WO2020004778A1 - 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응장치 - Google Patents

고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응장치 Download PDF

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methane gas
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preheating
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채홍준
서석준
허성규
이다윗
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Definitions

  • the present invention relates to a reforming reactor for producing hydrogen using high frequency induction heating.
  • the reforming reactor for hydrogen production is used to produce hydrogen (H 2 ) by reforming a hydrocarbon (C X H X ) such as methane (CH 4 ) with water vapor, and a catalyst for activating the reforming reaction therein. And a heater to support the endothermic reforming reaction inside the reactor.
  • a heater such as a gas burner provides heat to a reactor that is shaped into a pipe shape of a predetermined diameter and length.
  • gas burners that burn heat to provide heat are mainly used as heaters. Therefore, in the related art, not only a problem in which exhaust gas is generated in the combustion process of the gas in the gas burner, but also a very local heating is performed on the part in contact with the flame generated by the combustion of the gas, so that the overall temperature control is not easy. This, in turn, leads to the disadvantage that the production efficiency of hydrogen is lowered.
  • the reforming reaction in the reactor requires preheating of the supplied steam and source gas.
  • the steam and the source gas are heated to a temperature of approximately 400 ° C. using a separate preheater. After preheating, it is fed to the reactor. Therefore, according to the prior art, it is cumbersome to be provided with a preheater in addition to the heater for the reforming reaction.
  • the present invention has been made to solve the problems caused by the prior art, and an object of the present invention is to provide a reforming reaction apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating, which is configured to enable more efficient hydrogen production.
  • Another object of the present invention is to provide a reforming reaction apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating configured to enable preheating of methane gas and steam with a simpler configuration.
  • One aspect of the reforming reactor for producing hydrogen using high frequency induction heating is a reforming reactor for producing hydrogen: a catalyst for activating the reforming reaction of methane gas and steam A reactor filled with; And a coil wound on an outer surface of the reactor and configured to inductively heat the reactor when power is applied thereto. It includes, methane gas and water vapor, when the reactor is heated by the heater, the reforming reaction is activated by the catalyst after being preheated while flowing the inside of the reactor.
  • a reforming reactor for producing hydrogen comprising: a reactor packed with a catalyst that activates a reforming reaction of methane gas and steam; And a coil wound on an outer surface of the reactor and configured to inductively heat the reactor when power is applied thereto.
  • the reactor includes a reaction tube filled with the catalyst to activate the reforming reaction of methane gas and steam by heating by the heater; A preheating tube provided on a portion of an outer surface of the reaction tube and preheating methane gas and water vapor by heating by the heater; And a heat insulator disposed between the outer surface of the reaction tube and the outer surface of the preheating tube and the heater and insulating the reaction tube and the preheating tube heated by the heater. It includes, and the reforming reaction is activated by the catalyst in the reaction tube preheated methane gas and steam while flowing the preheating tube.
  • the heater comprises a coil for induction heating arranged to surround the outer surface of the reactor. Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to more efficiently provide the heat required for the reforming reaction for the production of hydrogen inside the reactor, substantially.
  • the reforming reaction is carried out after the methane gas and steam for the production of hydrogen is preheated by a relatively high temperature coil and the hydrogen produced. Therefore, according to the embodiment of the present invention, by preheating methane gas and steam without using a separate preheater, it is possible to eventually improve the production efficiency of hydrogen.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a first embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a second embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a first embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross sectional view schematically showing a first embodiment of the present invention.
  • the reforming reaction apparatus 1 for producing hydrogen using high frequency induction heating includes a reactor 101 and a heater 200. Hydrogen is produced by the reforming reaction of methane gas (CH 4 ) and water vapor (H 2 O) flowing substantially inside the reactor 101. At this time, the inside of the reactor 101 is filled with a catalyst (C) for the activation of the reforming reaction, the heater 101 is heated by the heater 200 is provided for heat for the endothermic reforming reaction.
  • a catalyst (C) for the activation of the reforming reaction
  • the heater 101 is heated by the heater 200 is provided for heat for the endothermic reforming reaction.
  • the reactor 101, the reaction space (110S) and the preheating space (120S) that is partitioned from each other is formed.
  • the reaction space 110S is a place where a reforming reaction of methane gas and steam is performed, and the catalyst C is filled therein.
  • the preheating space 120S is a place where methane gas and water vapor reformed in the reaction space 110S are preheated.
  • the reaction tube 110 substantially defines the reaction space 110S. Therefore, the catalyst (C) is filled in the reaction tube 110, and the reforming reaction of methane gas and water vapor flowing in the reaction tube 110 is activated by heating by the heater 200. do.
  • the preheating tube 121 substantially defines the preheating space 120S. In the present embodiment, the preheating tube 121 is provided on a portion of the outer surface of the reaction tube 110, and the methane gas and water vapor flowing through the interior of the preheating tube 121 by the heating by the heater 200. Is preheated.
  • the heat insulating material 130 is disposed between the outer surface of the reaction tube 110 and the outer surface of the preheating tube 121 and the heater 200.
  • the heat insulator 130 serves to insulate the reaction tube 110 and the preheating tube 121 induction heated by the heater 200.
  • the reaction tube 110 may be formed in a hollow cylindrical shape extending in the longitudinal direction.
  • the preheating tube 121 is formed in a hollow cylindrical shape extending in the same longitudinal direction as the reaction tube 110.
  • the preheating tube 121 is formed with a relatively small diameter compared to the reaction tube 110 is disposed to be spaced apart from each other in the radial direction on the outer peripheral surface of the reaction tube (110). Therefore, in the present embodiment, in the reaction tube 110, methane gas and water vapor is reformed while flowing downward, and in the preheating tube 121, methane gas and water vapor will be preheated while flowing upward.
  • an outlet 101D and a supply port 101P are formed at one end of the reaction tube 110 and one end of the preheating tube 121.
  • the discharge port 101D is where hydrogen gas produced by the reforming reaction of methane gas and steam is discharged, and the remaining methane gas and steam are discharged.
  • the supply port 101P is methane gas and steam for the production of hydrogen. Is where it is supplied.
  • the other ends of the reaction tube 110 and the preheating tube 121 communicate with each other. Therefore, the methane gas and the water vapor supplied through the supply port 101P are transferred to the reaction tube 110 after the preheating tube 121 flows, and are reformed while flowing through the reaction tube 110. It is discharged together with the hydrogen gas generated through the discharge port (101D).
  • the heater 200 induction heating the reactor 101, substantially the reaction tube 110 and the preheating tube 121 for the endothermic reforming reaction of methane gas and steam.
  • the heater 200 includes a coil 201 wound around the outer surface of the reaction tube 110 and the outer surface of the preheating tube 121.
  • the reactor 101 will be induction heated.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a second embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention.
  • the same reference numerals in Figs. 1 and 2 are used for the same components as those in the first embodiment of the present invention described above, and detailed description thereof will be omitted.
  • the preheating tube 122 is helically disposed to surround the outer circumferential surface of the reaction tube 110.
  • the preheating tube 122 may include a plurality of spaced apart from each other in the longitudinal direction of the reaction tube (110). Therefore, in the present embodiment, in the reaction tube 110, methane gas and water vapor is reformed while flowing downward, and in the preheating tube 122, methane gas and water vapor will be preheated while flowing upwardly inclined.
  • the reforming reactor (1) (2) for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the first and second embodiments of the present invention configured as described above, power is applied to the heater (200) and the coil (201) substantially.
  • the reactor 101, 102, substantially the reaction tube 110, and the preheat tube 121, 122 are inductively heated. Therefore, methane gas and water vapor supplied through the supply port 101P may be preheated while flowing through the preheating tubes 121 and 122, that is, the preheating space 120S.
  • the preheated methane gas and water vapor while flowing through the preheating tubes 121 and 122 are connected to each other through the other ends of the preheating tubes 121 and 122 and the reaction tube 110. ), That is, the reaction space 110S. Therefore, the reforming reaction of methane gas and steam is activated by the catalyst (C) packed in the reaction tube 110 to produce hydrogen. Hydrogen gas, remaining methane gas, and water vapor produced by the reaction tube 110 are discharged through the discharge port 101D.
  • methane gas and water vapor are preheated while flowing through the preheating tubes 121 and 122, and reformed in the reaction tube 110 to produce hydrogen. Therefore, according to the embodiment of the present invention, by preheating methane gas and steam without using a separate preheater for preheating the methane gas and steam, it is possible to generate more efficient hydrogen with a simpler configuration. This is demonstrated by the experiment as follows.
  • an inconel circular pipe having an inner diameter of 80 mm, a thickness of 20 mm, and a length of 2,000 mm was used as the reaction tube 110, and as the preheating tube 121, 10 mm.
  • Inconel round pipes with an inner diameter of 10 mm, a thickness of 10 mm and a length of 2,000 mm were used.
  • the six preheating tubes 121 are disposed at equal intervals on the outer circumferential surface of the reaction tube 110.
  • the coil 201 a copper coil having a circular cross section having a diameter of 15 mm, including a coating layer, was used.
  • the catalyst (C) As the catalyst (C), a total amount of 8L nickel-aluminum catalyst (Ni / Al 2 O 3 ) was used. Filled inside the tube (110). In addition, the outer surface of the reaction tube 110 and the outer surface of the preheating tube 121, the insulating material 130 of glass material having a thickness of 50mm is disposed. Inside the reactor 101, a 3: 1 ratio of water vapor (H 2 O) and methane gas (CH 4 ) was supplied at a space velocity of 6,000 h ⁇ 1 , and the coil 201 had a frequency of 1 kHz. And a current density of 256 A / mm 2 . In ⁇ Experimental Example 2>, the same preheating tube 122 as the preheating tube 121 of ⁇ Experimental Example 1> was spirally wound 15 times on the outer circumferential surface of the reaction tube 110.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 the preheating tubes 121 and 122 were deleted in comparison with Experimental Example 1 and Experimental Example 2.
  • ⁇ Comparative Example 1> methane gas and water vapor preheated to approximately 400 ° C. were supplied by a separate preheater, and in ⁇ Comparative Example 2>, methane gas and water vapor that were not preheated were supplied.

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Abstract

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 촉매가 충진되는 반응기; 및 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유도 가열하는 코일을 포함하는 가열기; 를 포함하고, 메탄가스 및 수증기는, 상기 가열기에 의하여 상기 반응기가 가열되면, 상기 반응기의 내부를 유동하면서 예열된 후 상기 촉매에 의하여 개질 반응이 활성화된다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 10.04.2019]　고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응장치
본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다.
수소 생산용 개질 반응기는, 메탄(CH4)과 같은 같은 탄화수소(CXHX)를 수증기와 함께 개질하여 수소(H2)를 생산하는데 사용되는 것으로, 그 내부에 개질 반응의 활성화를 위한 촉매가 충진된 반응기 및 반응기 내부에서의 흡열 개질 반응을 지원하기 위한 가열기를 포함한다. 일반적으로 소정의 직경 및 길이의 파이프 형상으로 성형되는 반응기를 가스버너와 같은 가열기가 열을 제공한다.
종래에는, 가스를 연소시켜서 열을 제공하는 가스버너가 가열기로 주로 사용되었다. 따라서 종래에는, 가스버너에서의 가스의 연소 과정에서 배기가스가 발생되는 문제점뿐만 아니라, 가스의 연소에 의하여 발생되는 화염과 접촉되는 부분에 대한 매우 국부적인 가열이 이루어지므로, 전체적인 온도 제어가 용이하지 않고, 이로 인하여 종국적으로 수소의 생산 효율이 저하되는 단점이 발생한다.
한편, 반응기 내부에서의 개질 반응을 위해서는, 공급되는 수증기와 원료 가스의 예열이 필요하다, 가스버너를 가열기로 사용하는 경우에는, 수증기와 원료 가스를 별도의 예열기를 사용하여 대략 400℃의 온도로 예열한 후 반응기로 공급한다. 따라서, 종래 기술에 의하면, 개질 반응을 위한 가열기 이외에 추가로 예열기가 구비되어야 하는 번거로움이 따르게 된다.
본 발명은, 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 효율적인 수소의 생산이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 보다 간단한 구성으로 메탄가스 및 수증기의 예열이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 촉매가 충진되는 반응기; 및 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유도 가열하는 코일을 포함하는 가열기; 를 포함하고, 메탄가스 및 수증기는, 상기 가열기에 의하여 상기 반응기가 가열되면, 상기 반응기의 내부를 유동하면서 예열된 후 상기 촉매에 의하여 개질 반응이 활성화된다.
본 발명의 실시예의 다른 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 촉매가 충진되는 반응기; 및 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유도 가열하는 코일을 포함하는 가열기; 를 포함하고, 상기 반응기는, 상기 촉매가 충진되어 상기 가열기에 의한 가열에 의하여 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 활성화되는 반응 튜브; 상기 반응 튜브의 외면 일부에 구비되고, 상기 가열기에 의한 가열에 의하여 메탄가스 및 수증기가 예열되는 예열 튜브; 및 상기 반응 튜브의 외면 및 상기 예열 튜브의 외면과 상기 가열기 사이에 배치되고, 상기 가열기에 의하여 가열되는 상기 반응 튜브 및 예열 튜브를 단열하는 단열재; 를 포함하고, 상기 예열 튜브를 유동하면서 예열된 메탄가스 및 수증기가 상기 반응 튜브에서 상기 촉매에 의하여 그 개질 반응이 활성화된다.
본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에서는, 가열기가 반응기의 외면을 둘러싸도록 배치되는 유도 가열을 위한 코일을 포함한다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 보다 효율적으로 반응기의 내부, 실질적으로 수소의 생산을 위한 개질 반응에 소요되는 열을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 상대적으로 고온인 코일 및 생산된 수소 등에 의하여 예열된 후 개질 반응이 이루어진다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 별도의 예열기를 사용하지 않고, 메탄가스 및 수증기를 예열함으로써, 종국적으로 수소의 생산효율을 증진시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 종단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예를 개략적으로 보인 횡단면도.
도 3은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 종단면도.
이하에서는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예를 개략적으로 보인 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(1)는, 반응기(101) 및 가열기(200)를 포함한다. 실질적으로 상기 반응기(101)의 내부를 유동하는 메탄가스(CH4) 및 수증기(H2O)의 개질 반응에 의하여 수소가 생산된다. 이때 상기 반응기(101)의 내부에는 개질 반응의 활성화를 위한 촉매(C)가 충진되고, 상기 가열기(200)에 의하여 상기 반응기(101)가 가열됨으로써 흡열 개질 반응을 위한 열이 제공된다.
보다 상세하게는, 상기 반응기(101)에는, 서로 구획되는 반응 공간(110S) 및 예열 공간(120S)이 형성된다. 실질적으로 상기 반응 공간(110S)은, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 이루어지는 곳으로, 상기 촉매(C)가 이에 충진된다. 그리고 상기 예열 공간(120S)은, 상기 반응 공간(110S)에서 개질 반응되는 메탄가스 및 수증기가 예열되는 곳이다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 가열기(200)에 의하여 상기 반응기(101)가 가열되면, 메탄가스 및 수증기가, 상기 예열 공간(120S) 및 반응 공간(110S)을 차례로 유동하고, 상기 예열 공간(120S)을 유동하면서 예열된 상태에서 상기 반응 공간(110S)에 충진된 상기 촉매(C)에 의하여 개질 반응이 활성화된다.
이를 위하여 본 실시예에서는, 상기 반응기(101)가, 반응 튜브(110), 다수개의 예열 튜브(121) 및 단열재(130)를 포함한다. 상기 반응 튜브(110)는, 실질적으로 상기 반응 공간(110S)을 정의한다. 따라서, 상기 반응 튜브(110)의 내부에는 상기 촉매(C)가 충진되고, 상기 가열기(200)에 의한 가열에 의하여 상기 반응 튜브(110)의 내부를 유동하는 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 활성화된다. 상기 예열 튜브(121)는, 실질적으로 상기 예열 공간(120S)을 정의한다. 본 실시예에서는, 상기 예열 튜브(121)가 상기 반응 튜브(110)의 외면 일부에 구비되고, 상기 가열기(200)에 의한 가열에 의하여 상기 예열 튜브(121)의 내부를 유동하는 메탄가스 및 수증기가 예열된다. 또한, 상기 단열재(130)는, 상기 반응 튜브(110)의 외면 및 상기 예열 튜브(121)의 외면과 상기 가열기(200) 사이에 배치된다. 상기 단열재(130)는, 상기 가열기(200)에 의하여 유도 가열되는 상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)를 단열하는 역할을 수행한다.
보다 상세하게는, 상기 반응 튜브(110)는, 길이 방향으로 길게 연장되는 중공의 원통 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 예열 튜브(121)는, 상기 반응 튜브(110)와 동일한 길이 방향으로 길게 연장되는 중공의 원통 형상으로 형성된다. 다만, 본 실시예에서는, 상기 예열 튜브(121)가 상기 반응 튜브(110)에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어 상기 반응 튜브(110)의 외주면에 방사방향으로 서로 이격되게 배치된다. 따라서 본 실시예에서는, 상기 반응 튜브(110)에서는, 메탄가스 및 수증기가 하방으로 유동되면서 개질 반응되고, 상기 예열 튜브(121)에서는, 메탄가스 및 수증기가 상방으로 유동되면서 예열될 것이다.
또한, 상기 반응 튜브(110)의 일단 및 상기 예열 튜브(121)의 일단에는, 배출구(101D) 및 공급구(101P)가 형성된다. 상기 배출구(101D)는, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 잔존하는 메탄가스 및 수증기가 배출되는 곳이고, 상기 공급구(101P)는, 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 공급되는 곳이다. 그리고 상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)의 타단은 서로 연통된다. 따라서, 상기 공급구(101P)를 통하여 공급되는 메탄가스 및 수증기는, 상기 예열 튜브(121)를 유동한 후 상기 반응 튜브(110)로 전달되어 상기 반응 튜브(110)를 유동하면서 개질 반응된 후 상기 배출구(101D)를 통하여 생성된 수소가스와 함께 배출된다.
한편, 상기 가열기(200)는, 메탄가스 및 수증기의 흡열 개질 반응을 위하여 상기 반응기(101), 실질적으로 상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)를 유도 가열한다. 본 실시예에서는, 상기 가열기(200)가, 상기 반응 튜브(110)의 외면 및 상기 예열 튜브(121)의 외면에 권선되는 코일(201)을 포함한다. 따라서, 상기 코일(201)에 전원이 인가되면, 상기 반응기(101)가 유도 가열될 것이다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 종단면도이다. 본 실시예의 구성 요소 중 상술한 본 발명의 제1실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는, 도 1 및 도 2의 도면 부호를 원용하고, 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(2)에서는, 예열 튜브(122)가, 반응 튜브(110)의 외주면을 둘러싸도록 나선형으로 배치된다. 이때 상기 예열 튜브(122)는, 상기 반응 튜브(110)의 길이 방향으로 서로 이격되게 배치되는 다수개를 포함할 수 있다. 따라서, 본 실시에에서는, 상기 반응 튜브(110)에서는, 메탄가스 및 수증기가 하방으로 유동되면서 개질 반응되고, 상기 예열 튜브(122)에서는, 메탄가스 및 수증기가 상향 경사지게 유동되면서 예열될 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(1)(2)에서는, 가열기(200), 실질적으로 코일(201)에 전원이 인가되면, 반응기(101)(102), 실질적으로 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)(122)가 유도 가열된다. 따라서, 공급구(101P)를 통하여 공급되는 메탄가스 및 수증기가 상기 예열 튜브(121)(122), 즉 예열 공간(120S)을 유동하면서 예열될 수 있다.
다음으로, 상기 예열 튜브(121)(122)를 유동하면서 예열된 메탄가스 및 수증기는, 서로 연통되는 상기 예열 튜브(121)(122) 및 반응 튜브(110)의 타단을 통하여 상기 반응 튜브(110), 즉 반응 공간(110S)으로 전달된다. 따라서 상기 반응 튜브(110)의 내부에 충진된 촉매(C)에 의하여 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 활성화되어 수소가 생산된다. 그리고 상기 반응 튜브(110)에서 생산된 수소가스와 잔존하는 메탄가스 및 수증기는, 배출구(101D)를 통하여 배출된다.
그런데 상술한 바와 같이, 본 실시에에서는, 메탄가스 및 수증기가 상기 예열 튜브(121)(122)를 유동하면서 예열된 후 상기 반응 튜브(110)에서 개질 반응되어 수소가 생산된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 메탄가스 및 수증기의 예열을 위한 별도의 예열기를 사용하지 않고 메탄가스 및 수증기를 예열함으로써, 보다 간단한 구성으로 보다 효율적인 수소의 생성이 가능해진다. 이는 실험에 의하여 아래와 같이 입증되었다.
먼저, <실험예 1>에서는, 반응 튜브(110)로, 80mm의 내경, 20mm의 두께 및 2,000mm의 길이를 갖는 인코넬(inconel) 재질의 원형 파이프가 사용되었고, 예열 튜브(121)로, 10mm의 내경, 10mm의 두께 및 2,000mm의 길이를 갖는 인코넬(inconel) 재질의 원형 파이프가 사용되었다. 이때 6개의 상기 예열 튜브(121)가 상기 반응 튜브(110)의 외주면에 등간격으로 이격되게 배치되었다. 그리고 코일(201)로는, 피복층을 포함하여 15mm 직경의 원형 단면을 갖는 구리 재질의 코일이 사용되었고, 촉매(C)로는, 총량 8L의 니켈-알루미늄 촉매(Ni/Al2O3)가 상기 반응 튜브(110)의 내부에 충진되었다. 또한, 상기 반응 튜브(110)의 외면 및 상기 예열 튜브(121)의 외면에는, 50mm의 두께를 갖는 유리 재질의 단열재(130)가 배치되었다. 상기 반응기(101)의 내부로는, 3:1비의 수증기(H2O)와 메탄가스(CH4)가 6,000h-1의 공간속도로 공급되었고, 상기 코일(201)에는, 1kHz의 주파수 및 256A/mm2의 전류밀도로 전원이 인가되었다. <실험예 2>에서는, <실험예 1>의 예열 튜브(121)와 동일한 예열 튜브(122)가, 상기 반응 튜브(110)의 외주면에 나선형으로 15회 감겨졌다.
그리고 <비교예 1> 및 <비교예 2>에서는, <실험예 1> 및 <실험예 2>와 비교하여 상기 예열 튜브(121)(122)가 삭제되었다. 또한, <비교예 1>에서는 별도의 예열기에 의하여 대략 400℃로 예열된 메탄가스 및 수증기가 공급되었고, <비교예 2>에서는, 예열되지 아니한 메탄가스 및 수증기가 공급되었다.
이와 같은, <실험예 1>, <실험예 2>, <비교예 1> 및 <비교예 2>에 대한 실험 결과는 아래의 [표 1]과 같다.
실험예 1 실험예 2 비교예 1 비교예 2
CH4전환율(%) 94 96 95 85
H2분율(%) 76 78 75 67
H2생산량(Nm3/h) 40 42 41 35
<실험예 1> 및 <실험예 2>와 <비교예 1> 및 <비교예 2>의 실험 결과를 대비하면, <실험예 1> 및 <실험예 2>의 경우에는 <비교예 1>와 유사한 양의 수소를 생산하고, <비교예 2>의 경우에는, <실험예 1>, <실험예 2> 및 <비교예 1>에 비하여 상대적으로 적은 양의 수소를 생산함을 확인할 수 있다. 그런데, <실험예 1> 및 <실험예 2>의 경우에는, <비교예 1>과 비교하여, 별도의 예열을 위한 예열기가 구비되지 아니하므로, 상대적으로 간단한 구성으로 <비교예 1>, 즉 메탄가스 및 수증기를 예열한 경우와 유사한 양의 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서:
    메탄가스(CH4) 및 수증기(H2O)의 개질 반응을 활성화하는 촉매(C)가 충진되는 반응기(101)(102); 및
    상기 반응기(101)의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기(101)(102)를 유도 가열하는 코일(201)을 포함하는 가열기(200); 를 포함하고,
    메탄가스 및 수증기는, 상기 가열기(200)에 의하여 상기 반응기(101)(102)가 가열되면, 상기 반응기(101)(102)의 내부를 유동하면서 예열된 후 상기 촉매(C)에 의하여 개질 반응이 활성화되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(101)(102)에는, 서로 구획되는 반응 공간(110S) 및 예열 공간(120S)이 형성되고,
    메탄가스 및 수증기는, 상기 예열 공간(120S) 및 반응 공간(110S)을 차례로 유동하고, 상기 예열 공간(120S)을 유동하면서 예열된 상태에서 상기 반응 공간(110S)에 충진된 상기 촉매(C)에 의하여 개질 반응이 활성화되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  3. 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서:
    메탄가스(CH4) 및 수증기(H2O)의 개질 반응을 활성화하는 촉매(C)가 충진되는 반응기(101)(102); 및
    상기 반응기(101)의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기(101)(102)를 유도 가열하는 코일(201)을 포함하는 가열기(200); 를 포함하고,
    상기 반응기(101)(102)는,
    상기 촉매(C)가 충진되어 상기 가열기(200)에 의한 가열에 의하여 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 활성화되는 반응 튜브(110);
    상기 반응 튜브(110)의 외면 일부에 구비되고, 상기 가열기(200)에 의한 가열에 의하여 메탄가스 및 수증기가 예열되는 예열 튜브(121)(122); 및
    상기 반응 튜브(110)의 외면 및 상기 예열 튜브(121)(122)의 외면과 상기 가열기(200) 사이에 배치되고, 상기 가열기(200)에 의하여 가열되는 상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)(122)를 단열하는 단열재(130); 를 포함하고,
    상기 예열 튜브(121)(122)를 유동하면서 예열된 메탄가스 및 수증기가 상기 반응 튜브(110)에서 상기 촉매(C)에 의하여 그 개질 반응이 활성화되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)는, 길이 방향으로 길게 연장되는 중공의 원통 형상으로 형성되고,
    상기 예열 튜브(121)는, 상기 반응 튜브(110)와 동일한 길이 방향으로 길게 연장되는 중공의 원통 형상으로 형성되고, 상기 반응 튜브(110)의 외주면에 방사방향으로 서로 이격되게 배치되는 다수개를 포함하는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)에서는, 메탄가스 및 수증기가 하방으로 유동되면서 개질 반응되고,
    상기 예열 튜브(121)에서는, 메탄가스 및 수증기가 상방으로 유동되면서 예열되는 고주파 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)의 일단에는, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 잔존하는 메탄가스 및 수증기가 배출되는 배출구(101D)가 형성되고,
    상기 예열 튜브(121)(122)의 일단에는, 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 공급되는 공급구(101P)가 형성되며,
    상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)(122)의 타단은 서로 연통되는 수소 생산용 개질 반응 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)는, 길이 방향으로 길게 연장되는 중공의 원통 형상으로 형성되고,
    상기 예열 튜브(122)는, 상기 반응 튜브(110)의 외주면을 둘러싸도록 나선형으로 배치되는 중공의 원통 형상으로 형성되고, 상기 반응 튜브(110)의 길이 방향으로 서로 이격되게 배치되는 다수개를 포함하는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)에서는, 메탄가스 및 수증기가 하방으로 유동되면서 개질 반응되고,
    상기 예열 튜브(122)에서는, 메탄가스 및 수증기가 상향 경사지게 유동되면서 예열되는 고주파 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응 튜브(110)의 일단에는, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 잔존하는 메탄가스 및 수증기가 배출되는 배출구(101D)가 형성되고,
    상기 예열 튜브(121)(122)의 일단에는, 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 공급되는 공급구(101P)가 형성되며,
    상기 반응 튜브(110) 및 예열 튜브(121)(122)의 타단은 서로 연통되는 수소 생산용 개질 반응 장치.
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