KR20160045737A - Burner for a hydrocarbon and alcohol reforming system, hydrocarbon and alcohol reforming system comprising it and associated process - Google Patents

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KR20160045737A
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제라드 웨스턴도르프
호세 하비에르 브리 산체스
벨렌 사르미엔토 마론
빅토리아 가야르도 가르시아-오르타
마리아나 마르틴 베탄쿠르
마리아 앙헬레스 히메네스 도밍게스
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아벤고아 하이드로게노, 에스.에이.
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Abstract

액체 연료와 기체 연료로 작동할 수 있는, 연료 전지 내에 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너가 개시된다. 유입되는 연료는 연료 전지의 음극 잔류물이고, 액체 연료 부분과 기체 연료 부분이 별도로 유입된다. 조연제(comburent)는 재순환되는 연소후 가스와 혼합된, 연료 전지의 양극 잔류물이다. 버너는 이를 통과하는 가스에 난류를 부여하기 위한 경사진 유입 포트를 포함함으로써, 연료와 조연제의 균일한 혼합물을 보장하고 따라서 균일한 연소후 가스 전단을 제공한다. 또한 시스템의 필수 요소로서 상기 버너를 포함하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템이 개시된다.A burner for a hydrocarbon and alcohol reforming system integrated within a fuel cell that can operate as a liquid fuel and a gaseous fuel is disclosed. The incoming fuel is the cathode residue of the fuel cell, and the liquid fuel portion and the gaseous fuel portion are separately introduced. The comburent is the anode residue of the fuel cell mixed with the recirculated after-combustion gas. The burner includes a tilted inlet port for imparting turbulence to the gas passing therethrough, thereby ensuring a uniform mixture of fuel and combustibles and thus providing a uniform post-combustion gas shear. Also disclosed is a hydrocarbon and alcohol reforming system comprising the burner as an essential element of the system.

Figure P1020167005869
Figure P1020167005869

Description

탄화수소 및 알코올 개질 시스템 용 버너, 상기 버너를 포함하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템 및 관련 방법{BURNER FOR A HYDROCARBON AND ALCOHOL REFORMING SYSTEM, HYDROCARBON AND ALCOHOL REFORMING SYSTEM COMPRISING IT AND ASSOCIATED PROCESS}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a burner for a hydrocarbon and alcohol reforming system, a hydrocarbon and alcohol reforming system including the burner, and a related method, and a related method. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002]

본 발명은 해군 또는 해양 응용에서 사용되는 연료 전지에 추후 공급하기 위한 탄화수소 및 알코올 개질 시스템, 바람직하게는 에탄올(바이오에탄올) 개질 시스템의 기술 분야에 포함될 수 있다.The present invention may be included in the art of a hydrocarbon and alcohol reforming system, preferably an ethanol (bioethanol) reforming system, for future supply to fuel cells used in naval or marine applications.

보다 구체적으로, 본 발명은 상기 탄화수소 및 알코올 개질 시스템 내에 통합되는 버너의 기술 분야에 포함될 수 있다.More specifically, the present invention may be incorporated into the art of burners incorporated into the hydrocarbon and alcohol reforming systems.

탄화수소 및 알코올 개질 시스템 내에 통합되는 형태의 다양한 버너가 종래 기술에 공지되어 있다. 일반적으로, 예혼합 버너(premix burner)의 특정 응용에서, 연료와 산화제는 점화 및 화염 발달 영역 이전의 섹션에서 혼합된다.A variety of burners in the form incorporated into hydrocarbon and alcohol reforming systems are known in the art. In general, in certain applications of premix burners, the fuel and the oxidizer are mixed in sections prior to ignition and flame development zones.

이러한 버너의 단점은 역화(flash-back)의 위험이 있다는 것이다. 이러한 현상은 화염 속도가 연료-산화제 혼합물의 유속보다 클 때 발생한다. 이는 예혼합 영역의 조기 열화를 일으킨다.A disadvantage of these burners is the risk of flash-back. This phenomenon occurs when the flame speed is greater than the flow rate of the fuel-oxidant mixture. This causes premature deterioration of premixed regions.

종래 기술에 공지된 또 다른 방법은 예비혼합 없는 확산 버너를 사용하는 연소 시스템이다. 상기한 시스템에서, 연소가 예상되는 영역에서 확산에 의해 혼합이 생성되는 방식으로 연료와 산화제가 점화 영역에 독립적으로 주입된다. 이러한 유형의 버너와 관련된 가장 중요한 문제는 연소되는 가스의 균일한 혼합을 보장할 수 없다는 것이고, 이로 인해 얻어지는 연소후(post-combustion) 가스는 균일한 선단(front)을 형성하지 못한다.Another method known in the prior art is a combustion system that uses a diffusion burner without premixing. In the system described above, the fuel and oxidant are injected independently into the ignition zone in such a way that mixing is created by diffusion in the area where combustion is expected. The most important problem associated with this type of burner is that it can not guarantee a uniform mixing of the gases to be burned, and the resulting post-combustion gas does not form a uniform front.

개질기와 통합되는 버너가 종래 기술에 공지되어 있다. 이러한 버너는 시동 연료 흐름을 수용하고 분배하기 위한 수집기(collector), 산화 가스 흐름을 수용하고 분배하기 위한 수집기 및 버너의 연료 흐름을 수용하고 분배하기 위한 수집기를 포함하며, 이러한 수집기 각각은 다수의 분배관(distribution tube)을 포함한다. 버너 연료 분배관의 배출구는 산화제 분배관의 유입구에 도입된다. 또한, 시동 연료 분배관은 버너 연료 분배관의 적어도 일부와 연관된 하나 이상의 개구부를 포함한다. 일반적으로, 이러한 버너는 천연 가스를 사용하고 액체 연료의 사용을 고려하지 않는다.Burners that are integrated with a reformer are known in the art. These burners include a collector for receiving and distributing the starting fuel flow, a collector for receiving and distributing the oxidizing gas flow, and a collector for receiving and distributing the fuel flow of the burner, And includes a distribution tube. The outlet of the burner fuel delivery line is introduced into the inlet of the oxidant delivery line. The starter fuel delivery line also includes at least one opening associated with at least a portion of the burner fuel delivery line. Generally, these burners use natural gas and do not consider the use of liquid fuels.

버너를 사용하는 탄화수소 공급원의 부분적인 산화에 의해 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스의 혼합물을 제조하기 위한 절차가 또한 논의되었다. 이를 위해, 버너는 다수의 오리피스를 포함하고 동축관(coaxial tube)을 구비하며, 이를 통해 탄화수소가 버너를 향해 흐른다. 상기 버너는 탄화수소가 흐르는 관과 산화 가스가 흐르고 조절 가스가 흐르는 관을 분리하는 덕트를 포함한다.Procedures for manufacturing a mixture of gases containing hydrogen and carbon monoxide by partial oxidation of a hydrocarbon source using a burner have also been discussed. To this end, the burner comprises a plurality of orifices and has a coaxial tube through which the hydrocarbon flows towards the burner. The burner includes a duct through which the hydrocarbon flows and a duct through which the oxidizing gas flows and the pipe through which the regulating gas flows is separated.

그러나, 현재까지 알려진 그 어떠한 특허도 균일한 연소후 가스 선단(gas front)을 제공할 수 있는 버너를 개시하지 않는다. 이는 버너가, 예를 들어, 개질기와 같은 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 다른 요소와 통합될 때 특히 중요하다.However, none of the patents known to date disclose a burner that can provide a uniform post-combustion gas front. This is particularly important when the burner is integrated with other components of the alcohol and alcohol reforming system, such as, for example, a reformer.

상기한 것들과 같은 버너가 통합되는, 연료 전지에 추후 연료를 공급하기 위한 다양한 유형의 탄화수소 및 알코올 개질 시스템이 또한 종래 기술에 공지되어 있다.Various types of hydrocarbon and alcohol reforming systems for later fueling a fuel cell, such as those described above, incorporating a burner are also known in the prior art.

이러한 유형의 시스템의 일례가 에탄올 개질 방법 및 상기 방법을 사용하여 H2를 생성하기 위한 장치에 관한 국제 출원 제 WO0100320 (A1)호에 개시되어 있으며, 상기 방법은 300℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 증기로 에탄올을 개질하는 단계로 구성되고, 이는 에탄올의 몰 농도에 대해 2/3의 비율의 산소의 존재를 필요로 한다. 이는 또한 에탄올 및 물 처리 장치, 개질기 및 수성가스 전환(Water-Gas Shift, WGS) 반응기와 CO 선택적(PrOX) 산화 장치를 이용하는 정제 장치를 포함하는 시스템을 개시하고 있으며, 연료 전지에서 추출된 전력은 대략 37 kW로 매우 작다.An example of this type of system is disclosed in International Patent Application No. WO0100320 (A1) for an ethanol reforming process and an apparatus for producing H 2 using the process, the process being carried out at a temperature in the range of 300 ° C. to 800 ° C. Reforming the ethanol with steam, which requires the presence of oxygen in a ratio of 2/3 to the molar concentration of ethanol. It also discloses a system comprising a refinery using an ethanol and water treatment unit, a reformer and a water-gas shift (WGS) reactor and a CO selective (PrOX) oxidation unit, It is very small, approximately 37 kW.

또한, 특허 제 US7442217 (B2)호는 신속한 시동과 작동 제어를 갖는 통합 연료 개질기에 관한 것으로, 이는 에탄올 및 물 처리 장치, 개질기 및 WGS와 PrOX 반응기를 구비한 정제 장치를 포함하고, CO 농도를 20 ppm 이하로 줄이기 위해, 음극(anode) 배기 가스는 연료 보충물로서 연소기로 다시 공급되는 반면, 양극(cathode) 배기 가스는 O2 보충물로서 연소기로 다시 공급된다. 20 ppm 이하의 농도를 얻기 위해 반응제를 이용하여 수행되는 처리는 이 특허에 명시되어 있지 않다.In addition, patent US 7 442 217 (B2) relates to an integrated fuel reformer with rapid start-up and operation control, which includes a refinery equipped with ethanol and water treatment devices, reformers and WGS and PrOX reactors, To reduce to below ppm, the anode exhaust gas is fed back to the combustor as a fuel supplement, while the cathode exhaust gas is fed back to the combustor as an O 2 supplement. The treatment carried out with a reactant to achieve a concentration of 20 ppm or less is not specified in this patent.

또한, 국체 출원 제 WO2012066174 (A1)호는 에탄올 및 물 처리 장치, 개질기 및 WGS와 PrOX 반응기를 사용하여 얻어지는 높은 H2 농도를 갖는 스트림을 정제하기 위한 정제 장치를 구비하는 에탄올 개질 시스템을 개시하고 있다. 에탄올은 세 개의 PrOX 반응기 중 첫 번째 반응기로 유입되는 개질 가스(reformate gas)의 열에 의해 그리고 연로 전지 시스템의 배기 가스로부터의 연소 가스의 열에 의해 기화된다. 물은 개질 가스의 열에 의해 PrOX 반응기에서 연속 단계에 의해 예열되고 개질기에서 배출되는 개질 가스 및 연료 전지 시스템의 배기 가스의 연소로부터의 연소후 가스의 열에 의해 증발된다. 또한, 음극 배기 가스는 연료 보충물로서 연소기로 다시 공급되는 반면, 양극 배기 가스는 CO 농도를 20 ppm 이하로 줄이기 위해 O2 보충물로서 연소기로 다시 공급된다. 연료 전지에서 추출된 전력은 상기 국제 출원에 명시되어 있지 않다.In addition, national polity Application No. WO2012066174 (A1) discloses the ethanol reforming system having a purification unit for purifying a stream having a high H 2 concentration obtained using the ethanol and the water treatment apparatus, the reformer and the WGS and PrOX reactor . Ethanol is vaporized by the heat of the reformate gas entering the first of the three PrOX reactors and by the heat of the combustion gases from the exhaust gas of the overhead battery system. The water is preheated by the continuous steps in the PrOX reactor by the heat of the reformed gas and is evaporated by the heat of the reformed gas discharged from the reformer and the heat of the post-combustion gas from the combustion of the exhaust gas of the fuel cell system. In addition, the cathode exhaust gas is fed back to the combustor as a fuel supplement, while the anode exhaust gas is fed back to the combustor as an O 2 supplement to reduce the CO concentration to below 20 ppm. The power extracted from the fuel cell is not specified in the above international application.

WO2012066174 (A1)호 개시된 에탄올 개질 시스템은 또한 정제 단계를 필요로 하며, 여기서 CO2 메탄화, 또는 역 WGS라고 하는 WGS의 역 반응과 같은 이차 반응으로 인한 H2 손실을 가급적이면 회피하기 위한 CO 메탄화를 위한 고도의 선택적 메탄화 반응기에 의해 높은 H2 농도를 갖는 스트림이 정제된다.The ethanol reforming system disclosed in WO2012066174 (A1) also requires a purification step wherein CO 2 methanization, or CO methane to avoid H 2 losses due to secondary reactions such as the reverse reaction of WGS, The stream having a high H 2 concentration is purified by a highly selective methanation reactor for oxidation.

본 발명은 연료 전지에 연료를 공급하는 탄화수소 및 알코올 개질 장치 내에 통합되는 버너를 제안한다. 제안된 버너는 시동 단계에서 액체 바이오에탄올을 사용하고 정상 작동 단계 동안 연료 전지의 음극 배기 가스(기본적으로 H2, CH4, CO2 및 H2O로 형성되는 가스 스트림)를 사용한다.The present invention proposes a burner which is incorporated in a hydrocarbon and alcohol reforming apparatus for supplying fuel to a fuel cell. The proposed burner uses liquid bioethanol in the start-up phase and uses the cathode exhaust gas of the fuel cell (a gas stream which is basically formed of H 2 , CH 4 , CO 2 and H 2 O) during the normal operating phase.

버너에서 필요한 에너지를 얻는데 음극 배기 가스의 이용이 충분하지 않는 경우, 추가적인 양의 액체 에탄올이 정상 작동 단계에 추가되고, 이는 음극 배기 가스와 혼합될 때 (음극 배기 가스가 고온으로 유입되기 때문에) 증발하여 가스 연료로 사용된다.If the use of the cathode exhaust gas is not sufficient to obtain the required energy in the burner, an additional amount of liquid ethanol is added to the normal operating phase, which, when mixed with the cathode exhaust gas, evaporates (as the cathode exhaust gas enters the high temperature) And is used as a gaseous fuel.

연료 전지 양극 배기 가스(기본적으로 O2와 H2O로 형성되는 가스 스트림)는 산화제로 사용되고, 이는 바람직하게 버너에 양극 배기 가스를 유입시키기 전에 O2 농도를 희석시키기 위해 재순환되는 연소후 가스와 혼합된다. 이는 버너의 구성 재료에 의해 지원될 수 있도록 단열 화염(산화제와 연료를 혼합할 때 생성되는 화염)의 온도를 필요한 레벨로 낮추는 것을 가능하게 한다.The fuel cell anode exhaust gas (a gas stream which is basically formed of O 2 and H 2 O) is used as an oxidant, which is preferably an afterburn gas which is recycled to dilute the O 2 concentration before the anode exhaust gas is introduced into the burner Mixed. This makes it possible to lower the temperature of the adiabatic flame (the flame produced when mixing the oxidizer with the fuel) to the required level so that it can be supported by the constituent material of the burner.

버너의 시동 동안, 연료 전지 음극 배기 가스를 아직 사용할 수 없을 때, 재순환 연소후 가스와 혼합된 순수 O2가 연료로 사용된다. 초기 시동 단계에서, 재순환 연소후 가스를 아직 사용할 수 없고 순수 O2가 CO2와 혼합된다. 상기 CO2는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템에 존재하는데, 이러한 사전 시동을 수행하기 전에 퍼지를 수행한 후 남아있기 때문이다.During the start-up of the burner, when the fuel cell cathode exhaust gas is not yet available, pure O 2 mixed with the recirculated combustion gas is used as the fuel. In the initial startup phase, the gas after recirculation combustion is not yet available and pure O 2 is mixed with CO 2 . The CO 2 is present in the hydrocarbon and alcohol reforming system because it remains after performing the purge prior to performing this pre-start.

본 발명의 버너의 매우 중요한 장점은 산화제와 함께 연료를 연소할 때 얻어지는 생성물이 수용성 물질이라는 것이다. 이러한 장점은 대기로의 배출 이외의 대안적인 가스 배출 방법을 필요로 하는 응용에서 중요하다.A very important advantage of the burner of the present invention is that the product obtained when burning the fuel with the oxidizing agent is a water-soluble substance. This advantage is important in applications requiring alternate gas discharge methods other than emissions to the atmosphere.

개시된 버너는 버너가 장착되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템 내에 통합되는 연료 전지의 음극 배기 가스와 양극 배기 가스를 동시에 처리할 수 있다.The disclosed burner can simultaneously treat the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas of the fuel cell incorporated in the hydrocarbon and alcohol reforming system in which the burner is mounted.

본 발명은 균일한 연소후 가스 선단을 발생시키는 균일한 화염을 생성하도록 하도록 균일한 연료-산화제 혼합물을 생성하는 버너를 개시한다. 이는 버너가 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 모든 지점에서 균일한 온도 분포를 얻는 것을 가능하게 한다. 일 실시형태에서, 시스템은 버너가 통합되는, 개질기를 구비하는 개질 장치를 포함한다. 개질기 내의 고온과 저온의 차이는 평균 개질기 작동 온도의 10% 미만이다. 바람직하게, 온도 차이는 상기 평균 온도의 5% 미만이다.The present invention discloses a burner that produces a uniform fuel-oxidant mixture to produce a uniform flame that produces a uniform post-combustion gas tip. This makes it possible to obtain a uniform temperature distribution at every point of the hydrocarbon and alcohol reforming system in which the burner is incorporated. In one embodiment, the system includes a reformer having a reformer, wherein the burner is integrated. The difference between the high and low temperatures in the reformer is less than 10% of the average reformer operating temperature. Preferably, the temperature difference is less than 5% of the average temperature.

버너는 제 1 섹션과 제 2 섹션으로 분할되는 연료 및 산화제 유입 덕트를 포함한다. 제 1 섹션에서, 연료 및 산화제 유입 덕트는 액체 연료의 통과를 위한 내부관 및 가스 연료의 유입을 위한 외부관을 포함한다.The burner includes a fuel and oxidant inlet duct that is divided into a first section and a second section. In the first section, the fuel and oxidant inlet ducts comprise an inner tube for the passage of the liquid fuel and an outer tube for the introduction of the gaseous fuel.

제 2 섹션에 연료 분배판이 있고, 분배판의 중앙에 분무기가 배치되며, 이 제 2 섹션의 유입 덕트 전체에 걸쳐 일차 오리피스(일차 유입구)가 배치되고, 이를 통해 산화제가 유입 덕트로 유입된다.A fuel distribution plate is in the second section, a sprayer is disposed in the center of the distribution plate, and a primary orifice (primary inlet) is disposed throughout the inlet duct of the second section, through which the oxidant flows into the inlet duct.

또한, 버너는 산화제의 유입을 위한 이차 유입구를 형성하는 이차 오리피스를 갖는 산화제 분배판을 구비한 제 3 섹션을 포함한다. 산화제 분배판은 제 2 섹션의 단부에서 유입 덕트와 결합되고 슬리브와 결합되며, 이를 통해 연료-산화제 혼합물이 순환한다.The burner also includes a third section with an oxidant distribution plate having a secondary orifice forming a secondary inlet for the introduction of oxidant. The oxidant distribution plate is coupled to the inlet duct at the end of the second section and is coupled with the sleeve through which the fuel-oxidant mixture circulates.

일 실시형태에서, 재순환 연소후 가스의 통과를 위해 구성되는 삼차 오리피스(삼차 유입구)가 슬리브의 단부에 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 상기 가스는 연소실로 직접 유입된다.In one embodiment, a tertiary orifice (tertiary inlet) configured for passage of the gas after recirculation combustion is disposed at the end of the sleeve. In another embodiment, the gas flows directly into the combustion chamber.

슬리브의 단부는 버너 연소실의 일부인 동심관(concentric tube)에 삽입된다. 재순환 연소후 가스용 유입구는 슬리브의 단부에 배치된다. 상기 연소실은 이를 감싸는 이중 쉘(double shell)을 갖고, 이를 통해 연소후 가스가 순환되어 상기 연소실의 표면 온도를 낮춘다.The end of the sleeve is inserted into a concentric tube which is part of the burner combustion chamber. The inlet for the gas after recirculation combustion is disposed at the end of the sleeve. The combustion chamber has a double shell surrounding the combustion chamber, through which the combustion gas is circulated to lower the surface temperature of the combustion chamber.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 액체 연료는 액체 바이오에탄올이고, 가스 연료는 버너가 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템이 결합되는 연료 전지의 음극 배기 가스이다. 상기한 바와 같이, 액체 연료는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 시동 단계에서 사용되는데, 이 시점에서 연료로 사용하기 위한 음극 배기 가스가 아직 연료 전지 내에서 생성되지 않았기 때문이다.In a preferred embodiment of the present invention, the liquid fuel is liquid bio-ethanol, and the gaseous fuel is the cathode exhaust gas of the fuel cell to which the hydrocarbon and alcohol reforming system to which the burner is incorporated is connected. As described above, the liquid fuel is used in the starting phase of the hydrocarbon and alcohol reforming system, since the cathode exhaust gas for use as fuel at this point has not yet been generated in the fuel cell.

버너가 작동하는 동안 음극 배기 가스를 사용하여 충분한 에너지를 달성할 수 없는 경우, 음극 배기 가스와 함께 공급되는 액체 연료인 액체 바이오에탄올이 추가되고, 유입 덕트에서 음극 배기 가스와 혼합될 때 증발됨으로써, 혼합물이 가스 연료로서 유입된다.When the cathode exhaust gas can not achieve sufficient energy while the burner is in operation, liquid bio-ethanol, which is a liquid fuel supplied with the cathode exhaust gas, is added and evaporated when mixed with the cathode exhaust gas in the inlet duct, The mixture is introduced as gaseous fuel.

액체 연료가 순환하는 내부관은 연료 분배판의 중앙에 배치된 분무기에 연결된다. 액체 연료의 분무화를 수행하기 위해, 분무 가스가 필요하며, 이는 바람직한 실시형태에서 O2 또는 O2와 재순환 연소후 가스의 혼합물이다.The inner tube through which the liquid fuel circulates is connected to a sprayer located in the center of the fuel distribution plate. In order to carry out the atomization of the liquid fuel, a spraying gas is required, which in the preferred embodiment is a mixture of O 2 or O 2 and the gas after recirculation.

분무기는 내부관의 축에 대해 경사진, 분무기의 제 1 오리피스를 포함함으로써, 액체 연료가 이를 통해 소용돌이치며 흐르도록 하고 시계 방향으로 순환하게 한다. The atomizer includes a first orifice of the atomizer that is inclined with respect to the axis of the inner tube so that the liquid fuel swirls and flows therethrough and circulates clockwise.

또한, 내부관은 제 1 덕트에 동심으로 배치되고 큰 직경을 갖는 제 2 덕트를 포함한다. 이 제 2 덕트는 분무기 노즐, 더욱 상세하게는, 내부관의 축에 대해 경사진, 분무기의 제 2 오리피스에서 종료함으로써, 분무기 가스가 이를 통해 흐를 때 가스가 소용돌이치며 흐르고 반시계 방향으로 순환하게 한다.The inner tube also includes a second duct concentrically disposed in the first duct and having a larger diameter. This second duct terminates in the atomizer nozzle, and more particularly in the second orifice of the atomizer, which is inclined with respect to the axis of the inner tube, causing the gas to vortex and flow counterclockwise as the atomizer gas flows therethrough .

바람직하게, 분무기의 제 1 오리피스는 방사상으로 그리고 서로에 대해 등거리로 분산된다.Preferably, the first orifices of the atomizer are distributed radially and equidistantly with respect to one another.

외부관은 직선의 연료 통과 오리피스를 포함하는, 즉, 이의 축이 외부관의 축과 평행한, 연료 분배판에 연결된다. 또한, 접선 오리피스인 일차 오리피스(일차 유입구)는, 유입 덕트를 통해 순환하는 연료의 방향과 평행하게, 제 2 섹션의 유입 덕트에 배치된다. 즉, 산화제가 일차 유입구에 의해 형성된 오리피스를 통과할 때 회전 운동을 하도록, 이들 오리피스는 외부관의 축에 대해 특정 경사도를 갖는다.The outer tube is connected to a fuel distribution plate which contains a straight line fuel orifice, that is to say its axis is parallel to the axis of the outer tube. Also, the primary orifice (primary inlet), which is a tangential orifice, is disposed in the inlet duct of the second section, parallel to the direction of the fuel circulating through the inlet duct. That is, these orifices have a specific slope with respect to the axis of the outer tube, so that the oxidant rotates as it passes through the orifice formed by the primary inlet.

제 3 섹션에, 산화 가스의 분배를 위한 이차 오리피스(이차 유입구)를 포함하는 산화제 분배판이 배치된다. 이차 오리피스는 산화제와 화염(연료와 산화제가 함께 혼합될 때 생성됨)에 회전 이동을 부여하는 특정 각도를 가지며, 이는 연료와 산화제의 혼합에 유리하다. 구체적으로, 이들은 접선 방향으로 그리고 또한 축 방향에 대해 경사진다. 버너에서 생성되는 화염은 버너 슬리브의 축 방향 주위를 회전하는 화염이다.In the third section, an oxidant distribution plate is arranged which contains a secondary orifice (secondary inlet) for the distribution of the oxidizing gas. The secondary orifice has a specific angle that imparts rotational motion to the oxidizer and the flame (produced when the fuel and the oxidizer are mixed together), which is beneficial for mixing the fuel and the oxidizer. Specifically, they are inclined in the tangential direction and also in the axial direction. The flame generated in the burner is a flame rotating around the axial direction of the burner sleeve.

즉, 버너는 산화제가 이차 유입구를 통해 유입될 때 발생하는 회전 성분으로 인해 연료-산화제 혼합물에서 소용돌이 효과를 유발하는데, 이는 연료와 산화제의 신속하고 균일한 혼합에 유리하다. 소용돌이 효과를 갖는 이 연료 및 산화제 흐름은 버너의 유입구에서 재순환을 유발한다.That is, the burner causes a swirling effect in the fuel-oxidant mixture due to the rotational component that occurs when the oxidant enters through the secondary inlet, which is advantageous for rapid and uniform mixing of fuel and oxidant. This fuel and oxidant stream with a swirling effect causes recirculation at the inlet of the burner.

제 3 섹션 내의 버너 슬리브는 연소실의 일부인 동심관에 삽입된다. 연소실 내에, 연소실의 이중 쉘의 표면 온도를 줄이기 위해 이전에 사용된 재순환 연소후 가스로 희석된 산화제를 위한 산화제 유입구가 있다. The burner sleeve in the third section is inserted into a concentric tube which is part of the combustion chamber. Inside the combustion chamber, there is an oxidant inlet for the oxidant diluted with the previously recycled after-burn gas to reduce the surface temperature of the dual shell of the combustion chamber.

바람직한 실시형태에서, 버너는 외부 표면 상에 핫스팟(hotspot, 온도가 200℃ 이상인 곳)의 생성을 방지하는 절연 케이스를 더 포함한다. 표면 상의 핫스팟의 생성이 점화원의 출현을 시사하기 때문에, 이러한 기능은 버너가 폭발 위험 지역으로 분류되는 곳에서 사용될 때 특히 중요하다. 또한, 절연 케이스의 존재는 외부로의 열 손실을 최소화하는데 기여한다. In a preferred embodiment, the burner further comprises an insulating case that prevents the creation of a hotspot (where the temperature is above 200 DEG C) on the outer surface. This feature is particularly important when the burner is used where it is classified as an explosion hazard area, since the creation of hot spots on the surface suggests the appearance of an ignition source. In addition, the presence of the insulating case contributes to minimizing heat loss to the outside.

버너에 대한 연료 및 산화제 유입구는 연소실 배치된다. 연료로 사용되는 음극 배기 가스는, 예를 들어, 개질 가스 정제 단계와 같은 바이오에탄올 처리 시스템의 일부 성분의 냉각으로부터 나올 수 있고, 이 때문에 고온(일반적으로 300 이상)으로 도착하고, 또는 연료 전지로부터 직접 나올 수 있는데, 이 경우 저온(대략 60℃)으로 도착한다.The fuel and oxidant inlet to the burner is disposed in the combustion chamber. The cathode exhaust gas used as the fuel may come from cooling some components of the bioethanol processing system, for example, a reformed gas purification step, and thus may arrive at a high temperature (generally above 300) It can come directly, in this case, at a low temperature (approx. 60 ° C).

일 실시형태에서, 케이스는 산화제용 유입구와 액체 연료(바이오에탄올)용 보조 유입구를 포함하는, 가스 연료(고온의 가스 연료와 저온의 가스 연료)를 위한 두 개의 유입구를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 더욱 바람직하게, 가스 연료를 위한 하나의 유입구가 배치된다. 음극 배기 가스의 저온 및 고온 흐름의 수렴은 버너 케이스의 외부에서 발생하며, 이 때문에 하나의 가스 연료 유입구만이 필요하다. 따라서, 버너는 버너가 장착되는 시스템 내의 다른 요소들에 따라 하나 또는 두 개의 유입구를 갖는다.In one embodiment, the case includes two inlets for gaseous fuel (hot gaseous fuel and low temperature gaseous fuel), including an inlet for the oxidant and an auxiliary inlet for the liquid fuel (bioethanol). In yet another embodiment, more preferably, one inlet for the gaseous fuel is disposed. Convergence of the cold and hot currents of the cathode exhaust gas occurs outside the burner case, and therefore only one gas fuel inlet is required. Thus, the burner has one or two inlets, depending on the other elements in the system in which the burner is mounted.

명세서 전체에 걸쳐, 바이오에탄올이란 용어는 화석을 기원으로 하지 않기 때문에 사용되지만, 본 기술 분야의 숙련자는 제안된 버너가 모든 에탄올로 작용할 수 있다는 것을 이러한 설명으로부터 이해할 것이다.Throughout the specification, the term bioethanol is used because it is not based on fossils, but one of ordinary skill in the art will appreciate from this description that the proposed burner can act as all ethanol.

본 발명의 버너는 절연을 하고 핫스팟의 형성을 방지하기 위해 이를 에워싸는 이중 쉘을 갖는 연소실에 결합된다.The burner of the present invention is coupled to a combustion chamber having a double shell that surrounds it for insulation and to prevent the formation of hot spots.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 버너는 개질 반응기와 통합된다. 또한, 더욱 바람직한 실시형태에서, 버너 및 개질기 어셈블리의 통합은 컴팩트한 모델을 구성한다. 본 발명이, 예를 들어, 잠수함에 통합되는 경우, 버너 및 개질기 어셈블리는 유지보수 작업 동안 잠수함의 해치를 통해 용이하게 추출될 수 있다. 버너와 개질기가 통합되는 실시형태에서, 버너의 기능은 개질기의 등온 조건을 유지하기 위해 충분한 열을 제공하는 것이다.In a preferred embodiment of the present invention, the burner is integrated with a reforming reactor. Also, in a more preferred embodiment, the integration of the burner and the reformer assembly constitutes a compact model. When the present invention is incorporated into, for example, a submarine, the burner and the reformer assembly can be easily extracted through the hatch of the submarine during the maintenance operation. In embodiments where the burner and the reformer are integrated, the function of the burner is to provide sufficient heat to maintain the isothermal conditions of the reformer.

즉, 버너는 개질기 내에서 원하는 온도 분포를 유지하기 위해 충분한 열을 생성할 수 있다. 버너는 이러한 개질기 내부에 500℃ 내지 800℃의 열을 허용하는 이러한 에너지를 생성한다. 바람직하게, 일 실시형태에서, 온도는 700℃ 내지 750℃ 사이여야 한다. 따라서, 내부에서 발생하는 흡열 반응의 에너지 요건이 보장된다.That is, the burner may generate sufficient heat to maintain the desired temperature distribution within the reformer. The burner produces this energy within the reformer to allow heat of 500 ° C to 800 ° C. Preferably, in one embodiment, the temperature should be between 700 [deg.] C and 750 [deg.] C. Thus, the energy requirement of the endothermic reaction occurring inside is ensured.

개질기가, 이중 쉘의 내부에서 연소실 내에 완전히 통합되기 때문에, 버너 및 개질기 어셈블리는 컴팩트한 모델이다. 이러한 방식으로 연소 과정에서 생성되는 에너지는 개질기 내부에서 필요한 온도를 유지하기 위해 사용된다.Because the reformer is fully integrated within the combustion chamber within the dual shell, the burner and the reformer assembly are compact models. In this way, the energy generated in the combustion process is used to maintain the required temperature inside the reformer.

본 발명의 일 실시형태에서, 버너에 통합되는 개질기는 다관식(multi-tubular)이다. 본 발명의 버너를 사용하여 수행되는 버너와 개질기의 통합은 개질 반응이 일어나는 개질기 관에서의 균일한 온도 분포를 보장한다.In one embodiment of the present invention, the reformer incorporated in the burner is multi-tubular. The integration of the burner and the reformer, which is carried out using the burner of the present invention, ensures a uniform temperature distribution in the reformer pipe where the reforming reaction takes place.

본 발명의 버너의 또 다른 중요한 장점은, 작동 및 시동, 정상 정지 및 비상 정지 작동 등의 모든 단계에서 버너가 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 연료 전지의 음극 및 양극 배기 가스를 처리할 수 있다는 것이다.Another important advantage of the burner of the present invention is that it can treat the cathode and anode exhausts of fuel cells of hydrocarbon and alcohol reforming systems in which the burner is incorporated at all stages, such as operation and start-up, normal stop and emergency stop operation .

일 실시형태에서, 제안된 버너는 이의 단부에서 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 구성요소의 안전 밸브의 릴리프(relief)가 다양한 버너 유입구에 연결되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템 그 자체의 모든 통풍구를 처리할 수 있다. 또한, 버너는 시동 및 정지 단계 동안 연료 전지 퍼지 가스를 처리할 수 있다.In one embodiment, the proposed burner is capable of handling all the vents of the hydrocarbon and alcohol reforming system itself, where at its ends the relief of the safety valve of the components of the hydrocarbon and alcohol reforming system is connected to the various burner inlets . In addition, the burner can treat the fuel cell purge gas during the start and stop phases.

또한, 필수 요소로서 개시된 버너를 포함하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템은 또한 본 발명의 일부를 형성한다.In addition, hydrocarbon and alcohol reforming systems, including burners disclosed as essential elements, also form part of the present invention.

이 시스템은 CO 레벨을 20 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이하의 레벨로 줄일 수 있으며, 이는 메탄화 반응기를 기반으로 높은 H2 농도를 갖는 증기의 정제 단계를 필요로 하지 않고 적어도 300 kW의 연료 전지 출력을 추출할 수 있다.The system can reduce the CO level to a level of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less, which requires a purification step of the vapor having a high H 2 concentration based on the methanation reactor It is possible to extract the fuel cell output of at least 300 kW.

개시된 버너에 포함된 탄화수소 및 알코올(바람직하게는 에탄올) 개질 시스템으로 인해, 높은 H2 농도 및 20 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이하의 레벨의 일산화탄소(CO) 농도를 갖는 증기가 연료 전지에 공급하기 위해 생성되며, 탄화수소 및 알코올 개질 시스템뿐만 아니라 상기 시스템과 관련된 모든 절차는 해양 차량 추진 시스템, 바람직하게는 잠수함용 혐기성 추진 시스템(공기 불요 추진(Air Independent Propulsion, AIP) 내에 통합될 수 있는 에너지 생산 시스템의 연료 전지에 대해 H2를 제공한다.Due to the hydrocarbon and alcohol (preferably ethanol) reforming systems included in the disclosed burners, a high H 2 concentration and a carbon monoxide (CO) concentration of less than 20 ppm, preferably less than 10 ppm, more preferably less than 5 ppm And all the procedures associated with the system as well as the hydrocarbon and alcohol reforming systems are performed by a marine vehicle propulsion system, preferably an air-independent propulsion system (AIP Lt; RTI ID = 0.0 > H2 < / RTI >

이는, 예를 들어, 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 형태의 연료 전지에 공급하기 위해 사용될 수 있고, 상기 연료 전지는 최대 50 kg/h의 높은 수소 함유량을 갖는 최대 945 kg/h의 개질 가스 스트림으로600 kW 이상, 바람직하게는 최대 25 kg/h의 높은 수소 함유량을 갖는 최대 465 kg/h의 개질 가스 스트림으로300 kW 이상의 출력 요건을 갖는다. 시스템은 혐기성 추진 시스템, 해양 차량 또는 심지어 수소 생산 설비 내에 통합될 수 있다.This can be used, for example, to supply a fuel cell in the form of a proton exchange membrane (PEM), the fuel cell having up to 945 kg / h reformed gas with a high hydrogen content of up to 50 kg / Has a power requirement of more than 300 kW in a stream of up to 465 kg / h of reformed gas stream with a high hydrogen content of at least 600 kW, preferably at most 25 kg / h. The system can be integrated into an anaerobic propulsion system, a marine vehicle, or even a hydrogen production facility.

또 다른 응용은 이를 해양 차량 추진 시스템, 바람직하게는 잠수함용 혐기성 추진 시스템에 통합시키고, 20 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이하로 CO 농도를 줄일 수 있으며, 상기 시스템의 치수는 14 m3 이하, 바람직하게는 10 m3 이하, 더욱 바람직하게는 8 m3 이하이다. CO 및 H2의 흐름은 상기 치수와 직접적으로 비례할 필요는 없으며, 이는 매우 감소된 공간 요건을 갖는 추진 시스템에 대해 특히 적합하게 한다.Another application is to integrate this into an offshore propulsion system, preferably an anaerobic propulsion system for a submarine, and reduce the CO concentration to 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less, Is not more than 14 m 3 , preferably not more than 10 m 3 , more preferably not more than 8 m 3 . Flow of CO and H 2 is not necessarily in proportion to the dimensions directly, which makes it particularly suitable for the propulsion system having a very reduced space requirements.

상기한 버너 외에도, 탄소수소 및 알코올(바람직하게는 에탄올) 개질 시스템은,In addition to the burners described above, the carbon-hydrogen and alcohol (preferably ethanol)

i) 탄화수소 및/또는 알코올, 바람직하게는 에탄올, 및 H2O의 증발 및 반응 온도로의 예열을 수행하기 위한 반응제 처리 장치;i) a reactant treatment device for effecting evaporation of hydrocarbons and / or alcohols, preferably ethanol, and H 2 O, and preheating to reaction temperature;

ii) 증기를 이용하여 높은 H2 농도, 바람직하게는 75 %v(건조 기준(dry base)) 이상의 농도를 갖는 개질 가스 스트림을 생성하기 위한, 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올) 개질 반응기를 포함하는 개질기;ii) a hydrocarbon and / or alcohol (preferably ethanol) reforming reactor to produce a reformed gas stream having a high H 2 concentration, preferably 75% v (dry base) A reformer comprising;

iii) 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 CO 농도를 20 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이하의 레벨로 줄이는 정제 장치를 포함하고, 상기 장치는,iii) the reformed gas stream in a concentration of 20 ppm CO or less has a high H 2 concentration, and preferably comprises a purification unit to reduce to 10 ppm or less, more preferably the level of 5 ppm or less, and the apparatus comprising:

a. 유입구에서 냉각하는 적어도 하나의 수성가스 전환 반응기,a. At least one water gas shift reactor for cooling at the inlet,

b. 유입구에서 냉각하는 적어도 하나의 CO 선택적 산화 반응기를 포함한다.b. And at least one CO selective oxidation reactor cooling at the inlet.

또한, 반응제 처리 장치는,Further, the reactive agent-

a. 정제 장치 또는 개질 장치의 반응기 중 하나의 반응기의 배출구에서 개질 가스의 열에 의해 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올)의 증발과 예열을 위한 제 1 열교환기, 및a. A first heat exchanger for the evaporation and preheating of hydrocarbons and / or alcohols (preferably ethanol) by heat of the reforming gas at the outlet of the reactor of one of the refiner or reformer reactors, and

b. 선택적으로, 증발된 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올)의 열에 의해 H2O의 부분적인 증발을 위한 제 2 열교환기를 포함한다.b. Optionally, a second heat exchanger is provided for partial evaporation of H 2 O by the heat of the evaporated hydrocarbons and / or the alcohol (preferably ethanol).

선택적으로, 정제 장치는 정제 장치의 각각의 CO 선택적 산화 반응기로 유입되는 개질 가스 스트림을 냉각하기 위한 열교환기를 포함하고, 공정에서 필요한 H2O의 일부의 증발이 수행되고, 각각의 CO 선택적 산화 반응기의 배출구에서 개질 가스 스트림이 냉각된다. 바람직하게, 정제 장치는 세 개의 선택적 산화 반응기와 관련된 제 3, 제 4, 제 5 열교환기를 포함한다. Alternatively, the purification apparatus may include a heat exchanger for cooling the reformed gas stream entering each CO selective oxidation reactor of the purification apparatus, wherein evaporation of a portion of the H 2 O required in the process is performed, and each CO selective oxidation reactor The reforming gas stream is cooled. Preferably, the purification apparatus comprises third, fourth and fifth heat exchangers associated with three selective oxidation reactors.

선택적으로, 반응제 처리 장치는, 액체 물을 증기로 변환시키고, 연소후 가스의 열에 의해 물의 증발을 수행하기 위한 제 6및 제 7 열교환기를 포함하는 증기 생성기를 포함한다. 또한, 이는 선택적으로 증기의 과열을 수행하여 건조한 증기 흐름을 보장하기 위한 제 8 열교환기 및/또는 증기에 존재하는 물 방울의 분리를 수행하기 위한 사이클론(cyclone) 또는 드롭(drop) 분리기를 포함한다.Optionally, the reactant treatment apparatus comprises a vapor generator comprising a sixth and seventh heat exchanger for converting liquid water to steam and for effecting evaporation of water by the heat of the post-combustion gas. It also includes a cyclone or drop separator for performing the separation of the water droplets present in the eighth heat exchanger and / or the steam to selectively perform superheating of the steam to ensure dry steam flow .

또한 선택적으로, 개질기는 개질 반응기 이전에 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림에 의해 반응제인 탄화수소 및/또는 알코올과 물의 혼합물을 가열하기 위해 상기 개질기의 유입구에 배치된 제 9 열교환기를 포함한다.Also optionally, the reformer may include a heat exchanger of claim 9 disposed in the inlet of the reformer to heat the hydrocarbon reaction agent and / or alcohol and water mixture by a reformed gas stream having a high H 2 concentration before the reforming reactor.

일 실시형태에서, 시스템은 상기 혼합물이 개질기의 반응 영역에 진입하기 전에 연소후 가스에 의해 반응제의 혼합물을 가열하도록 구성되는 추가 열교환기를 포함한다.In one embodiment, the system comprises an additional heat exchanger configured to heat the mixture of reactants by the post-combustion gas before the mixture enters the reaction zone of the reformer.

선택적으로, 개질기는 또한 발생하는 흡열 반응을 지원하기 위해 반응층(reaction bed)으로 필요한 열을 제공하는 제 10 열교환기를 포함하며, 여기서 필요한 반응 열을 제공하기 위한 고온의 유체는 연소 장치에서 생성되는 연소후 가스에 해당한다.Optionally, the reformer also includes a tenth heat exchanger that provides the necessary heat to the reaction bed to support the resulting endothermic reaction, wherein the hot fluid to provide the needed heat of reaction is generated in the combustion device It corresponds to the gas after combustion.

또한 선택적으로, 연료 전지로부터의 음극 배기 가스 흐름을 가열함으로써 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스의 온도를 낮출 수 있는 제 11 열교환기에 의해 수성가스 전환 반응기 내의 중간 냉각이 수행된다.Optionally, intermediate cooling in the water gas shift reactor is also performed by an eleventh heat exchanger capable of lowering the temperature of the reformed gas having a high H 2 concentration by heating the cathode exhaust gas flow from the fuel cell.

잠수함에 장착되는 개질 시스템의 일 실시형태에서, 방출 가스는 잠수함의 음향 특징을 악화시키지 않는 정도로 수용성이어야 한다. 또한, 잠수함의 경우, 이용 가능한 산소의 양은 제한되고, 따라서 생성된 연소후 가스가 해수에서의 가스의 용해성에 악영향을 미치는 미연소 생성물을 포함하지 않는 것을 보장하기 위해 필요할 수 있는 모든 산소를 사용하지 않는 것이 바람직하다.In one embodiment of a submerged reforming system, the release gas must be water-soluble to such an extent that it does not deteriorate the acoustic characteristics of the submarine. Also, in the case of a submarine, the amount of available oxygen is limited, and thus not all of the oxygen that may be needed to ensure that the resulting post combustion gas does not contain unburned products that adversely affect the solubility of the gas in seawater .

연소에서 얻어진 가스가 해수에서 완전히 용해되는 것을 보장하기 위해, 시스템은 개질 장치로부터의 이러한 가스의 배출구에 배치되는 촉매 후연소기(catalytic post-combustor)를 더 포함할 수 있다. 이는 H2, CO 및 메탄과 같은 미연소 생성물의 연소를 수행하기 위한 촉매 후연소기이다. 메탄을 연소시키기 위해, 연소후 가스는 높은 레벨의 열(>450℃)을 가져야 한다.To ensure that the gas obtained from the combustion is completely dissolved in the seawater, the system may further comprise a catalytic post-combustor disposed at the outlet of this gas from the reformer. It is a post-catalyst combustor for carrying out the combustion of unburned products such as H 2 , CO and methane. To burn methane, the post-combustion gas must have a high level of heat (> 450 ° C).

연소후 가스에 메탄이 존재하지 않는 일 실시형태에서, 높은 레벨의 열(>450℃)에 도달할 필요는 없고, 따라서 상기 시스템은 물의 증발을 위해 제 6 열교환기의 배출구에 촉매 후연소기를 포함할 수 있다. 이 지점에서, 연소후 가스의 열 레벨은 200℃ 이하이다.In an embodiment where there is no methane present in the post-combustion gas, it is not necessary to reach a high level of heat (> 450 DEG C) and thus the system includes a post-catalyst combustor at the outlet of the sixth heat exchanger for evaporation of water can do. At this point, the heat level of the post-combustion gas is below 200 占 폚.

촉매 후연소기의 기능은, 잠수함의 음향 특징에 영향을 주지 않는, AIP 시스템의 CO2 배출 시스템이 허용 가능한 수준까지 연기 스트림 내의 미연소 생성물(H2, CO, CH4) 및 산소의 농도를 줄이는 것이다. 해수에서 연기의 완전한 용해가 보장됨으로써, 형성되는 거품의 수의 크기를 최소화할 수 있다.Function after the catalytic combustor is, to reduce the unburned products (H 2, CO, CH 4 ) , and the concentration of oxygen within that does not affect the acoustic characteristics of the submarine, to the CO 2 exhaust system is an acceptable level of AIP system smoke stream will be. By ensuring complete dissolution of the smoke in the seawater, the size of the number of bubbles formed can be minimized.

상기한 버너를 포함하는 탄화수소 개질 시스템은 폭발성 분위기(Explosive Atmosphere, ATEX) 환경에서 유효하다.The hydrocarbon reforming system comprising the above burner is effective in an Explosive Atmosphere (ATEX) environment.

본 발명은 또한 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올) 개질 공정에 관한 것으로, 상기 공정은,The present invention also relates to a hydrocarbon and / or alcohol (preferably ethanol) reforming process,

i) 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올)과 H2O의 증발 및 반응 온도로의 예열을 수행하기 위한 반응제 처리 단계,i) a reactant treatment step for effecting evaporation of hydrocarbon and / or alcohol (preferably ethanol) and H 2 O and preheating to reaction temperature,

ii) 수용성 연소후 가스 스트림을 생성하기 위해, 반응제로 사용되는 탄화수소 및/또는 알코올로 보충될 수 있는 연료 전지로부터의 음극 배기 가스를 연료로 사용하고 O2 스트림으로 보충되는 연료 전지의 양극 배기 가스를 산화제로 사용하여 개질 및 물 증발 단계에 필요한 열을 제공하는 연소후 가스를 생성하는 연소 단계,ii) to produce the gas stream after the water-soluble combustion, hydrocarbon used reaction agent and / or alcohol using the cathode exhaust gas from the fuel cell, which may be supplemented with a fuel and the cathode exhaust gas of the fuel cell that is supplemented with O 2 streams A combustion step of producing a post-combustion gas which provides heat necessary for the reforming and water evaporation steps,

iii) 높은 H2 농도, 바람직하게는 75 %v(건조 기준) 이상의 농도를 갖는 개질 가스 스트림을 생성하기 위한, 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 에탄올) 및 증기 개질 단계,iii) hydrocarbons and / or alcohols (preferably ethanol) and steam reforming to produce a reformed gas stream having a high H 2 concentration, preferably a concentration of 75% v (dry basis)

iv) 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 CO 농도를 20 ppm 이하, 바람직하게는 10 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이하로 줄이기 위한 정제 단계를 포함하고, 상기 정제 단계는,iv) the higher the CO concentration of a reformed gas stream having a H 2 concentration of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, and more preferably comprises a purification step for reducing to less than 5 ppm, and wherein the tablet comprises:

a. 각각의 단계 초반에 냉각이 이루어지는 수성가스 전환 형태의 반응이 수행되는 하나 또는 여러 하위단계, a. One or several sub-steps in which a reaction in the form of a water-gas shift, in which cooling is effected at the beginning of each step,

b. 각각의 단계 초반에 냉각이 이루어지는 CO 정제의 하나 또는 여러 하위 단계를 포함한다.b. And one or several sub-steps of CO purification in which cooling takes place at the beginning of each step.

상기 반응제 처리 단계는 개질 단계 이후에 또는 정제 단계의 임의의 하위단계 이후에 얻어지는 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 열에 의해 탄화수소 및/또는 알코올, 바람직하게는 에탄올의 증발을 위한 제 1 열교환 하위단계를 포함한다.The reactant treatment step may comprise a first heat exchange for evaporation of hydrocarbons and / or alcohols, preferably ethanol, by heat of the reforming gas stream having a high H 2 concentration obtained after the reforming step or after any sub-steps of the purification step Includes sub-steps.

선택적으로, 제 1 열교환 단계는 산소를 이용하는 CO 선택적 산화 하위단계 이후에 발생한다.Optionally, the first heat exchange step occurs after the CO selective oxidation sub-step using oxygen.

상기 반응제 처리 단계는 탄화수소 및/또는 알코올(바람직하게는 증발된 에탄올) 흐름의 열에 의해 H2O의 부분적인 증발을 위한 제 2 열교환 하위단계 및, 선택적으로, 제 3 증기 과열 하위단계 및/또는 제 4 드롭 분리 하위단계를 포함한다.The reactant treatment step may comprise a second heat exchange sub-step for partial evaporation of H 2 O by heat of hydrocarbons and / or an alcohol (preferably a vaporized ethanol) stream and, optionally, a third vapor superheating sub-step and / Or a fourth drop separation sub-step.

또한, 상기 공정은 연소후 가스의 있을 수 있는 미연소 생성물(CH4, H2, CO)의 연소 단계를 포함한다.In addition, the process includes the step of burning an unburned product (CH 4, H 2, CO ) , which may be of the gas after combustion.

제시된 설명을 보완하고 본 발명의 특징을 보다 잘 이해할 수 있도록, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라, 예시적이고 비-제한적인 방식으로, 다음과 같이 나타낸, 본 발명의 구성 요소로서 일련의 도면이 첨부된다:
도 1은 다양한 버너 유입구를 통한 연료와 산화제의 유입 방향을 나타낸 버너의 단면도를 도시한다.
도 2는 버너 및 버너가 통합되는 개질기를 볼 수 있는 개질 장치를 도시한다.
도 3은 내부관을 도시한다.
도 4는 분무기 노즐을 도시한다.
도 5는 버너가 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템을 도시한다.
In order to supplement the present disclosure and to better understand the features of the present invention, it should be understood that a series of drawings, such as the components of the present invention, set forth below in an illustrative, non-limiting manner in accordance with a preferred embodiment of the present invention do:
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows a cross-sectional view of a burner illustrating the direction of flow of fuel and oxidant through the various burner inlets.
Figure 2 shows a reformer in which a burner and a reformer incorporating a burner can be seen.
Figure 3 shows an internal tube.
Figure 4 shows an atomizer nozzle.
Figure 5 shows a hydrocarbon and alcohol reforming system in which the burner is incorporated.

본 발명은 양극 배기 가스와 음극 배기 가스를 생성하는 연료 전지에 공급하기 위한 H2 풍부 스트림을 생성하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너를 제안한다. 개발된 버너는 모든 연료 전지 배기 가스를 처리하고, 또한 버너가 설치되는 전체 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 잔류물을 처리할 수 있다.The present invention proposes a burner for a hydrocarbon and alcohol reforming system that produces an H 2 rich stream for feeding to a fuel cell that produces a cathode exhaust gas and a cathode exhaust gas. The developed burner can treat all fuel cell exhaust gases and also treat the residues of the entire hydrocarbon and alcohol reforming system where the burner is installed.

본 발명의 매우 중요한 장점은 버너를 사용하여 얻어지는 생성물이 수용성 물질이라는 것이다. 이는 제안된 탄화수소 및 알코올 개질 시스템이, 예를 들어, 잠수함과 같이 눈에 띄지 않고자 하는 해양 응용에서 사용될 수 있게 한다. 생성물의 수용성으로 인해, 상기 생성물은 검출되지 않고 다양한 깊이에서 바다로 방출될 수 있다.A very important advantage of the present invention is that the product obtained using the burner is a water-soluble substance. This allows the proposed hydrocarbon and alcohol reforming system to be used in undersea marine applications such as, for example, submarines. Due to the water solubility of the product, the product is not detected and can be released to the sea at various depths.

버너 시동 단계 동안, 사용되는 연료는 바이오에탄올 저장 시스템에서 공급받는 액체 바이오에탄올이다. 이 액체 바이오에탄올은, 재순환 연소 가스와 혼합된, 산소 저장 시스템으로부터의 순수 O2의 혼합물일 수 있는 분무기 가스를 사용하여 버너의 분무기에서 분무화된다.During the burner start-up phase, the fuel used is liquid bio-ethanol supplied by the bio-ethanol storage system. This liquid bio-ethanol is atomized in the atomizer of the burner using an atomizer gas, which may be a mixture of pure O 2 from an oxygen storage system, mixed with a recirculating combustion gas.

정상적인 버너 작동 단계 동안, 사용되는 연료는 연료 전지 음극 배기 가스이다. 연료로서 음극 배기 가스의 사용이 충분하지 않는 경우, 버너로 유입되기 전에 음극 배기 가스와 혼합되는 액체 바이오에탄올이 추가된다.During normal burner operation phase, the fuel used is the fuel cell cathode exhaust gas. If the use of the cathode exhaust gas as the fuel is not sufficient, liquid bio-ethanol mixed with the cathode exhaust gas is added before it is introduced into the burner.

연료 전지 음극 배기 가스의 일부는, 예를 들어, 온도가 증가하는 개질 가스 정제 단계에서와 같이 다른 탄화수소 및 알코올 개질 시스템에 서 사용된다. 버너가 가스 연료용 두 유입구(하나는 고온으로 도착하는 연료용이고 다른 하나는 저온으로 도착하는 연료용)를 포함하는 일 실시형태에서, 배기 가스의 일부는 버너에 진입할 때 대략 300℃의 온도를 갖는다. 이는 고온의 가스 연료라고 칭한다. 연료 전지 음극 배기 가스의 나머지는 직접 버너로 가서 대략 60℃의 온도로 도착한다. 이는 저온의 가스 연료라고 칭한다.Some of the fuel cell cathode exhaust gases are used in other hydrocarbon and alcohol reforming systems, such as, for example, in the reforming gas step of increasing temperature. In one embodiment in which the burner comprises two inlets for gaseous fuel, one for fuel arriving at high temperature and the other for fuel arriving at low temperature, a portion of the exhaust gas has a temperature of about 300 DEG C . This is called a gaseous fuel at a high temperature. The remainder of the fuel cell cathode exhaust passes directly to the burner and reaches a temperature of approximately 60 ° C. This is called low temperature gaseous fuel.

또 다른 실시형태에서, 고온의 가스 연료와 저온의 가스 연료는 버너의 외부에서 서로 혼합되어 하나의 연료 유입구를 통해 버너로 진입한다.In another embodiment, the hot gaseous fuel and the cold gaseous fuel are mixed together outside the burner and enter the burner through one fuel inlet.

액체 바이오에탄올이 음극 배기 가스와 혼합된 추가의 에너지 공급을 위한 연료로 사용될 때, 이는 기화된다(고온의 음극 배기 가스와 접촉하면서). 따라서, 연료는 가스 상태로 버너로 진입한다.When liquid bioethanol is used as fuel for additional energy supply mixed with the cathode exhaust gas, it is vaporized (in contact with hot cathode exhaust gas). Thus, the fuel enters the burner in a gaseous state.

본 발명의 버너에서 사용되는 산화제는 재순환 연소 가스와 혼합된 연료 전지 양극 배기 가스의 혼합물이다.The oxidant used in the burner of the present invention is a mixture of fuel cell anode exhaust mixed with recirculated combustion gas.

본 발명의 버너는 도 1에서 볼 수 있다. 상기 버너는 연료 및 산화제 유입 덕트(1)를 포함한다. 상기 유입 덕트는 제 1 섹션과 제 2 섹션으로 분할된다. 제 1 섹션에서, 유입 덕트(1)는 내부관(2) 및 내부관(2)에 동심으로 배치되고 가장 큰 직경을 갖는 외부관(3)을 포함한다. 시동 단계 동안 사용되는 액체 연료(A)는 내부관(2)을 통해 버너의 내부로 유입된다.The burner of the present invention can be seen in Fig. The burner comprises a fuel and oxidant inlet duct (1). The inlet duct is divided into a first section and a second section. In the first section, the inlet duct 1 comprises an inner tube 2 and an outer tube 3 which is arranged concentrically to the inner tube 2 and which has the largest diameter. The liquid fuel A used during the start-up phase flows into the interior of the burner through the inner tube 2.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 내부관(2)은 이의 일단을 통해 바이오에탄올 저장 시스템으로 연결되고 이의 타단은 도 3에 도시된 바와 같이 액체 바이오에탄올을 분무화하도록 구성되는 분무기(6)에 연결된다.In a preferred embodiment of the present invention, the inner tube 2 is connected to the bioethanol storage system via one end thereof and the other end is connected to the sprayer 6, which is configured to atomize liquid bio-ethanol, do.

도 4는 내부관(2)의 중심부에 배치되고 이를 통해 액체 연료(A)가 분무기 노즐(20)까지 순환하는 제 1 관(2.1) 및 제 1 관과 동심이고 이 주위에 배치되어 링 형상 섹션을 형성하며 이를 통해 분무기 가스(C)가 분무기 노즐(20)까지 순환하는 제 2 관(2.2)으로 내부관(2)이 분할되는 방식을 도시하고 있다. 분무기 가스(C)는 액체 연료의 정확한 분무화를 위해 필요하다. 바람직한 실시형태에서, 액체 연료는 액체 바이오에탄올이다.Figure 4 shows a first tube (2.1) disposed in the center of the inner tube (2) through which the liquid fuel (A) circulates to the atomizer nozzle (20) and a second tube (2) into a second tube (2.2) through which the atomizer gas (C) circulates to the atomizer nozzle (20). The atomizer gas (C) is required for accurate atomization of the liquid fuel. In a preferred embodiment, the liquid fuel is liquid bio-ethanol.

버너 시동을 위한 바람직한 실시형태에서, 분무기 가스는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 라인 상에 존재하는 CO2이다. 이후, 사용되는 분무기 가스는 연소후 가스이다. 상기 연소후 가스는 또한 순수 O2와 혼합될 수 있다. 연소후 가스는 연료 및 산화제 혼합물이 연소될 때 얻어지는 가스이다.In a preferred embodiment for burner start-up, the atomizer gas is CO 2 present on the line of the hydrocarbon and alcohol reforming system. Thereafter, the atomizer gas used is a post-combustion gas. The post-combustion gas may also be mixed with pure O 2 . The post-combustion gas is the gas that is obtained when the fuel and oxidizer mixture are burned.

바람직한 실시형태에서, 도 4에서 볼 수 있듯이, 버너의 제 1 섹션의 외부관(3)으로 가스 연료(B)가 유입된다. 이는 연료 전지로 연결되고 상기 연료 전지의 음극 배기 가스의 통과를 위해 구성된다. 외부관(3)은 또한 연료 전지 음극 배기 가스를 연소하여 충분한 에너지를 얻을 수 없어서 버너의 정상 작동 단계 동안 추가의 에너지 공급이 필요한 경우 외부관(3)으로의 바이오에탄올의 통과를 허용하도록 구성되는 보조 바이오에탄올 유입구에 연결된다.In a preferred embodiment, as can be seen in Figure 4, the gaseous fuel (B) is introduced into the outer tube (3) of the first section of the burner. Which is connected to the fuel cell and is configured for passage of the cathode exhaust gas of the fuel cell. The outer tube 3 is also configured to allow passage of the bio-ethanol to the outer tube 3 when additional energy supply is required during the normal operating phase of the burner, since the fuel cell cathode exhaust gas can not be burned to obtain sufficient energy It is connected to the auxiliary bioethanol inlet.

유입 덕트(1) 내에 배치되는 버너의 제 2 섹션은 연료 분배판(7)을 포함하고, 이의 중심에 분무기(6)가 배치되고 여기에 제 1 섹션의 내부관(2)이 연결된다. 상기 가스 분배판(7)은 유입 덕트(1)의 외부관(3)을 통해 제 1 섹션에서 제 2 섹션으로 순환하는 가스 연료의 통과를 위한 다수의 연료 통과 오리피스(10)를 포함한다. 일차 산화제 유입구를 형성하는 일차 오리피스(12)는 유입 덕트(1)의 제 2 섹션을 따라 배치된다. 상기 일차 오리피스(12)는 축 방향으로 그리고 접선 방향으로 외부관 축(3)에 대해 경사진다.The second section of the burner arranged in the inlet duct 1 comprises a fuel distribution plate 7 in which a sprayer 6 is arranged and to which the inner tube 2 of the first section is connected. The gas distribution plate 7 comprises a plurality of fuel delivery orifices 10 for the passage of gaseous fuel circulating from the first section to the second section through the outer tube 3 of the inlet duct 1. The primary orifices 12 forming the primary oxidant inlet are arranged along the second section of the inlet duct 1. The primary orifice 12 is inclined with respect to the outer tube 3 in the axial and tangential directions.

일차 오리피스(12)는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 산화제(D)의 통과를 위해 구성된다. 일차 오리피스(12)를 통해 그리고 이차 오리피스(11)를 통해 버너로 유입되는 산화 가스(D)는 동일한 혼합물이다. 대부분의 산화제(D)는 이차 오리피스(11)를 통해 진입한다. 산화제(D)의 일부만이 연료(A, B)와의 첫 번째 혼합을 수행하기 위해 일차 오리피스(12)를 통해 유입된다.The primary orifice 12 is configured for passage of the oxidant D, as can be seen in FIG. The oxidizing gas (D) flowing into the burner through the primary orifice (12) and through the secondary orifice (11) is the same mixture. Most of the oxidant (D) enters through the secondary orifice (11). Only a portion of the oxidant (D) enters the primary orifice (12) to perform the first mixing with the fuel (A, B).

버너의 제 2 섹션 이후에 제 3 섹션이 배치되며, 이는 버너의 제 3 섹션으로의 산화제의 통과를 위해 구성되는 이차 오리피스(11)를 갖는 산화제 분배판(8)을 포함한다. 이차 오리피스(11)는 축 방향 및 접선 방향으로 경사진다 있다. 상기 경사각은 일 실시형태에서 20도 내지 40도에 포함된다.A third section is arranged after the second section of the burner, which comprises an oxidant distribution plate 8 having a secondary orifice 11 which is configured for passage of the oxidant into the third section of the burner. The secondary orifices 11 are inclined in the axial direction and in the tangential direction. The inclination angle is included in the range of 20 to 40 degrees in one embodiment.

상기 제 3 섹션은 또한 연료와 산화제의 혼합이 일어나는 슬리브를 포함하며, 이의 단부는 연소실(15)의 원뿔 섹션으로 삽입되고 여기에 본 발명의 버너가 결합된다. 일 실시형태에서, 삼차 산화제 유입구를 형성하는 삼차 오리피스가 연소실(15)에서 가장 가까운 슬리브(13)의 단부에 배치된다. 더욱 바람직한 실시형태에서, 이 산화제는 버너 슬리브와 연소실의 원뿔 섹션 단부 사이의 링 형상 섹션을 통해 연소실로 직접 유입된다. 산화제 분배판(8)은 산화제 분배 플레이트라고도 지칭할 수 있다.The third section also includes a sleeve in which mixing of the fuel and the oxidizer takes place, the end of which is inserted into the conical section of the combustion chamber 15, where the burner of the present invention is engaged. In one embodiment, a tertiary orifice forming a tertiary oxidant inlet is disposed at the end of the sleeve 13 closest to the combustion chamber 15. In a more preferred embodiment, the oxidant flows directly into the combustion chamber through the ring shaped section between the burner sleeve and the conical section end of the combustion chamber. The oxidizer distribution plate 8 may also be referred to as an oxidizer distribution plate.

도 2는 버너의 세부사항을 도시하고, 분무기(6)와 연료 통과 오리피스(10)를 구비한 연료 분배판(7) 및 이차 오리피스(11)를 구비한 산화제 분배판(8)이 도시되어 있다. 2 shows the details of the burner and shows the oxidant distribution plate 8 with the fuel distribution plate 7 and the secondary orifice 11 with the atomizer 6 and the fuel delivery orifice 10 .

분무기(6)는 연료 분배판(7)의 중심에 배치되고, 상기 분무기(6) 주위에 연료 통과 오리피스(10)가 분포됨으로써, 유입 덕트(1)의 제 1 섹션 내의 외부관(3)을 통해 제 2 섹션까지 흐르는 가스 연료(B)의 통과를 허용한다. 점화기(화염 점화기) 및 화염 검출을 위한 적어도 하나의 적외선 또는 자외선 센서가 또한 제 1 분배판(7)에 배치된다. 일 실시형태에서, 이는 버너의 적절한 기능을 보장하고 거짓 화염 소화 신호로 인해 작동이 중단되지 않도록 하기 위해 적어도 두 개의 센서를 포함한다.The sprayer 6 is disposed in the center of the fuel distribution plate 7 and the fuel orifice 10 is distributed around the sprayer 6 to distribute the outer tube 3 in the first section of the inlet duct 1 (B) through the first section to the second section. An igniter (flame igniter) and at least one infrared or ultraviolet sensor for flame detection are also arranged in the first distribution plate (7). In one embodiment, this includes at least two sensors to ensure proper functioning of the burner and to ensure that operation is not interrupted by a false flame extinguishing signal.

분무기(6)는 분무기의 제 1 오리피스(21)를 갖는 분무기 노즐(20)을 포함하고, 이는 액체 연료(A)의 흐름에 시계 방향의 회전을 부여할 수 있도록 내부관(2)의 중심축에 대해 소정 각도를 갖는다. 분무기 가스는 분무기의 제 2 오리피스를 통해 공급되고, 이는 또한 외부관(3)의 중심축에 대해 경사지지만, 분무기의 제 1 오리피스(21)의 각도와는 다른 각도이며, 이는 분무기 가스(B)에 반시계 방향의 회전을 부여한다.The atomizer 6 includes an atomizer nozzle 20 having a first orifice 21 of atomizer 21 which is connected to the central axis of the inner tube 2 so as to impart a clockwise rotation to the flow of liquid fuel A. [ As shown in Fig. The atomizer gas is fed through the second orifice of the atomizer, which is also inclined with respect to the central axis of the outer tube 3, but at an angle different from the angle of the first orifice 21 of the atomizer, In the counterclockwise direction.

본 발명의 일 실시형태에서, 분무기의 제 1 오리피스(21)는 분무기의 제 2 오리피스(22)보다 작고 접선 방향으로 더욱 큰 경사도를 갖는다. 본 실시형태에서, 분무기의 제 1 오리피스(21)의 경사도는 10도 내지 30도의 범위이고, 제 2 오리피스(22)의 경사도는 30도 내지 60도의 범위이다.In one embodiment of the invention, the first orifice (21) of the atomizer is smaller than the second orifice (22) of the atomizer and has a greater inclination in the tangential direction. In this embodiment, the inclination of the first orifice 21 of the atomizer is in the range of 10 to 30 degrees, and the inclination of the second orifice 22 is in the range of 30 to 60 degrees.

분배판(8)은 이차 오리피스(11)를 구비하며, 이는 가스 분배판(8)에 대해 경사지고 산화제(D), 즉, 재순환 연소후 가스와 혼합된 양극 배기 가스의 통과를 위해 구성된다. 제 2 오리피스(11)의 경사도로 인해, 이를 통한 산화제(D)의 유입은 난류(turbulent)이다.The distribution plate 8 has a secondary orifice 11 which is configured for the passage of an anode exhaust gas which is inclined with respect to the gas distribution plate 8 and which is mixed with an oxidant D, i.e. a gas after recirculation combustion. Due to the inclination of the second orifice 11, the influx of oxidant D through it is turbulent.

버너는 슬리브(13)에 의해 형성되는 제 3 섹션을 포함하고, 이는 이의 일단을 통해 산화제 분배판(8)에 의해 제 2 섹션에 연결되고 타단을 통해 연소실(15)의 일부를 형성하는 관에 연결된다. 산화제(D)는 산화제 분배판(8) 내의 이차 오리피스(11)를 통해 제 3 섹션으로 유입되고, 여기서 유입 덕트(1)의 제 2 섹션에서 생성되는 산화제와 연료의 혼합물을 수용한다. 일 실시형태에서, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이는 냉각(E)을 위한 재순환 연소후 가스의 통과를 위해 구성되는 슬리브(13) 상에 삼차 오리피스를 포함한다. 바람직하게, 상기 가스는 버너가 연결된 연소실(15) 내로 직접 유입된다.The burner comprises a third section formed by a sleeve 13 which is connected to the second section by means of an oxidant distribution plate 8 via one end thereof and to a tube which forms part of the combustion chamber 15 through the other end . The oxidant D is introduced into the third section through the secondary orifice 11 in the oxidizer distribution plate 8 where it receives a mixture of oxidant and fuel produced in the second section of the inlet duct 1. In one embodiment, as can be seen in Figures 1 and 2, it comprises a tertiary orifice on the sleeve 13 which is configured for the passage of gas after recirculation for cooling (E). Preferably, the gas flows directly into the combustion chamber 15 to which the burner is connected.

상기 연소실(15)은 이중 쉘로 둘러싸여 있고, 이의 내부를 통해 연소후 가스가 순환함으로써 이의 외부의 냉각을 허용한다. 또한, 연소후 가스의 열은, 예를 들어, 물을 증발시키고 개질 반응을 가열하기 위해서와 같이 바이오에탄올 생산 시스템의 다른 단계에서 사용된다. 연소실(15)은 최대 1,100℃의 온도를 지원하고, 이중 쉘을 통한 연소 가스의 재순환으로 인해, 외부는 200℃ 이하의 온도이며, 이는 ATEX2 요건에 따른 대기에 유효하다.The combustion chamber 15 is surrounded by a double shell, through which gas after combustion is circulated to allow cooling of the outside thereof. In addition, the heat of the post-combustion gas is used at other stages of the bio-ethanol production system, such as, for example, to evaporate water and heat the reforming reaction. The combustion chamber 15 supports a temperature of up to 1,100 ° C, and due to the recirculation of the combustion gas through the dual shell, the outside is at a temperature of 200 ° C or less, which is effective in the atmosphere according to the ATEX 2 requirement.

바람직한 실시형태에서, 버너는 또한 점화원(ignition source)에 해당할 수 있는 표면상의 핫스팟(hotspot)을 방지하는 절연 케이스를 추가로 포함한다. 이는 또한 ATEX2 요건에 따른 대기에서 버너를 사용할 수 있게 하는데 기여를 한다.In a preferred embodiment, the burner further comprises an insulating case to prevent hotspots on the surface that may correspond to an ignition source. This also contributes to making the burner available in the atmosphere according to ATEX2 requirements.

바람직하게, 본 발명의 버너는 가스 연료 단독으로, 액체 연료 단독으로 또는 둘 다를 사용하여 작동할 수 있다. 본 발명은 최대 300 kg/h의 가스 연료 유속을 처리할 수 있다. 이는 최대 100 kg/h의 액체 연료 유속을 처리할 수 있다(이러한 액체 연료 유속은 내부관(2)을 통해 흐르고 이들이 분무화되는 분무기(6)에 도달한다).Preferably, the burner of the present invention can operate with gas fuel alone, liquid fuel alone, or both. The present invention is capable of handling gas fuel flow rates up to 300 kg / h. Which can handle liquid fuel flow rates of up to 100 kg / h (these liquid fuel flow rates reach the atomizer 6 through which they flow through the inner tube 2).

연소후 가스는 CO2와 같은 수용성 물질로 구성되고 최소량의 미연소 생성물과 산소를 함유한다, 즉, 균일한 연소후 가스 선단이 얻어진다.The post-combustion gas is composed of a water-soluble material such as CO 2 and contains a minimum amount of unburned product and oxygen, that is, a uniform post-combustion gas tip is obtained.

분무기(6)는 바람직하게 저압 가스, 즉, 100 밀리바의 압력을 갖는 가스로 작동한다. 바람직하게, 이 압력은 60 내지 70 밀리바, 더욱 바람직하게는 65 밀리바일 수 있다.The atomizer 6 preferably operates with a low pressure gas, i.e. a gas having a pressure of 100 millibars. Preferably, the pressure may be 60 to 70 millibar, more preferably 65 millibar.

바람직한 실시형태에서, 버너는 인접 등온(near-isothermal) 조건 하에서 작동하는 촉매 개질기와 통합된다. 본 실시형태는 도 2에 나타나 있다. 본 실시형태에서, 탄화수소 및 알코올 개질 시스템에서 바이오에탄올로서 H2 풍부 스트림을 생성하기 위해 개질기가 사용된다. 얻어진 H2는, 예를 들어, 잠수함과 같은 이동 해상 시스템에 대한 에너지를 제공하기 위해 상기 시스템의 연료 전지로 공급하기 위해 사용된다.In a preferred embodiment, the burner is integrated with a catalytic reformer operating under near-isothermal conditions. This embodiment is shown in Fig. In this embodiment, a reformer is used to produce an H 2 rich stream as the bioethanol in a hydrocarbon and alcohol reforming system. The resulting H 2 is used to feed the fuel cell of the system, for example, to provide energy for a mobile off-axis system such as a submarine.

개시된 버너는, 개질기와 통합될 때, 개질기의 개질관(23, reforming tube) 내에서 온도의 균일한 분포를 달성할 수 있게 한다.The disclosed burner, when integrated with the reformer, enables a uniform distribution of temperature within the reforming tube 23 to be achieved.

버너와 개질기가 통합되는 바람직한 실시형태에서, 개질기는 다관식이고 버너와의 통합은 모든 관에서 균일한 온도 분포를 허용한다.In a preferred embodiment in which the burner and the reformer are integrated, the reformer is multi-tubular and integration with the burner allows a uniform temperature distribution in all the tubes.

버너가 개질기와 통합되는 바람직한 실시형태에서, 790 mm의 작은 직경 및 2,100 mm의 작은 길이를 갖는 감소된 치수의 개질 장치가 달성된다.In a preferred embodiment in which the burner is integrated with a reformer, a reduced size modifying device having a small diameter of 790 mm and a small length of 2,100 mm is achieved.

본 발명의 또 다른 목적은 개시된 버너를 포함하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템이다.Still another object of the present invention is a hydrocarbon and alcohol reforming system comprising the disclosed burner.

바람직한 실시형태에 따르면, 이 시스템은 이 바람직한 실시형태에서 연료인 에탄올(28)과 H2O(29)를 포함하는 반응제에 대한 처리 장치를 포함하고, 상기 처리 장치는 상기 반응제(28, 29)의 증발 및 반응 온도로의 예열을 수행한다.According to a preferred embodiment, the system comprises a treatment device for a reactant comprising ethanol 28 and H 2 O 29, which is a fuel in this preferred embodiment, 29) and preheating to reaction temperature.

반응제 처리 장치는,The reactive agent-

i) 바람직하게 개질 반응기의 배출구에서 H2 풍부 개질 가스(31)의 열에 의해 350℃ 내지 450℃의 온도로 과열되는 에탄올(28)의 증발과 예열을 위한 제 1 열교환기(35)를 포함한다.i) a first heat exchanger 35 for the evaporation and preheating of the ethanol 28, which is preferably heated at a temperature of 350 ° C to 450 ° C by the heat of the H 2 -rich reforming gas 31 at the outlet of the reforming reactor .

또한, 탄화수소 및 알코올(바람직하게는 에탄올) 개질 시스템은 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 CO 농도를 5 ppm 이하의 레벨로 줄이는 정제 장치를 포함하고, 상기 장치는,In addition, a hydrocarbon and an alcohol (preferably ethanol) reforming system comprises a purification unit to reduce the CO concentration of a reformed gas stream having a high concentration of H 2 at a level of 5 ppm or less, and the apparatus comprising:

i) 제 3 열교환기(36), 제 4 열교환기(37) 및 제 5 열교환기(38)에 의해 개질 가스를 유입구에서 냉각하는 세 개의 CO 선택적 산화 반응기, 즉, 제 1 CO 선택적 산화 반응기(32), 제 2 CO 선택적 산화 반응기(33) 및 제 3 CO 선택적 산화 반응기(34)를 포함하고, 시스템이 필요로 하는 H2O의 일부의 증발이 상기 열교환기 내에서 수행되는 반면, 개질 가스 스트림은 각각의 CO 선택적 산화 반응기의 배출구에서 냉각된다.i) three CO selective oxidation reactors for cooling the reformed gas at the inlet by the third heat exchanger 36, the fourth heat exchanger 37 and the fifth heat exchanger 38, that is, the first CO selective oxidation reactor 32), a second CO selective oxidation reactor (33), and a third CO selective oxidation reactor (34), wherein evaporation of a portion of the H 2 O required by the system is performed in the heat exchanger, The stream is cooled at the outlet of each CO selective oxidation reactor.

제 3 열교환기(36)는 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 냉각하는 반면, 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 정제는 제 3 열교환기(36)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 제 1 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(32)에서 수행된다. The third heat exchanger 36 cools the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the water stream 29 while the purification of the gas stream 31 having a high H 2 concentration is performed by the third heat exchanger 36 in the first catalyst bed CO selective oxidation reactor 32 by the O 2 stream 46 injected at the inlet of the first catalyst bed CO selective oxidation reactor 32.

제 4 열교환기(37)는 제 1 CO 선택적 산화 반응기(32)의 배출구에 배치되어 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 계속해서 부분적으로 냉각하며, 이후 제 4 열교환기(37)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 부분적인 정제를 수행하기 위해 제 2 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(33)가 배치된다.The fourth heat exchanger 37 is disposed at the outlet of the first CO selective oxidation reactor 32 to continuously and partially cool the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the water stream 29, The second catalyst bed CO selective oxidation reactor 33 is arranged to perform a partial purification of the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the O 2 stream 46 injected at the inlet of the fourth heat exchanger 37 do.

제 5 열교환기(38)는 제 2 CO 선택적 산화 반응기(33)의 배출구에 배치되어 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 계속해서 부분적으로 냉각하며, 이후 제 5 열교환기(38)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 부분적인 정제를 수행하기 위해 제 3 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(34)가 배치된다.A fifth heat exchanger (38) of claim 2 CO selective, and are disposed at the outlet of the oxidation reactor, 33, continues to a gas stream (31) having a high H 2 concentration by the water stream 29 to partially cool to, since the A third catalytic layer CO selective oxidation reactor 34 is arranged to perform partial refining of the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the O 2 stream 46 injected at the inlet of the fifth heat exchanger 38 do.

반응제 처리 장치는 또한,The reactive agent processing apparatus may further comprise:

ii) 액체 물을 증기로 변환시키고, 물(29)을 대략 80℃의 온도로 가열하기 위한 제 6 열교환기(39), 100℃ 내지 150℃의 온도, 바람직하게는 115℃ 내지 125℃의 온도에서 물의 증발(39)을 수행하기 위한 제 7 열교환기(40), 및 선택적으로, 본원에서 이후 설명될 연소 시스템에서 생성되는 연소후 가스(E)의 열에 의해 대략 350℃ 내지 450℃의 온도로 물(29)을 과열시키기 위한 제 8 열교환기(42)를 포함하는 증기 생성기를 포함한다.ii) a sixth heat exchanger 39 for converting the liquid water to steam and for heating the water 29 to a temperature of approximately 80 DEG C, a temperature of 100 DEG C to 150 DEG C, preferably a temperature of 115 DEG C to 125 DEG C (E) at a temperature of about < RTI ID = 0.0 > 350 C < / RTI > to < RTI ID = 0.0 > 450 C, < / RTI & And an eighth heat exchanger (42) for superheating the water (29).

증기 생성기는 또한, 증기 흐름에 존재하는 물 방울의 분리를 수행할 수 있는, 제 7 열교환기(40) 이후에 배치되는 사이클론 또는 드롭 분리기 및 연소후 가스 스트림의 높은 물 함량으로 인해 연소후 가스(E)에서 응축되는 물이 배출되는 물 제거기(49)를 포함한다.The steam generator also includes a cyclone or drop separator disposed after the seventh heat exchanger 40, which is capable of performing the separation of water drops present in the steam stream, and a high water content of the post- E, the water being condensed is discharged.

개질 장치(27)는 단일 어셈블리를 형성하는 상기한 통합된 버너(51)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 개질 장치(27)는 에탄올(28)과 물(29) 혼합물을 개질기(30)의 촉매층으로 유입시키고 개질 장치 유출 가스를 냉각하기 위해 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)에 의해 개질 장치(27)의 유입구에서 상기 에탄올(28)과 물(29) 혼합물을 가열하는 제 9 열교환기(43) 및 등온 조건 하에서 매우 흡열성인 개질 반응을 수행하는데 필요한 에너지를 공급하기 위해 버너에서 얻어지는 연소후 가스 흐름(E)에 의해 개질 가스를 가열하는 제 10 열교환기(44)를 포함할 수 있다.The reforming device 27 may comprise the above-described integrated burner 51 forming a single assembly. The reforming device 27 may also be configured to introduce a mixture of ethanol 28 and water 29 into the reforming gas stream 31 having a high H 2 concentration to cool the effluent gas of the reformer 30, A ninth heat exchanger 43 for heating the mixture of ethanol 28 and water 29 at the inlet of the reformer 27 and a heat exchanger 43 for heating the mixture of ethanol 28 and water 29 in the burner And a tenth heat exchanger (44) for heating the reformed gas by the obtained post-combustion gas flow (E).

일 실시형태에서, 개질 시스템은 혼합물이 개질 장치(27)의 개질기(30)의 반응 영역에 도달하기 전에 연소후 가스로 탄화수소 및 알코올(28)과 물(29)의 혼합물을 가열하기 위한 추가 열교환기를 포함한다. 이는 개질기(30)의 유입구에 배치된다.In one embodiment, the reforming system further comprises an additional heat exchange (not shown) for heating the mixture of hydrocarbons and alcohol 28 and water 29 as post-combustion gas before the mixture reaches the reaction zone of reformer 30 of reformer 27 . Which is disposed at the inlet of the reformer 30.

탄화수소 및 알코올(바람직하게 에탄올) 개질 시스템은 또한 바람직하게 두 개의 수성가스 전환 반응기(26)와 선택적 산화 반응기를 포함하는 정제 장치를 포함한다. 수성가스 전환 반응기(26)는 연료 전지(50)의 음극 배기 가스(47)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스(31)의 온도를 낮출 수 있는 제 11 열교환기(45)에 의한 중간 냉각(45)을 갖는다.The hydrocarbon and alcohol (preferably ethanol) reforming system also preferably comprises a purification apparatus comprising two water gas shift reactors 26 and a selective oxidation reactor. The water gas shift reaction reactor 26 is provided with an intermediate cooling step by the eleventh heat exchanger 45 which can lower the temperature of the reformed gas 31 having a high H 2 concentration by the cathode exhaust gas 47 of the fuel cell 50 (45).

또한, 개질 장치는 메탄을 함유하는 연소후 가스(E)를 수용하도록 구성되는 통합된 개질기 및 버너의 배출구에 배치되는 촉매 후연소기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 시스템은 물 스트림(29)의 증발을 위해 제 6 열교환기(39)의 배출구에 배치되는 촉매 후연소기를 포함한다.In addition, the reforming apparatus may include an integrated reformer configured to contain post combustion gas E containing methane and a post-catalyst combustor disposed at the outlet of the burner. In another embodiment, the system includes a post-catalyst combustor disposed at the outlet of the sixth heat exchanger 39 for evaporation of the water stream 29.

본 발명의 또 다른 목적은 잠수함에서 탄화수소 스트림을 생성하기 위해 탄화수소 및 알코올 개질 시스템에서 상기한 버너의 사용이다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 버너는 균일한 연소후 가스 선단을 발생시키는 균일한 화염을 얻을 수 있고, 얻어진 모든 생성물은 수용성이다. 잠수함의 탄화수소 및 알코올 개질 장치에서 사용되는 경우에 있어서, 필요한 것보다 적은 산소가 전체 성능 작동을 위해 사용될 수 있고, 이로 인해 연소후 가스는 미연소 생성물을 함유할 수 있다. 이러한 경우, 본 발명은 모든 연소후 가스의 가용성을 보장하기 위해 시스템에의 촉매 후연소기의 추가를 포함한다.A further object of the invention is the use of the burners described above in a hydrocarbon and alcohol reforming system to produce a hydrocarbon stream in a submarine. As described above, the burner of the present invention can obtain a homogeneous flame that generates a uniform gas end point after combustion, and all products obtained are water-soluble. In the case of use in a submarine hydrocarbon and alcohol reforming apparatus, less oxygen than is needed may be used for overall performance operation, and therefore the post-combustion gas may contain unburned products. In this case, the present invention includes the addition of a post-catalyst combustor to the system to ensure the availability of all post-combustion gases.

Claims (34)

음극 배기 가스와 양극 배기 가스를 생성하는 연료 전지와 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너에 있어서, 상기 버너는 기본적으로 산화제 및 연료 유입 덕트(1), 슬리브(13)를 포함하고, 슬리브(13)에 의해 연소실(15)에 결합되며,
- 액체 연료(A)가 내부로 유입되는 내부관(2) 및 내부관(2)에 동심으로 배치되고 큰 직경을 가지며 가스 연료(B)가 유입되는 외부관(3)을 포함하는, 유입 덕트(1) 내의 제 1 섹션;
- 제 1 섹션에 인접하고, 내부관(2)에 연결된 중심에 분무기(6) 및 분무기(6) 주위에서 외부관(3)에 연결되는 제 1 오리피스(10)를 구비하는 연료 분배판(7); 및 산화제(D)의 통과를 위해 구성되는, 유입 덕트(1)에 방사상으로 배치되는 일차 오리피스(12)를 포함하는, 유입 덕트(1) 내의 제 2 섹션;
- 제 2 섹션에 인접하고, 제 1 분배판(7)보다 큰 직경을 갖고 산화제(D)의 통과를 위해 구성되는 다수의 이차 오리피스(11)를 갖는 산화제 분배판(8); 및 슬리브(13)를 포함하고, 산화제 분배판(8)을 통해 제 2 섹션에 연결되는 제 3 섹션으로 분할되고, 및
상기 버너가 연결되는 연소실(15)은 연소실(15)의 외부를 냉각하도록 구성되는, 재순환 연소후 가스의 재순환을 위한 이중 쉘(double shell)로 둘러싸여 있으며, 상기 연소실(15)은 재순환 연소후 가스를 위한 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
A burner for a hydrocarbon and alcohol reforming system integrated with a fuel cell that produces a cathode exhaust gas and an anode exhaust gas, the burner comprising basically an oxidant and fuel inlet duct (1), a sleeve (13) , And is connected to the combustion chamber (15)
An inner tube 2 into which the liquid fuel A is introduced and an outer tube 3 concentrically disposed in the inner tube 2 and having a large diameter and into which the gaseous fuel B flows, (1);
- a fuel distribution plate (7) having a first orifice (10) adjacent to the first section and connected to the outer tube (3) around the atomizer (6) and the atomizer (6) ); And a primary section in the inlet duct (1) comprising a primary orifice (12) arranged radially in the inlet duct (1), constituted for passage of the oxidant (D);
- an oxidizer distribution plate (8) adjacent to the second section and having a plurality of secondary orifices (11) having a larger diameter than the first distribution plate (7) and configured for passage of the oxidant (D); And a sleeve (13) and is divided into a third section connected to the second section via an oxidant distribution plate (8), and
The combustion chamber 15 to which the burner is connected is surrounded by a double shell for recirculation of the gas after the recirculating combustion which is configured to cool the outside of the combustion chamber 15, And an inlet for the hydrocarbon and alcohol reforming system.
제 1 항에 있어서,
상기 내부관(2)은 중심부에 배치되고 이를 통해 액체 연료(A)가 분무기(6)로 순환하는 제 1 관(2.1) 및 상기 제 1 관과 동심이고 이보다 크며 이를 통해 분무기 가스(C)가 분무기(6)로 순환하는 제 2 관(2.2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
The inner tube 2 is centrally disposed with a first tube 2.1 in which the liquid fuel A is circulated to the atomizer 6 and a second tube which is concentric with the first tube and through which the atomizer gas C And a second pipe (2.2) circulating to the sprayer (6).
제 1 항에 있어서,
상기 분무기(6)는 액체 연료(A)의 흐름에 시계 방향의 회전을 부여하도록 내부관(2)의 중심축에 대해 경사진, 분무기의 제 1 오리피스(21) 및 분무기 가스(B)에 반시계 방향의 회전을 부여하도록 내부관(2)의 중심축에 대해 경사진, 분무기의 제 2 오리피스(22)를 갖는 분무기 노즐(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
The atomizer 6 is adapted to inject air into the first orifice 21 and the atomizer gas B of the atomizer which are inclined with respect to the central axis of the inner tube 2 to impart a clockwise rotation to the flow of the liquid fuel A. And an atomizer nozzle (20) having a second orifice (22) of the atomizer inclined with respect to a central axis of the inner tube (2) to impart a clockwise rotation.
제 1 항에 있어서,
상기 버너는 액체 연료의 통과를 위해 구성되는, 외부관(3)에 연결된 보조 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
Characterized in that the burner further comprises an auxiliary inlet connected to the outer tube (3), which is configured for passage of the liquid fuel.
제 1 항에 있어서,
상기 버너는, 연료 전지로부터의 음극 배기 가스의 통과를 위해 구성되는 저온의 음극 배기 가스 유입구, 버너가 통합되는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템의 구성요소를 냉각하기 위해 재순환된 이후 음극 배기 가스의 통과를 위해 구성되는 고온의 음극 배기 가스 유입구, 및 산화제의 통과를 위해 구성되는 산화제 유입구를 포함하는 버너의 절연 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
The burner includes a low temperature cathode exhaust gas inlet configured for passage of cathode exhaust gas from the fuel cell, a cathode for passing the cathode exhaust gas after being recycled to cool the components of the hydrocarbon and alcohol reforming system into which the burner is incorporated Further comprising an insulating case of a burner including a hot cathode exhaust gas inlet, a high temperature cathode exhaust gas inlet, and an oxidant inlet which is configured for passage of the oxidizing agent.
제 1 항에 있어서,
상기 버너는 저온의 음극 배기 가스와 고온의 배기 가스의 혼합물의 통과를 위한 유입구 및 산화제의 통과를 위한 유입구를 포함하는 버너의 절연 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
Characterized in that the burner further comprises an insulating case of a burner comprising an inlet for the passage of a mixture of the cold cathode exhaust gas and the hot exhaust gas and an inlet for the passage of the oxidizing agent.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 케이스는 액체 연료의 통과를 위해 구성되는 보조 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 5 or 6,
Wherein said case further comprises an auxiliary inlet configured for passage of liquid fuel. ≪ RTI ID = 0.0 >< / RTI >
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 연료는 바이오에탄올인 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the liquid fuel is bioethanol. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 연료는 연료 전지의 음극 배기 가스, 및 음극 배기 가스와 액체 바이오에탄올의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the gaseous fuel is selected from a mixture of a cathode exhaust gas of the fuel cell and a cathode exhaust gas and liquid bio-ethanol.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화제는 연료 전지의 양극 배기 가스와 재순환 연소후 가스(E)의 혼합물, 재순환 연소후 가스와 혼합된 순수 O2, 또는 CO2와 혼합된 순수 O2 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Characterized in that the oxidant is selected from the group consisting of a mixture of the anode exhaust gas of the fuel cell and the gas (E) after the recirculation combustion, pure O 2 mixed with the gas after the recirculating combustion, or pure O 2 mixed with CO 2. Burners for reforming systems.
제 1 항에 있어서,
상기 버너는 제 1 분배판(7) 내에 배치되는 적어도 하나의 적외선 또는 자외선 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너.
The method according to claim 1,
Characterized in that the burner comprises at least one infrared or ultraviolet sensor disposed in the first distribution plate (7).
탄화수소 및 알코올 개질 시스템에 있어서, 상기 시스템은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 개시된 버너 및 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)을 생성하기 위해 증기(29)로 탄화수소 및 알코올(28)을 개질하기 위한 개질기(30)를 포함하는 개질 장치(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
In the hydrocarbon and alcohol reforming system, the system of claims 1 to 11 as disclosed in any one of items burner and the hydrocarbon and alcohol to the steam (29) to produce a reformed gas stream 31 has a high H 2 concentration And a reforming device (27) comprising a reformer (30) for reforming the reforming gas (28).
제 12 항에 있어서,
상기 버너는 개질 장치(27) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
13. The method of claim 12,
Characterized in that the burner is incorporated in a reforming device (27).
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 시스템은,
i) 탄화수소 및/또는 알코올(28)과 H2O(29)의 증발 및 반응 온도로의 예열을 수행하기 위한 반응제 처리 장치;
ii) 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 CO 농도를 20 ppm 이하의 레벨로 줄이는 정제 장치를 포함하고, 상기 장치는,
- 적어도 하나의 유입구에서 냉각되는 수성가스 전환 반응기(26)-
- 적어도 하나의 유입구에서 냉각되는 CO 선택적 산화 반응기(32, 33, 34)를 포함하고,
상기 반응제 처리 장치는 또한,
- 상기 정제 장치 또는 개질 장치(27)의 반응기들(32, 33, 34, 26) 중 하나의 반응기의 배출구에서 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 열에 의해 탄화수소 및 알코올(28)을 증발시키고 탄화수소 및 알코올(28)을 과열시키기 위한 제 1 열교환기(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
The method according to claim 12 or 13,
The system comprises:
i) a reactant treatment device for effecting evaporation of the hydrocarbons and / or the alcohol (28) and H 2 O (29) and preheating to the reaction temperature;
ii) it comprises a purification unit to reduce the CO concentration of a reformed gas stream having a high H 2 concentration to a level below 20 ppm, and the apparatus comprising:
A water gas shift reactor (26) cooled at at least one inlet,
- a CO selective oxidation reactor (32, 33, 34) cooled at at least one inlet,
The reactive agent processing apparatus may further comprise:
- hydrocarbons and the alcohol (28) are evaporated by the heat of the reforming gas stream having a high H 2 concentration at the outlet of the reactor of one of the reactors (32, 33, 34, 26) of the purifier or reformer And a first heat exchanger (35) for superheating the hydrocarbons and the alcohol (28).
제 14 항에 있어서,
상기 반응제 처리 장치는 또한 증발된 탄화수소 및 알코올 스트림(28)의 열에 의한 H2O(29)의 부분적인 증발을 위한 제 2 열교환기를 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
15. The method of claim 14,
Characterized in that the reactant treatment system is also a second heat exchanger for partial evaporation of H 2 O (29) by heat of the evaporated hydrocarbon and alcohol stream (28).
제 14 항 또는 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정제 장치는 공정에서 필요로 하는 H2O(28)의 일부의 증발을 수행하기 위해 CO 선택적 산화 반응기(32, 33, 34) 각각의 유입구에서 개질 가스 스트림을 냉각하는 반면, CO 선택적 산화 반응기(32, 33, 34) 각각의 유입구에서 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)을 냉각하기 위한 열교환기(36, 37, 38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
16. The method according to any one of claims 14 to 15,
The purifier cools the reformate gas stream at the inlet of each of the CO selective oxidation reactors (32, 33, 34) to perform evaporation of a portion of the H 2 O (28) required in the process, while the CO selective oxidation reactor (32, 33, 34), the reformed gas stream 31. heat exchanger (36, 37, 38), a hydrocarbon and an alcohol-modified system comprising the for cooling has a high H 2 concentration in each of the inlet.
제 16 항에 있어서,
상기 정제 장치는 세 개의 선택적 산화 반응기(32, 33, 34)와 관련된 제 3 열교환기(36), 제 4 열교환기(37) 및 제 5 열교환기(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
17. The method of claim 16,
Characterized in that the purification apparatus comprises a third heat exchanger (36), a fourth heat exchanger (37) and a fifth heat exchanger (38) associated with the three selective oxidation reactors (32, 33, 34) Alcohol reforming system.
제 14 항에 있어서,
상기 반응제 처리 장치는, 액체 물을 증기로 변환시키고, 수용성 연소후 가스(E) 스트림의 열에 의해 두 단계에서 물의 증발을 수행하기 위한 제 6열교환기(39)와 제 7 열교환기(40)를 포함하는 증기 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
15. The method of claim 14,
The reactant treatment device comprises a sixth heat exchanger 39 and a seventh heat exchanger 40 for converting liquid water to steam and for performing water evaporation in two stages by the heat of the water-fired gas (E) stream, And a steam generator comprising the steam generator.
제 18 항에 있어서,
상기 반응제 처리 장치는 또한 증기를 과열시키기 위한 제 8 열교환기(42) 및/또는 증기 흐름에 존재하는 물 방울을 분리하기 위한 사이클론(cyclone) 또는 드롭(drop) 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
19. The method of claim 18,
The reactant treatment system may further comprise an eighth heat exchanger (42) for superheating the steam and / or a cyclone or drop separator for separating water drops present in the steam stream Hydrocarbon and alcohol reforming systems.
제 14 항에 있어서,
상기 개질기는 개질기(30)의 촉매층 단계 이전에 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)에 의해 탄화수소 및 알코올(28)과 물(29)의 혼합물을 가열하고 개질기 연도 가스(flue gas)를 냉각하기 위해 상기 개질 장치(27)의 유입구에 배치된 제 9 열교환기(43)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
15. The method of claim 14,
The reformer heats the mixture of hydrocarbon and alcohol 28 and water 29 with a reformed gas stream 31 having a high H 2 concentration prior to the catalyst bed stage of the reformer 30 and a reformer flue gas And a ninth heat exchanger (43) disposed at an inlet of the reforming device (27) for cooling.
제 12 항에 있어서,
상기 시스템은 연소후 가스(E)에 의해 탄화수소 및 알코올(28)과 물(29)의 혼합물을 가열하기 위해 상기 개질 장치(27)의 개질기(30)의 유입구에 배치된 추가 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
13. The method of claim 12,
The system comprises an additional heat exchanger arranged at the inlet of the reformer 30 of the reforming device 27 for heating the mixture of hydrocarbon and alcohol 28 and water 29 by post combustion gas E Characterized by a hydrocarbon and alcohol reforming system.
제 20 항에 있어서,
상기 개질기는 또한 수용성 연소후 가스(E)에 의해 개질 반응기층(30)으로 필요한 열을 공급하기 위한 제 10 열교환기(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
21. The method of claim 20,
Characterized in that the reformer also comprises a tenth heat exchanger (44) for supplying the required heat to the reforming reactor layer (30) by means of a water-soluble combustion gas (E).
제 14 항에 있어서,
상기 정제 장치는 수성가스 전환 반응기(26)의 유입구에 냉각을 수행하기 위한 제 11 열교환기(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
15. The method of claim 14,
Characterized in that the purification apparatus comprises an eleventh heat exchanger (45) for performing cooling at the inlet of the water gas shift reactor (26).
제 17 항에 있어서,
상기 제 3 열교환기(36)는 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 냉각하는 반면, 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 정제는 제 3 열교환기(36)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 제 1 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(32)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
18. The method of claim 17,
The third heat exchanger 36 cools the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the water stream 29 while the purification of the gas stream 31 having a high H 2 concentration is carried out by a third heat exchanger Is carried out in the first catalyst bed CO selective oxidation reactor (32) by an O 2 stream (46) injected at the inlet of the first catalyst bed (36).
제 24 항에 있어서,
상기 제 4 열교환기(37)는 제 1 CO 선택적 산화 반응기(32)의 배출구에 배치되어 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 계속해서 부분적으로 냉각하며, 이 다음에 제 4 열교환기(37)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 부분적인 정제를 수행하기 위해 제 2 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(33)가 배치되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
25. The method of claim 24,
The fourth heat exchanger 37 and continues to partly cool the gas stream 31 has a high H 2 concentration by claim 1 CO stream (29) is arranged at the outlet of the selective oxidation reactor 32, the The second catalyst bed CO selective oxidation reactor 33 (hereinafter referred to as " second oxidation catalyst ") is used to perform partial purification of the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the O 2 stream 46 injected at the inlet of the fourth heat exchanger 37 ) Is arranged on the downstream side.
제 25 항에 있어서,
상기 제 5 열교환기(38)는 제 2 CO 선택적 산화 반응기(33)의 배출구에 배치되어 물 스트림(29)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)을 계속해서 부분적으로 냉각하며, 이 다음에 제 5 열교환기(38)의 유입구에서 주입되는 O2 스트림(46)에 의해 높은 H2 농도를 갖는 가스 스트림(31)의 부분적인 정제를 수행하기 위해 제 3 촉매층 CO 선택적 산화 반응기(34)가 배치되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
26. The method of claim 25,
The fifth heat exchanger 38 and continue partially cooling a gas stream 31 has a high H 2 concentration by the water stream (29) is arranged at the outlet of claim 2 CO selective oxidation reactor 33, the A third catalyst bed CO selective oxidation reactor 34 (hereinafter referred to as " CO ") is used to perform partial purification of the gas stream 31 having a high H 2 concentration by the O 2 stream 46 injected at the inlet of the fifth heat exchanger 38 ) Is arranged on the downstream side.
제 12 항에 있어서,
상기 시스템은 개질 장치(27) 내에 통합된 버너(51)에서 발생하는 연소로부터의 과잉 산소를 이용하여 연소후 가스(E)의 미연소 생성물(메탄, H2 및 CO)의 연소를 수행하도록 구성되는, 버너 및 개질기의 배출구에 배치되는 촉매 후연소기(catalytic post-combustor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
13. The method of claim 12,
Said system configured to perform the combustion in the reformer 27, unburned product (methane, H 2 and CO) of the gas (E) after combustion by using the excess oxygen from the combustion occurring in the integrated burner 51 in the And a catalytic post-combustor disposed at an outlet of the burner and the reformer.
제 18 항에 있어서,
상기 시스템은 제 6 열교환기(39)의 배출구에 배치되는 촉매 후연소기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 시스템.
19. The method of claim 18,
Wherein the system further comprises a post-catalyst combustor disposed at an outlet of the sixth heat exchanger (39).
탄화수소 및 알코올 개질 공정에 있어서, 상기 공정은,
i) 탄화수소 및/또는 알코올(28)과 H2O(29)의 증발 및 반응 온도로의 예열을 수행하기 위한 반응제 처리 단계,
ii) 수용성 연소후 가스(E) 스트림을 생성하기 위해, 반응제(28)로 사용되는 탄화수소 및/또는 알코올로 보충될 수 있는 연료인 연료 전지의 음극 배기 가스(47) 및 O2 스트림(46)으로 보충되는 산화제인 연료 전지의 양극 배기 가스(48)를 사용하여 개질 및 물 증발 단계에 필요한 열을 제공하기 위한 연소후 가스(E)를 생성하는 연소 단계,
iii) 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)을 생성하기 위한 탄화수소/알코올 및 증기 개질 단계,
iv) 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림의 CO 농도를 20 ppm 이하로 줄이기 위한 정제 단계를 포함하고, 상기 정제 단계는,
a. 각각의 단계 초반에 냉각이 이루어지는 수성가스 전환 형태의 반응이 수행되는 하나 또는 여러 하위단계,
b. 각각의 단계 초반에 냉각이 이루어지는 CO 정제의 하나 또는 여러 하위 단계를 포함하고,
상기 반응제 처리 단계는 상기 개질 단계 이후에 또는 정제 단계의 임의의 하위단계 이후에 얻어지는 높은 H2 농도를 갖는 개질 가스 스트림(31)의 열에 의해 탄화수소 및 알코올(28)의 증발을 위한 제 1 열교환 하위단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 공정.
In the hydrocarbon and alcohol reforming process,
i) a reactant treatment step for carrying out the evaporation of the hydrocarbons and / or the alcohol (28) and H 2 O (29) and the preheating to the reaction temperature,
ii) the cathode exhaust gas 47 of the fuel cell, which is a fuel that can be supplemented with hydrocarbons and / or alcohols used as reactant 28, and O 2 stream 46 A combustion step for producing post combustion gas (E) for providing the necessary heat for the reforming and water evaporation steps, using the anode exhaust gas (48) of the fuel cell,
iii) hydrocarbon / alcohol to produce a reformed gas stream 31 has a high H 2 concentration and the steam reforming step,
iv) comprises a purification step for reducing CO concentration of a reformed gas stream having a high H 2 concentration to below 20 ppm, and wherein the tablet comprises:
a. One or several sub-steps in which a reaction in the form of a water-gas shift, in which cooling is effected at the beginning of each step,
b. Comprising one or several sub-steps of a CO purification in which cooling occurs at the beginning of each step,
The reactant treatment step may comprise a first heat exchange for evaporation of hydrocarbons and alcohol (28) by heat of the reforming gas stream (31) having a high H 2 concentration obtained after the reforming step or after any sub- Wherein the hydrocarbon and alcohol reforming process comprises a sub-step.
제 29 항에 있어서,
상기 처리 단계는 탄화수소 및 알코올 스트림의 열에 의해 H2O(29)의 부분적인 증발을 위한 제 2 열교환 하위단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 공정.
30. The method of claim 29,
Characterized in that the treatment step comprises a second heat exchange sub-step for partial evaporation of H 2 O (29) by heat of the hydrocarbon and alcohol streams.
제 29 항에 있어서,
상기 반응제 처리 단계는 제 3 증기 과열 하위단계 및/또는 제 4 드롭 분리 하위단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 공정.
30. The method of claim 29,
Wherein the reactant treatment step comprises a third vapor superheating sub-step and / or a fourth drop separation sub-step.
제 29 항에 있어서,
상기 탄화수소 및 알코올(28)을 증발시키기 위한 제 1 열교환 하위단계는 에탄올이 350℃ 내지 450℃의 온도에서 과열되는 단계인 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 공정.
30. The method of claim 29,
Wherein the first heat exchange sub-step for evaporating the hydrocarbons and the alcohol (28) is a step wherein ethanol is overheated at a temperature of 350 ° C to 450 ° C.
제 29 항에 있어서,
상기 공정은 연소후 가스의 메탄, H2 및 CO의 연소 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 및 알코올 개질 공정.
30. The method of claim 29,
The process is a hydrocarbon and an alcohol reforming process comprising a methane combustion step of the H 2 and CO in the gas after combustion.
잠수함의 탄화수소 및 알코올 개질 시스템에서 사용하기 위한, 제 1 항 내지 제 11 항에 개시된 탄화수소 및 알코올 개질 시스템용 버너의 용도.Use of a burner for hydrocarbon and alcohol reforming systems as set forth in claims 1 to 11 for use in a hydrocarbon and alcohol reforming system of a submarine.
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