WO2009145517A2 - 개질장치 및 개질방법 - Google Patents

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제주대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a reforming apparatus and a reforming method, and more particularly, to a reforming apparatus and a reforming method in which a flame front is extended and reaction efficiency is increased.
  • reforming apparatus is based on a hydrogen-rich synthesis or hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), inert gas (N 2 , CO 2 , H 2 O) from a hydrocarbon containing fuel of liquid or gas Used to produce modified gas, including).
  • Catalytic Partial Oxidizers CPOx
  • Non-catalytic Partial Oxidizers include reforming a mixture of liquid fuel, water and air to produce a gaseous fuel composed mainly of hydrogen and carbon monoxide.
  • steam reforming steam reforming
  • CO 2 reforming CO 2 reforming
  • autothermal reforming a method such as (Auto thermal Reformers ATR) is used.
  • partial oxidation is mostly exothermic, and other reactions are mostly endothermic.
  • FIG. 1 shows a configuration of a conventional reformer.
  • the conventional reformer includes an inlet 110, an intake 120, a mixing unit 130, a reaction unit 140, a combustion initiation unit 150, and an exhaust unit. 160 is disposed in a line within tube 101.
  • the inlet 110 is composed of an injector for injecting a reactant containing a liquid or gaseous fuel into the tube 101.
  • Intake unit 120 is for introducing air into the tube 101, it is also possible to allow the air is supplied by a separate pump or blower fan provided outside.
  • the mixing unit 130 is a zone for smoothly mixing the reactant and air.
  • the combustion initiation unit 150 is arranged in the mixing unit 130. The combustion initiation unit 150 receives electric power from the power supply device 151 and raises the instantaneous temperature to 800 ° C. or higher to combust the mixed gas of the reactant and air.
  • Reaction unit 140 is a reforming reaction occurs by the heat of combustion ignited by the mixing unit 130. The reformed gas generated through the reforming reaction is discharged through the discharge unit 160.
  • the flow of a reactant flowing in a cell such as a tube or a pipe is made in the axial direction, and thus, there is a limit of increase in the reaction rate depending on the flame propagation speed or the contact area of the reactant and the heat source.
  • the present invention was created in order to solve the above-mentioned conventional problems, and improves the thermodynamic and gas dynamic structure, thereby improving the reforming reaction efficiency and sustaining the reforming apparatus and reforming without external heat supply after the reforming reaction is in a steady state.
  • the purpose is to provide a method.
  • a reactor case having an inlet for introducing a reactant, an inlet for introducing air, and an outlet for discharging the modified product;
  • a reaction promoting member installed inside the reactor case and generating a reforming reaction therein;
  • a combustion initiation unit configured to cause a reforming reaction, wherein the reaction promoting member comprises: a first flow passage in which the inlet side is opened; A second passage having an outlet side open and spaced apart from the first passage; And a partition wall partitioning between the first channel and the second channel to allow a mixture gas of the reactant and air flowing through the first channel to pass to the second channel. It provides a reforming device characterized in that the inclined and the axial direction.
  • the present invention comprises the steps of introducing a reactant and air, supplying power to the combustion initiation unit combusting the mixed gas of the reactant and air; A reforming reaction occurs; After the reforming reaction occurs, the reforming reaction is continued without the supply of additional power by the heat stored in the reaction promoting member; provides a reforming method comprising a.
  • the reforming reaction of the hydrocarbon-based fuel may be performed with high efficiency.
  • the reforming apparatus and reforming method according to the present invention is a very useful invention that does not require external continuous heat source supply to reduce the maintenance cost.
  • Figure 1 shows the configuration of a conventional reformer
  • FIG. 2 illustrates a configuration of a reforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of a reaction promoting member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a configuration of a reforming apparatus according to a modification of FIG. 2,
  • FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of a reaction promoting member according to a modification of FIG. 3;
  • reaction promoting member 41,41 ' flow path
  • Figure 2 shows the configuration of the reforming apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a partial enlarged cross-sectional view of the reaction promoting member according to an embodiment of the present invention.
  • the reforming apparatus includes a reactor case 10, a reaction promoting member 40, and the combustion start unit (50).
  • the reaction body 10 includes an inlet 20, an inlet 30, and an outlet 60.
  • the reactor body 10 may have a hollow tube 11 having a space provided therein.
  • the size of the tube 11 is appropriately selected depending on the amount of reformed gas required and the type of reaction process.
  • the inlet 20 is arranged in front of the tube 11.
  • the inlet 20 may be implemented in the form of an injector to inject a reactant such as a hydrocarbon liquid or a gaseous fuel and water vapor or water into the tube 11.
  • a reactant such as a hydrocarbon liquid or a gaseous fuel and water vapor or water
  • the reactants injected through the inlet 20 are not limited to the above-mentioned ones, and may adopt a suitable manner according to the type of fuel.
  • the intake portion 30 serves as a passage for introducing air into the tube 11.
  • the air introduced through the intake unit 30 is air containing oxygen for combustion. This air is mixed with reactants injected through the inlet 20.
  • the inlet portion 20 and the intake portion 30 are adjusted in position and direction so that the mixture of reactant and air causes a swirl motion. Therefore, the intake portion 30 may be disposed at a position perpendicular to the inflow portion 20.
  • the discharge part 60 is installed at the rear of the tube 11 and is an outlet for discharging and using the reformed gas product.
  • the reaction promoting member 40 serves as a passage through which the mixed gas of the reactant and air flows, and delays the passage time of the mixed gas to perform a highly efficient reforming reaction.
  • the reaction promoting member 40 includes a first flow passage 41, a second flow passage 41 ′, and a partition wall 42.
  • the first passage 41 has an inlet side open and the second passage 41 ′ has an outlet side open.
  • the partition 42 partitions the first flow passage 41 and the second flow passage 41 '. Therefore, the mixture gas of the reactant and air passes through the inlet of the first passage 41, passes through the partition 42, and then flows to the outlet of the second passage 41 ′.
  • Such a structure of the flow paths 41, 41 'and the partition 42 has a section such that the flow of the mixed gas is orthogonal or inclined to the axial direction of the reactor case 10.
  • the partition wall 42 is preferably formed with a plurality of micro holes.
  • the micro holes are passages through which the mixed gas flows from the first flow passage 41 to the second flow passage 41 ′.
  • the reaction promoting member 40 has a plurality of passages 41 and 41 'formed in a bundle shape, and has a long honeycomb shape.
  • both ends of the flow path (41, 41 ') has a structure that is alternately sealed. That is, the outlet side of the first passage 41 and the inlet side of the second passage 41 'are respectively sealed.
  • the reaction promoting member 40 is preferably made of a porous ceramic or the like. Porous ceramic acts to allow the mixed gas to pass through but with a small pressure drop.
  • the individual flow paths 41 and 41 ′ of the reaction promoting member 40 are partitioned by a porous partition 42 through which the mixed gas can pass.
  • the flow passages 41 and 41 ′ are alternately blocked by plugs 43 on both sides thereof.
  • Such flow passages 41 and 41 'and the partition wall 42 significantly reduce the passage speed of the reforming gas due to the greatly increased flow passage cross-sectional area.
  • One of the problems of reforming using partial oxidation or water-gas conversion is related to the flame velocity associated with exothermic reactions. Normally the flame speed does not exceed 50 cm / sec. Therefore, the productivity of the reforming is limited by the size and cross-sectional area of the reactor case 10.
  • the volume V of the reforming gas passing per unit time must satisfy the following relationship for effective reforming.
  • the reaction promoting member 40 is such that the ratio L / D of the length L to the effective radius D of the individual flow passages 41 and 41 'is 20 to 600.
  • the ratio (L / D) is 20 to 500.
  • the effective radius D refers to the radius of the circle when the cross-sectional areas of the flow passages 41 and 41 'are viewed as circles of the same area.
  • the effective radius (D) is preferably to have a range of 0.1mm ⁇ 15mm. If the ratio L / D is smaller than 20, the mixed gas may not be sufficiently modified, and if the ratio L / D is larger than 600, it may be difficult to manufacture and the fluid may not flow smoothly.
  • the thickness of the partition wall 42 preferably has a range of 0.05mm ⁇ 10mm.
  • the thickness of the partition wall 42 between the flow paths 41 and 41 ' is smaller than 0.05 mm, the reaction time may not be delayed and sufficient reaction cannot be made.
  • the thickness of the partition wall 42 is larger than 10 mm, The mixture gas flow is not smooth. Therefore, by appropriately adjusting the thickness of the partition wall 42, sufficient reaction can be made in consideration of the passage speed of the mixed gas and the reaction time of the reforming reaction.
  • the microholes of the porous partition wall 42 preferably occupy 40 to 80% of the volume of the partition wall 42.
  • the density of the microholes is less than 40%, the flow of the mixed gas is inhibited and the pressure drop is too large.
  • the density of the microholes is 80% or more, structural strength may be weakened.
  • the flow paths 41 and 41 'and the partition wall 42 form a region in which the velocity of the mixed gas is lower than the flame velocity, thereby sufficiently securing the reaction space and delaying the time passing through the region than the reaction time for high efficiency.
  • the cross-sectional area between the passages is large, so that the efficiency is high even in the case of surface reaction.
  • the partition 42 acts as a heat reservoir to contribute to spontaneous and continuous reforming reaction.
  • the combustion initiation unit 50 combusts the mixed gas so that the reforming reaction occurs.
  • the combustion start unit 50 may be implemented in various forms, but the two preferred embodiments of the present invention will be described.
  • the combustion starter 50 may be implemented in the form of an electric heating instrument surrounding the outer circumference of the reaction promoting member 40.
  • the combustion start unit 50 has a heating wire.
  • the heating wire is made of nichrome wire or another type of alloy, and spirally wound around the outer circumference of the reaction promoting member 40 and generates heat by applying a current.
  • FIG. 4 illustrates a configuration of a reforming apparatus according to a modification of FIG. 2.
  • the combustion initiation unit 50 is implemented as a plasma discharger that starts combustion of the mixed gas through discharge.
  • the plasma discharger is driven by high voltage direct current or alternating current. Since the combustion initiation unit 50 implemented as a plasma discharger does not require a heating wire or the like, the combustion initiation unit 50 is excellent in durability due to heat deformation, etc., which may occur when repeated use for a long time.
  • the second embodiment has the advantage that the initial operation of the device is faster because no preheating is required for combustion of the mixed gas.
  • the reforming apparatus according to the present invention may further include a heat insulating layer (70).
  • the heat insulation layer 70 is made of a mica molded plate, ceramic wool, etc. of a heat insulating material, and surrounds the outside of the reaction promoting member 40.
  • the heat insulation layer 70 surrounds the reaction promoting member 40 and the above-described heating wire together to prevent heat loss to the outside.
  • the material of the heat insulating layer 70 is changed according to the arrangement of the electrodes. That is, when the outer circumference of the reaction promoting member 40 is an electrode, the heat insulating layer 70 is composed of a conductor. At this time, if the heat insulation layer 70 is an insulator, an electrode penetrates through the heat insulation layer 70 and is connected to the reaction promoting member 40. When the outer circumference of the reaction promoting member 40 is not an electrode, the heat insulation layer 70 is electrically insulated from the tube 11 by using a non-conductor.
  • FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of a reaction promoting member according to the modification of FIG. 3.
  • the size of the flow paths 41 and 41 ′ may be increased toward the discharge part 60 where the modified gas is discharged.
  • different gas resistances are required at each portion of the reaction promoting member 40 of the honeycomb structure.
  • the thickness of the partition wall 42 may be different depending on the length of the flow paths 41 and 41 ′.
  • the pore size and density of the partition wall 42 may be adjusted.
  • the reaction promoting member 40 may be coated with a catalyst.
  • the catalyst is for promoting the reforming reaction, and lowers the reforming reaction temperature.
  • As the catalyst Cu-Zn catalyst, nickel-based catalyst, platinum, palladium-based catalyst, etc. may be used, and a catalyst supporting Ni, Pd, Ru, Rh, Ir on an alumina carrier may be used.
  • the reforming apparatus may further include a power supply unit 90, a sensor unit 91, and a control unit 92.
  • the power supply unit 90 is a device for supplying power to the combustion starter 50.
  • the power supply unit 90 is electrically connected to the electrode of the above-described heater, the outer periphery of the reaction promoting member 40, or the plasma discharger.
  • the sensor unit 91 is installed inside the reaction promoting member 40 or at the rear of the reaction promoting member 40.
  • the sensor unit 91 measures the temperature, pressure, and component of the reformed gas in the tube 11.
  • the control unit 92 compares the temperature value, the pressure value, the reformed gas component value, etc. detected by the sensor unit 91 with a preset reference value, and adjusts the output by turning on / off and controlling the power supply unit 90.
  • the reforming apparatus according to the present invention preferably further comprises at least one guide portion 80.
  • the guide part 80 may be disposed between the inlet part 20 and the reaction promoting member 40.
  • the guide unit 80 adjusts the mixed gas of the reactant injected through the inlet 20 and the air introduced through the inlet 30 to be suitable for the reforming reaction.
  • the guide portion 80 aligns the direction of the mixed gas flow and adjusts the velocity distribution.
  • the guide portion 80 is effective for improving the temperature distribution in the tube 11. That is, the thermal radiation emitted from the heated reaction promoting member 40 does not go directly to the inlet 20, but is scattered and diffused by the guide 80, so that the reaction promoting member 40 The temperature of the front part of the rises. This elevated temperature preheats the gas mixture, increasing the degree of vaporization of the sprayed fuel or water.
  • the guide portion 80 may be disposed between the reaction promoting member 40 and the discharge portion (60). In this way, the guide unit 80 is installed at the rear of the reaction promoting member 40 to prevent the heat emitted from the reaction promoting member 40 from being lost to the discharge unit 60.
  • the guide unit 80 may be implemented in the form of a baffle, a rotary blade, a shield such as a mesh.
  • the reforming method according to the present invention comprises introducing a reactant and air, supplying power to a combustion initiation unit, combusting the mixed gas of the reactant and air, performing a reforming reaction, and after the reforming reaction occurs.
  • the reforming reaction is continued by the heat stored in the reaction promoting member without additional power supply.
  • the reforming method according to the present invention reforms a fuel-air-steam mixture gas in a controllable manner to produce a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components and other low-cost hydrocarbons such as methane and ethene.
  • Initiating combustion may add a preheating step.
  • the reaction facilitating member 40 causes a current to flow to a heater installed outside, or a direct current flows to the reaction facilitating member 40, and is heated to a maximum temperature of 800 ° C. due to Joule heating.
  • the voltage and current values of the power supply are controlled. Feedback to the appropriate temperature by the temperature sensor installed inside or behind the reaction promoting member (40).
  • the commencement of combustion is a reaction initiation step, in which fuel and air mixture gas are introduced into the tube 11 to commence combustion by the preheated reaction promoting member 40.
  • Heat is generated by the partial oxidation reaction, which is a reforming reaction, and the entire reaction promoting member 40 is heated.
  • the structure of the reaction promoting member 40 is formed to maximize this heating.
  • the introduction amount and composition ratio of the fuel-air-steam mixture gas are controlled to maintain an appropriate temperature of 800 ° C to 1500 ° C and to maximize the yield of the reformed gas.
  • the ratio between components is close to the theory of partial oxidation reactions, including the water-gas conversion reaction when water is present.
  • the structure of the reaction promoting member 40 causes a sufficient reforming reaction to improve the reaction rate. This is realized by the plurality of flow passages 41 and 41 'and the partition wall 42 of the reforming apparatus according to the present invention described above.
  • the reforming method according to another embodiment of the reforming apparatus according to the present invention performs only the step of starting the combustion, the reforming reaction, it is possible to omit the preheating step.
  • reforming is initiated by plasma discharge instead of heating. That is, combustion is started by starting the power supply of the plasma discharger with the introduction of the mixed gas.
  • the reforming method according to the present invention may further comprise the step of detecting the temperature, pressure, component ratio of the product in the tube 11, and controlling the introduction amount and composition ratio of the power source and the mixed gas.
  • the operating characteristics such as temperature and pressure, and the introduction amount and composition ratio of the mixed gas are controlled by the sensor unit 91 installed inside or behind the reaction promoting member 40 to detect temperature, pressure, and component ratio of the modified gas product. It may be controlled by comparing with a preset reference value.
  • the present invention is used for reforming hydrocarbon fuels in a chemical process to produce reformed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide.
  • This reformed gas is introduced into an automobile engine to reduce exhaust pollutant emissions, and can be utilized for soot treatment as a NOx reducing agent of the exhaust gas.
  • Hydrogen in the reformed gas can be used as fuel for fuel cells after refining.
  • this reformed gas can be applied to an internal combustion engine to be used for operation optimization, and can be used as fuel for hot air balloons.

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Abstract

본 발명은 탄화수소 연료를 개질하는 개질장치 및 개질방법을 개시한다. 본 발명은 열이나 방전 또는 촉매를 이용하여 액체, 기체, 또는 증기 상태의 연료를 변환시켜 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 기체로 만드는 개질장치에 관한 것으로, 복수의 유로와 격벽을 갖는 구조를 채택하여 화염선단을 확장하고 반응율을 높이는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 화공산업에서 합성기체를 생산하여 내연기관의 작동효율 증가와 배기가스의 청정화를 이룰 수 있으며 합성기체는 연료전지, 열기구 등에 다양하게 적용될 수 있다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 07.10.2009]　개질장치 및 개질방법
본 발명은 개질장치 및 개질방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화염선단(flame front)을 확장하고, 반응 효율을 높인 개질장치 및 개질방법에 관한 것이다.
일반적으로, 개질(Reforming)장치는 액체 또는 기체의 탄화수소 함유 연료로부터 수소농후합성(Hydrogen-rich synthesis) 또는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 비활성개스(N2, CO2, H2O) 등을 포함하는 개질 개스를 생산하는데 사용된다.
액체 연료 및 물, 공기의 혼합물을 개질하여 수소와 일산화탄소가 주성분인 기체연료를 만드는 방법에는 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidizers : CPOx), 비촉매(균일) 부분산화(Non-catalytic Partial Oxdizers : POx), 수증기 개질(Steam reforming), CO2 개질(CO2 reforming), 혹은 자동 열개질(Auto Thermal Reformers : ATR) 등의 방법이 사용된다. 전술한 방법 중, 부분산화(Partial oxidation)는 대부분 발열성 반응이고, 그 이외의 반응들은 대부분 흡열성 반응이다.
도 1은 종래의 개질장치의 구성을 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 개질장치는 유입부(110)와, 흡기부(120)와, 혼합부(130)와, 반응부(140), 연소개시부(150), 및 배출부(160)가 튜브(101) 내에 일렬로 배치된다.
유입부(110)는 액체 또는 기체의 연료를 포함하는 반응물을 튜브(101) 내에 분사하기 위한 인젝터로 구성된다. 흡기부(120)는 튜브(101) 내에 공기를 유입하기 위한 것으로서, 외부에 마련된 별도의 펌프 또는 송풍팬에 의해 공기가 공급되도록 하는 것도 가능하다. 혼합부(130)는 상기 반응물과 공기가 원활히 섞이도록 하는 구역이다. 연소개시부(150)는 상기 혼합부(130)에 배열된다. 상기 연소개시부(150)는 전원장치(151)로부터 전력을 공급받아 상기 반응물과 공기의 혼합기체를 연소시키도록 800℃이상으로 순간 온도를 상승시킨다. 반응부(140)는 상기 혼합부(130)에서 점화된 연소열에 의해 개질반응이 일어난다. 개질반응을 거쳐 생성된 개질 가스는 배출부(160)를 통해 배출된다.
종래의 개질장치는 튜브, 관로 등의 셀 내에서 흐르는 반응물의 흐름이 축상방향(axial direction)으로 이루어지고, 이에 따라 화염전파속도 또는 반응물과 열원의 접촉면적 제한에 따라 반응율 상승의 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 열역학적 및 기체동력학적인 구조를 개선시켜, 개질 반응효율을 높이고 개질반응이 정상상태가 된 후 외부의 열공급 없이 지속가능한 개질장치 및 개질방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반응물을 유입하기 위한 유입부와, 공기를 유입하기 위한 흡기부와, 개질된 생성물을 배출하기 위한 배출부를 구비하는 반응기케이스; 상기 반응기케이스 내부에 설치되는 것으로, 내부에서 개질반응이 일어나는 반응촉진부재; 개질반응이 일어나도록 하는 연소개시부;를 포함하는 것으로, 상기 반응촉진부재는: 입구측이 개방된 제1유로와; 출구측이 개방되어 상기 제1유로와 이격배치되는 제2유로; 및 상기 제1유로와 제2유로 사이를 구획하는 것으로, 상기 제1유로를 흐르는 반응물과 공기의 혼합기체가 상기 제2유로 측으로 통과되게 하는 격벽;을 구비하여, 혼합기체의 흐름이 상기 반응기케이스의 축방향과 경사지도록 하는 것을 특징으로 하는 개질장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 반응물과 공기를 유입하고, 연소개시부에 전원을 공급하여 상기 반응물과 공기의 혼합기체를 연소 개시하는 단계; 개질반응이 일어나는 단계; 개질반응이 일어난 이후에, 반응촉진부재에 자체 저장된 열에 의해 추가적인 전원의 공급없이 개질반응이 지속되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질방법을 제공한다.
본 발명에 따른 개질장치 및 개질방법은 탄화수소 계열 연료의 개질반응이 고효율로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개질장치 및 개질방법은 외부의 지속적인 열원 공급을 요하지 않아 유지비용이 절감되는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 종래의 개질장치의 구성을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개질장치의 구성을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응촉진부재의 부분 확대 단면도이고,
도 4는 상기 도 2의 변형 예에 따른 개질장치의 구성을 도시한 것이고,
도 5는 상기 도 3의 변형 예에 따른 반응촉진부재의 부분 확대 단면도이고,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
*10 : 반응기본체 11 : 튜브
20 : 유입부 30 : 흡기부
40 : 반응촉진부재 41,41' : 유로
42 : 격벽 50 : 연소개시부
60 : 배출부 70 : 단열층
80 : 가이드부 90 : 전원부
91 : 센서부 92 : 제어부
아래에서 설명된 제2실시례.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개질장치의 구성을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응촉진부재의 부분 확대 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 개질장치는 반응기케이스(10)와, 반응촉진부재(40)와, 연소개시부(50)를 구비한다.
반응기본체(10)는 유입부(20)와, 흡기부(30)와, 배출부(60)를 포함한다. 상기 반응기 본체(10)는 내부에 공간부가 마련된 중공 형태의 튜브(11)가 내설될 수 있다. 상기 튜브(11)의 크기는 필요로 하는 개질가스의 양과 반응공정의 종류에 따라 적절하게 채택된다.
유입부(20)는 상기 튜브(11)의 전방에 배치된다. 상기 유입부(20)는 인젝터(Injector) 형태로 구현되어, 탄화수소 액체 또는 기체 연료와 수증기 또는 물 등의 반응물을 상기 튜브(11) 내로 분사되게 한다. 하지만, 상기 유입부(20)를 통해 분사되는 반응물이 전술한 것들에 한정되지 않으며, 연료의 형태에 따라 적합한 방식을 채택하도록 한다.
흡기부(30)는 상기 튜브(11) 내에 공기를 유입하기 위한 통로로 작용한다. 상기 흡기부(30)를 통해 유입되는 공기는 연소를 위한 산소가 함유된 공기이다. 이 공기는 상기 유입부(20)를 통해 분사된 반응물과 혼합된다.
상기 유입부(20) 및 흡기부(30)는 반응물과 공기의 혼합물이 회선운동(swirl motion)을 일으키도록 위치와 방향이 조정된다. 따라서, 상기 흡기부(30)는 상기 유입부(20)와 수직되는 위치에 배치될 수 있다.
배출부(60)는 상기 튜브(11)의 후방에 설치되는 것으로, 개질된 가스 생성물을 배출하여 사용하기 위한 출구이다.
반응촉진부재(40)는 상기 반응물과 공기의 혼합기체가 흐르는 통로가 되며, 상기 혼합기체의 통과 시간을 지연시켜 고효율의 개질반응이 일어나도록 하는 기능을 수행한다.
상기 반응촉진부재(40)는 제1유로(41)와, 제2유로(41'), 및 격벽(42)을 구비한다. 상기 제1유로(41)는 입구측이 개방되고, 상기 제2유로(41')는 출구측이 개방된 형상을 갖는다. 상기 격벽(42)은 상기 제1유로(41)와 제2유로(41')를 구획한다. 따라서, 상기 반응물과 공기의 혼합기체는 상기 제1유로(41)의 입구를 지나, 상기 격벽(42)을 통과한 후, 상기 제2유로(41')의 출구로 흐른다.
이와 같은 유로(41)(41')와 격벽(42)의 구조는, 상기 혼합기체의 흐름이 상기 반응기케이스(10)의 축방향과 직교 또는 경사지도록 하는 구간을 갖게 한다.
상기 격벽(42)은 다수의 미소홀들이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 미소홀들은 상기 혼합기체가 상기 제1유로(41)로부터 제2유로(41')로 흐르도록 하는 통로가 된다.
더욱 바람직하게는, 상기 반응촉진부재(40)는 상기 유로(41)(41')들이 다발형으로 다수가 형성되어, 길이가 긴 벌집모양으로 이루어진다. 한편, 상기 유로(41)(41')의 양 끝단은 교대로 밀봉된 구조를 갖는다. 즉, 상기 제1유로(41)의 출구측 및 상기 제2유로(41')의 입구측은 각각 밀폐된다. 한편, 상기 반응촉진부재(40)는 다공성 세라믹 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 다공성 세라믹은 혼합기체가 통과 가능하면서도 압력강하가 작도록 작용한다.
도 3을 참조하면, 상기 반응촉진부재(40)의 개별 유로(41)(41')들은 혼합기체가 통과할 수 있는 다공성 격벽(42)에 의해 구획된다. 상기 유로(41)(41')들은 교대로 양 측이 마개(43)로 막혀 이루어진다.
이와 같은 유로(41)(41')와 격벽(42)은 크게 증가된 유로단면적으로 인해 개질기체의 통과속도를 현저히 낮추게 된다. 부분산화반응 또는 물-기체 변환반응을 이용하는 개질의 문제점 중 하나는 발열반응과 연관된 화염속도(Flame velocity)에 관련되어 있다. 통상 화염속도는 50cm/sec를 초과하지 않는다. 따라서, 개질의 생산성은 반응기케이스(10)의 크기와 단면적에 의해 제한된다.
화염속도를 F라 하고 개질을 위한 기체가 통과하는 모든 통로의 표면적의 합을 S라 할 때, 단위시간당 통과하는 개질 기체의 부피 V는 다음의 관계를 만족시켜야 효과적인 개질이 이루어진다.
*V ≤ F × S
상기 조건을 만족하기 위해, 반응촉진부재(40)는 개별 유로(41)(41')의 유효반경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 20 ~ 600이 되도록 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 비(L/D)가 20 ~ 500이 되게 한다. 유효반경(D)은 유로(41)(41')의 단면적을 동면적의 원으로 보았을 때의 원반경을 말한다. 상기 유효반경(D)은 0.1mm ~ 15mm의 범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 상기 비(L/D)가 20보다 작게되면 혼합기체가 충분히 개질되지 못하고, 상기 비(L/D)가 600보다 크게는 제작이 어려울 뿐 아니라 유체의 흐름이 원활치 못할 수 있다.
한편, 상기 격벽(42)의 두께는 0.05mm ~ 10mm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 유로(41)(41')간의 격벽(42)의 두께가 0.05mm 보다 작게 되면 혼합기체의 통과시간을 지연시키지 못해 충분한 반응이 이루어지지 못하게 되고, 격벽(42)의 두께가 10mm보다 크게 되면 혼합기체의 흐름이 원활하지 못하게 된다. 따라서, 상기 격벽(42)의 두께를 적절히 조절함으로써, 혼합기체의 통과속도와 개질반응의 반응시간을 고려하여 충분한 반응이 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 다공성 격벽(42)의 미소홀은 격벽(42) 체적의 40 ~ 80 %를 차지하는 것이 바람직하다. 상기 미소홀의 밀도가 40% 보다 작게 되면 혼합기체의 흐름이 저해되고 압력강하가 지나치게 커지게 된다. 상기 미소홀의 밀도가 80% 이상이 되면 구조적 강도가 약해질 수 있다.
즉, 상기 유로(41)(41')와 격벽(42)은 혼합기체의 속도가 화염속도보다 낮은 영역을 형성하여, 반응공간을 충분히 확보하고 이 영역을 통과하는 시간을 반응시간보다 늦추어 높은 효율의 개질반응을 일으키게 한다. 또한, 통로 사이의 단면적이 넓어 표면반응의 경우에도 효율이 높다. 뿐만 아니라, 상기 격벽(42)이 열저장체(Heat reservoir)로서 작용하여 자발적이고 지속적인 개질반응에 기여한다.
연소개시부(50)는 혼합기체를 연소시켜 개질반응이 일어나도록 한다.
상기 연소개시부(50)는 다양한 형태로 구현될 수 있으나, 본 발명에서는 바람직한 두 가지 실시 예를 설명하기로 한다.
제1실시 예에 따르면, 상기 연소개시부(50)는 상기 반응촉진부재(40)의 외주를 둘러싸는 전열기(Electric heating instrument) 형태로 구현될 수 있다. 상기 연소개시부(50)는 전열선을 구비한다. 상기 전열선은 니크롬선 또는 다른 종류의 합금으로 이루어져, 상기 반응촉진부재(40)의 외주연에 나선형으로 감기고 전류를 인가하여 발열된다.
도 4는 상기 도 2의 변형 예에 따른 개질장치의 구성을 도시한 것이다.
제2실시 예에 따르면, 도 4에 도시된 것처럼 상기 연소개시부(50)는 방전을 통해 혼합기체의 연소를 개시하는 플라즈마 방전기로 구현된다. 상기 플라즈마 방전기는 고전압 직류 혹은 교류에 의해 구동된다. 플라즈마 방전기로 구현되는 연소개시부(50)는 전열선 등을 요구하지 않기 때문에, 장기간 반복 사용시 발생할 수 있는 열변형 등에 의한 내구성이 우수하다. 또한, 상기 제2실시 예는 혼합기체의 연소를 위한 예열이 요구되지 않기 때문에, 장치의 최초 가동이 빨라지는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 개질장치는 단열층(70)을 더 구비할 수 있다. 상기 단열층(70)은 단열성 재질의 운모성형판, 세라믹울 등으로 이루어져, 상기 반응촉진부재(40)의 외부를 둘러싼다. 바람직하게는 상기 단열층(70)은 상기 반응촉진부재(40)와 전술한 전열선을 함께 둘러싸도록 하여, 외부로의 열 손실을 막는다.
만약, 반응촉진부재(40)에 직접 전류를 흘려 가열하는 경우, 전극의 배치에 따라 단열층(70)의 재질을 다르게 한다. 즉, 상기 반응촉진부재(40)의 외주가 전극일 경우, 단열층(70)은 도체로 구성된다. 이때, 상기 단열층(70)이 부도체라면, 전극이 상기 단열층(70)을 관통하여 반응촉진부재(40)에 접속된다. 상기 반응촉진부재(40)의 외주가 전극이 아닐 경우, 단열층(70)은 부도체를 사용하여 튜브(11)와 전기적으로 절연한다.
도 5는 상기 도 3의 변형 예에 따른 반응촉진부재의 부분 확대 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 유로(41)(41')의 크기는 개질된 기체가 배출되는 배출부(60) 측으로 갈수록 커지게 형성될 수 있다. 적절한 개질반응의 형성과 기체동력학적 고려를 감안하면 벌집모양 구조의 반응촉진부재(40) 각 부분에서 각기 다른 기체 저항이 요구된다. 따라서, 유로(41)(41')의 길이에 따라 격벽(42)의 두께는 각기 다르게 형성될 수 있다. 또한, 격벽(42)의 기공 크기 및 밀도도 조절될 수 있다.
한편, 상기 반응촉진부재(40)는 촉매가 도포될 수 있다. 상기 촉매는 개질반응을 촉진하기 위한 것으로, 개질반응 온도를 낮춘다. 촉매로 사용될 수 있는 것들은 Cu-Zn촉매, 니켈계촉매, 백금, 팔라듐계촉매 등을 사용할 수 있고, 알루미나 담체에 Ni, Pd, Ru, Rh, Ir을 담지한 촉매 등도 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개질장치는 전원부(90), 센서부(91), 제어부(92)를 더 구비할 수 있다.
전원부(90)는 상기 연소개시부(50)에 전력을 공급하는 장치이다. 상기 전원부(90)는 전술한 전열기의 전극이나, 반응촉진부재(40)의 외주나, 플라즈마 방전기에 전기적으로 연결된다.
센서부(91)는 상기 반응촉진부재(40) 내부에 설치되거나 반응촉진부재(40)의 후방에 설치된다. 상기 센서부(91)는 튜브(11) 내의 온도, 압력, 및 개질가스의 성분 등을 측정한다.
제어부(92)는 상기 센서부(91)로부터 검출된 온도값, 압력값, 개질가스 성분값 등을 미리 설정된 기준값과 비교하여, 상기 전원부(90)를 온/오프 및 제어하여 출력을 조정한다.
또한, 본 발명에 따른 개질장치는 적어도 하나의 가이드부(80)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 가이드부(80)는 상기 유입부(20)와 반응촉진부재(40)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 가이드부(80)는 상기 유입부(20)를 통해 인젝트되는 반응물과 상기 흡기부(30)를 통해 유입되는 공기의 혼합기체를 개질반응에 적합하도록 조절한다. 상기 가이드부(80)는 혼합기체 흐름의 방향을 정렬하고, 속도분포를 조절한다. 또한, 상기 가이드부(80)는 튜브(11) 내의 온도 분포 개선에도 유효하다. 즉, 가열된 반응촉진부재(40)에서 방출된 열 방사선(Thermal radiation)은 상기 유입부(20) 측으로 직접가지 못하고 상기 가이드부(80)에 의해 산란되고 확산되어, 상기 반응촉진부재(40)의 앞 부분의 온도가 상승한다. 이 상승된 온도는 혼합기체를 예열하여 분무된 연료 혹은 물의 기화 정도를 높이게 된다.
한편, 상기 가이드부(80)는 상기 반응촉진부재(40)와 배출부(60)의 사이에 배치될 수도 있다. 이와 같이 가이드부(80)를 반응촉진부재(40)의 후방에 설치하여, 상기 반응촉진부재(40)에서 방출된 열이 상기 배출부(60) 측으로 소실되는 것을 방지한다.
상기 가이드부(80)는 배플(baffle), 회전날개, 메쉬(mesh) 등 차폐체의 형태로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 개질장치의 바람직한 실시 예에 따른 개질방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 개질방법은, 반응물과 공기를 유입하고, 연소개시부에 전원을 공급하여 상기 반응물과 공기의 혼합기체를 연소 개시하는 단계와, 개질반응이 일어나는 단계와, 개질반응이 일어난 이후에, 반응촉진부재에 자체 저장된 열에 의해 추가적인 전원의 공급없이 개질반응이 지속되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 개질방법은, 연료-공기-수증기 혼합기체를 제어 가능한 방식으로 개질하여 수소와 일산화탄소가 주된 성분이고 기타 메탄, 에텐 등 저가의 탄화수소를 포함하는 합성기체를 생산한다.
연소 개시하는 단계는 예열단계를 추가할 수 있다. 반응촉진부재(40)는 외부에 설치된 히터에 전류를 흐르게 하거나 반응촉진부재(40)에 직접 전류를 흐르게 하여, 줄발열에 의해 부분 최고 온도가 800℃에 이르도록 가열된다. 이 단계에서 전열기 또는 저항을 갖는 도전성 반응촉진부재저항이 가열과 더불어 변화하는 것을 고려하여, 전원의 전압 및 전류값이 제어되도록 한다. 반응촉진부재(40) 내부 또는 후방에 설치된 온도센서에 의해 적정온도로 피드백된다.
상기 연소 개시하는 단계는 반응 개시단계로서, 연료 및 공기 혼합기체를 튜브(11)내에 입사시켜 예열된 반응촉진부재(40)에 의해 연소가 시작되도록 한다. 개질반응인 부분산화 반응에 의해 열이 발생하고 반응촉진부재(40) 전체가 가열된다. 상기 반응촉진부재(40)의 구조는 이 가열이 최대화 되도록 형성된다.
개질반응하는 단계에서, 연료-공기-수증기 혼합기체의 도입량과 조성비가 조절되어 800℃ ~ 1500℃의 적정온도가 유지되고, 개질된 기체의 산출이 최대화되도록 한다. 성분간의 비는 물이 존재할 때, 물-기체 전환반응을 포함하여 부분산화 반응의 이론치에 가깝게 된다.
개질반응이 지속되는 단계에서, 개질반응이 자기지속적으로 일어나기 때문에, 외부에서 더 이상 전류를 공급할 필요가 없다. 상기 반응촉진부재(40)의 구조는 충분한 개질반응을 일으켜 반응율을 우수하게 한다. 이는 전술한 본 발명에 따른 개질장치의 복수 유로(41)(41') 및 격벽(42)에 의해 실현된다.
한편, 본 발명에 따른 개질장치의 다른 실시 예에 따른 개질방법은 연소를 개시하는 단계와, 개질반응하는 단계만을 실시하며, 예열단계를 생략할 수 있다.
연소를 개시하는 단계에서, 가열 대신 플라즈마 방전에 의해 개질을 개시한다. 즉, 혼합기체의 도입과 더불어 플라즈마 방전기의 전원을 기동하여 연소를 개시한다.
또한, 본 발명에 따른 개질방법은 튜브(11) 내의 온도, 압력, 생성물의 성분비를 검출하는 단계와, 전원부 및 혼합기체의 도입량과 조성비를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
온도, 압력 등의 동작 특성 및 혼합기체의 도입량과 조성비의 조절은 상기 반응촉진부재(40)의 내부 또는 후방에 설치된 센서부(91)가 온도, 압력 및 개질된 가스 생성물의 성분비 등을 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교하여 제어될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명은 화공공정에서 탄화수소연료의 개질에 이용되어 수소, 일산화탄소를 주성분으로 하는 개질가스를 생산하는데 이용된다. 이 개질가스는 자동차 엔진에 도입되어 배기 오염물 배출을 감소하고, 배기가스의 NOx 환원제로 매연처리에 활용될 수 있다. 개질가스의 수소는 정제과정을 거쳐 연료전지의 연료로 사용 가능하다. 또한, 이 개질가스는 내연기관에 적용되어 운전 최적화에 이용 가능하고, 열기구의 연료 등으로 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 반응물을 유입하기 위한 유입부와, 공기를 유입하기 위한 흡기부와, 개질된 생성물을 배출하기 위한 배출부를 구비하는 반응기케이스; 상기 반응기케이스 내부에 설치되는 것으로, 내부에서 개질반응이 일어나는 반응촉진부재; 개질반응이 일어나도록 하는 연소개시부;를 포함하는 것으로,
    상기 반응촉진부재는:
    입구측이 개방된 제1유로와;
    출구측이 개방되어 상기 제1유로와 이격배치되는 제2유로; 및
    상기 제1유로와 제2유로 사이를 구획하는 것으로, 상기 제1유로를 흐르는 반응물과 공기의 혼합기체가 상기 제2유로 측으로 통과되게 하는 격벽;을 구비하여, 혼합기체의 흐름이 상기 반응기케이스의 축방향과 경사지도록 하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽에 다수의 미소홀들이 형성되며, 혼합기체가 상기 제1유로로부터 상기 미소홀들을 통해 제2유로로 흐르는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응촉진부재는,
    상기 제1유로 및 제2유로가 다발형으로 다수개 형성되고, 상기 제1유로의 출구측과 상기 제2유로의 입구측은 각각 밀폐된 것을 특징으로 하는 개질장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응촉진부재는 다공성 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로들은
    유효반경(D)에 대한 길이(L)의 비(L/D)가 20 내지 600이고, 상기 유효반경(D)은 0.1mm 내지 15mm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽의 두께는 0.05mm 내지 10mm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 격벽의 미소홀은 격벽 체적의 40% 내지 80 %를 차지하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로들의 단면적 및 상기 격벽의 두께는 상기 반응기케이스의 길이 방향에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소개시부에 전력을 공급하는 전원부;
    상기 반응촉진부재 내부 또는 후방에 설치되어, 온도, 압력, 생성물의 성분비를 측정하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 받은 정보를 미리 설정된 기준값과 비교하여 상기 전원부를 제어하는 제어부;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소개시부가,
    상기 반응촉진부재의 외주를 둘러싸도록 형성되는 것으로, 전류가 인가되어 발열하는 전열선;을 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응촉진부재는 전기적 저항을 지닌 도체로 이루어지고, 상기 반응촉진부재에 직접 전류를 인가하여 발열하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소개시부가,
    방전을 통해 연소를 개시하는 플라즈마 방전기인 것을 특징으로 하는 개질장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응촉진부재의 외부를 둘러싸도록 형성되어, 외부로의 열 손실을 막는 단열층;이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기케이스의 유입부와 반응촉진부재의 사이에 서로 이격을 가지고 배치되는 것으로, 상기 반응물과 공기의 혼합기체 흐름을 상기 반응촉진부재로 가이드 하는 적어도 하나의 가이드부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 가이드는,
    배플(baffle), 회전날개, 메쉬(mesh)의 형상 중에서 채택되는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  16. 청구항 1의 구조를 갖는 개질장치의 개질방법으로서,
    반응물과 공기를 유입하고, 연소개시부에 전원을 공급하여 상기 반응물과 공기의 혼합기체를 연소 개시하는 단계;
    개질반응이 일어나는 단계;
    개질반응이 일어난 이후에, 반응촉진부재에 자체 저장된 열에 의해 추가적인 전원의 공급없이 개질반응이 지속되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질방법.
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