 선택적으로 산화시켜 10 ppm 이하까지 제거할 수 있으며, 고분자형 연료전지의 스택의 효율 저하 문제없이 장기간 운전하는 것이 가능하다. In particular, even under long-term operation and load fluctuations of 3 days or more, 0.5-1% by volume of carbon monoxide emitted from the low temperature water gas shift reaction can be selectively oxidized to remove up to 10 ppm or less, and the efficiency of the stack of polymer fuel cells is reduced. It is possible to drive for a long time without problems.
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