KR20170067035A - 고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기는 중공 원통 형상의 반응기 바디(10); 상기 반응기 바디(10)의 내부에 이격 배치되는 촉매 반응부(20); 상기 촉매 반응부(20) 내에 하부로부터 삽입 배치되는 버너부 파이프(50); 상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되는 촉매가스 유입관(80); 상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되어져 상기 촉매 반응부(20)로부터의 촉매가스를 외부로 배출하게 하는 촉매가스 배출관(70); 및 상기 반응기 바디(10)의 상부에 배치된 상태에서 버너연소가스의 배출을 가능하게 하는 배출부(76);를 포함하며, 상기 촉매 반응부(20)는 유입되는 개질촉매가스와 버너연소가스와의 열교환 접촉 면적을 증가하기 위한 주름관 튜브 타입 또는 일자형 튜브 타입이다.

Description

고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기{Cylinder steam reforming reactor used for Solid Oxide Fuel}
본 발명은 천연가스를 사용하는 고체산화물 연료전지용 저가형 고효율 원통형 수증기 개질 반응기의 설계에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 개질 반응기를 구성하는 복수의 원통체들 간의 간격을 조절하여 개질촉매가스가 유입되는 유로의 폭을 적절히 조절하게 하는 동시에 촉매 반응부의 단면적을 넓힘으로써 열효율이 향상된 저가형 고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기 기술에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 수소, 메탄올 및 에탄올 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학반응 에너지를 직접적인 전기 에너지로 변환시키는 발전시스템이다.
연료전지의 종류에는 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우에 해당하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 및 고온에서 작동되는 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel cell) 등이 있다.
상기 연료전지들 중 PEMFC의 기술적 단점인 낮은 CO 농도 요구치, 복잡한 가습 시스템 및 스택에서의 flooding 현상으로 인한 성능 저하 등의 문제점을 가지고 있으며, 상기 PEMFC를 SOFC로 대체할 경우에 시스템 구조가 간단해짐으로써 사이즈 소형화와 높은 효율성 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
상술한 바와 같은 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 있기 때문에 수소를 생산하기 위하여 메탄, 메탄올 및 천연가스로부터 개질(Reforming)을 통하여 얻을 수 있으며 개질하기 위한 연료 개질기 등의 부대설비를 필요로 한다. 이와 같은 연료 개질기는 개질 방식에 따라 수증기(Steam) 개질, 부분 산화개질, 및 자열 개질로 분류할 수 있다.
이 중 수증기 개질 반응기(Steam reformer)는 개질되는 가스의 수소 함량이 높다는 장점이 있고 메탄 및 천연 가스와 같은 짧은 탄소 체인을 가지고 있는 연료에 적합하다.
또한, 수증기 개길 반응은 개질된 가스가 높은 온도를 함유하고 있어 작동 온도가 높은 SOFC 시스템에 적합하다.
하지만 수증기 개질 반응기(Steam reformer)는 스팀을 생성하기 위하여 많은 양의 열량을 소모한다는 점, 개질부의 흡열 반응으로 인한 열량 소모로 인해 열 회수를 위한 구조가 복잡하다는 점 및 이러한 이유들로 인하여 제작의 어려움과 반응기의 제작비용이 커지는 등의 문제가 있다.
원통형 수증기 개질기를 제시하는 종래의 문헌으로 등록특허 제10-0677016호(2007.01.25)를 참조할 수 있다. 상기 발명은 도시 가스나 LPG 등의 탄화수소계 연료를 수증기 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 제조하는 원통식 수증기 개질기에 관한 내용을 개시한다.
상기 문헌에서는 동심형상으로 복수의 원통체들을 배치하고, 개질촉매층, 버너 연소 가스 유로층을 상기 복수의 원통체들 사이에 적절히 배치하는 구성을 통해 일체화함으로써 소형 경량화를 가능하게 하는 방안을 개시하지만, 반응기를 구성하는 복수의 원통체들 간의 간격을 조절함으로써 상기 복수의 원통체들 사이로 유동하는 연소가스의 흐름을 개선하는 방안이나 촉매반응부 자체의 구조 개선을 통한 열교환 효율을 향상하는 방안에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR10-0677016 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 개질 반응기를 구성하는 복수의 원통체들 간의 간격을 자유롭게 조절하기 위하여 최외곽 튜브인 반응기 바디의 하단 및 상단 상에 관통홈을 형성하고, 상기 관통홈을 통해 복수의 원통관들을 가로질러 배치되는 촉매가스 유입관 및 촉매가스 배출관 구조를 통해서 상기 복수의 원통관들 사이의 간격 조절이 용이할 수 있다는 점 및 촉매반응부 외면의 접촉 면적을 증가하게 하는 구조를 제공하는 것이 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기는 중공 원통 형상의 반응기 바디(10); 상기 반응기 바디(10)의 내부에 이격 배치되는 촉매 반응부(20); 상기 촉매 반응부(20) 내에 하부로부터 삽입 배치되는 버너부 파이프(50); 상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되는 촉매가스 유입관(80); 상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되어져 상기 촉매 반응부(20)로부터의 촉매가스를 외부로 배출하게 하는 촉매가스 배출관(70); 및 상기 반응기 바디(10)의 상부에 배치된 상태에서 버너연소가스의 배출을 가능하게 하는 배출부(76);를 포함하며, 상기 촉매 반응부(20)는 유입되는 개질촉매가스와 버너연소가스와의 열교환 접촉 면적을 증가하기 위한 주름관 튜브 타입 또는 일자형 튜브 타입이다.
상기 촉매 반응부(20)는 외측 촉매 반응부(30) 및 상기 외측 촉매 반응부(30)의 내측으로 이격 배치되는 내측 촉매 반응부(40)를 포함하며, 상기 촉매가스 유입관(80)의 내측 끝단은 상기 외측 촉매 반응부(30) 및 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간으로 연통한다.
상기 촉매가스 유입관(80)은 상기 반응기 바디(10)의 측면에 형성된 제1 관통홈(15)을 통해 결합되고, 제1 폐쇄 플레이트(16)가 상기 촉매가스 유입관(80)의 하단에 밀착된 상태에서 상기 제1 관통홈(15)의 개방된 영역을 폐쇄하고, 상기 촉매가스 배출관(80)은 상기 반응기 바디(10)의 측면에 형성된 제2 관통홈(18)을 통해 결합되고, 제2 폐쇄 플레이트(19)가 상기 촉매가스 배출관(80)의 하단에 밀착된 상태에서 상기 제2 관통홈(18)의 개방된 영역을 폐쇄한다.
상기 원통형 수증기 개질 반응기는, 상기 촉매 반응부(20)의 하단에 결합되는 연소가스 유동 가이드부(60);를 더 포함하며, 상기 연소가스 유동 가이드부(60)는 링 형태의 가이드부 바디(62) 및 상기 가이드부 바디(62)를 따라 형성된 연소가스 유동홀(64)을 포함하고, 상기 버너부 파이프(50)와 상기 촉매 반응부(20) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동하는 버너연소가스는 상기 가이드부 바디(62)의 유동홀(64)을 통해 상기 반응기 바디(10) 내의 하단부 외측으로 유동한다.
상기 촉매가스 배출관(70)은 상기 촉매가스 유입관(80) 보다 높은 위치에 설정된다.
상술한 바와 같은 본 발명인 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기는 개질 반응기를 구성하는 복수의 원통체들 간의 간격을 자유롭게 조절하기 위하여 최외곽 튜브인 반응기 바디의 하단 상에 관통홈을 형성하고, 상기 관통홈을 통해 복수의 원통관들을 가로질러 배치되는 개질촉매가스 유입관 구조를 통해서 상기 복수의 원통관들 사이의 간격 조절이 용이할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 수증기 개질 반응기를 응용 및 개선하여 촉매 반응부에 인접하는 형태로 배치되는 연소가스부의 면적을 증가시킴으로써 개질 효율 및 열효율을 향상하게 한다.
더 나아가, 본 발명은 기존의 복잡했던 삼중관 구조 방식의 수증기 개질 반응기 구조를 단순화하고 최적화함에 따라 제작상의 문제와 비용적인 문제를 해결 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기의 사시도,
도 2는 도 1의 원통형 수증기 개질 반응기의 분해 사시도,
도 3은 원통형 수증기 개질 반응기를 통하여 연소가스 및 촉매개질가스가 유동하는 상태를 나타낸 도면,
도 4는 반응기 바디 상에 형성된 관통홈을 통해 개질촉매가스 유입관 및 연소가스 배출관이 배치된 상태에서, 상기 관통홈의 개방된 부분을 용접을 통해 폐쇄하는 과정을 보이는 도면,
도 5는 본 발명과 종래의 개질 반응기에서의 CFD 분석 결과를 보이는 것으로서, 유동 과정에서의 전체적인 온도 분포,
도 6은 본 발명과 종래의 개질 반응기에서의 CFD 분석 결과를 보이는 것으로서, 유동 과정에서의 전체적인 압력 분포, 및
도 7은 본 발명과 종래의 개질 반응기에서의 CFD 분석 결과를 보이는 것으로서, 개질 출구에서의 몰분율을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 개질촉매가스는 반응가스, 개질가스 또는 촉매가스로 호칭될 수 있고, 버너연소가스는 연소가스로 호칭될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 수증기 개질 반응기는 최외곽에 배치되는 중공의 튜브 타입 형상을 갖는 반응기 바디(10), 반응기 바디(10)의 내측에 이격 배치되는 촉매 반응부(20), 촉매 반응부(20) 내에 하부로부터 삽입 배치되는 버너부 파이프(50), 촉매 반응부(20)의 하단에 결합되는 연소가스 유동 가이드부(60), 반응기 바디(10)의 상부 방향으로 배치된 상태에서 버너연소가스의 배출을 가능하게 하는 배출부(76), 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20)의 측면 공간을 통해 삽입된 상태에서 상기 촉매 반응부(20) 내로 촉매가스를 인입하게 하는 촉매가스 유입관(80), 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20)의 측면 공간을 통해 삽입된 상태에서 상기 촉매 반응부(20)로부터의 촉매반응가스를 배출하게 하는 촉매가스 배출관(70)을 포함한다.
개질촉매가스와 버너연소가스는 개질 반응기의 하부로 유입되어 상부로 배출된다. 일반적인 수증기 개질 반응기의 반응가스와 버너연소가스의 흐름은 주입 방향에 따라 Cross-Flow 와 Co-Flow 방식으로 나뉘게 된다.
본 발명에서는 수증기 개질 반응기의 효율적인 구조 개선과 열효율 증가를 위해 Co-Flow 방식을 채택하였지만, 요구 조건에 따라 Cross-Flow 방식으로도 개질반응가스의 흐름을 다양하게 적용할 수 있도록 설계하였다. 또한, 기존에 제작 사용되었던 방식과 차별을 갖고 생산성과 비용 절감 효과를 높이기 위해 단위부품들을 결합하는 동시에 최외측 면을 가공하지 않는 방식으로 설계함으로써 손쉬운 제작과 대량 생산을 가능하게 한다.
본 발명은 버너연소가스를 투입하는 버너부 파이프(50)와 반응기 바디(10)의 상부 외측에 배치되는 배출부(76) 사이에 촉매 반응부(20)가 놓이게 되는 구조를 보인다. 이때 촉매 반응부(20)는 버너연소가스가 버너부 파이프(50)와 배출부(76)를 통해 반응기 바디(10)의 최외측면을 돌아나갈 때 접촉하는 면적을 극대화하기 위한 구조일 수 있다. 일예를 들어, 상기 촉매 반응부(20)는 일자형 튜브 타입 또는 주름관 튜브 타입일 수 있다.
반응기 바디(10)는 상하부가 개방된 중공 원통 형상의 부재로서 바디 상단 인서트(12)가 그 개방된 상단에 결합되고 바디 하단 인서트(14)가 그 개방된 하단에 결합된다.
촉매 반응부(20)는 외측 촉매 반응부(30) 및 외측 촉매 반응부(30)의 내측으로 이격 배치되는 내측 촉매 반응부(40)를 포함한다. 외측 촉매 반응부(30)의 상단은 반응기 바디(10)의 상단보다 낮은 상태를 유지하며, 상단 인서트(32)가 결합된다. 내측 촉매 반응부(40)의 상단은 외측 촉매 반응부(30)의 상단보다 낮은 상태를 유지하며, 어떤 유체도 유동할 수 없도록 밀폐시키는 상단 인서트(42)가 결합된다.
촉매 반응부(20)의 하단에는 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간을 밀폐시키는 기능을 수행하는 촉매 반응부 하단 인서트(34)가 결합된다.
외측 촉매 반응부(30)는 그 표면이 굴곡지게 형성됨으로써 개질촉매가스와 버너연소가스 사이의 열전달을 촉진하게 한다.
버너부 파이프(50)는 상하부가 개방된 중공 원통 형상의 튜브로서, 그 하단으로는 버너부 인서트 및 버너부 인서트에 형성된 관통홀을 통해 버너부 파이프(50)에 연결되는 연소가스 유입포트가 결합된다. 버너부 파이프(50)는 내측 촉매 반응부(40)의 하부로부터 삽입 배치되는데, 버너부 파이프(50)와 내측 촉매 반응부(40) 사이에는 소정 거리 이격되어져 유입되는 연소가스의 유동로를 확보하게 한다.
즉, 연소가스 유입포트를 통해 공급되는 연소가스는 버너부 파이프(50)를 통해 상부 방향으로 이동한 후 버너부 파이프(50)의 상부 공간 상에서 하부 방향으로 유동 방향 전환 후에 내측 촉매 반응부(40)와 버너부 파이프(50) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동한다.
연소가스 유동 가이드부(60)는 촉매 반응부(20)의 하단에 결합되는 구조체로서, 내측 촉매 반응부(40)와 버너부 파이프(50) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동하는 연소가스의 유동 방향을 전환하게 하는 기능을 한다.
연소가스 유동 가이드부(60)는 얇은 판을 링 형태로 구성한 가이드부 바디(62) 및 가이드부 바디(62)를 따라 일정 간격으로 형성된 연소가스 유동홀(64)을 포함한다. 즉, 내측 촉매 반응부(40)와 버너부 파이프(50) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동하는 연소가스는 상기 가이드부 바디(62)의 유동홀(64)을 통해 촉매 반응부(42)의 외측으로 유동 가능하게 된다.
배출부(70)는 바디 상단 인서트(12)를 통해 반응기 바디(10)에 결합하는 연소가스 배출 파이프(72), 연소가스 배출 파이프(72)의 측면에 연통되는 연소가스 배출포트(74), 배출 파이프(72)를 관통한 상태로 외측 촉매 반응부(30)의 상단부에 결합되는 촉매가스 배출포트(76), 및 배출 파이프(72)의 상단에 결합되는 가스 출구단 인서트(78)를 포함한다.
촉매가스 유입관(80)은 반응기 바디(10)에 형성된 제1 관통홈(15)을 통해 반응기 바디(10)의 측방을 통해 결합이 이루어지고, 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20)의 사이 공간을 가로질러 삽입된다. 구체적으로, 촉매가스 유입관(80)의 내부 끝단은 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간 상에 위치한다. 제1 관통홈(15)의 상단에 촉매가스 유입관(80)이 밀착 결합된 상태에서 제1 폐쇄 플레이트(16)가 상기 촉매가스 유입관(80)의 하단에 밀착된 상태에서 제1 관통홈(15)의 개방된 영역을 폐쇄한다. 제1 관통홈(15) 상에 결합되는 제1 폐쇄 플레이트(16)는 용접 과정을 통해 결합된다. 여기에서, 제1 폐쇄 플레이트(16)의 상단에는 촉매가스 유입관(80)의 외주면에 부합하도록 제1 결합홈(16a)이 형성된다.
촉매가스 배출관(70)은 반응기 바디(10)에 형성된 제2 관통홈(18)을 통해 반응기 바디(10)의 측방을 통해 결합이 이루어지고, 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20)의 사이 공간을 가로질러 삽입된다. 구체적으로, 촉매가스 배출관(70)의 내부 끝단은 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간 상에 위치한다. 제2 관통홈(18)의 상단에 촉매가스 배출관(70)이 밀착 결합된 상태에서 제2 폐쇄 플레이트(19)가 상기 촉매가스 배출관(70)의 하단에 밀착된 상태에서 제2 관통홈(18)의 개방된 영역을 폐쇄한다. 제2 관통홈(18) 상에 결합되는 제2 폐쇄 플레이트(19)는 용접 과정을 통해 결합된다. 여기에서, 제2 폐쇄 플레이트(19)의 상단에는 촉매가스 배출관(70)의 외주면에 부합하도록 제2 결합홈(19a)이 형성된다.
본 발명에서는 촉매가스 배출관(70)과 촉매가스 유입관(80)이 각각 촉매 반응부(20)의 측부 상하단에 배치됨으로써, 촉매가스 배출관(70)이 촉매가스 유입관(80) 보다는 상대적으로 높은 위치에 설정되게 한다.
상기 상태에서 촉매가스 유입관(80)의 내측 끝단은 외측 촉매 반응부(30)의 측면을 관통하여 연통한다. 즉, 촉매가스 유입관(80)을 통해 공급되는 촉매가스는 반응기 바디(10)의 측부 및 외측 촉매 반응부(30)의 측부를 통해 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간으로 유동한다.
유입되는 촉매가스는 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이 공간을 따라 상부 방향으로 유동하게 되는데, 이 경우에 외측 촉매 반응부(30) 상에 굴곡지게 형성된 주름부를 통해 열 접촉 면적이 극대화되는 과정을 거친다. 이후 촉매가스는 외측 촉매 반응부(30)의 상부 측에 결합되는 촉매가스 배출관(70)을 통해 반응기의 외부로 이동한다.
위에서와 같이, 개질가스의 유출입을 가능하게 하는 촉매가스 유입관(80) 및 촉매가스 배출관(70)이 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20) 사이의 공간을 가로질러 배치되는 구성을 통해서 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20) 사이의 간격을 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
이를 통해 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20) 사이 간격을 좁히는 과정을 통해서 반응기가 차지하는 전체 공간을 줄일 수 있는 것과 동시에 상기의 조절된 공간을 통해 유동하는 연소 가스의 유동 속도 내지는 열전달 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
상기에서와 같이, 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20) 사이의 공간을 통해 연소 가스가 유동하는 것으로서, 본 발명에서는 반응기 바디(10)와 촉매 반응부(20) 사이의 간격 및 버너파이프(50)와 내측 촉매 반응부(40) 사이의 간격으로 설정되는 연소 가스 유로폭을 2㎜ 내지 10㎜의 범위로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 4㎜로 할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 유입되는 연소가스(Burner gas) 및 촉매개질가스(Reforming gas)가 수증기 개질 반응기 내에서 유동하는 경로를 전체적으로 설명한다.
먼저, 연소가스는 연소가스 유입포트 및 버너부 파이프(50)를 통해 상부 방향으로 이동한 후 버너부 파이프(50)의 상부 공간 상에서 하부 방향으로 U턴하여 유동 방향을 전환한 후에 내측 촉매 반응부(40)와 버너부 파이프(50) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동한다. 이후 연소가스는 연소가스 유동 가이드부(60)의 유동홀(64)을 통해 반응기 바디(10) 내의 하단부 외측으로 유동한다.
이후 연소가스는 반응기 바디(10)와 외측 촉매 반응부(30) 사이의 공간을 통해 상부 방향으로 유동하는 과정에서 주름관 형상의 외측 촉매 반응부(30)와 넓은 면적에 걸쳐 접촉을 한다.
다음으로, 촉매가스는 촉매가스 유입관(80)을 통해 반응기 바디(10)의 측부하단을 통해 유입된 후 외측 촉매 반응부(30)와 내측 촉매 반응부(40) 사이 공간으로 유동한다. 유입된 촉매가스는 내외측 촉매 반응부(30,40) 사이의 공간을 따라 상부 방향으로 유동하는데, 이 경우에 외측 촉매 반응부(30) 상에 굴곡지게 형성된 바디 주름부를 통해 열 접촉 면적이 극대화되어 연소가스와의 열교환을 극대화하게 한다.
이후, 연소가스와 열교환이 이루어진 촉매가스는 반응기 바디(10)의 측부상단에 배치된 촉매가스 배출관(70)을 통해 반응기 외부로 유동하고, 연소가스는 배출부(76)를 반응기의 외부로 이동한다.
도 5 내지 도 7은 종래와 본 발명의 개질 반응기에서의 CFD 분석 결과를 보이는 것으로서, 유동 과정에서의 온도 분포, 압력 분포 및 개질 출구에서의 몰분율을 나타낸다.
도 5에서 보면, 동일한 온도로 버너부 파이프(50) 및 촉매가스 유입관(80)을 통해 연소가스 및 개질가스가 유입되는 경우에 반응기로부터 배출되는 연소가스 및 개질가스의 온도범위에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 버너 가스 배출부의 높은 온도 분포를 확인할 수 있다. 여기에서, 촉매가스 유입관(80)에서 촉매가스 배출관(70)으로 유동하는 과정에서 촉매의 활용 면적이 증가하게 되어 수소 분율 및 메탄-수소 전환율이 증가하는 과정이 이루어진다.
도 6에서 보면, 개질부 및 연소부에서의 압력 강하가 종래의 경우보다 저하된 것을 확인할 수 있다.
도 7에서는 개질가스에 함유된 수분 함량을 제외한 상태에서 개질 출구에서의 몰분율을 표시한 것으로서, CH4 의 몰분율이 줄어든 대신에 H2 의 몰분율이 증가한 것을 알 수 있다.
상기 내용을 종합적으로 보면, 본 발명에 따른 반응기의 경우에는 개질 출구 및 연소 출구에서의 온도분포가 각각 1003.7K 및 1043K 로서 촉매의 활용 면적이 증가함으로써 수소 분율 및 메탄-수소 전환을 증가하게 한다. 한편, 종래의 경우에는 연소가스와 개질가스의 출구부가 동일하게 반응기 바디(10)의 상부 측에 배치된 상태를 통해 열교환이 이루어져 개질 출구와 연소 출구의 온도가 상쇄되어 비슷해지는 결과를 초래한 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은 개질 반응기를 구성하는 복수의 원통체들 간의 간격을 자유롭게 조절하기 위하여 최외곽 튜브인 반응기 바디의 하단 상에 관통홈을 형성하고, 상기 관통홈을 통해 복수의 원통관들을 가로질러 배치되는 촉매가스 유입관 및 촉매가스 배출관 구조를 통해서 상기 복수의 원통관들 사이의 간격 조절이 용이할 수 있다. 이를 통해 본 발명은 기존의 수증기 개질 반응기를 응용 및 개선하여 촉매 반응부에 인접하는 형태로 배치되는 연소가스부의 면적을 증가시킴으로써 개질 효율 및 열효율을 향상하게 한다.
또한, 본 발명은 기존의 복잡했던 삼중관 구조 방식의 수승기 개질 반응기 구조를 단순화하고 최적화함에 따라 제작상의 문제와 비용적인 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 반응기 바디
20 : 촉매 반응부
30 : 외측 촉매 반응부
40 : 내측 촉매 반응부
50 : 버너부 파이프
60 : 연소가스 유동 가이드부
70 : 촉매가스 배출관
80 : 촉매가스 유입관

Claims (4)

  1. 중공 원통 형상의 반응기 바디(10);
    상기 반응기 바디(10)의 내부에 이격 배치되는 촉매 반응부(20);
    상기 촉매 반응부(20) 내에 하부로부터 삽입 배치되는 버너부 파이프(50);
    상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되는 촉매가스 유입관(80);
    상기 반응기 바디(10)의 측부를 통해 상기 반응기 바디(10)와 상기 촉매 반응부(20)를 가로질러 삽입되어져 상기 촉매 반응부(20)로부터의 촉매가스를 외부로 배출하게 하는 촉매가스 배출관(70); 및
    상기 반응기 바디(10)의 상부에 배치된 상태에서 버너연소가스의 배출을 가능하게 하는 배출부(76);를 포함하며,
    상기 촉매 반응부(20)는 유입되는 개질촉매가스와 버너연소가스와의 열교환 접촉 면적을 증가하기 위한 주름관 튜브 타입 또는 일자형 튜브 타입인,
    원통형 수증기 개질 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 반응부(20)는 외측 촉매 반응부(30) 및 상기 외측 촉매 반응부(30)의 내측으로 이격 배치되는 내측 촉매 반응부(40)를 포함하며,
    상기 촉매가스 유입관(80)의 내측 끝단은 상기 외측 촉매 반응부(30) 및 내측 촉매 반응부(40) 사이의 공간으로 연통하는,
    원통형 수증기 개질 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매가스 유입관(80)은 상기 반응기 바디(10)의 측면에 형성된 제1 관통홈(15)을 통해 결합되고, 제1 폐쇄 플레이트(16)가 상기 촉매가스 유입관(80)의 하단에 밀착된 상태에서 상기 제1 관통홈(15)의 개방된 영역을 폐쇄하고,
    상기 촉매가스 배출관(80)은 상기 반응기 바디(10)의 측면에 형성된 제2 관통홈(18)을 통해 결합되고, 제2 폐쇄 플레이트(19)가 상기 촉매가스 배출관(80)의 하단에 밀착된 상태에서 상기 제2 관통홈(18)의 개방된 영역을 폐쇄하는,
    원통형 수증기 개질 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 수증기 개질 반응기는,
    상기 촉매 반응부(20)의 하단에 결합되는 연소가스 유동 가이드부(60);를 더 포함하며,
    상기 연소가스 유동 가이드부(60)는 링 형태의 가이드부 바디(62) 및 상기 가이드부 바디(62)를 따라 형성된 연소가스 유동홀(64)을 포함하고,
    상기 버너부 파이프(50)와 상기 촉매 반응부(20) 사이의 공간을 통해 하부 방향으로 유동하는 버너연소가스는 상기 가이드부 바디(62)의 유동홀(64)을 통해 상기 반응기 바디(10) 내의 하단부 외측으로 유동하는,
    원통형 수증기 개질 반응기.
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