KR20190111539A - Apparatus for water gas shift reaction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수성가스 전환 반응장치에 관한 것이다.The present invention relates to a water gas shift reactor.
석탄가스화 연료전지(IGFC, Integrated Gasification Fuel Cell) 시스템은, 가스화기로부터 제공되는 합성가스를 연료전지의 연료로 사용하여 발전하는 시스템이다. 이는 석탄가스화에 의해 생산되는 합성가스(Synthetic gas)를 전처리 하여 고순도의 수소나 메탄(CH4)으로 만든 후 이를 연료전지의 연료로 사용하는 기술로서, 합성가스의 낮은 생산비용과 연료전지의 높은 효율이 결합된 차세대 발전시스템 중의 하나이다.An integrated gasification fuel cell (IGFC) system is a system for generating electricity by using a synthesis gas provided from a gasifier as a fuel of a fuel cell. It is a technology that pretreats synthetic gas produced by coal gasification to make high purity hydrogen or methane (CH 4 ) and uses it as fuel of fuel cell. It is one of the next generation power generation systems combined with efficiency.
한편 수소 연료 전지형의 경우, 정제 합성가스를 수성가스 전환반응기를 통해서 수소로 전환할 필요가 있다. 상기 합성가스 중의 일산화탄소를 수소로 전환하는 수성가스 전환반응기에서 일어나는 수성가스 전환반응(CO-Shift)의 반응식은 하기 반응식 1과 같다. 효과적인 수소 전환을 위해 르-샤를트리에 법칙에 의거하여 열을 제거하거나 스팀을 양론비보다 과량으로 투입해야 한다:On the other hand, in the case of a hydrogen fuel cell type, it is necessary to convert the purified syngas into hydrogen through a water gas shift reactor. The reaction formula of the water gas shift reaction (CO-Shift) occurring in the water gas shift reactor for converting carbon monoxide in the synthesis gas to hydrogen is shown in
[반응식 1]
CO + H2O ↔ CO2 + H2 - 41.2KJ/mol CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 - 41.2KJ / mol
상기 반응식 1은 발열반응으로서 반응기의 열을 제거하거나 반응물 중 물(스팀)을 과량 투입하여 반응 전환률을 상승시킬 수 있다. 따라서 반응기의 온도를 낮추고 반응 후 고온의 가스로부터 스팀을 발생시켜 재이용하는 기술이 개발되었고 상용화 되었다.
하기 도 1은 일반적인 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 수성가스 전환 반응장치는 세츄레이터(a), 1단 반응기(c), 2단 반응기(d), 디세츄레이터(f) 및 열교환기(b, e, c')를 포함한다.Figure 1 shows a general water gas conversion reactor. Referring to FIG. 1, the water gas shift reaction apparatus includes a separator (a), a first stage reactor (c), a two stage reactor (d), a separator (f), and a heat exchanger (b, e, c '). ).
상기 수성가스 전환 반응장치의 CO-Shift 반응공정으로 유입되는 합성가스는 상기 세츄레이터(saturator)(a)에서 고온의 물과 향류로 접촉하여, 물의 온도는 감소하고 합성가스는 고온의 물로부터 증발한 수증기와 혼합된다. 일반적으로 세츄레이터(a)로 유입되는 합성가스의 온도는 40℃ 내외이고, 유입한 건조 합성가스는 250℃ 내외의 고온 순환수로서 향류로 접촉하면 스팀으로 포화되게 된다. 이 과정에서 고온의 물은 냉각되고 냉각된 물은 디세츄레이터(Desaturator, f)에서 CO-Shift 반응 공정 후의 고온가스와 직접 접촉에 의해 고온으로 가열되고 이 가열된 고온의 물이 상기 세츄레이터(a)로 재순환한다.The synthesis gas flowing into the CO-Shift reaction process of the water gas shift reactor is in contact with the hot water and countercurrent in the saturator (a), the temperature of the water decreases and the synthesis gas evaporates from the hot water. Mixed with one water vapor. Generally, the temperature of the syngas flowing into the separator (a) is about 40 ° C., and the introduced dry syngas is a high temperature circulating water of about 250 ° C., and when saturated in contact with countercurrent, steam is saturated. In this process, the hot water is cooled and the cooled water is heated to a high temperature by direct contact with the hot gas after the CO-Shift reaction process in a desaturator (f). Recycle to a).
상기 세츄레이터(a)에서 배출되는 합성가스는 드라이 가스(dry gas) 기준 약 0.85kg/Nm3(1.05Nm3 Water/Nm3 Gas) 정도의 스팀이 포함되어 세츄레이터로부터 배출된다. 만약, 합성가스 중의 일산화탄소(CO) 농도가 45 부피%인 경우 전환율 90% 내외의 반응을 위해서는, 반응온도 섭씨 430℃ 내외에서 총 1.47 mol steam/mol gas의 스팀이 필요하다(반응용 스팀 0.41mol, 평형을 위한 스팀 1.06mol).Sechyu the synthesis gas discharged from the concentrator (a) is included in the steam of about dry gas (dry gas) based on about 0.85kg / Nm 3 (1.05Nm 3 Water /
세츄레이터(a)에서 합성가스로 열을 방출하는 세츄레이터/디세츄레이터 순환수는 약 섭씨 190℃ 내외로 배출되어 디세츄레이터(f)에서 다시 가열되고, 상기 제1 및 제2 반응기 사이의 열교환기에서 열교환을 통해 재가열되어, 250℃의 온도로 세츄레이터(a) 상부로 재유입된다. The separator / de-sectorator circulating water, which discharges heat from the separator (a) to the synthesis gas, is discharged to about 190 ° C. and heated again in the de-sector (f), and the first and second reactors The heat is reheated by heat exchange in the heat exchanger, and is reintroduced into the top of the separator (a) at a temperature of 250 ° C.
도 2는 일반적인 수성가스 전환용 반응기를 나타낸 것이다. 상기와 같이, 양론적으로 조절된 합성가스는 하기 도 2와 같은 향류 냉각형 수성 가스 반응기(Countercurrent Gas Cooled Reactor)로 유입된다. Figure 2 shows a typical water gas conversion reactor. As described above, the stoichiometrically controlled syngas is introduced into a countercurrent cooled water gas reactor (Countercurrent Gas Cooled Reactor) as shown in FIG. 2.
상기 도 2를 참조하면, 반응기로 유입된 합성가스는 촉매층을 지나면서 CO-Shift 반응이 일어나게 되고, 이에 따라 가스의 온도가 상승하게 된다. 한 구체예에서 상기 반응기 내부는, 상기 도 2와 같이 쉘 앤 튜브(Shell and Tube)형 열교환기 구조로 구성되어 있다. 상기 열교환기 내부에는, 쉘 형태의 열교환 매체 사이에 튜브가 구비되며, 상기 쉘과 튜브 사이의 공간에 CO-Shift 반응을 위한 촉매가 충전되어 촉매층이 형성되어 있다. 상기 합성가스는 촉매층으로 유입되기 전, 상기 촉매에서의 고온 합성가스 흐름과 반대 방향으로 튜브 내부를 이동하면서, 튜브 외부에 형성된 촉매층을 이동하는 고온 합성가스와 열교환을 한다.Referring to FIG. 2, the synthesis gas introduced into the reactor undergoes a CO-Shift reaction while passing through the catalyst bed, thereby increasing the temperature of the gas. In one embodiment, the inside of the reactor, the shell and tube (Shell and Tube) type heat exchanger structure as shown in FIG. In the heat exchanger, a tube is provided between the heat exchange medium in the form of a shell, and a catalyst layer is formed by filling a catalyst for the CO-Shift reaction in the space between the shell and the tube. The syngas exchanges heat with the high temperature syngas moving the catalyst layer formed outside the tube while moving inside the tube in a direction opposite to the high temperature syngas flow in the catalyst before entering the catalyst layer.
도 3은 수성가스 전환용 반응기 내부의 온도 프로파일(profile)을 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 열교환을 통해서 반응기(제1 반응기)의 튜브로 유입된 약 230℃의 합성가스는, 촉매층으로 유입되기 전 약 380℃까지 예열된다. 상기 예열된 합성가스가 촉매층을 통과하게 되면, 반응에 따라 급격히 합성가스의 온도가 증가하게 된다. 이때 발생한 반응열의 일부는 튜브 내부의 반응 전 합성가스를 열교환하여 가열시키는 데 사용된다. 촉매 층의 온도는 550℃ 이상까지 상승한다. 또한, 합성가스는 최종적으로 약 410℃ 내외의 온도로 반응기(1단 반응기)에서 배출된다. 한편 반응기 내부 온도는, 유입 합성가스와 열교환을 하므로 각 부분의 온도가 상이한 것을 알 수 있다. Figure 3 shows the temperature profile (profile) inside the reactor for water gas conversion. Referring to FIG. 3, the synthesis gas of about 230 ° C. introduced into the tube of the reactor (first reactor) through the heat exchange is preheated to about 380 ° C. before entering the catalyst bed. When the preheated syngas passes through the catalyst bed, the temperature of the syngas rapidly increases with the reaction. Part of the reaction heat generated at this time is used to heat and heat the syngas before the reaction inside the tube. The temperature of the catalyst bed rises to at least 550 ° C. In addition, the syngas is finally discharged from the reactor (
상기 1단 반응기(c)에서 배출된 합성가스는 열교환기를 통해서 열회수와 2단 반응기(d)로 유입하기에 적절한 온도까지 냉각된다. 전술한 바와 같이 CO-Shift 반응은 발열 반응이므로 반응기 온도가 낮으면 그 전환율이 증가하게 된다. 특히 1단 반응기(c)에서 전체 반응의 약 90%가 일어나게 되므로, 2단 반응기(d)의 반응열에 의한 가스 온도 역시 상대적으로 낮아지게 되기 때문에, 2단 반응기는 1단 반응기(c)와 같은 향류 기체 냉각식(Countercurrent Gas Cooled) 반응기를 사용하지 않는다. 2단 반응기의 반응온도는 360~380도 내외이나 이는 가변적인 숫자이다. 반응기의 전체적인 반응효율은 약 90% 내외이고 이 전환율은 온도 및 스팀량에 따라 매우 유동적이다The syngas discharged from the first stage reactor (c) is cooled to a temperature suitable for introduction into the heat recovery and the second stage reactor (d) through a heat exchanger. As described above, since the CO-Shift reaction is an exothermic reaction, the conversion rate is increased when the reactor temperature is low. In particular, since about 90% of the total reaction occurs in the first stage reactor (c), since the gas temperature due to the heat of reaction of the second stage reactor (d) is also relatively low, the two stage reactor is the same as the first stage reactor (c). No countercurrent gas cooled reactor is used. The reaction temperature of the two-stage reactor is about 360-380 degrees, but this is a variable number. The overall reaction efficiency of the reactor is around 90% and this conversion rate is very fluid depending on the temperature and the amount of steam.
일반적으로 수성가스 전환 반응기의 경우, 쉘 로우 스팀 시프트(Shell Low Steam Shift)와 같이, 여러 개의 반응기를 사용하거나, 등온(Isothermal) 반응기와 같이 온도를 일정하게 유지하거나, 세츄레이터 앤 디세츄레이터(Saturator and Desaturator) 반응기와 같이 고온의 합성가스를 물과 접촉시켜 스팀 생산하는 방식이나, 열교환기 일체형 반응기를 사용한다. Typically, water-gas shift reactors use multiple reactors, such as Shell Low Steam Shift, maintain a constant temperature, such as an isothermal reactor, or use a separator and desectator ( Saturator and Desaturator (Saturator and Desaturator) A method of producing steam by contacting hot syngas with water, such as a reactor, or using a heat exchanger integrated reactor.
종래의 기술은 반응기 시스템이 복잡하고 고가인 단점을 가지고 있었다. 특히 석탄가스화 합성가스를 수소로 전환하는 경우 CO 비율이 60% 내외로 수소로 전환하기 위해서는 다량의 스팀이 소요된다. 또한 반응에 따른 높은 열 발생으로 인해 CO-Shift 반응율이 저하되는 단점을 가지고 있다.The prior art had the disadvantage that the reactor system was complex and expensive. In particular, when converting coal gasification syngas to hydrogen, a large amount of steam is required to convert the CO ratio to about 60% hydrogen. In addition, there is a disadvantage that the CO-Shift reaction rate is lowered due to the high heat generated by the reaction.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1103594호(2012.01.02 공고, 발명의 명칭: 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법) 등에 개시되어 있다.Background art of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 10-1103594 (2012.01.02, the name of the invention: a multi-stage fluidized bed water gas reactor using gasification synthesis gas and a hydrogen production method using the same) and the like.
본 발명의 하나의 목적은 수성가스 전환 반응 효율성이 우수한 수성가스 전환 반응장치를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a water gas shift reaction apparatus excellent in water gas shift reaction efficiency.
본 발명의 다른 목적은 장치의 단순화 및 소형화가 가능한 수성가스 전환 반응장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a water gas shift reaction apparatus capable of simplifying and miniaturizing the apparatus.
본 발명의 또 다른 목적은 스팀 사용량과, 전환 반응을 위한 전력 사용량 절감이 가능하여, 경제성이 우수한 수성가스 전환 반응장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a water gas conversion reaction apparatus capable of reducing steam consumption and power consumption for a conversion reaction, and having excellent economic efficiency.
본 발명의 하나의 관점은 수성가스 전환 반응장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 수성가스 전환 반응장치는 수성가스 변환용 촉매층을 포함하는 열교환기가 구비되며, 가스유입라인으로부터 일산화탄소를 포함하는 합성가스가 유입되어, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하는 반응기; 및 상기 반응기의 하부에 구비되며, 상기 열교환기 하부로 물을 분사하는 복수 개의 스프레이 노즐이 구비된 물분사라인;를 포함하며, 상기 합성가스는 상기 분사된 물과 접촉하여 제1 가스혼합물을 생성하며, 상기 제1 가스혼합물은 열교환기 하부로 유입되어 열교환 및 촉매반응을 통해 가열되어, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성한다.One aspect of the present invention relates to a water gas shift reactor. In one embodiment, the water gas shift reaction apparatus includes a heat exchanger including a catalyst layer for water gas conversion, and a synthesis gas including carbon monoxide is introduced from a gas inlet line to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen. ; And a water spray line provided at a lower portion of the reactor and having a plurality of spray nozzles for injecting water into the heat exchanger, wherein the syngas is in contact with the sprayed water to generate a first gas mixture. The first gas mixture is introduced into the lower part of the heat exchanger and heated through heat exchange and catalysis to produce a gas composition including carbon dioxide and hydrogen.
한 구체예에서 상기 물분사라인은, 상기 스프레이 노즐을 따라 형성된 가스헤더(gas header)를 더 포함하며, 상기 가스헤더는 상기 가스유입라인과 연결되어, 상기 합성가스를 상기 열교환기의 하부로 유입시킬 수 있다.In one embodiment, the water spray line further includes a gas header formed along the spray nozzle, and the gas header is connected to the gas inlet line to introduce the syngas into the lower portion of the heat exchanger. You can.
한 구체예에서 상기 열교환기는 쉘(shell) 형태의 열교환부재; 상기 열교환부재 내부에 구비되는 복수 개의 튜브(tube); 및 상기 열교환부재 및 튜브 사이의 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하며, 상기 튜브의 하부는 개방되어 제1 가스혼합물이 유입되고, 상기 제1 가스혼합물은 상기 튜브의 상부로 이동하면서 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고, 상기 가열된 제1 가스혼합물은, 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성할 수 있다.In one embodiment the heat exchanger includes a shell heat exchange member; A plurality of tubes provided inside the heat exchange member; And a catalyst layer formed by filling a catalyst in a space between the heat exchange member and the tube, wherein the lower portion of the tube is opened to introduce a first gas mixture, and the first gas mixture moves to an upper portion of the tube. The heated first gas mixture inside the catalyst layer is heated through heat exchange, and the heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, and is heated by a catalytic reaction to include carbon dioxide and hydrogen. Gas compositions can be produced.
한 구체예에서 상기 열교환기는 복수 개가 이격 형성된 판(plate) 형태의 열교환부재; 및 상기 열교환부재의 이격된 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하며, 상기 제1 가스혼합물은 상기 열교환부재의 하부로 유입되어 상부로 이동하면서, 상기 촉매층을 이동하는 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고, 상기 가열된 제1 가스혼합물은 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성할 수 있다.In one embodiment, the heat exchanger includes a plate heat exchange member having a plurality of spaced apart plates; And a catalyst layer formed by filling a catalyst in the spaced space of the heat exchange member, wherein the first gas mixture flows into the lower portion of the heat exchange member and moves upwards, and moves the heated first gas to move the catalyst layer. Heated through a mixture and heat exchange, the heated first gas mixture may be introduced into the upper portion of the catalyst layer and moved to the lower side, and heated by a catalytic reaction to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen.
한 구체예에서 상기 촉매층에 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 200~350℃ 일 수 있다.In one embodiment, the temperature of the first gas mixture flowing into the catalyst layer may be 200 to 350 ° C.
한 구체예에서 상기 촉매층의 온도는 270~450℃일 수 있다.In one embodiment, the temperature of the catalyst layer may be 270 ~ 450 ℃.
한 구체예에서 상기 반응기의 하부에는 수분 분리기가 더 구비되어, 상기 열교환기 하부에서 상기 합성가스와 접촉하지 않은 물을 제거할 수 있다. In one embodiment, the bottom of the reactor is further provided with a water separator, it is possible to remove the water that is not in contact with the syngas from the bottom of the heat exchanger.
한 구체예에서 상기 가스조성물은 상기 열교환기의 촉매층 하부에 구비된 가스배출라인을 통하여 외부로 배출될 수 있다.In one embodiment, the gas composition may be discharged to the outside through a gas discharge line provided under the catalyst layer of the heat exchanger.
한 구체예에서 상기 수성가스 전환 반응장치는, 상기 물분사라인에 구비되어, 상기 물의 분사량을 제어하기 위한 유량 조절 밸브; 상기 가스유입라인에 구비되어 상기 합성가스의 유량을 측정하는 유량측정계; 및 상기 열교환기의 상부에 구비되는 온도계; 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the water gas shift reactor is provided in the water injection line, the flow rate control valve for controlling the injection amount of the water; A flow rate meter provided in the gas inlet line for measuring a flow rate of the syngas; And a thermometer provided at an upper portion of the heat exchanger. It may further comprise one or more of.
한 구체예에서 상기 열교환기 하부로 유입되는 제1 가스혼합물은 물과 일산화탄소를 1:1~3:1 몰비로 포함될 수 있다.In one embodiment, the first gas mixture introduced into the lower portion of the heat exchanger may include water and carbon monoxide in a molar ratio of 1: 1 to 3: 1.
본 발명에 따른 수성가스 전환 반응장치를 적용시, 열교환을 통해 반응기의 온도를 효과적으로 낮추어 수성가스 전환 반응 효율성이 우수하며, 반응장치의 단순화 및 소형화가 가능하며, 반응기에서 발생하는 열을 이용하여 반응용 스팀을 생성하여, 반응율을 향상시키고 스팀 사용량과 전력 사용량을 최소화 할 수 있다.When the water gas shift reaction apparatus according to the present invention is applied, the efficiency of the water gas shift reaction is excellent by effectively lowering the temperature of the reactor through heat exchange, and the reaction apparatus can be simplified and downsized, and the reaction is performed using heat generated in the reactor. By generating the molten steam, it is possible to improve the reaction rate and minimize the steam consumption and power consumption.
도 1은 일반적인 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다.
도 2는 일반적인 수성가스 전환용 반응기를 나타낸 것이다.
도 3은 수성가스 전환용 반응기 내부의 온도 프로파일을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따른 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다.
도 6은 반응기 내부 온도, 반응기에 유입되는 스팀의 함량 및 전환율과의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.Figure 1 shows a general water gas conversion reactor.
Figure 2 shows a typical water gas conversion reactor.
Figure 3 shows the temperature profile inside the reactor for water gas conversion.
Figure 4 shows a water gas conversion reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a water gas conversion reactor according to another embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the correlation between the reactor internal temperature, the content of steam entering the reactor and the conversion rate.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators, and the definitions should be made based on the contents throughout the present specification for describing the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
수성가스 전환 반응장치Water Gas Conversion Reactor
본 발명의 하나의 관점은 수성가스 전환 반응장치에 관한 것이다. 도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면 수성가스 전환 반응장치(1000)는 수성가스 변환용 촉매층을 포함하는 열교환기(200)가 구비되며, 가스유입라인(10)으로부터 일산화탄소를 포함하는 합성가스가 유입되어, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하는 반응기(100); 및 반응기(100)의 하부에 구비되며, 열교환기(200) 하부로 물을 분사하는 복수 개의 스프레이 노즐(300)이 구비된 물분사라인(320);를 포함하며, 상기 합성가스는 상기 분사된 물과 접촉하여 제1 가스혼합물을 생성하며, 상기 제1 가스혼합물은 열교환기(200) 하부로 유입되어 열교환 및 촉매반응을 통해 가열되어, 이산화탄소(CO2) 및 수소(H-2)를 포함하는 가스조성물을 생성한다.One aspect of the present invention relates to a water gas shift reactor. Figure 4 shows a water gas conversion reaction apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the water gas
한 구체예에서 상기 열교환기 하부로 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 200~350℃일 수 있다. 상기 범위에서 가스조성물이 용이하게 생성될 수 있다.In one embodiment, the temperature of the first gas mixture flowing into the lower portion of the heat exchanger may be 200 to 350 ° C. Gas compositions in the above range can be easily produced.
한 구체예에서 상기 열교환기 하부로 유입되는 제1 가스혼합물은 물과 일산화탄소를 1:1~3:1 몰비로 포함될 수 있다. 상기 몰비로 포함시, 상기 제1 가스혼합물로부터 가스조성물의 생성 효율이 우수할 수 있다. 물과 일산화탄소의 몰비는 목표로하는 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환율 및 제1가스혼합물의 일산화탄소 및 이산화탄소의 조성에 따라 조정할 수 있다.In one embodiment, the first gas mixture flowing into the lower portion of the heat exchanger is water and carbon monoxide. 1: 1 to 3: molar ratio May be included. When included in the molar ratio, the production efficiency of the gas composition from the first gas mixture may be excellent. The molar ratio of water and carbon monoxide can be adjusted according to the target conversion rate of carbon monoxide to carbon dioxide and the composition of carbon monoxide and carbon dioxide of the first gas mixture.
상기 열교환기는 쉘 앤 튜브형 열교환기 또는 판형 열교환기를 포함할 수 있다.The heat exchanger may comprise a shell and tube heat exchanger or a plate heat exchanger.
예를 들면 쉘 앤 튜브형 열교환기를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 열교환기는 쉘(shell) 형태의 열교환부재; 상기 열교환부재 내부에 구비되는 복수 개의 튜브(tube); 및 상기 열교환부재 및 튜브 사이의 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하며, 상기 튜브의 하부는 개방되어 제1 가스혼합물이 유입되고, 상기 제1 가스혼합물은 상기 튜브의 상부로 이동하면서 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고, 상기 가열된 제1 가스혼합물은, 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성할 수 있다.For example, it may include a shell and tube heat exchanger. In one embodiment the heat exchanger includes a shell heat exchange member; A plurality of tubes provided inside the heat exchange member; And a catalyst layer formed by filling a catalyst in a space between the heat exchange member and the tube, wherein the lower portion of the tube is opened to introduce a first gas mixture, and the first gas mixture moves to an upper portion of the tube. The heated first gas mixture inside the catalyst layer is heated through heat exchange, and the heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, and is heated by a catalytic reaction to include carbon dioxide and hydrogen. Gas compositions can be produced.
한 구체예에서 상기 수성가스 변환용 촉매는, 고온 변환(high temperature shift, HTS) 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화크롬(CrO3) 및 산화철(Fe3O4)을 포함하는 촉매를 사용할 수 있다. 상기 촉매는, 다공성으로 형성되어 상기 제1 가스혼합물이 이동할 수 있다.In one embodiment, the water gas conversion catalyst may include a high temperature shift (HTS) catalyst. For example, a catalyst containing chromium oxide (CrO 3 ) and iron oxide (Fe 3 O 4 ) can be used. The catalyst may be formed to be porous to allow the first gas mixture to move.
한 구체예에서 반응기(100)의 외벽은, 열교환기(200)의 상부 및 하부에 격막이 형성될 수 있다. 상기 격막이 형성시, 상기 제1 가스 혼합물은 열교환기(200)의 튜브 하부로만 유입되어 이동할 수 있다.In an embodiment, the outer wall of the
구체예에서 상기 물은, 순수를 사용할 수 있다. 상기 스프레이 노즐을 통해 분사된 물은, 고온의 열교환기 하단과 접촉하며 일부의 물이 기화되지만 대부분의 물은 미세한 물방울 상태로 고온의 합성가스에 포함되어 열교환기로 유입될 수 있다.In specific embodiments, the water may be pure water. The water sprayed through the spray nozzle is in contact with the lower end of the high temperature heat exchanger and part of the water is vaporized, but most of the water may be included in the high temperature synthesis gas in the form of fine droplets and introduced into the heat exchanger.
상기 제1 가스혼합물은 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환하며 가열되며, 상기 제1 가스혼합물에 포함되는 물은, 스팀(steam)으로 전환될 수 있다. 상기 제1 가스혼합물은 상기 튜브의 상부로 이동하면서, 상기 촉매층 내부의 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 더욱 가열되어, 합성가스의 온도는 더욱 증가하고 이 과정에서 합성가스에 포함된 수증기는 과포화스팀으로 될 수 있다.The first gas mixture is heated while exchanging heat with the heated first gas mixture in the catalyst layer, and the water included in the first gas mixture may be converted into steam. As the first gas mixture moves to the upper portion of the tube, the first gas mixture is further heated through heat exchange with the first gas mixture inside the catalyst layer, so that the temperature of the syngas increases further and steam contained in the syngas in the process is supersaturated steam. Can be
한 구체에에서 상기 촉매층의 상부로 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 200~350℃일 수 있다. 예를 들면 약 320℃ 일 수 있다. 상기 온도 조건에서, 촉매 존재하에서 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스조성물이 용이하게 생성될 수 있다.In one embodiment, the temperature of the first gas mixture flowing into the upper portion of the catalyst layer may be 200 to 350 ° C. For example, about 320 ° C. At this temperature condition, a gas composition comprising hydrogen and carbon dioxide can be readily produced in the presence of a catalyst.
상기 촉매층으로 유입된 제1 가스혼합물은, 상부에서 하부로 이동하며 촉매 반응을 통해 제1 가스혼합물 중의 일산화탄소는, 상기 스팀과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물이 생성된다. 상기 반응 과정에서 반응열이 발생하여, 상기 가스조성물의 온도는 약 550℃ 전후까지 상승하게 되지만, 상기 열교환기를 통해 반응열을 배출하게 되므로, 상기 촉매층의 온도는 270~450℃ 일 수 있다. 상기 범위에서 가스조성물이 용이하게 생성될 수 있다.The first gas mixture introduced into the catalyst layer moves from top to bottom, and the carbon monoxide in the first gas mixture is reacted with the steam to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen through a catalytic reaction. The reaction heat is generated in the reaction process, the temperature of the gas composition is raised to about 550 ℃, but the reaction heat is discharged through the heat exchanger, the temperature of the catalyst layer may be 270 ~ 450 ℃. Gas compositions in the above range can be easily produced.
한 구체예에서 상기 반응기의 하부에는 수분 분리기(미도시)가 더 구비되어, 상기 분사된 물 중에서, 열교환기 하부에서 상기 합성가스와 접촉하지 않은 물을 제거할 수 있다.In one embodiment, the bottom of the reactor is further provided with a water separator (not shown), it is possible to remove the water that is not in contact with the syngas in the lower portion of the heat exchanger.
한 구체예에서 스프레이 노즐(300, 301)에서 분사된 물 중 합성가스와 비말 동반(entrained)되지 않은 물은 반응기(100, 101) 하부에 형성되는 드레인 탱크(400, 401)로 집수하여, 반응기 외부로 배출할 수 있다. 한 구체예에서 상기 반응기 밖으로 배출되는 물의 양을 계산하여, 반응기로 유입되어야 할 물의 분사량을 결정할 수 있다.In one embodiment, water that is not entrained with syngas in the water sprayed from the
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따른 수성가스 전환 반응장치를 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 물분사라인(321)은, 스프레이 노즐(301)을 따라 형성된 가스헤더(gas header, 330)를 더 포함할 수 있다. 가스헤더(330)는 가스유입라인(11)과 연결되어, 합성가스를 열교환기(210)의 하부로 유입시킬 수 있다.Figure 5 shows a water gas conversion reactor according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the
다른 예를 들면 판형 열교환기를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 열교환기는 복수 개가 이격 형성된 판(plate) 형태의 열교환부재; 및 상기 열교환부재의 이격된 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함할 수 있다. 상기 제1 가스혼합물은 상기 열교환부재의 하부로 유입되어 상부로 이동하면서, 상기 촉매층을 이동하는 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고, 상기 가열된 제1 가스혼합물은 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성할 수 있다.Other examples may include plate heat exchangers. In one embodiment, the heat exchanger includes a plate heat exchange member having a plurality of spaced apart plates; And a catalyst layer formed by filling a catalyst in the spaced space of the heat exchange member. The first gas mixture flows into the lower portion of the heat exchange member and moves upwards, and is heated through heat exchange with the heated first gas mixture moving the catalyst layer, and the heated first gas mixture is moved to the upper portion of the catalyst layer. As it is introduced and moved downwards, it is heated by a catalytic reaction to produce a gas composition including carbon dioxide and hydrogen.
구체예에서 상기 물은, 순수를 사용할 수 있다. 상기 스프레이 노즐을 통해 분사된 물은, 고온의 열교환기 하단과 접촉하며 일부의 물이 기화되지만 대부분의 물은 미세한 물방울 상태로 고온의 합성가스에 포함되어 열교환기로 유입될 수 있다.In specific embodiments, the water may be pure water. The water sprayed through the spray nozzle is in contact with the lower end of the high temperature heat exchanger and part of the water is vaporized, but most of the water may be included in the high temperature synthesis gas in the form of fine droplets and introduced into the heat exchanger.
한 구체예에서 상기 제1 가스혼합물은 상기 열교환부재의 하부로 유입되어, 상기 촉매층을 이동하는 가열된 제1 가스혼합물과 열교환하여 가열되며, 상기 제1 가스혼합물 중의 물은 스팀으로 전환될 수 있다. 상기 제1 가스혼합물은 열교환부재의 하부에서 상부로 이동하면서 계속 가열되어, 상기 제1 가스혼합물 중 합성가스의 온도는 더욱 상승하며, 상기 스팀은 과포화스팀이 될 수 있다.In one embodiment, the first gas mixture is introduced into the lower portion of the heat exchange member, and is heated by heat exchange with the heated first gas mixture moving the catalyst layer, and the water in the first gas mixture may be converted into steam. . The first gas mixture is continuously heated while moving from the lower portion of the heat exchange member to the upper portion, the temperature of the syngas in the first gas mixture is further increased, and the steam may be supersaturated steam.
한 구체에에서 상기 촉매층의 상부로 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 300~350℃ 일 수 있다. 예를 들면 320℃ 일 수 있다. 상기 온도 조건에서, 촉매 존재하에서 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스조성물이 용이하게 생성될 수 있다.In one embodiment, the temperature of the first gas mixture flowing into the upper portion of the catalyst layer may be 300 to 350 ° C. For example, it may be 320 ℃. At this temperature condition, a gas composition comprising hydrogen and carbon dioxide can be readily produced in the presence of a catalyst.
상기 촉매층으로 유입된 제1 가스혼합물은, 상부에서 하부로 이동하며 촉매 반응을 통해 제1 가스혼합물 중의 일산화탄소는, 상기 스팀과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물이 생성된다. 상기 반응 과정에서 반응열이 발생하여, 상기 가스조성물의 온도는 약 550℃ 전후까지 상승하게 되지만, 상기 열교환기를 통해 반응열을 배출하게 되므로, 상기 촉매층의 온도는 350~450℃일 수 있다. 상기 범위에서 가스조성물이 용이하게 생성될 수 있다.The first gas mixture introduced into the catalyst layer moves from top to bottom, and the carbon monoxide in the first gas mixture is reacted with the steam to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen through a catalytic reaction. The reaction heat is generated in the reaction process, the temperature of the gas composition is raised to about 550 ℃, but the reaction heat is discharged through the heat exchanger, the temperature of the catalyst layer may be 350 ~ 450 ℃. Gas compositions in the above range can be easily produced.
한 구체예에서 상기 반응기의 하부에는 수분 분리기(미도시)가 더 구비되어, 상기 분사된 물 중에서, 열교환기 하부에서 상기 합성가스와 접촉하지 않은 물을 제거할 수 있다.In one embodiment, the bottom of the reactor is further provided with a water separator (not shown), it is possible to remove the water that is not in contact with the syngas in the lower portion of the heat exchanger.
상기 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 가스조성물은 상기 열교환기 하부에 구비된 가스배출라인(20, 21)을 통하여 반응기 외부로 배출될 수 있다. 예를 들면 상기 가스조성물은 상기 열교환기의 촉매층 하부에 구비된 가스배출라인(20, 21)을 통하여 반응기 외부로 배출될 수 있다.4 and 5, the gas composition may be discharged out of the reactor through
도 4 및 도 5를 참조하면, 수성가스 전환 반응장치(1000, 2000)는, 물분사라인(320, 321)에 구비되어, 상기 물의 분사량을 제어하기 위한 유량 조절 밸브(310, 311); 가스유입라인(10, 11)에 구비되어 상기 합성가스의 유량을 측정하는 유량측정계(14, 15); 및 열교환기(200, 210)의 상부에 구비되어 온도를 측정하는 온도계(12, 13); 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.4 and 5, the water gas shift reaction apparatus (1000, 2000) is provided in the water injection line (320, 321), flow control valves (310, 311) for controlling the injection amount of the water; Flow measuring meters (14, 15) provided in gas inlet lines (10, 11) for measuring the flow rate of the syngas; And
한 구체예에서 유입되는 순수의 양은 상기 온도계를 이용하여 측정된 열교환기 상단(또는 반응기 상단)의 온도 및 유량측정계를 통해 측정된, 합성가스 유입량 수치를 통해 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 가스분사라인을 통해 유입되는 물의 분사량은, 상기 열교환기 상단의 온도 및 합성가스 유입량을 토대로, 상기 제1 가스혼합물 중 합성가스와 접촉하는 물이 과포화 상태가 유지되도록 유량 조절 밸브를 이용하여 조절할 수 있다.In one embodiment, the amount of pure water introduced may be controlled through a synthesis gas inflow value measured through a temperature and flow meter at the top of the heat exchanger (or the top of the reactor) measured using the thermometer. For example, the injection amount of the water flowing through the gas injection line, based on the temperature of the top of the heat exchanger and the synthesis gas inflow amount, the flow control valve so that the water in contact with the synthesis gas in the first gas mixture is maintained in a supersaturated state Can be adjusted using.
본 발명에 따른 수성가스 전환 반응장치를 적용시, 열교환을 통해 반응기의 온도를 효과적으로 낮추어 수성가스 전환 반응 효율성이 우수하며, 반응장치의 단순화 및 소형화가 가능하며, 반응기에서 발생하는 열을 이용하여 반응용 스팀을 생성하여, 반응율을 향상시키고 스팀 사용량과 전력 사용량을 최소화 할 수 있다.When the water gas shift reaction apparatus according to the present invention is applied, the efficiency of the water gas shift reaction is excellent by effectively lowering the temperature of the reactor through heat exchange, and the reaction apparatus can be simplified and downsized, and the reaction is performed using heat generated in the reactor. By generating the molten steam, it is possible to improve the reaction rate and minimize the steam consumption and power consumption.
기존의 세츄레이터/디세츄레이터, 합성가스 배관 및 순환펌프 배관으로 이루어진 복잡한 공정이 단순한 물분사 시스템으로 변경되어 투자 및 시설 운영비용 절감효과가 우수하며, 순환펌프를 사용하지 않으므로 전력비를 절감할 수 있고, 반응기 온도가 낮아지게 되므로 반응효율이 우수할 수 있다.The complex process consisting of the existing separator / desectator, syngas pipe, and circulation pump pipe is changed to simple water spray system, which greatly reduces investment and facility operating cost, and saves electricity cost by not using the circulation pump. And, since the reactor temperature is lowered, the reaction efficiency may be excellent.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention through the preferred embodiment of the present invention will be described in more detail. However, this is presented as a preferred example of the present invention and in no sense can be construed as limiting the present invention.
실시예Example 1 One
도 4와 같은 수성가스 전환 반응장치를 준비하였다. 구체적으로, 수성가스 변환용 촉매층을 포함하는 열교환기(200)가 구비된 반응기(100); 및 반응기(100)의 하부에 구비되며, 열교환기(200) 하부로 물을 분사하는 복수 개의 스프레이 노즐(300)이 구비된 물분사라인(320);을 포함하며, 상기 열교환기는 쉘(shell) 형태의 열교환부재; 상기 열교환부재 내부에 구비되는 복수 개의 튜브(tube); 및 상기 열교환부재 및 튜브 사이의 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하는 수성가스 전환 반응장치(1000)를 준비하였다.A water gas shift reaction apparatus as shown in FIG. 4 was prepared. Specifically, the
또한 반응기(100)의 하부에는 열교환기(200) 하부에서 상기 합성가스와 접촉하지 않은 물을 제거하는 수분 분리기를 구비하였으며, 상기 물분사라인(320)에는 상기 물의 분사량을 제어하기 위한 유량 조절 밸브(310)를 구비하고, 가스유입라인(10)은 상기 유입되는 합성가스의 유량을 측정하는 유량측정계(14)를 구비하였으며, 상기 열교환기의 상부에 온도를 측정하는 온도계(12)를 구비하였다.In addition, a lower portion of the
상기 반응기 내부로 유입된 합성가스는, 상기 분사된 물과 접촉하여 약 280℃의 제1 가스혼합물을 생성하였다. 상기 제1 가스혼합물 중 물과 일산화탄소는 1:1~3:1 몰비로 포함하였다.Syngas introduced into the reactor contacted the injected water to produce a first gas mixture of about 280 ° C. Water and carbon monoxide in the first gas mixture were included in a molar ratio of 1: 1 to 3: 1.
상기 제1 가스혼합물은 개방된 튜브의 하부로 유입하여, 상부로 이동하면서 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되었다. 이때 상기 튜브의 하부로 유입된, 제1 가스혼합물 중의 물은 스팀으로 전환되었으며, 상기 튜브의 상부로 이동하면서 가열되어 스팀이 과포화스팀으로 전환되었다. 상기 촉매층의 상부로 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 약 320℃까지 가열되었다.The first gas mixture flowed into the lower portion of the open tube and moved upwards through heat exchange with the heated first gas mixture inside the catalyst bed. At this time, the water in the first gas mixture, introduced into the lower portion of the tube was converted to steam, heated while moving to the upper portion of the tube was converted to supersaturated steam. The temperature of the first gas mixture flowing into the upper portion of the catalyst layer was heated to about 320 ° C.
상기 가열된 제1 가스혼합물은 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하였다. 상기 가스조성물의 온도는 약 550℃까지 상승되었고, 전술한 튜브 내부를 이동하는 제1 가스혼합물과 열교환하는 과정에서 반응열이 방출되어, 촉매층의 온도는 약 380℃ 전후로 유지되었다.The heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, thereby being heated by a catalytic reaction to produce a gas composition including carbon dioxide and hydrogen. The temperature of the gas composition was raised to about 550 ° C., and the heat of reaction was released during the heat exchange with the first gas mixture moving inside the tube, so that the temperature of the catalyst layer was maintained at about 380 ° C.
또한 스프레이 노즐(300)에서 분사된 물 중 합성가스와 비말 동반(entrained)되지 않은 물은 반응기(100) 하부에 형성되는 드레인 탱크(400)로 집수하여, 반응기 외부로 배출하였다.In addition, water that is not entrained with the synthesis gas in the water sprayed from the
실시예Example 2 2
도 5와 같은 수성가스 전환 반응장치를 준비하였다. 구체적으로, 수성가스 변환용 촉매층을 포함하는 열교환기(210)가 구비된 반응기(101); 및 반응기(101)의 하부에 구비되며, 열교환기(210) 하부로 물을 분사하는 복수 개의 스프레이 노즐(301)이 구비된 물분사라인(321);을 포함하고, 열교환기(210)는 복수 개가 이격 형성된 판(plate) 형태의 열교환부재; 및 상기 열교환부재의 이격된 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하는 수성가스 전환 반응장치(2000)를 준비하였다. A water gas shift reaction apparatus as shown in FIG. 5 was prepared. Specifically, the
상기 물분사라인(321)은, 스프레이 노즐(301)을 따라 형성된 가스헤더(330)를 구비하고, 상기 가스헤더는 가스유입라인(11)과 연결되어, 상기 합성가스를 상기 열교환기의 하부로 유입시켰다.The
또한 반응기(101)의 하부에는 열교환기(210) 하부에서 상기 합성가스와 접촉하지 않은 물을 제거하는 수분 분리기를 구비하였으며, 상기 물분사라인(321)에는 상기 물의 분사량을 제어하기 위한 유량 조절 밸브(311)를 구비하고, 가스유입라인(11)은 상기 유입되는 합성가스의 유량을 측정하는 유량측정계(15)를 구비하였으며, 상기 열교환기의 상부에 온도를 측정하는 온도계(13)를 구비하였다.In addition, the lower portion of the
상기 반응기 내부로 유입된 합성가스는, 상기 분사된 물과 접촉하여 약 280℃의 제1 가스혼합물을 생성하였다. 상기 제1 가스혼합물 중 물과 일산화탄소는 1:1~3:1 몰비로 포함하였다.Syngas introduced into the reactor contacted the injected water to produce a first gas mixture of about 280 ° C. Water and carbon monoxide in the first gas mixture were included in a molar ratio of 1: 1 to 3: 1.
상기 제1 가스혼합물은 열교환기(210)의 판형 열교환부재의 하부로 유입하여, 상부로 이동하면서 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되었다. 이때 상기 열교환부재의 하부로 유입된, 제1 가스혼합물 중의 물은 스팀으로 전환되었으며, 상기 열교환부재의 상부로 이동하면서 가열되어 스팀이 과포화스팀으로 전환되었다. 상기 촉매층의 상부로 유입되는 제1 가스혼합물의 온도는 약 320℃까지 가열되었다.The first gas mixture flows into the lower portion of the plate heat exchange member of the
상기 가열된 제1 가스혼합물은 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하였다. 상기 가스조성물의 온도는 약 550℃까지 상승되었고, 전술한 열교환부재 내부를 이동하는 제1 가스혼합물과 열교환하는 과정에서 반응열이 방출되어, 촉매층의 온도는 약 380℃ 전후로 유지되었다.The heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, thereby being heated by a catalytic reaction to produce a gas composition including carbon dioxide and hydrogen. The temperature of the gas composition was increased to about 550 ° C., and the heat of reaction was released during the heat exchange with the first gas mixture moving inside the heat exchange member. Thus, the temperature of the catalyst layer was maintained at about 380 ° C.
또한 스프레이 노즐(301)에서 분사된 물 중 합성가스와 비말 동반(entrained)되지 않은 물은 반응기(101) 하부에 형성되는 드레인 탱크(401)로 집수하여, 반응기 외부로 배출하였다.In addition, the water that is not entrained with the synthesis gas in the water sprayed from the
상기 실시예 1~2에 따른 수성가스 전환 반응장치를 적용시 전환율이 90%로 측정되어, 기존 도 1과 같은 반응기를 사용한 비교예(전환율 85%) 보다 전환율 효율성이 우수하였으며, 반응장치에 소요되는 투자비용은 실시예 1의 경우, 비교예 대비 80%의 비용이 소요되어, 경제성이 우수함을 알 수 있었다.When the water gas conversion reaction apparatus according to Examples 1 to 2 was applied, the conversion rate was measured to 90%, and the conversion efficiency was superior to that of the comparative example (conversion rate 85%) using the reactor as shown in FIG. In the case of the investment cost of Example 1, it takes 80% of the cost compared to the comparative example, it can be seen that the economic efficiency is excellent.
하기 도 6은 반응기 내부 온도, 반응기에 유입되는 스팀(물)의 함량 및 전환율과의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 반응기의 온도가 낮을수록, 일산화탄소 전환율이 향상됨을 알 수 있다.6 is a graph showing the correlation between the reactor internal temperature, the content of steam (water) introduced into the reactor, and the conversion rate. Referring to FIG. 6, the lower the temperature of the reactor, the better the carbon monoxide conversion.
한편 종래기술은 열교환기의 온도를 유입가스와 반응기에서 열교환을 통해 낮추고 반응기에서 배출되는 고온의 가스를 유입가스의 가습에 사용한다는 점에 에너지를 절감하고 반응효율을 증가시키는 것이었다.On the other hand, the prior art was to reduce the energy of the heat exchanger through the heat exchange in the inlet gas and the reactor, and to use the hot gas discharged from the reactor for the humidification of the inlet gas to save energy and increase the reaction efficiency.
그러나 종래기술은 세츄레이터 및 디세츄레이터를 포함하여 장치가 복잡하고 유지 보수 비용이 많이 발생하였고, 물을 순환하기 위한 순환펌프의 구동을 위한 전력이 추가로 요구되었으며, 고온 가스가 반응기로 유입되므로 내부 열교환기를 적용하여도 반응기의 온도를 효과적으로 낮추기가 어려웠다. However, the prior art, including the separator and the de-settler, the device is complicated and expensive to maintain, additional power required to drive the circulation pump to circulate the water, hot gas is introduced into the reactor It was difficult to effectively lower the temperature of the reactor even when the internal heat exchanger was applied.
반면, 본 발명은 기존의 세츄레이터/디세츄레이터, 합성가스 배관 및 순환펌프 배관으로 이루어진 복잡한 공정이 단순한 물분사 시스템으로 변경되어 투자 및 시설 운영비용 절감효과가 우수하며, 순환펌프를 사용하지 않으므로 전력비를 절감할 수 있고, 반응기 온도가 낮아지게 되므로 반응효율이 우수할 수 있다.On the other hand, in the present invention, the complex process consisting of the existing separator / de-sectator, syngas pipe, and circulation pump pipe is changed to a simple water spray system, thereby reducing the investment and facility operating cost, and does not use the circulation pump. The power cost can be reduced, and the reaction temperature can be excellent because the reactor temperature is lowered.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.
10, 11: 가스유입라인 12, 13: 온도계
14, 15: 유량측정계 20, 21: 가스배출라인
100, 101: 반응기 200, 210: 열교환기
300, 301: 스프레이 노즐 310, 311: 유량 조절 밸브
320, 321: 유량 조절 밸브 330: 가스 헤더
400, 401: 드레인 탱크
1000, 2000: 수성가스 전환 반응장치10, 11:
14, 15: flow
100, 101:
300, 301:
320, 321: flow control valve 330: gas header
400, 401: drain tank
1000, 2000: water gas shift reactor
Claims (10)
상기 반응기의 하부에 구비되며, 상기 열교환기 하부로 물을 분사하는 복수 개의 스프레이 노즐이 구비된 물분사라인;를 포함하며,
상기 합성가스는 상기 분사된 물과 접촉하여 제1 가스혼합물을 생성하며,
상기 제1 가스혼합물은 열교환기 하부로 유입되어 열교환 및 촉매반응을 통해 가열되어, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환 반응장치.
A reactor having a heat exchanger including a catalyst layer for converting water gas, wherein a synthesis gas including carbon monoxide is introduced from a gas inlet line to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen; And
And a water spray line provided at a lower portion of the reactor and having a plurality of spray nozzles for injecting water into the lower portion of the heat exchanger.
The syngas is in contact with the injected water to produce a first gas mixture,
The first gas mixture is introduced into the lower portion of the heat exchanger is heated by heat exchange and catalytic reaction, water gas conversion reactor characterized in that to produce a gas composition containing carbon dioxide and hydrogen.
상기 가스헤더는 상기 가스유입라인과 연결되어, 상기 합성가스를 상기 열교환기의 하부로 유입시키는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환 반응장치.
The water spraying line of claim 1, wherein the water spray line further comprises a gas header formed along the spray nozzle,
The gas header is connected to the gas inlet line, water gas conversion reaction apparatus, characterized in that for introducing the synthesis gas to the lower portion of the heat exchanger.
상기 열교환부재 내부에 구비되는 복수 개의 튜브(tube); 및
상기 열교환부재 및 튜브 사이의 공간에 촉매가 충전되어 형성되는 촉매층;을 포함하며,
상기 튜브의 하부는 개방되어 제1 가스혼합물이 유입되고,
상기 제1 가스혼합물은 상기 튜브의 상부로 이동하면서 상기 촉매층 내부의 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고,
상기 가열된 제1 가스혼합물은, 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환 반응장치.
The heat exchanger of claim 1, wherein the heat exchanger comprises: a shell heat exchange member;
A plurality of tubes provided inside the heat exchange member; And
And a catalyst layer formed by filling a catalyst in the space between the heat exchange member and the tube.
The lower part of the tube is opened to introduce the first gas mixture,
The first gas mixture is heated through heat exchange with the heated first gas mixture inside the catalyst layer while moving to the top of the tube,
The heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, and is heated by a catalytic reaction to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen.
상기 제1 가스혼합물은 상기 열교환부재의 하부로 유입되어 상부로 이동하면서, 상기 촉매층을 이동하는 가열된 제1 가스혼합물과 열교환을 통해 가열되고,
상기 가열된 제1 가스혼합물은 상기 촉매층의 상부로 유입되어 하부로 이동하면서, 촉매 반응에 의해 가열되어 이산화탄소 및 수소를 포함하는 가스조성물을 생성하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환 반응장치.
The heat exchanger of claim 1, wherein the heat exchanger comprises: a heat exchange member having a plate shape having a plurality of spaced apart from each other; And a catalyst layer formed by filling a catalyst in the spaced space of the heat exchange member.
The first gas mixture is heated through heat exchange with the heated first gas mixture moving the catalyst layer while flowing into the lower portion of the heat exchange member and moving upward,
The heated first gas mixture flows into the upper portion of the catalyst layer and moves downward, and is heated by a catalytic reaction to generate a gas composition including carbon dioxide and hydrogen.
The water gas shift reactor according to claim 1, wherein the temperature of the catalyst layer is 270 to 450 ° C.
The water gas shift reactor according to any one of claims 3 to 4, wherein the temperature of the first gas mixture flowing into the catalyst layer is 200 to 350 ° C.
The water gas shift reactor according to claim 1, further comprising a water separator at the bottom of the reactor to remove water that is not in contact with the syngas from the bottom of the heat exchanger.
The water gas shift reactor according to claim 1, wherein the gas composition is discharged to the outside through a gas discharge line provided under the catalyst layer of the heat exchanger.
상기 물분사라인에 구비되어, 상기 물의 분사량을 제어하기 위한 유량 조절 밸브;
상기 가스유입라인에 구비되어 상기 합성가스의 유량을 측정하는 유량측정계; 및
상기 열교환기의 상부에 구비되는 온도계; 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환 반응장치.
According to claim 1, wherein the water gas conversion reactor,
A flow rate control valve provided in the water spray line to control the injection amount of the water;
A flow rate meter provided in the gas inlet line for measuring a flow rate of the syngas; And
A thermometer provided at an upper portion of the heat exchanger; Water gas conversion reactor further comprises one or more of.
The water gas shift reactor according to claim 1, wherein the first gas mixture flowing into the heat exchanger comprises water and carbon monoxide in a molar ratio of 1: 1 to 3: 1.
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KR1020180033804A KR20190111539A (en) | 2018-03-23 | 2018-03-23 | Apparatus for water gas shift reaction |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20210054908A (en) | 2019-11-06 | 2021-05-14 | 한국전력공사 | Water gas shift Reactor and Manufacturing method thereof |
CN112980519A (en) * | 2021-03-02 | 2021-06-18 | 山西沃能化工科技有限公司 | CO conversion processing device in coke oven gas and conversion processing method thereof |
KR102316737B1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-10-26 | 고등기술연구원연구조합 | Water gas shift reactor capable of uniform temperature control |
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2018
- 2018-03-23 KR KR1020180033804A patent/KR20190111539A/en unknown
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CN112980519A (en) * | 2021-03-02 | 2021-06-18 | 山西沃能化工科技有限公司 | CO conversion processing device in coke oven gas and conversion processing method thereof |
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