KR20240053628A - 반응기, 암모니아 분해 디바이스 및 방법 - Google Patents

반응기, 암모니아 분해 디바이스 및 방법 Download PDF

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KR20240053628A
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chamber
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요아힘 에이 뷔닝
요아힘 지 뷔닝
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베에스-베르메프로체스테히닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 특히 암모니아를 분해하기 위한, 자열 또는 흡열 반응을 위한 반응기에 관한 것으로서, 상기 반응기는 : 시작 가스를 공급하기 위한 입구 (12) 및 분해 가스를 배출하기 위한 출구 (13); 촉매 (2) 로 충전된 반응기 챔버 (14); 및 반응기 (1) 내에 위치된 평면관 열교환기 (3) 를 포함하고, 상기 평면관 열교환기 (3) 는, 상기 반응기 챔버 (14) 로 유동하는 시작 가스 및 상기 반응기 챔버 (14) 로부터 유출하는 분해 가스가 상기 평면관 열교환기를 통해 유동할 수 있는 방식으로 위치되어, 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 공급된 시작 가스로 전달될 수 있다. 본 발명은 또한 자열 또는 흡열 반응을 위한 디바이스 (100); 모듈(700); 및 자열 또는 흡열 반응을 위한 방법에 관한 것이다.

Description

반응기, 암모니아 분해 디바이스 및 방법
본 발명은 자열 반응 (autothermic reaction) 또는 흡열 반응 (endothermic reaction), 특히 암모니아 분해를 위한 반응기, 장치, 모듈, 및 방법에 관한 것이다.
현재, 주로 비료 산업을 위해, 대략 1억 5천만 톤의 암모니아가 매년 전 세계적으로 생산된다.
암모니아는 질소와 수소로 구성되어 있다. 암모니아는 수소를 처리하는 것보다 취급, 수송, 저장이 훨씬 수월하기 때문에, 암모니아는 또한 수소 저장 수단, 수소 수송에 사용된다.
현재 합성에 필요한 수소는 여전히 천연 가스의 증기 개질에 의해 주로 얻어지고, 그 동안 많은 양의 CO2 가 방출된다. 그러나, 현재 촉매 합성을 통해 대규모 플랜트에서, 분리된 대기 질소 및 그린 (green) 수소, 즉 태양광 또는 풍력 발전으로부터의 수소로부터 그린 암모니아로 불리는 것을 생산하기 위한 수많은 프로젝트가 있다.
이 그린 암모니아는 액체 형태의 그린 수소를 최종 소비자에게 저렴하게 수송하는 것이 가능하기 때문에 미래 에너지 산업에도 유리하다. 수소로의 재전환을 위해, 암모니아를 75% H2 및 25% N2 로 분해하는 암모니아 분해 장치들 (통상적으로 암모니아 분해기들이라 함) 이 사용된다. 이러한 분해 가스는 연료 전지에서 전력으로 직접 변환되거나, 예를 들어 버스 플렛 (bus fleet), 트럭 및 선박에 연료를 공급하기 위해 수소를 제공하도록 처리될 수 있다.
대규모 플랜트에서 암모니아, 특히 그린 암모니아의 생산과 대조적으로, 암모니아의 수소로의 재전환은 분산적으로, 특히 소비자와 직접 이루어져야 한다.
암모니아의 재전환 또는 분해를 흡열 반응으로 수행하는데, 이 반응 동안 필요한 에너지는 외부로부터 공급되어야 하는 것으로 알려져 있다.
흡열 암모니아 분해는, 특히 연료 전지로부터의 애노드 잔류 가스 또는 순수 수소를 얻기 위한 압력-변동 플랜트로부터의 퍼지 가스와 같은 잔류 가스가 가열에 이용가능할 때 편리하다.
대안으로서, 암모니아 분해 자열을 수행하는 것이 알려져 있다. 이 경우에, 액체 또는 기체 형태로 공급되는 암모니아에 산화제를 혼합하는 것으로 알려져 있다. 산소의 공급은, 촉매상의 암모니아 분해에 유리한 온도, 예를 들면 850℃ 가 생성되도록 계산된다.
본 발명의 목적은 고온에서 자열 또는 흡열 반응을 위한, 특히 암모니아 분해를 위한 컴팩트한 반응기를 높은 효율도로 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 흡열 반응용 반응기를 포함하는 장치 및 모듈 및 높은 효율도로 흡열 반응을 수행하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1, 청구항 8, 청구항 13 및 청구항 15 의 특징들을 갖는 과제에 의해 달성된다. 추가의 유리한 실시형태들은 종속항들로부터 나온다.
제 1 양태는, 특히 암모니아를 분해하기 위한, 자열 또는 흡열 반응을 위한 반응기를 제공하며, 상기 반응기는 시작 가스를 공급하기 위한 입구 및 분해 가스를 배출하기 위한 출구를 포함하고, 촉매로 충전된 반응기 챔버를 포함하며, 평면관들 내에 및 그 사이에 공급된 시작 가스 및 유출하는 분해 가스의 유동을 위한 유동 채널들을 갖는 평면관들을 포함하는 평면관 열교환기는, 반응기 챔버로 유동하는 시작 가스 및 반응기 챔버로부터 유출하는 분해 가스가 평면관 열교환기를 통해 유동할 수 있도록 반응기 내에 배치되어, 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 공급된 시작 가스로 전달된다.
본 출원과 관련하여, 용어 "단수 (a)" 는 부정 관사로서 사용되고 수치 단어가 아니다. 유사하게, 본 출원과 관련하여, 용어 "제 1" 및 "제 2" 는 단지 구별을 위해 사용되며 서열을 특정하지 않는다. 용어 "제 1" 은 또한 구조적으로 동일하거나 유사한 제 2 요소들의 존재를 반드시 필요로 하는 것은 아니다.
본 출원과 관련하여 언급되는 시작 가스는 반응기에 공급되는 가스 또는 가스 혼합물이다. 언급되는 분해 가스는 반응을 통해 획득되는 가스 혼합물이고, 특히 흡열 반응을 통해 획득되는 수소를 포함한다.
반응기는 고온에서 자열 또는 흡열 반응에 적합하다. 본 출원과 관련하여 언급되는 고온은 600℃ 초과의 온도이다.
평면관 열교환기는 고온에서 수행된 자열 또는 흡열 반응 후에 잔류하는 분해 가스의 열을 회수할 수 있게 한다. 이러한 점에서, 자열 반응에 대한 일 실시형태에서, 외부로부터 반응기 챔버로의 열의 공급은 생략될 수 있다. 따라서, 흡열 반응의 경우에, 반응기 챔버에서 수행되는 흡열 반응을 위한 열 에너지에 대한 요구가 감소될 수 있다. 평면관 열교환기들은, 특히 상대적으로 작은 구조적 공간과 함께 큰 열교환기 표면적을 특징으로 한다. 더욱이, 평면관 열교환기는 급격한 부하 또는 온도의 변화로 인한 기계적 응력에 저항한다. 평면관 열교환기는 반응기 내에 통합되므로, 콤팩트한 방안이 제공된다.
특히, 시작 가스는 암모니아이다. 평면관 열교환기 및 반응기 챔버의 구성에 따라, 여기에서 적어도 80%, 특히 적어도 85% 의 효율도 (H2 발열량/NH3 발열량) 를 갖는 암모니아의 흡열 분해용 반응기를 얻는 것이 가능하다. 산화제, 특히 산소 또는 공기는 자열 반응을 위해 시작 가스와 혼합된다. 일 구성에서, 산화제로서 사용되는 산소는 그린 잉여 전력으로 물 전기분해에 의해 획득되고, 이 공정에서 발생된 수소는 분해 가스와 혼합될 수 있다.
자열 암모니아 분해의 경우에, 85% 초과, 특히 최대 90% 의 효율도를 달성할 수 있다. 흡열 반응용 에너지를 공급하기 위한 버너의 폐가스 손실이 없기 때문에 흡열 암모니아 분해에 대한 효율도의 추가적인 개선이 가능하다. 더욱이, 반응기를 보다 콤팩트하게 할 수 있고, 따라서 벽 등을 통한 손실을 감소시킬 수 있다. 따라서, 자열 암모니아 분해를 위한 반응기의 사용은 최대 20 kW 까지의 작은 출력, 예를 들어 그린 암모니아를 사용하는 주거지에 CO2-없는 전력 및 열의 공급에 적합하다.
그러나, 반응기는 또한 다른 시작 가스용으로 사용될 수 있고, 또한 시작 가스가 가스 혼합물인 것이 가능하다. 예를 들어, 특히 천연 가스의, 증기 개질을 위한 반응기를 이용하는 것을 상정할 수 있다. 이와 관련하여, 일 실시형태에서, 다수의 시작 가스가 개질기에 공급되고, 구성에 따라 모든 시작 가스 또는 단지 일부의 시작 가스만이 평면관 열교환기에서 가열되는 것이 또한 제공될 수 있다.
당업자는 사용 상황에 따라 평면관 열교환기를 적절하게 설계하여, 평면관 열교환기가 고온에 적합하도록 할 수 있을 것이다. 유리한 실시형태들에서, 평면관 열교환기는 역류 열교환기이고, 평면관 열교환기는 반응기 챔버로 유동하는 시작 가스 및 반응기 챔버로부터 유출하는 분해 가스가 반대 방향으로 평면관 열교환기를 통해 유동할 수 있는 방식으로 배치된다. 그러나, 다른 구조적 형태도 상정할 수 있다.
자열 또는 흡열 반응, 특히 암모니아의 분해는 반응기에서 일어나므로, 반응기로부터 유출되는 분해 가스는 연소 공정에 이용되거나 필요에 따라 다른 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 분해 가스의 수소는 연료 전지에서 전력으로 변환될 수 있고 그리고/또는 예를 들어 압력-변동 플랜트에서 순수 수소를 제공하도록 처리될 수 있다. 특히, 흡열 반응은 반응기를 가열하기 위한 연소 챔버로부터 분리되어 발생한다.
하나의 적용에서, 액체 암모니아는 반응기에 공급되기 전에 증발된다. 유리한 실시형태들에서, 증발 작업 동안 생성된 냉각 전력은 다른 방식으로 사용될 수 있다.
기체상 매체용 고온 평면관 열교환기는, 예를 들어 EP 2 584 301 A1 에 공지되어 있으며, 그 전문이 본원에 참조된다. 그러나, 본 발명은 EP 2 584 301 A1 에 공지된 열교환기의 사용에 제한되지 않는다.
일 실시형태에서, 유동 채널들의 갭 폭은 3 mm 미만이다. 평면관들의 밀접한 배열은 작은 구조적 공간과 함께 양호한 열 전달을 보장한다.
일 실시형태에서, 평면관 열교환기는 열교환기 표면적이 반응기의 가열된 표면적의 대략 2 배 내지 대략 4 배가 되도록 구성된다. 예를 들어, 암모니아 분해를 위한 반응기의 경우, 열교환기 표면적 (㎡) 은 암모니아 처리량 (kg/h) 의 대략 0.06 내지 0.1 배, 특히 0.08 배인 것이 제공된다.
일 실시형태에서, 반응기는 입구 및 출구가 배치되는 제 1 단부 및 폐쇄된 제 2 단부를 갖는 외부관을 포함하고, 상기 평면관 열교환기는 제 1 단부와 반응기 챔버 사이에서 외부관 내에 배치되는 원통형 평면관 열교환기이다.
본 출원과 관련하여 언급된 원통형 평면관 열교환기는 평면관들이 동심원 상에 배치된 평면관 열교환기이다. 일 실시형태에서, 동일한 수의 평면관들이 각각의 원 상에 제공된다. 일 실시형태에서, 열교환기 표면적을 추가로 확대하는데 사용되는 파형 스페이서들이 관들 사이에 배치된다.
반응기 챔버와 평면관 열교환기는 적절하게 서로 연결되어, 입구를 통해 공급되는 시작 가스는 열교환기의 제 1 유동 채널들을 통해 반응기 챔버에 공급되고, 반응기 챔버로부터 유출되는 분해 가스는 열교환기의 제 2 유동 채널들을 통해 출구로 안내된다.
일 실시형태에서, 반응기는 반응기 챔버에 배치된 내부관, 바람직하게는 반응기 챔버에 배치된 2 개의 내부관들을 갖는 것이 제공되며, 여기서 반응기 챔버에 배치된 하나 이상의 내부관들은 열교환기의 제 1 유동 채널들을 통해 입구에 연결된다. 암모니아 분해에 사용될 때, 반응기는 바람직하게는 평면관 열교환기가 반응기 챔버 위에 배치되도록 설정된다. 내부관들에 의해, 평면관 열교환기에서 예열된 암모니아는 반응기 챔버에 배치된 촉매 아래로 안내되고 암모니아의 분해를 위해 내부관 주위에서 촉매를 통해 외부관으로 상향 유동할 수 있으며, 외부관은 외부에서 가열가능하다.
반응기의 일 사용에서, 반응기에서 유출하는 분해 가스는 그 후에 가스 혼합물을 분리하기 위해 압력 변동 플랜트에서 처리된다. 이를 위해, 일 실시형태에서, 반응기, 특히 반응기의 외부관은 과잉 압력, 특히 최대 20 bar 의 과잉 압력을 위해 설계된다.
반응기의 일 실시형태에서, 촉매를 공급하기 위한 채널이 제공되며, 평면관 열교환기는 바람직하게는 채널을 둘러싼다. 이는 컴팩트한 구조를 가능하게 하며, 반응기의 제 1 단부에서 촉매 공급이 가능하다. 이는 설치된 상태에서도 촉매 공급을 가능하게 한다.
일 실시형태에서, 적어도 반응기 챔버는 흡열 반응 및/또는 시동을 위해 외부로부터 가열될 수 있는 것이 제공된다. 일 실시형태에서, 반응기의 외부관은 열전달이 양호한 적합한 재료로 제조된다. 일 실시형태에서, 외부관은 반응기 챔버의 구역에서 가열 디바이스, 특히 전기 에너지에 의해 작동될 수 있는 가열 디바이스에 의해 둘러싸여 있으며, 반응기 챔버는 자열 반응을 개시하기 위해 외부에서 가열될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 반응기 챔버는 열 공급, 특히 흡열 반응을 위해 연소실에 배치된다.
제 2 양태는 반응기를 포함하는 자열 반응, 특히 암모니아 분해를 위한 장치를 제공하며, 반응기를 둘러싸는 단열재가 제공된다. 이 장치는 최대 90% 의 높은 효율로 구별된다. 단열재는 반응기 및 적절한 경우 시동을 위해 제공되는 가열 디바이스를 둘러싸고, 컴팩트한 구조 덕분에 벽들을 통한 손실을 낮게 유지할 수 있다.
일 실시형태에서, 평면관 열교환기로 유동하는 시작 가스 및 평면관 열교환기에서 유출하는 분해 가스가 유동할 수 있는 증발기가 제공된다. 하류 증발기는 분해 가스를 실온까지 냉각시킬 수 있게 한다. 자열 암모니아 분해의 경우에, 분해 가스는 수소, 질소 및 산소를 포함하며, 반응수는 응축되어 침전될 수 있다.
제 3 양태는 단열 연소실 및 반응기를 포함하는, 흡열 반응, 특히 암모니아 분해를 위한 장치를 제공하며, 반응기의 반응기 챔버는 재료가 관련되는 한 연소실과 분리되어 연소실에 배치된다.
본 출원과 관련하여 전술한 바와 같이, 용어 "단수 (a)" 는 부정 관사로서 사용되고 수치 단어가 아니다. 특히, 일 실시형태에서, 장치는 1 개 초과, 예를 들어 2 개, 3 개, 4 개 또는 10 개 초과, 특히 최대 20 개 이상의 반응기들을 포함하며, 반응기들의 수에 따라, 장치의 용량은 필요에 따라, 예를 들어 100 kg/h 수소로 조정될 수 있다.
당업자는 사용 상황에 따라 연소실과 버너를 적절하게 구성하여, 반응기 챔버 내에서 흡열 반응에 필요한 온도를 연소실에서 발생시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 분해 가스, 연료 전지로부터의 애노드 잔류 가스 및/또는 압력 변동 플랜트로부터의 퍼지 가스에 의해 작동될 수 있는 버너가 제공된다. 버너는 복열 또는 재생 버너이므로, 폐가스 열을 회수하여 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 반응기 챔버는 반응기 챔버를 통과하는 가스 스트림이 반응기 챔버의 외부 측에서 유동하는 가열 가스에 의해 동일방향 유동 원리에 따라 가열될 수 있는 방식으로 연소실에 배치된다.
버너에 대한 대안으로서 또는 이에 추가하여, 일 실시형태에서 연소실은 전기 에너지에 의해 가열될 수 있다. 전기 에너지에 의한 가열은, 특히 반응기 작동이 중단되는 동안, 버너 작동을 위해 가스가 생성되지 않고 반응기 온도가 유지되어야 하는 경우 및/또는 장치가 작동 중단 이후에 시동되는 경우 고려될 수 있다.
일 실시형태에서, 반응기는 연소실용 커버로서의 역할을 하는 지지체에 삽입된다. 다수의 반응기들을 갖는 구조물의 경우에, 일 실시형태에서 다수의 반응기들 및 버너가 공유 지지체에 삽입된다. 이러한 방식으로 제공되는 모듈은 사용 상황에 따라 단독으로 또는 추가 모듈들과 조합하여 사용될 수 있다.
이에 상응하여, 제 4 양태는 다수의 반응기들, 특히 4 개의 반응기들 및 버너를 포함하는 모듈을 제공하며, 반응기들 및 버너는 지지체 상에 장착된다.
일 실시형태에서, 지지체는 단열 재료로 적어도 부분적으로 제조되고 열교환기의 구역에서 반응기들을 둘러싼다. 모듈은 바람직하게는 위에서 연소실 상에 배치되며, 입구, 출구 및 - 존재한다면 - 촉매 공급용 채널은 위에서 접근가능하다.
제 5 양태는 반응기에서 자열 또는 흡열 반응을 수행하는 방법을 제공하고, 상기 반응기는, 시작 가스를 공급하기 위한 입구와 분해 가스를 배출하기 위한 출구를 포함하고, 촉매로 충전된 반응기 챔버를 포함하며, 반응기 챔버의 상류의 반응기에 배치된 평면관 열교환기를 포함하고, 공급된 시작 가스 및 유출하는 분해 가스는 상기 평면관 열교환기를 통해 유동하여, 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 공급된 시작 가스로 전달된다.
특히, 제공되는 것은 반응기에서 암모니아를 분해하는 방법을 제공하고, 상기 반응기는, 암모니아를 공급하기 위한 입구와 분해 가스를 배출하기 위한 출구를 포함하고, 촉매로 충전된 반응기 챔버를 포함하며, 반응기 챔버의 상류의 반응기에 배치된 평면관 열교환기를 포함하고, 공급된 암모니아 및 유출하는 분해 가스는 상기 평면관 열교환기를 통해 유동하여, 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 공급된 암모니아로 전달된다.
이 경우, 자열 분해를 위한 일 실시형태에서, 산화제, 예를 들어 공기 또는 산소가 암모니아에 공급된다. 산소의 공급은, 촉매에서 NH3 분해에 유리한 온도, 예를 들어 850℃ 가 생성되도록 계산된다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 공기는 대략 1 ㎥/kg NH3 의 비율로 혼합되거나 산소는 대략 0.2 ㎥/kg NH3 의 비율로 혼합된다.
본 발명의 추가의 이점 및 양태는 도면을 참조하여 아래에 설명되는 본 발명의 예시적인 실시형태들의 설명 및 청구항들로부터 나온다.
도 1 은 반응기 챔버 및 평면관 열교환기를 포함하는 반응기를 통한 종단면도를 도시한다.
도 2 는 도 1 에 따른 반응기를 통한 도 1 에 따른 절단선 II-II 를 따른 단면을 도시한다.
도 3 은 도 1 에 따른 반응기를 통한 도 1 에 따른 절단선 III-III 를 따른 단면을 도시한다.
도 4 는 도 1 에 따른 반응기를 포함하는 흡열 반응을 위한 장치를 통한 종단면도를 도시한다.
도 5 는 도 4 에 따른 장치 내 가스 스트림의 온도 프로파일을 도시한다.
도 6 은 도 1 에 따른 4 개의 반응기들을 포함하는 모듈의 사시도를 도시한다.
도 7 은 도 6 에 따른 4 개의 모듈들을 포함하는 장치의 사시도를 도시한다.
도 8 은 도 1 에 따른 반응기를 포함하는 자열 반응을 위한 장치를 통한 종단면도를 도시한다.
도 1 내지 도 3 은 종단면, 도 1 에 따른 절단선 II-II 을 따른 단면, 및 자열 또는 흡열 반응, 특히 암모니아 분해를 위한 반응기 (1) 를 통하여 도 1 에 따른 절단선 III-III 에 따른 단면을 도시한다.
도시된 반응기 (1) 는 외부관 (10) 및 2 개의 내부관들 (11) 을 포함한다. 외부관 (10) 은 제 1 단부 (101) 를 가지고, 이 제 1 단부는, 도시된 사용 위치의 상부에 배치되고 이 제 1 단부에 시작 가스를 공급하기 위한 입구 (12) 및 분해 가스를 배출하기 위한 출구 (13) 가 제공된다. 외부관 (10) 의 상기 제 1 단부 반대편인 제 2 단부 (102) 는 폐쇄되어 있다.
촉매 (2) 로 충전된 반응기 챔버 (14) 는 외부관 (10) 에 제공되며, 도시된 예시적인 실시형태에서 반응기 챔버 (14) 는 폐쇄 플레이트들 (141) 에 의해 양 단부들에서 한정된다. 내부관들 (11) 은 반응기 챔버 (14) 를 통해 연장되고, 촉매 (2) 는 내부관들 (11) 주위에 배치된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 2 개의 내부관들 (11) 이 제공된다. 다른 실시형태들에서, 단지 하나의 내부관이 제공되거나 2 개 초과의 내부관들이 제공된다.
평면관 열교환기 (3) 는 제 1 단부 (101) 와 반응기 챔버 (14) 사이의 외부관 (10) 에 배치된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 평면관 열교환기 (3) 는 외부관 (10) 의 반응기 챔버 (14) 위에 배치된다. 도시된 평면관 열교환기 (3) 는 동심원을 따라 배치된 평면관들 (30) 을 갖는 원통형 평면관 열교환기의 형태이다.
촉매 (2) 를 공급하기 위한 채널 (4) 은 평면관 열교환기 (3) 의 구역의 중심에 제공되며, 도시된 예시적인 실시형태에서 평면관들 (30) 은 채널 (4) 주위에 배치된다.
제 1 유동 채널들 (31) 및 제 2 유동 채널들 (32) 로 표시되는 유동 채널들은 평면관들 (30) 내에 그리고 평면관들 (30) 주위에 형성된다.
도시된 예시적인 실시형태에서, 평면관 열교환기 (3) 는 입구 (12) 및 반응기 챔버 (14) 에 연결되어, 반응기 챔버 (14) 에 공급된 시작 가스는 반응기 챔버 (14) 의 상류의 제 1 유동 채널 (31) 을 통해 유동하고 반응기 챔버 (14) 로부터 유출하는 분해 가스는 제 2 유동 채널들 (32) 을 통해 유동하여, 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 공급된 시작 가스로 전달될 수 있다.
다른 실시형태에서, 공급된 시작 가스를 위한 제 1 유동 채널들은 평면관들 (30) 주위에 제공되고, 유출하는 분해 가스를 위한 제 2 유동 채널들은 평면관들 (30) 에 제공된다.
공급된 시작 가스를 위한 제 1 유동 채널들 (31) 은 내부관들 (11) 에 연결되어, 평면관 열교환기 (3) 에서 예열된 시작 가스가 내부관들 (11) 을 통해 반응기 챔버 (14) 에 배치된 촉매 (2) 아래로 안내된다.
반응기 (1) 는 수소와 질소를 제공하도록 암모니아를 분해하는 등의 자열 또는 흡열 반응을 수행하는 역할을 한다. 사용 중에, 흡열 반응을 위해, 반응기 챔버 (14) 는 외부로부터, 특히 600℃ 이상의 온도로 가열된다. 자열 작동의 경우, 일 실시형태에서, 반응기 챔버는 시동 중에만 가열된다. 산화제는 시작 가스와 혼합된다. 이후에는, 반응기 내에서 발열 및 흡열 반응이 동시에 진행되므로, 외부로부터의 열 공급을 생략할 수 있다.
분해에 의해 발생되어 반응기 챔버로부터 유출되는 분해 가스는 열을 포함한다. 열교환기 (3) 를 사용하면, 분해 가스의 열을 회수할 수 있고, 따라서 반응기 챔버 (14) 에서 수행되는 자열 또는 흡열 반응, 특히 암모니아의 분해를 위한 열 에너지에 대한 요건을 감소시킬 수 있다.
도 4 는 도 1 에 따라 단열 연소실 (5), 버너 (6) 및 반응기 (1) 를 포함하는 흡열 반응, 특히 암모니아 분해를 위한 장치 (100) 를 통한 종단면을 개략적으로 도시한다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 버너 (6) 및 반응기 (1) 는 공유 지지체 (7) 내에 배치된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 지지체 (7) 는 커버로서 기능하고, 이에 의해 연소실 (5) 은 위로부터 폐쇄될 수 있다. 반응기 (1) 및 버너 (6) 의 모든 연결은 이러한 경우에 위로부터 접근될 수 있다.
지지체 (7) 는, 반응기 (1) 의 반응기 챔버 (14) 가 연소 챔버 (5) 내에 배치되도록 반응기 (1) 를 연소실 (5) 상에 위치시킬 수 있고, 연소실 (5) 내에서 발생된 열에 의해 외부에서 재료가 관련되고 가열되는 한 반응기 챔버 (14) 는 연소실 (5) 로부터 분리된다.
도시된 예시적인 실시형태에서, 반응기 (1) 의 평면관 열교환기 (3) 는 지지체 (7) 에 의해 완전히 둘러싸인다. 이러한 점에서, 일 실시형태에서 지지체는 또한 평면관 열교환기 (3) 를 위한 단열재로서의 역할을 한다.
당업자는 버너 (6) 를 적절하게 구성할 수 있으며, 이때 버너 (6) 는 바람직하게는 화살표로 나타낸 바와 같이, 복열 버너 또는 재생 버너의 형태이고, 연소로부터의 폐열을 이용한다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 화염관 (60) 이 제공되며, 화염관 (60) 에서 연소가 일어나고 가열 가스가 반응기 챔버 (14) 를 따라 복귀된다.
도 4 에 도시된 예시적인 실시형태에서, 반응기 (1) 가 하나만 제공된다. 다른 실시형태들에서, 장치 (100) 는 다수의 반응기들 (1) 을 포함한다.
도 5 는 평면관 열교환기 (3) 와 연소실 (5) 내의 가스 스트림의 온도 프로파일을 섭씨 온도로 개략적으로 도시한다. 도 5 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 유동은 대향류 배열로 평면관 열교환기 (3) 를 통과하고, 공급된 시작 가스는 유출하는 분해 가스에 의해 가열된다. 도시된 온도 프로파일에서, 시작 가스는 600℃ 이상의 고온으로 가열된다. 반응기 챔버 (14) (도 4 참조) 를 통해 유동하는 가스 스트림은 반응기 챔버의 외부를 따라 상승하는 가열 가스 (62) 에 의해 가열되고, 시작 가스가 평면관 열교환기 (3) 에서 예열되었기 때문에, 종래의 장치의 경우보다 더 작은 온도차로의 가열이 필요하다. 이는, 또한 도 5 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상향 유동하는 가열 가스 (62) 에 의해, 동일방향 유동 원리에 따라 열 전달을 허용한다.
도 6 은 지지체 (7), 버너 (6) 및 다수의 반응기들 (1), 도시된 예시적인 실시형태에서 4 개를 포함하는 모듈의 사시도를 도시한다. 반응기 (1) 및 버너 (6) 는 지지체 (7) 상에 장착되고 지지체 (7) 에 의해 연소실 (5) (도 4 참조) 상에 조립될 수 있다.
실시형태들에서, 모듈 (700) 의 치수들은 모듈 (700) 이 구성요소들의 미리 조립된 그룹의 형태로 제공되고 도로에 의한 사용 장소로 운송될 수 있도록 선택된다.
일 실시형태에서, 반응기들 (1) 은 2 m 의 길이를 가지며, 4 개의 반응기들 (1) 은 다음의 치수들을 갖는 윤곽을 갖는 지지체 (7) 에서 미리 조립될 수 있다: 폭 B x 깊이 T = 0.5 m x 0.8 m.
모듈 (700) 은 사용 상황에 따라 단독으로 또는 추가 모듈들 (700) 과 조합하여 사용될 수 있다.
도 7 은 도 6 에 따른 4 개의 모듈들 (700) 을 포함하는 단열된 연소실 (5) 을 갖는, 특히 암모니아를 분해하기 위한 흡열 반응을 위한 장치의 사시도를 도시한다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 모듈들 (700) 은 공유된 연소실 (5) 상에 장착되고, 연소실 (5) 은 모듈들 (700) 에 의해 위로부터 폐쇄된다. 그러나, 도시된 배열은 4 개보다 많거나 적은 모듈들 (700) 을 갖는 단지 예시적이고 다수의 수정만이 고려될 수 있다.
도 8 은 도 1 과 유사한 반응기 (1) 를 포함하는, 특히 암모니아 분해를 위한, 자열 반응을 수행하기 위한 장치 (200) 를 통한 종단면을 개략적으로 도시한다. 이 도면에서는 동일한 구성요소들에 대해 일치하는 도면 부호가 사용된다. 도 1 에 따른 반응기 (1) 와 대조적으로, 도 8 에 따른 반응기 (1) 는 반응기 챔버 (14) 를 둘러싸는 가열 디바이스 (15) 를 추가로 갖는다. 가열 디바이스 (15) 는 특히 전기 가열 디바이스이다. 가열 디바이스 (15) 는 시동을 위해 외부로부터 반응기 챔버 (14) 로 열을 공급할 수 있게 한다. 작동이 계속됨에 따라, 반응기 챔버 (14) 에서는 흡열 및 발열 반응이 진행되므로, 외부로부터의 열 공급을 차단할 수 있다.
이를 위해, 산화제, 특히 산소 또는 공기가 입구 (12) 에 연결된 공급 연결부 (120) 를 통해 시작 가스에 공급된다.
도시된 장치 (200) 는 반응기 (1) 를 둘러싸는 단열재를 갖는다.
장치 (200) 는 또한 증발기 (9) 를 가지며, 이 증발기는 공급된 시작 가스와 관련하여 상류에 있고, 이 증발기를 통해 평면관 열교환기 (3) 로 유동하는 시작 가스 및 평면관 열교환기 (3) 로부터 유출하는 분해 가스가 유동한다.
시작 가스, 특히 암모니아는 공급 연결부 (90) 를 통해서 증발기 (9) 에 공급된다. 반응기 (1) 로부터 유출된 분해 가스는 공급 연결부 (92) 를 통해 증발기 (9) 에 공급되고 증발기 (9) 에서 냉각된다. 구성에 따라, 분해 가스에 존재하는 수증기의 응축과 함께, 실온으로의 냉각이 가능하다. 응축물은 증발기의 출구 연결부 (94) 에서 침전될 수 있다.
도 4 내지 도 7 에 도시된 장치들 (100) 및 모듈들 (700) 과 달리, 도 8 에 따른 장치 (200) 의 경우 버너 (6) 가 생략될 수 있다. 따라서, 장치 (200) 는 벽들을 통한 더 적은 손실들로 더 콤팩트하게 만들어질 수 있다. 따라서, 도 8 에 따른 장치 (200) 는, 무엇보다도, 20 kW 까지의 낮은 출력에 적합하다.

Claims (18)

  1. 특히 암모니아를 분해하기 위한, 자열 (autothermic) 또는 흡열 반응을 위한 반응기로서,
    시작 가스를 공급하기 위한 입구 (12) 및 분해 가스를 배출하기 위한 출구 (13) 를 포함하고,
    촉매 (2) 로 충전된 반응기 챔버 (14) 를 포함하며,
    평면관들 (30) 내에 및 그 사이에 공급된 시작 가스 및 유출하는 분해 가스의 유동을 위한 유동 채널들 (31, 32) 을 갖는 상기 평면관들 (30) 을 포함하는 평면관 열교환기 (3) 가 상기 반응기 (1) 내에 배치되고,
    상기 평면관 열교환기 (3) 는, 상기 반응기 챔버 (14) 로 유동하는 시작 가스 및 상기 반응기 챔버 (14) 로부터 유출하는 분해 가스가 상기 평면관 열교환기를 통해 유동할 수 있는 방식으로 배치되어, 상기 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 상기 공급된 시작 가스로 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는, 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 채널들 (31, 32) 의 갭 폭은 3 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는, 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    열교환기 표면적은 상기 반응기의 가열된 표면적의 대략 2 배 내지 대략 4 배인 것을 특징으로 하는, 반응기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 (1) 는 상기 입구 (12) 및 상기 출구 (13) 가 배치되는 제 1 단부 (101) 및 폐쇄된 제 2 단부 (102) 를 갖는 외부관 (10) 을 구비하고, 상기 평면관 열교환기 (3) 는 상기 제 1 단부 (101) 와 상기 반응기 챔버 (14) 사이에서 상기 외부관 (10) 내에 배치되는 원통형 평면관 열교환기 (3) 인 것을 특징으로 하는, 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응기는, 상기 반응기 챔버 (14) 내에 배치된 내부관 (11), 바람직하게는 상기 반응기 챔버 (14) 내에 배치된 2 개의 내부관들 (11) 을 구비하며, 상기 반응기 챔버 (14) 내에 배치된 내부관 (11) 또는 상기 반응기 챔버 (14) 내에 배치된 상기 내부관들 (11) 은 상기 열교환기 (3) 의 제 1 유동 채널들 (31) 을 통해 상기 입구 (12) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 반응기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 외부관 (10) 은 과잉 압력, 특히 최대 20 bar 까지의 과잉 압력을 위해 설계되는 것을 특징으로 하는, 반응기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 (2) 를 공급하는 채널 (4) 이 제공되고, 상기 평면관 열교환기 (3) 는 바람직하게는 상기 채널 (4) 을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 반응기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 반응기 챔버 (14) 는 흡열 반응 및/또는 시동을 위해 외부로부터 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는, 반응기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 (1) 및 상기 반응기 (1) 를 둘러싸는 단열재 (8) 를 포함하는, 자열 반응을 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 평면관 열교환기 (3) 로 유동하는 상기 시작 가스 및 상기 평면관 열교환기 (3) 밖으로 유출하는 상기 분해 가스가 유동할 수 있는 증발기가 제공되는 것을 특징으로 하는, 자열 반응을 위한 장치.
  11. 단열된 연소실 (5) 및 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 (1) 를 포함하는, 흡열 반응을 위한 장치로서,
    상기 반응기 (1) 의 상기 반응기 챔버 (14) 는 재료가 관계되는 한 상기 연소실 (5) 로부터 분리되어 상기 연소실 (5) 내에 배치되는, 흡열 반응을 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분해 가스, 연료 전지로부터의 애노드 잔류 가스 및/또는 압력-변동 플랜트로부터의 퍼지 가스에 의해 작동될 수 있는 버너 (6) 가 제공되며, 상기 버너는 특히 복열 또는 재생 버너의 형태인 것을 특징으로 하는, 흡열 반응을 위한 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 반응기 챔버 (14) 는 상기 반응기 챔버 (14) 를 통과하는 가스 스트림 (140) 이 상기 반응기 챔버의 외부 측에서 유동하는 가열 가스 (62) 에 의해 동일방향 유동 원리에 따라 가열될 수 있는 방식으로 상기 연소실 (5) 내에 배치되는, 흡열 반응을 위한 장치.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소실 (5) 은 전기 에너지에 의해 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는, 흡열 반응을 위한 장치.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 (1) 는 상기 연소실 (5) 을 위한 커버로서 사용되는 지지체 (7) 에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 흡열 반응을 위한 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 반응기들 (1), 특히 4 개의 반응기들 (1) 및 버너 (6) 를 포함하는 모듈로서,
    상기 반응기들 (1) 및 상기 버너 (6) 는 지지체 (7) 상에 장착되는, 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 지지체 (7) 는 단열 재료로 적어도 부분적으로 제조되고, 상기 평면관 열교환기 (3) 의 구역에서 상기 반응기들 (1) 을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 모듈.
  18. 반응기에서, 특히 암모니아 분해를 위해, 자열 또는 흡열 반응을 수행하는 방법으로서,
    상기 반응기는, 촉매로 충전된 반응기 챔버를 포함하고, 시작 가스를 공급하기 위한 입구와 분해 가스를 배출하기 위한 출구를 포함하며, 상기 반응기 챔버의 상류의 상기 반응기에 배치된 평면관 열교환기를 포함하고,
    공급된 시작 가스 및 유출하는 분해 가스는 상기 평면관 열교환기를 통해 유동하여, 상기 유출하는 분해 가스로부터의 에너지가 상기 공급된 시작 가스로 전달되는, 자열 또는 흡열 반응을 수행하는 방법.
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