WO2019216701A1 - 촉매 재생기 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a catalyst regenerator, and more particularly, to a catalyst regenerator that removes and regenerates carbon on the surface of a caulked catalyst in a fluidized bed reactor using a catalytic cracking system and raises the temperature of the catalyst.
  • Fluidized bed reactors in petrochemical processes are widely used in the process of producing a variety of compounds by supplying the catalyst in the form of small particles (particle), and reacted in the flow of the flow. Heat may need to be recovered or replenished depending on the reaction characteristics in the fluidized bed reactor. When it is necessary to replenish, the fuel is burned to raise the temperature in the fluidized bed reactor.
  • the fluidized bed reactor circulates the catalyst in powder form to form a fluid field and induces a catalytic reaction in a particular region (eg riser).
  • the fluidized bed reactor includes a catalyst regenerator, which regenerates the catalyst by removing carbon generated on the surface of the catalyst after the catalytic reaction, and replenishes the heat required for the catalytic reaction.
  • the catalyst temperature in the catalyst regenerator is raised by burning air by supplying air into the catalyst regenerator, The heated catalyst is fed to the riser.
  • a problem may occur in that fuel is not sufficiently burned in a region where the catalyst is concentrated in the reaction chamber, and an after-burning phenomenon in which the fuel is burned in the region where the catalyst is scarce occurs.
  • One aspect of the present invention is provided with an autothermal reforming reactor capable of supplying a reformed gaseous fuel (ie, an autothermally reformed gaseous fuel) inside a caulked catalyst, and maintaining a minimum bubble size of the gaseous fuel,
  • the present invention seeks to provide a catalyst regenerator that accelerates the combustion and heat transfer of reformed gaseous fuel in a catalyst dense zone.
  • a liquid fuel having a high calorific value is reformed into a solid carbon and gas state and supplied to the reaction chamber to regenerate the catalyst in the reaction chamber and increase the temperature of the catalyst, wherein the temperature balance in the reaction chamber is achieved.
  • a catalyst regenerator comprising a liquid fuel reformer is provided.
  • Another aspect of the present invention is to provide a catalyst regenerator that stabilizes combustion in a catalyst dense region during the process of regenerating a caulked catalyst, thereby preventing after-burning in the catalyst lean region.
  • the catalyst regenerator is a catalyst regenerator for regenerating a caulked catalyst separated from a product produced in an endothermic catalytic reaction of a fluidized bed reactor, having a regeneration space, and caulking in a stand pipe connected to the regeneration space.
  • a reaction chamber receiving the supplied catalyst and discharging the regenerated catalyst to the outlet;
  • a fuel supply unit connected to the reaction chamber to inject fuel for combustion into the regeneration space;
  • an air supply unit connected to the reaction chamber to inject air for combustion into the regeneration space.
  • a fuel injected from the fuel supply unit is a reformed fuel including hydrogen and carbon monoxide.
  • the air supply unit includes an air distribution ring receiving the air, and an air injection port formed in the air distribution ring, the fuel supply unit receives the fuel and is disposed adjacent to the air distribution ring, and It may include a fuel injection hole formed in the fuel distribution ring.
  • the outlet may be installed at a height set from the bottom of the reaction chamber, and the regeneration space may include a catalyst dense zone set at a height lower than the outlet, and a catalyst lean zone set at an upper side of the outlet.
  • the fuel supply unit may further include an autothermal reforming reactor having a reforming vessel in which a reforming catalyst is embedded and receiving a separator gas fuel separated from the product of the endothermic catalytic reaction to perform autothermal reforming reaction on the reforming catalyst.
  • the autothermal reformer may be further supplied with air and water.
  • the autothermal reforming reactor may be further supplied with external gas fuel from the outside.
  • the autothermal reforming reactor may include a pilot burner or an igniter in the reforming vessel.
  • the autothermal reforming reactor may be connected to an external combustor for supplying a high temperature combustion product gas to the reforming vessel.
  • the autothermal reforming reactor is provided in the reforming vessel, a first mixer for mixing the separator gas and the air, a water supply unit provided in a downstream direction of the first mixer to inject water supplied to the reforming vessel, and the It may include a second mixer provided between the reforming catalyst and the water supply unit built in the reforming container to mix the separator gas, the air and the water.
  • the autothermal reforming reactor is provided in the reforming vessel to mix the separator gas and the air, and is provided between the reforming catalyst and the mixer built in the reforming vessel and sprays water supplied to the reforming vessel. It may include a water supply.
  • the water supply unit may include a heat exchanger to exchange heat in the reforming vessel.
  • the autothermal reforming reactor may be installed in the regeneration space.
  • the reaction chamber may include a perforate plate on the upper side of the fuel distribution ring, and the perforated plate may be provided as a single layer or a double layer in the catalyst density region.
  • the fuel supply unit may include: a liquid fuel reformer connected to the reaction chamber to generate a reformed gas including hydrogen, carbon monoxide, and solid carbon by partial oxidation of a liquid fuel and supplying the reformed gas to the regeneration space; It may include.
  • the liquid fuel reformer may include a housing connected to the reaction chamber, a lean burn region for forming a first hot gas flow through a first liquid fuel supplied from one side of the housing, and a first air, and the lean burn region. It may include a rich combustion region for forming a second hot gas flow with the second liquid fuel supplied through the fuel supply pipe is installed.
  • the rich combustion region may further include an inner tube installed through the spacer in the housing.
  • the outer surface of the inner tube and the inner surface of the housing set a first hot gas flow passage through which the first hot gas flows between each other, and the inner surface of the inner tube allows the second hot gas to flow through the second hot gas. Gas flow passages can be established.
  • An outer surface of the housing and an inner surface of the outer tube may set a second air flow passage through which the second air flows.
  • the housing includes an expansion portion which is formed to be expanded in the lean combustion region than in the rich combustion region, and is installed in the expansion portion to generate and ignite and burn plasma by the first liquid fuel and the first air. It may include.
  • the housing may include a high temperature exposure increasing member installed in the rich combustion region to increase the high temperature exposure time.
  • the high temperature exposure increasing member may include at least one of metal foam, metal mesh, or ceramic monolith.
  • the housing may include a heating member installed on an outer surface to increase an internal temperature.
  • the liquid fuel reforming unit may be disposed in plurality in a lower side of the reaction chamber.
  • It may include a pre-mixing means disposed in the catalyst dense region, the pre-mixing region for pre-mixing the fuel supplied from the fuel supply and the air supplied from the air supply.
  • the premixing means is a combustion reactant nozzle for injecting the combustion reactant generated in the premixing region into the catalyst dense region, and the combustion reactant nozzle is an air nozzle connected with the air injection port, and a fuel connected with the fuel injection port. And a nozzle, wherein the air nozzle and the fuel nozzle may be connected to an inlet side of the premixed region.
  • the fuel connecting pipe connecting the fuel injection hole and the fuel nozzle may be installed inward from the combustion reactant nozzle connected to the air nozzle to inject the fuel into the injected air.
  • the fuel pipe may form pores around the fuel nozzle.
  • the combustion reactant nozzle may further include an ignition device installed in the premixed region.
  • the air distribution ring and the fuel distribution ring may be independently installed in the reaction chamber.
  • the autothermal reforming reactor receives a separator gas fuel containing methane separated from the product of the endothermic catalytic reaction as a main component and undergoes the autothermal reforming reaction in the reforming catalyst embedded in the reforming vessel, and the gas fuel supply unit By injecting gaseous fuel modified mainly from hydrogen and carbon monoxide supplied from the autothermal reforming reactor to the catalyst in the regeneration space, hydrogen and stable hydrogen in the catalyst dense zone of the coarse catalyst in the form of small particles The temperature can be elevated by burning carbon monoxide.
  • one embodiment includes a porous plate inside the catalyst regenerator, so that the bubble size of the reformed gas fuel can be kept to a minimum, and thus, combustion of the reformed gas fuel in a catalyst dense zone and Can accelerate heat transfer.
  • one of the gaseous fuels is used as a separate gas fuel (eg, most of hydrocarbon fuels (eg, naphtha, propane, etc.), a gas reformed using methane generated as a by-product from a fluidized bed reactor Fuel) and the cost of regenerating the caulked catalyst can be reduced.
  • a separate gas fuel eg, most of hydrocarbon fuels (eg, naphtha, propane, etc.)
  • Another embodiment of the present invention by providing a liquid fuel reformer, by producing a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide and solid carbon by partial oxidation of the liquid fuel to supply the reformed gas to the regeneration space of the reaction chamber coking catalyst
  • a temperature balance can be formed in the reaction chamber that regenerates and heats the temperature of the catalyst.
  • a pre-mixing zone is configured to pre-mix and react a combustion reactant including fuel and air to supply a combustion reactant to the catalyst dense zone, thereby providing stable stability in the catalyst dense zone.
  • Combustion can be implemented to prevent after-burning in the catalyst lean region.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a first aspect of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a second embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a third embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a driving flowchart of the autothermal reforming reactor applied to FIG. 3.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a fourth embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flow chart illustrating an autothermal reforming reactor applied to FIG. 5.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a fifth embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a sixth embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a seventh embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a sectional view of a catalyst regenerator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a liquid fuel reformer applied to FIG. 10.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. 11.
  • FIG. 13 is a graph showing the equivalence ratio and the temperature relationship for the lean burn region and the rich burn region of the liquid fuel reformer of FIG. 11.
  • Fig. 14 is a sectional view of a liquid fuel reforming section applied to the second aspect of the second embodiment of the present invention.
  • Fig. 15 is a sectional view of the liquid fuel reforming section applied to the third aspect of the second embodiment of the present invention.
  • Fig. 16 is a sectional view of the liquid fuel reforming section applied to the fourth embodiment of the second embodiment of the present invention.
  • Fig. 17 is a sectional view of a catalyst regenerator including a liquid fuel reformer according to a fifth aspect of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a liquid fuel reformer applied to the sixth embodiment of the second embodiment of the present invention.
  • 19 is a block diagram of a combustion reactant nozzle applied to the catalyst regenerator of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a first aspect of the third embodiment of the present invention.
  • 21 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a second aspect of the third embodiment of the present invention.
  • Fig. 22 is a block diagram of a catalyst regenerator according to a third embodiment of the third embodiment of the present invention.
  • Fig. 23 is a block diagram of a catalyst regenerator according to a fourth aspect of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a configuration diagram of a combustion reactant nozzle applied to a fluidized bed catalyst regenerator according to a fifth embodiment of the third embodiment of the present invention.
  • a fluidized bed reactor using a catalytic cracking system mixes reactants and catalyst in a riser (not shown) to cause a cracking reaction of the reactants, and then separates the caulked catalyst and the product into cyclones to convert the caulked catalyst into a catalyst regenerator. Drop it.
  • the process for producing olefins using naphtha as a reactant may be performed by mixing naphtha and a catalyst to cause naphtha decomposition reaction, and then separating the caulked catalyst and the produced olefin from a cyclone (not shown), and then caulking the catalyst. Is dropped into the catalyst regenerator (see FIG. 1).
  • naphtha is injected into the lower part of the riser together with steam and meets a high temperature catalyst (including a regenerated catalyst), and naphtha begins to be decomposed through a catalytic reaction. Naphtha continues to endothermally decompose as it rises along the riser.
  • the catalyst covered with solid carbon particles that is, the coked catalyst and the olefin produced in the decomposition reaction, enter the cyclone and are separated from each other.
  • the caulked catalyst separated from the cyclone is taken down the stand pipe 10 (see FIG. 1) into the catalyst regenerator of the embodiment provided below.
  • the catalyst regenerator plays two major roles.
  • the first role is to oxidize the byproducts of the catalyst surface from the main reaction of the fluidized bed reactor in a high temperature environment.
  • the catalyst regenerator regenerates the caulked catalyst.
  • the main component of the by-product formed on the surface of the catalyst is carbon particles, which in some cases may include hydrocarbon-based materials that could not be removed.
  • the second role is to replenish the amount of heat required for the main reaction by raising the temperature of the catalyst in the catalyst regenerator when the main reaction of the fluidized bed reactor is endothermic.
  • the main reaction may be naphtha cracking or dehydration to convert propane to propylene.
  • Catalyst regenerators may be used to play the first and second roles simultaneously or to achieve only one role.
  • the catalyst regenerator may be configured to cause endothermic catalysis in a fluidized bed reactor, then separate the caulked catalyst and the resulting product, raise the temperature of the caulked catalyst or oxidize the byproducts of the caulked catalyst surface.
  • the catalyst regenerator according to an embodiment of the present invention can supply fuel and air to burn the coked catalyst to raise the temperature of the coked catalyst or to oxidize the by-products of the coked catalyst surface.
  • the fuel can be reformed to provide a reformed fuel comprising hydrogen and carbon monoxide to the coked catalyst.
  • the catalyst regenerator 1 of the first type includes a reaction chamber 20, an air supply unit 30, and a fuel supply unit.
  • the fuel supply unit may include an auto-thermal reforming reactor 40 and a gaseous fuel supply unit 50.
  • the reaction chamber 20 sets the regeneration space S of the catalyst, and through the outlet 21 provided at one side, the temperature is increased, and the by-products (carbon particles) of the regenerated, ie, coked catalyst surface are removed.
  • the catalyst to the riser (not shown).
  • the outlet 21 connects the reaction chamber 20 below the riser to supply regenerated catalyst to the riser.
  • the outlet 21 is installed at a height H set from the bottom of the container 20.
  • the reaction chamber 20 may include a perforate plate 22 above the gas fuel supply unit 50. Accordingly, the regeneration space S includes a catalyst dense zone Z1 set at a height lower than the outlet 21, and a catalyst lean zone Z2 set at an upper side of the outlet 21.
  • the porous plate 22 may be provided in a single layer or multiple layers in the catalyst dense zone Z1.
  • the porous plate 22 allows the catalyst regenerated in the catalyst dense zone Z1 to be continuously supplied to the outlet 21 while preventing the backflow of the regenerated catalyst while raising the catalyst lean zone Z2.
  • the porous plate 22 is installed inside the reaction vessel 20 to form a bubbling bed in the regeneration space S, so that the gaseous fuel and combustion mixture reformed inside a powdered caulked catalyst. And to keep the bubble size of the reaction product to a minimum.
  • the air supply unit 30 is installed in the regeneration space S to enable combustion of the caulked catalyst supplied to the regeneration space S, and to inject air for this combustion into the regeneration space S.
  • the air supply unit 30 injects air to the caulked catalyst in the regeneration space S.
  • the gas fuel supply unit 50 is installed in the regeneration space S to supply gas fuel for combustion to the regenerated space S to the coked catalyst in the regeneration space S.
  • the gas fuel supply unit 50 injects the reformed gas fuel into the air.
  • the air injected from the air supply unit 30 and the gas fuel supply unit 50 and the reformed gas fuel are combusted in the regeneration space S, and the carbon particles of the coked catalyst are combusted to regenerate the coked catalyst.
  • the air supply unit 30 includes an air distribution ring 31 and an air injection port 32 installed in the catalyst dense zone Z1.
  • the air distribution ring 31 is formed in the reaction chamber 20 in the circumferential direction and disposed in the circumferential direction.
  • the air injection port 32 is formed in the air distribution ring 31 and provided downward in the catalyst dense zone Z1 to inject air downward.
  • the air injection holes 32 are provided in plurality, and are spaced apart along the circumferential direction of the air distribution ring 31 to uniformly inject and supply air in the circumferential direction inside the reaction chamber 20. This enables a uniform flame and a uniform regeneration of the catalyst in the circumferential direction of the catalyst dense zone Z1.
  • the gaseous fuel supply unit 50 includes a fuel distribution ring 51 and a fuel injection port 52.
  • the fuel distribution ring 51 may be installed adjacent to the air distribution ring 31 of the air supply unit 30 in the catalyst dense zone Z1, for example, above or below the air distribution ring 31.
  • 1 exemplarily illustrates a fuel distribution ring 51 installed above the air distribution ring 31.
  • the fuel distribution ring 51 is formed along the circumferential direction corresponding to the air distribution ring 31 and disposed in the circumferential direction.
  • a plurality of fuel injection holes 52 are provided in the fuel distribution ring 51 to inject the gas fuel reformed into the catalyst compaction zone Z1 downward.
  • the fuel injection holes 52 are spaced apart on the fuel distribution ring 51 along the circumferential direction to uniformly inject and supply the reformed gas fuel in the circumferential direction of the reaction chamber 20, thereby It allows for a uniform flame and a uniform regeneration of the catalyst in the circumferential direction.
  • the reaction chamber 20 forms a convex bottom 23. That is, the inside of the bottom 23 is formed in a concave structure.
  • the stand pipe 10 supplies a coked catalyst, separated from the product of the endothermic catalytic reaction, to the reaction chamber 20, for which an air distribution ring 31 and a fuel distribution ring, at the center of the reaction chamber 20, are provided. It is provided in the up-down direction at the center of 51.
  • the air distribution ring 31 is connected to the air tube 311 and drawn out of the reaction chamber 20.
  • the stand pipe 10 may be installed at various positions other than the center of the reaction chamber 20.
  • the bottom opening of the stand pipe 10 forms a set gap G with the bottom 23. Therefore, the caulked catalyst supplied to the opening of the stand pipe 10 is supplied to the regeneration space S through the gap G.
  • the concave bottom 23 distributes the upward flow uniformly in the circumferential direction while facilitating the conversion of the upward flow after downward of the caulked catalyst.
  • the caulked catalyst supplied to the stand pipe 10 is mixed with the air supplied from the air distribution ring 31 and further mixed with the reformed gas fuel supplied from the fuel distribution ring 51.
  • the porous plate 22 keeps the bubble size of the combustion mixture and the reaction product of the reformed gaseous fuel in a small particle coking catalyst by the catalyst, air and the reformed gaseous fuel to a minimum.
  • heat transfer and combustion of the reformed gaseous fuel in the catalyst dense zone Z1 can be accelerated.
  • the catalyst density region Z1 under the porous plate 22 is set below the outlet 21 to intensively burn and regenerate the caulked catalyst, and the catalyst lean over the porous plate 22.
  • Zone Z2 is set above the outlet 21 to minimize after-burning.
  • the porous plate may be provided in a single layer or multiple layers in the catalyst dense zone Z1.
  • the autothermal reforming reactor (40) is supplied with a separator gas fuel mainly composed of methane separated from the product of the endothermic catalytic reaction to perform the autothermal reforming reaction in the reforming catalyst (42) embedded in the reforming vessel (41).
  • the reforming vessel 41 is connected to the gas fuel supply unit 50 through the connection pipe 411, and supplies the reformed gas fuel to the gas fuel supply unit 50 in the autothermal reforming reactor 40.
  • the reformed gaseous fuel is burned in the catalyst regenerator 1 and induces a surface temperature rise of the caulked catalyst to accelerate the combustion of carbon formed on the surface.
  • the gas fuel supply unit 50 is connected to the autothermal reforming reactor 40 and is installed in the regeneration space S above or below the air supply unit 30.
  • the autothermal reforming reactor 40 reforms the separator gas fuel and supplies the reformed gas fuel.
  • the gaseous fuel supply unit 50 injects the gaseous fuel modified with hydrogen and carbon monoxide supplied from the autothermal reforming reactor 40 to the coked catalyst in the regeneration space S to regenerate the catalyst.
  • the autothermal reforming reaction requires a reactant separator gas fuel and air and water (moisture). Therefore, the autothermal reforming reactor 40 may be further supplied with air and water (moisture) in addition to the separator gas fuel.
  • Moisture can increase the durability of the reforming catalyst 42 by controlling the temperature and removing carbon generated on the surface of the reforming catalyst 42 in the catalytic reaction of the reforming catalyst 42 in the autothermal reforming reactor 40. .
  • the general partial oxidation catalytic reforming reaction generates hydrogen and carbon monoxide using gaseous methane and air as reactants.
  • the partial oxidation catalytic reforming reaction causes a decrease in catalyst performance and pipe blockage due to carbon formation on the surface of the catalyst.
  • the autothermal reforming reaction of the autothermal reforming reactor 40 is operated at an O 2 / CH 4 ratio of 0.5 to 1.0, which is equal to or higher than the O 2 / CH 4 ratio of 0.5, which is a partial oxidation condition.
  • the autothermal reforming reaction of the first embodiment additionally supplies water (moisture) to the partial oxidation catalytic reforming to further generate hydrogen by supplying a heat source for the catalytic reaction and reacting water with carbon. And it may have the advantage of further removing carbon through carbon combustion.
  • the separated gaseous fuel is reused and reformed through the autothermal reforming reaction of the autothermal reforming reactor (40). It is fed into and burned with the carbon particles on the surface of the caulked catalyst.
  • the autothermal reforming reactor 240 applied to the catalyst regenerator of the second type has a structure of the autothermal reforming reactor 40 of the first embodiment, which receives the separator gas, from the outside of the reforming container 41. More gaseous fuel (eg methane, not gas) is supplied. In other words, the reforming vessel 41 is supplied with a separate gas fuel and an external gas fuel.
  • gaseous fuel eg methane, not gas
  • the autothermal reforming reaction of the autothermal reforming reactor 240 is higher than the O 2 / CH 4 ratio 0.5 of the partial gas and the external gas fuel in the partial oxidation condition, and lower than the O 2 / CH 4 ratio 2.0 of the combustion condition. It is operated and undergoes a partial combustion reaction between the separated gas fuel (eg methane) and the external gas fuel.
  • the separated gas fuel eg methane
  • the generated heat is utilized as a heat source of the reforming catalyst 42.
  • the additionally supplied water (moisture) reacts with the carbon to inhibit carbon formation on the surface of the reforming catalyst 42, or reacts with methane to generate hydrogen and carbon dioxide.
  • the gaseous fuel reformed from the separator gas and the external gaseous fuel is supplied into the catalyst regenerator 1 through the connecting pipe 411 and combusted together with the carbon particles on the surface of the caulked catalyst.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to a catalyst regenerator according to a third embodiment of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a flow chart of the autothermal reforming reactor applied to FIG. 3. 3 and 4,
  • the autothermal reformer 340 applied to the catalyst regenerator of the third type includes a pilot burner or an igniter in the structure of the first type of autothermal reformer 40. 344 is further provided to the reforming container 41.
  • a pilot burner or igniter 344 is provided inside (upper side) of the reforming vessel 41 so that the O 2 / CH 4 ratio of the separator gas starts the combustion reaction at 2.0.
  • the driving sequence of the autothermal reforming reactor 340 includes a first step ST1, a second step ST2, a third step ST3, and a fourth step ST4.
  • the first step ST1 uses a pilot burner or igniter 344 to start a combustion reaction at an O 2 / CH 4 ratio of the separator gas of 2.0.
  • the second step (ST2) is to reduce the O 2 / CH 4 ratio of the separator gas by 2.0, maintaining the ratio above 1.0 to utilize the heat of combustion generated in the combustion reaction zone of the autothermal reforming reactor 340, the reforming vessel ( 41) heat up the interior of the chamber.
  • the third step ST3 stabilizes the temperature distribution inside the reforming vessel 41 by supplying water (water) to the autothermal reforming reactor 340.
  • the fourth step (ST4) is to gradually reduce the O 2 / CH 4 ratio of the separator gas fuel to switch to the separator gas (eg methane) reforming zone, the temperature of the reforming vessel 41, and the separator gas fuel (eg Methane) select the optimum O 2 / CH 4 ratio according to the conversion rate, and operate at the selected ratio.
  • the separator gas eg methane
  • the separator gas fuel eg Methane
  • the autothermal reforming reactor 340 supplies the reformed gas reformed from the separator gas (eg, methane) to the catalyst regenerator 1 through the connecting pipe 411.
  • the reformed gas supplied is combusted with the carbon particles of the caulked catalyst inside the catalyst regenerator.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an autothermal reforming reactor applied to the catalyst regenerator according to the fourth embodiment of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a driving flowchart of the autothermal reforming reactor applied to FIG. 5.
  • the autothermal reforming reactor 440 applied to the catalyst regenerator of the fourth embodiment includes an external combustor 444 in the reforming vessel 41 in the structure of the autothermal reforming reactor 40 of the first embodiment. Connect more.
  • the external combustor 444 is connected to the reforming vessel 41 (upper part) to supply hot combustion product gas into the reforming vessel 41.
  • the driving sequence of the autothermal reforming reactor 440 includes a first step ST21, a second step ST22, a third step ST23, and a fourth step ST24.
  • the first step ST21 the high temperature combustion product gas is supplied into the reforming vessel 41 of the autothermal reforming reactor 440 by utilizing the external combustor 444.
  • the temperature of the reforming vessel 41 is stabilized by supplying air and water (moisture) at a temperature of about 700 ° C. in the reforming vessel 41 of the autothermal reforming reactor 440.
  • the separator gas is supplied into the reforming vessel 41 to perform an autothermal reforming reaction, and the temperature of the reforming vessel 41 is stabilized by controlling the O 2 / CH 4 ratio in the separator gas. In addition, the combustion gas in the external combustor 444 is blocked.
  • the temperature stabilization and the generated reformed gas are supplied into the catalyst regenerator 1 through the connection pipe 411 and burned together with the carbon particles of the caulked catalyst.
  • the autothermal reforming reactor 540 applied to the fifth type of catalyst regenerator includes a reforming vessel 41, a first mixer 541, a water supply unit 543, and a second mixer 542. .
  • the first mixer 541 is provided inside (upward) of the reforming vessel 41, and mixes the separator gas and air supplied (from above) to start a uniform combustion reaction in the reforming vessel 41. To be.
  • the water supply part 543 is provided in the downstream direction of the first mixer 541 and sprays water (water) supplied to the reforming container 41 (from the side) to the inside of the reforming container 41.
  • the water supply unit 543 uniformly supplies water (water) into the reforming container 41 and stabilizes the temperature distribution inside the reforming container 41 through water (water) supply.
  • the second mixer 542 is provided between the upstream direction of the reforming catalyst 42 embedded in the reforming vessel 41 and the water supply section 543, and uniformly separates the gas fuel, air, and water (moisture). It is mixed and supplied to the built-in reforming catalyst 42 to enable a uniform catalytic reaction of the reforming catalyst 42.
  • the reformed reformed gas is fed into the catalyst regenerator 1 through the connecting pipe 411 and combusted with the carbon particles of the caulked catalyst.
  • the autothermal reforming reactor 640 applied to the sixth type catalyst regenerator includes a reforming vessel 41, a mixer 642, and a water supply unit 643.
  • the mixer 642 is provided in the reforming vessel 41 (upward inside) to mix the separator gas and the air supplied from the upstream direction so as to start a uniform combustion reaction inside the reforming vessel 41. .
  • the water supply part 643 is provided between the upstream direction of the reforming catalyst 42 incorporated in the reforming vessel 41 (lower portion) and the mixer 642, and is supplied to the reforming vessel 41 (under). (Moisture) is sprayed to stabilize the temperature distribution inside the reforming vessel 41.
  • the water supply unit 643 uniformly supplies water (moisture) into the reforming vessel 41, and uniformly mixes the separator gas, air, and water (moisture), and uniformly mixes the reforming catalyst 42 embedded therein. Feeding the mixture allows for uniform catalysis of the reforming catalyst 42.
  • the water supply unit 643 further includes a heat exchanger 644 connected from a downstream direction of the reforming vessel 41 and exchanging heat in a large area inside the reforming vessel 41.
  • the heat exchange part 644 makes the temperature distribution of the reforming catalyst 42 more uniform in the reforming container 41 due to the heat exchange action in the reforming container 41, and uniform catalytic reaction of the reforming catalyst 42. To make it possible.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a seventh embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • the autothermal reforming reactor 240 applied to the catalyst regenerator 1 ′ of the seventh type may be installed in the reaction chamber 20, for example, in the catalyst compaction zone Z1.
  • the autothermal reformer 240 may be supported on the bottom 23 of the reaction chamber 20, as shown in FIG. 9, and may be disposed in the center of the reaction chamber 20.
  • the reforming vessel 41 of the autothermal reforming reactor 240 receives separator fuel, air, and water (not shown) through an externally connected pipe, and is reformed through a connection pipe 411 connected to the reforming vessel 41.
  • the prepared gaseous fuel is injected into the caulked catalyst in the regeneration space S to regenerate the catalyst.
  • the connecting pipe 411 is composed of a plurality may be arranged at uniform intervals in the circumferential direction of the reforming container (41).
  • the connecting pipe 411 is connected to the fuel distribution ring 51 so that the reformed gas fuel is injected through the fuel injection port 52 formed in the fuel distribution ring 51.
  • the autothermal reforming reactor 240 is installed inside the reaction chamber 20 instead of outside, thereby regenerating and heating the catalyst in the regeneration space S. It can improve the thermal efficiency.
  • the second embodiment includes a liquid fuel reformer as a fuel supply for supplying reformed fuel.
  • the catalyst regenerator 2 of the first embodiment of the second embodiment includes a reaction chamber 20, a fuel supply part and an air supply part 30, and is configured to regenerate and heat a caulked catalyst.
  • the fuel supply unit is composed of a liquid fuel reformer 60.
  • the catalyst regenerator 2 of the second embodiment reforms the (first, second) liquid fuel having a high calorific value into a solid carbon and gas state, and supplies it to the reaction chamber 20 to balance the temperature in the reaction chamber 20. It is configured to form.
  • the catalyst regenerator 2 of the second embodiment regenerates and heats the catalyst while oxidizing and removing carbon remaining on the surface of the coked catalyst with air additionally supplied to the solid carbon and the reformed gas in the gaseous state (hydrogen and carbon monoxide). .
  • the liquid fuel reforming unit 60 is configured to partially oxidize the (first and second) liquid fuels, to generate a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and solid carbon and supply it to the regeneration space S.
  • the air supply unit 30 is installed in the regeneration space S inside the reaction chamber 20 to combust the reformed gas to supply air for combustion to the regeneration space S to regenerate and heat the coking catalyst.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the liquid fuel reformer applied to FIG. 10, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. 11.
  • the liquid fuel reformer 60 includes a housing 61, a lean burn area LBA, and a rich burn area RBA.
  • the housing 61 is connected to the reaction chamber 20, and supplies the reformed gas generated by partial oxidation to the regeneration space S in the reaction chamber 20.
  • the lean burn area LBA forms a first hot gas HG1 flow into the first liquid fuel and the first air supplied from one side of the housing 61.
  • the first hot gas (HG1) stream is formed by general combustion by the first liquid fuel and the first air.
  • the rich combustion zone RBA forms a second hot gas HG2 flow with the second liquid fuel LF2 supplied through the fuel supply pipe 62 installed inside the lean burn zone LBA.
  • the second liquid fuel LF2 supplied to the fuel supply pipe 62 is supplied to the first hot gas HG1 stream and partially oxidized due to the lack of air.
  • the housing 61 includes an extension 611 which has a larger cross-sectional area in the lean burn area LBA than in the rich burn area RBA. Accordingly, since the housing 61 greatly increases the supply amount of the first air in the lean burn region LBA through the expansion part 611, compared to the supply amount of the first liquid fuel, the first hot gas can be made more complete. Can be generated and supplied.
  • FIG. 13 is a graph showing the equivalence ratio and the temperature relationship for the lean burn region and the rich burn region of the liquid fuel reformer of FIG. 11.
  • the second hot gas HG2 flow is formed by partial oxidation of the first hot gas and the second liquid fuel LF2. Therefore, the rich combustion zone RBA is burned at a higher equivalent ratio than in the lean burn zone LBA.
  • the equivalence ratio and the combustion temperature are shown to be approximately proportional.
  • the rich burn zone RBA formed after the second liquid fuel LF2 is supplied through the fuel supply pipe 62 the equivalence ratio and the combustion temperature Approximately inversely related.
  • the second hot gas flow passage P2 set inside the inner tube 64 supplies the reformed gas containing the solid carbon to the reaction chamber 20.
  • the spacer 63 is provided in plural and spaced apart from the inner surface of the housing 61 and the outer surface of the inner tube 64 along the circumferential direction.
  • the outer surface of the inner tube 64 and the inner surface of the housing 61 establish a first hot gas flow passage P1 between each other and between neighboring spacers 63.
  • the first hot gas flow passage P1 flows the first hot gas combusted in the lean burn region LBA.
  • the inner surface of the inner tube 64 sets the second hot gas flow passage P2 to flow the second hot gas.
  • the second hot gas (HG2) flow formed by partial oxidation of the first hot gas (HG1) and the second liquid fuel (LF2) is caused by the first hot gas (HG1) flow flowing into the first hot gas flow passage (P1).
  • the insulation is then heated to enable a high temperature flow of the second hot gas (HG2).
  • the second hot gas (HG2) is a reforming gas containing hydrogen, carbon monoxide and solid carbon.
  • the inner wall surface of the inner tube 64 for setting the second hot gas flow passage P2 maintains the reformed gas at a high temperature, thereby minimizing adsorption of solid carbon contained in the reformed gas to the inner wall surface.
  • the inner tube 64 may include the first and second hot gas flow passages to guide the first hot gas HG1 via the first hot gas flow passage P1 to the second hot gas flow passage P2.
  • Induction port 65 may be provided at the ends of P1 and P2.
  • a plurality of induction holes 65 are provided at equal intervals along the circumferential direction of the inner tube 64, so that the first hot gas HG1 can be uniformly supplied to the second hot gas HG2. .
  • the induction port 65 is formed adjacent to the reaction chamber 20, the first and second hot gases HG1 and HG2 may be supplied to the regeneration space S of the reaction chamber 20.
  • the spacer 66 is completely circumferentially between the housing 61 and the inner tube 64. It can be sealed.
  • the spacer 66 may be provided in plural, and may be disposed at equal intervals along the circumferential direction.
  • the first hot gas HG1 may be supplied to the reaction chamber 20 through the first and second hot gas flow passages P1 and P2.
  • the second hot gas flow passage P2 of the liquid fuel reformer 60 or the first and second hot gas flow passages P1 and P2 may be supplied to the reaction chamber 20.
  • the first and second hot gases HG1 and HG2 are further burned by the air supplied from the regeneration space S, thereby burning carbon on the surface of the caulked catalyst to increase the temperature of the catalyst while regenerating the catalyst.
  • the second embodiment reforms the solid carbon and gas state while supplying a liquid fuel having a high calorific value and supplies it to the reaction chamber 20 to reform the coked catalyst and increase the temperature of the catalyst. 20) form a temperature balance within. That is, the occurrence of hot spots in the reaction chamber 20 is prevented.
  • the regenerated and heated catalyst flows out through the outlet 21.
  • the regenerated regenerated catalyst is used to mix naphtha and catalyst, causing naphtha decomposition reactions.
  • the caulked catalyst and the resulting olefin are separated in a cyclone (not shown), and the caulked catalyst is fed to the catalyst regenerator 1, regenerated and warmed up and reused.
  • Fig. 14 is a sectional view of a liquid fuel reforming section applied to the second aspect of the second embodiment of the present invention.
  • the housing 61 is plasma ignited / expanded in the expanded portion 611 formed in the lean burn region LBA rather than in the rich burn region RBA.
  • the combustion unit 67 further includes.
  • Plasma ignition / combustion section 67 generates a plasma by the first liquid fuel and the first air to act as ignition combustion, so that the first liquid fuel and the first air realize combustion that is thinner than the first embodiment described above. Thus, more stable combustion can be realized in the lean burn area (LBA).
  • LBA lean burn area
  • the second liquid fuel LF2 supplied through the fuel supply pipe 62 can be partially oxidized in the rich combustion region RBA, compared to the first embodiment, thereby providing hydrogen and carbon monoxide. And a reformed gas including solid carbon is supplied to the reaction chamber 20.
  • the second embodiment stably realizes combustion in the lean burn area LBA by using the plasma ignition / combustion part 67, the solid carbon produced by effectively implementing partial oxidation in the rich burn area RBA is obtained.
  • the reformed gas is supplied to the reaction chamber 20 to reform the coked catalyst.
  • the second aspect further forms a temperature balance in the reaction chamber 20 and further prevents the occurrence of hot spots in the reaction chamber 20.
  • Fig. 15 is a sectional view of the liquid fuel reforming section applied to the third aspect of the second embodiment of the present invention.
  • the housing 61 includes a high temperature exposure increasing member 68 installed in the rich combustion region RBA to increase the high temperature exposure time.
  • the high temperature exposure increasing member 68 has heat resistance.
  • the high temperature exposure increasing member 68 may include at least one of a metal form, a metal mesh, or a ceramic monolith.
  • the high temperature exposure increasing member 68 exposes the first hot gas flow of the first hot gas HG1 combusted in the lean burn area LBA and the second liquid fuel LF2 supplied to the fuel supply pipe 62 for a long time.
  • the second liquid fuel LF2 is vaporized and reformed. Therefore, the liquid fuel reformer 360 supplies the reforming gas including hydrogen, carbon monoxide, and solid carbon partially oxidized in the lean burn region LBA to the reaction chamber 20.
  • the third embodiment uses the high temperature exposure increasing member 28 to supply the reforming gas containing solid carbon generated by effectively implementing partial oxidation in the rich combustion region RBA to the reaction chamber 20.
  • the modified catalyst and heat it.
  • the third aspect can further form a temperature balance in the reaction chamber 20, and can further prevent the occurrence of hot spots in the reaction chamber 20.
  • Fig. 16 is a sectional view of the liquid fuel reforming section applied to the fourth embodiment of the second embodiment of the present invention.
  • the liquid fuel reforming unit 460 of the fourth embodiment further includes a heating member 69 provided on an outer surface of the housing 61 to increase an internal temperature.
  • the heating member 69 may include a heat insulating material, an electric heater or a heat exchanger. More specifically, the heating member 69 may be installed in the rich combustion region RBA of the housing 61. The heating member 69 heats the inside of the inner tube 24 when reforming the second liquid fuel in the rich combustion region RBA.
  • the solid carbon has a property of not being adsorbed and growing on the inner surface of the inner tube 64 at a higher temperature. Therefore, the heating member 69 raises the temperature in the inner tube 64 to prevent the solid carbon generated during partial oxidation of the second liquid fuel LF2 from being adsorbed on the inner surface of the inner tube 64. Adsorption of solid carbon to the inner surface of the inner tube 64 is most affected by temperature.
  • the fourth embodiment uses the heating member 69 to supply the reformed gas containing solid carbon generated by effectively implementing partial oxidation in the rich combustion region RBA to the reaction chamber 20.
  • the catalyst is regenerated and heated.
  • the fourth aspect can further form a temperature balance in the reaction chamber 20, and can further prevent the occurrence of hot spots in the reaction chamber 20.
  • Fig. 17 is a sectional view of a catalyst regenerator including a liquid fuel reformer according to a fifth aspect of the second embodiment of the present invention.
  • a plurality of liquid fuel reformers are disposed under the reaction chamber 20.
  • the liquid fuel reformer may include N liquid fuel reformers 561 to 56N.
  • the N liquid fuel reforming units 561 to 56N supply the reformed gas including the solid carbon as a main component and other gaseous gases to the regeneration space S in the reaction chamber 20, thereby regenerating the space S.
  • the temperature of the catalyst is raised while regenerating the catalyst by burning carbon on the surface of the caulked catalyst.
  • the liquid fuel reforming unit 660 of the sixth embodiment includes an outer tube 61 installed outside the housing 61 in the rich combustion region RBA.
  • the outer surface of the housing 61 and the inner surface of the outer tube 61 set the second air flow passage P3 between each other so that the second air A2 flows.
  • the temperature of the rich combustion region RBA is excessive depending on the mixing ratio of the first liquid fuel, the second liquid fuel LF2, and the first air.
  • the temperature of the second hot gas flow passage P2 formed on the inner surface of the inner tube 64 may be stably maintained.
  • the third embodiment includes premixing means for preventing after-burning in the catalyst lean region.
  • the catalyst regenerator of the third embodiment includes a combustion reactant nozzle 80 as a premixing means for preventing after-burning in the catalyst lean region.
  • the combustion reactant nozzle 80 may be installed to the inside from the outside of the reaction chamber 20 by way of example, and the premixed region 81 and the outlet 82 side may have a catalyst density region Z1. ) Therefore, the premixing zone 81 and the catalyst dense zone Z1 exchange heat with each other.
  • the combustion reactant nozzle 80 pre-mixes the supplied fuel and air in the premixing zone 81 and injects the reactant combustion reactant into the catalyst dense zone Z1 of the reaction chamber 20. do.
  • the reaction chamber 20 constitutes a catalyst dense region Z1 at the bottom (upstream of the flow field) and a catalyst lean region Z2 at the top (downstream of the flow field) in which the caulked catalyst is accumulated (see FIG. 1 and the like).
  • the combustion reactant nozzle 80 sprays and supplies the combustion reactant generated by premixing and reacting fuel and air in the premixing zone 81 to the catalyst dense zone Z1 in the reaction chamber 20, so that the catalyst dense zone Z1. Stable combustion takes place at and the carbon on the surface of the caulked catalyst is removed, whereby after-burning in the catalyst lean zone Z2 can be prevented.
  • the outlet 82 side of the premixing region 81 is located in the catalyst compaction zone Z1 inside the reaction chamber 20.
  • the combustion reactant produced by premixing and reaction in the combustion reactant nozzle 80 is directly injected into the catalyst dense zone Z1 of the reaction chamber 20 through the outlet 82 and used for regeneration of the coked catalyst.
  • Combustion reactant nozzle 80 includes an air nozzle 83 for injecting air and a fuel nozzle 84 for supplying fuel.
  • the air nozzle 83 and the fuel nozzle 84 are connected to the inlet 25 side of the premixing area 21.
  • the fuel pipe 841 connected to the fuel nozzle 84 is installed inward from the combustion reactant nozzle 80 connected to the air nozzle 83 to inject fuel among the injected air. That is, the fuel pipe 841 and the air nozzle 83 form a double structure.
  • the combustion reactant nozzle 80 may further include a mixing member 86.
  • the mixing member 86 may include one of an orifice, a swirl vane, or a swirl blade.
  • the mixing member 86 is provided on the inner surface of the combustion reactant nozzle 80 forming the premixing region 81 to promote premixing of the injected air and fuel.
  • the combustion reactant nozzle 80 may further include a heat radiating fin 87.
  • the heat dissipation fins 87 are provided on an outer surface of the premixed region 81 to promote heat exchange between the premixed region 81 and the catalyst dense region Z1.
  • the combustion reactant nozzle 80 may include either the mixing member 86 or the heat dissipation fin 87 to promote premixing or heat exchange, or may include both to promote premixing and heat exchange at the same time.
  • 20 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a first aspect of the third embodiment of the present invention.
  • the catalyst regenerator 301 according to the first aspect of the third embodiment is provided with a combustion reactant nozzle 280.
  • the combustion reactant nozzle 280 is installed inside the reaction chamber 20, and the premixed region 81 and the outlet 82 side are located in the catalyst compaction region Z1.
  • the caulked catalyst is dropped into the reaction chamber 20 through the stand pipe 10 installed in the reaction chamber 20.
  • the catalyst regenerated in the reaction chamber 20 is discharged to the outside of the reaction chamber 20 via the outlet 21.
  • the flow field is formed in the reaction chamber 20 from the lower portion (upstream region of the flow field) to the upper portion (downstream region of the flow field).
  • the upstream region of the flow field is formed in the lower catalyst density region Z1
  • the downstream region of the flow field is formed in the catalyst lean region Z2 in the upper portion.
  • the catalyst regenerator 301 includes an air distribution ring 431 for supplying air and a fuel distribution ring 441 for supplying fuel.
  • the air distribution ring 431 and the fuel distribution ring 441 are each independently installed in the reaction chamber 20.
  • the air distribution ring 431 and the fuel distribution ring 441 are drawn out of the reaction chamber 20 to distribute air and fuel supplied from the outside into the reaction chamber 20, respectively.
  • the air distribution ring 431 has an air injection hole 423 for injecting air
  • the fuel distribution ring 441 has a fuel injection hole 424 for injecting fuel.
  • the air inlet 423 is an air nozzle 83 (see FIG. 19) or is connected to an air nozzle
  • the fuel inlet 424 is connected to a fuel nozzle 84.
  • the air injection port 423 and the fuel injection port 424 are connected to the inlet side of the premixing area 81, and inject air and fuel into the premixing area 81, respectively.
  • the air inlet 423 is connected to the inlet side of the combustion reactant nozzle 280
  • the fuel connector 442 connected to the fuel inlet 424 is the combustion reactant nozzle 280 connected to the air inlet 423. It is installed from the outside to the inside, and injects fuel in the injected air.
  • the fuel connecting pipe 442 may be the fuel pipe 841 of FIG. 19, and the same as the fuel connecting pipe 542 of the second embodiment to be described later.
  • the air injection hole 423, the fuel injection hole 424, and the fuel connection pipe 442 are provided in plural and are spaced apart at intervals set in the air distribution ring 431 and the fuel distribution ring 441.
  • a plurality of combustion reactant nozzles 280 are provided.
  • FIG. 20 illustratively shows two combustion reactant nozzles 280.
  • the combustion reactant nozzle 280 having the premixing zone 81 supplies the combustion reactant by premixing and reacting air and fuel to the surrounding catalyst density zone Z1 where the combustion reactant nozzle 280 is located.
  • the catalyst regenerator 301 does not generate an after-burning phenomenon in the catalyst lean zone Z2 set on the catalyst dense zone Z1 while achieving stable combustion in the catalyst dense zone Z1. Do not. Since the outlet 82 injects the combustion reactant toward the lower portion of the reaction chamber 20, more stable combustion may be realized in the catalyst density region Z1.
  • FIG. 21 is a configuration diagram of a catalyst regenerator according to a second aspect of the third embodiment of the present invention.
  • the combustion reactant nozzle 480 of the catalyst regenerator 303 of the second aspect is installed from the outside to the inside of the reaction chamber 20, so that the outlet 82 side is located in the catalyst density zone Z1.
  • the fuel distribution ring 541 is installed inside the air distribution ring 531 to form a dual structure with the air distribution ring 531.
  • Combustion reactant nozzles 480 are provided in plural sets and plural in each set, one set upwardly below the reaction chamber 20, and the other one set toward the center from the side of the reaction chamber 20. do.
  • the set of combustion reactant nozzles 480 may be installed in greater numbers and at various angles. Accordingly, the combustion reactant nozzle 480 may effectively inject the combustion reactant into the catalyst dense zone Z1.
  • the air inlet 523 is connected to the inlet side of the combustion reactant nozzle 480, and the fuel connector 542 connected to the fuel inlet 524 is inside the combustion reactant nozzle 480 connected to the air inlet 523. It is installed in, to form a dual structure with the combustion reactant nozzle 480 to inject the fuel in the injected air.
  • the fuel injected into the fuel injection hole 524 is supplied through the fuel connection pipe 542 while being heat-exchanged with air due to the dual structure of the fuel connection pipe 542 and the combustion reactant nozzle 320, and then injected into the premixed region 81. do. In the premix area 81 the fuel and air can be effectively premixed.
  • the combustion reactant nozzle 480 having the premixing zone 81 includes a catalyst density region Z1 around the combustion reactant nozzle 480 in which the combustion reactants by premixing and reacting air and fuel via a dual structure are located. Supplies).
  • the catalyst regenerator 303 generates a more stable combustion in the catalyst dense zone Z1 and generates an after-burning phenomenon in the catalyst lean zone Z2 set above the catalyst dense zone Z1. Don't let that happen. Since the outlet 82 injects the combustion reactants into the catalyst concentration region Z1 at various numbers and at various angles, more stable combustion may be realized in the catalyst concentration region Z1.
  • Fig. 22 is a block diagram of a catalyst regenerator according to a third embodiment of the third embodiment of the present invention.
  • the combustion reactant nozzle 580 is supplied with hydrogen in fuel, and thus premixes and combusts fuel, hydrogen, and air in the premixing region 581.
  • the air nozzle 83 and the fuel nozzle 84 are connected to the inlet side of the premixing region 581 to inject air, fuel, and hydrogen into the premixing region 581.
  • the combustion reactant nozzle 580 supplies combustion reactants by premixing and combusting air, fuel, and hydrogen to the surrounding catalyst density region Z1 where the combustion reactant nozzle 580 is located. Hydrogen contained in the fuel accelerates the combustion reaction.
  • the catalyst regenerator 304 generates after-burning phenomenon in the catalyst lean zone Z2 set on the catalyst dense zone Z1 while achieving more stable combustion in the catalyst dense zone Z1. Don't let that happen.
  • combustion reactant nozzle 580 does not include the mixing member 86 and the heat dissipation fins 87, compared with the combustion reactant nozzle 80 of FIG. 19, and has a minimum configuration for generating the combustion reactant. Is starting.
  • Fig. 23 is a block diagram of a catalyst regenerator according to a fourth aspect of the third embodiment of the present invention.
  • the fuel pipe 841 of the combustion reactant nozzle 880 has a pore 842 around the fuel nozzle 840 in the catalyst regenerator 307 of the fourth aspect.
  • the fuel pipe 841 connected to the fuel nozzle 840 is installed in the outside of the combustion reactant nozzle 880 connected to the air nozzle 83 to inject fuel in the injected air. That is, the fuel pipe 841 and the air nozzle 83 form a double structure.
  • Air injected from the air nozzle 83 flows into the pores 842 and mixed with the fuel to the fuel nozzles 840, or fuel injected from the fuel nozzles 840 flows into the pores 842 and the air nozzles ( 83 may be mixed with air and sprayed into the premixed region 881.
  • the pore 842 may enable the outflow of fuel or the inflow of air according to the injection pressure, thereby accelerating the mixing of the fuel and the air.
  • the pores 842 may further promote premixing of air and fuel in the premixing region 881.
  • Combustion reactant nozzle 880 with premix area 881 is configured to provide a combustion reactant by premixing and reacting air and fuel via dual structure and perforations 842 around the combustion reactant nozzle 880. It feeds into a catalyst dense zone Z1.
  • the catalyst regenerator 307 does not generate an after-burning phenomenon in the catalyst lean zone Z2 set on the catalyst dense zone Z1 while achieving stable combustion in the catalyst dense zone Z1. Do not.
  • the combustion reactant nozzle 1180 further includes an ignition device 88 when compared with the combustion reactant nozzle 580 of the third type (see FIG. 22). do.
  • the combustion reactant nozzle 1180 may include an ignition device 88 in the premixing region 581 as needed to further promote premixing and reaction of fuel, hydrogen, and air in the premixing region 581.
  • the ignition device 88 may be configured as one of a plasma igniter, a spark igniter or a glow igniter.
  • gas fuel supply unit 51 fuel distribution ring
  • heating member 631 outer tube

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 촉매 재생기(CATALYST REGENERATOR)는, 유동층 반응기의 흡열 촉매 반응에서 생성된 생성물로부터 분리된 코킹된 촉매를 재생하는 촉매 재생기로서, 재생 공간을 구비하며, 상기 재생 공간에 연결된 스탠드 파이프에서 상기 코킹된 촉매를 공급받고 재생된 촉매를 출구로 배출하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 연료를 상기 재생 공간에 분사하는 연료 공급부; 및 상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 공기를 상기 재생 공간에 분사하는 공기 공급부; 를 포함하며, 상기 연료 공급부에서 분사되는 상기 연료는 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질된 연료이다.

Description

촉매 재생기
본 발명은 촉매 재생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 분해 시스템을 이용하는 유동층 반응기에서 코킹된 촉매 표면의 카본(carbon)을 제거하여 재생하고, 촉매의 온도를 상승시키는 촉매 재생기에 관한 것이다.
석유 화학 공정에서 유동층 반응기는 촉매를 작은 입자(particle) 형태로 공급하고, 유동의 흐름 상태에서 반응시켜 다양한 화합물을 생산하는 공정에 널리 활용되고 있다. 유동층 반응기 내의 반응 특성에 따라 열을 회수하거나 보충할 필요가 있다. 보충할 필요가 있을 때, 연료를 연소시켜 유동층 반응기 내의 온도를 상승시킨다.
대표적인 일례로써, 나프타에서 올레핀을 생산하는 공정이 있다. 이 공정에서 유동층 반응기는 파우더 형태의 촉매를 순환시켜 유동장을 형성하며, 특정 영역(예, 라이저)에서 촉매 반응을 유도한다. 유동층 반응기는 촉매 재생기를 포함하며, 촉매 재생기는 촉매 반응 후 촉매 표면에 생성된 카본을 제거하여 촉매를 재생하고, 촉매 반응에 필요한 열량을 보충한다.
촉매 재생기에서 촉매 표면의 카본을 제거하고 촉매 반응에 부족한 열량을 보충하기 위하여, 추가로 연료를 공급한 후, 촉매 재생기 내에 공기를 공급하여 추가 연료를 연소시킴으로써 촉매 재생기 내의 촉매 온도가 상승된 후, 가열된 촉매가 라이저로 공급된다.
그러나, 종래의 촉매 재생기는 촉매의 온도를 상승시킬 때, 연료의 낮은 분산성으로 인하여 온도 불균형을 유발하여 반응 챔버 내에서 핫스팟(hot spot)이 발생될 수 있다. 이로 인해, 촉매의 재생 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 반응 챔버 내에서 촉매가 밀집되어 있는 영역에서 연료가 충분히 연소되지 못하고, 촉매가 희박한 영역에서 연료가 연소되는 후연소(after-burning) 현상이 발생되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 코킹된 촉매의 내부에 개질된 기체연료(즉 자열개질된 기체연료)를 공급할 수 있는 자열개질반응기를 구비하고, 기체연료의 버블(bubble) 크기를 최소로 유지하여, 촉매밀집영역(catalyst dense zone)에서 개질된 기체연료의 연소 및 열전달을 가속화 하는 촉매 재생기를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면은, 발열량이 높은 액상의 연료를 고상의 카본과 가스 상태로 개질하여 반응 챔버로 공급하여 반응 챔버 내에서 촉매를 재생하고 촉매의 온도를 상승시키며, 이때, 반응 챔버 내의 온도 균형을 형성하는 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 코킹된 촉매를 재생하는 공정 중, 촉매 밀집 영역에서 연소를 안정시켜, 촉매 희박 영역에서 후연소(after-burning)를 방지하는 촉매 재생기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매 재생기는, 유동층 반응기의 흡열 촉매 반응에서 생성된 생성물로부터 분리된 코킹된 촉매를 재생하는 촉매 재생기로서, 재생 공간을 구비하며, 상기 재생 공간에 연결된 스탠드 파이프에서 상기 코킹된 촉매를 공급받고 재생된 촉매를 출구로 배출하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 연료를 상기 재생 공간에 분사하는 연료 공급부; 및 상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 공기를 상기 재생 공간에 분사하는 공기 공급부; 를 포함하며, 상기 연료 공급부에서 분사되는 상기 연료는 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질된 연료이다.
상기 공기 공급부는 상기 공기를 공급받는 공기 분배링, 및 상기 공기 분배링에 형성되는 공기 분사구를 포함하고, 상기 연료 공급부는 상기 연료를 공급받고 상기 공기 분배링에 인접하게 배치되는 연료 분배링, 및 상기 연료 분배링에 형성되는 연료 분사구를 포함할 수 있다.
상기 출구는 상기 반응 챔버의 바닥으로부터 설정된 높이에 설치되며, 상기 재생 공간은 상기 출구보다 낮은 높이에서 설정되는 촉매 밀집 영역, 및 상기 출구의 상측에서 설정되는 촉매 희박 영역을 포함할 수 있다.
상기 연료 공급부는, 개질촉매가 내장된 개질용기가 구비되어, 상기 흡열 촉매 반응의 생성물에서 분리된 분리기체연료를 공급받아서 상기 개질촉매에서 자열개질반응시키는 자열개질반응기를 더 포함할 수 있다.
상기 자열개질반응기는 공기와 물을 더 공급받을 수 있다.
상기 자열개질반응기는 외부로부터 외부기체연료를 더 공급받을 수 있다.
상기 자열개질반응기는 상기 개질용기에 파일럿 버너(pilot burner) 또는 점화기(igniter)를 구비할 수 있다.
상기 자열개질반응기는 고온의 연소 생성물 가스를 공급하는 외부 연소기가 상기 개질용기에 연결될 수 있다.
상기 자열개질반응기는 상기 개질용기에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기를 혼합하는 제1믹서, 상기 제1믹서의 하류 방향에 구비되어 상기 개질용기에 공급되는 물을 분사하는 물공급부, 및 상기 개질용기에 내장된 상기 개질촉매 및 상기 물공급부 사이에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기 및 상기 물을 혼합하는 제2믹서를 포함할 수 있다.
상기 자열개질반응기는 상기 개질용기에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기를 혼합하는 믹서, 및 상기 개질용기에 내장된 상기 개질촉매 및 상기 믹서 사이에 구비되어 상기 개질용기에 공급되는 물을 분사하는 물공급부를 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 개질용기의 내부에서 열을 교환하는 열교환부를 포함할 수 있다.
상기 자열개질반응기는 상기 재상 공간에 설치될 수 있다.
상기 반응 챔버는 상기 연료 분배링의 상측에 다공판(perforate plate)을 구비하며, 상기 다공판은 상기 촉매밀집영역에 단층 또는 복층으로 구비될 수 있다.
상기 연료 공급부는, 상기 반응 챔버에 연결되어, 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생 공간으로 공급하는 액상 연료 개질부; 를 포함할 수 있다.
상기 액상 연료 개질부는, 상기 반응 챔버에 연결되는 하우징, 상기 하우징의 일측에서 공급되는 제1액상 연료와 제1공기로 제1핫가스 흐름을 형성하는 희박연소영역, 및 상기 희박연소영역의 내측에 설치되는 연료 공급관을 통하여 공급되는 제2액상 연료로 제2핫가스 흐름을 형성하는 농후연소영역을 포함할 수 있다.
상기 농후연소영역에서, 상기 하우징의 내부에 스페이서를 개재하여 설치되는 내부관을 더 포함할 수 있다.
상기 내부관의 외면과 상기 하우징의 내면은 서로의 사이에 상기 제1핫가스를 흐르게 하는 제1핫가스 흐름 통로를 설정하고, 상기 내부관의 내면은 상기 제2핫가스를 흐르게 하는 제2핫가스 흐름 통로를 설정할 수 있다.
상기 하우징의 외부에 설치되는 외부관을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징의 외면과 상기 외부관의 내면은 서로의 사이에 제2공기를 흐르게 하는 제2공기 흐름 통로를 설정할 수 있다.
상기 하우징은 상기 농후연소영역에서보다 상기 희박연소영역에서 확장 형성되는 확장부를 포함하고, 상기 확장부에 설치되어 제1액상 연료 및 제1공기에 의하여 플라즈마를 발생시키고 점화 연소하는 플라즈마 점화/연소부를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 농후연소영역에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재를 포함할 수 있다.
상기 고온노출 증대부재는 메탈폼, 메탈메쉬 또는 세라믹 모노리스(monolith) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재를 포함할 수 있다.
상기 액상 연료 개질부는 상기 반응 챔버의 하측에 복수로 배치될 수 있다.
상기 촉매 밀집 영역에 배치되고, 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료와 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 예혼합(pre-mixing)하는 예혼합 영역이 구비된 예혼합 수단을 포함할 수 있다.
상기 예혼합 수단은 상기 예혼합 영역에서 생성된 연소 반응물을 상기 촉매 밀집 영역에 분사하는 연소 반응물 노즐이고, 상기 연소 반응물 노즐은, 상기 공기 분사구와 연결되는 공기 노즐, 및 상기 연료 분사구와 연결되는 연료 노즐을 포함하며, 상기 공기 노즐 및 상기 연료 노즐은 상기 예혼합 영역의 입구 측에 연결될 수있다.
상기 연료 분사구와 상기 연료 노즐을 연결하는 연료 연결관은, 상기 공기 노즐에 연결되는 상기 연소 반응물 노즐의 외부에서 내부로 설치되어, 분사되는 공기 가운데에 상기 연료를 분사할 수 있다.
상기 연료 배관은 상기 연료 노즐의 주위에 다공을 형성할 수 있다.
상기 연소 반응물 노즐은 상기 예혼합 영역에 설치되는 점화장치를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 분배링과 상기 연료 분배링은 상기 반응 챔버의 내부에 각각 독립적으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자열개질반응기가 흡열 촉매 반응의 생성물 중에서 분리된 메탄을 주 성분으로 하는 분리기체연료를 공급받아서 개질용기에 내장된 개질촉매에서 자열개질반응하고, 기체연료 공급부가 자열개질반응기에서 공급되는 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 개질된 기체연료를 재생공간의 촉매에 분사함으로써, 작은 입자(particle) 형태의 코킹된 촉매의 촉매밀집영역(catalyst dense zone) 내부에서도 안정적인 수소 및 일산화탄소의 연소를 통해 온도를 승온시킬 수 있다.
또한, 일 실시예는 촉매 재생기의 내부에 다공판을 구비하여 개질된 기체연료의 버블(bubble) 크기를 최소로 유지할 수 있기 때문에, 촉매밀집영역(catalyst dense zone)에서 개질된 기체연료의 연소 및 열전달을 가속화 할 수 있다.
또한, 일 실시예는 기체연료 중 하나인 메탄을 분리기체연료로 활용할 경우(대부분의 탄화수소(hydrocarbon) 연료(예, 납사, 프로판 등)의 유동층 반응기에서 부산물로 발생하는 메탄을 활용하여 개질된 기체연료), 코킹된 촉매를 재생하는 공정비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 액상 연료 개질기를 구비함으로써, 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 개질가스를 반응 챔버의 재생공간에 공급하므로 코킹 촉매를 재생하고 촉매의 온도를 가열하는 반응 챔버 내의 온도 균형을 형성할 수 있다.
따라서 반응 챔버 내에서 핫스팟(hot spot)의 발생이 방지되고, 촉매의 에이징(aging)이 방지된다. 즉 촉매의 성능이 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 예혼합 영역(pre-mixing zone)을 구성하여 연료와 공기를 포함하는 연소 반응물을 예혼합 및 반응하여 촉매 밀집 영역에 연소 반응물을 공급하므로 촉매 밀집 영역에서의 안정적인 연소를 구현하여, 촉매 희박 영역에서의 후연소(after-burning)를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예의 제1형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 제2형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 제3형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다.
도 4는 도 3에 적용되는 자열개질반응기의 구동 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 제4형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다.
도 6은 도 5에 적용되는 자열개질반응기의 구동 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예의 제5형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예의 제6형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예의 제7형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매 재생기의 단면도이다.
도 11은 도 10에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 12는 도 11의 XI-XI 선을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 도 11의 액상 연료 개질부의 희박연소영역과 농후연소영역에 대한 당량비와 온도 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예의 제2형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제2실시예의 제3형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제2실시예의 제4형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제2실시예의 제5형태에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제2실시예의 제6형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제3실시예의 촉매 재생기에 적용되는 연소 반응물 노즐의 구성도이다.
도 20은 본 발명의 제3실시예의 제1형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 21은 본 발명의 제3실시예의 제2형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 22는 본 발명의 제3실시예의 제3형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 23은 본 발명의 제3실시예의 제4형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 24는 본 발명의 제3실시예의 제5형태에 따른 유동층 촉매 재생기에 적용되는 연소 반응물 노즐의 구성도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
도시하지 않았으나, 촉매 분해 시스템을 이용하는 유동층 반응기는 라이저(미도시)에서 반응물과 촉매를 혼합하여, 반응물의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹된 촉매와 생성물을 사이클론으로 분리하여, 코킹된 촉매를 촉매 재생기로 떨어뜨린다.
실시예로써, 납사를 반응물로 하여 올레핀을 생성하는 공정은 납사와 촉매를 혼합하여, 납사의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹된 촉매와 생성된 올레핀을 사이클론(미도시)에서 분리하여, 코킹된 촉매를 촉매 재생기(도 1 참조)로 떨어뜨린다.
즉 납사는 스팀과 함께 라이저의 하부로 주입되어 고온의 촉매(재생 촉매 포함)와 만나면서 촉매 반응을 통하여 납사가 분해되기 시작한다. 납사는 라이저를 따라 상승하면서 계속 흡열 촉매 반응하여 분해된다.
납사의 분해 반응 후, 고체 카본 입자들로 덮어지는 촉매, 즉 코킹된 촉매와 분해 반응으로 생성된 올레핀은 사이클론으로 유입되어 서로 분리된다. 사이클론에서 분리되는 코킹 된 촉매는 스탠드 파이프(10)(도 1 참조)를 타고 아래에 구비되는 실시예의 촉매 재생기 내부로 떨어진다.
유동층 반응기에서, 촉매 재생기는 크게 두 가지 역할을 수행한다. 첫 번째 역할은 유동층 반응기의 주 반응에서 발생하는 촉매 표면의 부산물을 고온의 환경에서 산화시킨다.
즉 촉매 재생기는 코킹된 촉매를 재생시킨다. 촉매 표면의 형성되는 부산물의 주요 성분은 카본 입자이며, 경우에 따라 제거되지 못한 탄화수소계 물질을 포함할 수도 있다.
두 번째 역할은 유동층 반응기의 주 반응이 흡열 반응인 경우, 촉매 재생기에서 촉매의 온도를 상승시켜 주 반응에서 필요한 열량을 미리 보충해 준다. 예를 들면, 주 반응이 납사 크래킹이나 프로판을 프로필렌으로 전환하는 탈수수화반응일 수 있다.
이 경우, 주 반응은 모두 흡열반응이다. 따라서 촉매 재생기에서 추가로 필요한 열량을 보충하기 위하여, 연료를 연소하여, 열량을 보충할 필요가 있다.
촉매 재생기는 첫 번째와 두 번째 역할을 동시에 수행하거나 하나의 역할만을 달성하기 위하여 사용될 수도 있다.
촉매 재생기는 유동층 반응기에서 흡열 촉매 반응을 일으킨 후, 코킹된 촉매와 생성된 생성물을 분리하고, 코킹된 촉매의 온도를 상승시키거나 코킹된 촉매 표면의 부산물을 산화시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매 재생기는, 코킹된 촉매를 연소시켜서 코킹된 촉매의 온도를 상승시키거나 코킹된 촉매 표면의 부산물을 산화시키기 위해 연료와 공기를 공급할 수 있는데, 특히, 액체 연료나 기체 연료를 개질하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질 연료를 코킹된 촉매에 공급할 수 있다. 이하 본 발명의 다양한 실시예와 각 실시예의 다양한 변형례를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예의 제1형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1형태의 촉매 재생기(1)는 반응 챔버(20), 공기 공급부(30), 및 연료 공급부를 포함한다. 이 때, 연료 공급부는 자열개질반응기(auto-thermal reforming reactor)(40) 및 기체연료 공급부(50)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(20)는 촉매의 재생 공간(S)을 설정하고, 일측에 구비되는 출구(21)를 통하여, 온도가 상승되고, 재생된, 즉, 코킹된 촉매 표면의 부산물(카본 입자)이 제거된 촉매를 라이저(미도시)로 공급하도록 구성된다.
출구(21)는 반응 챔버(20)를 라이저의 하방에 연결하여, 재생된 촉매를 라이저로 공급한다. 출구(21)는 용기(20)의 바닥으로부터 설정된 높이(H)에 설치된다.
반응 챔버(20)는 기체연료 공급부(50)의 상측에 다공판(perforate plate)(22)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 재생 공간(S)은 출구(21)보다 낮은 높이에서 설정되는 촉매 밀집 영역(Z1), 및 출구(21)의 상측에서 설정되는 촉매 희박 영역(Z2)을 포함한다.
일례로써, 다공판(22)은 촉매 밀집 영역(Z1)에 단층 또는 복층으로 구비될 수 있다. 다공판(22)은 촉매 밀집 영역(Z1)에서 재생된 촉매를 촉매 희박 영역(Z2)으로 상향시키면서 재생된 촉매의 역류를 방지하면서 출구(21)로 연속적으로 공급될 수 있게 한다.
다공판(22)은 반응 용기(20)의 내부에 설치되어 재생 공간(S)에 공기층(bubbling bed) 형태를 구성하여, 파우더(powder) 형태의 코킹된 촉매 내부에서 개질된 기체연료, 연소혼합물 및 반응생성물의 버블(bubble) 크기를 최소로 유지시킬 수 있게 한다.
공기 공급부(30)는 재생 공간(S)으로 공급되는 코킹된 촉매의 연소를 가능하게 하고, 이 연소를 위한 공기를 재생 공간(S)으로 분사하도록 재생 공간(S)에 설치된다. 공기 공급부(30)는 재생 공간(S)의 코킹된 촉매에 공기를 분사한다.
기체연료 공급부(50)는 재생 공간(S)의 코킹된 촉매에 연소를 위한 기체연료를 재생 공간(S)으로 공급하도록 재생 공간(S)에 설치된다. 기체연료 공급부(50)는 공기에 개질된 기체연료를 분사한다.
따라서 공기 공급부(30) 및 기체연료 공급부(50)에서 분사되는 공기와 개질된 기체연료는 재생 공간(S) 내에서 연소되며, 코킹된 촉매의 카본 입자를 연소시켜 코킹된 촉매를 재생시킨다.
일례를 들면, 공기 공급부(30)는 촉매 밀집 영역(Z1)에 설치되는 공기 분배링(31) 및 공기 분사구(32)를 포함한다. 공기 분배링(31)은 반응 챔버(20)의 내부에 원주방향을 따라 형성되어 원주방향으로 배치된다.
공기 분사구(32)는 공기 분배링(31)에 형성되어, 촉매 밀집 영역(Z1)에서 하측을 향하여 구비되어 하측으로 공기를 분사한다. 공기 분사구(32)는 복수로 구비되고, 공기 분배링(31)의 원주방향을 따라 이격 배치되어, 반응 챔버(20) 내부의 원주방향에서 공기를 균일하게 분사 및 공급한다. 이에 따라, 촉매 밀집 영역(Z1)의 원주방향에서 균일한 화염 및 촉매의 균일한 재생을 가능하게 한다.
기체연료 공급부(50)는 연료 분배링(51)과 연료 분사구(52)를 포함한다. 연료 분배링(51)은 촉매 밀집 영역(Z1)에서 공기 공급부(30)의 공기 분배링(31)에 인접하게, 예를 들어, 공기 분배링(31)의 상방 또는 하방에 설치될 수 있다. 도 1에는 예시적으로 공기 분배링(31)의 상방에 연료 분배링(51)이 설치된 형태를 도시하였다. 연료 분배링(51)은 공기 분배링(31)에 대응하여 원주방향을 따라 형성되어 원주방향으로 배치된다.
연료 분사구(52)는 연료 분배링(51)에 복수로 구비되어, 촉매 밀집 영역(Z1)으로 개질된 기체연료를 하향 분사한다. 연료 분사구(52)는 원주방향을 따라 연료 분배링(51) 상에 이격 배치되어, 반응 챔버(20)의 원주방향에서 개질된 기체연료를 균일하게 분사 및 공급하여, 촉매 밀집 영역(Z1)의 원주방향에서 균일한 화염 및 촉매의 균일한 재생을 가능하게 한다.
반응 챔버(20)는 하방으로 볼록한 바닥(23)을 형성한다. 즉 바닥(23)의 내부에서는 오목 구조로 형성된다. 스탠드 파이프(10)는 흡열 촉매 반응의 생성물로부터 분리된, 코킹된 촉매를 반응 챔버(20)로 공급하며, 이를 위하여, 반응 챔버(20)의 중앙에서, 공기 분배링(31) 및 연료 분배링(51)의 중심에 상하 방향으로 설치된다. 공기 분배링(31)은 공기 관(311)으로 연결되어 반응 챔버(20)의 외부로 인출된다. 다만, 스탠드 파이프(10)는 반응 챔버(20)의 중앙이 아닌 다양한 위치에 설치될 수도 있다.
스탠드 파이프(10)의 하단 개구는 바닥(23)과 설정된 간격(G)을 형성한다. 따라서 스탠드 파이프(10)의 개구로 공급되는 코킹된 촉매는 간격(G)을 통하여 재생 공간(S)으로 공급된다. 오목한 바닥(23)은 코킹된 촉매의 하향 후 상향 흐름의 전환을 용이하게 하면서 상향 흐름을 원주 방향으로 균일하게 분산시킨다.
스탠드 파이프(10)로 공급되는 코킹된 촉매는 공기 분배링(31)으로부터 공급되는 공기와 혼합되고, 연료 분배링(51)으로부터 공급되는 개질된 기체연료와 더 혼합된다.
이때, 다공판(22)은 촉매, 공기 및 개질된 기체연료에 의하여, 작은 입자(particle) 형태의 코킹된 촉매 내에서 개질된 기체연료의 연소혼합물 및 반응생성물의 버블 크기를 최소로 유지시킨다. 따라서 촉매 밀집 영역(Z1)에서 열전달 및 개질된 기체연료의 연소가 가속화될 수 있다.
재생 공간(S) 중 다공판(22) 하측의 촉매 밀집 영역(Z1)은 출구(21)보다 낮은 하측에 설정되어 코킹된 촉매를 집중적으로 연소 및 재생시키며, 다공판(22) 상측의 촉매 희박 영역(Z2)은 출구(21)보다 높은 상측에 설정되어 후연소(after-burning)를 최소화한다. 이 때, 다공판은 촉매 밀집 영역(Z1)에 단층 또는 복층으로 구비될 수 있다.
자열개질반응기(40)는 흡열 촉매 반응의 생성물과 분리된 메탄을 주 성분으로 하는 분리기체연료를 공급받아서 개질용기(41)에 내장된 개질촉매(42)에서 자열개질반응을 수행한다.
개질용기(41)는 연결관(411)으로 기체연료 공급부(50)에 연결되어, 자열개질반응기(40)에서 개질된 기체연료를 기체연료 공급부(50)로 공급한다. 개질된 기체연료는 촉매 재생기(1) 내에서 연소되며, 코킹된 촉매의 표면 온도 상승을 유도하여 표면에 형성되는 카본의 연소를 가속시킨다.
기체연료 공급부(50)는 자열개질반응기(40)에 연결되고 공기 공급부(30)의 상방 또는 하방에서 재생 공간(S)에 설치된다. 자열개질반응기(40)는 분리기체연료를 개질하여 개질된 기체연료를 공급한다.
기체연료 공급부(50)는 자열개질반응기(40)에서 공급되는 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 개질된 기체연료를 재생 공간(S)의 코킹된 촉매에 분사하여, 촉매를 재생시킨다.
한편, 자열개질반응은 반응물인 분리기체연료와 공기 및 물(수분)을 필요로 한다. 따라서 자열개질반응기(40)는 분리기체연료에 더하여 공기와 물(수분)을 더 공급받을 수 있다.
수분은 자열개질반응기(40) 내의 개질촉매(42)의 촉매반응에서 온도 제어와 개질촉매(42)의 표면에 생성되는 카본(carbon)을 제거하여, 개질촉매(42)의 내구성을 높일 수 있다.
일반적인 부분산화 촉매개질반응은 기체 메탄과 공기를 반응물로 하여 수소와 일산화탄소를 발생시킨다. 그러나 부분산화 촉매개질반응은 촉매의 표면에 카본 생성으로 인한 촉매 성능의 감소 및 배관 막힘 현상을 발생시킨다.
이에 비하여, 제1실시예에서 자열개질반응기(40)의 자열개질반응은 부분산화 조건인 O2/CH4 비율 0.5에 비해 같거나 높은 조건인 O2/CH4 비율 0.5 내지 1.0에서 운용된다.
일반적인 부분산화 촉매개질반응에 비하여, 제1실시예의 자열개질반응은 부분산화 촉매개질에 물(수분)을 추가로 공급하여 촉매반응을 위한 열원 공급 및 수분과 카본의 반응을 통하여, 수소의 추가 발생 및 카본 연소를 통하여 카본을 추가 제거하는 장점을 가질 수 있다.
유동층 반응기에서 흡열 촉매 반응을 일으킨 후, 분리된 분리기체연료를 재사용하여 자열개질반응기(40)의 자열개질반응을 통하여 개질하여, 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 개질된 기체연료는 촉매 재생기(1)의 내부로 공급되어 코킹된 촉매 표면의 카본 입자와 함께 연소된다.
제1실시예는 자열개질반응을 통하여 추가되는 열원이나 전력의 소요가 불필요하게 되므로 촉매 재생기의 운용을 최소의 에너지로 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 제1실시예의 다양한 형태들에 대하여 설명한다. 이하 설명하는 형태들과 기 설명된 형태들을 비교하여, 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성들에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 제2형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 제2형태의 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기(240)는 분리기체연료를 공급받는 제1실시예의 자열개질반응기(40)의 구조에 개질용기(41)의 외부로부터 외부기체연료(예, 메탄, 분리기체연료 아님)를 더 공급받는다. 즉 개질용기(41)에는 분리기체연료와 외부기체연료가 공급된다.
자열개질반응기(240)의 자열개질반응은 분리기체연료와 외부기체연료가 부분산화 조건인 O2/CH4 비율 0.5에 비해 높은 조건이고, 연소 조건인 O2/CH4 비율 2.0보다 낮은 조건에서 운용되어, 분리기체연료(예, 메탄)와 외부기체연료의 일부 연소 반응을 진행한다.
이때, 발생되는 열이 개질촉매(42)의 열원으로 활용된다. 추가로 공급되는 물(수분)은 카본과 반응하여 개질촉매(42) 표면의 카본 생성을 억제하거나, 메탄과 반응하여 수소와 이산화탄소를 발생시킨다.
자열개질반응기(240)에서 분리기체연료 및 외부기체연료로부터 개질된 기체연료는 연결관(411)을 통하여 촉매 재생기(1)의 내부로 공급되어 코킹된 촉매 표면의 카본 입자와 함께 연소된다.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 제3형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이고, 도 4는 도 3에 적용되는 자열개질반응기의 구동 순서도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 제3형태의 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기(340)는 제1형태의 자열개질반응기(40)의 구조에 파일럿 버너(pilot burner) 또는 점화기(igniter)(344)를 개질용기(41)에 더 구비한다.
파일럿 버너(pilot burner) 또는 점화기(igniter)(344)는 개질용기(41)의 내부에(서 상측에) 구비되어, 분리기체연료의 O2/CH4 비율이 2.0에서 연소 반응을 시작한다.
자열개질반응기(340)의 구동 순서는 제1단계(ST1), 제2단계(ST2), 제3단계(ST3) 및 제4단계(ST4)를 포함한다. 제1단계(ST1)는 파일럿 버너(pilot burner) 또는 점화기(igniter)(344)를 이용하여, 분리기체연료의 O2/CH4 비율이 2.0에서 연소 반응을 시작한다.
제2단계(ST2)는 분리기체연료의 O2/CH4 비율을 2.0에서 단계적으로 줄이되, 1.0 이상으로 유지하여 자열개질반응기(340)의 연소반응영역에서 발생하는 연소열을 활용하여, 개질용기(41)의 내부를 가열한다(heat up).
제3단계(ST3)는 자열개질반응기(340)의 물(수분) 공급을 통하여 개질용기(41) 내부의 온도분포를 안정화시킨다.
제4단계(ST4)는 분리기체연료의 O2/CH4 비율을 단계적으로 감소시켜, 분리기체연료(예 메탄) 개질 영역으로 전환, 개질용기(41)의 온도, 및 분리기체연료(예, 메탄) 전환율에 따라 최적 O2/CH4 비율을 선정하고, 선정된 비율로 운용한다.
즉 자열개질반응기(340)는 분리기체연료(예, 메탄)에서 개질된 개질가스를 연결관(411)을 통하여 촉매 재생기(1)로 공급한다. 공급된 개질가스는 촉매 재생기의 내부에서 코킹된 촉매의 카본 입자와 함께 연소된다.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 제4형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이고, 도 6은 도 5에 적용되는 자열개질반응기의 구동 순서도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 제4실시예의 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기(440)는 제1실시예의 자열개질반응기(40)의 구조에 외부 연소기(444)를 개질용기(41)에 더 연결한다.
외부 연소기(444)는 개질용기(41)(의 상부)에 연결되어 고온의 연소 생성물 가스를 개질용기(41)의 내부로 공급한다.
자열개질반응기(440)의 구동 순서는 제1단계(ST21), 제2단계(ST22), 제3단계(ST23) 및 제4단계(ST24)를 포함한다. 제1단계(ST21) 외부 연소기(444)를 활용하여 고온의 연소 생성물 가스를 자열개질반응기(440)의 개질용기(41) 내부로 공급한다.
제2단계(ST22)는 자열개질반응기(440)의 개질용기(41) 내부 온도가 700℃ 전후에서 공기 및 물(수분)을 공급하여, 개질용기(41) 내부의 온도분포를 안정화시킨다.
제3단계(ST23)는 분리기체연료를 개질용기(41) 내부로 공급하여 자열개질반응을 진행하고, 분리기체연료에서 O2/CH4 비율 제어를 통하여 개질용기(41) 내부의 온도를 안정화하며, 외부 연소기(444)에서의 연소가스를 차단한다.
제4단계(ST24)는 온도 안정화 및 생성된 개질가스를 연결관(411)을 통하여 촉매 재생기(1) 내부로 공급하여, 코킹된 촉매의 카본 입자와 함께 연소된다.
도 7은 본 발명의 제1실시예의 제5형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제5형태의 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기(540)는 개질용기(41), 제1믹서(541), 물공급부(543) 및 제2믹서(542)를 포함한다.
제1믹서(541)는 개질용기(41)의 (상방) 내부에 구비되어, (상방으로부터) 공급되는 분리기체연료와 공기를 혼합하여, 개질용기(41) 내부에서 균일한 연소 반응을 시작할 수 있게 한다.
물공급부(543)는 제1믹서(541)의 하류 방향에 구비되어 개질용기(41)(의 측방에서)에 공급되는 물(수분)을 개질용기(41)의 내부에 분사한다. 물공급부(543)는 개질용기(41) 내부에 물(수분)을 균일하게 공급하고, 물(수분) 공급을 통하여 개질용기(41) 내부의 온도분포를 안정화시킨다.
제2믹서(542)는 개질용기(41)(의 하부)에 내장된 개질촉매(42)의 상류 방향 및 물공급부(543) 사이에 구비되어, 분리기체연료와 공기 및 물(수분)을 균일하게 혼합하여 내장된 개질촉매(42)에 공급하므로 개질촉매(42)의 균일한 촉매반응을 가능하게 한다. 개질된 개질가스는 연결관(411)을 통하여 촉매 재생기(1)의 내부로 공급되어 코킹 된 촉매의 카본 입자와 함께 연소된다.
도 8은 본 발명의 제1실시예의 제6형태에 따른 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제6형태의 촉매 재생기에 적용되는 자열개질반응기(640)는 개질용기(41), 믹서(642) 및 물공급부(643)을 포함한다.
믹서(642)는 개질용기(41)(의 상방 내부)에 구비되어, 상류 방향으로부터 공급되는 분리기체연료와 공기를 혼합하여, 개질용기(41)의 내부에서 균일한 연소 반응을 시작할 수 있게 한다.
물공급부(643)는 개질용기(41)(의 하부)에 내장된 개질촉매(42)의 상류 방향 및 믹서(642) 사이에 구비되어, 개질용기(41)(의 하방에서)로 공급되는 물(수분)을 분사하여, 개질용기(41) 내부의 온도분포를 안정화시킨다.
또한, 물공급부(643)는 개질용기(41) 내부에 물(수분)을 균일하게 공급하고, 분리기체연료와 공기 및 물(수분)을 균일하게 혼합하여 내장된 개질촉매(42)에 균일한 혼합물을 공급하므로 개질촉매(42)의 균일한 촉매반응을 가능하게 한다.
물공급부(643)는 개질용기(41)의 하류 방향으로부터 연결되고 개질용기(41)의 내부에서 넓은 면적으로 열을 교환하는 열교환부(644)를 더 포함한다. 열교환부(644)는 개질용기(41) 내에서의 열교환 작용으로 인하여, 개질용기(41) 내부에서 개질촉매(42)의 온도분포를 더욱 균일하게 하고, 개질촉매(42)의 균일한 촉매반응을 가능하게 한다.
도 9는 본 발명의 제1실시예의 제7형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 제7형태의 촉매 재생기(1')에 적용되는 자열개질반응기(240)는 반응 챔버(20)의 내부, 예를 들어 촉매 밀집 영역(Z1)에 설치될 수 있다. 이때, 자열개질반응기(240)는 도 9에 도시된 바와 같이 반응 챔버(20)의 바닥(23)에 지지될 수 있으며, 반응 챔버(20)의 중앙에 배치될 수 있다.
자열개질반응기(240)의 개질용기(41)는 외부에서 연결된 배관을 통해 분리기체연료, 공기, 및 물(미도시)을 공급받으며, 개질용기(41)에 연결된 연결관(411)을 통해 개질된 기체연료를 재생 공간(S)의 코킹된 촉매에 분사하여, 촉매를 재생시킨다. 이때, 연결관(411)은 복수개로 구성되어 개질용기(41)의 원주방향으로 균일한 간격으로 배치될 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 전술한 제1형태와 동일하게 연결관(411)은 연료 분배링(51)으로 연결되어 연료 분배링(51)에 형성된 연료 분사구(52)를 통해 개질된 기체연료가 분사될 수 있다.
한편, 자열개질반응기(240)에서 일어나는 개질반응은 발열반응이기 때문에, 자열개질반응기(240)으로부터 열을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제1실시예의 제7형태의 경우, 자열개질반응기(240)가 반응 챔버(20)의 외부가 아닌 내부에 설치됨으로써, 재생 공간(S)에서 일어나는 촉매의 재생 및 가열 과정의 열효율을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다. 제2실시예는 개질된 연료를 공급하는 연료 공급부로서 액상 연료 개질부를 구비한다.
도 10은 본 발명의 제2실시예의 제1형태에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 제2실시예의 제1형태의 촉매 재생기(2)는 반응 챔버(20), 연료 공급부 및 공기 공급부(30)를 포함하여, 코킹된 촉매를 재생 및 가열하도록 구성된다. 이 때, 연료 공급부는 액상 연료 개질부(60)로 구성된다.
제2실시예의 촉매 재생기(2)는 발열량이 높은 (제1, 제2)액상의 연료를 고상의 카본과 가스 상태로 개질하여, 반응 챔버(20)로 공급하여 반응 챔버(20) 내의 온도 균형을 형성하도록 구성된다.
제2실시예의 촉매 재생기(2)는 고상의 카본과 가스 상태(수소, 일산화탄소)의 개질가스에 추가로 공급되는 공기로 코킹된 촉매의 표면에 잔류하는 카본을 산화 제거하면서 촉매를 재생 및 가열시킨다.
액상 연료 개질부(60)는 (제1, 제2)액상 연료를 부분산화시켜서, 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 재생 공간(S)으로 공급하도록 구성된다.
공기 공급부(30)는 반응 챔버(20) 내부의 재생 공간(S)에 설치되어 개질가스를 연소시켜, 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 재생 공간(S)에 연소를 위한 공기를 공급한다.
도 11은 도 10에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이고, 도 12는 도 11의 XI-XI 선을 따라 자른 단면도이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 액상 연료 개질부(60)는 하우징(61), 희박연소영역(LBA) 및 농후연소영역(RBA)을 포함한다.
하우징(61)은 반응 챔버(20)에 연결되어, 부분산화로 개질 생성한 개질가스를 반응 챔버(20) 내의 재생 공간(S)으로 공급한다. 희박연소영역(LBA)은 하우징(61)의 일측에서 공급되는 제1액상 연료와 제1공기로 제1핫가스(HG1) 흐름을 형성한다. 제1핫가스(HG1) 흐름은 제1액상 연료와 제1공기에 의한 일반적인 연소로 형성된다.
농후연소영역(RBA)은 희박연소영역(LBA)의 내측에 설치되는 연료 공급관(62)을 통하여 공급되는 제2액상 연료(LF2)로 제2핫가스(HG2) 흐름을 형성한다. 연료 공급관(62)으로 공급되는 제2액상 연료(LF2)는 제1핫가스(HG1) 흐름에 공급되어 공기 부족으로 인하여 부분산화된다.
하우징(61)은 농후연소영역(RBA)에서보다 희박연소영역(LBA)에서 단면적이 확장되는 확장부(611)를 포함한다. 따라서 하우징(61)은 확장부(611)를 통하여 희박연소영역(LBA)에서 제1액상 연료의 공급량에 비하여 제1공기의 공급량을 크게 증대하므로, 보다 완전한 희박연소를 가능하게 하여 제1핫가스를 생성 및 공급할 수 있다.
도 13은 도 11의 액상 연료 개질부의 희박연소영역과 농후연소영역에 대한 당량비와 온도 관계를 도시한 그래프이다. 도 13을 참조하면, 제2핫가스(HG2) 흐름은 제1핫가스와 제2액상 연료(LF2)의 부분산화로 형성된다. 따라서 농후연소영역(RBA)은 희박연소영역(LBA)에서보다 높은 당량비로 연소된다.
희박연소영역(LBA)에서는 당량비와 연소 온도가 대략 비례 관계로 나타나며, 연료 공급관(62)을 통하여 제2액상 연료(LF2)를 공급한 후에 형성되는 농후연소영역(RBA)에서는 당량비와 연소 온도가 대략 반비례 관계로 나타난다.
이때, 제2액상 연료(LF2)의 부분 산화로 인하여, 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스가 생성된다. 따라서 내부관(64)의 내부에 설정되는 제2핫가스 흐름 통로(P2)는 고상의 카본이 포함된 개질가스를 반응 챔버(20)로 공급한다.
다시 도 11 내지 도 12를 참조하여, 구체적으로 설명하면, 농후연소영역(RBA)에서 하우징(61)의 내부에 스페이서(63)를 개재하여 설치되는 내부관(64)을 포함한다. 스페이서(63)는 복수로 구비되어, 하우징(61)의 내면 및 내부관(64)의 외면에서 원주 방향을 따라 이격 배치된다.
따라서 내부관(64)의 외면과 하우징(61)의 내면은 서로의 사이 및 이웃하는 스페이서들(63) 사이에서 제1핫가스 흐름 통로(P1)를 설정한다. 이로써, 제1핫가스 흐름 통로(P1)는 희박연소영역(LBA)에서 연소된 제1핫가스를 흐르게 한다.
그리고 내부관(64)의 내면은 제2핫가스 흐름 통로(P2)를 설정하여 제2핫가스를 흐르게 한다. 제1핫가스(HG1)와 제2액상 연료(LF2)의 부분산화로 형성된 제2핫가스(HG2) 흐름은 제1핫가스 흐름 통로(P1)로 흐르는 제1핫가스(HG1) 흐름에 의하여, 보온되어 제2핫가스(HG2)의 고온 흐름을 가능하게 한다. 제2핫가스(HG2)는 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스이다.
따라서 제2핫가스 흐름 통로(P2)를 설정하는 내부관(64)의 내부 벽면은 개질가스를 고온으로 유지하게 되고, 이로 인하여, 내부 벽면에 대하여 개질가스에 포함된 고상 카본의 흡착이 최소화 될 수 있다.
또한, 내부관(64)은 제1핫가스 흐름 통로(P1)를 경유한 제1핫가스(HG1)를 제2핫가스 흐름 통로(P2)로 유도하도록 제1, 제2핫가스 흐름 통로(P1, P2)의 끝 부분에 유도구(65)를 구비할 수 있다.
유도구(65)는 복수로 구비되며, 내부관(64)의 원주 방향을 따라 등간격으로 구비되어, 제1핫가스(HG1)가 제2핫가스(HG2)에 균일하게 공급될 수 있게 한다. 또한 유도구(65)는 반응 챔버(20)에 인접하여 형성되므로 제1, 제2핫가스(HG1, HG2)를 반응 챔버(20)의 재생 공간(S)으로 공급할 수 있다.
이때, 하우징(61)과 내부관(64)의 길이 방향 끝 부분(반응 챔버(20)에 인접하는)에서, 스페이서(66)는 하우징(61)과 내부관(64) 사이를 원주 방향으로 완전히 밀폐할 수 있다.
또한, 스페이서(66)는 복수로 구비되어 원주 방향을 따라 등간격을 배치될 수도 있다. 이 경우, 제1핫가스(HG1)는 제1, 제2핫가스 흐름 통로(P1, P2)를 통하여 반응 챔버(20)로 공급될 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, 액상 연료 개질부(60)의 제2핫가스 흐름 통로(P2) 또는 제1, 제2핫가스 흐름 통로(P1, P2)를 통하여 반응 챔버(20)로 공급되는 제1, 제2핫가스(HG1, HG2)는 재생 공간(S)에서 공급되는 공기에 의하여 더 연소되면서, 코킹된 촉매 표면의 카본을 연소시켜 촉매를 재생하면서 촉매의 온도를 상승시킨다.
이와 같이, 제2실시예는 발열량이 높은 액상의 연료를 사용하면서 고상의 카본과 가스 상태로 개질하여 반응 챔버(20)로 공급하여, 코킹된 촉매를 개질하고 촉매의 온도를 상승시키므로 반응 챔버(20) 내에서 온도 균형을 형성한다. 즉 반응 챔버(20) 내에서 핫스팟의 발생이 방지된다.
재생 및 가열된 촉매는 출구(21)를 통하여 유출된다. 일례를 들면, 유출된 재생된 촉매는 납사와 촉매를 혼합하여, 납사의 분해 반응을 일으키는 데 사용된다. 이 공정에서 코킹된 촉매와 생성된 올레핀은 사이클론(미도시)에서 분리되고, 코킹된 촉매는 촉매 재생기(1)로 공급되어 재생 및 승온되어 재사용된다.
이하 본 발명의 제2실시예의 다양한 형태들에 대하여 설명한다. 기 설명된 실시예 및 형태와 동일한 부분에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 제2실시예의 제2형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 제2형태의 액상 연료 개질부(260)에서, 하우징(61)은 농후연소영역(RBA)에서보다 희박연소영역(LBA)에서 확장 형성된 확장부(611)에 플라즈마 점화/연소부(67)를 더 포함한다.
플라즈마 점화/연소부(67)는 제1액상 연료 및 제1공기에 의하여 플라즈마를 발생시켜 점화 연소 작용하므로 앞서 설명한 제1형태와 비교할 때, 제1액상 연료와 제1공기가 더 희박한 연소를 구현하여, 희박연소영역(LBA)에서 보다 안정적인 연소를 구현할 수 있다.
따라서 제2실시예의 제2형태는 제1형태에 비하여, 연료 공급관(62)을 통하여 공급되는 제2액상 연료(LF2)를 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 더욱 가능하게 하여, 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 반응 챔버(20)로 공급한다.
이와 같이, 제2형태는 플라즈마 점화/연소부(67)를 이용하여 희박연소영역(LBA)에서 연소를 안정적으로 구현하므로 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(20)로 공급하여 코킹된 촉매를 개질한다.
따라서 제1형태에 비하여, 제2형태는 반응 챔버(20) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(20) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지한다.
도 15는 본 발명의 제2실시예의 제3형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 15를 참조하면, 제3형태의 액상 연료 개질부(360)에서, 하우징(61)은 농후연소영역(RBA)에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재(68)를 포함한다.
고온노출 증대부재(68)는 내열성을 갖는다. 일례로써, 고온노출 증대부재(68)는 메탈폼(metal form), 메탈메쉬(metal mesh) 또는 세라믹 모노리스(ceramic monolith)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
고온노출 증대부재(68)는 희박연소영역(LBA)에서 연소된 제1핫가스(HG1)의 제1핫가스 흐름 및 연료 공급관(62)으로 공급되는 제2액상 연료(LF2)를 장시간 노출시켜서, 제2액상 연료(LF2)를 기화 및 개질시킨다. 따라서 액상 연료 개질부(360)는 희박연소영역(LBA)에서 부분산화된 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(20)로 공급한다.
이와 같이, 제3형태는 고온노출 증대부재(28)를 이용하여 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(20)로 공급하여 코킹된 촉매를 개질 및 가열한다.
따라서 제1형태에 비하여, 제3형태는 반응 챔버(20) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(20) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제2실시예의 제4형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 16능 참조하면, 제4형태의 액상 연료 개질부(460)는, 하우징(61)의 외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재(69)를 더 포함한다.
일례로써, 가열부재(69)는 단열재, 전기히터 또는 열교환기를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 가열부재(69)는 하우징(61)의 농후연소영역(RBA)에 설치될 수 있다. 가열부재(69)는 농후연소영역(RBA)에서 제2액체 연료를 개질할 때, 내부관(24)의 내부를 가열시킨다.
고상의 카본은 온도가 높을수록 내부관(64)의 내 표면에 흡착 및 성장하지 않는 특성을 갖는다. 따라서 가열부재(69)는 내부관(64) 내의 온도를 상승시켜 제2액상 연료(LF2)의 부분산화시, 발생하는 고상의 카본이 내부관(64)의 내면에 흡착되는 것을 방지한다. 고상 카본이 내부관(64)의 내 표면에 흡착되는 것은 온도의 영향을 가장 크게 받는다.
이와 같이, 제4형태는 가열부재(69)를 이용하여, 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(20)로 공급하여 코킹된 촉매를 재생 및 가열한다.
따라서 제1형태에 비하여, 제4형태는 반응 챔버(20) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(20) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제2실시예의 제5형태에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다. 도 17을 참조하면, 제5형태의 촉매 재생기(2')는 액상 연료 개질부를 반응 챔버(20)의 하측에 복수로 배치하고 있다.
예를 들면, 액상 연료 개질부는 N 개의 액상 연료 개질부(561~56N)를 포함할 수 있다. 이때, N 개의 액상 연료 개질부(561~56N)는 고상의 카본을 주성분으로 하며 다른 기상 가스를 포함하는 개질가스를 반응 챔버(20) 내의 재생 공간(S)로 공급하여, 재생 공간(S)에서 공기에 의하여 연소하면서, 코킹된 촉매 표면의 카본을 연소시켜 촉매를 재생하면서 촉매의 온도를 상승시킨다.
도 18은 본 발명의 제2실시예의 제6형태에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 18을 참조하면, 제6형태의 액상 연료 개질부(660)에서, 농후연소영역(RBA)에서 하우징(61)의 외부에 설치되는 외부관(61)을 포함한다.
하우징(61)의 외면과 외부관(61)의 내면은 서로의 사이에 제2공기 흐름 통로(P3)를 설정하여 제2공기(A2)를 흐르게 한다.
제2공기 흐름 통로(P3)를 통하여 공급되는 제2공기(A2)는 제1액상 연료, 제2액상 연료(LF2) 및 제1공기의 혼합 비율에 따라 농후연소영역(RBA)의 온도가 과도하게 높아질 때, 하우징(61)의 외면을 냉각하므로 내부관(64)의 내면에 형성되는 제2핫가스 흐름 통로(P2)의 온도를 안정적으로 유지 및 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 대하여 설명한다. 제3실시예는 촉매 희박 영역에서의 후연소(after-burning)를 방지하기 위한 예혼합 수단을 구비한다.
도 19는 본 발명의 제3실시예의 촉매 재생기에 적용되는 연소 반응물 노즐의 구성도이다. 도 19를 참조하면, 제3실시예의 촉매 재생기는 촉매 희박 영역에서의 후연소(after-burning)를 방지하기 위한 예혼합 수단으로서 연소 반응물 노즐(80)을 포함한다.
도 19를 참조하면, 연소 반응물 노즐(80)은 예시적으로 반응 챔버(20)의 외부에서 내부에 걸쳐 설치될 수 있으며, 예혼합 영역(81) 및 출구(82) 측이 촉매 밀집 영역(Z1)에 위치한다. 따라서 예혼합 영역(81)과 촉매 밀집 영역(Z1)은 상호 열교환 작용한다.
연소 반응물 노즐(80)은 공급되는 연료와 공기를 예혼합 영역(81)에서 예혼합(pre-mixing)하고, 반응하여 생성된 연소 반응물을 반응 챔버(20)의 촉매 밀집 영역(Z1)에 분사한다.
반응 챔버(20)는 코킹된 촉매가 쌓이는 하부(유동장의 상류)의 촉매 밀집 영역(Z1)과 상부(유동장의 하류)의 촉매 희박 영역(Z2)을 구성한다(도 1 등 참조).
연소 반응물 노즐(80)이 연료와 공기를 예혼합 영역(81)에서 예혼합 및 반응시켜 생성된 연소 반응물을 반응 챔버(20) 내의 촉매 밀집 영역(Z1)에 분사 공급하므로 촉매 밀집 영역(Z1)에서 안정적인 연소가 일어나면서 코킹된 촉매 표면의 카본을 제거하고, 이로 인하여, 촉매 희박 영역(Z2)에서 후연소(after-burning)가 방지될 수 있다.
도 19를 참조하면, 사용되는 연소 반응물 노즐(80)은 예혼합 영역(81)의 출구(82) 측이 반응 챔버(20) 내부의 촉매 밀집 영역(Z1)에 위치한다.
따라서 연소 반응물 노즐(80)에서 예혼합 및 반응으로 생성된 연소 반응물은 출구(82)를 통하여 반응 챔버(20)의 촉매 밀집 영역(Z1)에 직접 분사되어, 코킹된 촉매의 재생에 사용된다.
연소 반응물 노즐(80)은 공기를 분사하는 공기 노즐(83)과 연료를 공급하는 연료 노즐(84)을 포함한다. 공기 노즐(83)과 연료 노즐(84)은 예혼합 영역(21)의 입구(25) 측에 연결된다.
연료 노즐(84)에 연결되는 연료 배관(841)은 공기 노즐(83)에 연결되는 연소 반응물 노즐(80)의 외부에서 내부로 설치되어, 분사되는 공기 가운데 연료를 분사한다. 즉 연료 배관(841)과 공기 노즐(83)은 이중 구조를 형성한다.
연소 반응물 노즐(80)은 혼합부재(86)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 혼합부재(86)는 오리피스(orifice), 스월 베인(swirl vane) 또는 스월 블레이드(swirl blade) 중 하나를 포함할 수 있다. 혼합부재(86)는 예혼합 영역(81)을 형성하는 연소 반응물 노즐(80)의 내면에 구비되어 분사되는 공기와 연료의 예혼합을 촉진시킨다.
연소 반응물 노즐(80)은 방열핀(87)을 더 포함할 수 있다. 방열핀(87)은 예혼합 영역(81)을 형성하는 외면에 구비되어 내부의 예혼합 영역(81)과 외부의 촉매 밀집 영역(Z1)의 열교환을 촉진시킨다.
연소 반응물 노즐(80)은 혼합부재(86)와 방열핀(87) 중 어느 하나를 구비하여 예혼합 또는 열교환을 촉진할 수도 있고, 둘 모두를 구비하여 예혼합 및 열교환을 동시에 촉진할 수도 있다.
이하에서 본 발명의 제3실시예의 다양한 형태들에 대하여 설명한다. 기 설명된 실시예 및 형태와 비교하여 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 20은 본 발명의 제3실시예의 제1형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 20을 참조하면, 제3실시예의 제1형태에 따른 촉매 재생기(301)는 연소 반응물 노즐(280)을 구비하고 있다. 연소 반응물 노즐(280)은 반응 챔버(20)의 내부에 설치되어, 예혼합 영역(81) 및 출구(82) 측이 촉매 밀집 영역(Z1)에 위치한다.
코킹된 촉매는 반응 챔버(20)의 내부에 설치되는 스탠드 파이프(10)를 타고 반응 챔버(20)의 내부로 떨어진다. 그리고 반응챔버(20)에서 재생된 촉매는 출구(21)를 경유하여 반응챔버(20)의 외부로 배출된다.
이러한 일련의 공정에 의하여, 반응 챔버(20)의 내부에 유동장이 하부(유동장의 상류영역)에서 상부(유동장의 하류영역)로 형성된다. 하부의 촉매 밀집 영역(Z1)에 유동장의 상류영역이 형성되고, 상부의 촉매 희박 영역(Z2)에 유동장의 하류영역이 형성된다.
촉매 재생기(301)는 공기를 공급하는 공기 분배링(431)과 연료를 공급하는 연료 분배링(441)을 구비한다. 공기 분배링(431)과 연료 분배링(441)은 반응 챔버(20)의 내부에 각각 독립적으로 설치된다. 공기 분배링(431)과 연료 분배링(441)은 반응 챔버(20)의 외부로 인출되어, 외부로부터 공급되는 공기와 연료를 각각 반응 챔버(20)의 내부로 분배한다.
공기 분배링(431)은 공기를 분사하는 공기 분사구(423)를 구비하고, 연료 분배링(441)은 연료를 분사하는 연료 분사구(424)를 구비한다. 공기 분사구(423)는 공기 노즐(83, 도 19 참조)이거나 공기 노즐과 연결되고, 연료 분사구(424)는 연료 노즐(84)과 연결된다. 이에 따라, 공기 분사구(423)와 연료 분사구(424)는 예혼합 영역(81)의 입구 측에 연결되어, 공기와 연료를 각각 예혼합 영역(81)으로 분사한다.
즉, 공기 분사구(423)는 연소 반응물 노즐(280)의 입구 측에 연결되고, 연료 분사구(424)에 연결되는 연료 연결관(442)은 공기 분사구(423)에 연결되는 연소 반응물 노즐(280)의 외부에서 내부로 설치되어, 분사되는 공기 가운데 연료를 분사한다. 여기서 연료 연결관(442)은 도 19의 연료 배관(841)일 수 있으며, 후술할 제2 형태에서의 연료 연결관(542)도 동일하다.
공기 분사구(423) 및 연료 분사구(424)와 연료 연결관(442)은 복수로 구비되어 공기 분배링(431) 및 연료 분배링(441)에 설정된 간격으로 이격 배치된다. 이에 대응하여 연소 반응물 노즐(280)이 복수로 구비된다. 편의상, 도 20은 예시적으로 2개의 연소 반응물 노즐(280)을 도시하고 있다.
예혼합 영역(81)을 구비한 연소 반응물 노즐(280)은 공기와 연료의 예혼합 및 반응에 의한 연소 반응물을 연소 반응물 노즐(280)이 위치하는 주위의 촉매 밀집 영역(Z1)에 공급한다.
이 경우, 촉매 재생기(301)는 촉매 밀집 영역(Z1)에서 안정된 연소를 구현하면서 촉매 밀집 영역(Z1)의 상부에 설정되는 촉매 희박 영역(Z2)에서 후연소(after-burning) 현상을 발생시키지 않는다. 출구(82)가 반응챔버(20)의 하부를 향하여 연소 반응물을 분사하므로 촉매 밀집 영역(Z1)에서 더욱 안정된 연소가 구현될 수 있다.
도 21은 본 발명의 제3실시예의 제2형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 21을 참조하면, 제2형태의 촉매 재생기(303)의 연소 반응물 노즐(480)은 반응 챔버(20)의 외부에서 내부에 걸쳐 설치되어, 출구(82) 측이 촉매 밀집 영역(Z1)에 연결된다. 반응챔버(20)의 외부에서, 연료 분배링(541)은 공기 분배링(531)의 내부에 설치되어 공기 분배링(531)과 이중구조를 형성한다.
연소 반응물 노즐(480)은 복수의 세트 및 각 세트에 복수 개로 구비되며, 1세트는 반응챔버(20)의 하방에서 상향 설치되고, 다른 1세트는 반응챔버(20)의 측방에서 중심을 향하여 설치된다.
촉매 밀집 영역(Z1)의 크기에 따라 연소 반응물 노즐(480) 세트는 더 많은 개수 및 다양한 각도로 설치될 수 있다. 따라서 연소 반응물 노즐(480)은 촉매 밀집 영역(Z1)에 연소 반응물을 효과적으로 분사할 수 있다.
공기 분사구(523)는 연소 반응물 노즐(480)의 입구 측에 연결되고, 연료 분사구(524)에 연결되는 연료 연결관(542)은 공기 분사구(523)에 연결되는 연소 반응물 노즐(480)의 내부에 설치되어, 연소 반응물 노즐(480)과 이중구조를 형성하여 분사되는 공기 가운데 연료를 분사한다.
연료 분사구(524)로 분사되는 연료는 연료 연결관(542)을 통하여 공급되면서 연료 연결관(542)과 연소 반응물 노즐(320)의 이중구조로 인하여 공기와 열교환되면서 예혼합 영역(81)으로 분사된다. 예혼합 영역(81)에서 연료와 공기는 효과적으로 예혼합될 수 있다.
예혼합 영역(81)을 구비한 연소 반응물 노즐(480)은 이중구조를 경유한 공기와 연료의 예혼합 및 반응에 의한 연소 반응물을 연소 반응물 노즐(480)이 위치하는 주위의 촉매 밀집 영역(Z1)에 공급한다.
이 경우, 촉매 재생기(303)는 촉매 밀집 영역(Z1)에서 더욱 안정된 연소를 구현하면서 촉매 밀집 영역(Z1)의 상부에 설정되는 촉매 희박 영역(Z2)에서 후연소(after-burning) 현상을 발생시키지 않는다. 출구(82)가 다양한 개수 및 다양한 각도로 연소 반응물을 촉매 밀집 영역(Z1)에 분사하므로 촉매 밀집 영역(Z1)에서 더욱 안정된 연소가 구현될 수 있다.
도 22는 본 발명의 제3실시예의 제3형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 22를 참조하면, 제3형태의 촉매 재생기(304)에서 연소 반응물 노즐(580)은 연료에 수소가 포함되어 공급되므로 연료와 수소 및 공기를 예혼합 영역(581)에서 예혼합하고 연소한다.
공기 노즐(83)과 연료 노즐(84)은 예혼합 영역(581)의 입구 측에 연결되어, 공기와 연료 및 수소를 예혼합 영역(581)으로 분사한다. 연소 반응물 노즐(580)은 공기와 연료 및 수소를 예혼합 및 연소에 의한 연소 반응물을 연소 반응물 노즐(580)이 위치하는 주위의 촉매 밀집 영역(Z1)에 공급한다. 연료에 포함된 수소는 연소 반응을 가속화시킨다.
이 경우, 촉매 재생기(304)는 촉매 밀집 영역(Z1)에서 보다 안정된 연소를 구현하면서 촉매 밀집 영역(Z1)의 상부에 설정되는 촉매 희박 영역(Z2)에서 후연소(after-burning) 현상을 발생시키지 않는다.
그리고 연소 반응물 노즐(580)은 제1형태의 연소 반응물 노즐(80, 도 19 참조)과 비교할 때, 혼합부재(86)와 방열핀(87)을 구비하지 않고, 연소 반응물을 생성하기 위한 최소의 구성을 개시하고 있다.
도 23은 본 발명의 제3실시예의 제4형태에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 23을 참조하면, 제4형태의 촉매 재생기(307)에서 연소 반응물 노즐(880)의 연료 배관(841)은 연료 노즐(840)의 주위에 다공(842)을 구비한다.
연료 노즐(840)에 연결되는 연료 배관(841)은 공기 노즐(83)에 연결되는 연소 반응물 노즐(880)의 외부에서 내부로 설치되어 분사되는 공기 가운데 연료를 분사한다. 즉 연료 배관(841)과 공기 노즐(83)은 이중 구조를 형성한다.
공기 노즐(83)에서 분사되는 공기가 다공(842)으로 유입되어 연료와 함께 연료 노즐(840)로 혼합 분사되거나, 연료 노즐(840)에서 분사되는 연료가 다공(842)으로 유출되어 공기 노즐(83) 내에서 공기와 함께 혼합되어, 예혼합 영역(881)으로 분사될 수 있다.
즉 다공(842)은 분사 압력에 따라 연료의 유출 또는 공기의 유입을 가능하게 하여, 연료와 공기의 혼합을 가속화 시킬 수 있다. 따라서 다공(842)은 예혼합 영역(881) 내에서 공기와 연료의 예혼합을 더욱 촉진시킬 수 있다.
예혼합 영역(881)을 구비한 연소 반응물 노즐(880)은 이중구조 및 다공(842)을 경유한 공기와 연료의 예혼합 및 반응에 의한 연소 반응물을 연소 반응물 노즐(880)이 위치하는 주위의 촉매 밀집 영역(Z1)에 공급한다.
이 경우, 촉매 재생기(307)는 촉매 밀집 영역(Z1)에서 안정된 연소를 구현하면서 촉매 밀집 영역(Z1)의 상부에 설정되는 촉매 희박 영역(Z2)에서 후연소(after-burning) 현상을 발생시키지 않는다.
도 24는 본 발명의 제3실시예의 제5형태에 따른 유동층 촉매 재생기에 적용되는 연소 반응물 노즐의 구성도이다. 도 24를 참조하면, 제5형태의 촉매 재생기(310)에서, 연소 반응물 노즐(1180)은 제3형태의 연소 반응물 노즐(580, 도 22 참조)과 비교할 때, 점화장치(88)를 더 구비한다.
즉 연소 반응물 노즐(1180)은 필요에 따라서 예혼합 영역(581) 내에 점화장치(88)를 구비하여, 예혼합 영역(581)에서 연료와 수소 및 공기의 예혼합 및 반응을 더 촉진할 수 있다. 예를 들면, 점화장치(88)는 플라즈마 점화기, 스파크 점화기 또는 글로우 점화기 중 하나로 구성될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
- 부호의 설명 -
1, 1', 2, 2', 301, 303, 304, 307, 310: 촉매 재생기
10: 스탠드 파이프 20: 반응 챔버
21: 출구 22: 다공판(perforate plate)
23: 바닥 30: 공기 공급부
31: 공기 분배링 32: 공기 분사구
40, 240, 340, 440, 540, 640: 자열개질반응기
41: 개질용기 42: 개질촉매
50: 기체연료 공급부 51: 연료 분배링
52: 연료 분사구 311: 공기 관
344: 파일럿 버너 또는 점화기 411: 연결관
444: 외부 연소기 541, 542: 제1, 제2믹서
543, 643: 물공급부 642: 믹서
644: 열교환부 61: 하우징
10, 260, 360, 460, 561~56N, 660: 액상 연료 개질부
62: 연료 공급관 63, 66: 스페이서
64: 내부관 65: 유도구
67: 플라즈마 점화/연소부 68: 고온노출 증대부재
69: 가열부재 631: 외부관
611: 확장부
80, 280, 480, 580, 880, 1180: 연소 반응물 노즐
81, 581, 881: 예혼합 영역
82: 출구 83: 공기 노즐
84, 840: 연료 노즐 85: 입구
86: 혼합부재 87: 방열핀
88: 점화장치

Claims (30)

  1. 유동층 반응기의 흡열 촉매 반응에서 생성된 생성물로부터 분리된 코킹된 촉매를 재생하는 촉매 재생기로서,
    재생 공간을 구비하며, 상기 재생 공간에 연결된 스탠드 파이프에서 상기 코킹된 촉매를 공급받고 재생된 촉매를 출구로 배출하는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 연료를 상기 재생 공간에 분사하는 연료 공급부; 및
    상기 반응 챔버에 연결되어, 연소를 위한 공기를 상기 재생 공간에 분사하는 공기 공급부;
    를 포함하며,
    상기 연료 공급부에서 분사되는 상기 연료는 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질된 연료인, 촉매 재생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 공급부는
    상기 공기를 공급받는 공기 분배링, 및 상기 공기 분배링에 형성되는 공기 분사구를 포함하고,
    상기 연료 공급부는
    상기 연료를 공급받고 상기 공기 분배링에 인접하게 배치되는 연료 분배링, 및 상기 연료 분배링에 형성되는 연료 분사구를 포함하는, 촉매 재생기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 출구는 상기 반응 챔버의 바닥으로부터 설정된 높이에 설치되며,
    상기 재생 공간은
    상기 출구보다 낮은 높이에서 설정되는 촉매 밀집 영역, 및 상기 출구의 상측에서 설정되는 촉매 희박 영역
    을 포함하는, 촉매 재생기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    개질촉매가 내장된 개질용기가 구비되어, 상기 흡열 촉매 반응의 생성물에서 분리된 분리기체연료를 공급받아서 상기 개질촉매에서 자열개질반응시키는 자열개질반응기를 더 포함하는, 촉매 재생기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는 공기와 물을 더 공급받는, 촉매 재생기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는 외부로부터 외부기체연료를 더 공급받는, 촉매 재생기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는
    상기 개질용기에 파일럿 버너(pilot burner) 또는 점화기(igniter)를 구비하는, 촉매 재생기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는
    고온의 연소 생성물 가스를 공급하는 외부 연소기가 상기 개질용기에 연결되는, 촉매 재생기.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는
    상기 개질용기에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기를 혼합하는 제1믹서,
    상기 제1믹서의 하류 방향에 구비되어 상기 개질용기에 공급되는 물을 분사하는 물공급부, 및
    상기 개질용기에 내장된 상기 개질촉매 및 상기 물공급부 사이에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기 및 상기 물을 혼합하는 제2믹서
    를 포함하는, 촉매 재생기.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는
    상기 개질용기에 구비되어 상기 분리기체연료와 상기 공기를 혼합하는 믹서, 및
    상기 개질용기에 내장된 상기 개질촉매 및 상기 믹서 사이에 구비되어 상기 개질용기에 공급되는 물을 분사하는 물공급부,
    를 포함하는 촉매 재생기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 물공급부는 상기 개질용기의 내부에서 열을 교환하는 열교환부를 포함하는, 촉매 재생기.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 자열개질반응기는 상기 재생 공간에 설치되는, 촉매 재생기.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 연료 분배링의 상측에 다공판(perforate plate)을 구비하며,
    상기 다공판은 상기 촉매밀집영역에 단층 또는 복층으로 구비되는, 촉매 재생기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 반응 챔버에 연결되어, 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생 공간으로 공급하는 액상 연료 개질부;
    를 포함하는, 촉매 재생기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 액상 연료 개질부는,
    상기 반응 챔버에 연결되는 하우징,
    상기 하우징의 일측에서 공급되는 제1액상 연료와 제1공기로 제1핫가스 흐름을 형성하는 희박연소영역, 및
    상기 희박연소영역의 내측에 설치되는 연료 공급관을 통하여 공급되는 제2액상 연료로 제2핫가스 흐름을 형성하는 농후연소영역
    을 포함하는, 촉매 재생기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 농후연소영역에서, 상기 하우징의 내부에 스페이서를 개재하여 설치되는 내부관
    을 더 포함하는 촉매 재생기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 내부관의 외면과 상기 하우징의 내면은 서로의 사이에 상기 제1핫가스를 흐르게 하는 제1핫가스 흐름 통로를 설정하고,
    상기 내부관의 내면은 상기 제2핫가스를 흐르게 하는 제2핫가스 흐름 통로를 설정하는, 촉매 재생기.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 하우징의 외부에 설치되는 외부관을 더 포함하는, 촉매 재생기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하우징의 외면과 상기 외부관의 내면은 서로의 사이에 제2공기를 흐르게 하는 제2공기 흐름 통로를 설정하는, 촉매 재생기.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 농후연소영역에서보다 상기 희박연소영역에서 확장 형성되는 확장부를 포함하고,
    상기 확장부에 설치되어 제1액상 연료 및 제1공기에 의하여 플라즈마를 발생시키고 점화 연소하는 플라즈마 점화/연소부
    를 포함하는 촉매 재생기.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 농후연소영역에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재를 포함하는, 촉매 재생기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 고온노출 증대부재는
    메탈폼, 메탈메쉬 또는 세라믹 모노리스(monolith) 중 적어도 하나를 포함하는, 촉매 재생기.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 하우징은
    외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재를 포함하는, 촉매 재생기.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 액상 연료 개질부는
    상기 반응 챔버의 하측에 복수로 배치되는, 촉매 재생기.
  25. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매 밀집 영역에 배치되고, 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료와 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 예혼합(pre-mixing)하는 예혼합 영역
    이 구비된 예혼합 수단을 포함하는, 촉매 재생기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 예혼합 수단은 상기 예혼합 영역에서 생성된 연소 반응물을 상기 촉매 밀집 영역에 분사하는 연소 반응물 노즐이고,
    상기 연소 반응물 노즐은,
    상기 공기 분사구와 연결되는 공기 노즐, 및 상기 연료 분사구와 연결되는 연료 노즐을 포함하며,
    상기 공기 노즐 및 상기 연료 노즐은 상기 예혼합 영역의 입구 측에 연결되는, 촉매 재생기.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 연료 분사구와 상기 연료 노즐을 연결하는 연료 연결관은
    상기 공기 노즐에 연결되는 상기 연소 반응물 노즐의 외부에서 내부로 설치되어, 분사되는 공기 가운데에 상기 연료를 분사하는, 촉매 재생기.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 연료 배관은 상기 연료 노즐의 주위에 다공을 형성하는, 촉매 재생기.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 연소 반응물 노즐은
    상기 예혼합 영역에 설치되는 점화장치를 더 포함하는, 촉매 재생기.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 공기 분배링과 상기 연료 분배링은
    상기 반응 챔버의 내부에 각각 독립적으로 설치되는, 촉매 재생기.
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