KR20210058687A - 흡열 공정을 수행하기 위한 개질로 - Google Patents

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코스씨아 안토니오
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 흡열 공정을 수행하기 위한 개질로에 관한 것이다. 개질로는 반응관을 구비한 반응 공간; 버너가 장착된 연소 공간; 및 연소 공간과 유체 연통하는 연도 가스 채널을 포함한다. 버너는 개질로의 제1 단부면에 배열되고, 반응관을 연소시키기 위해 제2 단부면을 향하는 화염을 생성한다. 본 발명에 따르면, 연도 가스 채널은 전이 영역과 회수 영역을 가지며, 여기서, 연도 가스 채널은 전이 영역을 통해 연소 공간의 제2 단부면에 연결되고, 연도 가스 채널의 전이 영역은 연도 가스 채널의 회수 영역에 비해 감소된 채널 직경을 갖는다. 따라서, 전이 영역은 회수 영역에 대한 수축부를 포함하고, 수축부는 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이에 유압 분리를 생성한다.

Description

흡열 공정을 수행하기 위한 개질로{REFORMER FURNACE FOR PERFORMING AN ENDOTHERMIC PROCESS}
본 발명은 흡열 공정을 수행하기 위한 개질로(reformer furnace)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 탄소 함유 투입 물질로부터 합성 가스를 생산하기 위해 본 발명에 따른 개질로를 사용하는 것에 관한 것이다.
증기를 사용하여 탄소 함유 투입 물질을 촉매 개질하기 위한 개질로가 다수의 실시형태로 알려져 있다. 탄소 함유 투입 물질을 촉매 개질하기 위한 개질로의 잘 알려진 예로는, 천연 가스와 증기를 개질하여 합성 가스, 일산화탄소와 수소의 혼합물, 및 종종 또한 예를 들어 이산화탄소와 같은 원치 않는 부수물을 생산하는 증기 개질기가 있다. 이러한 개질 공정은 흡열 반응으로 천천히 진행되므로, 증기를 사용하여 탄소 함유 투입 물질을 전환하는 것은 개질로에서 촉매로 채워진 반응관을 가열하기 위해 외부 연소 소스를 요구한다.
대규모의 산업적 플랜트의 경우 수직 반응관이 있는 거의 상자 형상의 개질로를 사용하는 구성이 확립되었다. 반응관의 합의 내부는 개질로의 반응 공간을 형성한다. 반응관은 하나 이상의 평행한 열로 배열된다.
각 반응관 열(reaction tube row)은 일반적으로 2개의 버너 열(burner row)에 의해 연소되며, 여기서 하나의 반응관 열은 반응관 열과 평행하게 이어지는 2개의 버너 열 사이 중심에 배열되어 반응관에 균일한 연소를 보장한다. 벽에 인접한 버너 열은 벽에 인접하지 않은 버너 열과 구별된다. 벽에 인접한 버너 열의 경우, 버너는 개질로의 벽과 반응관 열 사이에 배열된다. 벽에 인접하지 않은 버너 열의 경우 버너는 2개의 반응관 열 사이에 배열된다.
버너는 개질로의 소위 연소 공간 내부에 배열된다. 반응관에 공급되는 반응 가스 및 반응관으로부터 방출되는 생성 가스는 반드시 연소 공간 외부에서 수행되고, 따라서 반응관의 벽은 반응 공간과 연소 공간 사이에 공간적 분리를 규정한다.
버너 열의 버너에는 공급 도관을 통해 공기와 연소 가스가 공급되고, 가장 일반적인 설계에서는 개질로의 천장이나 바닥에 배열되고, 버너의 화염은 대응하여 개질로 바닥을 향해 수직 하방을 향하고 또는 개질로 천장을 향해 수직 상방을 향한다. 예를 들어, 측방 연소를 위해 개질로의 측방 벽에 버너의 다른 배열 또는 대각선 연소를 위해 계단식 배열이 마찬가지로 알려져 있지만 덜 자주 사용된다.
반응관을 빠져나가는 생성 가스는 연소 공간 외부의 수집기 도관에서 결합되어 회수된다. 가스 유출 온도는 800℃ 내지 900℃ 이상이다. 개질로의 연소 공간의 온도는 1000℃ 내지 1200℃ 이상이다. 따라서 개질로의 벽은 내화성 보호 코팅으로 라이닝된다.
버너에 의해 생성된 연도 가스의 회수는 개질로의 연소 공간과 유체 연통하는 소위 연도 가스 터널을 사용한다. 연도 가스 터널은 연소 공간 내부 또는 외부에 배열되고, 연소 공간과 공간적으로 분리된다. 개질로의 크기에 따라, 상기 개질로는 하나 이상의 연도 가스 터널을 갖는다. 연도 가스 터널은 반응관에 대해 수직으로 배열되고, 개질로의 천장과 바닥에 대해 실질적으로 수평으로 배열되고, 또한 버너 열과 평행하게 배열된다.
합성 가스를 생산하기 위한 증기 개질기로 구성된 일반적인 개질로는 예를 들어 EP 3 153 465 A1에 설명되어 있다. 여기서 연도 가스 채널은 연소 공간 아래 및 외부에 배열되고, 연소 공간과 공간적으로 분리되고, 버너 오프가스(burner offgas)의 흐름 방향으로 넓어지는 쐐기형 길이방향 프로파일을 나타낸다. 연도 가스 터널은 버너 오프가스를 회수하기 위해 일측에서만 개방되어 있기 때문에 이 구성은 오프가스 채널의 길이에 걸쳐 누적 증가하는 오프가스 양을 고려한다. 또한, 연도 가스 채널과 연소 공간 사이의 개구는 전체 채널 길이에 걸쳐 중단되지 않고 흐름 방향으로 좁아지는 쐐기형 프로파일을 나타내어, 연도 가스 채널 개구 방향으로 증가하는 오프가스 양을 용이하게 회수할 수 있다. 이는 연도 가스 채널에서 균일한 흐름을 허용하고, 즉, 연도 가스의 흐름률(flow rate)은 연도 가스 채널의 임의의 지점에서 이상적으로 일정하다. 연도 가스 채널의 균일한 흐름은 연소 공간에서 향상된 온도 분포를 생성하여, 개질로 관을 보다 균일하게 가열한다. 이는 온도 피크를 방지하여, 또한 증기와 탄소 함유 투입 물질의 반응 시 원치 않는 부산물의 양을 제어할 수 있게 한다.
이 솔루션의 단점은 쐐기형 연도 가스 채널의 구성 및/또는 연도 가스 채널과 연소 공간 사이의 개구와 연관된 높은 건설 비용 및 복잡성이다.
EP 2 791 052 B1은 연도 가스 터널이 연소 공간에 고정적으로 연결되고 단면이 U자형, V자형 또는 사다리꼴인, 운반 가능한 개질기를 개시한다. 연도 가스 터널은 연소 공간에 형성된 연도 가스가 연도 가스 터널로 흐를 수 있도록 개구가 상방을 향하도록 배열되며, 여기서 개구는 연도 가스 유입 수단이 제공된 커버 슬랩에 의해 덮여 있다. 커버 슬랩에서 연도 가스 유입 수단은 커버 슬랩들 사이에 슬롯, 구멍, 스월 플레이트, 또는 갭의 유형 중에서 선택된다.
이 솔루션의 단점은 커버 슬랩과 같은 추가 내장재를 사용하는 데 비용이 많이 들고 불편하다는 것이다. 더욱이, 연소 공간의 연도 가스 터널쪽 단부와 연도 가스 터널 자체 사이의 거리는 슬롯, 구멍, 스월 플레이트 또는 갭이 제공된 커버 슬랩에 의해서만 규정된다. 따라서, 연소 공간과 연도 가스 채널은 서로 유압적으로 분리되지 않아서, 연도 가스 채널에서 버너 오프가스의 흐름을 불균일하게 한다. 이것은 위에서 언급한 문제, 특히 반응관의 불균일한 연소를 유발한다. 더욱이, 커버 슬랩은 일반적으로 다공성 재료로 제조되고, 이에 의해 추가적으로 커버 슬랩의 다공성 재료가 버너 오프가스에 대해 실제 압력 장벽을 나타내지 않기 때문에 연소 공간과 연도 가스 채널 사이에 유압 분리가 달성되지 않는다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기 언급된 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 개질로의 연도 가스 채널에서 버너 오프가스의 흐름을 가능한 한 균일하게 하면서 동시에 연도 가스 채널의 구조적 구성을 가능한 한 간단하게 만드는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 버너에 의한 반응관의 연소를 가능한 가장 균일하게 보장하는 방식으로 연소 공간과 함께 연도 가스 채널 또는 연도 가스 채널들을 구성하는 것이다.
독립 청구항은 상기 언급된 목적 중 적어도 하나의 목적을 적어도 부분적으로 달성하는 데에 기여한다. 종속 청구항은 상기 목적 중 적어도 하나의 목적을 적어도 부분적으로 달성하는 데에 기여하는 바람직한 실시형태를 제공한다. 본 발명에 따른 카테고리의 구성 요소의 바람직한 실시형태는, 관련이 있는 경우, 본 발명에 따른 각각의 다른 카테고리의 동일하게 명명되거나 대응하는 구성 요소에도 마찬가지로 적용된다.
"갖는", "포함하는" 또는 "함유하는" 등의 용어는 추가 요소, 성분 등의 가능한 존재를 배제하는 것이 아니다. 단수형 용어는 복수 개의 가능한 존재를 배제하지 않는다.
본 발명의 목적은, 반응 공간, 연소 공간 및 상기 연소 공간과 유체 연통하는 연도 가스 채널을 포함하는, 흡열 공정을 수행하기 위한 개질로에 의해 적어도 부분적으로 해결되며, 상기 반응 공간은 상기 연소 공간을 통과하는 복수의 수직 반응관에 의해 형성되고, 상기 반응관은 상기 반응관 내부에 기체 투입 물질을 전환하기 위한 촉매를 포함하고, 상기 반응관은 인라인으로 배열되고, 하나 이상의 반응관 열을 형성하고; 상기 연소 공간은 복수의 내화 벽에 의해 형성되고, 제1 단부면과 제2 단부면을 포함하며, 상기 제1 단부면에 배열되고, 상기 제2 단부면의 방향을 향하는 화염을 생성하는 복수의 버너를 포함하고, 상기 버너는 인라인으로 배열되고, 복수의 버너 열을 형성하고, 상기 반응관을 연소시키기 위한 버너 열은 반응관 열과 평행하게 배열되고; 버너 오프가스를 회수하기 위한 상기 연도 가스 채널은 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면의 영역에 배열되고, 상기 버너 열과 평행하고 상기 연소 공간 외부로 이어진다. 본 발명에 따르면, 상기 연도 가스 채널은 전이 영역 및 회수 영역을 포함하고, 상기 연도 가스 채널은 상기 전이 영역을 통해 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면에 연결되고, 상기 연도 가스 채널의 상기 전이 영역은 상기 연도 가스 채널의 상기 회수 영역에 비해 감소된 채널 직경을 갖는다.
상기 전이 영역과 상기 회수 영역은 바람직하게는 직접 서로 연결된다.
본 발명의 주제와 관련하여, 연도 가스 채널의 전이 영역 또는 회수 영역의 치수와 관련하여 언급될 때 "채널 직경" 또는 "직경"이라는 용어는 버너 오프가스가 흐르는 영역에 대해 해당 지점에서 연도 가스 채널의 단면을 볼 때 해당 지점에서 연도 가스 채널의 폭(내부 직경)을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 연도 가스 채널의 전이 영역은 연도 가스 채널의 회수 영역에 비해 감소된 채널 직경을 가진다.
본 발명에 따르면, 연도 가스 채널은 전이 영역 및 회수 영역을 포함하고, 여기서 전이 영역은 회수 영역에 비해 더 작은 채널 직경을 가져서, 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이에 수축부를 생성한다. 연소 공간의 제1 단부면의 영역에서 버너에 의해 생성된 버너 오프가스는 연소 공간의 제2 단부면의 방향으로 통과된 후, 연도 가스 채널의 제한된 전이 영역을 통과한 다음, 연도 가스 채널의 회수 영역을 통과한다. 연도 가스 채널은 일반적으로 단부들 중 하나의 단부에만 개구를 갖고, 이 개구로부터 버너 오프가스가 회수되어 예를 들어 증기 생성을 위한 에너지 회수와 같은 추가 사용을 위해 보내질 수 있다. 이러한 경우 버너 오프가스는 일측에서만 회수되기 때문에 이는 비대칭 회수라 지칭된다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 전이 영역의 채널 직경 대 회수 영역의 채널 직경의 비율이 1:2 내지 1:10, 바람직하게는 1:5 내지 1:7, 특히 바람직하게는 1:6인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 전이 영역의 가장 좁은 채널 직경이 회수 영역의 가장 큰 채널 직경보다 더 작은 것을 특징으로 한다. 따라서 전이 영역은 적어도 하나의 지점에서 회수 영역의 가장 넓은 지점에서의 채널 직경보다 더 작은 채널 직경을 포함한다.
연도 가스 채널의 전이 영역 및/또는 회수 영역의 구조적 구성이 균일한 기하학적 기본 형상에서 벗어난 경우, 본 발명에 따른 효과는 특히 상기 언급된 조건이 충족될 때 발생한다. 회수 영역은, 예를 들어, 기본 형상이 직사각형에 대응하지 않고 오히려 예를 들어 사다리꼴 또는 U자 형상에 대응하는 경우 다수의 다른 채널 직경을 가질 수 있다. 여기서는 회수 영역의 가장 넓은 채널 직경이 기준으로 사용된다. 이에 대응하여, 전이 영역의 경우, 상기 전이 영역이 예를 들어 이중 원추 형상을 가질 때 가장 좁은 채널 직경이 기준으로 사용된다.
따라서 전이 영역의 채널 직경은 특히 전이 영역의 가장 좁은 지점에서의 직경이다. 더구나 회수 영역의 채널 직경은 특히 회수 영역의 가장 넓은 지점에서의 직경이다. 특히 전이 영역의 가장 좁은 지점에서의 채널 직경은 회수 영역의 가장 넓은 지점에서의 채널 직경보다 적어도 2배, 최대 10배 더 작으며, 바람직하게는 적어도 5배, 최대 7배 더 작고, 특히 바람직하게는 6배 더 작다.
연도 가스 채널에서 수축부, 즉 연도 가스 채널의 전이 영역은 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이에 압력 장벽을 구성한다. 특히, 수축부의 영역에서 동적 압력은 증가하는 반면, 정적 압력은 이에 대응하여 떨어진다. 그 결과, 연소 공간과 연도 가스 채널의 전이 영역 사이에서 동적 압력과 정적 압력에 큰 차이가 달성된다. 이것은 궁극적으로 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이에 유압 분리를 초래한다. 놀랍게도 이것은 연도 가스 채널에서 버너 오프가스의 흐름률을 균일화하는 결과를 가져온다는 것이 발견되었다. 따라서 유압 분리는 연소 공간으로부터 버너 오프가스를 비대칭적으로 회수하는 동시에 버너 오프가스를 균일하게 회수하는 것을 달성할 수 있게 한다. 따라서 연도 가스 채널 자체의 복잡한 구성(예를 들어, 쐐기형) 또는 연소 공간과 연도 가스 채널 사이의 개별 개구의 다른 구성이 더 이상 필요치 않게 된다. 버너 오프가스가 연도 가스 채널의 두 단부 개구를 통해 두 측면으로부터 회수되어서 비대칭 회수보다 더 큰 건설 비용과 복잡성을 수반하는 버너 오프가스의 대칭적 회수가 필요치 않게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연도 가스 채널이 버너 오프가스를 회수하기 위한 단 하나의 단부 개구를 갖는 것을 특징으로 한다. 이것은 버너 오프가스를 순전히 비대칭으로 회수할 수 있게 한다.
연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이에 유압 분리를 하는 것과 함께 회수 영역에서 버너 오프가스의 흐름률을 균일화하면 또한 필연적으로 연소 공간에서 버너 오프가스의 흐름률을 균일화할 수 있고 이에 따라 연소 공간에서 온도 분포를 균일화할 수 있다. 이것은 반응관에서 원치 않는 부산물의 양이 증가하거나 열 재료 피로로 인해 조기 재료 고장을 초래하는 반응관의 온도 스파이크를 방지한다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 전이 영역의 채널 직경이 연소 공간의 제2 단부면으로부터 회수 영역의 방향으로 좁아지고, 특히 원추형으로 좁아지는 것을 특징으로 한다. 특히, 전이 영역의 채널 직경이 연소 공간의 제2 단부면으로부터 회수 영역의 방향으로 좁아지고, 특히 원추형으로 좁아지고, 이후 회수 영역의 방향으로 넓어지고, 특히 원추형으로 넓어진다. 또한 특히, 전이 영역의 채널 직경이 연소 공간의 제2 단부면으로부터 회수 영역의 방향으로 좁아지고, 특히 원추형으로 좁아지고, 이후 특히 특정 길이에 걸쳐 일정한 직경을 가지며, 이후 회수 영역의 방향으로 넓어지고, 특히 원추형으로 넓어진다.
연속적으로 좁아지고/지거나 넓어지면, 예를 들어, 날카로운 에지(sharp edge) 형태의 급격한 전이를 줄여서, 연소 공간과 연도 가스 채널의 전이 영역 사이 및 연도 가스 채널의 전이 영역과 연도 가스 터널의 회수 영역 사이의 전이부에 버너 오프가스에 난류가 일어나는 것을 줄일 수 있다. 이것은 연소 공간 및 연도 가스 터널의 회수 영역에서 버너 오프가스의 흐름률을 더욱 균일화한다. 더욱이 상기 언급된 구조적 구성은, 연도 가스 터널이 개질로의 연소 공간 위에 배열될 때 강철 구조물의 하중 및 힘이 연도 가스 터널로부터 그 아래 연소 공간으로 전달된다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연도 가스 채널의 회수 영역이 전체 채널 길이에 걸쳐 일정한 직경 및/또는 일정한 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.
수축된 전이 영역 및 이에 따라 유압 분리를 달성하는 연도 가스 채널의 본 발명의 구성은 위에서 언급된 이유로 인해 연도 가스 채널의 회수 영역의 기하학적으로 특히 간단한 구성을 달성하는 것을 가능하게 한다. 이것은 특히 연도 가스 채널의 회수 영역이 전체 길이 또는 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 일정한 높이 및/또는 일정한 폭을 갖게, 즉 일정한 직경을 갖게 할 수 있다. "전체 길이"는 비대칭 회수의 경우 버너 오프가스를 회수하는 데 사용되는, 연도 채널의 일 단부로부터 다른 단부까지 측정된 길이, 특히 폐쇄된 단부로부터 개방된 단부까지 측정된 길이를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연도 가스 채널이 단일 부재 구조 형태이고, 연도 가스 채널의 전이 영역과 회수 영역은 기계적 또는 원자적 레벨의 결합으로 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.
연도 가스 채널은 바람직하게는 적어도 기계적 또는 원자적 레벨의 결합이 전이 영역과 회수 영역 사이에 달성되도록 예를 들어 용접 또는 다른 적합한 결합 방법에 의해 강철 구성 요소가 서로 결합된 단일 부재 구조 형태이다. 강철 구성 요소는 추가적으로 필요한 지점에서 내화 재료와 정렬된다. 특히 연도 가스 터널의 전이 영역의 내부는 내화 재료, 예를 들어, 내마모성 콘크리트로 라이닝된다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연도 가스 채널의 회수 영역과 연소 공간의 제2 단부면 사이에는 내장재가 제공되지 않고, 특히 슬롯, 구멍, 스월 플레이트 또는 갭 형태의 버너 오프가스 유입 수단이 제공된 커버 슬랩이 제공되지 않는 것을 특징으로 한다.
연도 가스 터널의 구성 또는 개질로 전체의 구성 동안 건설 비용과 복잡성을 증가시킬 수 있는 추가 내장재가 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이의 전이부, 즉, 연도 가스 채널의 전이 영역에 제공되지 않는다. 연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이의 유압 분리는 바람직하게는 연도 가스 채널의 수축된 전이 영역에 의해서만 발생한다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 복수의 연도 가스 채널이 제공되는 것을 특징으로 한다.
개질로에 포함된 버너 열 및 반응관 열의 수에 따라 복수의 연도 가스 채널이 필요할 수 있다. 연도 가스 채널은 바람직하게는 버너 오프가스의 최적의 회수가 보장되도록 서로 평행하게 배열되고 서로 이격된다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연도 가스 채널의 수 대 버너 열의 수의 비율이 1:1 내지 1:4, 바람직하게는 1:2 또는 1:3, 특히 바람직하게 1:3인 것을 특징으로 한다.
연도 가스 채널의 회수 영역과 연소 공간 사이의 유압 분리는 처음으로 하나를 초과하는 버너 열로부터 단 하나의 연도 가스 채널을 통해서만 개질로로부터 버너 오프가스를 회수할 수 있게 한다. 2개 또는 3개의 버너 열마다 하나의 연도 가스 채널, 특히 바람직하게는 3개의 버너 열마다 하나의 연도 가스 채널을 사용하는 것이 바람직하다. 버너 열보다 더 적은 수의 연도 가스 채널이 필요한 경우 이는 예를 들어 강철 구조물에 대한 요구 사항과 관련하여 개질로의 구조를 상당히 단순화한다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 연소 공간의 제1 단부면과 버너는 바닥에 배열되고, 연소 공간의 제2 단부면과 연도 가스 채널은 상부에 배열되고, 버너는 상방을 향하는 화염을 생성하는 것을 특징으로 한다. 이 실시형태에서 고온 버너 오프가스는 대류에 의해 바닥으로부터 상부로 상승하여 제2 단부면의 압력을 증가시켜, 연도 가스 채널의 수축부(전이 영역)를 통해 회수 영역과 연소 공간 사이에 압력 분리 또는 유압 분리를 더욱 개선시킨다.
개질로의 특정 실시형태에서, 버너 오프가스로부터 열 회수 영역을 구성하는 소위 대류 구역이 연소 공간에 배치되는 것은 가능하지 않다. 이는 대류 구역이 너무 크거나 너무 무거운 경우 또는 열 교환기의 복잡한 상호 연결이 필요한 경우 높은 레벨의 공기 예열이 필요할 수 있고 또는 예를 들어 추가 송풍기를 설치해야 할 수 있기 때문이다. 이러한 경우에, 대류 구역이 바람직하게는 연도 가스 채널의 개방 단부에서 개질로 옆에 배치될 수 있도록 연도 가스 채널이 연소 공간 위에 배열된다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 기체 투입 물질을 위한 공급부 및 흡열 공정의 반응 생성물을 위한 배출부가 반응관의 바닥 단부에 각각 배열되는 것을 특징으로 한다.
이 실시형태에서, 반응관의 내부 영역은 반응 가스 공급부와 생성 가스 배출부가 반응관의 동일한 면에 배열되도록 구성된다. 이 경우 반응 가스는 공정 증기와 혼합되고, 개질기의 촉매 관을 통과한 후, 반응관에서 공정 가스와의 열 교환을 통해 내부적으로 냉각된다. 반응관의 동일한 측에 반응 가스 공급부와 생성 가스 배출부를 배열하면 특히 연소 공간의 제1 단부면과 버너가 바닥에 배열되고 연소 공간의 제2 단부면과 연도 가스 채널이 상부에 배열될 때 개질로의 구조적 구성을 단순화할 수 있고, 여기서 버너가 상방을 향하는 화염을 생성한다.
대안적으로 또한, 유리하고 구조를 단순화하는 방식으로, 기체 투입 물질을 위한 공급부와 흡열 공정의 반응 생성물을 위한 배출부가 반응관의 상부 단부에 각각 배열되고, 연소 공간의 제1 단부면과 버너는 상부에 배열되고, 연소 공간의 제2 단부면과 연도 가스 채널은 바닥에 배열되고, 버너는 하방을 향하는 화염을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 개질로의 바람직한 실시형태는 전이 영역의 높이 대 연도 가스 채널의 회수 영역의 높이의 비율이 1:1 내지 5:1, 바람직하게는 1.5:1 내지 3:1, 특히 바람직하게는 2:1인 것을 특징으로 한다.
연소 공간과 연도 가스 채널의 회수 영역 사이를 유압 분리하면, 연도 가스 채널의 전이 영역이 원칙적으로 임의의 원하는 높이를 가질 수 있고, 즉 연소 공간의 제2 단부면과 회수 구역 사이의 거리는, 이 섹터의 길이에 걸친 절대 압력 강하가 특정 임계값을 초과하지 않는 한, 임의의 원하는 길이를 가질 수 있다. 이것은, 덜 넓은, 즉 더 좁은 전이 영역이 다른 외부 구성 요소, 공급 도관 등에 의해 활용될 수 있는 여유 공간을 이 영역에 제공하기 때문에 추가 구조 변화 가능성을 제공한다.
더욱이 본 발명의 목적은 탄소 함유 투입 물질, 특히 천연 가스로부터 합성 가스를 생산하기 위해 본 발명에 따른 개질로를 사용함으로써 적어도 부분적으로 달성된다.
실시예
본 발명은 이하에서 예시적인 실시형태에 의해 보다 구체적으로 설명된다. 예시적인 실시형태의 이하 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명의 특정 실시형태의 예시적인 표현을 포함하는 첨부 도면을 참조한다. 이와 관련하여, 설명된 도면(들)의 배향과 관련하여 "상부", "하부", "전방", "후방" 등과 같이 방향을 특정하는 용어가 사용된다. 실시형태의 구성 요소가 다수의 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향을 특정하는 용어는 설명을 위해 사용된 것일 뿐 결코 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 당업자라면 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 다른 실시형태도 사용될 수 있고 구조적 또는 논리적 변경이 일어날 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하는 의미로 이해되어서는 안 되며, 실시형태의 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 한정된다. 달리 명시되지 않는 한, 도면은 축척에 맞게 그려진 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 개질로(10)의 단면을 단순화하여 표현한 정면도이다.
도 2는 동일한 본 발명의 개질로(10)의 측단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 전이 영역 및 회수 영역을 갖는 본 발명의 연도 가스 터널의 4개의 상이한 실시형태를 도시한다.
도 2에 따른 측면도에서, 버너(19) 및 반응관(14)에 의해 형성된 버너 열(21) 및 반응관 열(15)은 도면의 평면에서 이어진다. 따라서, 연도 가스 터널(13)은 도면의 평면에서 연장된다. 도 1에 따른 정면도에서 본 발명의 개질로(10)는 90도 회전되고, 버너 열(21)과 반응관 열(15)은 따라서 도면의 평면으로부터 돌출되고, 연도 가스 터널(13)은 도면의 평면으로부터 연장된다.
도 1에 따른 개질로(10)는 예를 들어 펠릿, 정제, 성형품 또는 구조화된(모놀리식) 패킹 형태로 촉매로 채워진 복수의 반응관(14)을 포함한다. 촉매는 예를 들어 합성 가스를 생성하기 위해 천연 가스를 증기 개질하기 위한 니켈 기반 촉매일 수 있다. 반응관은 수직으로 배열되고, 개질로(10)의 연소 공간(12) 전체를 통해 연장된다. 도 1의 개질로(10)의 경우 반응관(14)은 2개의 반응관 열(15)로 배열된다. 열 배열은 도 2의 단면 표현에 의해 설명되지만, 도 2의 단면 표현은 2개의 반응관 열(15) 중 단 하나만이 도시되어 있는 것을 의미한다. 반응관(14)의 내부의 합은 개질로(10)의 반응 공간(11)을 형성하고, 이 반응 공간은 반응관의 벽에 의해 연소 공간(12)과 공간적으로 분리된다. 반응관(14)은 각각 하부에 예를 들어 천연 가스 및 증기를 공급하기 위한 반응 가스 공급부(28), 및 예를 들어 합성 가스를 배출하기 위한 생성 가스 배출부(29)를 갖는다. 따라서, 반응관의 내부는 생성 가스가 회수될 때와 동일한 측에서 반응 가스가 공급될 수 있도록 구성된다.
연소 공간(12)은 복수의 내화 벽(16)과 제1 단부면(17) 및 제2 단부면(18)에 의해 형성된다. 2개의 단부면(17, 18)은 마찬가지로 내화 벽으로 구성된다. 제1 단부면(17)에는 버너(19)가 배열되고, 이 버너는 제2 단부면의 방향으로 수직 상방을 향하는 화염(20)을 생성한다. 버너(19)는 도 2에서 명백한 바와 같이 3개의 버너 열(21)로 배열된다. 도 1에 따른 좌측 및 우측 버너 열(21)의 버너(19)는 벽에 인접한 버너이고, 이 버너의 우측과 좌측에 각각 배열된 반응관 열(15)을 연소시킨다. 도 1에 따라 중간에 배열된 버너(19)는 벽에 인접하지 않은 버너 열(21)을 형성하고, 이 버너는 좌측 및 우측에 배열된 반응관 열(15)을 연소시킨다. 각 버너는 연료 및 (공기로부터) 산소를 공급하기 위한 가스 공급부(27)를 갖는다.
버너(19)로부터 버너 오프가스를 회수하기 위한 연도 가스 채널(13)은 연소 공간(12)과 유체 연통하고, 개질로의 제2 단부면(18)의 영역에 배열된다. 연도 가스 채널(13)은 전이 영역(22) 및 회수 영역(23)을 가지며, 두 영역은 서로 직접 연결된다. 연도 가스 채널(13)은 전이 영역(22)을 통해 제2 단부면(18)에 연결된다. 연도 가스 채널의 전이 영역(22)은 회수 영역(23)의 채널 직경(25)에 비해 감소된 채널 직경(24)을 갖는다. 전이 영역의 채널 직경(24)은 전이 영역의 가장 작은 채널 직경이다. 회수 영역의 직사각형 기본 형상으로 인해 회수 영역(23)의 채널 직경(25)은 회수 영역의 전체 높이(26)에 걸쳐 일정하다. 이는 회수 영역(23)의 높이(26)에도 동일하게 적용되고, 이 높이는 도 2에 따른 측면도에서 명백한 바와 같이 연도 가스 채널의 전체 길이에 걸쳐 일정하다.
전이 영역(22)의 감소된 채널 직경(24)으로 인해, 연도 가스 터널(13)은 전이 영역(22)의 영역에서 수축부를 가지며, 이 수축부는 궁극적으로 연소 공간(12)이 연도 가스 터널(13)의 회수 영역(23)으로부터 유압적으로 분리되는 결과를 제공한다. 회수 영역(23)과 연소 공간(12) 사이의 유압 분리는 연소 공간(12)의 영역에 있는 버너 오프가스(32)(파선 화살표로 표시됨)가 이 연소 공간(12)으로부터 회수될 때 균일한 흐름률을 갖는 결과를 제공한다. 이것은 또한 연도 가스 터널(13)의 회수 영역(23)에서 버너 오프가스(33)의 흐름률을 균일화한다.
도 1 및 도 2의 예에서 전이 영역의 채널 직경(24) 대 회수 영역의 채널 직경(25)의 비율은 1:6이다. 전이 영역은 원칙적으로 "장형" 구성을 가질 수 있으며, 즉 전이 영역(22)의 높이(34)는 회수 영역의 높이(26)에 비해 큰 값을 취할 수 있다. 본 예에서 높이(34)의 비율 대 높이(26)의 비율은 1:2이다.
전이 영역(22)은 초기에 제2 단부면(18)으로부터 회수 영역(23)의 방향으로 원추형으로 좁아지고, 이후에 일정한 길이에 걸쳐 일정한 채널 직경(24)을 나타내고, 이후 일정한 채널 직경(25)을 갖는 회수 영역으로 개방되기 전에 회수 영역(23)의 방향으로 원추형으로 넓어진다. 전이 영역(22)의 원추형 좁아짐, 일정한 영역 및 원추형 넓어짐은 도 2에서 상이한 음영 영역으로 표시된다.
연도 가스 채널(13)은 단부들 중 하나의 단부에서 폐쇄되고, 개방 단부에서 연도 가스 터널 전이부(30)로 개방되고, 이후 연도 가스 채널 전이부는 열 회수 구역(31)으로 개방된다.
개질로(10)는 모두 3개의 버너 열(21) 및 2개의 반응관 열(15)을 포함하지만, 3개의 버너 열(21)의 버너(19)로부터 버너 오프가스(32)를 회수하기 위해 단일 연도 가스 터널(13)만을 포함한다. 따라서 버너 열(21)의 수 대 연도 가스 터널(13)의 수의 비율은 도 1 및 도 2의 예에서 3 대 1이다. 이 높은 비율은 연소 공간(12)과 회수 영역(23) 사이를 유압 분리하는 것에 의해 가능해진다. 3개의 버너 열에 대해 단일 연도 가스 터널만을 사용하면 개질로(10)의 구성을 상당히 단순화할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 전이 영역(22) 및 회수 영역(23)을 갖는 본 발명의 연도 가스 채널(13)의 서로 다른 실시형태들을 도시한다. 이들 도면은 단지 부분적으로 도시된 제2 단부면(18)에 연결된 연도 가스 채널(13)의 단면을 각각 보여준다. 또한 회수 영역의 채널 직경(25), 전이 영역의 채널 직경(24), 회수 영역의 높이(26), 및 전이 영역의 높이(34)가 도시되어 있다. 도 3a 내지 도 3d의 4개의 경우 모두에서 회수 영역(23)은 일정한 높이(26)의 직사각형 단면을 갖는다.
도 3a에 따른 연도 가스 채널(13)은 그 구성이 도 1 및 도 2에 따른 연도 가스 채널의 구성에 대응한다. 도 3a에 따른 연도 가스 채널(13)의 전이 영역(22)은 직선 중간 부분을 갖는 이중 원추부로 구성되고, 이중 원추부의 직경은 이중 원추부의 가장 좁은 지점에서의 채널 직경(24)이 달성될 때까지 제2 단부면(18)으로부터 회수 영역의 방향으로 초기에 선형으로 좁아지고, 이후 특정 길이에 걸쳐 전이 영역의 채널 직경(24)에 대응하는 일정한 직경을 가지며, 이후 회수 영역으로 전이되기 전에 회수 영역의 방향으로 선형으로 넓어진다.
도 3b에 따른 연도 가스 채널(13)의 전이 영역(22)은 전체 높이(24)에 걸쳐 일정한 채널 직경(24)을 갖는다.
도 3c에 따른 연도 가스 채널(13)의 전이 영역(22)은 길이방향 축을 중심으로 대칭인 회전체로 구성되며, 회전체의 직경은 포물선의 정점에서 채널 직경(24)이 달성될 때까지 제2 단부면(18)으로부터 회수 영역의 방향으로 초기에 포물선으로 좁아지고, 이후 회수 영역으로 전이되기 전에 회수 영역의 방향으로 포물선으로 넓어진다.
도 3d에 따른 연도 가스 채널(13)의 전이 영역(22)은 이중 원추부로 구성되며, 이중 원추부의 직경은 이중 원추부의 가장 좁은 지점에서의 채널 직경(24)이 달성될 때까지 제2 단부면(18)으로부터 회수 영역의 방향으로 초기에 선형으로 좁아지고, 이후 회수 영역으로 전이되기 전에 회수 영역의 방향으로 선형으로 넓어진다.
10: 개질로
11: 반응 공간
12: 연소 공간
13: 연도 가스 채널
14: 반응관
15: 반응관 열
16: 내화 벽
17: 제1 단부면
18: 제2 단부면
19: 버너
20: 화염
21: 버너 열
22: 연도 가스 채널의 전이 영역
23: 연도 가스 채널의 회수 영역
24: 전이 영역 채널 직경
25: 회수 영역 채널 직경
26: 회수 영역의 높이
27: 버너 가스 공급부
28: 반응 가스 공급부
29: 생성 가스 배출부
30: 연도 가스 터널 전이부
31: 열 회수 구역
32: 버너 오프가스
33: 버너 오프가스
34: 전이 영역의 높이

Claims (15)

  1. 반응 공간(11), 연소 공간(12) 및 상기 연소 공간과 유체 연통하는 연도 가스 채널(13)을 포함하는 흡열 공정을 수행하기 위한 개질로(10)로서,
    상기 반응 공간은 상기 연소 공간을 통과하는 복수의 수직 반응관(14)에 의해 형성되고, 상기 반응관은 상기 반응관 내부에 기체 투입 물질을 전환하기 위한 촉매를 포함하고,
    상기 반응관은 인라인으로 배열되고, 하나 이상의 반응관 열(15)을 형성하고;
    상기 연소 공간은 복수의 내화 벽(16)에 의해 형성되고, 제1 단부면(17)과 제2 단부면(18)을 포함하며,
    상기 제1 단부면에 배열되고, 상기 제2 단부면의 방향을 향하는 화염(20)을 생성하는 복수의 버너(19)를 포함하되,
    상기 버너는 인라인으로 배열되고, 복수의 버너 열(21)을 형성하고,
    상기 반응관을 연소시키기 위한 버너 열은 반응관 열과 평행하게 배열되고;
    상기 버너 오프가스(32)를 회수하기 위한 상기 연도 가스 채널은 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면의 영역에 배열되고, 상기 버너 열과 평행하고 상기 연소 공간 외부로 이어지고,
    상기 연도 가스 채널은 전이 영역(22) 및 회수 영역(23)을 포함하고, 상기 연도 가스 채널은 상기 전이 영역을 통해 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면에 연결되고, 상기 연도 가스 채널의 상기 전이 영역은 상기 연도 가스 채널의 상기 회수 영역에 비해 감소된 채널 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 개질로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전이 영역의 채널 직경 대 상기 회수 영역의 채널 직경의 비율은 1:2 내지 1:10, 바람직하게는 1:5 내지 1:7, 특히 바람직하게는 1:6인 것을 특징으로 하는 개질로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전이 영역의 가장 작은 채널 직경(24)은 상기 회수 영역의 가장 큰 채널 직경(25)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 개질로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 영역의 채널 직경은 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면으로부터 상기 회수 영역의 방향으로 좁아지는 것을 특징으로 하는 개질로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전이 영역의 채널 직경은 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면으로부터 상기 회수 영역의 방향으로 좁아지고, 이후 상기 회수 영역의 방향으로 넓어지는 것을 특징으로 하는 개질로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전이 영역의 채널 직경은 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면으로부터 상기 회수 영역의 방향으로 좁아지고, 이후 일정한 직경을 가지며, 이후 상기 회수 영역의 방향으로 넓어지는 것을 특징으로 하는 개질로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 채널의 상기 회수 영역은 전체 채널 길이에 걸쳐 일정한 직경(25) 및/또는 일정한 높이(26)를 갖는 것을 특징으로 하는 개질로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 채널은 단일 부재 구조 형태이고, 상기 연도 가스 채널의 상기 전이 영역과 상기 회수 영역은 기계적 또는 원자적 레벨의 결합으로 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 개질로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 채널의 상기 회수 영역과 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면 사이에는 내장재가 존재하지 않고, 특히 슬롯, 구멍, 스월 플레이트 또는 갭 형태의 버너 오프가스 유입 수단이 제공된 커버 슬랩이 제공되지 않는 것을 특징으로 하는 개질로.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연도 가스 채널이 제공되는 것을 특징으로 하는 개질로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연도 가스 채널의 수 대 상기 버너 열의 수의 비율은 1:1 내지 1:4, 바람직하게는 1:2 또는 1:3, 특히 바람직하게는 1:3인 것을 특징으로 하는 개질로.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공간의 상기 제1 단부면과 상기 버너는 바닥에 배열되고, 상기 연소 공간의 상기 제2 단부면과 상기 연도 가스 채널은 상부에 배열되고, 상기 버너는 상방을 향하는 화염을 생성하는 것을 특징으로 하는 개질로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기체 투입 물질을 위한 공급부 및 상기 흡열 공정의 반응 생성물을 위한 배출부는 반응관의 바닥 단부에 각각 배열되는 것을 특징으로 하는 개질로.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 영역의 높이 대 상기 연도 가스 채널의 상기 회수 영역의 높이의 비율은 1:1 내지 5:1, 바람직하게는 1.5:1 내지 3:1, 특히 바람직하게는 2:1인 것을 특징으로 하는 개질로.
  15. 탄소 함유 투입 물질, 특히 천연 가스로부터 합성 가스를 생산하기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 개질로의 용도.
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