KR20220096295A - 열교환 능력이 향상된 수소 개질 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 능력이 향상된 수소 개질 장치에 관한 것으로서, 본체부; 상기 본체부의 내부에 마련되는 버너부; 상기 버너부로부터 소정 거리 이격된 위치에 마련되고 원주 방향을 따라 간격을 두고 복수로 구비되는 개질관; 을 포함하고, 상기 개질관은, 개질 가스가 주입되는 제1 개질관, 상기 제1 개질관의 내부에 간격을 두고 마련되고 유입된 개질 가스가 배출되는 제2 개질관으로 이루어지며, 상기 제1 개질관의 외주면에는 상기 버너부의 열기를 균일하게 전달하기 위한 핀이 돌출되게 형성되는 수소 개질 장치가 제공될 수 있다.

Description

열교환 능력이 향상된 수소 개질 장치{Hydrogen Reformer with Improved Heat Exchange}

본 발명은 개질관의 외주면에 핀을 형성하여 열교환 능력을 향상시킨 수소 개질 장치에 관한 것이다.

천연가스를 이용하여 수소를 제조하는 수소 제조 장치는 개질기(reformer), 전환 반응기, PSA(Pressure swing adsorption)장치 및 열교환 장치를 포함한다.

개질기에서는 탈황된 천연가스와 수증기가 버너 가열 및 촉매 작용에 의해 개질반응을 일으켜 1차 합성가스가 생성된다.

전환 반응기에서는 수소 전이 반응을 통해 일산화탄소를 제거하여 수소 함량이 더욱 높은 2차 합성가스가 생성된다.

2차 합성가스는 PSA장치로 공급되어 압력스윙흡착 공정에 의해 일산화탄소를 포함한 불순물을 제거하여 고순도의 수소가스를 생산한다.

열교환 장치는 상기 장치들로 천연가스, 물 또는 스팀, 합성가스, 공기, 배기 가스가 이동할 때 이들을 상호 열교환 시킴으로써, 각 장치로 유입되는 유체의 온도 조건을 만족시키고, 수소 제조 장치의 에너지 효율을 향상시킨다.

스팀과 반응용 가스(LNG, LPG 등)를 일정한 비율로 개질기의 개질관 바깥쪽 파이프로 유입되면, 내부에 충전된 촉매의 반응을 통해 반응용 가스가 수소와 부생 가스로 개질되어서 내부관을 타고 개질기 외부로 유출되어서 다음 공정 등을 거쳐서 고순도의 수소를 생성하여 연료 전지 또는 차량용으로 공급될 수 있다.

이때, 개질 반응을 위해서는 개질관 내부의 촉매 온도를 약 850℃ 내외로 유지하여야 하므로, 가스 버너 등을 이용하여 개질관 외부를 가열한다.

일반적인 구조의 개질기는 버너가 개질기의 안쪽 상부 및 하부에 위치하고 버너 주위를 개질관이 간격을 두고 원주 방향으로 배치되는데, 보통의 가스 버너(연소기)는 공기(1차 공기)와 연료의 일정 배합을 유지하여 버너 내부로 공급하고, 여기에 불을 붙여 버너를 작동시킨다.

개질기는 1차 공기만으로 연소하였을 경우, 개질관의 안쪽면이 국부 가열되어 문제가 발생할 수 있기 때문에, 2차 공기를 개질기 내부에 추가로 공급하여 개질관이 고루 가열되도록 한다. 이 경우 공기 공급량이 많기 때문에 고온의 공기를 유지하기 위하여 버너의 열량이 증가하므로 그 만큼 연료 소비량이 증가하게 된다. 이에 따른 배출되는 배기 가스의 에너지도 증가한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 개질관의 외주면에 복수의 핀을 돌출되게 형성하여 열교환 능력이 향상되도록 한 수소 개질 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결 수단은 본체부; 상기 본체부의 내부에 마련되는 버너부; 상기 버너부로부터 소정 거리 이격된 위치에 마련되고 원주 방향을 따라 간격을 두고 복수로 구비되는 개질관; 을 포함하고, 상기 개질관은, 개질 가스가 주입되는 제1 개질관, 상기 제1 개질관의 내부에 간격을 두고 마련되고 유입된 개질 가스가 배출되는 제2 개질관으로 이루어지며, 상기 제1 개질관의 외주면에는 상기 버너부의 열기를 균일하게 전달하기 위한 핀이 돌출되게 형성되는 수소 개질 장치가 제공될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 개질관의 외주면에 핀을 돌출되게 형성하여 1차 공기만으로 버너부 연소시 개질관의 내측에서 바깥쪽으로 열을 전달하여 개질관이 균일하게 가열될 수 있다.

본 발명의 핀은 버너부쪽에 그 반대 방향으로 갈 수록 두께가 감소되게 형성하여 버너부의 열기를 두께가 제일 두꺼운 부분부터 가열되어서 두께가 제일 얇은 쪽으로 전달되도록 함으로써, 보다 신속하게 열전달이 이루어질 수 있고, 그에 따라 이중관 구조의 개질관의 제1 개질관을 균일하고 신속하게 가열시킬 수 있다.

본 발명의 개질관은 주물 제작관을 사용하므로 관 제작 시 동시에 핀 제작이 용이하게 이루어질 수 있다.

1차 공기만을 주입하므로, 기존과 동일한 온도를 유지하는데 버너부의 연소가스량이 감소할 수 있고, 그에 따라 연료 소비량을 감소시킬 수 있고, 연료 소비량이 감소함에 따라 개질 장치의 효율이 증가할 수 있다.

개질 장치의 내부 공간을 작게 구성하여 개질 장치의 소형화가 가능할 수 있디.

종래와 같이 2차 공기를 추가로 공급할 필요가 없기 때문에, 공급 공기량 증가에 따른 배기 가스량이 1/2정도로 줄어들게 되므로, 상대적으로 배기 가스의 대기 방출량을 줄여줄 수 있으므로, 열손실 감소 및 환경 오염을 대폭 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 개질 장치의 결합 단면도이다.
도 2는 본 발명의 개질 장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 개질관 구조를 나타낸 확대 정면도이다.
도 4는 본 발명의 개질관 평면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시 도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 개질 장치의 결합 단면도, 도 2는 본 발명의 개질 장치의 평면도, 도 3은 본 발명의 개질관 구조를 나타낸 확대 정면도, 도 4는 본 발명의 개질관 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 개질 장치(1)는 본체부(10), 본체부(10)의 내부에 마련되는 버너부(20), 버너부(20)으로부터 소정 거리 이격된 위치에 마련되고 원주 방향을 따라 간격을 두고 복수로 구비되는 개질관(30)을 포함할 수 있다.

개질관(30)은 개질 가스가 주입되는 제1 개질관(31), 제1 개질관(31)의 내부에 간격을 두고 마련되고 유입된 개질 가스가 배출되는 제2 개질관(32)으로 이루어질 수 있다.

또한, 본체부(10)의 하단부에는 배기 가스를 배출시키는 배기관(40)이 마련될 수 있다.

제1 개질관(31)과 제2 개질관(32)의 하부는 본체부(10)의 내부로부터 외부로 노출되게 형성되고, 각각 개질 가스가 주입 및 배출될 수 있도록 주입관(50)과 배출관(60)이 연결될 수 있다.

주입관(50)은 복수의 제1 개질관(31)에 모두 연통되게 연결되도록 원형으로 형성될 수 있고, 배출관(60)도 복수의 제2 개질관(32)의 내부에서 배출되는 개질 가스가 배출되도록 복수의 제2 개질관(32)과 연통되에 연결될 수 있다.

또한, 제1 개질관(31)의 하부측 외주면에는 연결관(70)이 마련되고, 제1 개질관(31)과 연결관(70) 사이의 틈새로 배기 가스가 배출되어서 배기관(40)을 통해 외부로 배기될 수 있다.

여기서, 본 발명은 버너부(20)의 둘레에 복수로 마련되는 개질관(30)의 외주면에는 길이 방향을 따라 복수의 핀(34)이 돌출되게 형성될 수 있다. 즉, 제1 개질관(31)의 외주면에는 복수의 핀(34)이 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 개질관(30)을 이루는 제1 개질관(31)의 외주면에 돌출되게 형성되는 핀(34)은 제1 개질관(31)의 외주면 전체 둘레에 걸쳐서 형성될 수 있고, 제1 개질관(31)의 중심선(C)상의 한쪽 위치를 제1 위치(P1)라고 정의하고, 마주보는 반대편의 중심선(C)상의 위치를 제2 위치(P2)라고 정의할 때, 제1 위치(P1)로부터 제2 위치(P2)로 원주 방향을 따라 갈 수록 두께가 작아지는 형상으로 형성될 수 있다.

도면상 중심선(C)은 버너부(20)와 동일 선상에 위치하는 수평선일 수 있다.

제1 위치(P1)는 버너부(20)쪽의 위치로서, 버너부(20)로부터 발생된 열기가 제일 먼저 도달하는 위치일 수 있다.

다시 말해서, 제1 위치(P1)상의 제1 두께(d1)는 제2 위치(P2) 상의 제2 두께(d2)보다 크게 형성될 수 있고, 핀(34)의 전체 두께를 고려할때, 제1 두께(d1)가 제일 크고, 제2 두께(d2)가 제일 작을 수 있다.

개질관(30)은 주물로 제조할 수 있으므로, 제1 개질관(31)의 외주면에 형성되는 복수의 핀(34)은 용이하게 성형될 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 핀(34)은 중심선(C)(수평선)을 기준으로 상부 및 하부가 대칭되게 마련될 수 있다. 중심선(C)이 수평선이 경우에는 도면상 버너부(20)의 좌우에 제1 개질관(31)이 배치될 수 있다.

또한, 도면상 제1 개질관(31)의 위치가 버너부(20)의 상부 및 하부에 위치하는 경우, 중심선(C)은 수직선이 될 수 있고, 따라서 핀(34)은 수직선인 중심선(C)의 좌우가 대칭되게 형성될 수 있다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 개질 장치(1)는 버너부(20)의 외주면에 마련된 주입 파이프(22)안으로 연료와 공기를 주입하여 버너부(20)를 연소시키고, 주입관(50)을 통해 개질관(30)의 제1 개질관(31)안으로 개질 가스(스팀과 천연 가스)를 주입시키고, 주입된 개질 가스는 제2 개질관(32)에 형성된 구멍을 통해 제2 개질관(32)의 내부로 유입되어서 배출관(60)을 통해 배출시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 버너부(20)의 주변에 개질관(30)이 원주 방향을 따라 간격을 두고 복수로 마련된 구조이므로, 버너부(20)의 연소에 의한 열기가 주변으로 전달되면, 개질관(30)의 외부를 이루는 제1 개질관(31)이 먼저 가열되고, 이어서 제1 개질관(31)의 내부에 구비된 제2 개질관(32)을 가열시킬 수 있다.

여기서, 본 발명은 버너부(20)의 열기에 의해 제1 개질관(31)이 가열될 때, 제1 개질관(31)의 외주면에 핀(34)이 돌출되게 형성되어 있기 때문에, 제1 개질관(31) 전체에 대하여 빠르게 가열시킬 수 있다.

다시 말해서, 제1 개질관(31)의 외주면에 형성된 핀(34)의 돌출 길이인 두께가 모두 동일하게 형성되지 않고 차등적으로 형성된 구조로서, 버너부(20)쪽의 제1 위치(P1)의 제1 두께(d1)가 제일 두껍고, 제1 위치(P1)의 반대편 위치인 제2 위치(P2)의 제2 두께(d2)가 제일 얇게 형성된 구조이기 때문에, 버너부(20)의 화염이 제1 위치(P1)에 제일 먼저 도달하여 가열되고, 이러한 열기는 핀(34)의 제2 위치(P2) 쪽으로 빠르게 이동하면서 전달되어 가열될 수 있다.

핀(34)이 가열됨에 따라 핀(34)의 안쪽에 위치하는 제1 개질관(31) 전체에 걸쳐서 균일하게 가열될 수 있다. 즉, 제1 개질관(31)의 열 분포가 균일하게 이루어지게 할 수 있다. 그에 따라 개질관(30)의 내부에 마련된 촉매와의 반응 온도에 적합하게 도달되어서 촉매와의 반응이 원활하게 이루어져서 개질 작용이 이루어질 수 있다.

만일, 제1 개질관(31)이 국부적으로 편차를 가지고 가열이 이루어지면, 제1 개질관(31)의 내부를 통과하는 개질 가스의 처리에 문제가 발생할 수 있고, 이러한 문제를 해결하기 위해서 2차 공기를 본체부(10)의 내부로 주입하여 개질관(30) 전체에 대하여 고르게 가열되게 할 필요가 발생하고, 공기 공급량이 증가하므로 고온의 공기를 유지하기 위해서 버너부(20)의 연소 열량이 증가할 수 밖에 없게 되며, 이에 따른 배기 가스량도 증가하며, 이렇게 늘어난 배기 가스는 대기중으로 방출될 수 있어 대기 오염을 시킬 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 개질관 구조는 이러한 2차 공기의 주입 과정이 필요없이 버너부(20)의 연소에 따른 열기를 균일하고 빠르게 제1 개질관(31)에 전달하여 균일한 열 분포를 이룰 수 있는 것이다.

1... 개질 장치
10... 본체부 20... 버너부
22... 주입 파이프
30... 개질관 31... 제1 개질관
32... 제2 개질관 34... 핀(fin)
40... 배기관 50... 주입관
60... 배출관 70.. 연결관
C... 중심선
d1... 제1 두께 d2... 제2 두께
P1... 제1 위치 P2... 제2 위치

Claims (5)

1. 본체부;
   상기 본체부의 내부에 마련되는 버너부;
   상기 버너부로부터 소정 거리 이격된 위치에 마련되고 원주 방향을 따라 간격을 두고 복수로 구비되는 개질관; 을 포함하고,
   상기 개질관은,
   개질 가스가 주입되는 제1 개질관,
   상기 제1 개질관의 내부에 간격을 두고 마련되고 유입된 개질 가스가 배출되는 제2 개질관으로 이루어지며,
   상기 제1 개질관의 외주면에는 상기 버너부의 열기를 균일하게 전달하기 위한 핀이 돌출되게 형성되는 수소 개질 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 핀은 중심선을 기준으로 상기 버너부쪽의 위치를 제1 위치, 상기 제1 위치의 반대편이고 중심선상의 위치를 제2 위치라고 정의할 때, 상기 제1 위치에서 제2 위치쪽으로 원주 방향으로 갈 수록 두께가 변화되는 수소 개질 장치.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 핀은 중심선을 기준으로 상기 버너부쪽의 위치를 제1 위치, 상기 제1 위치의 반대편이고 중심선상의 위치를 제2 위치, 상기 제1 위치의 핀의 두께를 제1 두께, 제2 위치의 핀의 두께를 제2 위치라고 정의할 때,
   상기 제1 두께가 제일 크고, 제2 두께가 제일 작게 형성되는 수소 개질 장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 핀은 상기 제1 개질관의 외주면 원주 방향 전체에 대하여 돌출되게 형성되고, 상기 제1 개질관의 길이 방향을 따라 간격을 두고 복수로 마련되는 수소 개질 장치.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 핀은 상기 버너부와 동일 선상의 중심선을 기준으로 양측이 대칭되게 형성되는 수소 개질 장치.

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