KR20120004966A - 수동 열 유속 제어 요소가 구비된 증기 개질장치 - Google Patents

수동 열 유속 제어 요소가 구비된 증기 개질장치 Download PDF

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로렌스 클로슨
마이클 레쉬치너
3세 크로스 제임스 씨.
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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

고온 연소 배기 가스와 열 유속 제어 요소를 포함하는 버너 구역과, 증기 개질 반응물과 개질제 가스의 가스 흐름을 포함한 개질 구역과, 개질 구역과 버너 구역을 분리하는 열 교환 경계를 포함하는 증기 개질장치가 제공된다.

Description

수동 열 유속 제어 요소가 구비된 증기 개질장치{STEAM REFORMER WITH PASSIVE HEAT FLUX CONTROL ELEMENTS}
본 출원은 본원에 참고로 인용되고, 2009년 3월 30일 출원된 미국 가출원 제61/164,711호를 우선권 주장한다.
증기 개질은 메탄과 같이 탄화수소로부터 수소를 생성하기 위한 방법이다. 증기 개질의 기본적인 화학 반응은 종종 더 통상적으로는 "개질제(reformate)"로 언급되는 "합성 가스"(주요하게 수소, 물, 일산화탄소 및 이산화탄소의 혼합물)를 생성하기 위한 물과 수소의 온도-전달 반응(temperature-driven reaction)이다. 이 반응은 통상적으로 예를 들어, 니켈, 귀금속, 또는 그 외의 다른 재료와 같은 촉매를 사용하여 가속된다. 촉매는 종종, 특정의 성분, 즉 이의 촉매 활성도와 수명을 향상시키기 위한 조촉매(promotor)를 함유한다.
"증기 개질장치" 또는 "버너/개질장치 조립체"는 2개의 개별적인 흐름 영역: (1) 통상적으로 연료와 산소의 연소에 의해 생성된 열 에너지원을 제공하는 고온 가스를 포함하는, 종종 "버너 구역"으로 불리는, 일 영역과, (2) 연료와 증기 사이에서 흡열성 증기 개질 반응이 일어나는, 종종 "개질 구역"으로 불리는 그 외의 다른 구역으로 구성된다. 이들 두 영역은 예를 들어, 금속 표면과 같은 열 전달 경계에 의해 물리적으로 분리되고, 이 금속 표면을 가로질러 열 에너지가 버너 구역으로부터 개질 구역으로 전달된다.
증기 개질 시의 문제점들 중 한 문제점은, 적절한 반응 온도로 반응을 유지시키기 위해 열 교환 경계를 통해 버너 구역으로부터 개질 구역으로 다량의 에너지가 전달되어야 한다는 것이다. 반응 온도는 탄화수소 변환 평형(hydrocarbon conversion equilibrium)과 반응 동역학(reaction kinetics)에 영향을 미친다. 개질 구역에서의 더 높은 반응 온도는 개질제 내에서의 더 높은 반응 속도, 더 높은 탄화수소 변환 및 더 적은 양의 잔류 탄화수소에 해당된다. 그러나, 높은 반응 온도로 인해 증기 개질장치(구체적으로 열 교환 경계를 포함) 내의 금속 성분들의 가혹한 열 응력, 부식, 크리프 및 피로가 야기될 수 있을 뿐만 아니라 촉매 열화(catalyst degradation)가 야기될 수 있다. 역으로, 개질 구역 내에서의 낮은 반응 온도로 인해 금속 응력, 부식, 크리프 및 피로가 감소될 수 있지만 개질제 내에서 더 적은 탄화수소 변환 및 더 많은 양의 미반응 탄화수소가 야기될 수 있다. 개질제 내에서 미반응된 상태로 남겨진 탄화수소가 많을수록 증기 개질장치 시스템은 덜 효율적으로 되어서 수소의 비용이 높아지고 생성된 수소의 단위 당 더 높은 수준의 이산화탄소(온실 가스) 방출이 야기된다.
대규모 산업용 증기 개질장치는 종종 "충돌(impingement)" 형의 버너 모듈에 의해 둘러싸인 열 교환 경계와 같은 다수의 개질장치 튜브를 갖는다. 충돌형의 버너 내에서, 연료-공기 혼합물은 개질장치 튜브를 따라 이들을 직접적으로 향하거나 또는 이의 일부 조합에 따라 튜브 주위의 공간 내에서 연소된다. 버너 구역으로부터 열 교환 경계 내로의 열 유속은 복사 및 대류 열 전달 모두에 의해 생성된다. 이러한 증기 개질장치의 개질 구역은 약 30 바만큼의 상승된 압력과 고온(예를 들어, >850 °C)에서 동작하고, 거의 시동-정지 사이클(startup-shutdown cycle) 없이, 그리고 제한된 열적 응력과 피로에 따라 지속적으로 작동된다. 반응기 튜브의 길이를 따라 온도 프로파일을 제어하기 위하여, 대규모 산업용 개질장치는 종종 단일의 버너가 모든 열 에너지를 제공할 때 핫 스팟(hot spot)이 생성되는 것을 방지하기 위하여 개질장치 튜브를 따라 다수의 버너 헤드를 배치시키는 단계식 연소를 이용한다.
소모 지점의 근접하게 소형 증기 개질장치를 배치시킴으로써 집중식 개질 플랜트를 제작하는데 있어서 대규모의 자본이 배제된다. 한편, 예를 들어, 연료 전지 차량의 소형 플릿(small fleet)에 적합한 수소 연료 보급 스테이션과 같은 다양한 응용예의 경우, 수소의 수요량은 주기적일 수 있다. 따라서, 증기 개질장치는 개질장치의 수명을 단축시키는 온도 편위를 종종 야기하는 빈번한 시동-정지 사이클을 견딜 수 있어야 한다. 그러나, 소형 증기 개질장치는 통상적으로 단계식 연소의 비용과 복잡성을 감당할 수 없으며, 종종 개질 반응이 일어나는 곳, 예를 들어, 개질장치 튜브 내에서, 또는 그 근처에서, 인 시추 연소(in situ combustion)의 단일 단계를 이용할 수 있다. 그러나, 이러한 배열에 따라 개질장치 튜브 상에 국부적이 고온이 야기될 수 있다. 추가로, 열 유속, 구체적으로, 복사 열 전달로부터의 일부(그 외의 다른 일부는 대류 열 전달)는 연소 배기의 방향으로 줄어들고, 이의 온도는 감소되며, 즉, 열 전달 이론은 열 유속 스케일의 복사 성분에 온도의 4승을 제공한다.
본 출원은, 버너 구역(burner zone)이 열 교환 경계(heat exchange boundary)에 대해 대류(convective) 및/또는 복사 열 유속(radiative heat flux)을 조절하기 위한 수동 열 유속 제어 요소(기하학적 특징부 또는 개별적인 기능 인서트 중 하나)를 포함하는, 증기 개질장치(steam reformer)를 개시하고 있다.
도 1은 본 발명의 버너-개질장치의 예시적인 실시예이다. 이 시스템은 2개의 주요 부품:(1) 버너(100)(형성된 화염 전방부를 포함한 개방 화염 버너, 또는 자립형 신장 연소 구역을 포함한 열 반응기)와 (2) 버너로부터의 고온 배기 가스(150)에 의해 가열된 증기 개질장치(200)를 포함한다. 연료(101)와 공기(102)는 버너/반응기에 추가되어 배기 가스(150)를 형성한다.
도 1의 시스템에서 증기 개질장치의 일 특징은 열 교환 경계(201)이며, 즉, 두 흐름 영역: (1) 더 많은 연소 생성물(150)이 흐르는 더 고온의 버너 구역(202)과 (2) 개질 반응물과 생성물이 흐르는 더 저온의 개질 구역(203)을 분리시키는 재료 경계이다. 열 교환 경계와 흐름 영역의 다양한 기하학적 형상이 고려될 수 있다. 열 교환 경계는 단일의 연속적인 표면일 필요가 없는 것으로 이해되며, 예를 들어, 복수의 튜브와 같이 다수의 개개의 표면을 포함하는 집합적인 경계일 수 있다.
도 1의 장치에서, 연소 반응이 증기 개질장치의 업스트림에서 발생되며, 이에 따라 고온의 전방부를 갖는 화염이 열 교환 경계와 접촉하지 않는다. 게다가, 실질적으로 일정한 온도를 갖는 화염의 다운스트림에 있는 고온 배기 가스는 증기 개질장치 내로 유입되고 열 교환 경계와 접촉한다. 공정 중, 고온의 배기 가스는 과열시키지 않고 열 교환 경계를 통한 열 전달에 의해 촉매와 개질장치 반응 혼합물에 대하여 열을 제공한다. 증기 개질장치는 또한 하나 이상의 배기 벤트(exhaust vent, 204)를 포함할 수 있다. 개질제(reformate, 205), 즉 합성 가스는 증기 개질장치로부터 수집된다.
증기 개질장치의 일 실시예는 도 2a 및 도 2b에 도시된다. 증기 개질장치는 쉘(118) 및 쉘 내측에 개질장치 튜브의 묶음을 포함한다. 튜브는 원형, 직사각형, 기다한 형태 또는 그 외의 다른 기하학적 형태일 수 있다. 각각의 개질장치 튜브는 동심을 이루어 배열된 내측 튜브(111)와 외측 튜브(110)를 갖는다. 내측 튜브(111)와 외측 튜브(110)는 제 1 및 제 2 단부를 갖는다. 열을 이루는 내측 튜브(111)의 제 1 단부는 연결 튜브(113)에 연결되고, 반면 열을 이루는 외측 튜브(110)의 제 1 단부는 연결 튜브(116)에 연결된다. 외측 튜브(110)(도시되지 않음)의 제 2 단부는 예를 들어, 금속 플레이트 또는 캡으로 밀봉된다. 내측 튜브(111)(도시되지 않음)의 제 2 단부는 이의 밀봉된 제 2 단부를 향하여 외측 튜브(110) 내로 개방된다.
이 실시예에 따라서, 연결 튜브(116)는 이의 벽 내에 큰 홀의 하나의 어레이와 더 작은 홀의 하나의 어레이를 갖는다. 외측 튜브(110)는 더 큰 홀에서 연결 튜브(116)에 연결된다. 한편, 내측 튜브(111)는 큰 홀과 작은 홀 모두를 통과할 수 있으며, 연결 튜브(113)의 벽 내에서 홀에 연결된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 연결 튜브(116)는 튜브(115)에 연결되는 반면 연결 튜브(113)는 튜브(114)에 연결된다. 튜브들 간의 연결은 임의의 공지된 수단에 의해 형성될 수 있어서 튜브들 간에 영구적인 가스가 새지않는 연결이 형성된다. 금속 튜브의 경우, 이러한 연결은 예를 들어, 용접, 브레이징, 등등에 의해 형성될 수 있다. 이러한 형상에서, 내측 튜브와 외측 튜브 간의 간격은 증기 개질 촉매가 채워지는 반면 내측 튜브는 비워진 상태로 유지된다.
로드와 같은 인서트(117)는 플레이트(112)로부터 매달리며, 배기 가스가 흐르는 개질장치 튜브들 사이의 공간 내에 배열되어 흐름 통로를 부분적으로 차단한다. 인서트의 크기와 형태는 흐름 통로뿐만 아니라 복사 열 전달에 노출된 열 교환 경계의 기하학적 형상(예를 들어, 횡단 흐름 영역)을 변화시키기 위해 이의 길이를 따라 가변될 수 있다.
일 작동 모드에서, 튜브(114)는 반응물 입구로서 제공되고, 튜브(115)는 개질제 출구로서 제공된다. 따라서, 반응물은 튜브(114)를 통해 흐르며, 차례로 반응물 가스를 내측 튜브(111)에 의해 개질장치 튜브로 분배하는 연결 튜브(113)들 사이에 분배된다. 반응물 가스는 내측 튜브(111)의 제 2 단부로부터 외측 튜브(110) 내로 배출되어 증기 개질 촉매가 존재시에 반응하여 개질제를 형성한다. 생성물 가스는 그 뒤 연결 튜브(116)와 튜브(115)를 통해 순차적으로 외측 튜브(110)에서 배출된다.
또 다른 작동 모드에서, 튜브(114)는 개질제 출구로서 제공되고, 튜브(115)는 반응물 가스 입구로서 제공된다. 따라서, 가스는 우선적으로 내측 튜브 내로 유입되기 전 외측 튜브를 통해 이동한다.
고온의 배기 가스는 개질장치 튜브의 외측에서 흐른다. 가스 흐름의 방향은 외측 튜브의 제 1 단부로부터 외측 튜브의 제 2 단부로 또는 역으로 및 이들 사이의 임의의 그 외의 다른 방향일 수 있다. 따라서, 버너 구역(202) 내의 배기 가스 흐름과 열 교환 경계(201), 예를 들어, 외측 튜브 벽을 따라서 개질 구역(203) 내의 가스 흐름은 서로 병류(concurrent)이거나 또는 역류(countercurrent)일 수 있거나, 또는 이들 사이의 임의의 값의 각도일 수 있다.
고온의 배기 가스가 에너지를 개질장치 튜브로 전달함에 따라, 이 가스의 온도는 감소된다. 따라서, 배기 가스의 입구에 근접한 위치에서 배기 가스의 온도는 다운스트림에서의 배기 가스의 온도보다 높다. 게다가, 더 고온의 배기 가스에 노출되는 개질장치 튜브의 국부적인 온도는 더 낮은 온도의 배기 가스에 노출되는 국부적인 온도보다 높다. 개질장치 튜브의 길이를 따라 보다 더 균일한 온도 프로파일을 구현하기 위해(감소되는 온도 구배 및 이와 연관된 기계적 응력), 배기 온도가 낮은 위치에서 더 큰 열 전달 계수 또는 역으로 제공하는 것이 선호될 수 있다.
본 발명의 증기 개질장치의 일 양태는, 배기 가스 통로의 기하학적 형상이 국부적인 가스 흐름 특성 및 이에 대응하여 예를 들어, 외측 개질장치 튜브의 벽과 같이 열 교환 경계(201)을 통한 대류 열 전달 계수를 변화시키기 위해 인서트(117)를 사용하여 변경되는 것이다.
본 발명의 증기 개질장치의 또 다른 양태는, 인서트(117)가 이의 길이를 따라 선호되는 복사 열 유속 프로파일을 구현하도록 설계될 수 있는 데 있다. 예를 들어, (1) 구조물의 재료는 인서트 내의 열 구배에 영향을 미치도록(표면 온도 분포 및 연관된 복사 방사에 영향을 미치도록) 선택될 수 있으며(예를 들어, 열 전도성에 기초하여) 및/또는 (2) 인서트의 형태 및 표면 특성(예를 들어, 조도, 텍스처(texture), 윤곽 또는 방사율-증대 또는 감소 코팅)은 국부적인 복사 열 유속의 강도 및/또는 방향성을 증대시키거나 또는 감소시키기 위해 변경될 수 있다.
대류 및 복사 열 전달 모두에 의한 버너 구역(202)으로부터의 고온 배기 가스에 의해 가열됨에 따라, 인서트(117)는 개질 흡열(reforming endotherm)로 인해 냉각되는 열 교환 경계(201)의 국부적인 온도보다 국부적인 가스 온도에 더 근접한 국부적인 온도를 구현한다. 인서트(117)는 열 교환 경계(201)에 대해 국부적인 열 유속을 제공하는데 있어서 버너 구역 가스로부터 열 전달을 선택적으로 증대시키기 위한 수단을 제공한다. 대류 및 복사 열 유속에 영향을 미치는 인서트 내의 설계 특징은 a) 열 교환 경계(201)가 노출되는 인서트(117)로부터의 복사에 영향을 미치는 육안으로 보이는 형태(macroscopic shape), b) 복사에 대한 표면 영역과 미세-수준 노출을 변화시키는 인서트 표면의 텍스처, c) 열 전도성, 방사율, 열 용량, 및/또는 열 팽창성을 포함하는 구조물의 재료의 특성 및 d) 선택 영역에서 복사 열 유속을 변화시키기 위해 인서트의 표면에 선택적으로 도포되는 코팅을 포함한다.
도 3은 인서트(117)를 포함하고 및 포함하지 않는, 증기 개질장치 내의 개질장치 튜브의 길이를 따르는 온도 프로파일을 비교한다. 더 낮은 피크 금속 온도, 튜브를 따라 더 작은 온도 구배 및 인서트가 없는 것보다 더 높은 개질제 배출 온도를 갖는, 인서트(117)를 갖는 증기 개질장치에 대한 온도 프로파일은 보다 더 일정하다.
도 4a 및 도 4b는 설치된 인서트(117)가 있고 및 없는, 고온 위치에서의 예견된 횡단면 온도 분포를 각각 도시한다. 인서트가 설치되지 않을 때, 외측 튜브(110)의 가장 높은 온도는 1016 ˚C에 도달될 수 있다. 대조적으로, 인서트가 있을 때, 외측 튜브(110)의 가장 높은 온도는 단지 826 ˚C에 도달될 수 있다.
배기 흐름 통로를 제한하기 위한 그 외의 다른 수단은 개질장치 튜브 묶음 주위에 설치 요소(과립, 메쉬, 망상/폼, 와이어 또는 스포크를 포함하는, 금속성 또는 세라믹성)를 포함한다. 이러한 요소들의 개수가 증가됨에 따라 배기 가스 흐름에서의 혼합이 증가될 것이며(더 높은 대류 열 전달을 야기함), 방사 재료의 양이 증가될 것이다(더 높은 복사 열 전달을 야기함).
도 5는 증기 개질장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 개질 장치는 단부 플레이트(end plate, 10a, 10b), 개스킷(11a, 11b, 11c), 파티션 벽(12a, 12b) 및 주름진 금속 핀 또는 시트와 같은 인서트(117)를 포함한다. 조립 시, 단부 플레이트(10a), 개스킷(11a) 및 파티션 벽(12a)은 증기 개질 촉매가 잔류하는 증기 개질장치 채널을 형성하는 반면, 파티션 벽(12a), 개스킷(11b) 및 파티션 벽(12b)은 인서트(117)가 위치되는 배기 가스 채널을 형성한다. 이러한 형상에 있어서, 증기 개질장치 채널과 배기 채널은 서로 이웃하게 적층되고, 채널의 개수는 반응기의 비율에 따라 증가될 수 있다.
이 실시예에서, 반응 혼합물은 증기 개질장치 채널을 통해 흐르며, 증기 개질 촉매가 존재시에 반응한다. 한편, 고온의 배기 가스는 인접한 배기 가스 채널을 통과하고, 열을 증기 개질장치 채널로 전달한다. 국부적인 열 전달 계수는 배기 채널 내에 상이한 기하학적 형상의 인서트를 설치함으로써 증가된다. 추가로, 인서트는 열 교환 경계에 대한 복사 열 유속을 증가시키기 위해 제공된다.
또 다른 실시예가 도 6a 내지 도 6f에 도시된다. 도 6a는 버너 배기/개질장치 조립체의 횡단면도를 제공한다. 이 실시예에서, 배기 가스는 단일의 도관 또는 다수의 도관(120)(예를 들어, 원형, 타원형 또는 그 외의 다른 형태일 수 있고, 이의 횡단면 형태가 이의 길이를 따라 변화될 수 있는, 튜브)을 통해 흐르는 반면 촉매를 수용하는 개질 영역(203)은 이들 도관들을 둘러싼다. 인서트는 도 6a에서 도시되지 않는다. 열 교환 경계를 통해 배기 가스로부터의 열 전달을 조절하기 위한 수단의 비-제한적인 예는
● (1) 도관(120) 내의 단일의 인서트(117)를 포함하고, 인서트의 횡단면 형태는 이의 길이를 따라 변화하며, 인서트는 속이 꽉 차거나, 중공 구조이거나(예를 들어, 관통-흐름을 방지하기 위해 업스트림에서 덮여진) 또는 다공 구조일 수 있으며, 인서트는 금속 또는 세라믹으로 구성될 수 있으며, 선반-형 지지부(123) 및/또는 위치설정 링 포지셔너(125)가 존재할 수 있으며(도 6b);
● (2) 인서트를 포함하지 않지만 도관(120)은 자체적으로 흐름 방향을 따라 가변 형태/형상을 가지며(도 6c);
● (3) 속이 꽉 차거나, 중공 구조이거나(예를 들어, 개방-상측 "캔") 또는 다공 구조일 수 있는 적층된 인서트 요소(117a, 117b, 117c)로 구성된 "인서트 조립체"를 포함한다(도 6d).
배기 흐름의 방향으로 열 교환 경계에 대해 열 유속을 증가시키는 인서트의 특징들중 일 특징은 배기 흐름 입구를 향하는 더 작은 프로파일(횡단면 영역) 및 배기 출구 측을 향하는 이의 더 큰 프로파일이다. 이 어프로치는 배기 흐름 출구를 향하여 복사 열 전달을 제공하는 영역과 대류 열 전달 계수 모두를 증가시킨다.
인서트(117)는 관통-흐름을 허용하기 위한 홀을 포함한, 선반 유형의 지지부(123) 상에 배열되거나 또는 이에 부착된 와이어 또는 로드에 의해 매달릴 수 있다(도 6e). 인서트(117)는 또한 스포크(124)(도 6f), 또는 그 외의 다른 유사한 수단에 의해 제 위치에 보유될 수 있다. 인서트를 축방향으로 위치설정하는 기능에 추가하여, 선반(shelf), 스포크(spoke), 또는 그 외의 다른 보조 부품들이 또한 열 교환 경계에 대해 인서트를 횡방향으로 위치시킨다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에서 증기 개질장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 배기 가스 통로와 개질 통로는 도관의 일체구성된 반복 어레이, 예를 들어, 허니콤 모노리스(honeycomb monolith) 내에서와 같은 직사각형 채널 내에 위치된다. 도 7a는 2개의 개별적인 영역이 "체커보드(checkerboard)" 유형의 패턴에 따라 위치되는 하나의 레이아웃을 도시하며, R은 개질 영역을 나타내고, X는 배기 영역을 나타낸다. 도 7b는 이러한 어레이 내의 몇몇의 도관들을 더 상세히 도시한다. 이 실시예에서, 개질 도관(130a, 130b)은 예를 들어, 촉매(130a)로 워시코트될 수 있거나(washcoat) 또는 과립형 또는 펠릿형 촉매 매체(130b)로 전체적으로 또는 부분적으로 채워질 수 있다. 배기 도관(130c, 130d)은 단순함을 위해 도 7b에 도시되지 않은 인서트를 갖는다. 도 7c는 내부에 위치된 인서트(117)를 갖는 배기 도관(120)의 횡단면도의 사시도를 도시한다. 배기는 도관 내의 통로(128)를 통해 흐를 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 인서트가 핀-유형의 요소를 갖거나 또는 핀-유형의 요소에 의해 둘러싸인 실시예를 도시한다. 도 8a는 가변 피치, 나선형 터뷸레이터-유형의 핀(helical turbulator-type fin, 132a)을 도시하고, 나선형 횡단면 흐름 영역은 흐름 방향으로 감소되어 유체가 가속되고, 대류 열 전달 계수가 증가되며, 핀의 복사 열 전달 영역의 밀도가 추가로 증가된다. 이 실시예에서, 핀(132a)은 인서트에 부착되거나 또는 부착되지 않을 수 있으며, 핀(132a)은 도관의 벽에 부착되거나 또는 부착되지 않을 수 있다. 도 8b는 블록-유형의 핀(132b)을 도시하고, 핀의 주변방향 폭 및/또는 반경방향 치수는 흐름 방향으로 증가된다. 블록-유형의 핀이 흐름 도관 내로 삽입될 때, 흐름 통로의 영역은 흐름 방향으로 감소되어 배기 가스 흐름 영역이 감소되고 이의 속도가 증가될 뿐만 아니라 흐름 방향으로 단위 길이 당 인서트 영역이 증가되어 대류 및 복사 열 전달이 증대된다.
도 8c는 배기 가스 입구에 더 인접한(즉, 업스트림) 블록-유형의 핀(132b)의 횡단면을 도시하는 반면, 도 8d는 배기 가스 출구에 더 근접한(즉, 다운스트림) 블록-유형의 핀(132b)의 횡단면을 도시한다. 각각의 이들 도면에서, 인서트(117)와 핀(132b)의 코어가 도시된다. 핀의 개수, 크기 및 형태는 증기 개질장치 설계 세부사항, 예를 들어, 압력 강하, 높이, 작동 압력, 등등에 따라 맞춤제작될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 인서트(117)가 다수의 개개의 인서트와 교체될 수 있는 단일화된 구조물 내로 형성되는 실시예를 도시한다. 도 9a는 작은 2 X 2 튜브 어레이 사이에 위치된 단일화된 인서트를 도시한다. 예를 들어, 길이를 따라 가변 횡단면 흐름 영역을 갖는 인서트(117)의 세부사항이 도 9b에 도시된다. 도 9c는 증기 개질장치 열 교환 경계의 기하학적 형상과 일치되는 인서트(117)를 도시한다.
도 10은 본 발명의 증기 개질장치의 특정 실시예에서 열 전달의 모드를 도시한다. 도 10에서, C는 대류 열 전달을 나타내고, R은 복사 열 전달을 나타내며, T는 전도 열 전달을 나타낸다. 인서트가 없는 증기 개질장치와 비교할 때, 인서트(117)는 버너 구역(202) 내의 고온의 가스(207)로부터 열 교환 경계(201)로 대류 열 전달을 증가시키며(예시적인 대류 열 전달은 도 10에서 "C32"로 표시됨), 버너 구역(202)으로부터 열 교환 경계(201)로 복사 전달을 유입시키고(예시적인 복사 전달이 도 10에서 "R42"로 표시됨), 이들 모두는 증기 개질장치의 열 전달 특성을 증대시킨다. 그 뒤, 열 전달은 교환 경계(201)로부터 개질 구역(203)으로 지속된다. 예를 들어, 열 교환 경계의 수명이 연장되도록(예를 들어, 피크 온도의 감소 및/또는 열 구배 및 대응하는 응력의 감소 또는 이들 모두로 인해) 열 교환 경계(201)는 더 효율적으로 사용될 수 있는 것(예를 들어, 단위 영역당 더 많은 열이 주어진 제조 용량에 대해 더 적은 재료 및 비용을 필요로 함)을 포함하는 이러한 어프로치에 대한 다수의 이점이 존재한다.
인서트(117)는 열 교환 경계(201)보다 더 내구성이 있는 것을 주목해야 한다. 인서트(117)는 매달리거나, 적층되거나 또는 이와는 달리 구조적으로 비-구속된다. 인서트는 중공 구조 또는 속이 꽉 찬 구조이고, 압력차에 노출되지 않는다. 인서트는 단지 버너 배기와 상호작용하여 덜 극단적인 온도 구배 및 이에 대응하는 더 낮은 응력을 갖는다. 따라서, 인서트는 증기 개질 장치의 내구성 또는 수명에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 인서트(117)로부터 열 교환 경계(201)로 복사 열 전달의 방향과 강도는 인서트의 형태, 크기, 표면 텍스처, 구조물의 재료 및 선택적인 코팅의 적절한 설계에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 인서트 표면 텍스처 및 전체적인 형태/형상을 도시한다. 표면 특성은 방출된 복사 열 에너지의 복사 영역과 방향성 모두에 영향을 미친다. 인서트의 표면은 설계 목표치, 즉, 열 교환 경계상에 특정 열 유속 프로파일을 구현하도록 전체적으로 또는 부분적으로 맞춤구성될 수 있으며, 표면은 도 11a에 도시된 바와 같이 거칠게 형성되거나(roughened)(1), 오목하게 형성되거나(dimpled)(2), 주름진 직선형으로 형성되거나(3), 주름진 나선형으로 형성되거나(4), 블록 노치형으로 형성되거나(5), 또는 톱니 노치형으로 형성될 수 있다(6). 열 교환 경계는 대류 열 전달을 증대시키고 국부적인 가스 흐름 특성에 긍정적인 영향을 미치는 추가 이점을 갖도록 유사하게 텍스처링(texture)될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 육안으로 보이는 수준에서, 인서트 횡단면 프로파일이 변화하는 다수의 상이한 형태 전이부가 허용될 수 있다. 도 11b는 예를 들어, 직선형 테이퍼(베벨 또는 챔퍼)(1), 직각(2), 볼록(3), 오목(4) 및 하이브리드(5) 형태를 포함하는 형태 전이부의 예시를 도시한다. 형태 전이부의 유형은 복사 열 전달 특성 및 전체적인 증기 개질장치 설계에 따라 선택될 수 있다.
인서트 내에서 및 인서트의 표면에서의 온도 프로파일은 그것, 배기 가스 및 열 교환 경계 사이의 열 교환뿐만 아니라 열 특성에 영향을 받는다. 주어진 육안으로 보이는 인서트 형태/형상의 경우, 인서트(117)의 온도 프로파일은 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이 구조물(인서트 전체, 또는 인서트의 특정 부품)의 재료의 선택 및/또는 표면 코팅의 도포에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 도 12a는 균일한 재료를 나타내고, 도 12b는 상이한 열 전도성을 위해 선택될 수 있는 다양한 재료를 나타내고, 도 12c는 열 전도체와 같은 세퍼레이터(separator, 134) 및/또는 표면 처리부 또는 코팅(136)을 포함한 복합물을 도시한다.
인서트 몸체는 버너 구역의 고온 업스트림 영역으로부터 저온 다운스트림 영역으로 열을 전달하고, 크기는 재료의 선택에 의해 영향을 받을 수 있으며, 더 높은 열 전도성을 갖는 재료(텅스텐, 니켈, 크롬 및 철과 같은)는 더 낮은 전도성을 갖는 재료(알루미나, 스테인리스 스틸, 티타니아 및 콘크리트와 같은)보다 더 큰 정도로 더 많은 열을 전달하는데 도움이 될 것이다. 인서트(117)는 도 12b에 도시된 바와 같이 상이한 구역에 다양한 재료로 구성될 수 있다. 단열 재료(134)는 도 12c에 도시된 바와 같이 구역을 구체적으로 분리하는데 사용될 수 있다. 인서트 표면(136)의 복사 특성은 또한 도 12c에 도시된 바와 같이 표면 처리(에칭, 샌드브라스팅 또는 전기 도금과 같은) 또는 코팅(수동 층과 같은 화학적 또는 부착된 스트랩/밴드와 같은 기계적)에 의해 조절될 수 있다. 이들 특징들은 차례로 국부적인 복사 열 유속에 영향을 미치는 인서트의 방사율 값을 구현하기 위해 이용될 수 있다.
인서트를 통한 전도에 의해 균등한 열 분포를 촉진시키는 추가 실시예가 도 13a 내지 도 13d에 도시된다. 이들 실시예에서, 인서트(117)는 예를 들어, 주요 구조물(118) 및 하나 이상의 전도성 코어 요소(119)를 포함하는 둘 이상의 부품을 포함할 수 있다. 전도성 코어(119)는 주요 구조물(118) 내에 매립되거나 또는 삽입될 수 있다. 전도성 코어는 주요 구조물의 재료와 동일하거나 또는 상이한 재료로 구성될 수 있다. 도 13a는 단순한 전도성 코어를 도시하고, 도 13b는 컨포밍 코어(conforming core)를 도시하며, 도 13c는 인서트 내의 전도성 채널 어레이를 도시한다. 코어는 도 13d에 도시된 바와 같이 버너 구역 내측에서 그 외의 다른 부품에 부착하기 위한 수단으로서 추가로 적합할 수 있으며, 부착부(127)로 인해 전도성 요소가 지지부로서 기능을 할 수 있다.

Claims (23)

  1. 고온 연소 배기 가스와 열 유속 제어 요소를 포함하는 버너 구역과,
    개질제 가스와 증기 개질 반응물의 가스 흐름을 포함하는 개질 구역과,
    개질 구역과 버너 구역을 분리하는 열 교환 경계를 포함하는 증기 개질장치.
  2. 제1항에 있어서, 버너 구역 외측에서 연소가 일어나는 증기 개질장치.
  3. 제1항에 있어서, 개질 구역은 하나 이상의 개질장치 튜브를 추가로 포함하고, 개질장치 튜브의 하나 이상은 개질 촉매를 수용하는 증기 개질장치.
  4. 제1항에 있어서, 버너 구역 내의 배기 가스의 흐름과 열 교환 경계에 인접한 개질 구역 내의 가스 흐름은 서로 병류인 증기 개질장치.
  5. 제1항에 있어서, 버너 구역 내의 배기 가스의 흐름과 열 교환 경계에 인접한 개질 구역 내의 가스 흐름은 서로 역류인 증기 개질장치.
  6. 제1항에 있어서, 버너 구역 내의 배기 가스의 흐름과 열 교환 경계에 인접한 개질 구역 내의 가스 흐름은 서로에 대해 비스듬한 증기 개질장치.
  7. 제1항에 있어서, 열 교환 경계를 통한 열 유속의 국부적인 속도는 열 유속 제어 요소의 기하학적 형상을 가변시킴으로써 제어되는 증기 개질장치.
  8. 제1항에 있어서, 버너 구역은 다운스트림 영역과 업스트림 영역을 포함하고, 업스트림 영역은 다운스트림 영역보다 버너 구역으로부터 열 교환 경계까지 더 높은 열 전달 속도를 갖는 증기 개질장치.
  9. 제1항에 있어서, 버너 구역은 다운스트림 영역과 업스트림 영역을 포함하고, 열 유속 제어 요소의 일부분은 다운스트림 영역을 점유하는 열 유속 제어 요소의 일부분보다 넓은 횡단면 영역을 갖는 업스트림 영역을 점유하는 증기 개질장치.
  10. 제1항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 2개 이상의 구역을 포함하는 증기 개질장치.
  11. 제10항에 있어서, 구역은 단열 재료에 의해 분리되는 증기 개질장치.
  12. 제10항에 있어서, 구역은 표면 처리되는 증기 개질장치.
  13. 제12항에 있어서, 각각의 구역의 표면 처리는 상이한 증기 개질장치.
  14. 제13항에 있어서, 각각의 구역은 상이한 표면 텍스처를 갖는 증기 개질장치.
  15. 제10항에 있어서, 각각의 구역은 상이한 재료로 형성되는 증기 개질장치.
  16. 제10항에 있어서, 각각의 구역은 상이한 전도성을 갖는 증기 개질장치.
  17. 제1항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 주요 구조물에 의해 둘러싸인 전도성 코어를 포함하는 증기 개질장치.
  18. 제17항에 있어서, 전도성 코어는 주요 구조물과 상이한 재료로 형성되는 증기 개질장치.
  19. 제1항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 다수의 개개의 인서트를 포함하는 증기 개질장치.
  20. 제1항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 단일화된 구조물인 증기 개질장치.
  21. 제20항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 열 교환 경계의 기하학적 형상과 일치되는 증기 개질장치.
  22. 제1항에 있어서, 열 유속 제어 요소는 하나 이상의 정렬 요소에 의해 위치적으로 정렬되는 증기 개질장치.
  23. 제22항에 있어서, 하나 이상의 정렬 요소는 스포크와 선반으로부터 선택되는 증기 개질장치.
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