KR20200116275A - 확장 가능한 멀티 채널 원통형 수증기 개질 반응기 - Google Patents

확장 가능한 멀티 채널 원통형 수증기 개질 반응기 Download PDF

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Abstract

원통 중공 형상의 바디부(10); 상기 바디부(10)의 개방된 하단부와 결합하는 버너부(20); 상기 버너부(20)로부터 발생한 연소가스가 유입되어 유동하며, 상기 바디부 내측에 구비되는 원통 중공형의 연소가스유동부(21); 상기 바디부(10)의 개방된 상단부와 결합하며, 연료 및 수증기를 공급하는 촉매개질가스 공급챔버(40);상기 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10) 내측면 사이에 구비되며, 일단부가 상기 촉매개질가스 공급챔버(40)와 연결되어 상기 바디부(10)의 하단부 방향으로 연장되는 복수 개의 개질가스 유동라인(30); 및 상기 바디부(10)의 하단부 측면에 형성된 촉매개질가스 배출구(44)를 포함하고, 상기 개질가스 유동라인(30)의 타단부를 통하여 배출된 라인은 상기 촉매개질가스 배출구(44)를 통하여 외부로 배출되며, 상기 버너부(20)를 통해 유입된 연소 가스는, 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10)의 내측면을 순차적으로 유동하여 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)을 복수 회 가열시키는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기가 제공된다.

Description

확장 가능한 멀티 채널 원통형 수증기 개질 반응기{Expandible Multi-Channel Cylindrical steam reforming reactor}
본 발명은 확장 가능한 멀티채널 원통형 수증기 개질 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 개질 촉매단을 구성하고 버너를 이용하여 개질반응에 필요한 열을 효율적으로 활용하는 구조를 통하여 원하는 용량으로 채널의 확장이 가능한 멀티채널 기반의 원통형 수증기 개질 반응기에 관한 것이다.
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.
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. 더 나아가, 버너로부터 발생한 열의 활용과, 용량 증대에 따른 가스의 유량을 효과적으로 증대시키기에는 문제가 있었다.
또한 대한민국 공개특허 10-2016-0063688호는 주름관 타입으로 촉매반응부를 구비하는 원통형 수증기 개질 반응기를 개시한다. 하지만, 이 경우에도 개질가스는 하나의 고정된 플로우만을 형성하므로 실질적인 반응량의 가변하여 확장시키기 어렵다는 문제가 있다.
(특허문헌 1) KR10-0677016 B
(특허분헌 2) KR10-2016-006368
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 확장가능한 형태의 개질 반응기를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 원통 중공 형상의 바디부(10); 상기 바디부(10)의 개방된 하단부와 결합하는 버너부(20); 상기 버너부(20)로부터 발생한 연소가스가 유입되어 유동하며, 상기 바디부 내측에 구비되는 원통 중공형의 연소가스유동부(21); 상기 바디부(10)의 개방된 상단부와 결합하며, 연료 및 수증기를 공급하는 촉매개질가스 공급챔버(40); 상기 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10) 내측면 사이에 구비되며, 일단부가 상기 촉매개질가스 공급챔버(40)와 연결되어 상기 바디부(10)의 하단부 방향으로 연장되는 복수 개의 개질가스 유동라인(30); 및 상기 바디부(10)의 하단부 측면에 형성된 촉매개질가스 배출구(44)를 포함하고, 상기 개질가스 유동라인(30)의 타단부를 통하여 배출된 개질가스는 상기 촉매개질가스 배출구(44)를 통하여 외부로 배출되며, 상기 버너부(20)를 통해 유입된 연소 가스는, 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10)의 내측면을 순차적으로 유동하여 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)을 복수 회 가열시키는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연소가스 유동부(21)의 상부에는 복수 개의 배출홀(25)이 구비되어, 상기 연소가스 유동부(21)의 상부로 상승한 연소가스는 상기 복수 개의 배출홀(25)을 통하여 배출되어 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)은 격벽(16)을 통하여 상호 연결된 원통 구조를 이루며, 이로써 상기 복수 개의 배출홀을 통하여 배출되어 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강하는 연소가스는 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)의 일측면과 접한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 격벽(16)은 상기 연소가스유동부(21)의 바닥면과 이격되며, 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강하는 연소가스는 상기 격벽(16)과 연소가스 유동부(21) 바닥면 사이의 이격된 공간을 통하여 상기 격벽(16) 외측으로 이동한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 격벽(16) 외측으로 이동한 연소가스는 상기 바디부(10)의 내측면 사이로 다시 상승하며, 이로써 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)의 타측면과 접한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 개질가스 유동라인(30) 내부에는 개질촉매가 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 개질가스 유동라인(30)의 갯수와 크기는 용량에 따라 가변될 수 있으며, 상기 원통형 수증기 개질 반응기는 상기 바디부(10) 내에 상이한 직경을 가지는 동심의 복수 개의 원통 격벽 구조를 가지며, 상기 복수 개의 원통 격벽 구조에는 개질가스 유동라인이 각각 구비된다.
본 발명에 따른 연료전지용 원통형 수증기 개질 반응기는 연료가스와 수증기가 촉매와 접촉하는 반응경로를 복수 개의 라인(채널)로 구성한다. 따라서, 유동라인의 갯수 조절을 통하여 개질 반응기의 전체 용량을 가변적으로 변화시킬 수 있다. 더 나아가, 복수 개의 라인을 원통 격벽으로 상호 연결시킴으로써 연소가스의 접촉 횟수를 증가시킬 수 있고, 아울러 유동라인이 구비된 원통형 격벽 구조의 직경을 달리함으로써 개질 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질반응기의 전체 사시도이고, 도 2는 측면의 절개 단면도이다.`
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질반응기의 평면 절개 단면도이다.
도 4는 개질가스의 흐름(청색 화살표)을 설명하는 도면으로, 도 1 내지 3의 개질 반응기와 동일한 구조를 갖는다.
도 5는 연소가스의 흐름(청색 화살표)을 설명하는 도면으로, 도 1 내지 3의 개질 반응기와 동일한 구조를 갖는다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질반응기의 전체 사시도이고, 도 2는 측면의 절개 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 개질반응기는 원통 중공 형상의 바디부(10)와 상기 바디부(10)의 개방된 하단부와 결합된 버너부(20)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 버너부(20)의 하단에는 연소연료가 공급되는 연소연료공급부(23), 측면에는 연소용 공기가 공급되는 연소공기 공급부(26)을 포함한다. 이로써 연료와 공기의 공급에 따라 상기 버너부(20) 내에서는 연소가 진행되어 개질반응에 필요한 열량을 공급하는 연소가스가 생성된다.
상기 바디부(10) 내에서는 연소가스가 1차로 상승하여 유동하며, 상기 바디부(10)와 동심을 이루는 원통 구조의 연소가스 유동부(도 2의 21)가 구비된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기는, 상기 바디부(10)의 개방된 상단부와 결합하며, 연료 및 수증기를 공급하는 촉매개질가스 공급챔버(40)를 포함한다.
상기 촉매개질가스 공급챔버(40)는 플랜지 구조(41)를 통하여 상부의 연료가스와 수증기가 유입되는 촉매개질가스유입라인(42)과 연결된다.
상기 촉매개질가스 공급챔버(40)로부터 유입된 연료 및 수증기는 상기 촉매개질가스 공급챔버(40)와 유체연통가능하도록 수직 연장된 복수 개의 개질가스 유동라인(30)을 통하여 바디부(10)의 아래쪽으로 이동하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 개질가스 유동라인(30)은 양 끝이 개방된 채널 구조(예를 들어 원통형 파이프)를 가지며, 그 일단부는 상기 촉매개질가스 공급챔버(40)에 연결되어 연료와 수증기를 공급받으며, 하단부에서 포집되어 개질가스 배출부(44)로 배출된다.
본 발명은 특히 개질가스 유동라인을 각각 격벽(시트)로 연결하여 원통 구조를 이루게 함으로써 개질가스 유동라인 자체를 연소가스 유동 채널로 활용하여 연소 효율을 극대화한다. 이를 위하여 개질가스 유동라인(30)은 바디부(10)의 내측면과 연소가스 유동부(21) 사이에 구비되어 그 사이에 격벽을 이루게 된다. 즉, 본 발명은 연소가스를 격벽의 내측과 외측 각각 유동시킴으로써 격벽의 일부를 이루는 개질가스 유동라인(30)과 연소가스를 2번 접촉시켜 개질기의 열효율을 극대화한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 개질가스 유동라인(30) 내부에는 촉매가 장입되며, 본 발명에서는 채널 형태의 개질가스 유동라인(30)의 크기와 갯수를 가변시켜 용량에 맞출 수 있으며, 그 갯수와 크기에 맞추어 촉매를 적절히 내부에 장입시켜 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질반응기의 평면 절개 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 개질가스 유동라인(30)은 채널 형태이나 각각의 채널은 격벽(16)으로 연결되어 전체적으로 하나의 원통형 구조체를 이루게 된다.
상기 개질가스 유동라인(30)은 바디부(10)의 내측면과 원통형의 연소가스 유동부(21) 사이에 구비되며, 개질가스 유동라인(30)은 격벽(16)을 기준으로 A 방향과 B 방향으로 노출되어 연소가스와 최소 2번 접촉하게 된다. 특히 본 발명에 따른 개질기는 요구용량이 큰 경우 보다 많은 수(또는 넓은 채널 직경)의 개질가스 유동라인(30)이 구비된 원통 구조체를 사용하여 수소생산 용량을 맞출 수 있고, 반대로 요구용량이 적은 경우 보다 적은 수(또는 보다 좁은 직경) 개질가스 유동라인(30)의 원통 구조체를 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 개질 반응기는 바디부(10)와 내부 연소 시스템(버너부, 연소가스유동부)을 그대로 두고 원하는 개질가스 유동라인(갯수, 직경)이 구비된 원통형 구조체만을 교체하여 용량 변화에 신속히 대응할 수 있다.
본 발명에 따른 개질반응기의 동작원리를 가스 종류별 흐름으로 보다 상세히 설명한다.
도 4는 개질가스의 흐름(청색 화살표)을 설명하는 도면으로, 도 1 내지 3의 개질 반응기와 동일한 구조를 갖는다.
도 4를 참조하면, 연료 및 수증기는 촉매개질가스 공급챔버(40)로 유입된 후 복수 개의 개질가스 유동라인(30)로 유입된다. 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)은 격벽으로 연결된 하나의 원통형 어셈블리를 이루며, 이는 도 3에 도시한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 촉매개질가스 공급챔버(40) 내에는 주입라인(42)로부터 주입된 연료와 수증기를 보다 균일하게 분산시키기 위한 별도의 분산 수단(예를 들어 샤워노즐)이 구비될 수 있으며, 본 발명의 범위는 임의의 모든 분산 수단을 다 포함한다.
이하 상기 유입된 연료와 수증기는 촉매가 장입된 개질가스 유동라인(30)을 흐르면서 개질되어 바디부(10) 하단 측면의 개질가스 배출부(44)를 통하여 외부로 배출된다.
특히 본 발명은 상술한 바와 같이 개질가스 유동라인(30)을 격벽(16)으로 연결하여 하나의 어셈블리 형태를 이루는 방식을 사용하였는데, 특히 이러한 개질가스 유동라인(30) 격벽(16)은 연소가스에 의한 가열효과를 극대화시킨다.
도 5는 연소가스의 흐름(청색 화살표)을 설명하는 도면으로, 도 1 내지 3의 개질 반응기와 동일한 구조를 갖는다.
도 5를 참조하면, 버너부로터 발생한 연소가스는 버너부(20)에서 발생하여 연소가스 유동부(21)를 흐르게 된다. 이후 상기 막힌 연소가스 유동부(21)의 상부 측면에 구비된 홀(25)를 통하여 상기 상승한 연소가스는 측면으로 유동하게 되며, 이는 다시 개질가스 유동라인(30)의 격벽(16)에 막혀 개질가스 유입라인(30)의 일측(도 3의 A)과 접하면서 아래로 유동하며, 연소가스에 의한 1차 승온이 이루어 진다.
또한 본 발명에 따른 개질가스 유동라인(30)은 반응기의 하단부와 이격되며, 이 이격된 공간(32)을 통하여 연소가스는 다시 위로 상승하여 개질가스 유동라인(30)의 타측(도 3의 B)와 2차 접촉하게 된다. 즉, 본 발명은 채널 구조의 반응기를 격벽을 통하여 어셈블리화 하여 연소 가스에 의한 열 효율 효과를 극대화시킨다.
10: 원통 중공 형상의 바디부
20: 버너부
21: 연소가스유동부
25: 배출홀
30: 개질가스 유동라인
16: 격벽
40: 촉매개질가스 공급챔버
44: 촉매개질가스 배출구

Claims (8)

  1. 원통 중공 형상의 바디부(10);
    상기 바디부(10)의 개방된 하단부와 결합하는 버너부(20);
    상기 버너부(20)로부터 발생한 연소가스가 유입되어 유동하며, 상기 바디부 내측에 구비되는 원통 중공형의 연소가스유동부(21);
    상기 바디부(10)의 개방된 상단부와 결합하며, 연료 및 수증기를 공급하는 촉매개질가스 공급챔버(40); 및
    상기 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10) 내측면 사이에 구비되며, 일단부가 상기 촉매개질가스 공급챔버(40)와 연결되어 상기 바디부(10)의 하단부 방향으로 연장되는 복수 개의 개질가스 유동라인(30); 및
    상기 바디부(10)의 하단부 측면에 형성된 촉매개질가스 배출구(44)를 포함하고,
    상기 개질가스 유동라인(30)의 타단부를 통하여 배출된 개질가스는 상기 촉매개질가스 배출구(44)를 통하여 외부로 배출되며,
    상기 버너부(20)를 통해 유입된 연소 가스는, 연소가스유동부(21)의 외측면과 상기 바디부(10)의 내측면을 순차적으로 유동하여 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)을 복수 회 가열시키는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소가스 유동부(21)의 상부에는 복수 개의 배출홀(25)이 구비되어, 상기 연소가스 유동부(21)의 상부로 상승한 연소가스는 상기 복수 개의 배출홀(25)을 통하여 배출되어 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강하는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)은 격벽(16)을 통하여 상호 연결된 원통 구조를 이루며, 이로써 상기 복수 개의 배출홀을 통하여 배출되어 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강하는 연소가스는 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)의 일측면과 접하는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 격벽(16)은 상기 연소가스유동부(21)의 바닥면과 이격되며, 상기 연소가스유동부(21)의 하부로 하강하는 연소가스는 상기 격벽(16)과 연소가스 유동부(21) 바닥면 사이의 이격된 공간을 통하여 상기 격벽(16) 외측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 격벽(16) 외측으로 이동한 연소가스는 상기 바디부(10)의 내측면 사이로 다시 상승하며, 이로써 상기 복수 개의 개질가스 유동라인(30)의 타측면과 접하는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질가스 유동라인(30) 내부에는 개질촉매가 구비되는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 개질가스 유동라인(30)의 갯수와 크기는 용량에 따라 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 원통형 수증기 개질 반응기는 상기 바디부(10) 내에 상이한 직경을 가지는 동심의 복수 개의 원통 격벽 구조를 가지며, 상기 복수 개의 원통 격벽 구조에는 개질가스 유동라인이 각각 구비된 것을 특징으로 하는 원통형 수증기 개질 반응기.
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