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KR20200010949A - 모듈형 개질 반응 장치 - Google Patents

모듈형 개질 반응 장치 Download PDF

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KR20200010949A
KR20200010949A KR1020180085637A KR20180085637A KR20200010949A KR 20200010949 A KR20200010949 A KR 20200010949A KR 1020180085637 A KR1020180085637 A KR 1020180085637A KR 20180085637 A KR20180085637 A KR 20180085637A KR 20200010949 A KR20200010949 A KR 20200010949A
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reaction unit
catalyst
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강석환
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Abstract

모듈형 개질 반응 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 개질 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 반응물과 상기 개질 촉매의 화학 반응에 의해 합성가스를 생성하는 개질 반응부; 및 내부에 연소 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 연료와 상기 연소 촉매의 화학 반응에 의해 연소가스를 생성하며, 생성된 상기 연소가스의 열이 상기 개질 반응부에 전달되도록 상기 개질 반응부를 사이에 두고 그 양 측면에 면 접촉하도록 구성되는 연소 반응부를 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치가 제공될 수 있다.

Description

모듈형 개질 반응 장치{MODULE TYPE REFORMING REACTOR}
본 발명은 모듈형 개질 반응 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수소를 생산하기 위한 촉매 개질 반응의 경우, 강력한 흡열반응으로써 반응이 정반응으로 원활하게 진행되기 위해서는 외부 열원에서 계속 열을 공급해 주어야 한다.
따라서, 개질 반응기의 경우 shell & tube 방식의 다중관 반응기를 사용하여 뜨거운 연소 배가스를 shell 측에 공급하여 간접 가열을 통해 연소 배가스의 열을 개질 반응기내로 전달한다.
이러한 열전달은 촉매중 전체에 걸쳐 거의 균등하게 일어나는 반면, 개질 반응기 내의 촉매층은 반응물이 공급되는 상부의 온도 하강이 크게 나타나므로 실질적으로 온도 하강이 크게 일어나는 개질 촉매층 상부의 온도를 올리기 위해서 열을 공급하면 촉매층 하부는 과열되어 촉매의 변형 및 활성 저하를 야기하는 문제가 발생할 수 있다.
자열개질반응(Autothermal reforming)의 경우 촉매내에서 흡열 반응인 개질반응과 발열 반응인 부분 산화반응이 동시에 일어나므로 정상 상태에서 추가적인 외부의 열원 공급 없이 반응이 진행될 수 있다는 장점이 있으나, 자열개질반응 역시 약 700℃ 이상의 반응 온도까지 예열이 필수적이며, 반응온도 유지를 위하여 반응물의 steam/carbon 비율(s/c ratio)을 높게 유지할 수 없다.
또한, 자열개질반응은 낮은 s/c ratio 조건에서 반응물의 탄화수소가 증가할수록 탄소 침적의 위험성이 높아지므로 방향족 탄화수소 등의 개질 반응에 있어서 탄소 침적 조건을 회피하기 위하여 s/c ratio를 높이게 되고 추가적으로 외부 열원을 필요로 하는 구조적인 문제점을 가지고 있다.
한국공개특허 제10-2008-60871호 (2008. 07. 02. 공개)
본 발명의 일 실시예는 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연소 반응부의 열을 개질 반응부로 전도시켜 흡열 반응을 수행하는 개질 반응부에 열을 공급하고 개질 반응부의 국부 온도 저하를 예방하여 개질 반응부의 전체 온도를 균일하게 유지할 수 있는 모듈형 개질 반응기를 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 일 실시예는 연소가스의 폐열을 이용하여 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하고 이 기화 탄화수소를 개질 반응부 및 연소 반응부에 공급함으로써 촉매 반응 효율을 증대할 수 있는 모듈형 개질 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 개질 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 반응물과 상기 개질 촉매의 화학 반응에 의해 합성가스를 생성하는 개질 반응부; 및 내부에 연소 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 연료와 상기 연소 촉매의 화학 반응에 의해 연소가스를 생성하며, 생성된 상기 연소가스의 열이 상기 개질 반응부에 전달되도록 상기 개질 반응부와 면 접촉하도록 배치되는 연소 반응부를 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치가 제공될 수 있다.
여기서 상기 개질 반응부는, 내부에 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에 상기 개질 촉매가 장입되는 육면체 구조의 개질 본체; 상기 개질 본체의 길이 방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 개질 본체를 관통하여 배치되며, 상기 개질 본체의 길이 방향을 따라 간격을 두고 이격되며, 일단으로 연료를 공급하고 타단으로 공기를 공급하는 연료 공급관; 상기 연료 공급관에 길이 방향을 따라 이격 형성되어 상기 연료 및 공기가 상기 개질 본체의 내부로 공급되도록 하는 개구부; 상기 개질 본체의 일측면에 상기 개질 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 상기 연료 공급관에 대하여 교차하는 방향으로 배치되어 상기 개질 본체 내부에 스팀을 공급하는 스팀 공급관; 및 상기 개질 본체의 타측면에 상기 수용공간과 연통하도록 제공되며, 상기 개질 본체에서 생성된 합성가스를 배출하는 합성가스 배출관을 포함할 수 있다.
또한 상기 연소 반응부는, 내부에 수용공간이 형성되며, 그 수용공간에 상기 연소 촉매가 장입되는 육면체 구조로 이루어지며, 어느 하나의 면이 상기 개질 본체의 한 면과 면 접촉하는 연소 본체; 상기 연소 본체의 일측면에 상기 연소 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 연소에 필요한 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 상기 연소 본체의 내부에 공급하는 혼합기 공급관; 및 상기 연소 본체의 타측면에 상기 연소 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 상기 연소 본체 내부에서의 연소 반응에 의해 생성된 연소가스를 배출하는 연소가스 배출관을 포함할 수 있다.
또한 상기 개구부는 상기 연료 공급관의 하부가 일부 절개된 슬릿(slit) 구조로 이루어질 수 있다.
또한 상기 개질 본체와 상기 연소 본체 사이에는 격판이 제공될 수 있다.
또한 상기 연소 반응부에서 배출되는 연소가스를 제공받아 액상 탄화수소와 열교환하여 상기 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하여 상기 개질 반응부 및 상기 연소 반응부에 공급하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 개질 반응부에 제공되는 반응물은 스팀, 연료, 공기로 구성되고, 상기 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면, 연소 반응부의 열을 개질 반응부로 전도시켜 흡열 반응을 수행하는 개질 반응부에 열을 공급하고 개질 반응부의 국부 온도 저하를 예방하여 개질 반응부의 전체 온도를 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 연소가스의 폐열을 이용하여 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하고 이 기화 탄화수소를 개질 반응부 및 연소 반응부에 공급함으로써 촉매 반응 효율을 증대할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 개질 반응장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 개질 반응장치에서 개질 반응부 및 연료 공급관을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 개질 반응장치에서 열교환기에 의해 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하고 이를 개질 반응부 및 연소 반응부에 공급하는 것을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 개질 반응 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 개질 반응 장치(10)는 개질 반응부(100) 및 연소 반응부(200)를 포함할 수 있다.
개질 반응부(100)는 그 내부에 개질 촉매(미도시)가 장입되고, 외부로부터 반응물을 공급받아 상기 개질 촉매와의 화학 반응(개질 반응)에 의해 소정의 합성 가스를 생성할 수 있다.
즉, 개질 반응부(100)는 외부로부터 반응물을 제공받아서 내부에 장입된 개질 촉매와의 반응에 의해 고온(대략 800℃ 이상)의 합성 가스를 생성하게 된다.
또한, 연소 반응부(200)는 그 내부에 연소 촉매(미도시)가 장입되고, 외부로부터 연료(예컨대, 기화 탄화수소) 및 공기(산소)를 제공받아 상기 연소 촉매와 접촉시키면 연소 촉매와의 화학 반응(연소 반응)에 의해 반응열이 발생하면서 화학 반응의 생성물로 고온의 연소가스가 생성될 수 있다.
이렇게 생성된 연소가스의 열이 개질 반응부(100)에 전달되도록 연소 반응부(200)는 개질 반응부(100)를 사이에 두고 그 양 측면에 개질 반응부(100)와 면 접촉하도록 구성될 수 있다.
참고로, 수소를 생산하기 위한 촉매 개질 반응은 강력한 열을 흡수해야 하는 흡열 반응으로써 이러한 개질 반응이 원활하게 수행되기 위해서는 외부 열원에서 열을 계속적으로 공급받아야 하는바, 연소 반응부(200)에서 생성된 고온의 연소가스의 열이 전도를 통해 개질 반응부(100)에 전달됨으로써 개질 반응부(100)는 흡열 반응인 개질 반응을 원활하게 수행할 수 있게 된다.
이하, 도 2를 참조하여 개질 반응부(100) 및 연소 반응부(200)에 대해 좀 더 자세하게 설명한다.
구체적으로, 개질 반응부(100)는 개질 본체(110), 연료 공급관(120), 개구부(130), 스팀 공급관(140) 및 합성가스 배출관(150)을 포함하여 구성될 수 있다.
개질 본체(110)는 개질 반응부(100)의 전체적인 외관을 이루는 것으로서 내부에 개질 촉매가 장입되고 개질 반응이 일어날 수 있도록 소정의 수용공간이 형성될 수 있다.
개질 본체(110)는 대략 육면체로 이루어질 수 있으며, 이러한 육면체 구조에서 가장 넓은 면을 이루는 어느 일측 면이 개방되도록 구성될 수 있다. 이때 개방된 면과 마주보는 타측 면에는 격판(d)이 착탈 가능하게 설치되거나 개질 본체(110)와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 연료 공급관(120)은 개질 본체(110)의 길이 방향에 대하여 교차하는 방향(도면상 수평 방향)으로 길게 연장되도록 배치되는데, 이때 연료 공급관(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 개질 본체(110)를 관통하도록 설치될 수 있다.
또한, 연료 공급관(120)은 복수 개가 마련되어 개질 본체(110)의 길이 방향을 따라 간격을 두고 이격되게 배치될 수 있다. 이때 연료 공급관(120)은 개질 본체(110)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 이격 배치되면, 개질 촉매에 의한 흡열 반응이 개질 반응부(100) 전체에 걸쳐 균일하게 일어나기 때문에 개질 반응부(100)의 국부적인 온도 저하를 예방하여 개질 반응부(100)의 전체 온도를 균일하게 유지하는데 유리하다.
이렇게 개질 본체(110)에 배치된 연료 공급관(120)은 그 일단으로 연료(예컨대, 기화 탄화수소)가 공급되고 그 타단으로 공기(산소)가 공급될 수 있다.
또한 개구부(130)는 연료 공급관(120)으로 공급된 연료 및 공기가 연료 공급관(120)을 통해 개질 본체(110)의 내부로 배출될 수 있도록 연료 공급관(120)의 길이 방향을 따라 이격되게 복수 개로 형성될 수 있다.
여기서, 개구부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 연료 공급관(120)의 하부가 일정 부분 절개되어 연료 공급관(120)의 내외부가 서로 연통할 수 있는 슬릿(slit) 구조로 구성될 수 있다.
또한 스팀 공급관(140)은 개질 본체(110)의 일측면(도면상 상부면)에 개질 본체(110)의 내부와 연통하도록 제공되는 구성으로서, 개질 본체(110) 내부에 개질 반응에 필요한 스팀(H2O)를 공급할 수 있다.
이때 스팀 공급관(140)은 연료 공급관(120)에 대하여 교차하는 방향(도면상 수직 방향)으로 배치되어 개질 본체(110) 내부에 스팀을 공급하는바, 이에 따라 스팀 공급관(140)에서 공급되는 스팀은 연료 공급관(120)에서 공급되는 연료 및 공기와 용이하게 혼합되어 개질 반응 효율이 증대될 수 있다.
합성가스 배출관(150)은 개질 본체(110)의 타측면(도면상 하부면)에 개질 본체(110)의 내부와 연통하도록 제공되는 구성으로서, 개질 본체(110) 내부에서 개질 반응에 의해 생성된 합성가스는 합성가스 배출관(150)을 통해 개질 본체(110) 외부로 배출될 수 있다.
여기서, 외부로부터 개질 반응부(100)에 제공되는 반응물은 스팀(H2O),연료(예컨대, 기화 탄화수소) 및 공기(산소)가 될 수 있는바, 이에 따라 개질 반응부(100)에서 생성된 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 될 수 있다. 따라서, 이러한 개질 반응에 의해 수소를 생산할 수 있다.
한편, 연소 반응부(200)는 연소 본체(210), 혼합기 공급관(220) 및 연소가스 배출관(230)을 포함하여 구성될 수 있다.
연소 본체(210)는 연소 반응부(200)의 전체적인 외관을 이루는 것으로서, 내부에 소정의 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에는 연소 촉매가 장입될 수 있다.
연소 본체(210) 역시 대략 육면체 형상으로 이루어질 수 있으며, 이러한 육면체 구조에서 가장 넓은 면을 이루는 어느 일측 면이 개방되도록 구성될 수 있다. 이때 개방된 면과 마주보는 타측 면에는 격판(d)이 착탈 가능하게 설치되거나 연소 본체(210)와 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 격판(d)은 개질 본체(110)와 연소 본체(210) 사이에 배치될 수 있으며, 연소 본체(210)에서 연소 가스에 의한 고온의 열이 상기 격판(d)을 통해 개질 본체(110) 쪽으로 전도될 수 있는바, 개질 본체(110)는 격판(d)을 통해 연소 본체(210)의 열을 흡수할 수 있다.
이때, 제일 가장 자리에 배치되는 연소 본체(210)에는 개방된 어느 일측면을 폐쇄하기 위한 커버부(c)가 설치될 수 있으며, 이 커버부(c)는 격판(d)과 동일한 구조 및 구성으로 이루어질 수 있다.
한편, 혼합기 공급관(220)은 연소 본체(210)의 일측면(도면상 상부면)에 연소 본체(210)의 내부와 연통하도록 제공되는 것으로서, 연소 반응에 필요한 연료(예컨대, 기화 탄화수소)와 공기(산소)가 혼합된 혼합기를 연소 본체(210)의 내부에 공급할 수 있다.
또한, 연소가스 배출관(230)은 연소 본체(210)의 타측면(도면상 하부면)에 연소 본체(210)의 내부와 연통하도록 제공되는 것으로서, 연소 본체(210) 내부로 공급된 혼합기가 연소 본체(210)에 장입된 연소 촉매와의 연소 반응에 의해 생성된 연소가스를 연소 본체(210) 외부로 배출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 열교환부(300)를 더 포함할 수 있다.
열교환부(300)는 연소 반응부(200)에서 배출되는 고온의 연소가스를 제공받아 액상의 탄화수소와 열교환함으로써 액상의 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환할 수 있다. 이 기화 탄화수소는 개질 반응부(100) 및 연소 반응부(200)에 공급되어 화학 반응에 사용될 수 있다.
연소 반응부(200)에서 배출되는 연소가스는 일반적으로 폐기되지만, 본 발명의 일 실시예는 열교환부(300)를 통해 고온 상태에서 배출되는 연소가스의 폐열을 재활용하는 바, 이에 따라 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하여 이 기화 탄화수소를 개질 반응부(100) 및 연소 반응부(200)에 공급함으로써 연료로 공급되는 탄화수소의 혼합율을 높여 촉매에 의한 반응 효율을 증대시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변경이 가능한 바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
10 : 모듈형 개질 반응 장치
100 : 개질 반응부 110 : 개질 본체
120 : 연료 공급관 130 : 개구부
140 : 스팀 공급관 150 : 합성가스 배출관
200 : 연소 반응부 210 : 연소 본체
220 : 혼합기 공급관 230 : 연소가스 배출관
300 : 열교환부 c : 커버부
d : 격판

Claims (7)

  1. 내부에 개질 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 반응물과 상기 개질 촉매의 화학 반응에 의해 합성가스를 생성하는 개질 반응부; 및
    내부에 연소 촉매가 장입되고, 외부로부터 제공되는 연료와 상기 연소 촉매의 화학 반응에 의해 연소가스를 생성하며, 생성된 상기 연소가스의 열이 상기 개질 반응부에 전달되도록 상기 개질 반응부와 면 접촉하도록 배치되는 연소 반응부;
    를 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는,
    내부에 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에 상기 개질 촉매가 장입되는 육면체 구조의 개질 본체;
    상기 개질 본체의 길이 방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 개질 본체를 관통하여 배치되며, 상기 개질 본체의 길이 방향을 따라 간격을 두고 이격되며, 일단으로 연료를 공급하고 타단으로 공기를 공급하는 연료 공급관;
    상기 연료 공급관에 길이 방향을 따라 이격 형성되어 상기 연료 및 공기가 상기 개질 본체의 내부로 공급되도록 하는 개구부;
    상기 개질 본체의 일측면에 상기 개질 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 상기 연료 공급관에 대하여 교차하는 방향으로 배치되어 상기 개질 본체 내부에 스팀을 공급하는 스팀 공급관; 및
    상기 개질 본체의 타측면에 상기 수용공간과 연통하도록 제공되며, 상기 개질 본체에서 생성된 합성가스를 배출하는 합성가스 배출관;
    을 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연소 반응부는,
    내부에 수용공간이 형성되며, 그 수용공간에 상기 연소 촉매가 장입되는 육면체 구조로 이루어지며, 어느 하나의 면이 상기 개질 본체의 한 면과 면 접촉하는 연소 본체;
    상기 연소 본체의 일측면에 상기 연소 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 연소에 필요한 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 상기 연소 본체의 내부에 공급하는 혼합기 공급관; 및
    상기 연소 본체의 타측면에 상기 연소 본체의 내부와 연통하도록 제공되며, 상기 연소 본체 내부에서의 연소 반응에 의해 생성된 연소가스를 배출하는 연소가스 배출관;
    을 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 연료 공급관의 하부가 일부 절개된 슬릿(slit) 구조로 이루어진, 모듈형 개질 반응 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 개질 본체와 상기 연소 본체 사이에는 격판이 제공되는, 모듈형 개질 반응 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 연소 반응부에서 배출되는 연소가스를 제공받아 액상 탄화수소와 열교환하여 상기 액상 탄화수소를 기화 탄화수소로 전환하여 상기 개질 반응부 및 상기 연소 반응부에 공급하는 열교환부를 더 포함하는, 모듈형 개질 반응 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부에 제공되는 반응물은 스팀, 연료, 공기로 이루어지고,
    상기 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 이루어지는, 모듈형 개질 반응 장치.
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