KR20230049360A - 복합 개질기 - Google Patents

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KR20230049360A
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catalyst tube
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유수남
김봉근
남경모
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두산에너빌리티 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예는, 본체와, 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 하나 이상의 제1 촉매 튜브와, 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 상기 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 하나 이상의 제2 촉매 튜브 및 상기 제1 촉매 튜브 및 상기 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부를 포함하는, 일체형 개질기를 제공한다.

Description

복합 개질기{COMBINED REFORMER}
본 발명은 복합 개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함함에 따라 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질함과 동시에 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질할 수 있는 복합 개질기에 관한 것이다.
종래의 스팀메탄 개질기(SMR; Steam Methane Reforming)는 메탄(CH4)이 주성분이 되는 천연가스를 개질하는 설비로, 탄소수가 높은 탄화수소(CxHy)가 포함된 가스를 개질해야 하는 경우에는 예비 개질기라는 별도의 설비를 추가하여 메탄으로 전환 후 개질해야 하므로 구조 및 공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2019-0112290호(2019.10.04.공개)
본 발명은 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함함에 따라 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질함과 동시에 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질할 수 있는 복합 개질기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 본체;와, 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 하나 이상의 제1 촉매 튜브;와, 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 상기 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 하나 이상의 제2 촉매 튜브; 및 상기 제1 촉매 튜브 및 상기 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하는, 일체형 개질기를 제공한다.
실시 예에 따라, 상기 제1 촉매 튜브에는 폐기물의 열분해에 의해 생성된 열분해가스와 스팀이 공급될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소부에서 배출되는 연소가스는 상기 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 상기 제1 촉매 튜브에 열을 공급할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 배출되고, 상기 제2 촉매 튜브는 상기 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향을 따라 나란하게 배치되고, 상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브 사이에는 상기 본체의 일측으로부터 연장되는 제1 벽이 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에는 상기 본체의 타측으로부터 연장되는 제2 벽이 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 본체의 원주방향을 따라 이격되어 배치되고, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 동일한 개수로 이루어지며, 1개의 제1 촉매 튜브와 1개의 제2 촉매 튜브끼리 연결될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 촉매 튜브 또는 상기 제2 촉매 튜브는 유턴구간을 가질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 유턴구간은 상기 본체의 원주방향을 따라 연장될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 본체에는 상기 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부가 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제2 촉매 튜브에는 상기 합성가스가 배출되는 합성가스 배출부가 연결될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 합성가스 배출부는 상기 제1 촉매 튜브와 열교환 가능하도록 상기 제1 촉매 튜브와 접촉할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀은 상기 본체의 내측면 또는 외측면을 따라 나선형으로 이동한 후 상기 제1 촉매 튜브로 공급될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제2 촉매 튜브는, 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브와 연통되도록 상기 아우터 튜브의 내측에 배치되는 이너 튜브를 갖는 이중 튜브일 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 본체 내에 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함함에 따라 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질함과 동시에 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질할 수 있다. 따라서, 예비 개질기를 별도로 설치하지 않아도 되므로 구조 및 공정이 간소화된다.
또한, 제1 촉매튜브 또는 제2 촉매튜브가 반응 필요 시간에 따라 적어도 하나의 유턴구간을 갖도록 형성됨에 따라 반응시간을 조절할 수 있다.
또한, 연소가스 또는 합성가스의 폐열을 이용하여 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 가열될 수 있다.
특히, 본 발명은 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 다량 포함하고 있는 폐기물의 열분해에 의해 생성된 열분해가스 개질에 바람직하게 이용될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 A-A' 단면도,
도 3은 도 1의 B-B' 단면도,
도 4는 도 3의 다른 실시 예를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 단면도,
도 9는 도 8의 A-A' 단면도이다.
이하, 본 발명의 복합 개질기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
우선, 도 1 내지 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기는 크게 본체(100), 제1 촉매 튜브(200), 연결 튜브(300), 제2 촉매 튜브(400), 연소부(500), 연소가스 배출부(600) 및 합성가스 배출부(700)를 포함한다.
본체(100)는 복합 개질기의 외형을 형성하는 것으로 내부공간을 갖는 원통형으로 형성되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본체(100)의 내부에는 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브가 구비된다. 구체적으로, 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질하기 위한 제1 촉매 튜브(200)와, 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질하기 위한 제2 촉매 튜브(400)가 구비된다. 제1 촉매 튜브(200)는 제1 온도(T1)에서 반응하고, 제2 촉매 튜브(400)는 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)에서 반응한다.
제1 촉매 튜브(200)의 반응온도인 제1 온도(T1)는 약 350℃ 내지 550℃일 수 있으며, 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 개질하는 촉매가 적용된다. 예를 들어, 제1 촉매 튜브(200)에는 지지체로서 MgO 또는 Al2O3 또는 이들의 조합을 사용하는 니켈계 촉매가 적용될 수 있다. 이로 인해, 제1 촉매 튜브(200)에서는 반응식 (1) 및 (2)를 통해 에탄, 프로판, 부탄 등 탄소수가 2 이상인 고급 탄화수소들이 메탄, 일산화탄소, 수소로 전환될 수 있다.
반응식 (1) ------- CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2)H2
반응식 (2) ------- CO + 3H2 → CH4 + H2O
제2 촉매 튜브(400)의 반응온도인 제2 온도(T2)는 약 700℃ 내지 900℃일 수 있으며, 메탄을 개질하는 촉매가 적용된다. 예를 들어, 제2 촉매 튜브(400)에도 니켈계 촉매가 적용될 수 있다. 이로 인해, 제2 촉매 튜브(400)에서는 반응식 (3)을 통해 메탄이 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스(syngas)로 전환될 수 있다.
반응식 (3) ------- CH4 + H2O → CO + 3H2
제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)는 연결 튜브(300)를 통해 연결되어, 제1 촉매 튜브(200)로 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 제1 촉매 튜브(200)로부터 연결 튜브(300)를 통해 제2 촉매 튜브(400)로 차례로 유동될 수 있다.
이에 따라, 제1 촉매 튜브(200)에 공급되는 탄화수소가스에 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 다량 포함되어있다 하더라도, 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)를 차례로 유동하며 수증기 개질반응을 통해 합성가스로 개질될 수 있다. 즉, 제1 촉매 튜브(200)에서 탄소수가 2 이상인 고급 탄화수소들이 메탄으로 전환될 수 있으며, 제1 촉매 튜브(200)에서 전환된 메탄이 제2 촉매 튜브(400)로 유입되어 합성가스로 전환될 수 있다. 특히, 제1 촉매 튜브(200)에 공급되는 탄화수소가스는 폐기물의 열분해(pyrolysis)에 의해 생성되는 열분해가스일 수 있다. 예를 들어, 폐플라스틱의 열분해에 의해 생성된 열분해가스일 수 있으며, 이에는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 다량 포함된다.
본체(100)의 상측 중심에는 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급하기 위한 연소부(500)가 설치되고 있으며, 연소부(500)에서는 탄화수소가스가 연소되어 연소가스가 생성된다. 생성된 연소가스는 본체(100)의 중심부로 배출되고 있다.
제2 촉매 튜브(400)는 제1 촉매 튜브(200)보다 높은 온도에서 반응하므로, 연소부(500)에서 배출되는 연소가스는 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한다. 이를 위해, 제2 촉매 튜브(400)는 제1 촉매 튜브(200)보다 본체(100)의 반경방향 내측에 위치한다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)는 복수 개로 이루어지며, 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치된다. 본 실시 예에서는 8개의 제2 촉매 튜브(400)가 본체(100)의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 배치되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 제1 촉매 튜브(200) 또한 마찬가지로 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치되되, 복수의 제2 촉매 튜브(400)를 둘러싸도록 배치된다. 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 각각 본체(100)의 길이방향을 따라 수직으로 연장된다.
이때, 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 동일한 개수로 이루어지며, 1개의 제1 촉매 튜브(200)와 1개의 제2 촉매 튜브(400)끼리 연결될 수 있다. 연결 튜브(300) 또한 복수의 제1 촉매 튜브(200) 및 복수의 제2 촉매 튜브(400)와 동일한 개수로 이루어진다. 즉, 본 실시 예에서는 8개의 제1 촉매 튜브(200)가 8개의 제2 촉매 튜브(400)를 둘러싸도록 배치되어, 각각의 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)끼리 연결 튜브(300)를 통해 연결되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 촉매 튜브(400)의 개수가 제1 촉매 튜브(200)의 개수보다 많게 형성되어, 하나의 제1 촉매 튜브(200)마다 복수의 제2 촉매 튜브(400)가 연결될 수도 있음은 물론이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서 제1 촉매 튜브(200)는 유턴구간(220)을 가진다. 구체적으로, 복수의 제1 촉매 튜브(200) 각각은 본체(100)의 상측에서 아래를 향해 수직으로 연장된 후 유턴구간(220)을 거쳐 다시 위를 향해 수직으로 연장된다. 유턴구간(220)의 개수는 촉매의 반응 필요 시간에 따라 조절될 수 있으며, 촉매의 반응 필요 시간이 길어질수록 유턴구간(220)의 개수가 증가할 수 있다.
이때, 유턴구간(220)은 본체(100)의 원주방향을 따라 연장되는 것이 바람직하다. 즉, 복수의 제1 촉매 튜브(200) 각각에서 수직으로 연장되는 부분은 본체(100)의 중심으로부터 반경방향 상 같은 거리에 위치하게 된다. 이로 인해, 촉매의 반응 필요 시간에 따라 제1 촉매 튜브(200)의 길이를 조절할 수 있음과 동시에 복합 개질기를 컴팩트하게 유지할 수 있다. 복수의 제2 촉매 튜브(400) 또한 유턴 구간을 가질 수 있음은 물론이며, 이는 아래에서 살펴보도록 한다.
본 실시 예에서 연결 튜브(300)의 일단은 제1 촉매 튜브(200)의 단부에 연결되고, 연결 튜브(300)의 타단은 제2 촉매 튜브(400)의 단부에 연결된다. 이로 인해, 제1 촉매 튜브(200)로 공급된 탄화수소가스와 스팀이 유턴구간(220)를 지나 제1 촉매 튜브(200)의 단부까지 유동된 후 연결 튜브(300)를 통해 제2 촉매 튜브(400)로 유입된다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 촉매 튜브(200')의 유턴구간(220')에 연결 튜브(300')의 일단이 연결될 수도 있다. 이로 인해, 유턴구간(220')의 양측에서 탄화수소가스와 스팀이 유입되고 유턴구간(220')에서 만나 연결 튜브(300')를 통해 제2 촉매 튜브(400)로 유입될 수 있다.
본체(100)의 내부에는 연소부(500)에서 배출되는 연소가스의 유동을 가이드하여 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 효과적으로 열을 공급하기 위한 제1 벽(120) 및 제2 벽(140)이 구비된다. 제1 벽(120)은 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400) 사이에 구비되며, 본체(100)의 하측으로부터 위를 향해 수직으로 연장된다. 또한, 제2 벽(140)은 제2 촉매 튜브(400)의 반경방향 내측에 구비되어 본체(100)의 상측으로부터 아래를 향해 수직으로 연장된다. 이에 따라, 연소부(500)에서 배출되는 연소가스가 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)의 길이방향을 따라 지그재그로 유동하여 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 충분히 열을 공급할 수 있으며, 반응 온도에 따른 온도 구배를 적용할 수 있다. 열전달 효율 향상을 위해 제1 촉매 튜브(200) 및/또는 제2 촉매 튜브(400)에 핀(fin)을 배치할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 연소부(500)에서 배출된 연소가스는 아래로 유동되고, 제2 벽(140) 아래의 공간을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어간 후 위로 유동되면서 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한다. 이후, 온도가 일부 낮아진 연소가스는 제1 벽(120) 위의 공간을 통해 제1 촉매 튜브(200) 측으로 넘어간 후 다시 아래로 유동되면서 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한다. 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 연소가스는 본체(100)에 구비되는 연소가스 배출부(600)를 통해 외부로 배출된다.
상기에서 살펴본 바와 같이 탄화수소가스는 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)를 차례로 유동하며 수증기 개질반응을 통해 합성가스로 개질될 수 있다. 이때, 제2 촉매 튜브(400)에는 합성가스가 배출되기 위한 합성가스 배출부(700)가 연결된다. 합성가스 배출부(700)는 복수의 제2 촉매 튜브(400)에서 생성된 합성가스를 모아 외부로 배출할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참고하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제2 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 동일하게 포함하되, 본체(100)의 외주면에 감기는 나선형 열교환튜브(800)를 더 포함한다. 나선형 열교환튜브(800)는 본체(100)의 내주면에 감길 수도 있음은 물론이다.
나선형 열교환튜브(800)에는 탄화수소가스와 스팀이 공급되며, 탄화수소가스와 스팀은 나선형 열교환튜브(800)를 통해 나선형으로 이동한 후 제1 촉매 튜브(200)로 공급된다. 이때, 탄화수소가스와 스팀은 나선형 열교환튜브(800)를 통해 이동하면서 본체(100) 내부의 연소가스와 열교환하여 제1 촉매 튜브(200)로 유입되기 전에 가열될 수 있다. 이와 같이, 연소가스가 본체(100)로부터 배출되기 전 연소가스의 열을 이용하여 복합 개질기의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6을 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제3 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기와 합성가스 배출부를 제외하고 동일하게 형성된다. 본 실시 예에서, 합성가스 배출부(1700)는 제1 촉매 튜브(200)와 열교환 가능하도록 제1 촉매 튜브(200)와 접촉한다. 즉, 합성가스 배출부(1700)는 제2 촉매 튜브(400)의 단부로부터 제1 벽(120)을 관통한 후 제1 촉매 튜브(200)와 접촉한 상태로 나란하게 연장된다. 이를 통해 제1 촉매 튜브(200) 내의 탄화수소가스와 스팀은 연소가스 뿐만 아니라 합성가스로부터 열을 공급받을 수 있으며, 합성가스가 본체(100)로부터 배출되기 전 합성가스의 폐열을 이용하여 복합 개질기의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 7을 참고하여 본 발명의 제4 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제4 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기와 비교하여 제1 촉매 튜브가 아닌 제2 촉매 튜브가 유턴구간을 가지며, 제1 벽만을 포함하는 점에서 상이하다. 이하, 상이한 부분을 중심으로 설명하도록 한다.
제1 촉매 튜브(2200)와 제2 촉매 튜브(2400)는 복수 개로 이루어지며, 복수의 제2 촉매 튜브(2400)는 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치되고, 복수의 제1 촉매 튜브(2200)는 복수의 제2 촉매 튜브(2400)를 둘러싸도록 배치된다. 복수의 제1 촉매 튜브(2200)와 복수의 제2 촉매 튜브(2400)는 각각 본체(100)의 길이방향을 따라 수직으로 연장된다.
다만, 제1 촉매 튜브(200)가 유턴구간(220)을 갖는 제1 실시 예와는 다르게, 제4 실시 예에서는 제2 촉매 튜브(2400)가 유턴구간(2420)을 갖는다. 구체적으로, 복수의 제2 촉매 튜브(2400) 각각은 본체(100)의 하측에서 위를 향해 수직으로 연장된 후 유턴구간(2420)을 거쳐 다시 아래를 향해 수직으로 연장된다. 유턴구간(2420)의 개수는 촉매의 반응 필요 시간에 따라 조절될 수 있으며, 촉매의 반응 필요 시간이 길어질수록 유턴구간(2420)의 개수가 증가할 수 있다.
제2 촉매 튜브(2400)의 유턴구간(2420)은 본체(100)의 반경방향을 따라 연장되는 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 복합 개질기를 컴팩트하게 유지하기 위해 본체(100)의 원주방향을 따라 연장될 수도 있음은 물론이다.
본체(100)의 내부에는 연소부(500)에서 배출되는 연소가스의 유동을 가이드하여 제1 촉매 튜브(2200) 및 제2 촉매 튜브(2400)에 효과적으로 열을 공급하기 위한 제1 벽(2120)이 구비된다. 제1 벽(2120)은 제1 촉매 튜브(2200)와 제2 촉매 튜브(2400) 사이에 구비되며, 본체(100)의 상측으로부터 아래를 향해 수직으로 연장된다. 이에 따라, 연소부(500)에서 배출된 연소가스는 아래로 유동되면서 제2 촉매 튜브(2400)에 열을 공급하고, 이후 온도가 일부 낮아진 연소가스는 제1 벽(2120) 아래의 공간을 통해 제1 촉매 튜브(2200) 측으로 넘어간 후 위로 유동되면서 제1 촉매 튜브(2200)에 열을 공급한다. 제1 촉매 튜브(2200) 및 제2 촉매 튜브(2400)에 열을 공급한 후 연소가스는 본체(100)에 구비되는 연소가스 배출부(600)를 통해 외부로 배출된다.
마지막으로, 도 8 및 9를 참고하여 본 발명의 제5 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제5 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기와 비교하여 제2 촉매 튜브가 이중 튜브인 점에서 상이하다. 이하, 상이한 부분을 중심으로 설명하도록 한다.
본 실시 예에서 제2 촉매 튜브(3400)는, 아우터 튜브(3420)와, 아우터 튜브(3420)의 내측에 배치되는 이너 튜브(3440)를 갖는 이중 튜브로 이루어진다. 이때, 아우터 튜브(3420)와 이너 튜브(3440)는 서로 연통된다. 이에 따라, 제1 촉매 튜브(200)로부터 연결 튜브(300)를 통해 유동된 가스와 스팀은 아우터 튜브(3420)로 유입되며, 아우터 튜브(3420)를 따라 아래로 이동하면서 메탄의 수증기 개질반응이 이루어진다. 이후, 가스와 스팀은 아우터 튜브(3420)로부터 이와 연통된 이너 튜브(3440)의 내부로 유입되어 다시 위로 이동하면서 메탄의 수증기 개질반응이 이루어지며, 개질된 합성가스는 합성가스 배출부(3700)를 통해 상부로 배출된다. 궁극적으로, 제2 촉매 튜브(3400)에서의 메탄 개질 반응시간이 길어져 개질 효율이 증대될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 본체(100) 내에 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브(200, 400)를 포함함에 따라 탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질함과 동시에 메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질할 수 있다. 따라서, 예비 개질기를 별도로 설치하지 않아도 되므로 구조 및 공정이 간소화된다.
또한, 제1 촉매튜브(200) 또는 제2 촉매튜브(400)가 반응 필요 시간에 따라 적어도 하나의 유턴구간을 갖도록 형성됨에 따라 반응시간을 조절할 수 있다.
또한, 연소가스 또는 합성가스의 폐열을 이용하여 제1 촉매 튜브(200)로 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 가열될 수 있다.
특히, 본 발명은 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 다량 포함하고 있는 폐기물의 열분해에 의해 생성된 열분해가스 개질에 바람직하게 이용될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
100: 본체
120, 2120: 제1 벽
140: 제2 벽
200, 200', 2200: 제1 촉매 튜브
220, 220': 유턴구간
300, 300': 연결 튜브
400, 2400, 3400: 제2 촉매 튜브
2420: 유턴구간
3420: 아우터 튜브
3440: 이너 튜브
500: 연소부
600: 연소가스 배출부
700, 1700, 3700: 합성가스 배출부
800: 나선형 열교환튜브

Claims (15)

  1. 본체;
    탄소수가 2 이상인 탄화수소(CxHy)를 메탄(CH4)으로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 하나 이상의 제1 촉매 튜브;
    메탄(CH4)을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로 개질하기 위해, 상기 본체의 내부에 배치되고 상기 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 하나 이상의 제2 촉매 튜브; 및
    상기 제1 촉매 튜브 및 상기 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하는, 일체형 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매 튜브에는 폐기물의 열분해에 의해 생성된 열분해가스와 스팀이 공급되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소부에서 배출되는 연소가스는 상기 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 상기 제1 촉매 튜브에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 배출되고, 상기 제2 촉매 튜브는 상기 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향을 따라 나란하게 배치되고,
    상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브 사이에는 상기 본체의 일측으로부터 연장되는 제1 벽이 구비되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에는 상기 본체의 타측으로부터 연장되는 제2 벽이 구비되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 촉매 튜브와 상기 제2 촉매 튜브는 복수 개로 이루어지며,
    상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 본체의 원주방향을 따라 이격되어 배치되고,
    상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 동일한 개수로 이루어지며, 1개의 제1 촉매 튜브와 1개의 제2 촉매 튜브끼리 연결되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매 튜브 또는 상기 제2 촉매 튜브는 유턴구간을 갖는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유턴구간은 상기 본체의 원주방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매 튜브에는 상기 합성가스가 배출되는 합성가스 배출부가 연결되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 합성가스 배출부는 상기 제1 촉매 튜브와 열교환 가능하도록 상기 제1 촉매 튜브와 접촉하는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀은 상기 본체의 내측면 또는 외측면을 따라 나선형으로 이동한 후 상기 제1 촉매 튜브로 공급되는 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매 튜브는, 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브와 연통되도록 상기 아우터 튜브의 내측에 배치되는 이너 튜브를 갖는 이중 튜브인 것을 특징으로 하는, 일체형 개질기.
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