KR20150028295A - 증기 개질기, 모듈 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 단부, 제 2 단부, 일반적으로 쉘의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로(46), 및 상기 쉘의 제 2 단부 주위에 배치된 적어도 하나의 열원(30)을 구비하는 쉘(10)을 포함하는, 수소 개질유의 제조를 위한 증기 개질기에 관한 것이다. 상기 쉘은 상기 쉘 캐비티(20) 내에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 열적 방출 및 높은 복사 방출 재료를 포함하는 적어도 하나의 복사 도관 부재(40)를 포함한다. 상기 쉘은 그 일부가 상기 쉘 캐비티 내에 그리고 상기 적어도 하나의 도관 부재 주위에 배치되고 적어도 하나의 개질 촉매를 포함하는 적어도 하나의 반응기 모듈(50)을 추가로 포함한다. 본 발명은 증기 개질기를 사용하여 수소 개질유를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 면 대 면 복사 및 대류 열전달을 통해서 증기 반응기 모듈(들)과 상호작용하는 연소 배기를 생성하도록 버너에서 연소성 혼합물을 연소시키는 단계, 그리고 수소 함유 개질유를 생성하도록 증기 개질기에서 증기와 혼합된 탄화수소 연료를 개질시키는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 상술한 증기 개질기와 함께 사용하기 위한 반응기 모듈과 수소 개질유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

증기 개질기, 모듈 및 사용 방법{STEAM REFORMERS, MODULES, AND METHODS OF USE}
본원은 참고로 본원에 합체된 2012년 6월 14일자 출원된 미국 가출원 제 61/659,898호의 유익을 청구한다.
본 발명은 수소 개질유(hydrogen reformate)의 제조를 위한 증기 개질기, 증기 개질기에서 사용하기 위한 반응기 모듈, 및 개질기 또는 모듈을 사용하여 수소 개질유를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
증기 개질(Steam reforming)은 메탄과 같은 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 방법이다. 증기 개질의 기초 화학은 "합성 가스", 1차 수소, 물, 일산화탄소 및 이산화탄소의 혼합물 뿐 아니라 암모니아 합성을 위한 질소를 제조하기 위하여 탄화수소와 물의 온도 구동 반응을 사용한다. 이러한 합성 가스는 질소가 단지 한 원소의 행적양(trace amount)일 수 있는 "개질유"로서 가끔 더욱 일반적으로 기술된다.
"증기 개질기" 또는 "버너/개질기 조립체"는 2개의 유동 영역을 포함할 수 있다. 제 1 영역은 예를 들어 연료 및 산소의 연소에 의해서 제조되고 "연소 구역"으로 칭하는, 고온 가스로부터 열 에너지를 제공할 수 있다. 제 2 영역은 연료와 증기 사이의 흡열 증기 개질 반응을 허용하고 "개질 구역", "개질기 모듈" 또는 "개질 튜브들"로 불려진다. 이들 2개의 유동 영역들은 열교환 경계에 의해서 대체로 물리적으로 분리된다.
증기 개질에서의 하나의 도전은 원하는 반응 온도에서 반응을 유지하기 위하여 열교환 경계를 통해서 충분한 에너지를 전달하는 것이다. 반응 온도는 탄화수소 변환 평형상태 및 반응 운동에 영향을 미친다. 개질 구역에서 높은 반응 온도는 낮은 열전달 저항, 높은 탄화수소 변환, 및 개질유에서 남아있는 소량의 잔여 탄화수소에 대응한다. 이 반응은 예를 들어, 니켈, 귀금속 또는 특수 증진제(promoter)를 함유하는 다른 재료와 같은 재료를 함유하는 촉매를 사용하여 가속화될 수 있다.
그러나, 높은 반응 온도는 열교환 경계 및/또는 촉매의 금속 구성요소에서 심각한 열적 응력, 부식, 크리프(creep) 및 피로 현상을 유발할 수 있다. 반대로, 개질 구역에서 낮은 반응 온도는 금속 응력, 부식, 크리프 및 피로 현상을 감소시킬 수 있고 낮은 탄화수소 변환을 유도할 수 있다. 개질유에서 다량의 탄화수소는 차후 수소 분리 스테이지에서 어려움을 유발할 수 있다. 또한, 개질유에 남겨진 탄화수소가 많을 수록, 증기 개질기 시스템에서의 효율은 작아진다. 이는 제조된 단위 수소당 고비용의 수소 및 높은 수준의 이산화탄소 (그린하우스 가스) 방출량을 유도한다.
대규모의 산업용 증기 개질기들은 종종 "고온 가스 침해" 유형의 버너 모듈에 의해서 둘러싸인 열교환 경계로서 다중 개질기 튜브들을 사용한다. 버너 연료 공기 혼합물은 상단으로부터 그리고/또는 하단으로부터 튜브들 둘레의 공간에서 개질기 튜브들을 향하여 직접, 튜브들을 따라서 또는 개질기에 평행하게 발화될 수 있다.
이러한 증기 개질기들과 같은 개질 구역들은 종종 고온(>850℃) 및 고압(-30 바아 만큼 높은)에서 작동하고, 튜브들의 사용 수명을 연장하기 위하여 소수의 시동-가동중지 사이클로 연속적으로 운영된다. 반응기 튜브들의 길이를 따라 온도 프로파일을 제어하기 위하여, 대규모 산업용 개질기는 통상적으로 단일 버너가 사용되는 경우에 요구되는 높은 국부적인 온도를 회피하기 위하여 개질기 튜브들을 따라 다중 버너 헤드들을 사용한다.
중심 개질 공장 구성의 큰 비용으로 인하여, 수소 경제의 많은 경제 조사들은 예를 들어 기기 또는 다른 디바이스들에서 사용하기 위한 소규모 분배 수소 제조의 잠재적인 장점에 주목한다. 많은 적용을 위하여, 수소의 수요량은 간헐적이다(비제한성 예는 잔여 규모의 수소 재연료화 기기, 상업용 수소 기기, 개질유 제조 기기, 조합형 열 및 전력(CHP) 기기, 및 조합형 열, 수소 및 전력(CHHP) 기기에 대한 연료 전지 집단 기능을 하는 수소 연료화 스테이션 또는 CNG/H2 가능 차량을 포함한다). 효율적으로 운영하기 위하여, 이들 수소 제조 디바이스들은 그 성능과 구조적 통합성을 유지하면서 많은 회수 만큼 시동 및 정지되어야 한다. 소규모의 개질기들은 일반적으로 비용, 공간 요구량 및 단계적 연소의 복잡성을 감당한 여유가 없고, 종종 개질 반응에 열을 공급하기 위하여 제위치 연소에서 단일 스테이지를 사용한다. 그러나, 단일 스테이지 연소는 종종 결과적으로 개질기 튜브들에 국부적으로 고온을 유도할 수 있다. 빈번한 시동-가동중지 사이클 및 온도 초과(temperature excursion)는 개질기 구성요소들에 큰 열적 구배와 극고온(temperature spike)에 노출되게 하고, 이들은 모두 높은 열적 응력을 유발하고, 비교적 짧은 시간 주기에서 고장을 잠재적으로 유도한다. 추가로, 열전달 효과는 그 온도 하강으로 인하여 연소 생성물 유동 방향으로 따라 감소된다(즉, 열전달 이론은 4차 전력에 대한 온도를 갖는 열 유속 눈금의 복사 구성요소를 제공한다).
종래 기술의 증기 개질기와는 대조적으로, 본 발명은 비용 효과적인(감소된 자본, 증가된 효율 및 강화된 수명) 증기 개질기 아키텍쳐를 제공하고, 상기 증기 개질기 아키텍쳐에서, 적어도 하나의 버너 구역은 모두 일반적으로 열교환 경계부를 따를 뿐 아니라 양호하게는 유동 방향인 복사 및 대류성 열전달을 도모하도록 설계되고 구성된다. 본원에 개시된 증기 개질기는 종래 시스템의 상기 및 기타 제한사항들을 극복하는 것을 목표로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 수소 개질유의 제조를 위한 증기 개질기를 제공하는 것이다.
증기 개질기는 캐비티를 구비한 쉘, 및 상기 캐비티로 공급된 유체를 가열하도록 구성된 적어도 하나의 열원을 포함한다. 상기 쉘은 열적 방출 재료를 포함하고 일반적으로 관통 연장되는 통로를 구비하는 적어도 하나의 도관 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 통로는 상기 열원으로부터 상기 캐비티로 상기 가열된 유체를 안내한다. 다른 실시예에서, 상기 도관 부재는 적어도 부분적으로 캐비티 내에 배치된 복사 및/또는 방출 도관 부재이다. 아직 다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 도관 부재의 제 1 단부는 상기 캐비티와 유체 교통하고, 상기 도관의 제 2 단부는 적어도 하나의 열원과 유체 교통할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 도관 부재는 캐비티 내에 복사 방출면을 제공하는 열적 방출 재료를 포함한다.
상기 쉘은 상기 가열된 유체에 의해서 공급된 열을 받기 위하여 상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 도관 부재에 의해서 공급된 복사 열을 받기 위하여 상기 적어도 하나의 도관 부재 주위에 위치한, 적어도 하나의 반응기 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 반응기 모듈 중 적어도 하나는 적어도 하나의 개질 촉매를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 쉘은 캐비티 주위에 배치된 적어도 하나의 절연 부재를 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가열된 유체가 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재의 통로를 가로질러 상기 캐비티로 횡단할 때, 열은 흡수되어서 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재에 의해서 상기 캐비티 안으로 복사될 수 있다.
상기 쉘은 상기 적어도 하나의 도관 부재의 제 1 단부 주위에 배치된 적어도 하나의 편향체를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 편향체는 적어도 하나의 도관 부재의 제 1 단부와 적어도 하나의 반응기 모듈 사이에 개재될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 목적은 쉘을 포함하는 수소 개질유의 제조를 위한 증기 개질기를 제공하는 것이며, 상기 쉘은 원통형이고 캐비티, 하단 부분, 상단 부분 및 절연 부재를 포함한다. 상기 하단 부분은 일 실시예에서 캐비티에 공급된 유체를 가열하도록 구성된 열원을 포함하는 개구와, 양 단부들에서 개구들을 포함하는 탄화 규소 중공 도관을 포함할 수 있다. 탄화 규소 중공 도관의 제 1 단부는 캐비티 내에 배치될 수 있고 캐비티 안으로 개방되고, 상기 탄화 규소 중공 도관의 제 2 단부는 상기 쉘 하단에 부착되고 쉘 외부로 개방될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 열원은 도관 제 2 단부와 유체 교통하고 탄화 규소 중공 도관은 열원으로부터 캐비티로 가열된 유체를 안내할 수 있다. 본원에서 사용되는, 중공은 탄화 규소 중공 도관이 제 1 단부, 중공 내부 및 탄화 규소 중공 도관의 제 2 단부의 유체 연결에 의해서 열원으로부터 쉘 캐비티로의 통로를 포함할 수 있도록 빈 내부를 의미하는 것으로 이해된다. 다른 실시예에서, 탄화 규소 중공 도관은 탄화 규소 중공 도관의 중공 내면 또는 외부면 상의 표면 코팅부를 포함할 수 있다.
상기 원통형 쉘의 상단 부분은 가열된 유체 의해서 공급된 열을 받기 위하여 캐비티 안으로 연장되는 원통형 반응기 모듈을 받도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 원통형 반응기 모듈은 적어도 하나의 개질 촉매를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 반응기 모듈의 일부는 캐비티에 대한 부착부 없이 캐비티 내에 자유롭게 매달릴 수 있다. 다른 실시예에서, 캐비티 내에 배치된 반응기 모듈의 일부는 도관에 의해서 공급된 복사 열을 받기 위하여 탄화 규소 중공 도관 주위에 배치될 수 있다. 아직 다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 원통형 반응기 모듈과 탄화 규소 중공 도관 사이의 공간은 도관으로부터 적어도 하나의 반응기 모듈을 열적으로 격리시키도록 설계된 절연부, 패킹 또는 다른 재료가 없을 수 있다. 일부 실시예에서, 원통형 쉘의 외부에 잔류하는 적어도 하나의 반응기 모듈의 일부는 원통형 쉘의 상단 부분에 개별적으로 그리고 제거가능하게 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 원통형 쉘의 외부에 잔류하는 적어도 하나의 반응기 모듈의 일부는 원통형 쉘의 하단 부분에 개별적으로 그리고 제거가능하게 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 하나 이상의 반응기 모듈의 개별적인 삽입, 제거, 및/또는 교체를 허용할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 증기 개질기는 쉘 내면과 반응기 모듈 사이의 캐비티 주위에 배치된 절연 부재를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반응기 모듈에 대면하는 절연 부재의 한 표면은 복사 도관 부재와 반응기 모듈로부터의 복사 열과, 가열된 유체를 다시 반응기 모듈로 반사하도록 성형될 수 있다.
상기 쉘은 적어도 하나의 절연 부재 주위에 배치된 적어도 하나의 반사체를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 반사체는 적어도 하나의 절연 부재와 적어도 하나의 반응기 모듈 사이에 개재될 수 있다.
따라서, 본 발명의 또다른 목적은 상술한 증기 개질기의 열원에 의해서 유체를 가열하는 단계, 반응기 모듈을 가열하기 위하여 가열된 유체를 적어도 하나의 복사 도관 부재를 통해서 상기 캐비티와 교통시키는 단계, 상기 반응기 모듈 내의 반응물의 적어도 일부를 수소 개질유로 개질시키는 단계를 포함하는, 수소 개질유 제조 방법을 제공하는 것이다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상술한 증기 개질기의 도관 부재를 열원으로 가열하는 단계와 적어도 하나의 도관 부재로부터 반응기 모듈로 열을 복사하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 유체를 열원으로 가열하는 단계, 적어도 하나의 복사 도관 부재를 가열된 유체로 가열하는 단계, 적어도 하나의 도관 부재로부터의 열을 반응기 모듈로 복사시키는 단계, 그리고 반응기 모듈 내의 반응물 스트림의 적어도 일부를 수소 개질유로 개질시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 목적은 반응기 모듈을 제공하는 것이다. 일부 실시예에서, 반응기 모듈은 캐비티와, 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치된 튜브 조립체를 구비한 열적 전도성 쉘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 튜브 조립체는 열적 전도성 쉘에 의해서 전도된 열을 받기 위하여 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 촉매층을 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 촉매층은 적어도 하나의 개질 촉매를 포함한다. 다른 실시예에서, 개질 촉매는 증기 개질 촉매, 사전 증기 개질 촉매, 산화 촉매, 부분 산화 촉매 및 물 가스 변환 촉매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 개질 촉매는 예를 들어, 거품, 모노리식, 구형체, 정제, 원통형, 별형, 3개의 로브형, 4개의 로브형, 펠릿, 입자형, 벌집형, 큐브형, 판형, 펠트, 입자, 분말, 망상형 거품, 거품 페일릿/칩/원판, 금속, 금속 합금 및/또는 세라믹 지지체, 및 그 조합물들을 포함하는 임의의 형태 또는 구조 및 임의의 적당한 크기일 수 있다. 일부 실시예에서, 개질기 촉매는 촉매 열 변환기, 금속 또는 금속 합금 지지체 또는 탄소 나노튜브 또는 상술한 임의의 것들에 배치되거나 또느 코팅될 수 있다.
아직 다른 실시예에서, 튜브 조립체는 또한 적어도 하나의 반응물 스트림을 적어도 하나의 촉매층의 적어도 일부에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 채널, 및 적어도 하나의 촉매층의 적어도 일부로부터 적어도 하나의 생성물 스트림을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 튜브 조립체는 또한 적어도 하나의 제 1 채널의 적어도 일부와 적어도 하나의 제 2 채널의 적어도 일부 사이에 개지된 적어도 하나의 분할벽을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열은 생성물 스트림의 적어도 일부와 반응물 스트림의 적어도 일부 사이의 적어도 하나의 분할벽을 통해서 교환될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 열교환은 실질적으로 캐비티 내에서 실행된다. 다른 실시예에서, 반응물 스트림의 적어도 일부가 적어도 하나의 개질 촉매의 적어도 일부와 상호작용할 때, 반응물 스트림의 적어도 일부는 적어도 하나의 생성물 스트림으로 변환된다.
다른 실시예에서, 상기 반응기 모듈은 생성물 출구 포트를 포함하는 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 1 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는, 상기 제 1 유체 도관으로서, 상기 제 1 유체 도관의 통로의 적어도 일부는 적어도 하나의 개질 촉매를 포함하는, 상기 제 1 유체 도관과, 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 2 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는, 상기 제 2 유체 도관과, 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 3 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는, 상기 제 3 유체 도관과, 및 반응물 입구 포트를 포함하는 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 4 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는, 상기 제 4 유체 도관을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 제 1 및 제 4 유체 도관들의 제 2 단부들은 유체 연결되고, 상기 제 3 및 제 2 유체 도관들의 제 2 단부들은 유체 연결되고, 상기 제 4 및 제 3 유체 도관들의 제 1 단부들은 유체 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제 4 유체 도관의 통로의 적어도 일부는 적어도 하나의 개질 촉매를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 유체 도관은 제 2 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치할 수 있고, 상기 제 2 유체 도관은 제 3 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치할 수 있고, 제 3 유체 도관은 제 4 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치할 수 있다.
아직 다른 실시예에서, 제 1 유체 도관의 제 1 단부는 반응물 입구 포트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 유체 도관의 제 1 단부는 생성물 출구 포트를 포함한다.
본 발명의 추가 목적 및 장점들은 하기 설명에서 부분적으로 설명되고 부분적으로 명확해지며 본원의 실행에 의해서 학습될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 특히 첨부된 청구범위에서 지시한 요소들 및 조합들에 의해서 실현되고 달성될 것이다.
상술한 일반적 설명 및 하기 상세 설명은 모두 단지 예시적이고 설명적이며 본원을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.
통합된 첨부된 도면은 본 명세서, 본원의 예시적 실시예의 일부를 구성하고 설명과 함께 본원의 원리를 설명하는 것으로 기능한다.
도 1은 본원의 증기 개질기의 일 실시예의 내부 단면도를 도시한다.
도 2는 본원의 증기 개질기의 일 실시예의 내부 단면도를 도시한다.
도 3은 본원의 증기 개질기의 쉘의 제 1 단부를 도시한다.
도 4는 본원의 절연 부재의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본원의 증기 개질기의 일 실시예의 내부 단면도를 도시한다.
도 6은 본원의 반응기 모듈의 일 실시예의 내부 단면도를 도시한다.
도 7은 적어도 하나의 반사체를 추가로 포함하는 본원의 증기 개질기의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 적어도 하나의 편향체 및 적어도 하나의 반사체를 추가로 포함하는 본원의 증기 개질기의 일 실시예의 내부 단면도를 도시한다.
도 1은 본원의 일 실시예를 도시한다. 증기 개질기(1)는 쉘(10)을 포함할 수 있고, 쉘(10)의 일부 또는 모두는 금속, 세라믹, 고온 폴리머 등으로 구성될 수 있다. 다양한 제조 방법이 쉘(10)을 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제조는 금속 파이프, 금속 시트들을 롤링하는 것, 금속 플레이트들을 용접하는 것 또는 당기술에 공지된 다른 방법을 포함할 수 있다. 쉘(10)은 원통형, 원형, 직사각형, 길죽한 형태, 타원형, 사각형, 다른 기하학적 형태로 형성될 수 있고, 그 단면 형태는 그 길이를 따라 변화될 수 있다.
증기 개질기(1)는 쉘(10) 내에 수용된 캐비티(20)에 공급된 유체를 가열하도록 구성된 열원(30)을 포함할 수 있다. 열원(30)은 연료를 연소시키는 것, 전기를 열로 변환시키는 것, 태양 에너지를 이용하는 것 또는 그 조합 등과 같이, 당기술에 공지된 임의의 수단에 의해서 고온 가스를 생산할 수 있다. 일 실시예에서, 열원(30)은 고온 열원이다. 일부 실시예에서, 열원(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 쉘(10)의 제 2 단부 부근에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 열원(30)은 쉘(10)의 양 단부에 또는 증기 개질기(1)로부터 멀리 위치할 수 있다.
증기 개질기(1)는 또한 제 1 단부(42), 제 2 단부(44), 및 일반적으로 제 1 단부(42)와 제 2 단부(44) 사이에서 연장되는 통로(46)를 포함하는 도관 부재(40)를 포함할 수 있다. 도관 부재(40)는 원통형 튜브, 파이프 또는 임의의 다른 구조를 포함할 수 있다. 도관 부재(40)는 원형, 직사각형, 길축한 형태, 타원형 또는 다른 기하학적 형상일 수 있고 그 단면은 그 길이를 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 도관 부재(40)의 크기 및 형상은 유동 통로 뿐 아니라 복사 열전달에 노출된 열교환 경계부의 기하학적 형태(예를 들어, 유동 단면적)를 변화시키기 위하여 그 길이를 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 단부(44)는 입력부(44)로서 유체를 수용할 수 있고, 제 1 단부(42)는 출력부로서 캐비티(20) 안으로 유체를 방출할 수 있다.
일 실시예에서, 도관(40)은 캐비티(20) 안으로 열을 복사하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, (1) 구성 재료들은 도관 부재(40)에서 열 구배들에 영향을 미치도록 (예를 들어 열 전도성 및/또는 방출성의 기초에 의해서) 선택될 수 있고, 그리고/또는 (2) 도관 부재(40)의 형상 및 표면 특징 (예를 들어, 조도, 조직, 윤곽 또는 방출성 강화 또는 코팅물 감소)은 국부적인 복사성 열 유속의 강도 및/또는 지향성을 강화시키거나 또는 감소시키도록 변경될 수 있다. 도관 부재(40)는 금속, 금속 합금, 유리, 자기, 세라믹, 탄화 규소 및 그 조합물과 같은 무기 재료로 구성되고 당기술에 공지된 방법으로 제조될 수 있다. 도관 부재(40)는 열적 순환, 고온 및 열적 충격에 견고하고 양호한 열전달 특징을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도관 부재(40)는 금속, 금속 합금, 유리, 자기, 세라믹, 탄화 규소 및 그 조합물로부터 선택된 적어도 하나의 열 방출성 재료를 포함할 수 있다. 금속의 비제한성 예들은 텅스텐, 니켈, 크롬, 철, 알루미늄 및 스테인레스 강을 포함한다. 금속 합금의 비제한성 예들은 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 규소, 망간, 알루미늄, 탄소 및 혼합물 또는 그 조합물 중 적어도 하나를 포함하는 합금들을 포함한다.
일 실시예에서, 금속 합금은 57% 니켈, 최대 3% 철, 최대 5% 코발트, 22% 크롬, 2% 몰리브덴, 14% 텅스텐, 0.4% 규소, 0.5% 망간, 0.3% 알루미늄, 0.10% 탄소, 0.015% 붕소 및 0.01% 란탄을 포함하고 예를 들어 Haynes 230®로서 판매된다. 다른 실시예에서, 금속 합금은 75% 니켈, 3% 철, 최대 2% 크롬, 16% 코발트, 최대 0.2% 규소, 최대 0.5% 망간, 4.5% 알루미늄, 0.04% 탄소, 0.01% 이트륨 및 최대 0.1% 지르코늄을 포함하고 예를 들어 Haynes 214®로서 판매된다. 아직 다른 실시예에서, 금속 합금은 20% 니켈, 31% 철, 18% 크롬, 22% 코발트, 3% 몰리브덴, 2.5% 텅스텐, 0.4% 규소, 1% 망간, 0.2% 알루미늄, 0.1% 탄소, 0.2% 질소, 0.6% 탄탈, 0.02% 란탄, 0.01% 지르코늄을 포함하고 예를 들어 Haynes 556®로서 판매된다. 아직 추가 실시예에서, 금속 합금은 11% 니켈, 65% 철, 21% 크롬, 최대 0.8% 망간, 1.7% 규소, 0.17% 질소, 0.07% 탄소를 포함하고 예를 들어 253MA®로서 판매된다. 일부 실시예에서, 금속 합금은 33% 철, 37% 니켈, 최대 3% 코발트, 25% 크롬, 최대 2.5% 몰리브덴, 최대 2.5% 니오븀, 0.7% 망간, 0.7% 규소, 0.6% 규소, 0.2% 질소, % 알루미늄, 0.05% 탄소 및 0.004% 붕소를 포함하고 예를 들어, Haynes HR-120® 합금으로서 판매된다. 다른 실시예에서, 금속 합금은 37% 니켈, 29% 코발트, 28% 크롬, 최대 2% 철, 2.75% 규소, 0.5% 망간, 0.5% 티타늄, 0.05% 탄소, 최대 1% 텅스텐, 최대 1% 몰리브덴, 및 최대 1% 니오븀을 포함하고 예를 들어 Haynes HR-160® 합금으로서 판매된다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 열적 방출 재료는 탄화 규소일 수 있다.
일 실시예에서, 도관 부재(40)는 고체 튜브를 포함한다. 본원에 사용된 고체(solid)는 가스 유동에 대해서 비투과성을 의미하고 고체 튜브를 포함하는 도관 부재(40)로 진입하는 가열된 유체는 통로(46) 및 제 2 단부(44)를 횡단함으로써 단지 캐비티(20)로 단지 진입할 수 있다.
일부 실시예에서, 도관 부재(40)의 제 2 단부(44)는 열원(30)과 유체 교통할 수 있다. 아직 다른 실시예에서, 도관 부재(40)의 제 1 단부(42)는 또한 캐비티(20)와 유체 교통할 수 있다. 도관 부재(40)는 제 2 단부(44)에서 주변으로 밀봉될 수 있고 유체 우회를 방지하기 위하여 즉, 유체가 도관 부재(40)의 내부로부터 제 1 단부(42)를 통과하지 않은 경로를 경유하여 도관 부재(40)의 외부로 유동하는 것을 방지하기 위하여 열원(30)으로부터 입력을 허용한다.
대류는 유체(즉, 액체, 가스) 및 라이드(rheid) 내의 분자들의 총체의 관련된 집합 운동이다. 대류성 열전달은 전달 경계의 표면 상의 유체 분자 이동에 의한 열전달이다. 대류성 열전달은 고체 재료를 통해서 발생되지 않는다. 고체, 액체 또는 정체성 가스를 통해 발생된 열 전달은 소위 전도성 열전달로 칭한다. 열 복사, 다른 유형의 열전달은 물질에서 전하 입자들의 열적 동작에 의해서 발생된 전자기 복사이다. 따라서, 고온 고체 재료는 복사 열전달에 의한 물리적 접촉 없이 다른 고체 재료를 가열할 수 있다.
일부 실시예에서, 열은 열원(30)으로부터 도관 부재(40)를 통해서 캐비티(20) 안으로 흐르는 가열 유체의 유동에 의해서 열원(30)으로부터 캐비티(20)로 대류성으로 교통할 수 있다. 도관 부재(40)는 도관 부재(40)를 가열하는 열원(30)으로부터의 유체 유동 예를 들어 연료, 산화제, 불활성 및 연소 생성물의 조합을 수용할 수 있다. 열은 그때 도관 부재(40)를 둘러싸는 영역으로 대류로 그리고 복사로 전달될 수 있다. 따라서, 초고온 표면을 가질 수 있는 도관 부재(40)는 복사성 열원으로서 작용할 수 있다. 이와 같이, 열은 도관 부재(40)의 상당 부분에 의해서 둘러싸인 표면들로 복사로 방출될 수 있다. 따라서, 임의의 실시예에서, 고체의 복사 도관 부재의 표면은 반응기 모듈의 둘러싸인 표면과 절연 부재로 복사 에너지를 방출하면서 캐비티 내의 열 수용 표면과 고온 유체 소통한다. 일부 실시예에서, 복사 도관 부재의 길이는 캐비티 내의 반응기 모듈의 길이와 유사할 수 있다. 복사 도관 부재의 길이는 복사 열전달에 영향을 미칠 수 있다.
증기 개질기(1)는 또한 수소 개질유 스트림으로의 반응물 스트림의 촉매 변환을 위한 적어도 하나의 반응기 모듈(50)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐비티 내에 배치된 반응기 모듈의 일부는 고체 복사 도관 부재의 복사면에 의해서 공급된 복사열을 받기 위하여 복사 도관 부재 주위에 배치될 수 있다. 반응기 모듈(50)은 원통형 튜브, 파이프 또는 임의의 다른 구조를 포함할 수 있다. 반응기 모듈(50)은 원형, 직사각형, 길죽한 형태, 타원형 또는 다른 기하학적 형태를 포함하고 그 단면은 그 길이를 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기 모듈(50)의 크기 및 형상은 유동 통로의 기하학적 형태(예를 들어, 유동 단면적) 뿐 아니라 복사 열전달에 노출된 열 교환 경계부를 변화시키도록 그 길이를 따라서 변화될 수 있다.
반응기 모듈(50)은 적어도 하나의 열적 전도성 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 반응기 모듈(50)은 금속, 금속 합금, 자기, 유리, 세라믹, 탄화 규소 및 그 조합물로부터 선택된 적어도 하나의 열적 대류성 및 복사성 방출 및/또는 흡수성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 개질기(50)는 고온 합금을 포함할 수 있고 그리고/또는 절삭, 용접, 주조 또는 당기술에 공지된 임의의 다른 방법에 의해서 구성될 수 있다. 금속의 비제한성 예들은 텅스텐, 니켈, 크롬, 철, 알루미늄, 스테인레스 강 및 그 혼합물 또는 그 조합물을 포함한다. 금속 합금의 비제한성 예들은 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 규소, 망간, 알루미늄, 탄소 및 그 혼합물 또는 그 조합물 중 적어도 하나의 포함하는 합금들을 포함한다.
본원의 일 실시예에서, 금속 합금은 57% 니켈, 최대 3% 철, 최대 5% 코발트, 22% 크롬, 2% 몰리브덴, 14% 텅스텐, 0.4% 규소, 0.5% 망간, 0.3% 알루미늄, 0.10% 탄소, 0.015% 붕소 및 0.01% 란탄을 포함하고 예를 들어 Haynes 230®로서 판매된다. 다른 실시예에서, 금속 합금은 75% 니켈, 3% 철, 최대 2% 크롬, 16% 코발트, 최대 0.2% 규소, 최대 0.5% 망간, 4.5% 알루미늄, 0.04% 탄소, 0.01% 이트륨 및 최대 0.1% 지르코늄을 포함하고 예를 들어 Haynes 214®로서 판매된다. 아직 다른 실시예에서, 금속 합금은 20% 니켈, 31% 철, 18% 크롬, 22% 코발트, 3% 몰리브덴, 2.5% 텅스텐, 0.4% 규소, 1% 망간, 0.2% 알루미늄, 0.1% 탄소, 0.2% 질소, 0.6% 탄탈, 0.02% 란탄, 0.01% 지르코늄을 포함하고 예를 들어 Haynes 556®로서 판매된다. 아직 추가 실시예에서, 금속 합금은 11% 니켈, 65% 철, 21% 크롬, 최대 0.8% 망간, 1.7% 규소, 0.17% 질소, 0.07% 탄소를 포함하고 예를 들어 Haynes 253MA®로서 판매된다. 일부 실시예에서, 금속 합금은 33% 철, 37% 니켈, 최대 3% 코발트, 25% 크롬, 최대 2.5% 몰리브덴, 최대 2.5% 니오븀, 0.7% 망간, 0.7% 규소, 0.6% 규소, 0.2% 질소, % 알루미늄, 0.05% 탄소 및 0.004% 붕소를 포함하고 예를 들어, Haynes HR-120® 합금으로서 판매된다. 다른 실시예에서, 금속 합금은 37% 니켈, 29% 코발트, 28% 크롬, 최대 2% 철, 2.75% 규소, 0.5% 망간, 0.5% 티타늄, 0.05% 탄소, 최대 1% 텅스텐, 최대 1% 몰리브덴, 및 최대 1% 니오븀을 포함하고 예를 들어 Haynes HR-160® 합금으로서 판매된다. 반응기 모듈은 복사 도관 부재의 표면으로부터 복사 에너지를 수용하기 위하여 고흡수성 표면을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도관 부재(40)의 길이는 복사 열전달에 영향을 미칠 수 있는 반응기 모듈(50)의 길이 이하일 수 있다. 다른 실시예에서, 도관 부재(40)의 길이는 반응기 모듈(50)의 길이보다 클 수 있다. 이 실시예에서, 복사 열전달의 제어 요소는 도관 부재(40)의 표면적의 부족일 수 있다. 아직 다른 실시예에서, 반응기 모듈(50)은 증기 매탄 개질 촉매, 사전 증기 개질, 산화, 부분 산화 또는 물 가스 변환 촉매와 같은 적어도 하나의 개질 촉매를 포함할 수 있다. 개질 촉매는 입자형, 조립상 촉매 매체와 같이 상술한 임의의 형태의 촉매층을 전체적으로 또는 부분적으로 충전하고 촉매층 안으로 삽입된 거품과 같은 지지 재료에 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 개질 촉매는 반응기 모듈(50)의 고흡수성 표면을 통해서 복사 도관 부재의 표면으로부터 복사 에너지를 흡수한다.
일부 실시예에서, 반응기 모듈(50)은 가열된 유체에 의해서 공급된 열을 받기 위하여 캐비티(20) 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 도관 부재(40)에 의해서 공급된 복사 열을 받기 위하여 도관 부재(40) 주위에 위치될 수 있다. 도관 부재(40)의 제 1 단부(42)을 나오는 열원(30)으로부터의 연소 생성물은 개질 모듈(50)의 외면과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예에서, 열은 열원(30)으로부터 도관 부재(40)를 통해서 캐비티(20) 안으로 흐르는 가열된 유체의 유동에 의해서 열원(30)으로부터 캐비티(20)로 그리고 반응기 모듈(50)로 대류성으로 교통할 수 있다.
본원의 증기 개질기의 안정 상태의 작동에서, 반응기 모듈(50)은 가열된 유체로부터의 대류성 열과 도관 부재(40)에 의해서 복사된 복사열을 포함하는 열을 받을 수 있다. 일부 실시예에서, 복사 열은 본원의 증기 개질기의 안정 상태의 작동에서 반응기 모듈(50)에 의해서 받는 전체 열의 약 10% 내지 약 90%를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 안정 상태는 일반적으로 시간에 따라 일정한 작동 상태를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 복사열은 본원의 증기 개질기의 안정된 작동 상태에서 반응기 모듈에 의해서 받는 전체 열의 약 20% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 90%, 약 70% 내지 약 90%, 약 80% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 70%, 또는 약 70% 내지 약 80%를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 복사열은 본원의 증기 개질기의 안정된 작동 상태에서 반응기 모듈에 의해서 받는 전체 열의 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 또는 약 90%를 포함한다.
일부 실시예에서, 반응기 모듈에 의해서 받는 전체 열의 복사열의 양은 본원의 증기 개질기의 안정된 상태 작동에서 반응기 모듈(50)에 의해서 받는 전체 열의 대류성 열의 양을 초과한다. 예를 들어, 반응기 모듈에 의해서 받는 복사열의 양은 본원의 증기 개질기의 안정된 작동 상태에서 반응기 모듈에 의해서 받는 대류 열의 양보다 약 10% 내지 약 200% 크고, 약 20% 내지 약 180% 크고, 약 30% 내지 약 170% 크고, 약 40% 내지 약 180% 크고, 약 50% 내지 약 150% 크고, 약 60% 내지 약 140% 크고, 약 70% 내지 약 130% 크고, 약 80% 내지 약 120% 크고, 약 90% 내지 약 110% 크다. 일부 실시예에서, 복사 열은 본원의 증기 개질기의 안정된 작동 상태에서 반응기 모듈(50)에 의해서 받는 대류 열의 양보다 큰 약 100%, 약 200%, 약 300%, 약 400%, 또는 약 450% 이다.
일부 실시예에서, 증기 개질기(1)는 쉘(10)을 보호하고 열 손실을 감소시키기 위하여 내부 또는 내면에 있는 절연 부재를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 절연 부재(60)는 쉘(10)의 내면 및 반응기 모듈(50) 주위에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 쉘(10)은 또한 캐비티(20)의 상부 부분 주위에서 쉘(10)의 내면 주위에 배치된 절연 부재(65)를 포함할 수 있다. 절연 부재(60,65)는 내화성 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, (1) 구성 재료는 (표면 온도 분포 및 관련 복사 방출에 영향을 미치는) 절연 부재(60,65)에서 열 구배들에 영향을 미치도록 (예를 들어 열 전도성 및/또는 방출성의 기초에 의해서) 선택될 수 있고, 그리고/또는 (2) 절연 부재(60,65)의 형상 및 표면 특징 (예를 들어, 조도, 조직, 윤곽 또는 방출성 강화 또는 코팅물 감소)은 국부적인 복사성 열 유속의 강도 및/또는 지향성을 강화시키거나 또는 감소시키도록 변경될 수 있다.
절연 부재(60,65)는 가공, 주조와 같은 방법 또는 당기술에 공지된 다른 방법에 의해서제조될 수 있다. 절연 부재(60,65)는 원형, 직사각형, 길죽한 형태, 타원형 또는 다른 기하학적 형태를 포함하고 그 단면은 그 길이를 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 절연 부재(60,65)의 크기 및 형상은 유동 통로의 기하학적 형태(예를 들어, 유동 단면적) 뿐 아니라 복사 열전달에 노출된 열 교환 경계부를 변화시키도록 그 길이를 따라서 변화될 수 있다.
도 2는 본원의 일 실시예를 도시하고, 여기서 복사 도관(40)은 개질 모듈(50)의 어레이 중심에 배치된 탄화 규소로 제조된 단일 원통형 튜브일 수 있다. 고온 유체는 도관의 하단으로부터 도관(40)의 통로(46)를 통해서 화살표로 표시된 도관의 상단으로 통로(46)를 횡단하여, 도관(40)의 표면을 가열한다. 이와 같이, 가열된 표면을 갖는 도관(40)은 활성 라디에이터로서 작용한다. 도관(40)으로부터 반응기 모듈(50)로의 화살표는 복사 열전달을 나타내고, 절연 부재(60)로부터 반응기 모듈(50)로의 화설표는 반응기 모듈(50)로 다시 반사된 복사열을 나타낸다. 반응기 모듈(50)은 표면 대 표면 복사 열전달을 위하여 가열된 도관(40)을 둘러싼다. 도관(40)을 나올 때 고온 가스들은 반응기 모듈(50)의 길이를 따른 곡선 화살표와 통로(46)를 나오는 화살표로 표시된 바와 같이, 대류성 열전달을 제공하는 것을 먼저는 가로질러 그리고 그후 평행하게 반응기 모듈(50)을 선회하고 통과한다. 일부 실시예에서, 통로(46)를 나오는 화살표와 반응기 모듈(50)의 길이를 따른 곡선 화살표에 의해서 표시된 대류성 열전달은 모두 반응기 모듈(50)의 원주 둘레에서 발생한다.
도관(40) 표면으로부터 큰 복사는 표면 온도가 낮아질 수 있는 개질 모듈(50)의 하부 부분을 효과적으로 가열할 수 있다. 복사는 또한 그 길이의 상당 부분에 걸쳐 반응기 모듈(50) 상의 온도 구배를 매끄럽게 할 수 있다. 도관(40)을 나오는 고온 가스의 온도는 일반적으로 도관 벽에 발생하는 복사 없이 보다 낮아질 수 있다. 표면 대 표면 복사와 대류성 열전달의 조합은 긴 개질기 수명을 달성할 때, 낮은 온도에서 그리고 동일한 열전달 듀티(heat transfer duty)에서 핵심사항을 고려하여 모듈 벽들의 절정 온도를 유지할 수 있다.
도 3은 쉘(10)의 제 1 단부(90)가 복수의 개구(70)를 포함하는 본원의 일 실시예를 도시하고, 각 개구(70)는 반응기 모듈(50)을 받도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 쉘(10)의 캐비티(20) 안으로 연장되도록 개별적으로 삽입될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 실시예의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 절연 부재(60)의 표면은 복사 반사성 표면 기하학적 형태를 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 캐비티(20) 내에 배치된 반응기 모듈(50)의 일부를 대면하는 표면은 반응기 모듈(50)의 상기 부분의 형상에 적응하도록 설형되고 반응기 모듈(50)의 상기 부분과 절연 부재(60)의 상기 표면 사이에 공간(25)을 제공하도록 크기설정될 수 있다. 고온 열 매체는 디류 열전달 비율, 유동 균일성, 압력 강하, 기계적 허용오차, 조립 조건 및 비용을 고려하여 최적의 속도로 공간(25)을 통해서 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 절연 부재의 기하학적 형태는 반응기 모듈의 표면에 도착하는 복사 요소의 표면으로부터 복사 빔이 가로막혀서 절연 부재의 표면에 의해서 반응기 모듈로 다시 편향되는 것을 제공한다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 절연 부재는 원호 형상을 포함하고 그 수는 반응기 모듈의 수와 정합한다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 절연 부재의 길이는 복사 반사 및 금속 쉘의 보호를 위하여 원통형 쉘의 길이와 동일하거나 또는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 5는 캐비티(120) 외측에 잔류하는 반응기 모듈(150)의 일부가 쉘(100)의 상단 부분(190)에 개별적으로 그리고 제거가능하게 부착될 수 있는 본원의 다른 실시예를 도시한다. 예를 들어, 부분(152)은 클램프, 볼트 또는 당기술에 공지된 다른 메카니즘과 같은 수단에 의해서 상단 부분(190)에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 부분(152)은 용접 없이 상단 부분(190)에 제거가능하게 부착될 수 있고 증기 개질기의 서비스 방법으로서 반응기 모듈(50)의 신속한 제거 및/또는 교체의 장점을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 부분(152)은 하단 부분(180)(도시생략)에 제거가능하게 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐비티(120) 내에 배치된 반응기 모듈(150)의 부분(154)은 쉘(100)의 하단 부분(180) 인근에 있는 쉘의 내면에 대한 부착부없이 내부 공간 내에 자유롭게 매달린다. 일 실시예에서, 부분(154)은 예를 들어 피그테일 파이프(pigtail pipe;도시생략) 또는 당기술에 공지된 다른 수단에 의해서 쉘(100)의 하단 부분(180) 인근에 있는 쉘의 내면에 부착될 수 있으며, 상기 피크테일 파이프는 2개의 연결 지점들 사이에 있는 가요성 가스 도관들로서 다른 열적 팽창 및/또는 변위를 허용한다. 다른 실시예에서, 캐비티(120) 내에 배치된 반응기 모듈(150)의 부분(154)은 쉘(100)의 하단 부분(180) 인근에 있는 쉘의 내면에 대한 부착부없이 내부 공간 내에 자유롭게 매달린다. 일 실시예에서, 부분(154)은 예를 들어 피그테일 파이프들과 같은 캐비티 내의 연결부들이 없다.
일부 실시예에서, 하단 부분(180)은 도관(140)이 상기 도관(140)의 제 2 단부(144)에 부착될 수 있는 개구(185)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기 모듈의 반응물 입구 포트와 생성물 출구 포트는 모두 반응기 모듈의 상단 부분 또는 반응기 모듈의 하단 부분에 부착된다. 다른 실시예에서, 반응물 입구 포트와 생성물 출구 포트는 반응기 모듈의 다른 부분들에 있다.
다른 실시예에서, 냉각 코일(160)은 개질기로부터 나오는 배기 스트림을 냉각시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 코일은 버너/개질기 조립체로부터 분리될 수 있다.
도 6은 본 발명의 반응기 모듈(50)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 반응기 모듈(50)은 외부 영역(예를 들어, 도관 부재(40) 및 절연 부재(60,65)의 표면으로부터의 복사, 도관 부재(40)로부터의 고온 가스로부터의 대류)(도시생략)으로부터 열적 입력을 수용하도록 설계된 외면을 갖는 용기일 수 있다. 열적 입력은 적어도 하나의 개질 촉매 안으로 통과하여 흡열 개질 반응을 유도할 수 있다. 반응기 모듈(50)은 용기, 튜브, 파이프, 덕트 또는 상술한 다른 구조일 수 있다.
반응기 모듈(50)은 개질기의 외측으로부터 설치 또는 교체될 수 있다. 각각의 반응기 모듈(50)은 개질기의 상단 또는 하단으로부터 설치될 수 있다. 모듈 외측 형상은 둥근, 사각형, 삼각형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 반응기 모듈(50)은 작동 압력 및 온도에 따라서 상술한 유리, 세라믹과 같은 무기 재료, 스테인레스 강, 신형 합금(exotic alloy), 금속 합금과 같은 재료로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 반응기 모듈(50)은 캐비티를 포함하고 함께 겹쳐진 다수의 유동 공간들을 수용하고 다수의 역류 유동을 유도하는 방식으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 겹쳐진 유동 공간들은 적어도 부분적으로 개질기(50)의 캐비티 내에 배치된 튜브 조립체를 포함한다. 구체적으로, 반응기 모듈(50)은 제 1 단부(210), 제 2 단부(220) 및 상기 제 1 단부(210)와 상기 제 2 단부(220) 사이의 통로를 포함하는 쉘(200)인 제 1 유체 도관을 포함한다. 반응기 모듈(50)은 또한 제 1 유체 도관의 통로 내에 배치된 제 2 유체 도관(250)을 포함할 수 있다. 제 2 유체 도관(250)은 제 1 단부(252), 제 2 단부(254) 및 통로(256)를 포함한다.
제 3 유체 도관(260)은 제 2 유체 도관(250)의 통로(256) 내에 배치되고 제 1 단부(262), 제 2 단부(264) 및 통로(266)를 포함한다. 제 4 유체 도관(270)은 제 3 유체 도관(260)의 통로(266) 내에 배치되고 제 1 단부(272), 제 2 단부(274) 및 통로(276)를 포함한다. 제 1 유체 도관(200)의 통로는 또한 적어도 하나의 개질 촉매를 포함할 수 있는 개질 촉매층(230)을 포함할 수 있다. 제 4 유체 도관(270)의 제 1 단부(272)는 반응물 입구 포트(310)를 추가로 포함하고 제 1 유체 도관(200)의 제 1 단부(210)는 생성물 출구 포트(320)를 포함한다.
제 1 유체 도관(200)의 제 2 단부(220)와 제 4 유체 도관(270)의 제 2 단부(274)는 유체 연결되어서 반응물 스트림의 유체 유동이 제 4 유체 도관(270)을 통해서 개질 촉매층(230)으로 통과할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 반응물 입구 포트(310)와 제 4 유체 도관(270)은 반응물 스트림을 촉매층(230)의 적어도 일부에 제공하도록 구성된 제 1 채널로서 작용할 수 있다.
개질 촉매층(230)은 제 1 단부(252)에 있는 제 2 유체 도관(250)에 유체 연결되어서 생성물 스트림의 유체 유동이 촉매층(230)으로부터 제 2 유체 도관(250)으로 통과할 수 있게 한다. 제 3 유체 도관(260)의 제 2 단부(264)와 제 2 유체 도관(250)의 제 2 단부(254)는 유체 연결되어서 생성물 스트림의 유체 유동이 제 2 유체 도관(250)으로부터 제 3 유체 도관(260)으로 통과할 수 있게 한다. 제 1 유체 도관(200)의 제 1 단부(210)와 제 3 유체 도관(260)의 제 1 단부(262)는 유체 연결되어서 생성물 스트림의 유체 유동이 제 3 유체 도관(260)으로부터 제 1 유체 도관(200) 및 외부 반응물 출구 포트(320)로 통과할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 제 2 유체 도관(250), 제 3 유체 도관(260), 및 제 1 유체 도관(200)은 반응물 스트림이 촉매층(230)으로부터 반응물 출구 포트(320)로 통과하도록 구성된 제 2 채널로서 작용할 수 있다.
개질 촉매층(230)으로부터 제 2 유체 도관(250) 및 제 3 유체 도관(260)으로 통과하는 고온 생성물은 생성물 스트림과 반응물 스트림 사이의 열전달에 의해서 생성물 스트림 유동에 대한 역류로서 제 4 유체 도관(270)을 통과하는 반응물 스트림을 예열할 수 있다. 개질 촉매층(230)으로부터 통과하는 고온 생성물 스트림은 또한 개질 촉매층(230)과 접촉하는 제 2 유체 도관(250)의 벽면의 상당량을 통해서 개질 촉매층(230)의 일부 또는 모두를 가열할 수 있다.
동심, 내부, 제 2 유체 도관(250), 제 3 유체 도관(260) 및 제 4 유체 도관(270)에 의해서 격벽된 역류 유동 통로를 포함하는, 도 6에 도시된 반응기 모듈은 쉘(200)의 양 단부들에 비교적 저온을 제공할 수 있다. 이러한 온도 프로파일은 용접 조건을 용이하게 하고, 임의의 작동 압력 범위 하에서 저비용의 재료 대 고비용의 신형 합금을 사용할 수 있게 한다. 따라서, 반응기 모듈(50)은 범용 스테인레스 강 파이프 및 뚜껑으로 구성될 수 있고 용접 및 당기술에 공지된 다른 방법으로 제조될 수 있다. 제 2 유체 도관(250), 제 3 유체 도관(260) 및 제 4 유체 도관(270)은 SS316과 같은 범용 스테인레스 강 파이프 또는 튜브들로 구성될 수 있고 용접 또는 당기술에 공지된 다른 방법들로 제조될 수 있다. 위 3개의 도관들의 벽들을 가로질르는 낮은 압력차로 인하여 이들 재료들과 제조 방법들이 사용될 수 있다.
추가로, 비교적 저온 반응물 스트림은 개질 촉매층(230)의 온도를 감소시키지 않고 제 4 유체 도관(270)을 통해서 공급될 수 있다. 이는 고온 생성물 스트림으로부터 저온 반응물 스트림으로 높은 내부 열 회수를 가능하게 한다. 추가로, 내부 열전달은 고온 생성물 스트림을 냉각시키고 저온 반응물 스트림을 예열하는 외부 열교환기에 대한 필요성을 제거함으로써 예를 들어 본원의 증기 개질기와 같은 증기 개질기를 단순화시킨다.
도 7은 본원의 증기 개질기의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 쉘은 도관(40)의 제 1 단부 주위에 배치된 적어도 하나의 편향체(300)를 추가로 포함한다. 편향체(300)는 또한 복사 도관(40)과 반응기 모듈(50) 사이에 개재될 수 있다.
임의의 특정 이론에 의해서 제한되는 것을 완하지 않으면, 고온 가스 출구 도관(40)을 대면하는 반응 모듈(50)의 전벽 상의 고온 열점과 반응 모듈(50)의 후방 측부 사이의 온도차는 100℃ 위에 도달할 수 있다. 이 온도차는 반응 모듈이 방사 방향으로 변형되게 하고 절연 부재(60)와 (임의의 힘에 의해서) 접촉하게 할 수 있다. 이러한 변형은 [절연 부재(60)와 반응 모듈(50) 사이의 좁은 간극에서] 반응 모듈(50)의 하단 인근에 있는 유동 거동을 변화시킬 수 있지만, 또한 온도차가 증가할 때 절연 부재(60)를 손상시킬 수 있다. 이 실시예에서, 편향체(300)는 고온 가스들(320)을 반향시킴으로써 도관(40)을 나오는 고온 연소 가스(310)가 반응 모듈(50) 상으로 충돌하는 것을 차단할 수 있고 더욱 고온 가스 유동을 경로(330)를 따라서 반응 모듈(50)의 후방으로 보내고, 이는 반응 모듈(50)의 전벽 온도를 낮게 하고 반응 모듈(50)의 후방 측부 상의 대류성 열전달을 강화시킨다.
편향체(300)는 예를 들어 도관(40)을 나오는 고온 연소 가스가 반응 모듈(50) 위로 충돌하는 것을 차단하고, 그리고/또는 더 높은 온도의 가스 유동을 반응 모듈(50)의 후방으로 이송하고, 그리고/또는 반응 모듈(50) 주위의 온도차를 감소시키도록 임의의 크기, 형상 및/또는 단면적을 가질 수 있으므로, 임의의 방사상 변형이 감소될 수 있다.
도 8은 본원의 증기 개질기의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 절연 부재(60)는 도관(40)의 제 1 단부 주위에 배치된 적어도 하나의 반사체(400)를 추가로 포함할 수 있다. 반사체(400)는 또한 절연 부재(60)와 반응 모듈(50) 사이에 개재될 수 있고 절연 부재 주위의 임의의 위치에 위치할 수 있다.
임의의 특정 이론에 제한되는 것을 원하지 않으면, 반사체(400)는 도관(40)에 대한 반응기 모듈(50)의 후방부로 복사 에너지를 반사하여 결과적으로 도관(40)에 대한 반응기 모듈(50)의 전방 및 후방 사이의 온도차를 낮게 한다. 이는 또한 반응기 모듈(50)의 하단에서 방사상 변형을 감소시킬 수 있다.
반사체(400)는 예를 들어 복사 에너지를 도관(40)에 대한 반응기 모듈(50)의 후방으로 반사하기 위하여 임의의 적당한 크기, 형상 및/또는 단면적을 가질 수 있으므로, 방사상 변형이 감소될 수 있다.
일부 실시예에서, 반사체(400)와 편향체(300)는 도관(40)에 관하여 상술한 바와 같이, 금속 합금, 유리, 세라믹, 탄화 규소 및 그 조합물로부터 각각 독립적으로 선택된 적어도 하나의 고전도성, 고방출성 재료를 각각 독립적으로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반사체(400)는 탄화 규소를 포함한다.
일부 실시예에서, 편향체(300)와 반사체(400)는 고온 합금을 각각 독립적으로 포함할 수 있고 절삭, 용접, 주조 또는 당기술에 공지된 임의의 다른 방법에 의해서 구성될 수 있다. 금속의 비제한성 예들은 반응기 모듈(50)에 관하여 상술한 바와 같이, 텅스텐, 니켈, 크롬, 철, 알루미늄, 스테인레스 강 및 그 혼합물 또는 조합물을 포함한다. 금속 합금의 비제한성 예들은 반응기 모듈(50)에 관하여 상술한 바와 같이, 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 규소, 망간, 알루미늄, 탄소 및 혼합물 또는 그 조합물 중 적어도 하나를 포함한다.
본원의 다른 실시예는 당업자가 본 명세서를 고려할 때 명확해지고 본원에 개시된 개념을 실행할 수 있다. 본 명세서 및 예들은 단지 예시적인 것으로 본원의 진정한 범주 및 범주는 하기 청구범위에 의해서 표시된 것으로 의도된 것이다.

Claims (30)

  1. 캐비티를 구비한 쉘, 및 유체를 가열하도록 구성된 열원을 포함하는, 수소 개질유(hydrogen reformate)의 제조를 위한 증기 개질기에 있어서,
    상기 쉘은:
    상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고 상기 캐비티 내에 복사 방출면을 제공하도록 적어도 하나의 열적 방출 재료를 포함하는 적어도 하나의 복사 도관 부재; 및
    가열된 유체에 의해서 공급된 열을 받기 위하여 상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재에 의해서 공급된 복사 열을 받기 위하여 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재 주위에 위치한, 적어도 하나의 반응기 모듈로서, 개질 촉매층을 포함하는, 상기 적어도 하나의 반응기 모듈을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재는
    상기 캐비티와 유체 교통하는 제 1 단부,
    상기 열원과 유체 교통하는 제 2 단부, 및
    상기 열원으로부터 상기 캐비티로 상기 가열된 유체를 안내하도록, 일반적으로 관통하여 연장되는 통로를 포함하고,
    상기 가열된 유체가 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재의 통로를 통해서 상기 캐비티로 횡단할 때, 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재에 의해서 열이 흡수되고 상기 캐비티 안으로 복사되는, 증기 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열적 방출 재료는 금속, 자기(porcelain), 금속 합금, 유리, 세라믹, 탄화 규소, 및 그 조합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 증기 개질기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열적 방출 재료는 탄화 규소인, 증기 개질기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 촉매층은 증기 개질 촉매, 사전-증기 개질 촉매, 산화 촉매, 부분 산화 촉매, 및 물-가스 변환 촉매 중 적어도 하나를 포함하는, 증기 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기 모듈은 금속, 금속 합금, 유리, 세라믹, 탄화 규소, 및 그 조합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열적 방출 및 복사 흡수성 재료를 추가로 포함하는, 증기 개질기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재로부터의 복사성 열과 상기 가열된 유체를 상기 반응기 모듈로 다시 반사하도록 상기 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 절연 부재를 추가로 포함하는, 증기 개질기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응기 모듈을 대면하는 상기 적어도 하나의 절연 부재의 표면은 상기 반응기 모듈의 개별 형상에 적응하도록 성형되는, 증기 개질기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 쉘의 제 1 단부는 상기 반응기 모듈을 받도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는, 증기 개질기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 캐비티 내에 배치된 상기 적어도 하나의 반응기 모듈의 일부는 상기 캐비티 내에 자유롭게 매달리는, 증기 개질기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반응기 모듈은 상기 쉘의 제 1 단부에 개별적으로 그리고 제거가능하게 부착되는, 증기 개질기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재의 길이는 상기 개질 촉매층의 길이와 같거나 또는 그 보다 큰, 증기 개질기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재의 길이는 상기 개질 촉매층의 길이와 같거나 또는 그 보다 작은, 증기 개질기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원은 상기 쉘의 제 1 단부와 상기 쉘의 제 2 단부 중 하나에 위치하는, 증기 개질기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재와 상기 적어도 하나의 반응기 모듈을 위한 상기 가열된 유체는 연료를 공기와 함께 연소하는 단계, 전기 변환시키는 단계, 태양열 빔들을 집속시키는 단계, 및 그 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 방법에 의해서 생성되는 고온 가스를 포함하는, 증기 개질기.
  15. 원통형 쉘을 포함하는, 수소 개질유의 제조를 위한 증기 개질기에 있어서,
    상기 원통형 쉘은
    (a) 캐비티;
    (b) 개구를 포함하는 하단 부분;
    (c) 가열된 유체에 의해서 공급된 열을 받기 위하여 상기 캐비티 안으로 연장되는 적어도 하나의 원통형 반응기 모듈을 받도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는 상단 부분; 및
    (d) 상기 쉘 내면과 상기 반응기 모듈 사이에서 상기 캐비티 주위에 배치된 적어도 하나의 절연 부재를 포함하고,
    상기 (b)에서,
    상기 개구는:
    (i) 상기 캐비티로 공급된 유체를 가열하도록 구성된 열원, 및
    (ii) 양 단부들에 있는 개구들을 포함하는 탄화 규소 중공 도관을 포함하고,
    상기 도관의 제 1 단부는 상기 캐비티 내에 배치되고 상기 캐비티 안으로 개방되고, 그리고
    상기 도관의 제 2 단부는 상기 쉘 하단에 부착되고 상기 쉘 외부로 개방되고,
    상기 열원은 상기 탄화 규소 중공 도관의 제 2 단부와 유체 교통하고, 그리고
    상기 탄화 규소 중공 도관은 상기 열원으로부터 상기 캐비티로 상기 가열된 유체를 안내하고;
    상기 c)에서:
    상기 캐비티 내에 배치된 상기 적어도 하나의 원통형 반응기 모듈의 일부는 내부에 자유롭게 매달리고,
    상기 캐비티 내에 배치된 상기 적어도 하나의 원통형 반응기 모듈의 일부는 상기 탄화 규소 도관에 의해서 공급된 복사 열을 받기 위해 상기 탄화 규소 도관 주위에 배치되고,
    상기 쉘의 외측에 잔류하는 상기 적어도 하나의 반응기 모듈의 일부는 상기 쉘의 상단 부분에 개별적으로 그리고 제거가능하게 부착되고,
    상기 적어도 하나의 반응기 모듈은 적어도 하나의 증기 개질 촉매를 포함하고,
    상기 d)에서:
    상기 반응기 모듈을 대면하는 상기 적어도 하나의 절연 부재의 표면은 상기 탄화 규소 도관 및 적어도 하나의 반응기 모듈, 및 가열된 유체로부터의 복사 열을 다시 상기 적어도 하나의 반응기 모듈로 반사하도록 성형되는, 증기 개질기.
  16. 반응기 모듈에 있어서,
    캐비티를 구비한 열전도성 쉘, 및 상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치된 튜브 조립체를 포함하는 반응기 모듈로서,
    상기 튜브 조립체는:
    상기 열전도성 쉘에 의해서 전도된 열을 받기 위해 상기 캐비티 내에 배치된 촉매층으로서, 적어도 하나의 개질 촉매를 포함하는 상기 촉매층;
    반응물 스트림을 상기 촉매층의 적어도 일부에 제공하도록 구성된 제 1 채널;
    상기 촉매층의 적어도 일부로부터 생성물 스트림을 받도록 구성된 제 2 채널; 및
    상기 제 1 채널의 적어도 일부와 상기 제 2 채널의 적어도 일부 사이에 개재된 분할벽으로서, 상기 생성물 스트림의 적어도 일부와 상기 반응물 스트림의 적어도 일부 사이에서 상기 분할벽을 통해서 열교환이 행해지는, 상기 분할벽을 포함하고,
    상기 열교환은 실질적으로 상기 캐비티 내에서 발생하고; 그리고
    상기 반응물 스트림의 적어도 일부가 상기 가열된 적어도 하나의 개질 촉매의 적어도 일부와 상호작용할 때, 상기 반응물 스트림의 적어도 일부는 상기 생성물 스트림으로 변환되는, 반응기 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 채널을 통과하는 상기 반응물 스트림의 적어도 일부는 상기 제 2 채널을 통과하는 상기 생성물 스트림의 적어도 일부로 역류하는, 반응기 모듈.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 채널의 적어도 일부는 상기 제 2 채널의 적어도 일부 내에 배치되는, 반응기 모듈.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 분할벽은 열전도성 재료를 포함하는, 반응기 모듈.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 채널은 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 1 튜브의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 1 튜브를 포함하고, 그리고
    상기 제 2 채널은 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 2 튜브의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 2 튜브와, 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 3 튜브의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 3 튜브를 포함하고;
    상기 제 1 튜브의 적어도 일부는 상기 제 3 튜브의 통로의 적어도 일부 내에 배치되고,
    상기 제 1 튜브는 상기 제 1 튜브의 제 2 단부에 있는 상기 촉매층과 유체 교통하고,
    상기 제 2 튜브는 상기 제 2 튜브의 상기 제 1 단부에 있는 상기 촉매층과 유체 교통하고, 그리고
    상기 제 3 튜브는 상기 제 3 튜브의 제 1 단부에 있는 상기 제 2 튜브의 제 2 단부와 유체 교통하는, 반응기 모듈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 쉘과 상기 튜브 조립체 사이에 배치되는, 반응기 모듈.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브는 상기 제 2 튜브의 통로 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 제 2 튜브는 상기 제 3 튜브의 통로 내에 적어도 부분적으로 배치되는, 반응기 모듈.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브의 제 1 단부는 반응물 입구 포트를 포함하고, 상기 제 3 튜브의 제 2 단부는 생성물 출구 포트를 포함하는, 반응기 모듈.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브, 상기 제 2 튜브, 및 상기 제 3 튜브의 적어도 하나는 열전도성 재료를 포함하는, 반응기 모듈.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브, 상기 제 2 튜브, 및 상기 제 3 튜브는 열전도성 재료를 포함하는, 반응기 모듈.
  26. 증기 반응기 모듈에 있어서,
    생성물 출구 포트를 포함하는 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 1 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는, 상기 제 1 유체 도관으로서, 상기 제 1 유체 도관의 통로의 적어도 일부는 적어도 하나의 개질 촉매를 포함하는, 상기 제 1 유체 도관,
    제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 2 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 2 유체 도관,
    제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 3 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 3 유체 도관, 및
    반응물 입구 포트를 포함하는 제 1 단부, 제 2 단부 및 일반적으로 제 4 유체 도관의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장되는 통로를 구비하는 상기 제 4 유체 도관을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 4 유체 도관들의 제 2 단부들은 유체 연결되어서, 유체 유동이 상기 제 4 유체 도관을 통과하여 상기 적어도 하나의 개질 촉매로 갈 수 있게 하고,
    상기 적어도 하나의 개질 촉매는 상기 제 2 유체 도관의 제 1 단부에 유체 연결되어서, 유체 유동이 상기 적어도 하나의 개질 촉매로부터 상기 제 2 유체 도관으로 통과할 수 있게 하고,
    상기 제 3 및 제 2 유체 도관들의 제 2 단부들은 유체 연결되어서, 유체 유동이 상기 제 2 유체 도관으로부터 상기 제 3 유체 도관으로 통과할 수 있게 하고,
    상기 제 1 및 제 3 유체 도관들의 제 1 단부들은 유체 연결되어서, 유체 유동이 상기 제 3 유체 도관으로부터 상기 제 1 유체 도관으로 통과할 수 있게 하고,
    상기 제 4 유체 도관은 상기 제 3 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치하고,
    상기 제 3 유체 도관은 상기 제 2 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치하고, 그리고
    상기 제 2 유체 도관은 상기 제 1 유체 도관의 통로 내에 적어도 부분적으로 위치하는, 증기 반응기 모듈.
  27. 제 1 항의 증기 개질기에 의해서 수소 개질유를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    열원에 의해서 유체를 가열하는 단계,
    적어도 하나의 반응기 모듈을 가열하기 위하여 가열된 유체를 적어도 하나의 복사 도관 부재를 통해서 캐비티와 교통시키는 단계,
    상기 반응기 모듈 내의 반응물 스트림의 적어도 일부를 수소 개질유로 개질시키는 단계를 포함하는, 수소 개질유 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 복사 도관 부재를 가열하는 단계, 그리고
    상기 적어도 하나의 도관 부재로부터 상기 반응기 모듈로 열을 복사시키는 단계를 추가로 포함하는, 수소 개질유 제조 방법.
  29. 제 1 항의 증기 개질기에 의해서 수소 개질유를 제조하는 방법에 있어서,
    열원에 의해서 유체를 가열하는 단계,
    상기 가열된 유체에 의해서 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재를 가열하는 단계,
    상기 적어도 하나의 도관 부재로부터 상기 반응기 모듈로 열을 복사시키는 단계, 그리고
    상기 적어도 하나의 반응기 모듈 내의 반응물 스트림의 적어도 일부를 수소 개질유로 개질시키는 단계를 포함하는, 수소 개질유 제조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반응기 모듈을 가열하기 위하여 상기 가열된 유체를 상기 적어도 하나의 복사 도관 부재를 통해서 상기 캐비티로 교통시키는 단계를 추가로 포함하는, 수소 개질유 제조 방법.
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