KR20100124880A - 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것으로, 그 목적은 별도의 복잡한 냉각관과 고온수 펌프 사용없이 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 연소 배가스 또는 개질 가스 열교환에 의한 열원으로 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(1)와; 수증기발생부 내부에 장치되어 반응에 의한 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부에 저장된 고온수와 열교환되어 출구온도가 안정되게 조절되는 일산화탄소전이반응부(2);가 일체로 구성된 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 특징으로 한다.
Figure P1020090043809
일산화탄소 전이 반응기, 수증기 발생기, 전열관, 촉매층, 냉각관

Description

수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법{Integrated CO shift reactor with steam generating part and control method of outlet temperature using thereof}
본 발명은 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기 및 이를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것으로, 자세하게는 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 외부 벽면을 경계로 외곽에 냉각매체를 접촉토록 하여 일산화탄소전이반응기의 출구온도를 안정되게 조절할 수 있도록, 수증기 발생부와 일산화탄소전이반응부의 일체화에 의한 단순한 구조를 제공하는 일산화탄소 전이 반응기와 이러한 구조를 이용한 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법에 관한 것이다.
화석연료 수증기 개질 공정은 700℃ 이상에서 반응이 진행되는 수증기 개질 반응기 공정과 200~450℃ 온도 범위에서 작동하는 일산화탄소 전이 반응기(혹은 수성 가스 전이 반응기, water gas shit reactor) 공정으로 구성된다.
또한 상기한 반응에서 수증기 개질 반응은 강한 흡열 반응으로, 통상 버너 혹은 촉매연소기 등의 연소 장치로 촉매층을 가열하여 적정 작동 온도를 유지하도록 하고 있다. 이때 촉매층을 가열하고 배출되는 연소 배가스의 폐열은 수증기 발생기에서 회수하여 반응 원료인 수증기를 제공하도록 구성되어 있다. 수증기발생기는 물을 수증기로 변환시켜 수증기를 발생시키는 것으로, 수증기 개질 공정에 포함된 수증기 발생기의 열원으로는 주로 연소배가스 폐열 혹은 개질 가스의 폐열을 이용하고 있다.
상기 일산화탄소전이반응기는 일산화탄소와 수증기가 반응하여 이산화탄소와 수소를 생성하는 반응으로 약한 발열 반응이며 수소의 수율을 증가시키는 반응으로 기존 공정에서는 빠른 반응 속도와 평형 일산화탄소 배출 농도 감소를 위해 2기의 단열 반응기를 주로 사용한다. 즉, 고온 작동 일산화탄소 전이 반응기는 300~450℃의 온도 범위에서 작동하며 빠른 반응속도를 이용하여 출구 일산화탄소를 2~3% 정도까지 저감하고 200~250℃ 정도에서 운영되는 저온 작동 일산화탄소 전이 반응기에서 출구 일산화탄소 농도를 1% 이하까지 저감하게 되는데 저온 일산화탄소 전이 반응기 작동 온도 조절을 위해서 고온 작동 일산화탄소 전이 반응기 후단이며 저온 작동 일산화탄소 전이 반응기 전단에 해당하는 위치에 개질 가스 온도 조절용 열교환기가 설치되어 있다.
또한 연료전지 수소 공급용의 중소규모 분산 생산 시스템에서는 장치의 간편화와 소형화를 위해 1기의 반응기를 사용한다.
하지만 1기의 반응기 사용시 입구온도가 높으면 반응 속도가 증가하여 촉매 사용량은 감소하나 평형 조건에 의해 출구 온도가 높아서 생성가스 내 일산화탄소 농도를 2% 이하로 저감하기 어려움이 있다.
반대로 입구온도가 낮으면 출구온도도 감소하여 일산화탄소 농도를 1% 이하까지 저감할 수 있으나 반응 속도가 감소하여 촉매 사용량이 증가, 반응기 전체 부피가 증가한다는 문제점이 있다.
이에 입구온도 180~220℃ 내외에서 반응기 촉매층의 후단 부분에 냉각 장치를 설치하여 강제 냉각하는 방식의 일산화탄소 전이 반응기를 주로 채택하고 있다.
하지만 기존 냉각 장치는 촉매층 내부에 설치되고 수증기, 물, 원료 화석연료, 공기 등으로 냉각하는 방식으로 액상 냉매의 경우 고온수 펌프 등의 회전기기가 필요하여 시스템의 복잡성이 증가한다는 문제점이 있다.
도 7은 종래 한실시예에 따른 수증기 개질 시스템 구성도인데, 도시된 바와 같이 화석연료 수증기 개질 시스템은 통상 수증기 개질 반응기(51); 버너(52) 및 연소공간(53); 원료 탄화수소 탈황기(54); 원료 예열기(55); 수증기 발생기(512); 및 일산화탄소전이반응기(57)로 구성된다.
수증기 개질 반응기(51)에서는 600~800℃ 정도의 온도에서 수증기 개질 반응이 진행되고 수증기 개질 반응기의 온도는 버너(52)에서 발생한 연소열을 이용하여 촉매층 온도를 유지한다. 연소 공간에 인접한 수증기 개질 촉매층에 반응열을 공급하고 배출되는 연소 배가스의 온도는 500℃ 이상이므로 수증기 발생기(512)의 연소 배가스 열회수용 냉각관(59)과 수증기 발생기 고온수 저장부(510)간의 열교환에 의 해 수증기 생성에 필요한 열량을 공급하고 200℃ 이하의 온도로 냉각되어 배출된다. 원료 탄화수소와 수증기는 수증기 개질 반응기(51)에서 수소가 풍부한 개질가스로 전환되어 500℃ 이상으로 배출되고 이는 원료예열기(55)에서 원료 탄화수소와 수증기의 혼합물 원료와 열교환하여 일산화탄소전이반응기(57)로 공급된다.
일산화탄소전이반응기(57)는 통상 단열반응기 형태로 구성되므로 발열반응이 진행되는 일산화탄소전이반응기 출구는 입구온도보다 높은 온도로 처리된 개질가스가 배출된다. 이때 일산화탄소전이반응기에서 배출되는 개질가스의 온도가 200~300℃ 정도의 온도이므로 개질가스내 폐열 회수를 위하여 수증기발생기(512)에 개질가스 열회수용 냉각관(58)을 설치하여 추가적인 수증기 발생열 공급이 가능하도록 구성하고 있다. 수증기발생기(512)는 일정 압력에서 작동하도록 압력 제어를 하도록 구성되어 있으므로 고온수의 비등(boiling) 온도가 일정 온도를 유지 하게 되며 설정 압력에 따라 145~200℃ 정도에서 운전된다.
도면중 미설명 부호 56은 원료탄화수소, 수증기 혼합기(mixer)이고, 511은 수증기발생기 수증기 저장부이다.
[참고문헌]
1. "연료전지발전시스템"(JP1994-140068, 출원일 : 1992.10.26)
2. "연료전지용 일산화탄소변성기"(JP1997-268001, 출원일 : 1996.04.01)
3. "연료전지용 개질계에 있어서 CO 변성기"(JP2002-216827, 출원일 : 2001.01.12)
4. "개질가스중의 CO 변성방법"(JP2003-34505, 출원일 : 2001.07.19)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 작동온도가 유사한 일산화탄소 전이반응부와 열회수형 수증기발생부를 일체화하여 장치를 소형화하며 일산화탄소 전이반응부의 발생열을 수증기발생부의 고온수 저장 구역과 접촉시켜 열교환함으로써 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 복잡한 냉각관과 고온수 펌프 사용없이 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공하는 데 있다
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연소 배가스 폐열과 수증기의 원료가 되는 공급수 간의 열교환에 의해 수증기를 발생시키는 수증기 발생부와;
수증기발생부 내부에 장치되어 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부에 저장된 고온수와 열교환되어 출구온도가 안정되게 조절되는 일산화탄소전이반응부;가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기를 제공함으로써 달성된다.
상기 일산화탄소전이반응부의 전이반응부출구 온도 제어는 전이반응부입구로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매 후단부의 전이반응부케이스가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소전이반응부는 발생열이 수증기 발생부와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어 일산화탄소전이반응촉매 출구온도가 200℃ 이하로 조절되도록 하고,
상기 수증기 발생부에 저장된 고온수는 일산화탄소전이반응부와의 열교환에 의해 145 ~ 180 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
수증기 발생부는, 고온수를 저장하는 수증기발생부 케이스와; 수증기발생부 케이스 내부에 저장된 고온수에 잠겨 설치된 열교환기와; 수증기발생부 케이스 내벽에 설치된 보조전기히터;로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 수증기발생부 케이스는 상부에 저장된 고온수와 수밀되어 격리되고 열교환기를 구성하는 다수개 관이 관통되는 수평격리판과; 수평격리판을 두 개의 공간부로 나누는 수직격리판과; 수직격리판으로 나뉘어진 일측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 입구 및 타측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 출구와; 상부에 일산 화탄소전이반응부의 전이반응부케이스가 삽입될 크기로 개방되어 돌출된 상부 개방부와; 상부 개방부 일 지점 측면에 형성된 수증기배출구와; 하부 수평격리판보다 높은쪽 일 측면에는 형성된 보충수 공급구;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 코일형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 'U'자형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소전이반응부는 수증기발생부 케이스의 상부에 돌출 형성된 상부개방부에 삽입되어 장치되고, 그 상부에는 전이반응부입구가 형성된 전이반응부케이스와;
전이반응부케이스 내부에 설치되고 그 상부 끝단의 전이반응부출구가 형성된 구간은 절곡되어 전이반응부케이스를 관통하여 돌출된 내부상승관과;
전이반응부케이스과 내부상승관 사이 공간에 충전된 일산화탄소전이반응촉매;로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소전이반응부는 수증기발생부 케이스의 상부에 돌출 형성된 상 부개방부에 삽입되어 장치되고, 그 상부에 전이반응부입구가 형성된 전이반응부케이스와;
전이반응부케이스 하부와 바깥쪽에서 연결되고, 상부개방부를 관통한 후, 전이반응부출구가 형성된 끝단 구간은 절곡되어 형성된 외부상승관과;
전이반응부케이스에 충전된 일산화탄소전이반응촉매;로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 다른 실시형태로 상기 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기를 구비하여 일산화탄소전이반응부의 발생열을 수증기발생부의 고온수 저장 구역과 접촉시켜 열교환토록 함으로써 수증기발생부에서 필요한 열은 일산화탄소전이반응부로부터 회수토록 하고,
일산화탄소전이반응부의 전이반응부출구 온도 제어는 전이반응부입구로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매 후단부의 전이반응부케이스가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 한 방법을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법을 제공함으로써 달성된다.
상기 일산화탄소전이반응부는 발생열이 수증기 발생부와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어, 일산화탄소전이반응촉매 출구온도를 200℃ 이하로 조절되도록 하고,
상기 수증기 발생부는 일산화탄소전이반응부와의 열교환에 의해 145 ~ 180 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 외부 벽면을 경계로 외곽에 냉각매체를 접촉하도록 하여 반응기 구조를 단순화 시켰다는 장점과,
또한 일산화탄소전이반응기의 촉매층 내부에 전열관을 설치하지 않고 수증기 발생부의 고온수 부분과 일산화탄소전이반응부 외벽이 접촉하도록 하여 고온수 펌프등의 외부 회전기기 없이 간단한 구조로 반응기를 냉각시킨다는 장점과,
또한 기존 특허가 CO 변성기 촉매층 내부에 냉각 배관의 피치를 조절하여 온도 분포를 조절하는 것과 달리 본 발명은 수증기 발생기 액상과 기상부에 노출되는 일산화탄소전이 반응기 길이를 조절하여 온도 분포를 조절한다는 장점과,
또한 기존 특허가 일산화탄소전이반응기 전단부와 후단부에 각각 다른 촉매를 충전하고 후단 저온부 온도 조절을 위하여 냉각관을 설치하였으나 본 발명은 냉각관을 설치하지 않고 일산화탄소전이반응부 외부에 냉매를 접촉하여 일산화탄소전이반응부 후단부 온도를 조절한다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명을 포함하는 수증기 개질 시스템의 전체 구성도로, 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 수증기 개질 시스템의 구성으로 개질 반응기(51); 버너(52) 및 연소공간(53); 원료 탄화수소 탈황기(54); 원료 예열기(55); 로 구성되는 것은 종래의 시스템 구성과 유사하나 본 발명의 특징은 종래의 수증기발생기에 해당하는 수증기 발생부(1); 및 종래의 일산화탄소전이반응기에 해당하는 일산화탄소전이반응부(2)를 일체화하여 수증기발생부(1)의 내부에 일산화탄소전이반응부(2)가 위치하여 발생되는 반응열을 수증기발생기(1)에서 직접 회수하도록 일체화한 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기로 구성된 것이 대표적인 차이점이다.
즉 일산화탄소전이반응부(2)의 일부 구역의 외곽면을 수증기 발생부 고온수 저장부(510)에 직접 접촉하도록 하여 일산화탄소전이반응부 자체를 냉각하고 처리된 개질가스가 배출되도록 구성한 것이다.
이하 보다 구체적으로 본 발명의 구성을 살펴본다.
도 2는 본 발명의 한실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도로, 화석연료(천연가스, LPG 등) 수증기 개질 공정에서 수소 수율을 높이기 위한 일산화탄소 전이 반응기와 폐열 회수 방식의 수증기 발생기를 일체화한 형태로 이루어진 것임을 알 수 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 일산화탄소 전이 반응기의 구성은 연소 배가스 폐열과 수증기의 원료가 되는 공급수 간의 열교환에 의해 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(1)와; 수증기발생부 내부에 장치되어 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부저장된 고온수와 열교환토록 함으로써 출구온도를 안정되게 조절할 수 있는 일산화탄소전이반응부(2);가 일체화되어 구성된다. 이때 일산화탄소전이반응부(2)의 출구 일산화탄소 농도를 1%로 이하로 하기 위해 일산화탄소전이반응부 출구온도를 180~220℃ 정도로 조절하도록 한다.
수증기 발생부(1)는 수증기 발생용 고온수가 저장된 수증기발생부 케이스(11)와, 수증기발생부 케이스(11) 내부에 저장된 고온수에 잠겨 설치된 열교환기(12)가 설치되는데, 이 열교환기는 고온수에 의해 잠겨 물과 열교환하게 된다. 고온수 저장구역이란 열교환기와 열교환된 고온의 물이 비등(boiling) 상태로 저장된 공간을 말한다.
상기 수증기발생부 케이스(11)는 하부에 상부의 물저장공간과 수밀되어 격리하고 열교환기의 다수개 관이 관통되는 수평격리판(111)이 설치되고, 수평격리판은 다시 수직격리판(112)에 의해 두개의 공간부로 격리된다.
또한 수직격리판(112)으로 나뉘어진 일측 공간부로는 하부에 버너 배가스 입구(113)이 형성되고, 타측 공간부 하부에는 버너 배가스 출구(114)가 형성된다.
또한 상부에는 일산화탄소전이반응부(2)의 전이반응부케이스가 삽입될 크기로 개방되어 돌출된 상부 개방부(115)가 설치되고, 상부 개방부(115) 측면에는 생성된 수증기가 배출되는 수증기배출구(116)가 형성된다.
또한 하부의 수평격리판(111) 보다 높은쪽 일 측면에는 보충수 공급구(117)가 형성되어 수증기 배출에 의해 고온수의 수위가 낮아져도 이를 보충수 공급에 의해 일정 수위가 유지되도록 구성된다.
상기 열교환기(12)는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 코일형으로 설치되어 구성되는데, 각각의 관은 수평격리판(111)을 관통하여 물과 접촉하지 않는 일측 열교환기 입구(121)가 수증기발생부 케이스(11)의 하부에 형성된 버너 배가스 입구(113)를 통해 배가스를 공급받아 내부 경로를 통해 순환 후 타측 열교환기 출구(122)를 통해 배출된 후 타측 버너 배가스 출구(114)로 배출된다. 이와 같은 순환경로를 따라 이동하면서 저장된 물과 열교환하여 물을 증발시키게 된다. 도면에서 타공판처럼 보이는 것은 개별 코일의 단면을 나타낸것으로 개별 코일의 형상은 오른쪽에 도시된 것과 같은 형상이면 족하고, 그 반경만 다르게 구성하면 된다. 또한 코일의 형상은 그 회전방식을 도시된 것에만 제한되지 않고 상승할때도 회전하면서 올라가고 하강할때도 직접 내려오지 않고 회전하면서 내려오도록 구성할 수도 있다.
또한 수증기 발생부(1)는 배가스 또는 일산화탄소전이반응부(2)로부터 장치 초기 기동시와 같이 공급받는 열원이 수증기를 발생시키기에 충분치 않을 때를 대비하여 보조적으로 물을 가열하는 보조전기히터(13)가 수증기발생부 케이스(11) 내벽에 설치된다.
한편, 일산화탄소전이반응부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되는, 상부에 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와; 전이반응부케이스(21) 내부에 설치되고 상부 끝단의 전이반응부출구(221)가 형성된 구간은 절곡되어 전이반응부케이스(21)를 관통하여 돌출된 내부상승관(22)과; 전이반응부케이스(21)과 내부상승관(22) 사이 공간에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된다.
상기한 구성에 의해 전이반응부입구(211)를 통해 유입된 수증기와 일산화탄소는 일산화탄소전이반응촉매(23)를 지나면서 이산화탄소와 수소로 변환된 후 내부의 내부상승관(22) 하부로 유입되어 상승 후 전이반응부출구(221)를 통해 배출되게 된다.
상기 전이반응부케이스(21)는 일부 구간이 고온수에 잠긴 코일형상을 가진 열교환기(12)의 일정 지점까지 내려오도록 설치함으로써 전이반응시 발생하는 반응열이 고온수 및 열교환기(12)가 위치한 고온수와 열교환하면서 전이반응촉매(23)의 출구측 온도가 낮아지게 되고, 이로 인해 전이반응부출구(221)의 온도가 일정한 범위에서 제어되게 된다.
이때 전이반응부출구(221) 온도 제어는 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도를 조절하거나, 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도를 조절하거나, 산화탄소전이반응촉매(23) 후단부의 전이반응부케이스(21)가 고온수 부분과 접촉하는 면적을 조절함으로써 온도를 제어할 수 있다. 여기서 전이반응부케이스와 접촉하는 고온수는 수증기 발생부 내에서 비등(boiling) 상태에 있으므로 수증기 발생기의 설정 압력과 동일한 포화수증기압의 수증기를 발생시키며 전이반응부로부터 전달된 열은 고온수의 증발 잠열로 이용되므로 고온수의 온도가 일정하게 유지된다. 통상 상압식 수증기 개질 개질 공정의 수증기 발생부는 3 기압~ 10기압의 압력으로 운전 하고 있다. 이 압력 범위에서 물의 끓는 점은 145 ~ 180 ℃에 해당한다.
상기와 같이 수증기 발생부(1)와 일산화탄소전이반응부(2)가 일체형으로 구성됨으로써 일산화탄소전이반응부(2)는 발열 반응으로 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되며 출구온도를 200℃ 이하로 유지하게 된다. 수증기 발생부(1)는 145 ~ 180 ℃의 온도 범위에서 끓는 상태로 유지하게 된다.
이와 같은 온도 조건으로 운전하면 도 3과 같이 촉매층 입구부분에서 200~270℃로 운전되어 일산화탄소전이반응이 급격히 일어나며 후단부 냉각에 의해 반응 평형에 의해 출구 CO 농도를 1%이하로 할 수 있게 된다. 냉각하지 않을 경우 출구 온도가 250℃ 이상이므로 출구 CO 농도가 1% 이상이 된다.
또한 상기에서 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도조절은 도 1의 원료 예열기(55)에서 바이 패스 경로 등을 구성하여 열교환량을 조절하여 온도차를 조절하면 된다.
또한 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절은 도 2,도 4, 도 5에 표시된 보조 전기 히터(13)를 이용하여 고온수 온도를 조절하면 비등상태에 있는 고온수의 포화 수증기 압력이 일정 범위에서 유지되므로 내부 압력을 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 일산화탄소전이반응부 길이방향 온도분포도인데, 통상의 단열반응기 형태로 일산화탄소전이반응기를 구성한 경우와 본 발명의 경우와 같이 일산화탄소전이반응부의 일부 영역을 수증기 발생부의 고온수 저장 구역에 직접 접촉하도록하여 일산화탄소전이반응부의 후단 부분을 냉각하도록 한 경우에 반응부 길이 방향에 대한 일산화탄전이반응촉매의 온도 변화를 비교, 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 구성에 의하면 일산화탄소전이반응부의 길이 기준 후단 50% 정도를 냉각한 경우 촉매층 출구 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것이 가능하며 출구 개질가스의 CO 농도를 1%이하로 저감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도로, 기본적인 구성은 도 2의 구성과 동일하고, 단지 일산화탄소전이반응부(2)의 구성이 일부 다른데 도시된 바와 같이 일산화탄소전이발생부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되고, 그 상부 에 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와;
전이반응부케이스(21) 하부와 바깥쪽에서 연결되고, 상부개방부(115)를 관통한 후, 전이반응부출구(221)가 형성된 끝단 구간은 절곡되어 형성된 외부상승관(22')과;
전이반응부케이스(21)에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된다.
상기와 같은 구성에 의해 외부상승관(22')의 열교환 효율을 보다 높이면서 낮은 온도로 제어할 수 있다. 즉, 이러한 구조에 의해 일산화탄소전이반응촉매(23)의 충전량을 증가시킬수 있고 일산화탄소전이반응기에서 배출된 가스가 외부상승관(22')에 인접한 고온수로 추가적인 열교환이 가능하다.
상기한 구성에 의해 전이반응부입구(211)를 통해 유입된 수증기와 일산화탄소는 일산화탄소전이반응촉매(23)를 지나면서 이산화탄소와 수소로 변환된 후 외부상승관(22')으로 유입되어 상승 후 전이반응부출구(221)를 통해 배출되게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고, 도 6은 도 5의 A-A'선 단면도인데, 기본적인 구성은 도 2의 구성과 동일하고, 단지 열교환기(12)의 형상이 도 2 처럼 코일형이 아닌 'U'자형 열교환기를 사용한 것만 다르다. 이러한'U'자형 열교환기는 다발로 구성된 직관형 열교환 튜브들과 이를 연결하기 위한 입출구 매니폴드로 구성되므로 수증기 발생기 용량 증가 에 대해 코일형 열교환기 보다 제작편이성 면에서 유리하다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명을 포함하는 수증기 개질 시스템의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 한실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,
도 3은 본 발명에 의한 일산화탄소전이반응부 길이방향 온도분포도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 일산화탄소전이반응기의 정단면도이고,
도 6은 도 5의 A-A'선 단면도이고,
도 7은 종래 한실시예에 따른 수증기 개질 시스템 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 수증기 발생부 (2) : 일산화탄소전이반응부
(11) : 수증기발생부 케이스 (12) : 열교환기
(13) : 보조 전기 히터 (21) : 전이반응부케이스
(22) : 내부상승관 (22') : 외부상승관
(23) : 일산화탄소전이반응촉매 (111) : 수평격리판
(112) : 수직격리판 (113) : 버너 배가스 입구
(114) : 버너 배가스 출구 (115) : 상부 개방부
(116) : 수증기배출구 (117) : 보충수 공급구
(121) : 열교환기 입구 (122) : 열교환기 출구
(211) : 전이반응부입구 (221) : 전이반응부출구

Claims (11)

  1. 연소 배가스 폐열과 수증기의 원료가 되는 공급수 간의 열교환에 의해 수증기를 발생시키는 수증기 발생부(1)와; 수증기발생부 내부에 장치되어 발생열이 그보다 낮은 온도로 수증기발생부에 저장된 고온수와 열교환되어 출구온도가 안정되게 조절되는 일산화탄소전이반응부(2);가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일산화탄소전이반응부(2)의 전이반응부출구(221) 온도 제어는 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매(23) 후단부의 전이반응부케이스(21)가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 구성한 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 일산화탄소전이반응부(2)는 발생열이 수증기 발생부(1)와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어 일산화탄소전이반응촉매(23) 출구온도가 200℃ 이하로 조절되도록 하고,
    상기 수증기 발생부(1)는 일산화탄소전이반응부(2)와의 열교환에 의해 145 ~ 200 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    수증기 발생부(1)는, 고온수를 저장하는 수증기발생부 케이스(11)와; 수증기발생부 케이스(11) 내부에 저장된 고온수에 잠겨 설치된 열교환기(12)와; 수증기발생부 케이스(11) 내벽에 설치된 보조전기히터(13);로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 수증기발생부 케이스(11)는 상부에 저장된 고온수와 수밀되어 격리되고 열교환기를 구성하는 다수개 관이 관통되는 수평격리판(111)과; 수평격리판을 두 개의 공간부로 나누는 수직격리판(112)과; 수직격리판(112)으로 나뉘어진 일측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 입구(113) 및 타측 공간부 하부에 형성된 버너 배가스 출구(114)와; 상부에 일산화탄소전이반응부(2)의 전이반응부케이스가 삽입될 크기로 개방되어 돌출된 상부 개방부(115)와; 상부 개방부(115) 일 지점 측면에 형성된 수증기배출구(116)와; 하부 수평격리판(111) 보다 높은쪽 일 측면에는 형성된 보충수 공급구(117);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환기(12)는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 코일형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환기(12)는 반경을 달리하는 다수개의 관이 개별 순환경로를 가지는 'U'자형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 일산화탄소전이반응부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형 성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되고, 그 상부에는 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와;
    전이반응부케이스(21) 내부에 설치되고 그 상부 끝단의 전이반응부출구(221)가 형성된 구간은 절곡되어 전이반응부케이스(21)를 관통하여 돌출된 내부상승관(22)과;
    전이반응부케이스(21)과 내부상승관(22) 사이 공간에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 일산화탄소전이반응부(2)는 수증기발생부 케이스(11)의 상부에 돌출 형성된 상부개방부(115)에 삽입되어 장치되고, 그 상부에 전이반응부입구(211)가 형성된 전이반응부케이스(21)와;
    전이반응부케이스(21) 하부와 바깥쪽에서 연결되고, 상부개방부(115)를 관통한 후, 전이반응부출구(221)가 형성된 끝단 구간은 절곡되어 형성된 외부상승관(22')과;
    전이반응부케이스(21)에 충전된 일산화탄소전이반응촉매(23);로 구성된 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한항에 따른 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기를 구비하여 일산화탄소전이반응부의 발생열을 수증기발생부의 고온수 저장 구역과 접촉시켜 열교환토록 함으로써 수증기발생부에서 필요한 열은 일산화탄소전이반응부로부터 회수토록 하고,
    일산화탄소전이반응부의 전이반응부출구(221) 온도 제어는 전이반응부입구(211)로 도입되는 가스의 온도, 수증기발생부 케이스(11) 내부 압력을 조절하여 비등(boiling) 상태의 고온수 온도 및 산화탄소전이반응촉매(23) 후단부의 전이반응부케이스(21)가 고온수 부분과 접촉하는 면적 중에서 어느 하나 이상을 조절하여 온도가 제어되도록 한 방법을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 일산화탄소전이반응부는 발생열이 수증기 발생부와의 열교환에 의해 180 ~ 300℃의 온도 범위에서 운전되어, 일산화탄소전이반응촉매(23) 출구온도를 200℃ 이하로 조절되도록 하고,
    상기 수증기 발생부는 일산화탄소전이반응부와의 열교환에 의해 145 ~ 200 ℃의 온도 범위로 운전되도록 구성한 것을 특징으로 하는 수증기 발생부를 포함하는 일산화탄소전이반응기의 출구온도 제어방법.
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