KR20210000640A - 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 촉매반응기의 사용성을 높여서, 촉매의 사용량을 줄이고, 단열재의 사용량을 줄일 수 있다.

Description

개질기{Reformer}

본 발명은 탄화수소를 수소로 개질하는 개질기에 관한 것이다.

개질기는 탄화수소, 예를 들어 메탄 또는 부탄에서 수소를 추출하는 장치이다. 이 장치의 종래기술로서, 특허등록번호 10-1771303, 연료처리장치가 알려져 있다. 상기 종래기술은, 다음과 같은 문제점이 있다.

열교환코일유닛의 코일내부에서 물이 가열되고, 코일의 끝단에서 가열된 물이 분출되기 때문에, 개질기의 시스템 내부의 압력이 요동하는 문제가 있다.

또한, 외부에서 공급되는 물이 충분히 가열되기 위하여 많은 시간이 소요되어 초기기동에 많이 시간이 소요되고, 연료가스의 주입시기를 알 수 없어서 촉매를 보호할 수 없는 문제점이 있었다. 마찬가지로 급시동 및 급정지에 충분히 대응할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 하부 열교환기에서 배출되는 개질가스가 응축되는 문제가 발생한다. 이는 개질가스에 포함되는 수증기가 하부 열교환기의 지나친 열교환작용에 의해서 응축되기 때문인 것으로 예상된다. 이로써, 초기 기동시에 개질가스의 배출구가 막히고, 열교환기 입구측이 일정한 압력에 이르기 전에는 개질가스가 통과하지 못한다. 이 문제는, 촉매반응기 입구측의 압력을 상승시키기 때문에, 액체 상태의 물이 촉매반응기에 닫게 되고, 촉매의 열화를 초래한다. 촉매의 열화는 개질기의 수명을 단축시키는 문제가 있다.

또한, 개질기의 하부 내측에 고온 전환반응기를 구비하여, 물의 통과유로 및 개질가스의 통과유로를 좁히고, 개질기의 전체 부피를 크게 하는 문제점이 있다.

또한, 상하로 길게 마련되는 촉매반응기의 하부에서 연료가스가 공급되므로, 하부에서의 흡열촉매반응이 크게 일어난다. 이에 따라서, 촉매반응기의 상부는 충분한 개질반응이 일어나지 않고, 연소가스로 인하여 지나치게 고온이 되는 문제점이 있다. 이로써, 더 두껍고 큰 단열부재를 마련하여야 하는 문제점이 있다.

특허등록번호 10-1771303, 연료처리장치

본 발명은 개질기의 압력요동을 방지할 수 있는 압력요동을 줄이는 개질기를 제안한다.

본 발명은 초기기동시간이 짧아지고, 연료가스의 주입시기를 정확히 알 수 있어서, 촉매를 보호할 수 있는 개질기를 제안한다.

본 발명은, 개질가스의 배출구가 막히는 것을 방지하는 개질기를 제안한다.

본 발명은, 단일의 전환반응기를 이용하여, 부피가 작아지는 컴팩트하게 구현되는 개질기를 제안한다.

본 발명은, 길게 마련되는 촉매반응기의 상하 전 영역에서 개질반응이 일어나도록 하여, 촉매반응기의 온도 프로파일이 균일해지는 개질기를 제안한다.

본 발명에 따른 개질기에는, 연료가스와 공기를 입력하여 열을 제공하는 버너; 연료가스와 수증기를 입력받고, 상기 버너로부터의 열을 이용하여 상기 연료가스를 개질하는 촉매반응기; 상기 수증기를 제공하기 위하여 물을 저장하는 저장조; 상기 버너에서 연소된 연소가스가 내부를 통과하고, 외부의 물과 열교환하는 코일; 상기 코일의 감긴 안쪽 공간에 별도의 파이프로 제공되어 상기 촉매반응기에서 개질된 개질가스가 유동하는 파이프; 상기 파이프를 통과한 개질가스에서 유해가스를 제거하는 전환반응기; 및 배기되는 상기 연소가스와, 외부에서 공급되는 물과, 상기 개질가스가 열교환을 하는 열교환기가 포함된다.

본 발명에 따르면, 장치내부의 유로에서 넓은 증발면적을 가질 수 있기 때문에, 유로 상에서 압력요동이 방지되고 시스템의 효율이 높아지는 이점을 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 초기기동시에 저장조의 물이 우선가열될 수 있도록 하여 물의 공급을 대기할 필요가 없고, 촉매반응시각을 정확히 알 수 있기때문에, 촉매를 보호할 수 있다.

본 발명에 따르면, 초기기동시에 개질가스의 배출가스가 원활히 배기되어, 전체 유로 시스템의 요동을 방지하여, 개질유로의 전체 시스템의 안정화가 신속하게 달성될 수 있다. 또한, 촉매의 열화를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 촉매의 사용량을 줄일 수 있고, 촉매반응기의 온도프로파일이 균일해짐으로써 단열재의 사용량을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 개질기의 단면도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 구현할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 실시예에 따른 개질기의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 실시예의 개질기는, 연료가스와 공기를 입력하여 열을 제공하는 버너(1), 연료가스와 수증기를 입력받고, 상기 버너(1)로부터의 열을 이용하여 연료가스를 개질하는 촉매반응기(2), 임시로 물을 저장하는 저장조(8), 상기 버너(1)에서 연소된 연소가스가 내부를 통과하고, 외부의 물과 열교환하는 코일(10), 상기 코일(10)의 안쪽 공간에 별도의 파이프(91)로 제공되는 유로를 통해 하방으로 이동하는 개질된 가스의 유해가스를 제거하는 전환반응기(9), 및 배기되는 연소가스와, 외부에서 공급되는 물과, 개질가스가 열교환을 하는 열교환기(11)가 포함된다.

도면번호 4는 개질기의 동작시에 외부로부터 물을 공급하는 제 1 물공급구이다.

도면번호 5는 연소가스가 배기되는 연소가스배기구로서, 상기코일(10)을 통과한 연소가스가 배기된다.

도면번호 3은, 개질기의 초기동작 시에 신속한 동작을 위하여 상기 저장조(8)에 물을 임시로 공급하는 제 2 물공급구이다.

도면번호 6은, 전환반응기(9)에서 유해가스가 제거된 개질가스가 배기되는 개질가스 배기구이다.

도면번호 7은, 메탄 등의 개질되는 연료가스가 공급되는 연료가스공급구이다.

이하에서는 각각의 개별적인 매체를 중심으로 하여 개질기의 작용을 설명한다.

상기 제 1 물공급구(4)로부터 공급되는 물을 중심으로 하여 개질기의 작용을 설명한다.

상기 제 1 물공급구(4)로부터 공급된 물은, 상기 열교환기(11)에서 연소가스에 의해서 일차로 가열된다. 상기 열교환기(11)에서 가열된 다음에는, 상기 코일(10)에 의해서 이차로 가열되어 상방으로 이동한다. 가열된 물 및/또는 수증기는 상기 저장조(8)로 유입된다.

상기 저장조(8)에 저장된 물 및/또는 수증기는, 상기 연료가스공급구(7)에서 공급된 연료가스와 함께 유동한다.

이때, 상기 연료가스공급구(7)에서 공급되는 연료가스는, 개질기, 특히, 저장조(8)의 온도 분위기가 소정의 온도에 이르렀을 때 공급된다.

이하에서는 상기 조장조(8)에서 출발하는 연료가스와 물의 혼합물의 이동을 설명한다.

공급된 연료가스는 물과 함께 저장조(8)로 공급되어 촉매반응기(2)로 공급된다.

상기 촉매반응기(2)에서 반응하여 개질된, 개질가스는 하방으로 이동하여 코일(10)의 내부에 마련되는 별도의 파이프(91)로 유입된다. 상기 파이트(91)를 통과하여 하방으로 이동한 개질가스는, 열교환기(11)에서 열교환되어 열을 전달하고, 전환반응기(9)로 유입된다. 상기 전환반응기(9)에서 유해가스가 제거된 개질가스는, 개질가스배기구(6)로 배기된다.

상기 개질가스가 수소를 주성분으로 하는 것은 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

상기되는 구성에 의해서, 물과 연료가스의 공급 및 촉매반응을 통한 수소의 제조는 완료될 수 있다.

상기 제 2 물공급구(3)를 통하여 공급되는 물은, 상기 저장조(8)에 담길 수 있다. 상기 저장조(8)의 물은 개질기의 기동초기에 신속하게 가열되어 촉매반응기(2)로 공급될 수 있다. 이에 따라서, 초기에 물의 공급과 가열을 위하여 필요한 시간을 축소하여 개질기의 시동시간을 크게 줄일 수 있다. 이때 연료가스도 함께 공급되도록 할 수 있다.

결국, 상기 촉매반응기(2)에서는 신속하게 초기시동으로 개질가스를 얻어낼 수 있다.

상기 촉매반응기(2)에서 반응이 가능한지의 여부는, 촉매반응기(2)에 설치되는 온도센서(21)에서 측정되는 온도가 500도씨에 이르렀는가의 여부로 판단할 수 있다. 상기 온도센서(21)는 상기 촉매반응기(2)의 외면에 별도로 설치될 수도 있다. 다른 방법으로, 별도의 온도센서(21)가 설치됨이 없이, 다수의 동작에 의해서 미리 결정된 테이블화된 동작 시퀀스에 따라서 일정한 시간의 경과에 대응하여 동작될 수도 있을 것이다.

상기 버너(1)로부터의 연소가스의 유로를 설명한다.

상기 버너(1)의 연소가스는 상기 촉매반응기(2)에 열을 공급할 수 있다. 상기 촉매반응기(2)를 통과한 연소가스는, 코일(10)로 안내되어 코일의 내부를 통과하여 하방으로 이동한다.

코일(10)을 통과한 연소가스는, 열교환기(11)에서 물과 열교환하여 물을 가열한다. 또한, 상기 연소가스는 소정의 온도를 유지하여 열교환기(11)에서 개질가스의 응축을 방지할 수 있다.

상기 열교환기(11)를 통과한 연소배기가스는 외부로 배출될 수 있다.

상기 제 1 물공급구(4)에서 공급되는 물은, 코일(10)의 내부가 아니라 코일 외부의 넓은 영역에서 가열된다. 따라서, 넓은 표면적에서 물이 증발해서, 좁은 관로 내부와 달리 물이 분출하지 않기 때문에, 개질기의 전체 유로 내부에서 수증기의 압력에 의한 압력요동을 방지할 수 있다. 즉, 물의 상변화에 따른 부피팽창시에 물이 넓은 공간에서 부피변화를 수용할 수 있기 때문에 압력의 요동이 방지되는 장점을 얻을 수 있다.

상기 저장조(8)로는, 제 2 물공급구(4)를 통하여, 제 1 물공급구(3)와 무관하게 물이 공급될 수 있다. 따라서, 제 1 물공급구(3)로부터 공급되는 물의 증발을 기다릴 필요없이, 제 2 물공급구(4)를 통해서 저장조(8)로 물을 주입하여 즉시 가열증발시킬 수 있다.

이에 따르면, 상기 촉매반응기(2)의 온도가 빠르게 500도씨에 이르렀을 때에는, 바로 연료가스를 공급해도 수증기와 연료가스가 함께 촉매반응기(2)로 공급될 수 있다. 이때 바로 개질반응이 개시될 수 있어서, 개질기의 초기기동시간이 짧아질 수 있다.

상기 촉매반응기(2)는 500도씨 이상에서 수증기와 연료가스가 함께 공급되어야 하고, 그렇지 못한 경우에는 다음과 같은 문제가 발생한다.

500도씨 이상에서 연료가스만 공급되면, 촉매반응기에서 수소가 분리되고, 니켈 촉매에 카본이 코팅되는 코킹현상이 발생한다.

500도씨 이상에서 수증기만 공급되면, 촉매에서 니켈과 알루미나가 결합하여 표면적이 줄어들어 활성점의 수가 낮아지는 소결현상이 발생한다. 이로써, 촉매의 활성이 떨어진다.

실시예에서는 신속하게 제 2 물공급구(4)를 통하여 물을 가열하여 촉매반응기(2)가 반응가능온도에 이르면, 바로 연료가스를 주입할 수 있다. 이로써, 촉매반응기(2)가 신속하게 반응을 시작하여 초기기동시간이 짧아질 수 있다. 또한, 촉매반응이 가능한 시점에서 연료가스와 수증기가 함께 공급되도록 함으로써, 촉매를 보호할 수 있다.

상기 열교환기(11)는, 도면의 상하를 기준으로 상측으로부터, 개질가스, 연소가스, 및 제 1 물공급구(4)로부터 공급되는 물의 순서로 이루어진다. 다시 말하면, 상기 열교환기(11)는 다층구조로서, 가장 상층에는 개질가스가 유동하고, 가장 하층에는 외부에서 공급되는 물이 유동하고, 중간층에는 연소가스가 유동한다.

이에 따르면, 상기 개질가스는 연소가스의 열을 바로 공급받을 수 있다. 상기 개질가스는 외부에서 공급되는 물과는 물의 통과 유로는 제외하고는 직접 접촉되지 않는다. 이에 따라서, 결국 개질가스의 온도가 높아서 개질가스 내부의 수증기가 응축되는 것을 방지할 수 있다.

상기 열교환기(11)에서 개질가스에 포함되는 수증기의 응축을 방지할 수 있기 때문에, 초기 기동시에 시스템 내부의 압력상승을 방지하고, 촉매에 액체 상태의 물이 닿는 것을 막아 촉매열화를 방지할 수 있다.

상기 열교환기(11)의 상측에는 가장 외각에 전환반응기(9)가 위치하고, 그 내부의 넓은 공간에는, 바깥에서 안쪽으로 차례대로, 개질가스유로, 물, 연소가스가 유동하는 코일, 및 개질가스가 유동하는 파이프(91)가 마련된다. 이에 따르면, 종래기술에서 고온전환반응기를 제거하고 해당하는 공간에 상기 전환반응기(9)가 설치되는 넓은 공간을 확보하여 유로를 안정적으로 설치할 수 있다.

연료가스와 수증기의 혼합물은, 상기 촉매반응기(2)의 상부에서 시작하여 하측으로 향한다. 다시 말하면, 상기 저장조(8)로부터 공급되는 연료가스와 수증기는, 촉매반응기(2)와 버너(1)와의 사이에 놓이는 차벽에 의해서 안내되어, 촉매반응기(2)의 상부로 이동할 수 있다. 버너의 연소가스 또한, 촉매반응기(2)의 하부와 접하지 않고, 상부로 이동한다.

따라서, 상기 촉매반응기(2)에서는, 연료가스와 수증기의 혼합물과 촉매와의 접촉이, 촉매반응기(2)의 상부에서 먼저 일어날 수 있다. 따라서 촉매의 반응은 상기 촉매반응기(2)의 상부에서 먼저 다량으로 일어난다. 상기 촉매의 개질반응은 흡열반응으로서 많은 열을 흡수한다. 따라서, 촉매반응기(2)의 상부온도는 하부온도에 비하여 낮아질 수 있다. 이때, 하부의 남은 열은 상부로 전파될 수 있다.

물론, 연료가스와 수증기의 혼합물이 촉매반응기에서 하방으로 이동하는 도중에 개질반응이 점진적으로 일어나는 것도 물론이다. 상기 촉매반응기(2)는 하부에서 상부로의 열전달 및 상부의 개질반응에 의해서 촉매반응기의 온도는 전체적으로 균일하게 제공될 수 있다. 따라서, 동일한 용량의 개질기에서는 촉매반응기의 전체 영역에서 균일한 온도를 구현하여, 단열재를 두껍게 제공할 필요가 없다.

본 발명에 따르면, 물의 압력요동을 방지할 수 있다. 이에 따라서, 시스템의 요동을 방지하여 더 안정적으로 개질기를 운전할 수 있다.

본 발명에 따르면, 초기기동시간을 줄이고, 촉매를 보호할 수 있다.

본 발명에 따르면, 초기의 압력요동을 방지하고, 촉매를 보호할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유체를 위한 넓은 유로를 확보하여, 시스템을 안정적으로 구동할 수 있다.

본 발명에 따르면, 촉매반응기의 균일한 온도분포를 제공하여 촉매의 사용량을 줄이고, 단열재의 사용량을 줄일 수 있다.

1: 버너
2: 촉매반응기
8: 저장조
3: 제 2 물공급구
4: 제 1 물공급구
9: 전환반응기

Claims (7)

1. 연료가스와 공기를 입력하여 열을 제공하는 버너;
   연료가스와 수증기를 입력받고, 상기 버너로부터의 열을 이용하여 상기 연료가스를 개질하는 촉매반응기;
   상기 수증기를 제공하기 위하여 물을 저장하는 저장조;
   상기 버너에서 연소된 연소가스가 내부를 통과하고, 외부의 물과 열교환하는 코일;
   상기 코일의 감긴 안쪽 공간에 별도의 파이프로 제공되어 상기 촉매반응기에서 개질된 개질가스가 유동하는 파이프;
   상기 파이프를 통과한 개질가스에서 유해가스를 제거하는 전환반응기; 및
   배기되는 상기 연소가스와, 외부에서 공급되는 물과, 상기 개질가스가 열교환을 하는 열교환기가 포함되는 개질기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전환반응기는 상기 코일의 외부에 놓이는 개질기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 저장조로 외부로부터 직접 물을 공급하는 제 2 물공급구가 포함되는 개질기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기에서 가열된 물은 상기 저장조로 공급되는 개질기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기는, 개질가스, 연소가스, 및 외부에서 공급되는 물이 서로 열교환하는 삼층구조로 제공되는 개질기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 촉매반응기는 상하로 연장되고, 상기 연료가스와 상기 수증기는 상기 촉매반응기의 내부에서 상부에서 하부로 이동하는 개질기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 저장조와 상기 촉매반응기를 연결하는 유로는, 상기 버너의 상기 연소가스와 상기 촉매반응기의 사이에 개입되는 개질기.

Images