KR20200028632A - 7 노말큐빅미터퍼아우어 수조제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 7Nm3/h 수조제조장치에는, 상기 본체 케이싱의 상측에 상하로 길게 설치되는 적어도 두 개의 개질반응유닛: 상기 버너의 열을 상기 개질반응유닛에 공급하는 제 1 열교환유닛; 상기 제 1 열교환 유닛을 통과한 연소가스와 상기 개질반응유닛에서 개질된 고온의 개질가스와 상기 개질반응유닛으로 공급되는 원료가 서로 열교환하는 제 2 열교환유닛이 포함되고, 상기 적어도 두 개의 개질반응유닛은. 상기 버너의 화염이 발생하는 버너 내측 케이싱의 외측을 따라서 일정한 간격으로 마련된다.

Description

7 노말큐빅미터퍼아우어 수조제조장치{7 normal cubic meter per hour hydrogen production apparatus}
본 발명은 수소제조장치에 관한 것으로서, 양질이고 다량의 수소를 제조하는 장치에 관한 것이다.
수소연료전지에 사용되는 수소를 공급하기 위하여 수소제조장치가 널리 사용되고 있다. 상기 수소제조장치는 부산물이 없는 순수한 수소를 다량으로 안정적으로 생산하는 것이 중요한 기술적 과제이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 출원인은 공개번호 10-2016-0100580호를 출원한 바가 있다. 상기 선행 특허에서는, 첫째 개질가스를 생성하기 위해 사용되는 스팀 리포머유닛과 열 교환기 유닛과 고온전환 반응 유닛 및 저온전환 반응 유닛의 배치를 변경하고, 둘째 열 교환 효율이 향상하는 것을 주된 기술적 관점으로 하였다.
상기 선행특허에서는, 연료처리장치의 높이를 상대적으로 줄일 수 있어 컴팩트 한 장비 운영이 가능하고, 개질반응을 위한 웜업시간이 단축되고, 개질 반응에 필요한 온도를 빠르게 상승시킬 수 있고, 버너 유닛으로 공급되는 고온의 증기가 가열될 수 있는 공간이 별도로 형성되어 있어 개질 반응에 필요한 고온의 증기를 안정적으로 공급할 수 있고, 화염에 의한 개질 촉매를 직접 가열하지 않고 고온의 증기를 이용하여 가열을 실시하므로 상기 개질 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있고, 열교환기 유닛을 통해 개질가스와 열교환을 통한 열효율을 향상시킬 수 있었다.
상기 선행특허의 적용에도 불구하고, 많은 양의 수소를 제조할 수 없었다. 또한, 연소가스의 열 활용성능이 부족하여 연소된 수소제조장치에서 배기되는 배기가스의 온도가 높은 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 연소가스, 물, 천연가스, 및 개질가스 간의 열효관의 밸런스가 맞지 못하여 수소제조장치의 충분한 공정성능을 만들어내지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허번호 10-2016-0100580호
본 발명은 상기되는 문제점을 개선하기 위하여 제안되는 것으로서, 보다 만은 수소가스를 제조할 수 있는 수소제조장치를 제안한다.
본 발명은 연소가스가 제공하는 열을 충분히 활용할 수 있는 수조제조장치를 제안한다.
본 발명은 수소제조장치 내부를 유동하는 각 유체 간의 열교환 최적화하는 수소제조장치를 제안한다.
본 발명에 따른 수소제조장치에는, 본체 케이싱의 상측에 상하로 길게 설치되는 적어도 두 개의 개질반응유닛이 고효율로서, 상기 버너의 화염이 발생하는 버너 내측 케이싱의 외측을 따라서 일정한 간격으로 마련되어 다량의 수소를 제조할 수 있다.
상기 개질반응유닛은 여섯 개가 마련되고, 그 개질반응유닛에 충분한 열량을 공급할 수 있는 버너가 마련된다.
상기 개질반응유닛은 원통형 이중관으로서, 바깥쪽에 제공되고 상방으로 유체가 이동하는 개질반응유로; 및 안쪽에 제공되고 하방으로 유체가 이동하는 개질가스 배출유로가 포함되어 좁은 공간에서 개질되는 수소의 양을 최대로 할 수 있고, 개질에 필요한 온도분위기 및 열적환경을 조성할 수 있다.
상기 개질반응유닛에 충분한 열을 공급하기 위하여, 상기 버너 내측 케이싱 및 상기 버너 외측 케이싱의 사이에 제공되는 배플이 제공되는데, 상기 배플은 원형으로서, 상기 버너 내측 케이싱이 통과하는 하나의 버너통공; 상기 버너통공의 바깥으로 이격하고 상기 개질반응유닛이 통과하는 적어도 두 개의 반응유닛통공; 및 상기 반응유닛통공의 사이에 이격하여 연소가스가 통과하는 적어도 두 개의 연소가스통공이 포함된다. 이에 따르면, 연소가스의 체류시간을 길게 하여 열교환성능을 향상시킬 수 잇다. ,
상기 배플에는, 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원이 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 중심을 연결하는 가상원의 바깥쪽에 위치하고, 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원은 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 영역 내를 통과하는 제 1 배플; 및 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원이 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 중심을 연결하는 가상원의 안쪽에 위치하고, 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원은 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 영역 내를 통과하는 제 2 배플이 포함되어 연소가스가 지그재그로 이동하도록 할 수 있다. 이에 따르면 열교환성능을 더욱 높일 수 있다.
상기 제 1 배플과 상기 제 2 배플은, 적어도 하나가 서로 교대로 설치되도록 함으로써, 열교환성능을 조절할 수 있다. 따라서, 원하는 열적평형상태에 따라서 교대설치의 수를 조절할 수 있다.
개질되기 전의 원료와 개질된 후의 가스와 연소가스가 열교환되도록 하기 위하여, 개질가스/연소가스 차벽의 내부 공간을 관통하고, 내부에 상기 개질반응유닛으로 공급되는 원료가 흐르도록 이격되는 적어도 두개의 원료관; 및 상기 개질가스/연소가스 차벽의 내부 공간에 제공되고, 상기 원료관이 통과하는 원료관 통공이 형성되는 배플이 제공된다. 이에 따르면 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
이때 사용되는 배플에는, 바깥쪽 테두리 부분에 제공되는 지지부, 및 상기 지지부의 사이 간격에 놓이는 외측 개질가스통공이 제공되는 제 3 배플; 및 안쪽의 가운데에 내측 개질가스통공이 제공되는 제 4 배플이 포함될 수 있다. 이에 따르면 원료관 주번에 강제대류작용이 커지기 때문에, 열교환 성능의 향상효과가 더욱 커질 수 있다.
상기 제 3 배플 및 상기 제 4 배플은, 적어도 하나가 서로 교대로 설치되도록 함으로써 대류성능을 조정할 수 있고, 열적평형에 따라서 교대설치의 수를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 동일한 규모의 수소제조장치에서 얻어낼 수 있는 수소의 양이 증가하고, 개질성능이 최적화됨으로써 다량의 수소를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다량의 수조제조에 필요한 열량을 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소가스의 온도가 낮아짐으로써 열효율 성능이 높아지고 수소제조효율이 향상된다.
도 1은 본 개시의 수소제조장치의 대략적인 단면도.
도 2와 도 3은 제 1 열교환유닛에 제공되는 재 1 배플 및 제 2 배플의 단면도.
도 4는 물과 가스의 유입경로를 설명하는 도면.
도 5는 제 2 열교환유닛을 상세하게 보이는 도면.
도 6과 도 7은 제 3 배플 및 제 4 배플의 단면도.
도 8은 상기 제 2 열교환유닛의 부분 절개 사시도.
도 9는 상기 개질반응유닛의 수직 단면도.
도 10은 상기 개질반응유닛에서 개질되어 토출된 개질가스의 유동을 설명하는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예로 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이하의 실시예에 있어서 도면은 가급적 실제 물품과 동일하도록 노력하지만, 반복되는 부품의 삭제, 작은 부품의 확대, 단면의 단순화, 및 복잡한 부재의 단순화 표시 등이 되어 있다. 이는 본 개시에 따른 발명 사상의 이해를 명확하게 하기 위한 것이다.
이하의 실시예의 설명에 있어서 열교환의 의미는 열적 평형이 이루어지기 위하여 적어도 하나의 일측에서 적어도 하나의 타측으로 열이 이동되는 것으로서, 수소제조장치의 운전상태와 크기와 부품의 변경 등에 따라서 열적 평형의 온도가 달라지는 경우에는 열 흐름의 방향이 변경될 수도 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 수소제조장치의 대략적인 단면도이다.
도 1을 참조하여, 본 개시에 따른 수소제조장치의 대략적인 구성과, 수소제조장치의 동작에 필요한 열을 공급하는 연소가스의 유동을 설명한다.
본 개시에 따른 수소제조장치에는, 대략 원통형의 본체 케이싱(11)이 외형을 이루고, 상기 본체 케이싱(1)의 상단에 버너(10)가 놓인다. 상기 버너(10)에서 공급되는 연소열에 의해서 상기 수소제조장치가 작동하고, 상기 버너(10)의 연소가스는 수소제조장치의 내부에 열을 충분히 공급한 다음에 상기 본체 케이싱(11)의 하단을 통하여 빠져 나간다.
상기 연소가스가 상기 수소제조장치의 내부를 유동하는 중에 다양한 부분으로 연소열을 공급한다. 상기 연소열이 공급되는 부분은 크게 네 부분으로 나눌 수 있다. 예를 들어 제 1 열교환유닛(4), 제 2 열교환유닛(400), 제 3 열교환유닛(500), 및 제 4 열교환유닛(600)이 제공된다. 상기 열교환유닛의 지시번호는 연소가스에 의해서 연소열이 전달되는 시계열 순서로 지시되어 있다. 연소가스의 흐름은 실선 화살표로 표시되어 있다.
상기 열교환유닛은 각 유닛 내부를 유동하는 유체의 종류 및 상태가 다르고, 그 배치에 따라서 최대의 열교환 효율을 얻어낼 수 있도록 마련되어 있다.
각각의 상기 열교환유닛에서 열교환되는 유체의 대상들을 간단히 설명한다.
상기 제 1 열교환유닛(4)은, 상기 버너의 연소열이 개질반응유닛(100)에 전달되는 부분이다. 다시 말하면, 수소제조장치의 원료가 되는 원료가스와 상기 연소가스가 열교환한다.
상기 제 2 열교환유닛(400)은, 상기 연소가스의 연소열 및 상기 개질반응유닛(100)에서 개질된 개질가스가 상기 원료가스의 온도를 높이는 부분이다. 다시 말하면, 상기 개질반응유닛(100)에서 개질된 개질가스와 상기 원료가스와 상기 연소가스가 함께 열교환한다.
상기 제 3 열교환유닛(500)은, 상기 연소가스가 외부에서 공급되는 물 및 고온전환 반응유닛(301) 및 저온전환 반응유닛(302)에 열을 공급하는 부분이다. 상기 고온전환 반응유닛(301) 및 저온전환 반응유닛(302)은 함께 지칭하여 전환반응유닛이라고 할 수도 있다.
상기 물은 원료가스의 일부를 이루는 스팀(steam)이 되는 물질이다. 다시 말하면, 상기 제 3 열교환유닛(500)은, 상기 물과 상기 개질가스와 상기 연소가스가 함께 열교환한다. 여기서 주된 열교환은 상기 물과 상기 연소가스의 열교환이다.
상기 제 4 열교환유닛(600)은, 상기 연소가스가 외부에서 공급되는 물에 열을 공급하는 부분이다. 이때 상기 물은 다른 유체에 비하여 가장 온도가 낮다. 다시 말하면, 상기 제 4 열교환유닛(600)은, 상기 물과 상기 개질가스와 상기 연소가스가 함께 열교환한다. 여기서도 주된 열교환은 상기 물의 온도를 높이는 역할이다.
각 상기 열교환유닛(4)(400)(500)(600)의 구성을 설명한다.
상기 제 1 열교환유닛(4)은, 버너 내측 케이싱(2), 버너 외측 케이싱(21), 및 상기 본체 케이싱(11)의 삼중관 구조로 제공된다.
상기 버너 내측 케이싱(2)의 안쪽 공간은 플랜지(1)에 체결된 버너(10)에서 하방으로 공급되는 화염의 연소열이 발생하는 부분이다.
상기 버너 내측 케이싱(2)과 상기 버너 외측 케이싱(21)의 사이 간격 공간은 적어도 두 개 이상의 개질반응유닛(100)이 서로 이격하여 설치되는 부분이다. 이 부분을 통하여 연소가스는 상방으로 이동한다.
상기 버너 외측 케이싱(21)과 상기 본체 케이싱(11)의 사이 간격 공간은 연소가스가 하방으로 이동하는 부분이다.
설명된 바와 같이, 상기 연소가스는 상하로 세번 이동하여, 상기 개질반응유닛(100)에 충분히 열을 공급할 수 있도록 한다. 특히, 상기 개질반응유닛에 더 장시간 열을 공급하도록 하기 위하여, 상기 버너 내측 케이싱(2)과 상기 버너 외측 케이싱(21)의 사이 간격 공간에는 배플(310)(320)이 소정의 간격(L)으로 제공된다. 상기 배플의 설치 간격은 32mm로 제공될 수 있다. 상기 배플에 의해서 연소가스는 상기 개질반응유닛(100)과 더욱 장시간 서로 접촉할 수 있고, 충분한 열이 상기 개질반응유닛(100)에 공급되도록 할 수 있다.
상기 제 1 열교환유닛(4)에 제공되는 배플의 상세구성은 도 2 및 도 3을 이용하여 후술한다.
상기 제 2 열교환유닛(400)은, 원료/연소가스차벽(3) 및 개질가스/연소가스차벽(5)에 의해서 구획될 수 있다.
상기 개질가스/연소가스 차벽(5)과 상기 본체 케이싱(11)의 사이 공간을 흐르는 연소가스는, 상기 개질반응유닛(100)에서 배출되는 개질가스와 함께, 원료가스가 상방으로 이동하는 원료관(204)에 열을 공급할 수 있다. 상기 연소가스 및 상기 개질가스가 상기 원료관(204)으로 충분한 열량을 공급할 수 있도록 하기 위하여, 상기 개질가스는 배플이 설치되는 공간을 유동한다.
상기 제 2 열교환유닛(400)에 제공되는 배플의 상세구성은 도 6 및 도 7을 이용하여 후술한다.
상기 제 3 열교환유닛(500)은, 본체 케이싱(11)과 코일(510)과 고온전환 반응유닛(301)에 의해서 구획될 수 있다.
상기 제 2 열교환유닛(400)을 통과한 연소가스는 코일입구(6)를 통하여 코일(510)의 내부로 인입된다. 상기 코일(510)은 고온전환 반응유닛(301)의 외부에 감겨있고, 내부는 연소가스가 흐를 수 있도록 비어 있다. 상기 본체 케이싱(11)과 상기 고온전환 반응유닛(301)의 사이 공간에는 물이 차있고, 그 물은 하측에서 상측으로 유동할 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 상기 연소가스가 상기 코일(510)의 내부를 따라서 하방으로 유동하고, 물은 상방으로 유동하는 대향류를 이루어 서로 열교환이 수행될 수 있다. 또한, 상기 고온전환 반응유닛(301)의 반응에 필요한 열적상태가 조성되도록 할 수 있다.
상기 고온전환 반응유닛(301)의 외부에는 저온전환 반응유닛(302)이 더 마련된다. 상기 반응유닛(301)(302)는 상기 개질가스에 존재하는 일산화탄소 등의 불필요한 부산물을 제거할 수 있다.
상기 제 4 열교환유닛(600)은 코일(510)에서 배출된 연소가스의 열을 회수하는 부분이다. 이때 상기 연소가스는 물유입구(202)를 통하여 유입된 가장 저온의 물을 데울 수 있다. 이 경우에 상기 연소가스 배출구(520)를 통하여 배출되는 연소가스는 100도씨 이하로 냉각될 수 있다. 따라서 상당히 많은 열량이 회수될 수 있다.
도 2와 도 3은 제 1 열교환유닛에 제공되는 배플의 단면도이다.
도 2에 제시되는 제 1 배플(310)과 도 3에 제시되는 제 2 배플(320)은 각각 네 개가 서로 교대로 상하로 적층되어 있다. 본 개시에서는 상기 개질반응유닛(100)과 동일한 간격 각도로 여섯개가 마련된다. 이에 따라서 연소가스통공(302) 및 반응유닛통공(301)은 서로 동일한 간격의 각도로 여섯개가 마련될 수 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 도 2에 제시되는 제 1 배플(310)은 약간의 두께를 가지는 이차원 원형평면으로 제공되고, 상기 버너내측 케이싱(2)이 끼워지는 버너통공(303)이 가운데에 형성되고, 상기 버너통공(303)의 바깥으로 개질반응유닛(100)이 끼워지는 반응유닛통공(301)이 형성되고, 상기 반응유닛통공(301)의 사이에는 연소가스통공(302)가 형성된다. 도 3에 제시되는 제 2 배플(320)은 상기 버너통공(303)과 상기 반응유닛통공(301)은 제 1 배플(310)과 동일하게 제공되지만, 상기 연소가스통공(302)은 그 위치가 다르다.
상기 버너통공(303), 상기 반응유닛통공(301), 및 상기 연소가스통공(302)은 그 영역이 모두 서로 겹치지 않도록 한다. 이를 통하여 판상으로 제공되는 상기 배플(310)(320)의 강도를 높게 할 수 있다.
상기 연소가스통공(302)의 위치를 명확하게 설명한다.
상기 배플(310)(320)은 연소가스의 진행속도를 늦추어서, 제 1 열교환유닛(4)의 열교환량을 늘리도록 하다. 즉, 연소열이 개질반응유닛으로 충분히 전달될 수 있도록 한다.
이를 위하여 상기 연소가스통공(302)의 위치는, 상기 제 1 배플에서는, 상기 연소가스통공(302)의 중심을 연결하는 가상원이 상기 반응유닛통공(301)의 중심을 연결하는 가상원의 바깥쪽에 위치한다. 상기 연소가스통공(302)의 중심을 연결하는 가상원은 상기 반응유닛통공(301)의 영역 내를 통과할 수 있다.
이에 반하여 상기 제 2 배플에서는, 연소가스통공(302)의 중심을 연결하는 가상원이 상기 반응유닛통공(301)의 중심을 연결하는 가상원의 안쪽에 위치한다. 상기 연소가스통공(302)의 중심을 연결하는 가상원은 상기 반응유닛통공(301)의 영역 내를 통과할 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 상기 연소가스는 배플을 통과하여 연소가스의 통과속도가 지연되어 많은 양의 열전달이 일어나도록 한다. 뿐만 아니라, 상기 배플(310)(320)의 지날 때 개질반응유닛(100)의 안쪽과 바깥쪽으로 교대로 유동하여, 개질반응유닛(100)의 안과 밖의 전체영역에 열이 고루 전달되도록 한다. 따라서 개질반응유닛(100)의 내부에 있는 촉매가 골고루 사용되도록 할 수 있다.
도 4는 물과 가스의 유입경로를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 물유입구(202)를 통하여 유입된 가장 저온의 물은 상기 제 4 열교환유닛(600) 및 상기 제 3 열교환유닛(500)을 통하여 순차적으로 가열될 수 있다. 가스는 가스유입구(201)을 통하여 유입될 수 있다. 여기서, 물은 초순수이고 가스는 천연가스(LNG)일 수 있다.
상기 물과 상기 가스는 서로 혼합된 상태로, 물/가스 유입구(701)를 통하여 물/가스 저장부(700)로 유입된다.
상기 물/가스 저장부(700)에 저장된 물과 가스는 혼합되고, 상기 원료관(204)을 통과하며 가열되어 원료가스가 된다. 상기 원료가스는 상기 원료관(204)를 나와서 원료가스 저장부(702)이 제정된다. 이후에 상기 원료가스는 원료가스 유입구(205)를 통하여 상기 개질반응유닛(100)의 내부로 공급될 수 있다.
도 5는 제 2 열교환유닛을 상세하게 보이는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제 2 열교환유닛(400)에서는, 상기 개질반응유닛(100)에서 개질된 대략 600도씨에 달하는 고온의 개질가스가, 상기 원료관(204)을 유동하는 원료가스를 가열하여 고온전환 반응유닛(301)의 고온전환에 적절한 450도씨의 온도로 냉각될 수 있다.
상기 제 2 열교환유닛(400)의 내부 공간에는 제 3 배플(도 6참조) 및 제 4 배플(도 7참조)이 상하로 이격되어 설치된다. 이에 따라 상기 개질가스와 상기 원료가스가 충분히 열교환할 수 있다. 상기 제 3 배플(402) 및 상기 제 4 배플(403)을 통과하는 대략 서른개의 원료관(204)이 더 마련된다.
상기 제 2 열교환유닛(400)의 작용을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 개질반응유닛(100)의 개질가스토출구(206)에서 토출된 고온의 개질가스는, 상기 배플(402)(403)이 설치되는 내부공간으로 유입되고, 개질가스 유동관(420)을 통하여 외부로 배출된다. 즉, 상기 개질가스는 하방으로 이동한다. 상기 원료관(204)은 물/가스 저장부(700)에서 공급되는 물과 가스를 공급받아 원료관(204)을 통하여 가열되어 상방으로 이동한다.
상기되는 바와 같은 대향류 흐름에 의해서 상기 개질가스와 상기 원료가스는 열교환할 수 있다.
이때 충분한 열교환작용을 이끌어 내기 위하여, 상기 제 3 배플(402)와 제 4 배플(403)이 유동을 안과 밖으로 섞이도록 한다.
도 6과 도 7은 제 3 배플 및 제 4 배플의 단면도이다.
도 6과 도 7을 참조하면, 제 3 배플 및 제 4 배플은 대략 원형판으로 제공되고, 각 배플에는 원료관이 통과하는 원료관 통공(4022)(4032)이 제공된다.
상기 제 3 배플(402)에는, 바깥쪽 테두리 부분에 제공되는 지지부(4023), 상기 지지부(4023)의 사이 간격으로 정의할 수 있는 외측 개질가스통공(4021)이 포함된다. 상기 제 4 배플(403)에는, 안쪽의 가운데 부분에 대략 원형으로 제공되는 내측 개질가스통공(4031)이 마련된다.
상기 제 3 배플(402)와 상기 제 4 배플(403)이 상하방향으로 서로 교대로 설치되어 있기 때문에, 하측으로 이동하는 상기 개질가스는 하나의 배플을 통과할 때에는 중앙부를 통과하고, 다음 번의 배플을 통과할 때에는 테두리부를 통과한다. 따라서, 어느 한 쌍의 배플(402)(403) 사이의 간격내에서는 도면을 기준으로 할 때 좌우방향의 유동성분이 증가한다. 다시 말하면, 상기 개질가스의 유동을 전체로서 관찰할 때에는 상하방향이동이지만, 좌우방향 이동성분이 크게 발생한다.
이같은 좌우방향의 유동성분은 결국 상기 원료관(204)의 연장방향에 대하여 수직한 방향의 유동을 발생시키고, 상기 원료관(204)의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다. 열교환성능의 향상은 상기 원료관(204) 주변의 강제대류의 증가에 의해서 획기적으로 증가할 수 있다. 물론, 상기 개질가스의 체류시간 증가도 그 영향이 있다.
도 8은 상기 제 2 열교환유닛의 부분 절개 사시도로서, 도 8을 참조하면 제 2 열교환유닛은 더 잘 이해될 수 있다. 상기 원료관(204)은 상기 제 3 배플(402) 및 상기 제 4 배플(403)을 관통하여 상하방향으로 연장된다. 상기 개질가스는, 한 쌍의 제 3 배플 및 제 4 배플에 의해서 만들어지는 공간 내부에서, 상기 제 2 열교환유닛(400)의 중앙에서 테두리로 또는 테두리에서 중앙으로 이동하는 좌우방향의 유동성분을 가지기 때문에, 강제대류에 의한 열교환성능의 향상이라는 효과를 극대화시킬 수 있다.
이와 같이 쉘의 내부에 개질가스가 유동하고 튜브형태로 제공되는 원료관이 쉘을 관통하는 형태로 제공됨으로써, 높은 열교환 효율을 달성할 수 있다. 여기서 쉘은 상기 개질가스/연소가스 차벽(5)으로 정의할 수 있고, 상기 쉘의 내부에 배플(402)(403)이 설치되는 것으로 이해할 수 있다.
도면에서는 원료관이 두 개만 도시되어 있지만 이는 삭제하여 표시한 것에 지나지 않고, 필요한 수, 예를 들어 대략 서른개가 마련될 수 있다.
도 9는 상기 개질반응유닛의 수직 단면도이다.
도 9를 참조하면, 상기 개질반응유닛(100)은 동심의 원통형 이중관으로서, 외부의 개질반응유로(101)와 내부의 개질가스 배출유로(102)가 마련된다.
상기 원료가스 저장부(702)에 저장된 원료가스는, 원료가스 유입구(205)를 통하여 개질반응유로(101)로 유입된다. 상기 개질반응유로의 수평단면은 도넛형상으로 제공될 수 있다. 다시 말하면, 상기 개질반응유닛(100)은 전체적으로 원통형상으로 제공될 수 있다. 상기 원료가스 유입구(205)의 안쪽에는 개질가스 배출구(206)가 마련되어 개질된 개질가스가 토출된다. 이와 같은 내외부 중첩구성에 의해서 공간을 더욱 집약적이고 효율적으로 사용할 수 있다.
상기 개질반응유로(101)의 내부에는 상기 원료가스의 개질을 위한 촉매가 저장된다. 상기 원료가스는 가열분위기하에서 상기 촉매에 의해서 개질된다. 상기 개질반응유로(101)의 안쪽에는 개질가스 배출유로(102)가 마련된다. 이와 같이 상기 개질가스 배출유로(102)는 상기 개질반응유로(101)와 중첩되는 경로를 가지기 때문에 공간을 더욱 집약적이고 효율적으로 사용할 수 있다.
상기 개질반응유닛(100)은 상용 파이프로 제작이 가능하고 용접개소가 적어서 생산성이 높다. 이미 설명된 바와 같이 집약적으로 제작되고 높은 효율을 동작하고, 여섯개의 개질반응유닛(100)이 원형으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 개질반응유닛(100)은 여섯개가 아니고 두 개 이상일 수도 있으나, 가장 바람직하게 제안되는 것은 여섯개이다. 상기 개질반응유닛의 개수가 달라지는 경우에는 그와 관련되는 주변부품도 변경되는 것은 당연히 예측가능한 일이다.
상기 제 1 열교환유닛(4)은 고효율로 동작되는 다수의 개질반응유닛(100)에 충분한 양의 열을 공급할 수 있도록 제작되었다. 상기 제 2 열교환유닛(400)은, 상기 제 1 열교환유닛(4)에서 남은 열을 회수하여 재 사용할 수 있도록 제공된다.
본 개시에 따른 수소제조장치는 상기 개질반응유닛(100)의 고효율 집적화, 다수의 개질반응유닛의 설치, 다수의 열교환 유닛을 활용하는 열교환 효율의 상승, 및 부품의 최적화에 의해서 7Nm3/h(7 노말큐빅미터퍼아우어)의 수소를 생산해 낼 수 있다.
도 10은 상기 개질반응유닛에서 개질되어 토출된 개질가스의 유동을 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 개질가스 유동관(420)을 통하여 토출된 개질가스에 포함되는 일산화탄소를 제거하기 위하여 고온전환 반응유닛(301) 및 저온전환 반응유닛(302)를 거친 다음에 외부로 배출된다.
각 반응유닛(301)(302)에 의해서 가스전이반응을 통하여 일산화탄소를 제거하는 것과 함께, 제 3 열교환유닛(500) 및 제 4 열교환유닛(600)에 의해서 열교환이 수행된다. 충분한 열교환이 수행된 다음에, 배출에 적합한 온도로 냉각되어 개질가스 최종배출구(303)를 통하여 가스가 배출된다.
본 개시에 따르면, 개질반응을 수행하는 개질반응유닛의 집적화 효율향상과 이에 필요한 충분한 열량의 공급이 가능하도록 함으로써, 양질 다량의 수소를 제조할 수 있다. 따라서 본 개시에 따른 수소제조장치의 산업상의 신속한 적용이 크게 기대된다.
4, 400, 500, 600: 열교환유닛
100: 개질반응유닛

Claims (7)

  1. 본체 케이싱;
    상기 본체 케이싱의 상단 가운데 부분에 마련되어 하방으로 화염을 분사하는 버너;
    상기 본체 케이싱의 상측에 상하로 길게 설치되는 적어도 두 개의 개질반응유닛:
    상기 버너의 열을 상기 개질반응유닛에 공급하는 제 1 열교환유닛;
    상기 제 1 열교환 유닛을 통과한 연소가스와 상기 개질반응유닛에서 개질된 고온의 개질가스와 상기 개질반응유닛으로 공급되는 원료가 서로 열교환하는 제 2 열교환유닛;
    상기 제 2 열교환유닛을 통과한 상기 연소가스와 전환반응유닛이 열교환하는 제 3 열교환유닛; 및
    제 3 열교환유닛을 통과한 상기 연소가스와 물이 열교환하는 제 4 열교환유닛이 포함되고,
    상기 적어도 두 개의 개질반응유닛은. 상기 버너의 화염이 발생하는 버너 내측 케이싱의 외측을 따라서 일정한 간격으로 마련되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응유닛은 여섯 개가 마련되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응유닛은 원통형 이중관으로서,
    바깥쪽에 제공되고 상방으로 유체가 이동하는 개질반응유로; 및
    안쪽에 제공되고 하방으로 유체가 이동하는 개질가스 배출유로가 포함되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환유닛에는,
    상기 버너의 화염이 분사되는 버너 내측 케이싱
    상기 버너 내측 케이싱의 바깥쪽에 이격되어 상기 개질반응유닛이 놓이는 공간을 제공하는 버너 외측 케이싱; 및
    상기 버너 내측 케이싱 및 상기 버너 외측 케이싱의 사이에 제공되는 배플이 포함되고,
    상기 배플은 원형으로서,
    상기 버너 내측 케이싱이 통과하는 하나의 버너통공;
    상기 버너통공의 바깥으로 이격하고 상기 개질반응유닛이 통과하는 적어도 두 개의 반응유닛통공; 및
    상기 반응유닛통공의 사이에 이격하여 연소가스가 통과하는 적어도 두 개의 연소가스통공이 포함되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플에는,
    상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원이 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 중심을 연결하는 가상원의 바깥쪽에 위치하고, 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원은 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 영역 내를 통과하는 제 1 배플; 및
    상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원이 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 중심을 연결하는 가상원의 안쪽에 위치하고, 상기 적어도 두 개의 연소가스통공의 중심을 연결하는 가상원은 상기 적어도 두 개의 반응유닛통공의 영역 내를 통과하는 제 2 배플이 포함되고,
    상기 제 1 배플과 상기 제 2 배플은, 적어도 하나가 서로 교대로 설치되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환유닛에는,
    상기 개질반응유닛에서 토출된 개질가스가 하방으로 이동하도록 공간을 제공하는 개질가스/연소가스 차벽;
    상기 개질가스/연소가스 차벽의 내부 공간을 관통하고, 내부에 상기 개질반응유닛으로 공급되는 원료가 흐르도록 이격되는 적어도 두개의 원료관; 및
    상기 개질가스/연소가스 차벽의 내부 공간에 제공되고, 상기 원료관이 통과하는 원료관 통공이 형성되는 배플이 포함되는 7Nm3/h 수조제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배플에는,
    바깥쪽 테두리 부분에 제공되는 지지부, 및 상기 지지부의 사이 간격에 놓이는 외측 개질가스통공이 제공되는 제 3 배플; 및
    안쪽의 가운데에 내측 개질가스통공이 제공되는 제 4 배플이 포함되고,
    상기 제 3 배플 및 상기 제 4 배플은, 적어도 하나가 서로 교대로 설치되는 7Nm3/h 수조제조장치.
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