KR20130104248A - Cylindrical steam reformer using multi-tube - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수증기 개질기에 관한 것으로, 특히 컴팩트한 가열로 설계가 가능하고 대류 열교환을 향상시킬 수 있는 다관 원통형 수증기 개질기를 관한 것이다.
The present invention relates to a steam reformer, and more particularly to a multi-tubular cylindrical steam reformer that can be designed in a compact heating furnace and can improve convective heat exchange.
메탄 수증기 개질기(steam methane reformer, 이하 SMR)는 메탄이 주성분인 천연가스를 원료로 수소를 제조하는 반응기이다.The steam methane reformer (SMR) is a reactor for producing hydrogen from natural gas whose main component is methane.
원료 천연가스와 수증기는 촉매 상에서 수소, 일산화탄소, 이산화탄소가 혼합된 개질가스(reformed gas)로 전환되며, 강한 흡열 반응을 일으키므로 외부에서 반응열의 공급이 필요하다. 따라서 일반적인 수증기 개질 반응기는 반응이 진행되는 촉매층과 이를 가열하기 위한 외부 가열 장치를 포함하고 있다.Raw natural gas and water vapor are converted into reformed gas mixed with hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide on the catalyst, and a strong endothermic reaction is required to supply heat of reaction from the outside. Therefore, a general steam reforming reactor includes a catalyst bed through which the reaction proceeds and an external heating device for heating it.
일반적으로 SMR을 이용한 개질가스 생산 공정은 반응에 필요한 수증기를 생산하는 수증기 발생기 및 반응물 예열기와 연계되어 전체 공정이 구성된다. 수증기 생산 및 반응물 예열은 SMR 촉매층을 가열하고 배출되는 연소 배가스 혹은 생산된 개질가스에서 폐열을 회수하는 방식을 채택하고 있다. 따라서 SMR을 포함한 개질가스 생산 공정의 최적 설계를 위해서는 SMR 본체의 최적 설계와 함께 폐열 회수 공정의 최적화가 필요하다.In general, the reformed gas production process using SMR is composed of a steam generator and a reactant preheater that produce steam for the reaction. Steam production and reactant preheating employ a method of heating the SMR catalyst bed and recovering waste heat from the emitted flue-gas or the reformed gas produced. Therefore, for the optimal design of the reformed gas production process including SMR, it is necessary to optimize the waste heat recovery process together with the optimal design of the SMR body.
기존의 사용 공정에 사용하고 있는 수증기 개질 반응기는 단관형의 튜브 방식을 주로 채택하고 있으며, 설치 면적(footprint) 대비 최대의 생산 용량을 달성하기 위해 10 m 이상의 튜브를 연소 퍼니쓰(furnace) 내부에 다수 설치하고 다수의 버너를 사용하여 가열하는 방식을 사용하고 있다.The steam reforming reactor used in the existing process is mainly adopting a single tube type tube type, and a tube of 10 m or more is placed inside the combustion furnace to achieve the maximum production capacity compared to the footprint. A large number of installations and heating using multiple burners are used.
이때 열교환 방식은 주로 복사 전열(radiation heat transfer) 방식을 적용하고 있다. 이러한 방식의 특징은 연소부로부터 반응부로의 열 플럭스(heat flux)가 매우 크다는 점이며, 일반적으로 top fired reformer의 경우 평균 65,000 kcal/h㎡ 이상의 평균 열 플럭스를 달성할 수 있다. 높은 열 플럭스에 따라 반응 튜브 개수를 최소화하여 수증기 개질 반응기를 설계할 수 있으며 대형화에 유리하게 된다.At this time, the heat exchange method mainly uses a radiation heat transfer method. The characteristic of this method is that the heat flux from the combustion section to the reaction section is very large, and in the case of the top fired reformer, an average heat flux of more than 65,000 kcal / hm2 can be achieved. The high heat flux minimizes the number of reaction tubes, allowing for the design of steam reforming reactors, which is advantageous for large scale.
한편 버너의 화염과 직접적인 열교환을 하게 되어 반응 튜브의 위치에 따라 표면 온도가 고온으로 유지되는 영역이 발생하게 되므로, 반응 튜브 수명 저하에 따른 유지 보수의 최소화가 필요하다. 일반적으로 복사 전열 방식의 수증기 개질 반응기의 버너 공급 열량 이용률은 50% 내외로 알려져 있다.On the other hand, since the heat exchange directly with the flame of the burner to generate a region where the surface temperature is maintained at a high temperature according to the position of the reaction tube, it is necessary to minimize the maintenance due to the reduction of the reaction tube life. In general, the utilization rate of burner feed calories in the steam reforming reactor of the radiant heat transfer method is known to be about 50%.
덴마크의 Haldo Topsoe사는 단위 용량으로 1,000 N㎥/h급 수증기 개질 반응기에 대류 전열(convection heat transfer) 방식을 적용한 Haldor Topsoe convection reformer(HTCR)를 개발하였다. 일반적으로 대류 전열 방식의 열 플럭스는 복사 전열 방식의 1/10이므로, 동일한 열량이 전달되기 위해서는 반응 튜브의 필요한 전열면적이 크게 증가하나, 전열면에 국부적인 고온 영역이 나타나지 않으므로 반응 튜브의 장기수명에 유리한 장점이 있다.Haldo Topsoe of Denmark has developed a Haldor Topsoe convection reformer (HTCR) using convection heat transfer to a 1,000 Nm3 / h steam reforming reactor in unit capacity. In general, the heat flux of the convective heat transfer method is 1/10 of that of the radiant heat transfer method, so that the required heat transfer area of the reaction tube is greatly increased in order to transmit the same amount of heat. There is an advantage to this.
대류전열에서는 고온측 가스의 흐름속도가 높을수록 열 플럭스가 증가하기 되기 때문에 furnace의 공간이 최소화가 가능하고, 버너와 reforming tube 공간을 분리하여 설계하는 것이 가능하므로 초대형의 규모가 아닌 경우 컴팩트한 반응기 설계가 가능한 장점이 있다. 대류 전열 방식의 경우 버너 공급 열량 이용률을 80%까지 증가시킬 수 있다.In convective heat transfer, the heat flux increases as the gas flow rate increases, so the space of the furnace can be minimized and the burner and reforming tube space can be designed separately. There is an advantage in design. In convective heat transfer, burner feed calorific utilization can be increased to 80%.
상용 공정에서 주로 채택하고 있는 반응기는 크게 단관형 튜브 반응기와 베요넷 튜브(Bayonet-Tube) 반응기로 구분할 수 있다. 단관형 튜브는 단일 튜브에 촉매가 충전되어 있는 형태이며, 베요넷 튜브는 일종의 이중관 튜브로서 내관과 외관의 사이 공간에 촉매가 충전되어 있고 외관의 하단부가 막혀 있고 내관의 하단부가 뚫려 있는 형태이다. 예를 들어, 일본 공개특허 JP2001-302209에서는 일본 Osaka Gas사에서 적용하고 있는 베요넷 튜브 반응기의 구조가 예시되어 있으며, 유사한 구조를 Haldor Topsoe의 HTCR에서도 채택하고 있다.Reactors mainly adopted in commercial processes can be classified into single tube tube reactors and Bayonet tube reactors. A single tube type is a type in which a single tube is filled with a catalyst, and a bayonet tube is a type of double tube tube filled with a catalyst in the space between the inner tube and the outer tube, and the lower end of the outer tube is blocked and the lower end of the inner tube is drilled. For example, Japanese Laid Open Patent JP2001-302209 exemplifies a structure of a bayonet tube reactor applied by Osaka Gas, Japan, and a similar structure is adopted in HTCR of Haldor Topsoe.
베요넷 튜브를 SMR에 적용할 경우 개략적인 작동 방식을 설명하면 다음과 같다. 튜브 외곽으로 버너 연소가스가 접촉하여 열교환이 진행되며, 반응튜브 상단에서 공급된 원료는 베요넷 내관과 외관 사이에 충전된 촉매층을 통과하면서 개질 반응이 진행된다. 반응 튜브 하단으로 빠져 나온 개질 가스는 촉매층 상단보다 고온이 된다. 고온의 개질 가스가 베요넷 내관을 통해 상단의 생성 가스 배출구로 배출된다. 이때 베요넷 내관을 통과하면서 촉매층에 열을 전달하고 빠져 나간다.When the bayonet tube is applied to the SMR, the schematic operation method is as follows. The burner combustion gas is contacted to the outside of the tube to exchange heat, and the raw material supplied from the top of the reaction tube passes through the catalyst layer filled between the bayonet inner tube and the outer tube, and the reforming reaction proceeds. The reformed gas exiting the bottom of the reaction tube is hotter than the top of the catalyst bed. The hot reformed gas is discharged through the bayonet inner tube to the top product gas outlet. At this time, the heat is transferred to the catalyst layer while passing through the bayonet inner tube and exits.
베요넷 튜브 반응기는 내부 열교환이 발생하는 상승관에 의해 열전달이 증대되며, 외관의 하단부가 밀폐형이므로 튜브 반응기의 상단부만 고정하면 되기 때문에 단관형 튜브와 달리 열팽창에 의해 튜브 변형을 억제하기 위한 별도의 장치가 필요 없는 특징이 있다. 반면에 단관형 튜브에 비해 복잡합 입출구 구조를 가지므로 다수의 튜브를 사용해야 하는 대형 공정의 경우 튜브 가공, 조립 비용이 증가할 가능성이 있다. 또 반응 튜브의 길이가 길어질 경우 내관과 외관 사이의 공간이 둘레 방향으로 일정하게 유지할 수 있도록 해야 같은 높이에서 촉매층 온도 편차를 줄일 수 있다.
In the Bayonet tube reactor, heat transfer is increased by the riser tube in which internal heat exchange occurs, and since the lower part of the exterior is sealed, only the upper part of the tube reactor needs to be fixed. There is no need for a device. On the other hand, since it has a complicated entrance and exit structure compared to a single tube type tube, a large process requiring multiple tubes may increase tube processing and assembly costs. In addition, when the length of the reaction tube is long, the space between the inner tube and the outer tube must be kept constant in the circumferential direction so as to reduce the catalyst bed temperature variation at the same height.
본 발명의 목적은 기존의 1기의 하향식 버너보다 반응튜브가 배열되는 중심선의 직경을 줄일 수 있고 이에 따라 컴팩트한 가열로 설계가 가능한 다관 원통형 수증기 개질기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a multi-tube cylindrical steam reformer that can reduce the diameter of the center line to which the reaction tube is arranged than the conventional top-down burner and can be designed by compact heating.
본 발명의 다른 목적은 대류 열교환을 향상시킬 수 있는 다관 원통형 수증기 개질기를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a multi-tubular cylindrical steam reformer capable of improving convective heat exchange.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 가열로; 가열로 내부에 설치되고, 원료 천연가스와 수증기가 수소를 포함하는 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 다수의 반응 튜브; 가열로의 중앙에 설치되고, 연료 천연가스를 연소시켜 배가스를 발생시키면서 반응 튜브를 가열하는 중앙 버너; 및 가열로의 측면에 설치되고, 연료 천연가스를 연소시켜 배가스를 발생시키면서 반응 튜브를 가열하는 적어도 하나의 사이드 버너를 포함하는 다관 원통형 수증기 개질기를 제공한다.The present invention, in order to achieve the above object, a heating furnace; A plurality of reaction tubes installed inside the furnace and undergoing a reforming reaction in which the raw natural gas and steam are converted into a reforming gas containing hydrogen; A central burner installed at the center of the furnace and heating the reaction tube while burning the fuel natural gas to generate exhaust gas; And at least one side burner installed at the side of the furnace and heating the reaction tube while combusting the fuel natural gas to generate exhaust gas.
본 발명에서 사이드 버너는 가열로의 측면에 접선 방향으로 설치되고, 적어도 2개의 사이드 버너가 좌우 대칭적으로 설치되며, 중앙 버너와 사이드 버너의 연료 공급량은 3:7부터 7:3까지 배분되는 것이 바람직하다.In the present invention, the side burner is installed in a tangential direction on the side of the heating furnace, at least two side burners are installed symmetrically, and the fuel supply of the central burner and the side burner is distributed from 3: 7 to 7: 3. desirable.
본 발명에 따른 개질기는 반응 튜브와 간격을 두고 반응 튜브를 둘러싸도록 설치되는 배가스 배출 유도관을 추가로 포함할 수 있으며, 이때 반응 튜브와 배가스 배출 유도관 사이에 형성된 유로를 통과하는 배가스의 유속은 20 m/s 이상이고, 배가스 배출 유도관의 길이는 반응 튜브 길이의 30 내지 70%인 것이 바람직하다.
The reformer according to the present invention may further include a flue gas discharge induction tube installed to surround the reaction tube at intervals from the reaction tube, wherein the flow rate of the flue gas passing through the flow path formed between the reaction tube and the flue gas discharge induction tube 20 m / s or more, and the length of the exhaust gas discharge induction pipe is preferably 30 to 70% of the length of the reaction tube.
본 발명에 많은 열교환량을 요구하는 개질 반응기 입구 부분의 버너 용량을 중앙 버너와 사이드 버너로 배분하여 조절 가능하므로, 기존의 1기의 하향식 버너보다 반응튜브가 배열되는 중심선의 직경을 줄일 수 있고, 이에 따라 컴팩트한 가열로 설계가 가능하다.Since the burner capacity of the reforming reactor inlet portion which requires a large amount of heat exchange in the present invention can be adjusted by distributing it to the central burner and the side burner, the diameter of the center line where the reaction tubes are arranged can be reduced than that of the existing top-down burner, Accordingly, a compact heating furnace can be designed.
또한, 반응튜브의 출구측에 해당하는 가열로 중하단부에는 튜브의 외벽면에 좁은 틈새를 가지는 배가스 배출 유도관을 설치함으로써, 반응튜브 외곽을 지나는 배가스의 선속을 증가시켜 대류 열교환을 향상시킬 수 있다.
In addition, by installing a flue gas discharge induction pipe having a narrow gap on the outer wall surface of the tube at the middle of the heating furnace corresponding to the outlet side of the reaction tube, the convection heat exchange can be improved by increasing the flux of the flue gas passing through the outside of the reaction tube. .
도 1은 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기의 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기의 부분확대 종단면도이다.
도 5는 배가스 배출 유도관(슬리브) 설치에 따른 촉매층 길이 방향 온도분포의 변화 및 메탄 전환율 분포의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 버너 부하 배분에 따른 반응기 길이방향 온도분포 변화 및 메탄 전환율 분포 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 버너 부하 배분을 각각 측면버너만 작동할 경우, 상단버너에 40%, 측면버너 60%로 연료를 배분할 경우, 상단버너 50%, 측면버너 50%로 연료를 배분할 경우, 길이 방향에 따라 반응 튜브의 외벽 온도 분포를 비교한 것이다.
도 8은 버너 부하 배분을 각각 상단버너 60%, 측면버너 40%로 연료를 배분한 경우와 상단버너만 작동할 경우, 길이 방향에 따라 반응 튜브의 외벽 온도 분포를 비교한 것이다.1 is a perspective view of a multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention.
2 is a longitudinal sectional view of a multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of a multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention.
4 is a partially enlarged longitudinal sectional view of a multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention.
Figure 5 shows the change in the methane conversion rate distribution and the change in the longitudinal temperature distribution of the catalyst bed according to the exhaust gas induction pipe (sleeve) installation.
6 shows the change in reactor longitudinal temperature distribution and the change in methane conversion distribution according to the burner load distribution.
FIG. 7 shows that when only the side burners operate the burner load distribution, when the fuel is distributed to the upper burner by 40% and the side burner by 60%, the fuel is distributed to the upper burner by 50% and the side burner by 50%, depending on the length direction. The outer wall temperature distribution of the reaction tubes is compared.
FIG. 8 compares the outer wall temperature distribution of the reaction tube along the longitudinal direction when the fuel is distributed to the
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기의 사시도이고, 도 2는 종단면도이며, 도 3은 횡단면도이고, 도 4는 부분확대 종단면도이다.1 is a perspective view of a multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view, FIG. 3 is a cross sectional view, and FIG. 4 is a partially enlarged longitudinal sectional view.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다관 원통형 수증기 개질기는 가열로(10), 중앙 버너(20), 사이드 버너(30, 40), 반응 튜브(50), 배가스 배출 유도관(60), 배가스 배출관(70) 등으로 구성된다.As shown in Figures 1 to 4, the multi-tube cylindrical steam reformer according to the present invention, the
가열로(10)는 내화재료로 이루어지며, 외벽과 내벽 등으로 구분될 수 있다.The
중앙 버너(20)는 가열로(10)의 중앙 상단에 설치되고, 화염이 아래로 향하는 하향식 버너이다.The
사이드 버너(30, 40)는 가열로(10)의 측면에 접선 방향으로 설치되고, 적어도 2개의 사이드 버너가 좌우 대칭적으로 설치된다.The
중앙 버너(20)와 사이드 버너(30, 40)는 연료를 연소시켜 화염과 배가스를 발생시키면서 반응 튜브(50)를 가열한다.The
중앙 버너(20)와 사이드 버너(30, 40)의 연료로는 반응원료인 천연가스 등이 사용될 수 있으며, 중앙 버너(20)와 사이드 버너(30, 40)의 연료 공급량은 반응기의 컴팩트화 및 열변형 억제를 위해 3:7부터 7:3까지 배분되는 것이 바람직하다.As the fuel of the
반응 튜브(50)는 가열로(10)의 내부에 설치되고, 천연가스와 수증기가 수소를 포함하는 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 곳으로, 위에서 설명한 베요넷 튜브 형태일 수 있다.The
반응 튜브(50)는 가열로(10)의 중심을 기준으로 일정 반경을 갖는 가상의 원에 다수 개가 형성되며, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 12개의 반응 튜브(50)가 형성될 수 있으나, 반응 튜브(50)의 개수 및 배치구조는 이에 한정되지 않는다.A plurality of
반응 튜브(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 내관(52)과 외관(54)으로 구성되는 이중관 구조를 가질 수 있으며, 이때 내관(52)과 외관(54) 사이에는 촉매가 충진된 촉매층(56)이 형성된다.As shown in FIG. 4, the
반응 튜브(50)는 상단부만 가열로(10)에 고정될 수 있으며, 외관(54)의 하단부가 막혀 있고 내관(52)의 하단부가 뚫려 있는 형태일 수 있다.Only the upper end of the
반응튜브(50) 외곽으로 버너(20, 30, 40)의 연소 배가스가 접촉하여 열교환이 진행되며, 반응튜브(50) 상단에 공급된 원료는 내관(52)과 외관(54) 사이에 충전된 촉매층(56)을 통과하면서 개질 반응이 진행된다. 반응 튜브(50) 하단으로 빠져 나온 개질 가스는 촉매층(56) 상단보다 고온이 되고, 고온의 개질 가스는 상승관인 내관(52)을 통해 상승하면서 상단의 생성 가스 배출구로 배출되며, 이때 내관(52)을 통과하면서 촉매층(56)에 열을 전달하고 빠져 나간다.The heat exchange proceeds by the combustion exhaust gas of the
수평방향으로는 다수의 반응 튜브(50)가 이루는 가상의 원 안쪽 공간에, 그리고 수직방향으로는 배가스 배출 유도관(60)의 하부 공간에 단열재가 충전될 수 있는데, 이 경우 축열 작용에 의해 버너(20, 30, 40)에서 공급되는 열을 효율적으로 이용할 수 있다.Insulating material may be filled in the imaginary inner space of the plurality of
배가스 배출 유도관(60)은 반응 튜브(50)와 일정한 간격을 두고 반응 튜브(50)를 둘러싸도록 설치된다. 배가스 배출 유도관(60) 및 반응튜브(50) 사이에 좁은 간격으로 형성된 유로를 통과하는 배가스의 유속은 20 m/s 이상으로 증가하여 대류 전열에 의한 열전달이 극대화될 수 있다. 배가스 배출 유도관(60)의 길이는 반응 튜브(50) 길이의 30 내지 70%인 것이 바람직하다.The exhaust gas
도 2에 도시된 바와 같이, 버너(20, 30, 40)로부터 생성된 연소 배가스는 반응튜브(50) 외곽을 흐르면서 반응튜브(50)를 가열하고, 배가스 배출 유도관(60)을 통과하여 가열로(10) 하부의 챔버에서 합류한 후 배가스 배출관(70)을 통해 배출된다.As shown in FIG. 2, the combustion exhaust gas generated from the
본 발명은 다관식 수증기 개질 반응기와 그 반응기를 구성하는 새로운 가열로의 형태를 특징으로 하며, 반응튜브의 입구측에 해당하는 가열로 상판 중앙에 1기의 하향식 버너를 설치하고, 또한 가열로 상단의 측벽면에 접선방향으로 2기 이상의 버너를 설치하여 가열하는 방식을 특징으로 한다.The present invention is characterized by a multi-pipe steam reforming reactor and the form of a new heating furnace constituting the reactor, and installed one top-down burner at the center of the upper plate of the furnace corresponding to the inlet side of the reaction tube, and also the top of the heating furnace. It characterized in that the heating method by installing two or more burners in the tangential direction on the side wall surface of the.
종래기술에서는 통상 1기의 하향식 버너를 가열로 상판의 중앙에 설치하고 있으나, 버너 용량 증가에 따라 반응 튜브에 화염이 직접 접촉하여 튜브 손상을 가져 올 수 있으므로, 반응 튜브가 배열되는 가상의 튜브 배열 중심선의 직경이 커지게 된다.In the prior art, one top-down burner is usually installed at the center of the upper plate of the furnace, but as the burner capacity increases, flame may directly contact the reaction tube, resulting in tube damage. The diameter of the center line becomes large.
본 발명에서는 특히 많은 열교환량을 요구하는 반응기 입구 부분의 버너 용량을 중앙 설치 버너와 측벽면 설치 버너로 배분하여 조절 가능하므로, 기존의 1기의 하향식 버너보다 반응튜브가 배열되는 중심선의 직경을 줄일 수 있고, 이에 따라 컴팩트한 가열로 설계가 가능하다. 이때, 반응튜브의 입구측에 해당하는 가열로 상판 중앙에 설치되는 1기의 버너와 가열로 상단의 측벽면에 설치되는 2기 이상의 접선 방향 버너의 연료 공급량 합을 30 내지 70%로 배분할 수 있다.In the present invention, since the burner capacity of the reactor inlet portion, which requires a large amount of heat exchange, can be adjusted by distributing it to the central installation burner and the side wall installation burner, the diameter of the center line in which the reaction tube is arranged is reduced compared to the existing top-down burner. It is thus possible to design a compact heating furnace. At this time, the sum of the fuel supply amount of one burner installed at the center of the upper plate of the heating tube corresponding to the inlet side of the reaction tube and at least two tangential burners installed at the side wall surface of the upper side of the heating furnace may be distributed by 30 to 70%. .
반응튜브의 출구측에 해당하는 가열로 중하단부에는 튜브의 외벽면에 좁은 틈새를 가지는 배가스 배출 유도관을 설치하여 반응튜브 외곽을 지나는 배가스의 선속을 증가시켜 대류 열교환을 향상시킬 수 있다. 즉, 가열로 중하단부에 반응 튜브의 외벽면과 배가스 배출 유도관 내벽면과의 배가스 배출 유로를 구성하고, 그 배출 유로를 통과하는 배가스의 선속을 20 m/s 이상으로 하여 대류 열교환을 극대화할 수 있다. 또한, 배가스 배출 유도관의 길이는 반응 튜브의 30 내지 70%로 조절하여 열교환량을 개선시킬 수 있다.In the lower and lower ends of the heating furnace corresponding to the outlet side of the reaction tube, an exhaust gas discharge induction pipe having a narrow gap may be installed on the outer wall of the tube to increase the flux of the exhaust gas passing through the outside of the reaction tube to improve convective heat exchange. That is, an exhaust gas discharge flow path is formed between the outer wall surface of the reaction tube and the inner wall surface of the exhaust gas discharge induction tube at the middle and lower ends of the heating furnace, and the convection heat exchange can be maximized by setting the flux of the exhaust gas passing through the discharge flow path to 20 m / s or more. Can be. In addition, the length of the exhaust gas discharge induction pipe can be adjusted to 30 to 70% of the reaction tube to improve the heat exchange amount.
[실시예][Example]
도 1과 같은 SMR 반응기를 제작하였다. 구체적으로, 가열로(10)에 하향 연소(Top firing) 방식의 중앙 버너(20)를 연소부 중심에 설치하고, 중앙 버너(20) 화염이 직접 접촉되지 않는 반경의 동심원 상에 베요넷 반응 튜브(50) 12기를 배치하였다. 가열로(10) 상단 측면에 접선 방향으로 측면 연소(Side firing) 방식의 사이드 버너(30, 40)를 2기 설치하였다. 따라서 베요넷 반응 튜브(50) 상단부는 내외측에서 수직 방향으로 분사되는 중앙 버너(20)와 측면에서 가열로(10) 벽면을 타고 선회하는 사이드 버너(30, 40)의 화염에 의해 복사 전열에 의한 열전달을 유도하였다. 전체 베요넷 반응 튜브(50) 길이 방향의 하단 쪽 절반에는 베요넷 반응 튜브(50)의 외관(54)의 외벽과 좁은 간격을 유지하는 배가스 배출 유도관(60)을 설치하여 좁은 틈으로 연소 배가스가 배출되도록 하여 대류 전열에 의한 열전달이 극대화될 수 있는 구조를 채택하였다. 배가스 배출 유도관(60)을 통과해서 가열로(10) 하단부의 챔버에서 합류한 배가스가 가열로(10) 밖으로 배출되는 배가스 배출관(70) 부분만이 비대칭 구조이며, 그 밖의 모든 구조는 대칭 구조로 구성하였다. 기본 설정 조건을 표 1에 정리하였다.An SMR reactor as shown in FIG. 1 was produced. Specifically, a top
[시험예][Test Example]
실시예에 따라 제작한 SMR 반응기의 주요 운전 변수에 대한 영향을 시험하였다. SMR 반응기의 구조 설계를 위한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하였고, 시험용 반응기의 상세 치수 결정에 활용하였다. 제작된 시험용 반응기를 이용하여 실제 운전 조건에서 SMR 반응기의 성능 평가를 수행하고 향후 설계 개선에 이용하였다.The influence on the main operating parameters of the SMR reactor fabricated according to the examples was tested. Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis for structural design of the SMR reactor was performed and used to determine the detailed dimensions of the test reactor. The test reactor was used to evaluate the performance of the SMR reactor under actual operating conditions and to be used for future design improvements.
SMR 반응기에 요구되는 주요 성능은 수소 생산량과 개질 효율이다. 이중 개질 효율은 수소 제조 장치 전체 공정의 에너지 수지에서 계산 가능하며, 공급된 원료 천연가스 및 연료 천연가스 총 발열량 대비 생산되는 수소의 발열량 비로 정의할 수 있다. CFD 해석에서는 SMR 반응기 본체만을 해석 대상으로 하고 있으므로, 개질 효율에 직접적으로 영향을 미치는 두 가지 지표를 사용하여 간접적으로 성능을 비교하였다.The main performance required for SMR reactors is hydrogen production and reforming efficiency. The dual reforming efficiency can be calculated from the energy balance of the entire process of the hydrogen production apparatus, and can be defined as the ratio of the calorific value of hydrogen produced to the total calorific value of the supplied natural gas and fuel natural gas. In CFD analysis, only the SMR reactor body was analyzed, so the performance was indirectly compared using two indicators that directly affect the reforming efficiency.
첫 번째 지표는 메탄 전환율이다. 메탄 전환율은 공급된 원료 천연가스가 수소를 포함하는 가스로 전환되는 비율을 나타내는 값으로, 메탄 전환율이 커질수록 동일한 원료 공급량에 대해 생산 수소량이 증가하게 된다. 수증기 개질 반응은 평형 반응이므로 반응 온도와 압력 조건이 결정되면, 평형 메탄 전환율을 계산하여 SMR 반응기의 운전 조건을 결정할 수 있다.The first indicator is methane conversion. The methane conversion rate is a value representing the rate at which the supplied raw natural gas is converted to a gas containing hydrogen. As the methane conversion rate increases, the amount of hydrogen produced is increased for the same raw material supply. Since the steam reforming reaction is an equilibrium reaction, once the reaction temperature and pressure conditions are determined, the equilibrium methane conversion can be calculated to determine the operating conditions of the SMR reactor.
두 번째 지표는 연료 이용률로서, 원하는 평형 메탄 전환율 기준으로 SMR 반응기를 운전하기 위해 필요한 연료 천연가스 발열량 대비 SMR 반응기에서 이용되는 열량의 비를 말한다. SMR 반응기 본체만을 기준으로 하면 연료 이용률을 극대화하는 것이 유리하나, 실제 수소 제조 장치는 촉매층에 열을 공급하고 배출되는 연소 배가스를 이용하여 반응 원료인 수증기 생산 및 원료 예열을 하고 있으므로, 연료 이용률의 적정 값이 공정 구성에 따라 다를 수 있다. 일반적으로 연료 이용률을 간단한 지표로 표시하는 방법으로 R/B를 사용하고 있다. R/B는 원료 천연가스 공급량 대비 버너 연료 천연가스 공급량의 비로 정의한다.The second indicator is the fuel utilization, which is the ratio of the calorific value used in the SMR reactor to the fuel natural gas calorific value required to operate the SMR reactor based on the desired equilibrium methane conversion rate. It is advantageous to maximize fuel utilization on the basis of the SMR reactor body only. However, since the actual hydrogen production apparatus supplies heat to the catalyst layer and uses the exhaust gas exhausted to produce the steam to produce reaction and preheat the raw material, the fuel utilization ratio is appropriate. The value may vary depending on the process configuration. In general, R / B is used as a simple indicator of fuel utilization. R / B is defined as the ratio of burner fuel natural gas supply to raw material natural gas supply.
CFD 해석의 편이성을 위해서 공급 천연가스량은 70% 이상의 메탄 전환율을 달성할 경우 150 N㎥/h 이상의 수소 생산량을 달성할 수 있는 값으로 결정하였고, 수증기 개질의 주요 반응 조건인 수증기 혼합비는 공정 안정성을 고려하여 S/C = 3.0으로 설정하였다. 버너는 예열된 공기를 사용하는 방식으로 설정하였고 버너 예열 공기 온도는 250℃로 설정하였다. 예열 공기 온도를 250℃로 결정한 것은 상온 공기를 사용할 경우 보다 동일한 연료량에서 예열 공기를 사용할 경우 통상적으로 5% 이상의 메탄 전환율 향상을 얻을 수 있기 때문이다. 통상적으로 예열 공기 온도 350℃ 이하에서는 특수한 버너를 쓰지 않고도 예열 공기 방식으로 버너를 사용할 수 있기 때문에 예열 공기 온도를 250℃로 하였다. 실제로 가능한 예열 공기 온도는 전체 반응 시스템 구성과 관련이 있으며, 통상적으로 연소 배가스는 수증기 발생기의 열원으로 사용하고 있으므로, 수증기 발생기에 폐열을 공급하고 배출되는 연소 배가스의 온도가 공기 예열 온도의 상한값을 결정한다.For the convenience of CFD analysis, the amount of natural gas supplied was determined to achieve hydrogen production of 150 Nm3 / h or more when 70% or more of methane conversion was achieved, and the steam mixing ratio, which is the main reaction condition for steam reforming, was used to improve process stability. Considering this, S / C = 3.0 was set. The burners were set in such a way as to use preheated air and the burner preheat air temperature was set to 250 ° C. The preheating air temperature was determined to be 250 ° C. because the use of preheating air at the same fuel volume would normally result in an improvement in methane conversion of at least 5%. In general, the preheating air temperature is set to 250 ° C because the burner can be used as a preheating air method without using a special burner at the preheating air temperature of 350 ° C or less. Actually possible preheat air temperature is related to the overall reaction system configuration, and since combustion flue gas is usually used as a heat source for the steam generator, the temperature of the combustion flue gas which supplies waste heat to the steam generator and discharges determines the upper limit of the air preheat temperature. do.
주요 운전 변수는 첫째 R/B, 둘째 상단 버너(Top) 및 측면 버너(Side) 연료 배분 비율이다.The main operating variables are first R / B, second top burner and side burner fuel allocation ratios.
그 밖에 베요넷 튜브 하단부에 설치되어 연소 배가스가 높은 선속으로 통과하게 구성된 슬리브 방식의 연소배가스 배출 유로의 유효성을 확인하기 위해, 슬리브가 있는 경우와 없는 경우를 동일한 운전 조건에서 비교하였으며, 베요넷 튜브 외벽면의 온도를 분석하여 국부 고온부 형성 여부를 확인하여 장치 내구성에 대해서도 일부 확인하였다.In addition, in order to confirm the effectiveness of the sleeve-type flue gas discharge flow path installed at the lower end of the bayonet tube to allow combustion flue gas to pass through at a high velocity, the case with and without the sleeve was compared under the same operating conditions. The temperature of the outer wall was analyzed to confirm the formation of local hot spots, and the device durability was partially confirmed.
운전 변수별 영향을 비교하기 위해서, 기준 조건을 첫째 R/B = 2.0, 둘째 예열 공기 온도 = 250℃, 셋째 버너 부하 배분: Top:Side = 50:50으로 선정하였고, 주요 변수별 영향은 기준 조건과의 차이를 통해 비교 분석하였다.In order to compare the effect by operating variables, the reference conditions were selected as 1st R / B = 2.0, 2nd preheated air temperature = 250 ℃, 3rd burner load allocation: Top: Side = 50:50 Comparative analysis was performed through the difference between and.
먼저, 열교환 개선용 슬리브의 영향을 살펴보면, 기준 조건에서 슬리브의 영향을 비교하기 위해 슬리브가 없는 경우와 있는 경우의 결과를 도 5에 비교하여 나타내었다. 동일한 반응 원료량에 대해 동일한 R/B로 운전하더라도 슬리브가 있는 경우 촉매층 출구 온도가 높은 값을 나타내었고(도 5 첫 번째 도면), 이에 따라 메탄 전환율도 높은 값을 나타내었다(도 5 두 번째 도면). 슬리브의 설치로 연소배가스의 열이 더욱 효과적으로 개질 촉매층으로 전달되고 있음을 나타낸다.First, referring to the influence of the sleeve for improving heat exchange, the results of the case without the sleeve in order to compare the effect of the sleeve in the reference conditions are shown in comparison with FIG. Even when operating at the same R / B for the same amount of reaction raw material, when the sleeve is present, the catalyst bed outlet temperature shows a high value (FIG. 5 first drawing), and accordingly, a methane conversion rate also shows a high value (FIG. 5 second drawing). ). The installation of the sleeve indicates that the heat of the flue-gas is more effectively transferred to the reforming catalyst bed.
다음, 상단(중앙)과 측면(사이드) 버너 부하 배분의 영향을 살펴보았다. 본 발명에서는 상단에서 하단으로 분사되는 버너 1기와 원통형 퍼니쓰 내벽의 접선 방향으로 분사되는 2기의 측면 분사 버너를 사용하고 있다. 동일한 R/B와 예열공기 온도에서 이러한 2종류의 버너에 공급되는 연료량의 비를 조절하여 SMR 반응기의 운전 특성을 살펴보았다. 도 6의 첫 번째 도면은 전체 연료당 대비 상단 버너에 공급되는 연료량 분율에 따른 촉매층 출구온도와 메탄 전환율의 변화를 도시한 것이다. 상단 버너에 측면 버너만 사용하는 경우부터 상단 버너에 40%, 50%, 60%까지 전체 연료량의 비를 증가하더라도 촉매층 출구 온도와 메탄 전환율에 큰 차이는 없었으나, 측면 버너를 사용하지 않는 경우 촉매층 출구온도와 메탄 전환율이 크게 증가하였다. 이는 반응기 길이 방향에 따른 촉매층 온도 분포 변화를 도시한 도 6의 우상측 도면과 반응기 길이 방향에 따른 메탄 전환율 분포 변화를 도시한 도 6의 좌하측 도면에서도 확인할 수 있다.Next, we looked at the effects of top (center) and side (side) burner load allocation. In the present invention, one burner sprayed from the upper end to the lower end and two side spray burners sprayed in the tangential direction of the cylindrical furnace inner wall are used. The operating characteristics of the SMR reactor were examined by controlling the ratio of the amount of fuel supplied to these two burners at the same R / B and preheating air temperature. 6 shows the change of the catalyst bed outlet temperature and the methane conversion rate according to the fuel amount fraction supplied to the upper burner relative to the total fuel. There was no significant difference in the catalyst bed outlet temperature and the methane conversion rate even if the ratio of the total fuel amount was increased from 40%, 50%, 60% to the upper burner to the upper burner, but the catalyst bed was not used when the side burner was not used. The outlet temperature and methane conversion increased significantly. This can be seen in the upper right side of FIG. 6 showing the change of the catalyst bed temperature distribution along the reactor length direction and the lower left side of FIG. 6 showing the change of methane conversion rate distribution along the reactor length direction.
도 7의 첫 번째 도면에 의하면, 상단버너에 버너 연료를 공급하지 않고 측면버너에 100% 연료를 공급할 경우에는, 배가스 배출 슬리브를 설치하지 않은 튜브 외벽 온도는 높게 유지되고, 배가스 배출 슬리브를 설치한 반응 튜브 출구쪽 절반 부분의 튜브 외벽 온도가 평균적으로 낮은 온도 분포를 나타내어, 반응 튜브 상단의 튜브 내구성이 저하될 수 있다.According to the first drawing of FIG. 7, when 100% fuel is supplied to the side burner without supplying burner fuel to the upper burner, the tube outer wall temperature without the exhaust gas discharge sleeve is maintained at a high level, and the exhaust gas discharge sleeve is installed. The tube outer wall temperature at the half portion of the reaction tube outlet may exhibit a low temperature distribution on average, resulting in lower tube durability at the top of the reaction tube.
도 8의 두 번째 도면에 의하면, 상단버너에 버너 연료를 100% 공급하고 측면버너에 연료를 공급하지 않을 경우에는, 배가스 배출 슬리브를 설치하지 않은 튜브 외벽 온도는 낮게 유지되고, 배가스 배출 슬리브를 설치한 반응 튜브 출구쪽 절반 부분의 튜브 외벽 온도가 평균적으로 높은 온도 분포를 나타내어, 반응 튜브 하단의 튜브 내구성이 저하될 수 있다.According to the second view of FIG. 8, when 100% of burner fuel is supplied to the upper burner and no fuel is supplied to the side burner, the tube outer wall temperature without the exhaust gas discharge sleeve is kept low, and the exhaust gas discharge sleeve is installed. The tube outer wall temperature at one half of the outlet of the reaction tube exhibits a high temperature distribution on average, resulting in lower tube durability at the bottom of the reaction tube.
따라서, 상단과 측면버너의 부하 배분은 상단버너 : 측면버너 간의 비율을 30 : 70 혹은 70 : 30의 비율로 조절하는 것이 반응 튜브 내구성을 고려하여 바람직하다.Therefore, load distribution of the top and side burners is preferably adjusted in consideration of the reaction tube durability in the ratio between the top burner and the side burners at a ratio of 30:70 or 70:30.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
In the detailed description of the present invention described above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but a person of ordinary skill in the art does not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations can be made in the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
10: 가열로
20: 중앙 버너
30, 40: 사이드 버너
50: 반응 튜브
52: 내관
54: 외관
56: 촉매층
60: 배가스 배출 유도관
70: 배가스 배출관10: heating furnace
20: central burner
30, 40: side burner
50: reaction tube
52: inner tube
54: appearance
56: catalyst layer
60: exhaust gas discharge induction pipe
70: exhaust gas discharge pipe
Claims (7)
가열로 내부에 설치되고, 원료 천연가스와 수증기가 수소를 포함하는 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어나는 다수의 반응 튜브;
가열로의 중앙에 설치되고, 연료 천연가스를 연소시켜 배가스를 발생시키면서 반응 튜브를 가열하는 중앙 버너; 및
가열로의 측면에 설치되고, 연료 천연가스를 연소시켜 배가스를 발생시키면서 반응 튜브를 가열하는 적어도 하나의 사이드 버너를 포함하는 다관 원통형 수증기 개질기.
Heating furnace;
A plurality of reaction tubes installed inside the furnace and undergoing a reforming reaction in which the raw natural gas and steam are converted into a reforming gas containing hydrogen;
A central burner installed at the center of the furnace and heating the reaction tube while burning the fuel natural gas to generate exhaust gas; And
A multi-tube cylindrical steam reformer installed on the side of the furnace and including at least one side burner for heating the reaction tube while burning fuel natural gas to generate flue gas.
사이드 버너는 가열로의 측면에 접선 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 다관 원통형 수증기 개질기.
The method of claim 1,
A side burner is a multi-tube cylindrical steam reformer, characterized in that it is installed in the tangential direction on the side of the furnace.
적어도 2개의 사이드 버너가 좌우 대칭적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 다관 원통형 수증기 개질기.
The method of claim 2,
A multi-tube cylindrical steam reformer, characterized in that at least two side burners are installed symmetrically.
중앙 버너와 사이드 버너의 연료 공급량은 3:7부터 7:3까지 배분되는 것을 특징으로 하는 다관 원통형 수증기 개질기.
The method of claim 1,
A multi-tube cylindrical steam reformer characterized in that the fuel supply of the central burner and the side burner is distributed from 3: 7 to 7: 3.
반응 튜브와 간격을 두고 반응 튜브를 둘러싸도록 설치되는 배가스 배출 유도관을 추가로 포함하는 다관 원통형 수증기 개질기.
The method of claim 1,
A multi-tube cylindrical steam reformer further comprising a flue gas discharge induction tube disposed to surround the reaction tube at intervals from the reaction tube.
반응 튜브와 배가스 배출 유도관 사이에 형성된 유로를 통과하는 배가스의 유속은 20 m/s 이상인 것을 특징으로 하는 다관 원통형 수증기 개질기.
The method of claim 5,
A multi-tube cylindrical steam reformer characterized in that the flow rate of the exhaust gas passing through the flow path formed between the reaction tube and the exhaust gas discharge induction pipe is 20 m / s or more.
배가스 배출 유도관의 길이는 반응 튜브 길이의 30 내지 70%인 것을 특징으로 하는 다관 원통형 수증기 개질기.The method of claim 5,
A multi-tube cylindrical steam reformer, characterized in that the length of the exhaust gas discharge induction pipe is 30 to 70% of the length of the reaction tube.
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