KR20240011087A - 복합 개질기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어질 수 있는 복합 개질기를 제공한다. 또한, 제1 촉매 튜브가 U자형으로 형성되고, U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비됨에 따라 개질 효율을 높일 수 있는 복합 개질기를 제공한다.
Description
본 발명은 복합 개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어질 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.
또한, 바이오가스를 개질해야 하는 경우에도 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 스팀메탄 개질기로 공급해야 하므로, 이산화탄소 제거를 위한 별도의 설비가 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어질 수 있는 복합 개질기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 제1 촉매 튜브가 U자형으로 형성되고, U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비됨에 따라 개질 효율을 높일 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, 상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;와, 상기 본체의 내부에 배치되고 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부; 및 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 연결하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브로부터 배출되는 가스와 스팀을 상기 복수의 제2 촉매 튜브로 분배하기 위한 제1 분배기;를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 각 U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기를 제공한다.
실시 예에 따라, 상기 승온부는 상기 U자형 튜브 중 하나의 직선구간에 구비되고, 상기 촉매 개질부는 상기 U자형 튜브 중 다른 하나의 직선구간에 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 탄화수소가스는, 상기 승온부에서 상기 연소가스와 같은 방향으로 유동하고, 상기 촉매 개질부에서 상기 연소가스와 반대 방향으로 유동할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 분배기는, 상기 복수의 제1 촉매 튜브의 배출단과 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 유입단이 연결되는 제1 챔버를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 분배기의 반경방향 내측에 배치되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 배출단이 연결되어 합성가스가 배출되는 합성가스 배출부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기;를 더 포함하며, 상기 제2 분배기는 상기 제1 분배기와 상기 본체를 기준으로 같은 측에 배치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제2 분배기는, 탄화수소가스와 스팀이 공급되는 하나 이상의 공급부와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브의 유입단이 연결되는 제2 챔버를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 합성가스 배출부는 상기 제2 분배기의 반경방향 내측을 관통하도록 연장될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소부는 상기 본체를 기준으로 상기 제2 분배기 및 상기 제1 분배기와 반대 측에 배치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 각 U자형 제1 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소가스를 가이드하도록 상기 복수의 제1 촉매 튜브를 지나는 나선형의 가이드 플레이트;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 가이드 플레이트를 관통하여 끼워질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 가이드 플레이트는 각각의 U자형 제1 촉매 튜브를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트들로 이루어질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브의 외면에는 길이 방향을 따라 핀(fin)이 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 상기 탄화수소가스는 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 상기 탄화수소가스는 메탄과 이산화탄소를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예는, 본체;와, 상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;와, 상기 본체의 내부에 배치되고 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부; 및 상기 복수의 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기;를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 각 U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기를 제공한다.
본 발명에 따르면, 하나의 본체 내에 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 열분해가스와 스팀이 공급되는 경우, 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질됨과 동시에 메탄이 스팀과 반응하여 합성가스로 개질될 수 있다. 이 경우에는, 예비 개질기를 별도로 설치하지 않아도 되므로 구조 및 공정이 간소화된다. 다른 예로, 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우, 메탄이 스팀과 반응하여 합성가스로 개질(습식 개질)됨과 동시에 메탄이 이산화탄소와 반응하여 합성가스로 개질(건식 개질)될 수 있다. 이 경우에는, 바이오가스에서 별도로 이산화탄소를 제거한 후 개질기로 공급하지 않아도 되므로 이산화탄소 제거를 위한 장치가 필요하지 않다.
또한, 복수의 제1 촉매 튜브로부터 배출되는 가스와 스팀을 복수의 제2 촉매 튜브로 분배하기 위한 제1 분배기를 포함함에 따라, 복수의 제2 촉매 튜브로 가스와 스팀을 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 복수의 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기를 포함함에 따라, 복수의 제1 촉매 튜브로 탄화수소가스와 스팀을 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 제1 촉매 튜브가 U자형으로 형성되고, U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비됨에 따라 연소가스로부터의 열흡수량을 최대화하여 개질 효율을 높일 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 정면도,
도 2는 도 1에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도,
도 4는 도 3의 B-B' 단면도,
도 5는 탄화수소가스가 제1 촉매 튜브의 승온부와 촉매 개질부를 통과할 때 연소가스와 탄화수소가스의 온도변화를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 7은 도 6의 다른 실시 예를 도시한 사시도,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 9는 도 8의 다른 실시 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도,
도 4는 도 3의 B-B' 단면도,
도 5는 탄화수소가스가 제1 촉매 튜브의 승온부와 촉매 개질부를 통과할 때 연소가스와 탄화수소가스의 온도변화를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 7은 도 6의 다른 실시 예를 도시한 사시도,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기에서 본체를 생략하고 도시한 사시도,
도 9는 도 8의 다른 실시 예를 도시한 사시도이다.
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 5를 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), 제1 분배기(300), 제2 촉매 튜브(400), 연소부(500), 제2 분배기(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, 제1 온도(T1)에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브(200)와, 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브(400)가 구비된다. 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2)는 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 반응에 따라 다르게 설정될 수 있다.
본 실시 예에서는 제1 촉매 튜브(200)에 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하는 탄화수소가스와 스팀이 공급되며, 제1 촉매 튜브(200)에서 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 제2 촉매 튜브(400)에서 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 경우를 기준으로 설명하도록 한다.
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
여기서, 메탄의 습식 개질 반응은 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 것으로 기재하였으나, 메탄의 습식 개질 반응은 넓은 온도 범위에서 일어날 수 있으므로 제1 촉매 튜브(200)에서도 일부 이루어질 수 있을 것이다.
복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 제1 분배기(300)를 통해 연결되어, 복수의 제1 촉매 튜브(200)로 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 복수의 제1 촉매 튜브(200)로부터 제1 분배기(300)를 통해 복수의 제2 촉매 튜브(400)로 분배되어 차례로 유동될 수 있다. 이때, 제1 분배기(300)를 통해 복수의 제1 촉매 튜브(200)로부터 배출되는 가스와 스팀이 복수의 제2 촉매 튜브(400)로 균일하게 공급될 수 있으며, 이의 구성은 아래에서 자세히 살펴보도록 한다.
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 도면상 하측 중심에는 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 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 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 복수의 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급하는 것이 효과적이다. 이를 위해, 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 복수의 제1 촉매 튜브(200)보다 본체(100)의 반경방향 내측에 위치한다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 실시 예에 따라 연소가스가 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한 후 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급하도록, 제1 촉매 튜브(200)가 제2 촉매 튜브(400)보다 본체(100)의 반경방향 내측에 위치할 수도 있을 것이다.
구체적으로, 도 2 및 4에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 촉매 튜브(200)는 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치된다. 그리고, 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 복수의 제1 촉매 튜브(200)의 반경방향 내측에서 마찬가지로 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치된다. 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)의 개수는 개질기의 크기 등에 따라 변경 가능하다. 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)는 U자형으로 형성된다. 구체적으로, 복수의 제1 촉매 튜브(200) 각각은 도면상 본체(100)의 상측에서 아래를 향해 수직으로 연장된 후 유턴구간(220)을 거쳐 다시 위를 향해 수직으로 연장된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각 U자형 제1 촉매 튜브(200)는 본체(100)의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장될 수 있다.
각 U자형 제1 촉매 튜브(200)에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부(202)와, 촉매 개질되는 촉매 개질부(204)가 구비된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 승온부(202)는 U자형 튜브 중 하나의 직선구간에 구비되고, 촉매 개질부(204)는 U자형 튜브 중 다른 하나의 직선구간에 구비될 수 있다. 즉, U자형 1차 촉매 튜브(200) 중 촉매 개질부(204)에 해당하는 다른 하나의 직선구간에만 촉매가 채워질 수 있다.
본체(100)의 내부에는 연소부(500)에서 배출되는 연소가스의 유동을 가이드하여 복수의 제1 촉매 튜브(200) 및 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 효과적으로 열을 공급하기 위한 제1 벽(120)이 구비된다. 제1 벽(120)은 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400) 사이에 구비되며, 도면상 본체(100)의 하측으로부터 위를 향해 수직으로 연장된다. 이에 따라, 연소부(500)에서 배출되는 연소가스는 제1 벽(120)의 안쪽에서 위로 유동되면서 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급하고, 이후 온도가 일부 낮아진 연소가스는 제1 벽(120)의 바깥쪽에서 아래로 유동되면서 복수의 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급하게 된다. 복수의 제1 촉매 튜브(200) 및 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 연소가스는 본체(100)의 외부로 배출된다.
이로 인해, U자형 제1 촉매 튜브(200)에서 승온부(202)를 지나는 탄화수소가스는 연소가스와 같은 방향으로 유동하고, 촉매 개질부(204)를 지나는 탄화수소가스는 연소가스와 반대 방향으로 유동하게 된다. 도 5에는 탄화수소가스가 승온부(202)와 촉매 개질부(204)를 통과할 때 연소가스와 탄화수소가스의 온도변화가 도시되고 있다. 이와 같이, 승온부(202)에서 탄화수소가스의 온도가 촉매반응 온도구간에 근접하도록 승온됨에 따라 탄화수소가스가 촉매 개질부(204)에 도달하면 바로 촉매 개질반응이 이루어질 수 있으며, 연소가스로부터의 열흡수량을 최대화하여 개질 효율을 높일 수 있다.
마찬가지로, 복수의 제2 촉매 튜브(400) 또한 U자형으로 형성된다. 구체적으로, 복수의 제2 촉매 튜브(400) 각각은 도면상 본체(100)의 상측에서 아래를 향해 수직으로 연장된 후 유턴구간(420)을 거쳐 다시 위를 향해 수직으로 연장된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각 U자형 제2 촉매 튜브(400)는 본체(100)의 길이방향 및 반경방향을 따라 연장될 수 있다. 유턴구간(420)의 개수는 촉매의 반응 필요 시간에 따라 조절될 수 있으며, 촉매의 반응 필요 시간이 길어질수록 유턴구간(420)의 개수가 증가할 수 있다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 제1 분배기(300)는 복수의 제1 촉매 튜브(200)의 배출단, 그리고 복수의 제2 촉매 튜브(400)의 유입단에 연결된다. 구체적으로, 제1 분배기(300)는 도넛 형상으로 형성될 수 있으며, 내부에 복수의 제1 촉매 튜브(200)의 배출단과 복수의 제2 촉매 튜브(400)의 유입단이 연결되는 제1 챔버(320)가 구비된다. 이로 인해, 복수의 제1 촉매 튜브(200)로부터 배출되는 가스와 스팀이 제1 챔버(320)에 모여 복수의 제2 촉매 튜브(400)로 균일하게 공급될 수 있다.
또한, 제1 분배기(300)의 반경방향 내측에는 복수의 제2 촉매 튜브(400)의 배출단이 연결되어 합성가스가 배출되는 합성가스 배출부(700)가 배치될 수 있다. 제2 촉매 튜브(400)가 본체(100)의 반경방향으로 연장되는 유턴구간(420)을 가지므로 합성가스 배출부(700)가 제1 분배기(300)의 반경방향 내측에 형성되는 것이 바람직하며, 복합 개질기가 보다 컴팩트하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 합성가스 배출부(700)는, 복수의 제2 촉매 튜브(400)의 배출단이 연결되어 합성가스를 모으는 제3 챔버(720)와, 제3 챔버(720) 내에 모인 합성가스를 외부로 배출시키는 배출관(740)을 포함할 수 있다.
또한, 복합 개질기는 복수의 제1 촉매 튜브(200)로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기(600)를 더 포함한다. 본 발명에서 1차 촉매 튜브(200)는 U자형으로 형성되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 분배기(600)는 제1 분배기(300)와 본체(100)를 기준으로 같은 측에 배치된다. 또한, 연소부(500)는 본체(100)를 기준으로 제1 분배기(300) 및 제2 분배기(600)와 반대 측에 배치된다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 제2 분배기(600)는 탄화수소가스와 스팀이 공급되는 하나 이상의 공급부(640)와, 복수의 제1 촉매 튜브(200)의 유입단이 연결되는 제2 챔버(620)를 포함한다. 이에 따라, 하나 이상의 공급부(640)로부터 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 제2 챔버(620)에 모여 복수의 제1 촉매 튜브(200)로 균일하게 공급될 수 있다. 이때, 복합 개질기의 컴팩트한 구조를 위해 합성가스 배출부(700)는 제2 분배기(600)의 반경방향 내측을 관통하도록 연장될 수 있다. 본 실시 예에서는 합성가스 배출부의 제3 챔버(720)가 제2 분배기(600)의 내측을 관통하도록 연장됨으로써, 제3 챔버(720)가 중심부에 형성되고 제1 챔버(320)와 제2 챔버(620)가 제3 챔버(720)를 둘러싸는 구조를 가진다.
본 실시 예에서는 복합 개질기가 제1 분배기(300)와 제2 분배기(600)를 모두 포함하는 것으로 설명하였으나, 제1 분배기(300)만을 포함하거나 제2 분배기(600)만을 포함할 수도 있음은 물론이다.
실시 예에 따라, 제1 촉매 튜브(200)에는 메탄과 이산화탄소를 포함하는 탄화수소가스(일 예로, 바이오가스)와 스팀이 공급될 수도 있다. 아래에서는 제1 촉매 튜브(200)에 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 개질 반응에 대해 살펴보도록 한다. 개질 반응을 제외한 복합 개질기의 구조는 상기에서 설명한 바와 동일하다.
제1 촉매 튜브(200)에 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우, 제1 촉매 튜브(200)에서는 반응식 (3)을 통해 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고(습식 개질), 제2 촉매 튜브(400)에서는 반응식 (4)를 통해 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다(건식 개질).
반응식 (3) ------- CH4 + H2O → CO + 3H2
반응식 (4) ------- CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
이 경우, 제1 촉매 튜브(200)의 반응온도인 제1 온도(T1)는 약 450℃ 내지 650℃일 수 있으며, 메탄을 습식 개질하는 촉매가 적용될 수 있다. 제2 촉매 튜브(400)의 반응온도인 제2 온도(T2)는 약 650℃ 내지 850℃일 수 있으며, 메탄을 건식 개질하는 촉매가 적용될 수 있다.
여기서, 메탄의 습식 개질 반응은 제1 촉매 튜브(200)에서 이루어지는 것으로 기재하였으나, 메탄의 습식 개질 반응은 넓은 온도 범위에서 일어날 수 있으므로 제2 촉매 튜브(400)에서도 일부 이루어질 수 있을 것이다.
이와 같이, 탄화수소가스(여기서는, 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스)와 스팀이 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)를 차례로 유동하며 습식 개질 반응과 건식 개질 반응을 통해 합성가스로 개질될 수 있다. 이 경우에는, 바이오가스에서 별도로 이산화탄소를 제거한 후 개질기로 공급하지 않아도 되므로 이산화탄소 제거를 위한 장치가 필요하지 않다.
마찬가지로, U자형 제1 촉매 튜브(200)에서 승온부(202)를 지나는 탄화수소가스(바이오가스)는 연소가스와 같은 방향으로 유동하고, 촉매 개질부(204)를 지나는 탄화수소가스(바이오가스)는 연소가스와 반대 방향으로 유동할 수 있다. 이에 따라, 승온부(202)에서 탄화수소가스(바이오가스)의 온도가 촉매반응 온도구간에 근접하도록 승온됨에 따라 탄화수소가스(바이오가스)가 촉매 개질부(204)에 도달하면 바로 촉매 개질반응이 이루어질 수 있으며, 연소가스로부터의 열흡수량을 최대화하여 개질 효율을 높일 수 있다.
다음으로, 도 6을 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, 연소가스를 가이드하도록 복수의 제1 촉매 튜브(200)를 지나는 나선형의 가이드 플레이트(900)를 더 포함한다.
가이드 플레이트(900)는 제1 벽(120)과 본체(100) 사이에서 유동하는 연소가스를 가이드하기 위해 제1 벽(120)을 감싸는 나선형의 플레이트로 형성되며, 복수의 제1 촉매 튜브(200)는 가이드 플레이트(900)를 관통하여 끼워진다. 이를 위해, 가이드 플레이트(900)에는 복수의 제1 촉매 튜브(200)가 관통하기 위한 관통홀이 구비되고, 제1 촉매 튜브(200)는 관통홀에 끼워진 후 용접을 통해 고정될 수 있다.
이에 따라, 연소가스가 나선형의 가이드 플레이트(900)를 따라 흐르면서 모든 제1 촉매 튜브(200)를 지나게 되어 복수의 제1 촉매 튜브간 흡열량 편차가 감소하게 되며, 연소가스가 제1 촉매 튜브(200)를 통과하는 속도가 증가되어 외부 열전달 계수가 증가함에 따라 제1 촉매 튜브의 흡열량이 커지게 된다.
다만, 본 실시 예에서는 복수의 제1 촉매 튜브(200)가 하나의 가이드 플레이트(900)에 결합되기 때문에 제1 촉매 튜브의 개별 A/S가 어렵다는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 도 7에 도시된 다른 실시 예에서, 가이드 플레이트(900)는 각각의 U자형 제1 촉매 튜브(200)를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트(900a)들로 이루어질 수 있다. 즉, 각각의 U자형 제1 촉매 튜브(200)마다 서브 플레이트(900a)가 설치되되, 서브 플레이트(900a)들이 전체적으로 제1 벽(120)을 감싸는 나선형의 플레이트를 형성하는 것이다. 이때, 인접하는 서브 플레이트(900a) 사이의 거리는 최소화하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 8을 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제3 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 동일하게 포함하되, 복수의 제1 촉매 튜브(200)의 외면에는 길이 방향을 따라 핀(fin)이 더 구비된다. 본 실시 예에서는 제1 촉매 튜브(200)의 외면에 길이 방향을 따라 나선형의 핀(242)이 구비되고 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 핀의 형상은 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 다른 실시 예에서, 제1 촉매 튜브(200)의 외면에는 길이 방향을 따라 연장된 복수 개의 핀(244)이 나란하게 구비되고 있다.
이에 따라, 연소가스와 열교환하는 1차 촉매 튜브(200)의 전열면이 증가하여 흡열량이 증가할 수 있으며, 개질 효율이 향상될 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: 제1 벽
200: 제1 촉매 튜브 202: 승온부
204: 촉매 개질부 220: 유턴구간
242, 244: 핀 300: 제1 분배기
320: 제1 챔버 400: 제2 촉매 튜브
420: 유턴구간 500: 연소부
600: 제2 분배기 620: 제2 챔버
640: 공급부 700: 합성가스 배출부
720: 제3 챔버 740: 배출관
900: 가이드 플레이트 900a: 서브 플레이트
200: 제1 촉매 튜브 202: 승온부
204: 촉매 개질부 220: 유턴구간
242, 244: 핀 300: 제1 분배기
320: 제1 챔버 400: 제2 촉매 튜브
420: 유턴구간 500: 연소부
600: 제2 분배기 620: 제2 챔버
640: 공급부 700: 합성가스 배출부
720: 제3 챔버 740: 배출관
900: 가이드 플레이트 900a: 서브 플레이트
Claims (17)
- 본체;
상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;
상기 본체의 내부에 배치되고 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;
상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부; 및
상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 연결하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브로부터 배출되는 가스와 스팀을 상기 복수의 제2 촉매 튜브로 분배하기 위한 제1 분배기;를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 각 U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 승온부는 상기 U자형 튜브 중 하나의 직선구간에 구비되고, 상기 촉매 개질부는 상기 U자형 튜브 중 다른 하나의 직선구간에 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 탄화수소가스는, 상기 승온부에서 상기 연소가스와 같은 방향으로 유동하고, 상기 촉매 개질부에서 상기 연소가스와 반대 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 분배기는, 상기 복수의 제1 촉매 튜브의 배출단과 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 유입단이 연결되는 제1 챔버를 포함하는, 복합 개질기.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 분배기의 반경방향 내측에 배치되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 배출단이 연결되어 합성가스가 배출되는 합성가스 배출부;를 더 포함하는, 복합 개질기.
- 제5항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기;를 더 포함하며,
상기 제2 분배기는 상기 제1 분배기와 상기 본체를 기준으로 같은 측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제6항에 있어서,
상기 제2 분배기는, 탄화수소가스와 스팀이 공급되는 하나 이상의 공급부와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브의 유입단이 연결되는 제2 챔버를 포함하는, 복합 개질기.
- 제7항에 있어서,
상기 합성가스 배출부는 상기 제2 분배기의 반경방향 내측을 관통하도록 연장되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제6항에 있어서,
상기 연소부는 상기 본체를 기준으로 상기 제2 분배기 및 상기 제1 분배기와 반대 측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 각 U자형 제1 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제10항에 있어서,
상기 연소가스를 가이드하도록 상기 복수의 제1 촉매 튜브를 지나는 나선형의 가이드 플레이트;를 더 포함하는, 복합 개질기.
- 제11항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 가이드 플레이트를 관통하여 끼워지는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제11항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는 각각의 U자형 제1 촉매 튜브를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브의 외면에는 길이 방향을 따라 핀(fin)이 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 상기 탄화수소가스는 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 상기 탄화수소가스는 메탄과 이산화탄소를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 본체;
상기 본체의 내부에 배치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;
상기 본체의 내부에 배치되고 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 연결되며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;
상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부; 및
상기 복수의 제1 촉매 튜브로 공급되는 탄화수소가스와 스팀을 분배하기 위한 제2 분배기;를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 각 U자형 제1 촉매 튜브에는 탄화수소가스가 촉매 개질 전 연소가스와 나란하게 유동하며 승온되는 승온부와, 촉매 개질되는 촉매 개질부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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Citations (1)
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-
2023
- 2023-06-20 KR KR1020230079217A patent/KR20240011087A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190112290A (ko) | 2017-01-27 | 2019-10-04 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법 |
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