KR102098307B1 - 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 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 재생기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기는, 유입구를 통하여 재생공간으로 들어오는 코킹 촉매를 재생 및 가열한 후 재생 촉매를 유출구로 내보내는 반응 챔버, 상기 반응 챔버에 연결되어 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 액상 연료 개질부, 및 상기 재생공간에 설치되어 상기 개질가스를 연소시켜 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 연소 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.
Description
본 발명은 촉매 재생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유동층 촉매 반응기에서 사용되므로 코킹된 촉매 표면의 카본(carbon)을 제거하여 재생하고, 촉매의 온도를 상승시키는 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기에 관한 것이다.
일반적으로, 에틸렌은 석유화학에서 기초 원료의 대표적인 물질이다. 석유화학 공정은 에틴렌, 프로필렌과 같은 올레핀 화합물을 근간으로 다양한 공정을 통하여 다양한 물질을 생산한다.
납사로부터 올레핀을 생산하는데 촉매가 사용된다. 촉매는 납사 분해 반응을 경유하는 과정에서 코킹(coking) 된다. 즉 카본(carbon) 입자들이 촉매의 표면을 덮게 된다.
카본으로 덮어진 코킹 촉매는 재생 후, 다시 납사와 혼합되어 납사의 분해 반응에 사용되는 순환을 거치게 된다. 그런데 촉매가 코킹 되면, 납사의 분해 반응이 원활하게 일어나기 어려워진다.
미국특허 제7,153,479호에 개시된 바와 같이, 코킹 촉매를 재생할 때, 연료를 공급하는 방식은 노즐로 액상 연료(Fuel oil)를 파우더(powder) 형태의 촉매 유동층에 분사하는 방식을 사용하고 있다.
즉 액상 연료는 유동층 촉매 반응기 내에 사용되는 촉매 재생기에서 부족한 온도를 보충하고 있다. 액상 연료는 촉매 재생기의 반응 챔버 내에 고압으로 분사되어 연소열로 촉매의 온도를 상승시킨다.
그러나 액상의 연료의 분사는 연료의 낮은 분산성으로 인하여 반응 챔버 내의 온도 불균형을 유발하게 된다. 이로 이하여, 반응 챔버 내에서 핫스팟(hot spot)이 발생되어, 촉매가 에이징(aging)되고, 촉매의 성능이 저하된다. 따라서 이러한 문제를 해결할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예는 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 재생기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기는, 유입구를 통하여 재생공간으로 들어오는 코킹 촉매를 재생 및 가열한 후 재생 촉매를 유출구로 내보내는 반응 챔버, 상기 반응 챔버에 연결되어 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 액상 연료 개질부, 및 상기 재생공간에 설치되어 상기 개질가스를 연소시켜 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 연소 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.
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 하우징은, 상기 농후연소영역에서 내부에 스페이서를 개재하여 설치되는 내부관을 더 포함할 수 있다.
상기 내부관의 외면과 상기 하우징의 내면은 서로의 사이에 제1핫가스 흐름 통로를 설정하여 제1핫가스를 흐르게 하고, 상기 내부관의 내면은 제2핫가스 흐름 통로를 설정하여 제2핫가스를 흐르게 할 수 있다.
상기 농후연소영역은 상기 희박연소영역에서보다 높은 당량비로 연소될 수 있다.
상기 하우징은, 상기 농후연소영역의 외부에 설치되는 외부관을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징의 외면과 상기 외부관의 내면은 서로의 사이에 제2공기 흐름 통로를 설정하여 제2공기를 흐르게 할 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 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 농후연소영역에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재를 더 포함할 수 있다. 상기 고온노출 증대부재는 메탈폼, 메탈메쉬 또는 세라믹 모노리스(monolith)를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재를 더 포함한다. 상기 가열부재는 단열재, 전기히터 또는 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 액상 연료 개질부는 상기 반응 챔버의 하측에 복수로 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 액상 연료 개질기를 구비하여, 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.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 2의 액상 연료 개질부의 희박연소영역과 농후연소영역에 대한 당량비와 온도 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제6실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 2의 액상 연료 개질부의 희박연소영역과 농후연소영역에 대한 당량비와 온도 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제6실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 촉매 재생기(1)는 반응 챔버(10), 액상 연료 개질부(20) 및 공기 공급부(30)를 포함하여, 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 구성된다.
도시하지 않았으나, 유동층 반응기는 라이저(미도시)에서 반응물과 촉매(신규촉매 또는 재생된 촉매)를 혼합하여, 반응물의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹된 코킹 촉매와 생성물을 사이클론으로 분리하여, 분리된 코킹 촉매를 촉매 재생기(1)(도 1 참조)로 떨어뜨린다.
일 실시예로써, 납사를 반응물로 하여 올레핀을 생성하는 공정, 즉 유동촉매 크랙킹(fluid catalyst cracking; FCC) 방식의 올레핀 생산 공정은 제1실시예의 앞 공정에 해당한다.
앞 공정은 납사와 촉매를 혼합하여, 납사의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹 된 촉매와 생성된 올레핀을 사이클론(미도시)에서 분리하여, 코킹 촉매를 촉매 재생기(1)로 떨어뜨린다.
즉, 납사는 라이저의 하부로 주입되어 고온의 촉매(재생 촉매 포함)와 만나면서 촉매 반응을 통하여 분해되기 시작한다. 납사는 라이저를 따라 상승하면서 계속 흡열 촉매 반응하여 분해된다.
납사의 분해 반응 후, 고체 카본 입자들로 덮어지는 촉매, 즉 코킹 촉매와 분해 반응으로 생성된 올레핀은 사이클론으로 유입되어 서로 분리된다. 사이클론에서 분리되는 코킹 촉매는 촉매 재생기(1)로 떨어진다. 즉, 앞 공정의 촉매는 유입구(11)로 떨어져 촉매 재생기(1)로 공급된다.
제1실시예의 촉매 재생기(1)는 발열량이 높은 (제1, 제2)액상의 연료를 고상의 카본과 가스 상태로 개질하여, 반응 챔버(10)로 공급하여 반응 챔버(10) 내의 온도 균형을 형성하도록 구성된다.
제1실시예의 촉매 재생기(1)는 고상의 카본과 가스 상태(수소, 일산화탄소)의 개질가스에 추가로 공급되는 연소 공기로 코킹 촉매의 표면에 잔류하는 카본을 산화 제거하면서 촉매를 재생 및 가열시킨다.
제1실시예에서, 반응 챔버(10)는 유입구(11)를 통하여 재생공간(RGS)으로 들어오는 코킹 촉매를 재생공간(RGS)에서 재생 및 가열한 후 재생 촉매를 유출구(12)로 내보내도록 구성된다.
액상 연료 개질부(20)는 (제1, 제2)액상 연료를 부분산화시켜서, 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 재생공간(RGS)으로 공급하도록 구성된다.
공기 공급부(30)는 반응 챔버(10) 내부의 재생공간(RGS)에 설치되어 개질가스를 연소시켜, 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 재생공간(RGS)에 연소 공기를 공급한다.
도 2는 도 1에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 액상 연료 개질부(20)는 하우징(21), 희박연소영역(LBA) 및 농후연소영역(RBA)을 포함한다.
하우징(21)은 반응 챔버(10)에 연결되어, 부분산화로 개질 생성한 개질가스를 반응 챔버(10) 내의 재생공간(RGS)으로 공급한다. 희박연소영역(LBA)은 하우징(21)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(22)을 통하여 공급되는 제2액상 연료(LF2)로 제2핫가스(HG2) 흐름을 형성한다. 연료 공급관(22)으로 공급되는 제2액상 연료(LF2)는 제1핫가스(HG1) 흐름에 공급되어 공기 부족으로 인하여 부분산화된다.
하우징(21)은 농후연소영역(RBA)에서보다 희박연소영역(LBA)에서 확장되는 확장부(211)를 포함하여 형성된다. 따라서 하우징(21)은 확장부(211)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 4는 도 2의 액상 연료 개질부의 희박연소영역과 농후연소영역에 대한 당량비와 온도 관계를 도시한 그래프이다. 도 4를 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(22)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(24)의 내부에 설정되는 제2핫가스 흐름 통로(P2)는 고상의 카본이 포함된 개질가스를 반응 챔버(10)로 공급한다.
다시 도 2 내지 도 3을 참조하여, 구체적으로 설명하면, 하우징(21)은 농후연소영역(RBA)에서 내부에 스페이서(23)를 개재하여 설치되는 내부관(24)을 더 포함한다. 스페이서(23)는 복수로 구비되어, 하우징(21)의 내면 및 내부관(24)의 외면에서 원주 방향을 따라 이격 배치된다.
따라서 내부관(24)의 외면과 하우징(21)의 내면은 서로의 사이 및 이웃하는 스페이서들(23) 사이에서 제1핫가스 흐름 통로(P1)를 설정한다. 이로써, 제1핫가스 흐름 통로(P1)는 희박연소영역(LBA)에서 연소된 제1핫가스를 흐르게 한다.
그리고 내부관(24)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(24)의 내부 벽면은 개질가스를 고온으로 유지하게 되고, 이로 인하여, 내부 벽면에 대하여 개질가스에 포함된 고상 카본의 흡착이 최소화 될 수 있다.
또한, 내부관(24)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(25)를 구비한다.
유도구(25)는 복수로 구비되며, 내부관(24)의 원주 방향을 따라 등간격으로 구비되어, 제1핫가스(HG1)가 제2핫가스(HG2)에 균일하게 공급될 수 있게 한다. 또한 유도구(25)는 반응 챔버(10)에 인접하여 형성되므로 제1, 제2핫가스(HG1, HG2)를 반응 챔버(10)의 재생공간(RGS)으로 공급할 수 있다.
이때, 하우징(21)과 내부관(24)의 길이 방향 끝 부분(반응 챔버(10)에 인접하는)에서, 스페이서(26)는 하우징(21)과 내부관(24) 사이를 원주 방향으로 완전히 밀폐할 수 있다.
또한, 스페이서(26)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(10)로 공급될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 액상 연료 개질부(20)의 제2핫가스 흐름 통로(P2) 또는 제1, 제2핫가스 흐름 통로(P1, P2)를 통하여 반응 챔버(10)로 공급되는 제1, 제2핫가스(HG1, HG2)는 재생공간(RGS)에서 공급되는 연소 공기에 의하여 더 연소되면서, 촉매 표면에 코킹된 카본을 연속시켜 촉매를 재생하면서 촉매의 온도를 상승시킨다.
이와 같이, 제1실시예는 발열량이 높은 액상의 연료를 사용하면서 고상의 카본과 가스 상태로 개질하여 반응 챔버(10)로 공급하여, 코킹 촉매를 개질하고 촉매의 온도를 상승시키므로 반응 챔버(10) 내에서 온도 균형을 형성한다. 즉 반응 챔버(10) 내에서 핫스팟의 발생이 방지된다.
재생 및 가열된 촉매는 유출구(12)를 통하여 유출된다. 일례를 들면, 유출된 재생 촉매는 납사와 촉매를 혼합하여, 납사의 분해 반응을 일으키는 데 사용된다. 이 공정에서 코킹 된 촉매와 생성된 올레핀은 사이클론(미도시)에서 분리되고, 코킹된 촉매는 촉매 재생기(1)로 공급되어 재생 및 승온되어 재사용된다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 동일한 부분에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제2실시예의 액상 연료 개질부(220)에서, 하우징(21)은 농후연소영역(RBA)에서보다 희박연소영역(LBA)에서 확장 형성된 확장부(211)에 플라즈마 점화/연소부(27)를 더 포함한다.
플라즈마 점화/연소부(27)는 제1액상 연료 및 제1공기에 의하여 플라즈마를 발생시켜 점화 연소 작용하므로 제1실시예와 비교할 때, 제1액상 연료와 제1공기가 더 희박한 연소를 구현하여, 희박연소영역(LBA)에서 보다 안정적인 연소를 구현할 수 있다.
따라서 제2실시예는 제1실시예에 비하여, 연료 공급관(22)을 통하여 공급되는 제2액상 연료(LF2)를 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 더욱 가능하게 하여, 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 반응 챔버(10)로 공급한다.
이와 같이, 제2실시예는 플라즈마 점화/연소부(27)를 이용하여 희박연소영역(LBA)에서 연소를 안정적으로 구현하므로 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(10)로 공급하여 코킹 촉매를 개질한다.
따라서 제1실시예에 비하여, 제2실시예는 반응 챔버(10) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(10) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지한다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제3실시예의 액상 연료 개질부(320)에서, 하우징(21)은 농후연소영역(RBA)에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재(28)를 포함한다.
고온노출 증대부재(28)는 내열성을 갖는다. 일례로써, 고온노출 증대부재(28)는 메탈폼(metal form), 메탈메쉬(metal mesh) 또는 세라믹 모노리스(ceramic monolith)를 더 포함한다.
고온노출 증대부재(28)는 희박연소영역(LBA)에서 연소된 제1핫가스(HG1)의 제1핫가스 흐름 및 연료 공급관(22)으로 공급되는 제2액상 연료(LF2)를 장시간 노출시켜서, 제2액상 연료(LF2)를 기화 및 개질시킨다. 따라서 액상 연료 개질부(320)는 희박연소영역(LBA)에서 부분산화된 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(10)로 공급한다.
이와 같이, 제3실시예는 고온노출 증대부재(28)를 이용하여 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(10)로 공급하여 코킹 촉매를 개질 및 가열한다.
따라서 제1실시예에 비하여, 제3실시예는 반응 챔버(10) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(10) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제4실시예의 액상 연료 개질부(420)에서, 하우징(21)은 외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재(29)를 더 포함한다.
일례로써, 가열부재(29)는 단열재, 전기히터 또는 열교환기를 포함한다. 보다 구체적으로 보면, 가열부재(29)는 하우징(21)의 농후연소영역(RBA)에 설치된다. 가열부재(29)는 농후연소영역(RBA)에서 제2액체 연료를 개질할 때, 내부관(24)의 내부를 가열시킨다.
고상의 카본은 온도가 높을수록 내부관(24)의 내 표면에 흡착 및 성장하지 않는 특성을 갖는다. 따라서 가열부재(29)는 내부관(24) 내의 온도를 상승시켜 제2액상 연료(LF2)의 부분산화시, 발생하는 고상의 카본이 내부관(24)의 내면에 흡착되는 것을 방지한다. 고상 카본이 내부관(24)의 내 표면에 흡착되는 것은 온도의 영향을 가장 크게 받는다.
이와 같이, 제4실시예는 가열부재(29)를 이용하여, 농후연소영역(RBA)에서 부분산화를 효과적으로 구현하여 생성된 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 반응 챔버(10)로 공급하여 코킹 촉매를 재생 및 가열한다.
따라서 제1실시예에 비하여, 제4실시예는 반응 챔버(10) 내에서 온도 균형을 더욱 형성하고, 반응 챔버(10) 내에서 핫스팟의 발생을 더욱 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 액상 연료 개질부를 포함하는 촉매 재생기의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제5실시예의 촉매 재생기(5)는 액상 연료 개질부를 반응 챔버(210)의 하측에 복수로 배치하고 있다.
예를 들면, 액상 연료 개질부는 N 개의 액상 연료 개질부(521~52N)를 포함할 수 있다. 이때, N 개의 액상 연료 개질부(521~52N)는 고상의 카본을 주성분으로 하며 다른 기상 가스를 포함하는 개질가스를 반응 챔버(10) 내의 재생공간(RGS)로 공급하여, 재생공간(RGS)에서 연소 공기에 의하여 연소하면서, 촉매 표면에 코킹된 카본을 연속시켜 촉매를 재생하면서 촉매의 온도를 상승시킨다.
도 9는 본 발명의 제6실시예에 적용되는 액상 연료 개질부의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제6실시예의 액상 연료 개질부(620)에서, 하우징(21)은 농후연소영역(RBA)의 외부에 설치되는 외부관(31)을 더 포함한다.
하우징(21)의 외면과 외부관(31)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(21)의 외면을 냉각하므로 내부관(24)의 내면에 형성되는 제2핫가스 흐름 통로(P2)의 온도를 안정적으로 유지 및 구현할 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.
1: 촉매 재생기 10, 210: 반응 챔버
11: 유입구 12: 유출구
20, 220, 320, 521~52N, 620: 액상 연료 개질부
21: 하우징 22: 연료 공급관
23, 26: 스페이서 24: 내부관
25: 유도구 27: 플라즈마 점화/연소부
28: 고온노출 증대부재 29: 가열부재
30: 공기 공급부 31: 외부관
211: 확장부 A2: 제2공기
HG1: 제1핫가스 HG2: 제2핫가스
LBA: 희박연소영역 LF2: 제2액상 연료
P1: 제1핫가스 흐름 통로 P2: 제2핫가스 흐름 통로
P3: 제2공기 흐름 통로 RBA: 농후연소영역
RGS: 재생공간
11: 유입구 12: 유출구
20, 220, 320, 521~52N, 620: 액상 연료 개질부
21: 하우징 22: 연료 공급관
23, 26: 스페이서 24: 내부관
25: 유도구 27: 플라즈마 점화/연소부
28: 고온노출 증대부재 29: 가열부재
30: 공기 공급부 31: 외부관
211: 확장부 A2: 제2공기
HG1: 제1핫가스 HG2: 제2핫가스
LBA: 희박연소영역 LF2: 제2액상 연료
P1: 제1핫가스 흐름 통로 P2: 제2핫가스 흐름 통로
P3: 제2공기 흐름 통로 RBA: 농후연소영역
RGS: 재생공간
Claims (13)
- 유입구를 통하여 재생공간으로 들어오는 코킹 촉매를 재생 및 가열한 후 재생 촉매를 유출구로 내보내는 반응 챔버;
상기 반응 챔버에 연결되어 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 액상 연료 개질부; 및
상기 재생공간에 설치되어 상기 개질가스를 연소시켜 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 연소 공기를 공급하는 공기 공급부
를 포함하며,
상기 액상 연료 개질부는
상기 반응 챔버에 연결되고, 공급되는 제1액상 연료와 제1공기로 제1핫가스 흐름을 형성하는 희박연소영역, 및
상기 희박연소영역의 내측에 공급되는 제2액상 연료로 제2핫가스 흐름을 형성하는 농후연소영역
을 포함하는 촉매 재생기. - 유입구를 통하여 재생공간으로 들어오는 코킹 촉매를 재생 및 가열한 후 재생 촉매를 유출구로 내보내는 반응 챔버;
상기 반응 챔버에 연결되어 액상 연료의 부분산화로 수소, 일산화탄소 및 고상의 카본을 포함하는 개질가스를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 액상 연료 개질부; 및
상기 재생공간에 설치되어 상기 개질가스를 연소시켜 코킹 촉매를 재생 및 가열하도록 연소 공기를 공급하는 공기 공급부
를 포함하며,
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. - 제2항에 있어서,
상기 하우징은,
상기 농후연소영역에서 내부에 스페이서를 개재하여 설치되는 내부관
을 더 포함하는 촉매 재생기. - 제3항에 있어서,
상기 내부관의 외면과 상기 하우징의 내면은 서로의 사이에 제1핫가스 흐름 통로를 설정하여 제1핫가스를 흐르게 하고,
상기 내부관의 내면은 제2핫가스 흐름 통로를 설정하여 제2핫가스를 흐르게 하는 촉매 재생기. - 제2항에 있어서,
상기 농후연소영역은
상기 희박연소영역에서보다 높은 당량비로 연소되는 촉매 재생기. - 제2항에 있어서,
상기 하우징은
상기 농후연소영역의 외부에 설치되는 외부관
을 더 포함하는 촉매 재생기. - 제6항에 있어서,
상기 하우징의 외면과 상기 외부관의 내면은
서로의 사이에 제2공기 흐름 통로를 설정하여 제2공기를 흐르게 하는 촉매 재생기. - 제2항에 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 더 포함하는 촉매 재생기. - 제2항에 있어서,
상기 하우징은
상기 농후연소영역에 설치되어 고온노출 시간을 증대시키는 고온노출 증대부재를 더 포함하는 촉매 재생기. - 제9항에 있어서,
상기 고온노출 증대부재는
메탈폼, 메탈메쉬 또는 세라믹 모노리스(monolith)를 더 포함하는 촉매 재생기. - 제2항에 있어서,
상기 하우징은
외면에 설치되어 내부 온도를 높이는 가열부재를 더 포함하는 촉매 재생기. - 제11항에 있어서,
상기 가열부재는 단열재, 전기히터 또는 열교환기를 포함하는 촉매 재생기. - 제2항에 있어서,
상기 액상 연료 개질부는
상기 반응 챔버의 하측에 복수로 배치되는 촉매 재생기.
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