KR20230095972A - 개질 튜브를 떠나는 신가스의 온도를 측정하기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 스팀 메탄 개질 오븐의 적어도 하나의 개질 튜브에 대해 특정 온도를 측정하기 위한 시스템에 관한 것이고, 여기서, 수직 열로 배열된 튜브는 튜브 출구에서 신가스(syngas)를 생산하고, 주어진 열의 튜브는 길이방향 매니폴드 쪽으로 개방되고, 시스템은 튜브를 떠나는 신가스의 적어도 하나의 온도를 측정하는 수단으로서, 매니폴드의 길이에 위치설정되고, 튜브형 형상의 제1 파트 상에, 신가스 출구 온도가 측정되는 튜브의 마우스(mouth)에서 신가스 내에 위치설정된 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는, 수단, 센서에 의해 캡처된 데이터를 전달하기 위한 제1 파트를 캡처된 데이터로부터 온도를 계산하기 위한 기구를 포함하는 제3 파트까지 외측으로 연장하는 제2 파트를 포함한다.

Description

개질 튜브를 떠나는 신가스의 온도를 측정하기 위한 시스템

본 발명은 스팀 개질에 의한 합성 가스 생산 분야에 관한 것이다.

본 발명은 더욱 구체적으로는 스팀 개질 노(furnace)에 존재하는 개질 튜브의 특정 온도를 측정하기 위한 시스템에 관한 것이다.

스팀 메탄 개질(SMR) 노는 수소, 일산화탄소 및 합성 가스를 생산하기 위해 사용된다. 탄화수소 공급원료를 개질하기 위한 반응은 흡열성이며; 이는 많은 열을 필요로 한다.

보통 평행육면체 형상의 구조물인 개질 노(또는 개질기)는 세라믹 벽돌로 만들어진 요소로 생산되며, 이는, 일반적으로 정렬되고 보통 (측면 연소 기술(side-fired technology)로서 보다 잘 알려진) 수직 측방향 벽을 따라, 또는 수평으로 노의 루프 또는 저부(각각 상단 연소(top-fired) 및 저부 연소 기술(bottom-fired technology))를 따라 설치되는 버너(burner) 형태의 열원을 갖는다. 촉매 튜브는 노의 연소 챔버에서 수직으로 열을 지어 배치되고; 개질 반응은 열역학적 평형에 가까운 프로세스 효율을 목표로 하여 반응이 완료되는 것을 가능하게 하기 위해, 길이의 관점에서, 직경의 관점에서 그리고 벽 두께의 관점에서 치수가 정해진 이러한 촉매 튜브에서 일어난다. 주어진 노에서, 이들 튜브는 균일한 치수(전형적으로 높이는 대략 12 m이고 내부 직경은 10 내지 13 cm이며, 벽은 두께가 1 내지 1.8 cm임)를 갖는다.

하나의 그리고 동일한 열의 개질 튜브는 튜브에 의해 생산된 신가스(syngas)를 회수하는 단일 매니폴드 파이프에 출구에서 연결된다. 통상적으로, 개질 가스는 개질 튜브의 저부 단부에서 빠져나가고, "길이방향 매니폴드"로 불리는("출구 수집기"라고도 불림) 이러한 파이프는 다음의 텍스트에서, 튜브의 열 아래에 길이방향으로 배치된다. 길이방향 매니폴드는 그 자체가, 튜브의 다양한 열에 연결된 모든 길이방향 매니폴드로부터 나오는 신가스를 회수하는 횡방향 매니폴드("크로스 헤더"라고도 불림)에 연결되고, 따라서 개질 노에서 생산되는 모든 신가스를 수집한다.

[도 3]에 도시된 구성에서, 횡방향 매니폴드는 그에 대해 수직인 길이방향 매니폴드와 동일한 수평면에 배치되고; 이는 하나의 단부에서 매니폴드에 연결되고, 따라서 각각의 길이방향 매니폴드는 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방된 하나의 단부, 폐쇄된 다른 단부를 갖는다. 또 다른 구성에 따르면, 횡방향 매니폴드는 길이방향 매니폴드 아래에, 그 중심 파트에서 연결되는 상기 매니폴드의 평면에 대해 평행한 평면에 배치될 수 있고; 각각의 길이방향 매니폴드는 그 단부에서 폐쇄되고, 따라서 횡방향 매니폴드의 양측 상에 위치되는 길이방향 매니폴드의 2개의 파트는 공통 출구를 통해 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방된다.

노에서, 버너의 화염과 개질 튜브의 내측 사이의 열 전달은 프로세스의 효율에 주요한 역할을 하며, SMR 노가 화염과 튜브 사이의 가능한 한 가장 균질한 열 전달을 보장하는 방식으로 설계되더라도, 노의 제조, 및 튜브의 충전의 차이는 개질 프로세스의 효율 감소에 영향을 미치는, 튜브 사이의 온도의 분산(또는 확산)을 야기한다.

다양한 튜브 사이의 온도의 분산이 추정될 수 있다면, 이는 감소될 수 있고; 서로 독립적으로 버너의 파워에 작용함으로써, 또는 각각의 개질 튜브에 공급되는 공급원료 가스의 유량을 조정함으로써, 이는 교정적(curative)으로 해결된다.

그러나, 어떤 교정적 방법을 사용하든, 그 효율은 안정적이고 우수한 품질의 온도의 이용 가능성에 의해 달라지게 된다.

통상적으로, 이러한 온도를 획득하기 위해 노의 챔버에서, 스킨 온도(skin temperature)라 불리는, 튜브의 외측 상에서의 개질 튜브의 벽의 온도가 측정된다. 이러한 온도는 예를 들어,

● 고온계를 사용하거나

● 예를 들어, 3.1 ㎛의 파장에서 작동하는 적외선(IR) 카메라를 사용하거나,

● 튜브의 상이한 고도에서 튜브에 접촉 열전대(contact thermocouple)를 용접함으로써 얻어질 수 있다.

그러나, 측정이 어려운 환경 및 대략 1200℃에서의 고온의 연소 챔버에서, 이러한 측정을 하는 것은 어렵다.

또한, 튜브의 내측의 온도를 측정하는 것이 가능하지만, 이러한 측정은 구현하기가 까다롭다: 설치된 측정 시스템은 촉매의 스택을 개질하여, 우선적인 통로(preferential passage)를 생성하고, 따라서 국소적으로 핫 스팟(hot spot)을 생성하며, 추가로 개질 튜브에 상단으로부터 가스 공급원료도 공급되는 상단 가열 노(top-heated furnace)에 시스템을 실제로 설치하는 것은 까다롭다.

따라서, 개질 튜브의 내측에서 또는 튜브 외측의 노의 챔버에서 측정을 행하지 않으면서, 각각의 개질 튜브의 대표적 온도를 개별적으로 측정하는 것을 가능하게 하는 수단에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명자는 개질 튜브의 출구 근처의 길이방향 매니폴드에서 합성 가스의 거동(특히, 그것이 인접한 튜브로부터의 합성 가스 및/또는 길이방향 매니폴드에서 순환하는 합성 가스와 바로 혼합되지 않는다는 사실)이 어떤 튜브이든, 튜브의 출구에서 길이방향 매니폴드 내의 합성 가스 온도를 측정함으로써, 상기 튜브의 특정 온도의 측정을 가능하게 한다는 것을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 개질 튜브의 마우스(mouth)에서의 길이방향 매니폴드 내의 합성 가스에서, 튜브를 떠나는 합성 가스의 온도를 나타내는 온도 측정을 행하는 것이다. 측정은 설치의 안전성을 위협하지 않으면서 합성 가스 생산의 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 각각의 튜브를 개별적으로 떠나는 신가스의 온도를 나타내고 매니폴드에서 행해지는 이러한 측정은 특히, 서로 간의 튜브의 거동의 차이, 및 그에 따라 튜브 사이의 열 전달의 불균질성을 강조할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 제1 양태는 스팀 메탄 개질 노에 존재하는 적어도 하나의 개질 튜브에 대한 특정 온도를 측정하기 위한 시스템으로서, 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브에는 기체 반응 혼합물이 입구에서 공급되고, 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브는 튜브 출구에서 합성 가스를 생산하고, 길이방향 튜브형 매니폴드의 세트가, 생산된 합성 가스를 수집하도록 상기 열 아래의, 튜브의 열에 수직인 평면에 배치되고, 주어진 열의 튜브는 그와 연관된 길이방향 매니폴드 쪽으로 개방되고, 모든 길이방향 매니폴드는 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방되고, 모든 길이방향 매니폴드 및 횡방향 매니폴드는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템을 형성하고, 시스템은 튜브의 적어도 하나의 열에 대해,

● 적어도, 튜브 출구에서 적어도 하나의 합성 가스 온도를 측정하기 위한 수단으로서, 상기 튜브의 열과 연관된 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 적어도, 상기 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 온도 데이터를 획득하도록 적어도 하나의 온도 센서를 구비하는 튜브형 형상의 제1 파트로서, 상기 센서는 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 열의 개질 튜브의 마우스에서 합성 가스 내에 위치설정되는, 제1 파트, 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 전달을 보장할 수 있는 제1 파트를 길이방향 매니폴드의 외측으로 제3 파트까지 연장하는 제2 파트, 수단의 제1 파트에 의해 획득되고 수단의 제2 파트에 의해 전달된 데이터로부터 온도를 계산하기 위한 기구를 포함하는 제3 파트를 포함하는, 수단,

● 매니폴드 쪽으로 개방되는 다른 튜브로부터 나오는 합성 가스와 혼합되기 전에 튜브의 마우스에서 합성 가스의 유동 내에서의 위치설정을 보장하는, 길이방향 매니폴드에서 온도 센서를 위치설정하기 위한 수단,

● 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템에 관한 것이다.

따라서, 측정 시스템은 튜브의 출구에서 또는 열을 지어 상기 튜브의 출구에서 정확하게 위치설정된 온도 센서의 세트에 의해 복수의 열의 개질 튜브의 온도를 측정하는 것을 가능하게 한다. 노에서 튜브의 하나의 열, 복수의 열 또는 모든 열을 설치하는 것이 가능하고; 구비된 열에서는, 하나의 튜브, 복수의 튜브 또는 모든 튜브에서 온도를 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 모든 튜브 또는 선택된 튜브의 출구에서 모든 합성 가스 온도에 액세스하는 것이 가능할 것이다.

이전 단락에서 개시된 특징 외에, 본 발명의 제1 양태에 따른 온도 측정 시스템은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합으로 고려되는, 다음 중 하나 이상의 추가적인 특징을 가질 수 있다.

하나의 비제한적인 구현예에 따르면,

● 튜브의 적어도 하나의 열에 대해, 시스템은 하나 이상의 측정 수단을 포함하고, 측정 수단의 제1 파트는 전용 위치설정 수단을 사용하여 출구 합성 가스의 온도를 측정하는, 튜브의 마우스에 위치설정된 단일 온도 센서를 구비하고, 제1 파트를 연장하고 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 기구로의 전달을 보장할 수 있는, 측정 수단의 제2 파트는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 시일링된 출구 수단을 갖고,

● 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치된 측정 수단은, 측정 수단의 제1 파트를 따라 배치된 복수의 센서를 갖는 다중지점 측정 수단이며 이에 따라 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 튜브의 마우스에 배치되고,

● 개질 튜브의 출구에서 합성 가스 온도를 측정하는 센서는, 매니폴드 쪽으로 개방되는 튜브의 축을 따라, 튜브의 내경(튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳에서 측정됨)의 2배의 최대 거리(튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳으로부터 측정됨)를 두고 매니폴드에 위치설정되고,

● 센서의 위치설정은 제1 파트에서 측정 수단을 매니폴드에 전체적으로 체결하는 것을 보장하는 온도 측정 수단의 제1 파트를 따라 분포된 복수의 체결 수단을 통해 보장되고,

● 전체적으로 체결하는 것을 보장하는 체결 수단은 측정 수단이 안착되는 지지 요소, 및 지지 요소에 강성으로 연결되고 매니폴드의 또는 매니폴드 쪽으로 개방되는 개질 튜브의 적어도 하나의 고정 지점에 강성으로 연결되는 위치설정 피스를 포함하고,

● 위치설정 피스는 지지 요소를 매니폴드의 벽에 연결하고 이것이 제위치에 중심을 두고 유지되도록 보장하는 하나 이상의 강성 파트로 구성되고,

● 체결 수단은 매니폴드에서 수직으로 종결되는 튜브 출구에 위치설정되고, 위치설정 피스는, 튜브의 내벽에 또는 튜브에 고정된 요소 자체에, 예를 들어 촉매 지지부에 체결됨으로써 튜브의 상부 단부에서 고정되고, 튜브의 하부 단부에서는 측정 수단이 안착되는 지지 요소에 고정되는 강성 샤프트로 구성되고,

● 측정 수단의 제2 파트는 플랜지에 의해 폐쇄된 길이방향 매니폴드의 단부로부터 직접 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 빠져나가고, 상기 플랜지는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구비하고,

● 측정 수단의 제2 파트는 길이방향 매니폴드에 연결된 횡방향 매니폴드를 통해 횡방향 매니폴드의 벽을 통과하여, 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 빠져나가고, 상기 벽은 이러한 통과를 위해, 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구비하고,

● 온도 측정 수단은 섬유 브래그 격자 타입(fiber Bragg grating type)이고,

● 측정 수단은 다중지점 열전대 타입이다.

본 발명의 제2 양태는, 스팀 메탄 개질 노에 존재하는 적어도 하나의 튜브의 열의 적어도 하나의 개질 튜브의 특정 온도를 측정하는, 선행하는 단락에 언급된 바와 같은 온도 측정 시스템 중 어느 하나를 구현하는 적어도 하나의 개질 튜브에 대해 상기 특정 온도를 측정하기 위한 방법으로서, 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브에는 기체 탄화수소 및 스팀이 공급되고, 상기 합성 가스는 튜브의 저부 출구에서 회수되고, 합성 가스는 그와 연관된 튜브의 열 아래에 배치된 길이방향 매니폴드에서 수집되고, 모든 길이방향 매니폴드는 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방되며, 튜브의 적어도 한 열의 적어도 하나의 튜브에 대해, 튜브 출구에서 합성 가스 온도는 적어도,

● 상기 튜브의 열과 연관된 매니폴드의 길이를 따라 배치된 측정 수단으로서, 상기 수단은 적어도, 상기 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 온도 데이터를 획득하도록 적어도 하나의 온도 센서를 구비하는 튜브형 형상의 제1 파트로서, 상기 센서는 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 열의 개질 튜브의 마우스에서 합성 가스 내에 위치설정되는, 제1 파트, 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 전달을 보장할 수 있는 제1 파트를 길이방향 매니폴드의 외측으로 제3 파트까지 연장하는 제2 파트, 수단의 제1 파트에 의해 획득되고 수단의 제2 파트에 의해 전달된 데이터로부터 온도를 계산하기 위한 기구를 포함하는 제3 파트를 포함하는, 측정 수단,

● 매니폴드 쪽으로 개방되는 다른 튜브로부터 나오는 합성 가스와 혼합되기 전에 튜브의 마우스에서 합성 가스의 유동 내에서의 위치설정을 보장하는, 길이방향 매니폴드에서 온도 센서를 위치설정하기 위한 수단,

● 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구현함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는, 방법에 관한 것이다.

본 발명은 다음의 설명을 읽고 첨부 도면을 연구함으로써 더 잘 이해될 것이며, 이는 지시의 방식으로 주어지고 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다.
[도 1]은 다중지점 열전대의 개략도를 도시한다.
[도 2]는 섬유 브래그 격자의 개략도를 도시한다.
[도 3]은 개질 튜브의 열에 의해 생산된 신가스를 수집하기 위한 시스템의 예의 3차원 개략도이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 다중지점 타입의 온도 측정 시스템을 구비한, 이전 도면의 신가스 수집 시스템의 측면 개략도이다.
[도 5]는 튜브의 열의 출구에서의 신가스의 거동의 시뮬레이션에 대한 개략도이다.
[도 6]은 개질 튜브의 마우스에서의 매니폴드에서 온도 센서의 체결에 대한 개략도의 예 (a, b)를 함께 그룹화한다.

도면은 이제 상세히 제시되며; 달리 지시되지 않는 한, 상이한 도면에 나타난 동일한 요소는 동일한 고유 참조 부호를 갖는다.

도 1은 다중지점 열전대(1)를 도시하며, 이는, 예를 들어 Inconel® 타입의 주변 조건(고온, 부식)을 견딜 수 있는 내화성 금속 합금으로 제조된 쉘(2)을 포함하는 전체 시스(sheath)의 형태이며, 쉘의 하나의 단부는 폐쇄되고, 반대쪽 단부는 개방되며, 쉘은 복수의 열전대가 수용될 내부 공간을 한정하고(도면에 도시된 예에서는 5개, 3a, 3b,..., 3e로 참조됨), 각각의 열전대는 금속 전도체(실선으로 나타낸 제1 전도체(4) 및 파선으로 나타낸 제2 전도체(5))의 쌍으로 구성되고(열전대(3a)로 참조됨)), 2개의 전도체는 상이한 전기 전도도의 재료로 구성되고 접합 지점(도면에서 열전대(3a)에 대해 6a, 및 열전대(3e)에 대해 6e로 참조됨)으로 불리는 지점에서 연결된다. 열전대 사이의 공간은 유리하게는, 무기 산화물 타입의 절연 재료, 예를 들어 MgO 로 충전된다. 제시된 바와 같은 다중지점 시스템은 다음의 원리에 따라 작동한다: 전도체의 각각의 쌍에 대한, 각각의 열전대(3a, ..., 3e)에 대해, 접합 지점(즉, 6a, ..., 6e)은 온도 센서를 구성한다. 측정 시스템의 각각의 열전대에 대해, 센서에 의해 수신된 정보는, 전도체의 쌍이 기구(7)(예를 들어, 열전대 각각에 대해, 대응하는 온도를 계산하는 것을 가능하게 하는 변환기와 커플링되는, 2개의 금속 사이의 접합부에서의 센서에서 생성된 전위차를 측정하는 전압계)에 연결되는 쉘(2)의 개방 단부까지 전도체를 따라 송신될 것이다. 다중지점 측정 시스템이 설계되고 열전대는 시스에 배치되며, 그에 따라 매니폴드에서 시스템의 설치 동안, 센서(도면의 예에서 6a 내지 6e)는 온도 측정이 행해질 사전 정의된 위치에 대응하는 금속 쉘(2)을 따라 정확한 길이방향 위치에 배치된다. 전도체의 쌍의 수는 필요에 따라 선택된다(여기서는 5개가 단순히 예시에 의해 제공됨). 구비될 튜브의 수는, 하나에서 열을 지은 튜브의 총 수의 사이의 수이다. 쉘(2)의 직경은 포함된 열전대의 수에 좌우될 것이며, 1/4 인치(6.35 mm)의 바깥지름을 갖는 재킷은 최대 16개의 열전대를 포함할 수 있다.

도 2는 측정 지점으로서 작용하는 브래그 격자(22a, 22b, ...)가 새겨진(inscribed) 매우 미세한 광섬유(21)(대략 0.1 mm의 직경)를 포함하는 섬유 브래그 격자 타입의 다중지점 온도 측정 시스템(20)을 도시한다. 전형적으로 1400 내지 1700 nm 범위의 파장은 각각의 브래그 격자와 연관된다. 브래그 격자는 파장 다중화(wavelength multiplex)되고, 인터로게이터 타입의 기구(23)에 의해 동시에 인터로게이팅될 수 있다. 광섬유 및 브래그 격자 조립체는 가혹한 조건(최대 950℃의 온도, 약 30 bar의 압력 및 주로 H₂, CO 및 잔류물을 갖는 신가스의 전형적인 조성)을 견딜 수 있는 금속 쉘(24)에서 보호된다. 섬유 브래그 격자 타입의 다중지점 온도 측정 시스템의 주요 이점은 섬유에 새겨진 격자의 수와는 무관하게 크기가 매우 작다는 것이다.

도 3은 SMR 개질기의 튜브의 열의 개질 튜브(31)에서 생산된 합성 가스(신가스)(S)를 수집하기 위한 디바이스(30)를 도시한다. 튜브의 단지 하나의 열 및 하나의 길이방향 매니폴드(32)가 도면에 도시되고; 실제로, 길이방향 매니폴드의 수는 노에서 튜브의 열의 수에 대응한다. 각각의 튜브 출구는 길이방향 매니폴드(32) 쪽으로 개방되고, 따라서 이는 열의 튜브에 의해 생산된 모든 신가스(S)를 수집한다. 매니폴드(32)에 대한 튜브의 연결은 직접 또는 연결 피스를 통해 행해진다. 연결 피스는 상이한 형상을 가질 수 있고; 그것은 직선형일 수 있고, 이 경우 (도면에서와 같이) 길이방향 매니폴드에서 수직으로 종결되거나, 그렇지 않다면 이 경우에는 그것은 수직에 대해 비스듬히 매니폴드에서 종결된다. 다양한 매니폴드(32)에 수집된 모든 신가스는, 그 후 개질기의 다양한 매니폴드(32)가 연결되는 횡방향 매니폴드(33)에서 회수된다. 횡방향 매니폴드(33)는 따라서 모든 튜브에서 생산된 신가스를 프로세스의 나머지 부분으로 운반한다. 도면에 도시된 구성에서, 횡방향 매니폴드(33)는 길이방향 매니폴드의 하나의 단부에 위치설정되고; 따라서 각각의 길이방향 매니폴드(32)는 횡방향 매니폴드(33) 쪽으로 개방된 하나의 단부를 갖고, 그의 다른 단부(도시되지 않음)는 플랜지에 의해 폐쇄된다.

도 4는 본 발명에 따른 다중지점 측정 시스템을 도시한다. 측정 수단(40)은 5개의 튜브에 의해 생산된 신가스의 수집을 위해 선행 도면에 제시된 타입의 신가스 수집 디바이스를 구비한다. 측정 수단(40)은 매니폴드(32)에 배치되고, 여기서 튜브 출구에서의 신가스 온도를 결정하는 것이 요망되는 각각의 튜브에 대해(즉, 4개의 튜브에 대한 도면의 예에서, 도면의 좌측으로부터 두 번째의 튜브에 대해서는 측정이 행해지지 않음) 시스템은 튜브의 출구에서 신가스 내에 위치설정된 센서(41)에 의해 데이터를 획득한다. 측정 수단의 이러한 제1 파트는 튜브 출구에서 합성 가스의 온도가 측정되는 튜브의 출구에서 합성 가스 내에 위치설정된 4개의 표면 온도 센서를 포함한다. 측정 수단(40)은 이러한 제1 파트를 넘어서 제2 파트까지 연장되는데, 그 기능은 측정 구역을 너머에서 획득된 모든 데이터를, 먼저 매니폴드(32) 내로, 그 후 횡방향 매니폴드(33) 내로 그리고 횡방향 매니폴드(33)의 벽을 통해 나아가게 하여 외측을 향해 전달하는 것이며(도면에 의해 도시된 해결책); 대안적인 해결책은 플랜지(48)를 통과하는 것으로 이루어진다(도면에 의해 도시되지 않은 해결책). 모든 경우에 벽 또는 플랜지를 통과하는 동안 시일링이 보장되는 것에 유의해야 한다. 도면에 도시된 해결책을 고려하면, 시스템의 제2 파트는 45에서 매니폴드에 용접된 탭핑 수단(44)을 통해 횡방향 매니폴드의 벽을 통과한다. 매니폴드는 가혹한 압력(대략 30 bar) 및 온도(800℃ 초과) 조건, 및 수소 및 일산화탄소가 풍부한 환경에 노출되기 때문에, 수단(42)은 벽을 통한 다중지점 측정 시스템의 통과 동안 시일링을 보장한다. 그 외에도, 조건(압력, 온도, 조성)은 외측 분위기의 조건이며, 다중지점 측정 수단은 예를 들어 온도가 시각화될 수 있는 설비의 제어실에 원격으로 배치된 기구(43)까지 전달 케이블(47)을 통해 완전히 안전하게 연결될 수 있다. 이러한 전달 케이블은, 설비의 치수가 그와 같이 요구될 때, 대략 100 m 이상의 길이를 가질 수 있다. 적합한 인터페이스를 구비하는 적절한 기구(그 자체가 알려져 있는 변환기 또는 인터로게이터 타입의 기구)가 센서에 의해 측정된 정보를 온도 측정치로 변환할 것이다.

또한, 특히 열전대를 사용하는 경우, 다중지점 시스템 대신에 복수의 독립적인 수단을 사용하는 것이 가능하지만, 이러한 해결책은 매니폴드에 설치될 독립적인 열전대의 수가 적으면 무익하고, 즉 열 당 (구비될) 튜브의 수가 제한되는 개질기에 대해, 열 당 설치될 열전대의 수가 증가하면 독립적인 열전대를 사용하는 디바이스의 용적(bulk)이 과도해진다는 것에 주목해야 한다. 대형 개질 노에 대해, 따라서 매우 제한된 수의 튜브에 대해서만 튜브의 출구에서의 신가스 온도를 아는 것이 요망되는 경우를 제외하고는 다중지점 시스템이 바람직할 것이다.

길이방향 매니폴드에 복수의 다중지점 측정 시스템을 설치하는 것도 가능하다. 예를 들어, 많은 수의 튜브를 장착하는 것이 요망되는 긴 열에 대해, 하나 및 동일한 열 상에 2개 이상의 시스템을 설치하여 파트 베어링 센서의 용적 및 길이를 제한하는 것이 유리할 수 있다.

도 5는 튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳에 대한 위치를 결정하기 위해 실현된, 튜브의 출구에서의 합성 가스의 거동에 대한 시뮬레이션 결과를 도시하며, 여기서 센서는 이러한 위치에서 순환하는 유체에서, 튜브를 떠나는 신가스(즉, 튜브를 떠나는 합성 가스와 이웃 튜브로부터의 합성 가스의 혼합이 이전에 존재한 적이 없고/없거나 매니폴드에서 순환이 존재하지 않음)를 나타내는 데이터를 수집하도록 배치되어야 한다. 따라서, 시뮬레이션의 목적은 튜브를 떠나는 합성 가스가 다른 튜브로부터 나오는 합성 가스와 아직 혼합되지 않은 구역을 튜브 출구에서의 매니폴드에서 강조하는 것이었으며; 따라서 시뮬레이션은 튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 합성 가스의 온도로서 온도가 측정될 구역을 강조한다. 이 위치는 센서가 위치설정될 곳이다.

이를 위해, 작동 시의 노의 조건에 대응하는 조건 하에서 튜브의 출구에서의 신가스의 거동의 시뮬레이션이 29개의 튜브의 열에 대해 실현되었다(단지 7개의 튜브만이 도면에 도시됨). 본 발명에 따른 온도 측정이 유의미하기 위해서는, 센서의 배치를 위해 선택된 위치가, 튜브를 떠나는 가스의 유동에 의해 생성된 제트의 코어에 대응해야 하며, 여기서 튜브를 떠나는 가스의 제트는 그 주변에 의해 방해받지 않아야 한다. 대응하는 구역을 식별하기 위해, 튜브의 입구에 트레이서(tracer)를 주입하였고(그 존재는 도면에서 흑색으로 강조됨), 튜브의 출구에서 트레이서의 거동을 관찰하여, 트레이서가 아직 매니폴드에 존재하는 가스와 혼합되지 않은, 튜브의 출구 바로 부근의 매니폴드에서 유체의 비혼합 구역의 존재를 강조하였다. 트레이서는 따라서 합성 가스의 기원을 시각화하는 것을 가능하게 한다.

따라서, 도시된 튜브 각각에 대해, 튜브를 떠나는 합성 가스(도면에서 흑색)는 이웃 튜브로부터의 합성 가스와 빠르게 혼합되지 않는 경향이 있고; 튜브 각각에 대해, 튜브의 축을 따라 제1 거리에 걸쳐 초기에 유동한 후, 가스 유동은 그 후 다양한 튜브에 대해 비슷한 방식으로 비말동반되지만, 매니폴드에서 순환하는 총 스트림의 방향으로 혼합되지 않고, 튜브로부터의 모든 가스 유동은 그 후 튜브의 출구로부터 거리를 두고, 매니폴드에서 순환하는 총 유동과 혼합된다.

주어진 개질 튜브에 대해, 매니폴드에 배치된 센서가 이러한 상기 튜브를 떠나는 신가스의 온도에 대응하는 신가스 온도 측정을 제공하도록, 튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 튜브 출구 축(튜브 출구 축은 그 단부에서 튜브의 벽에 평행하고 그 중심을 통과하는 축을 의미하는 것으로 이해됨)의 연장부에, 그리고 매니폴드 쪽으로 개방되는 튜브의 직경의 2배 이하의 거리에 센서가 배치되어야 한다는 것은, 튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 합성 가스 스트림의 거동의 이러한 시뮬레이션으로부터 드러나며; 튜브의 출구 축은 가스가 매니폴드에 진입하면서 유동하는 축이다.

고려되어야 하는 직경은 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳에서의 튜브(또는 하나가 존재할 때는 연결 피스)의 직경이며, 개질 촉매를 포함하는 파트에서의 튜브의 직경은 아니다.

또한, 튜브로부터 빠져나가는 것이 수직에 대해 비스듬히 매니폴드에서 종결되는 연결 피스를 통해 실행된다면, 가스 스트림이 매니폴드로 진입하는 위치에서의 튜브에서 생산되는 가스 스트림의 방향이기도 한 "튜브 출구 축"의 방향은 이러한 동일한 각도로 정의되며, 센서의 위치설정 거리는 이러한 방향으로 측정된다.

도 6의 도면은 측정 수단을 매니폴드에 체결하기 위한 수단의 2개의 개략적인 예 (a) 및 (b)를 도시한다. 이들 체결 수단은 매니폴드에서 측정 수단 전체의 위치설정을 보장하고, 특히 튜브의 출구 축을 따라, 선택된 거리를 두고, 개질 튜브의 마우스에 다양한 온도 센서를 위치설정한다. 제시된 예에서, 센서는 센서가 튜브 출구에서 신가스 온도를 측정하는 튜브의 축에 대해 수직으로 매니폴드(32)에 배치된다.

예 (a)에서, 위치설정은 촉매(61)의 지지부에 연결된 체결 케이블(60)(대략 2 내지 3 mm의 직경)에 의해 보장되며(이는 촉매가 튜브에 유지되는 것을 보장함을 의미함); 그것은 매니폴드(대략 1 m 내지 1.5 m의 거리)까지 수직으로 개질 튜브를 연장하는 연결 피스(31) 내로 하강하고, 그 후 연결 피스의 내부 직경의 2배에 상응하는 60 mm의 최대 길이(튜브를 떠나는 합성 가스가 매니폴드 또는 이웃 튜브로부터의 합성 가스와 혼합되는 것을 방지하는 짧은 거리)에 걸쳐 길이방향 매니폴드(32) 내로 하강한다. 케이블에는 그 단부에서 측정 수단을 제위치에 수용하고 유지할 수 있는 지지 요소(64)가 제공된다. 본원에 제시된 지지 요소의 예는 후크의 형태이고, 측정 수단은 상기 후크의 리세스에 체결된다. 측정 시스템의 체결은 시스템의 모든 센서(41)의 정확한 위치설정을 보장하는 방식으로 실현된다. 케이블은 튜브에 존재하는 임의의 다른 금속 피스에 연결될 수 있거나, 매니폴드에 대한 연결을 위해 피스 또는 튜브의 벽에 용접 또는 드릴링에 의해 체결될 수 있다. 단, 케이블의 길이는 그에 맞춰 조정되고, 체결 수단(체결 요소(64)의 기하학적 형상과 조합된 튜브 + 케이블에 대한 체결 지점)은 튜브 출구 축과 센서(41)의 정렬을 보장한다. 튜브에(또는 연결 피스에) 위치된 앵커 지점으로부터 체결하는 이러한 방법은 튜브가 매니폴드에서 수직으로 종결되는 경우에 특히 적합하다. 다른 경우에, 체결 케이블(60)은 튜브 출구 축을 따라 센서(41)의 위치설정을 보장하도록 유지되어야 하고/하거나 강성이어야 한다(소정 연결 피스의 형상은, 예를 들어 수평 축을 따라 튜브 출구로 이어진다는 것을 상기할 것).

측정 수단은 강성 외부 쉘을 갖는 외부 쉘을 가지며; 매니폴드에서의 그 체결을 보장하는 데 필요한 체결 지점의 수는 그 중량에 좌우될 것이다. 각각의 튜브에는 예 (a)에 따른 체결 수단이 구비될 수 있지만, 인접한 튜브는 가깝고(2개의 튜브 사이의 거리는 대략 300 mm임), 체결 지점이 서로 그와 같이 가까워지게 할 필요는 없다. 일반적으로, 체결 수단은 조립체의 스티프니스를 손상시키지 않으면서 1 내지 수 미터만큼 이격될 수 있다.

예 (b)에서, 측정 수단은 매니폴드의 벽에 체결된다. 보다 구체적으로, 위치설정 피스는 이 경우에 측정 수단을 제위치에 수용하여 유지할 수 있는 지지 요소(64)에 길이방향 매니폴드의 내부 벽의 지점을 연결하는 연결 피스(브릿지)(63)에 의해 형성된 조립체이며; 도시된 체결 요소(64)는 U형상의 피스이고, 측정 시스템은 상기 피스의 리세스에 체결된다(이는 명백하게 형상의 일례일 뿐이다).

매니폴드의 벽과 체결 부재 사이의 연결은 지지 브릿지(측정 시스템의 직경과 유사한(즉 열전대를 갖는 시스템에 대해 대략 5 mm의) 직경(또는 섹션)의 원형(또는 다른) 섹션의 측정 시스템을 수용하는 피스(64)에 매니폴드의 벽을 연결하는 세장형 형상의 강성 피스)의 형태의 매니폴드의 벽 상에 있는 단일 지점으로부터, 또는 복수의 지점으로부터 이루어질 수 있고, 이 경우에는 연결 피스의 섹션이 더 작을 가능성이 있다. 매니폴드가 내측으로부터 열적으로 단열되면, 지지 브리지(63)는 바람직하게는 고온 내화성 접착제를 이용하여 매니폴드(32)의 내부 벽에 체결된 하나(또는 그 이상)의 세라믹 피스(들)일 것이다. 매니폴드가 내측로부터 단열되지 않으면, 금속 요소가 사용될 것이다: 지지 브리지(63)는 매니폴드의 내부 벽에 직접 용접될 수 있는 하나(또는 그 이상)의 금속 피스(들)(파이프, 바 등)일 것이다.

바람직하게는, 연속적인 지지 브리지는 엇갈린 방식(좌측에 하나, 우측에 하나), 즉 0.5 미터 내지 수 미터 이격된 2개 이상의 튜브 사이에 위치설정될 것이다. 이러한 체결 방법은 매니폴드에 대해 수직으로 행해지든 수직에 대해 비스듬히 행해지든 매니폴드에 대한 개질 튜브의 연결 방법과는 무관하다는 것에 유념한다.

본 발명은 튜브들이 평행한 열들로 배치되는 이러한 배열에 제한되지 않으며, 이들 각각은 신가스 매니폴드에 연결되고; 이는 예를 들어 원통형 타입의 개질기의 신가스 매니폴드에 적용될 수 있다. 이러한 구성(미도시)에서, 원형 배열로 수직으로 배치된 개질 튜브는 그 출구에서 단일 링 형상의 매니폴드에 연결된다. 신가스는 회수 파이프라인을 통해 배출된다. 본 발명에 따른 온도 측정 시스템은 직선 매니폴드와 동일한 방식으로 원형 매니폴드에 설치될 수 있으며; 센서를 위치설정하기 위한 동일한 수단이 사용될 수 있다. 매니폴드의 외측에서 측정된 데이터의 전달은 전술된 바와 같이 전달 케이블에 연결된 매니폴드의 벽을 통과하는 시일링된 출구를 통해 행해질 수 있다.

Claims (13)

1. 스팀 메탄 개질 노(furnace)에 존재하는 적어도 하나의 개질 튜브에 대한 특정 온도를 측정하기 위한 시스템으로서,
   ● 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브에는 기체 반응 혼합물이 입구에서 공급되고, 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브는 튜브 출구에서 합성 가스를 생산하고,
   ● 길이방향 튜브형 매니폴드의 세트가, 생산된 합성 가스를 수집하도록 상기 열 아래의, 튜브의 열에 수직인 평면에 배치되고, 주어진 열의 튜브는 그와 연관된 길이방향 매니폴드 쪽으로 개방되고, 모든 길이방향 매니폴드는 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방되고, 모든 길이방향 매니폴드 및 횡방향 매니폴드는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템을 형성하며,
   시스템은 튜브의 적어도 하나의 열에 대해, 적어도,
   ● 튜브 출구에서 적어도 하나의 합성 가스 온도를 측정하기 위한 수단으로서, 상기 튜브의 열과 연관된 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 적어도,
   ○ 상기 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 온도 데이터를 획득하도록 적어도 하나의 온도 센서를 구비하는 튜브형 형상의 제1 파트로서, 상기 센서는 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 열의 개질 튜브의 마우스(mouth)에서 합성 가스 내에 위치설정되는, 제1 파트;
   ○ 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 전달을 보장할 수 있는 제1 파트를 길이방향 매니폴드의 외측으로 제3 파트까지 연장하는 제2 파트;
   ○ 수단의 제1 파트에 의해 획득되고 수단의 제2 파트에 의해 전달된 데이터로부터 온도를 계산하기 위한 기구(instrumentation)를 포함하는 제3 파트를 포함하는, 수단;
   ● 매니폴드 쪽으로 개방되는 다른 튜브로부터 나오는 합성 가스와 혼합되기 전에 튜브의 마우스에서 합성 가스의 유동 내에서의 위치설정을 보장하는, 길이방향 매니폴드에서 온도 센서를 위치설정하기 위한 수단;
   ● 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
2. 제1항에 있어서, 튜브의 적어도 하나의 열에 대해, 시스템은 하나 이상의 측정 수단을 포함하고, 측정 수단의 제1 파트는 전용 위치설정 수단을 사용하여 출구 합성 가스의 온도를 측정하는, 튜브의 마우스에 위치설정된 단일 온도 센서를 구비하고, 제1 파트를 연장하고 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 기구로의 전달을 보장할 수 있는, 측정 수단의 제2 파트는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 시일링된 출구 수단을 갖는, 측정 시스템.
3. 제1항에 있어서, 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치된 측정 수단은, 측정 수단의 제1 파트를 따라 배치된 복수의 센서를 갖는 다중지점 측정 수단이며 이에 따라 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 튜브의 마우스에 배치되는, 측정 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 튜브의 출구에서 합성 가스 온도를 측정하는 센서는, 매니폴드 쪽으로 개방되는 튜브의 축을 따라, 튜브의 내경(튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳에서 측정됨)의 2배의 최대 거리(튜브가 매니폴드 쪽으로 개방되는 곳으로부터 측정됨)를 두고 매니폴드에 위치설정되는, 측정 시스템.
5. 제4항에 있어서, 센서의 위치설정은 제1 파트에서 측정 수단을 매니폴드에 전체적으로 체결하는 것을 보장하는 온도 측정 수단의 제1 파트를 따라 분포된 복수의 개별 체결 수단을 통해 보장되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
6. 제5항에 있어서, 전체적으로 체결하는 것을 보장하는 개별 체결 수단은 측정 수단이 안착되는 지지 요소, 및 지지 요소에 강성으로 연결되고 매니폴드의 또는 매니폴드 쪽으로 개방되는 개질 튜브의 적어도 하나의 고정 지점에 강성으로 연결되는 위치설정 피스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
7. 제6항에 있어서, 위치설정 피스는 지지 요소를 매니폴드의 벽에 연결하고 이것이 제위치에 중심을 두고 유지되도록 보장하는 하나 이상의 강성 파트로 구성되는, 시스템.
8. 제6항에 있어서, 체결 수단은 매니폴드에서 수직으로 종결되는 튜브 출구에 위치설정되고, 위치설정 피스는, 튜브의 내벽에 또는 튜브에 고정된 요소 자체에, 예를 들어 촉매 지지부에 체결됨으로써 튜브의 상부 단부에서 고정되고, 튜브의 하부 단부에서는 측정 수단이 안착되는 지지 요소에 고정되는 강성 샤프트로 구성되는, 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 수단의 제2 파트는 플랜지에 의해 폐쇄된 길이방향 매니폴드의 단부로부터 직접 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 빠져나가고, 상기 플랜지는 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구비하는, 시스템.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 수단의 제2 파트는 길이방향 매니폴드에 연결된 횡방향 매니폴드를 통해 횡방향 매니폴드의 벽을 통과하여, 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 빠져나가고, 상기 벽은 이러한 통과를 위해, 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구비하는, 시스템.
11. 제1항 또는 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 온도 측정 수단은 섬유 브래그 격자 타입(fiber Bragg grating type)인, 시스템.
12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 온도 센서는 열전대 타입인, 시스템.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 청구된 온도 측정 시스템을 구현하는 적어도 하나의 개질 튜브에 대해 특정 온도를 측정하기 위한 방법으로서, 스팀 메탄 개질 노에 존재하는 튜브의 적어도 하나의 열의 적어도 하나의 개질 튜브의 출구에서의 합성 가스의 온도를 측정하는 방법이되,
    ● 수직으로 열을 지어 배치된 개질 튜브에는 기체 탄화수소 및 스팀이 공급되고,
    ● 상기 합성 가스는 튜브의 저부 출구에서 회수되고,
    ● 합성 가스는 그와 연관된 튜브의 열 아래에 배치된 길이방향 매니폴드에서 수집되고, 모든 길이방향 매니폴드는 횡방향 매니폴드 쪽으로 개방되며,
    튜브의 적어도 한 열의 적어도 하나의 튜브에 대해, 튜브 출구에서 합성 가스 온도는 적어도,
    ● 상기 튜브의 열과 연관된 매니폴드의 길이를 따라 배치된 측정 수단으로서, 상기 수단은 적어도,
    ○ 상기 길이방향 매니폴드의 길이를 따라 배치되고, 온도 데이터를 획득하도록 적어도 하나의 온도 센서를 구비하는 튜브형 형상의 제1 파트로서, 상기 센서는 출구 합성 가스의 온도가 측정되는 열의 개질 튜브의 마우스에서 합성 가스 내에 위치설정되는, 제1 파트;
    ○ 센서에 의해 획득된 온도 데이터의 전달을 보장할 수 있는 제1 파트를 길이방향 매니폴드의 외측으로 제3 파트까지 연장하는 제2 파트;
    ○ 수단의 제1 파트에 의해 획득되고 수단의 제2 파트에 의해 전달된 데이터로부터 온도를 계산하기 위한 기구를 포함하는 제3 파트를 포함하는, 측정 수단;
    ● 매니폴드 쪽으로 개방되는 다른 튜브로부터 나오는 합성 가스와 혼합되기 전에 튜브의 마우스에서 합성 가스의 유동 내에서의 위치설정을 보장하는, 길이방향 매니폴드에서 온도 센서를 위치설정하기 위한 수단;
    ● 합성 가스를 수집하기 위한 시스템의 외측을 향해 측정 수단의 제2 파트에 대한 시일링된 출구 수단을 구현함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는, 방법.

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