KR20170001226A - A heat-exchange reactor producing hydrogen from carbon compound - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a reactor for producing a reformed gas including hydrogen from a raw material including carbon compounds and water. The reactor includes: a reforming unit for reforming a raw material to generate a reformed gas including hydrogen; a combustion unit for combusting the raw material to supply heat to the reforming unit; a heating material transfer pipe; and a reformed material phase transition pipe located inside the combustion unit for heating the raw material. A first housing, a second housing, and the heating material transfer pipe are sequentially located from the outside while being spaced apart from each other in a concentric structure, and the reforming unit and the combustion unit are independently formed by a space between the first housing and the second housing and a space between the second housing and the heating material transfer pipe.

Description

탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기{A heat-exchange reactor producing hydrogen from carbon compound}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a heat-exchange reactor for producing hydrogen from a carbon compound,

본 발명은 탄소화합물을 개질하여 수소를 포함하는 개질가스로 전환하여 연료전지에 공급하기 위한 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기에 관한 것으로, 탄소화합물과 물이 혼합된 액체 원료를 증발시키는 상전이부를 거쳐 기화된 원료가 촉매가 충진된 개질 반응부에서 수소를 포함하는 개질가스로 전환되고, 이 반응을 촉진하기 위해 개질 반응부와 분리된 인접유로에 연소 반응부를 설치하고 액체 원료 일부를 촉매상에서 연소반응을 유도함으로써 연소반응을 통해 발생한 열이 개질 반응부에 반응열을 공급하는 것을 특징으로 하는 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat exchange type reactor for producing hydrogen from a carbon compound for converting a carbon compound into a reformed gas containing hydrogen and supplying the reformed gas to a fuel cell, The vaporized raw material is converted to a reformed gas containing hydrogen in the reforming reaction part filled with the catalyst and the combustion reaction part is installed in the adjacent flow path separated from the reforming reaction part to promote the reaction, And a heat generated from the combustion reaction is supplied to the reforming reaction part. The present invention relates to a heat exchange type reactor for producing hydrogen from a carbon compound.

최근 환경문제에 대한 관심이 커져가면서 수소를 연료로 하는 청정연료에 대한 관심과 수요가 증가하고 있는 실정이다. 고분자 연료전지 시스템은 고효율의 발전 장치로서 작동 온도가 낮고, 빠른 시동이 가능하므로 적절한 수소공급 장치와 연계된다면 다양한 용도의 전력 공급 장치로서 활용 가능하다.Recently, attention to environmental problems has increased and interest in and demand for clean fuel using hydrogen as fuel has been increasing. The polymer fuel cell system is a high-efficiency power generation system that has low operating temperature and can start quickly. Therefore, it can be used as a power supply device for various purposes if it is connected with an appropriate hydrogen supply device.

메탄올을 포함하는 탄소화합물은 유황성분이 없고 높은 수소/탄소-비 특성의 분자구조를 지님과 동시에 물과 잘 섞이며 상온, 상압에서 액체 상태이므로 높은 에너지 밀도로 저장이 용이한 연료이다. 메탄올을 비롯한 탄소 화합물로부터 수소를 생산하는 방법의 하나로 수증기 개질법이 이미 개발되어 있으며, 널리 사용되어 왔다. Carbon compounds containing methanol have no sulfur content and have a high hydrogen / carbon - specific molecular structure, and are well mixed with water. They are easy to store at high energy density because they are liquid at room temperature and at normal pressure. Steam reforming has been developed and widely used as a method of producing hydrogen from carbon compounds including methanol.

탄소화합물로부터 수증기 개질반응이 진행되기 위해서는 먼저 액체 상태인 탄소화합물과 물의 혼합물을 기화시키기 위한 기화기, 개질반응기에 열을 공급하기 위한 연소기, 연소용 액체연료를 기화시키기 위한 기화기가 요구되며, 고분자 연료전지와 같이 일산화탄소에 취약한 고분자 연료전지에 공급할 경우에는 일산화탄소 제거를 위해 정제기가 별도로 요구된다.In order for the steam reforming reaction to proceed from the carbon compound, a vaporizer for vaporizing a mixture of a carbon compound and water in a liquid state, a combustor for supplying heat to the reforming reactor, and a vaporizer for vaporizing the combustion liquid fuel are required. When supplying to a polymer fuel cell that is vulnerable to carbon monoxide, such as a battery, a purifier is separately required to remove carbon monoxide.

메탄올에서 수소를 생산하는 반응은 하기 반응식 1과 같이 진행된다.The reaction for producing hydrogen in methanol proceeds as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CH3OH + H2O = CO2 + 3H2 ΔH = 49.4kJ/mol (1)CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3H 2 ? H = 49.4 kJ / mol (1)

CH3OH = CO + 2H2 ΔH = 90.5kJ/mol (2)CH 3 OH = CO + 2H 2 ? H = 90.5 kJ / mol (2)

CO + H2O = CO2 + H2 ΔH = -41.1kJ/mol (3)CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ? H = -41.1 kJ / mol (3)

상기와 같이 메탄올을 사용한 개질반응은 상기 반응식 1의 (1)과 같이 진행되면서 동시에 (2)의 반응도 고온에서 부분적으로 발생한다. 다만 (1) 및 (2) 반응은 흡열반응으로써 이들 반응들이 진행되기 위해서는 지속적으로 열이 공급되어야 하며, 반응속도 조절을 위해 개질반응이 일어나는 촉매의 온도 조절이 필수적으로 동반되어야 한다.As described above, the reforming reaction using methanol proceeds in the same manner as in (1) of the reaction scheme 1 and at the same time, the reaction of (2) partially occurs at a high temperature. However, the reactions (1) and (2) are endothermic reactions. In order to proceed these reactions, it is necessary to continuously supply heat. In order to control the reaction rate, temperature control of the catalyst in which the reforming reaction takes place must be accompanied.

또한 상기 (2) 반응에서 반응기의 온도가 너무 높을 경우, 메탄올 직접 분해 반응과 위의 (3) 반응의 역반응이 진행되어 생성물 중의 일산화탄소 농도가 높아지게 되며, 온도가 너무 낮을 경우에는 수증기의 응축이 발생하면서 촉매층의 반응속도가 저하되어 메탄올 연료의 전환 용량이 감소하므로 개질부의 온도를 정확하게 유지하여야 한다.When the temperature of the reactor is too high in the above reaction (2), the direct methanol decomposition reaction and the reverse reaction of the above reaction (3) proceed to increase the concentration of carbon monoxide in the product. When the temperature is too low, The reaction rate of the catalyst layer is lowered and the conversion capacity of the methanol fuel is decreased, so that the temperature of the reforming unit must be maintained accurately.

이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허 10-0314829에는 개질기의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 이중의 튜브를 구비하는 메탄올 개질장치가 기술되어 있다. 그러나 반응기의 크기가 전체적으로 대형이며, 연소촉매가 개질촉매의 옆면을 전체적으로 접촉하고 있는 것이 아니며, 연소촉매가 하나의 관에 충진된 것이 아닌 여러 곳에 분산되어 충진하고 있어 개질부에 효과적으로 열을 공급하기 어려운 단점이 있다. To solve these problems, Korean Patent No. 10-0314829 discloses a methanol reforming apparatus having a double tube for keeping the temperature of the reformer constant. However, since the size of the reactor is large as a whole, the combustion catalyst does not contact the side surface of the reforming catalyst as a whole, and the combustion catalyst is dispersed in various places rather than being filled in one tube, There are difficult disadvantages.

또한 퍼시픽 노드 내셔널 라보레토리(Pacific North National Laboratory)의 논문 J. of Power source, 108 (2002) 21-27에는 메탄올을 연소연료와 개질원료로 동시에 사용하는 소형 메탄올 수증기 개질장치가 기술되어 있다. 그러나 이는 200㎽ 정도의 낮은 출력을 가지고 있고, 반응온도를 유지하기 위해 연소기에 들어가는 연료로서의 메탄올 양이 많아 전체 열효율이 5 내지 10%로 매우 낮다는 단점이 있다.In addition, a paper of the Pacific North National Laboratory, J. of Power source, 108 (2002) 21-27, describes a small methanol steam reforming apparatus using methanol simultaneously as a combustion fuel and as a reforming feedstock. However, this has a low power of about 200mW, and the amount of methanol as a fuel to be injected into the combustor is large in order to maintain the reaction temperature, so that the total thermal efficiency is as low as 5 to 10%.

따라서 반응기의 크기를 소형으로 유지하면서도 열효율 및 수소 전환율이 높은 반응기의 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a continuing need to develop a reactor having a high thermal efficiency and high hydrogen conversion while keeping the size of the reactor small.

대한민국 등록특허 10-0314829 (2001년 11월 02일)Korean Patent Registration No. 10-0314829 (November 02, 2001)

Pacific North National Laboratory, J. of Power source, 108 (2002) 21-27Pacific North National Laboratory, J. of Power source, 108 (2002) 21-27

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상전이에 필요한 에너지 소모를 최소화할 수 있으며, 동시에 제 2 하우징을 중심으로 개질촉매와 연소촉매를 최소한의 거리로 인접되게 충진하여 열전달 거리를 최소화하여 간단한 구성으로도 소형으로 제작 가능한 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기의 제공을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel reforming apparatus capable of minimizing energy consumption required for phase transition and simultaneously filling a reforming catalyst and a combustion catalyst adjacent to each other with a minimum distance, And to provide a heat exchange type reactor for producing hydrogen from a carbon compound that can be manufactured in a small size even with a simple structure.

본 발명의 다른 목적은 액체 연료 증발부를 반응기 내부에 배치하여 빠르게 반응기가 기동되어 비상 전력 공급용 연료전지에 빠르고 안정적으로 수소 공급이 가능한 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a heat exchange type reactor in which a liquid fuel evaporator is disposed inside a reactor to rapidly start a reactor to produce hydrogen from a carbon compound capable of supplying hydrogen quickly and stably to a fuel cell for emergency power supply.

본 발명은 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchange type reactor for producing hydrogen from a carbon compound.

본 발명의 일 양태는 탄소화합물과 물을 포함하는 원료로부터 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 반응기로서, 상기 반응기는,One aspect of the present invention is a reactor for producing a reformed gas containing hydrogen from a raw material containing a carbon compound and water,

상기 원료를 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질부;A reformer for reforming the raw material to generate a reformed gas containing hydrogen;

상기 원료를 연소하여 상기 개질부에 열을 공급하는 연소부; A burner for burning the raw material to supply heat to the reformer;

가열 원료 이송관; 및Heating material transfer pipe; And

연소부 내에 위치하여 원료를 가열하는 개질 원료 상전이관;A reforming material phase transition pipe located in the combustion section to heat the raw material;

을 포함하며, 외측에서 순차적으로 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 가열 원료 이송관이 동심 구조로 이격하여 위치하며, 상기 개질부 및 연소부는 각각 독립적으로 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징의 이격 공간 및 상기 제 2 하우징 및 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 의해 형성되는 것인 반응기에 관한 것이다.Wherein the first housing, the second housing, and the heating material transfer pipe are spaced apart from each other in a concentric structure, and the reforming unit and the combustion unit are independently positioned in the spacing space of the first housing and the second housing, And a spacing space between the second housing and the heating material transfer tube.

더욱 상세하게 상기 반응기는 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징의 이격 공간에 개질촉매가 충진된 개질부; 및 상기 제 2 하우징 및 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 연소촉매가 충진된 연소부;를 구비할 수 있다.In more detail, the reactor includes a reforming part filled with a reforming catalyst in a space between the first housing and the second housing; And a combustion unit filled with a combustion catalyst in a space separated from the second housing and the heating material transfer pipe.

본 발명에서 상기 가열 원료 이송관은 내부에 히터 또는 연소촉매를 더 구비할 수 있으며, 상기 가열 원료 이송관의 하단과 상기 제 2 하우징의 하단은 이격하여 제 1 격실을 형성하며, 상기 제 2 하우징의 하단은 상기 제 1 하우징의 하단과 이격하여 제 2 격실을 형성할 수 있다.In the present invention, the heating material conveyance pipe may further include a heater or a combustion catalyst. The lower end of the heating material conveyance pipe and the lower end of the second housing are spaced apart from each other to form a first compartment, May be spaced apart from the lower end of the first housing to form a second compartment.

본 발명에서 상기 연소 촉매는 상기 연소부의 하단부터 충진되되, 상기 연소부의 상단 및 상기 원료 상전이관의 내측 하단과 상기 히터의 내측 하단과 이격하여 충진되며, 상기 개질촉매는 상기 개질부의 하단부터 충진되되 상기 개질부의 상단과 이격하여 충진될 수 있다.In the present invention, the combustion catalyst is filled from the lower end of the combustion unit, the upper end of the combustion unit, the lower inner end of the raw material phase change pipe and the lower inner end of the heater, and the reforming catalyst is filled from the lower end of the reforming unit And may be filled with the upper part of the reforming part.

본 발명에서 상기 반응기는 상기 가열 원료 이송관의 상단에 상기 가열 원료 이송관, 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징과 외부를 격리하는 수평 격리판이 더 구비될 수 있으며, 상기 수평 격리판은 가열 원료 이송관, 연소 생성물 배출관, 개질 원료 공급관 및 개질 원료 배출관이 관통되어 구비된 것일 수 있다.In the present invention, the reactor may further include a horizontal separator for isolating the heating material transfer pipe, the first housing, and the second housing from the upper portion of the heating material transfer pipe, A feed pipe, a combustion product discharge pipe, a reformate feed pipe, and a reformate feed pipe may be provided.

본 발명에서 상기 가열 원료 공급관은 상기 가열 원료 이송관과 연결되며, 상기 연소 생성물 배출관은 상기 연소부와 연결되며, 상기 개질 원료 공급관 및 개질 원료 배출관은 상기 원료 상전이관의 일단과 각각 연결될 수 있으며, 상기 개질 원료 배출관은 상기 제 2 격실과 예열 배관으로 연결될 수 있다.In the present invention, the heating material supply pipe is connected to the heating material transfer pipe, the combustion product discharge pipe is connected to the combustion unit, the reforming material supply pipe and the reforming material discharge pipe may be respectively connected to one end of the raw material phase change pipe, The reforming material discharge pipe may be connected to the second compartment by a preheating pipe.

또한 상기 개질 원료 배출관과 연결된 예열 배관은 상기 제 1 하우징의 옆면을 코일 형태로 감쌀 수 있다.Also, the preheating pipe connected to the reforming material discharge pipe may surround the side surface of the first housing in the form of a coil.

또한 상기 연소부 중 연소 촉매가 충진되지 않은 공간에 열전도 메쉬를, 상기 개질부에 하나 이상의 전열핀을 더 구비할 수 있다.In addition, the combustion unit may further include a heat conductive mesh in a space in which the combustion catalyst is not filled, and at least one heat transfer fin in the reforming unit.

본 발명에서 연소촉매 또는 개질촉매는 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있으며, 상세하게는 상기 연소촉매는 백금, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 금, 은 및 구리에서 선택되는 하나 이상의 금속 및 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있으며, 상기 개질촉매는 구리/산화세륨/산화지르코늄 복합체, 구리/산화아연/산화알루미늄 복합체, 구리/산화세륨/산화알루미늄 복합체 및 구리/산화지르코늄/산화알루미늄 복합체에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In the present invention, the combustion catalyst or the reforming catalyst may be one selected from the group consisting of gold, silver, iron, cobalt, nickel, copper, manganese, aluminum, zinc, titanium, hafnium, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, zirconium, And more particularly the combustion catalyst includes at least one metal selected from platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, gold, silver and copper and / or oxides thereof And the reforming catalyst includes at least one selected from a copper / cerium oxide / zirconium complex, a copper / zinc oxide / aluminum oxide complex, a copper / cerium oxide / aluminum oxide complex, and a copper / zirconium oxide / aluminum oxide complex can do.

본 발명에서 원료는 원료탱크에 저장되며, 상기 원료는 상기 원료탱크에서 상기 가열 원료 공급관으로 공급되는 가열 원료 및 상기 원료탱크에서 상기 개질 원료 공급관으로 공급되는 개질 원료를 포함할 수 있다.In the present invention, the raw material is stored in a raw material tank, and the raw material may include a heating raw material supplied from the raw material tank to the heating raw material supply pipe and a raw material to be supplied to the reforming raw material supply pipe from the raw material tank.

본 발명의 다른 양태는 상기 수소 생성용 반응기를 이용한 원료 개질 방법으로, 상기 가열 원료는,According to another aspect of the present invention, there is provided a raw material reforming method using the reactor for producing hydrogen,

a) 상기 가열 원료 공급관을 통해 상기 가열 원료 이송관으로 이송하는 단계;a) transferring the raw material through the heating material feed pipe to the heating raw material feed pipe;

b) 상기 제 1 격실을 통해 상기 가열 원료 이송관에서 상기 연소부로 이송하며, 상기 연소부에 충진된 상기 연소 촉매와 반응하여 촉매 연소를 진행하는 단계; 및b) transferring from the heating material transfer tube to the combustion unit through the first compartment, reacting with the combustion catalyst charged in the combustion unit to progress the catalytic combustion; And

c) 촉매 연소 후 상기 연소 생성물 배출관을 통해 연소 생성물을 반응기 외부로 배출하는 단계;c) discharging the combustion products through the combustion product discharge pipe to the outside of the reactor after catalytic combustion;

를 포함하여 유동하며, 상기 개질 원료는,And the reforming raw material is flowable,

1) 상기 개질 원료 공급관을 통해 상기 개질 원료 상전이관으로 이송하는 단계;1) transferring the reformate through a raw material feed pipe to the reforming raw material phase change pipe;

2) 상기 개질 원료를 기체상으로 상전이하는 단계;2) phase-transducing the reforming raw material into a gaseous phase;

3) 상기 개질 원료 배출관 및 상기 예열 배관을 통해 상전이된 개질 원료를 상기 제 2 격실로 이송하는 단계;3) transferring the reforming material phase-changed through the reforming material discharge pipe and the preheating pipe to the second compartment;

4) 상기 제 2 격실에 공급된 개질 원료를 상기 개질부를 통과시켜 개질부에 충진된 개질 촉매와 반응을 진행하는 단계; 및4) passing the reforming material supplied to the second compartment through the reforming unit to react with the reforming catalyst packed in the reforming unit; And

5) 반응이 끝난 생성물을 반응기 외부로 배출하는 단계;5) discharging the reacted product to the outside of the reactor;

를 포함하여 유동할 수 있다.As shown in FIG.

본 발명에서 상기 가열용 원료 또는 개질 원료는 물 30 내지 50 중량% 및 탄소 화합물 50 내지 70 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 4) 단계에서 개질촉매층의 온도는 100℃ 내지 300 ℃를 유지할 수 있다. 이를 위해 예열 배관을 제 1 하우징 외곽에 접촉하여 감아 내려가도록 구성할 수 있다.In the present invention, the heating raw material or the reforming raw material may contain 30 to 50% by weight of water and 50 to 70% by weight of carbon compounds. In the step 4), the temperature of the reforming catalyst layer may be maintained at 100 to 300 ° C . To this end, the preheating pipe may be configured to be wound around the outer periphery of the first housing.

이상에 기재한 양태는 기재된 내용에 국한되는 것이 아니며, 동 분야에 종사하는 업자라면 쉽게 바꿀 수 있는 모든 사항을 포함한다. 일 예로 동일한 기술을 실시할 목적으로 다른 형태의 장치를 사용하는 경우가 있을 수 있다.The embodiment described above is not limited to the contents described above, and includes all matters that can be easily changed by a person engaged in the field. As an example, there may be cases where other types of devices are used for the purpose of implementing the same technique.

본 발명에 따른 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기는 외측에서 순차적으로 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 가열 원료 이송관이 동심 구조로 이격하여 위치하며, 각각의 하우징 및 원료 이송관의 이격에 따른 공간에 연소촉매 또는 개질촉매를 각각 충진함으로써, 촉매연소로 발생되는 열을 개질촉매로 쉽게 전달할 수 있으며, 촉매의 충진 정도에 따라 열구배를 자유롭게 조절할 수 있다. In the heat exchange type reactor for producing hydrogen from the carbon compound according to the present invention, the first housing, the second housing, and the heating material feed pipe are sequentially spaced apart from each other in a concentric structure, and the distance between the respective housings and the feed pipe The heat generated by the catalytic combustion can be easily transferred to the reforming catalyst and the thermal gradient can be freely controlled according to the degree of filling of the catalyst.

또한 내부에 원료 상전이부를 두고, 촉매연소로 발생되는 열을 공급함에 따라 상전이에 필요한 에너지 소모를 최소화할 수 있고, 냉각 상태에서 빠르게 반응기를 시동할 수 있어 경제적이고, 반응기의 크기를 컴팩트하게 줄일 수 있는 장점이 있다. In addition, since the raw material phase transition portion is provided inside, and the heat generated by the catalytic combustion is supplied, the energy consumption required for the phase transition can be minimized, the reactor can be started quickly in the cooling state, and the size of the reactor can be compactly reduced There is an advantage.

또한 초기 가동 시에 가열 원료 이송관 내부에 설치한 히터로 가열 연료를 기화하고 공기와 같이 연소촉매에 공급하면 연소촉매에 액상의 원료를 접촉하지 않고도 안정적으로 연소반응을 개시할 수 있으며, 일단 연소반응기 개시되면 연소 생성물이 가열 원료 이송관 상단에 설치된 개질 원료 상전이관을 가열하여 개질 촉매에 공급되는 액체 개질 원료를 기화하게 된다. 따라서 간단한 구성으로도 가열용 원료와 개질 원료를 차례대로 빠르게 기화하여 각각의 촉매층에 공급 할 수 있는 장점이 있다.When the heating fuel is vaporized by a heater provided inside the heating material transfer pipe at the time of initial operation and supplied to the combustion catalyst like air, the combustion reaction can be started stably without contacting the liquid raw material to the combustion catalyst. When the reactor is started, the reformed raw material phase change pipe provided at the upper end of the raw material feed pipe is heated to vaporize the liquid reforming raw material supplied to the reforming catalyst. Therefore, even with a simple structure, the heating raw material and the reforming raw material can be rapidly vaporized and supplied to the respective catalyst layers in turn.

본 발명에 따른 열교환형 반응기는 연료전지와 연계하면 상기와 같은 장점을 통해 수소를 연료로 하는 일반 에너지 시스템뿐만 아니라, 전력을 공급하기 어려운 벽지(僻地)에 위치하는 단말기 중계기 등에 백업 전원용 또는 납축전지 대체용으로 폭넓게 사용할 수 있다.The heat exchange type reactor according to the present invention can be used not only in a general energy system using hydrogen as a fuel but also in a terminal repeater located in a remote place where power supply is difficult, It can be widely used as an alternative.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 단면을 도시한 것이다.
도 4는 내부에 가열 원료 이송관을 제거한 반응기의 단면을 도시한 것이다
도 5는 가열 원료 이송관 및 개질원료 상전이관이 구비된 수평 격리판의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 가열 원료 이송관 및 개질원료 상전이관의 단면을 도시한 것이다.
도 7은 수평 격리판의 평면도를 도시한 것이다.1 to 3 show cross sections of a reactor according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a reactor in which a heating material transfer tube is removed
5 is a cross-sectional view of a horizontal separator provided with a heating material transfer pipe and a reforming material phase transfer pipe.
6 is a cross-sectional view of the raw material feed pipe and the raw material feed pipe.
7 shows a plan view of the horizontal separator.

이하 도면 및 구체예를 들어 본 발명에 따른 탄소화합물로부터 수소를 생산하기 위한 열교환형 반응기를 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the heat exchange type reactor for producing hydrogen from the carbon compound according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and specific examples. It should be understood, however, that the invention is not limited thereto and that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In addition, the following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms as used in the specification and the appended claims are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명에서 반응기는 도 1에서 반응기의 일단 중 개질용 원료 공급관이 위치하는 일단을 '상단'으로 하고, 상단과 대향하는 타단을 '하단'으로 한다. 이는 반응기뿐만 아니라 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 원료 이송관도 동일한 상단 및 하단으로 정의할 수 있다.In the present invention, one end of the reformer feed pipe in one end of the reactor is referred to as 'upper end' and the other end opposite to the upper end thereof is referred to as 'lower end' in FIG. The first housing, the second housing, and the raw material transfer pipe as well as the reactor can be defined as the same upper and lower ends.

본 발명에서 사용되는 용어 '동심축'이란 상기 반응기로 원료가 유입되는 방향으로 반응기를 바라보았을 때 상기 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 원료 이송관이 형성하는 도형의 중심을 연결한 축을 의미한다. 이때 상기 도형의 중심은 무게중심을 의미하며, 상기 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 원료 이송관은 동일 또는 상이한 형상이어도 무방하다. 또한 상기 동심축에 수직한 방향을 기준으로 상기 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 원료 이송관에서 동심축과 대향하는 방향이 내부, 반대 방향이 외부를 뜻한다.As used herein, the term "concentric axis" refers to the axis connecting the centers of the shapes formed by the first housing, the second housing, and the material transfer tube when the reactor is viewed in the direction in which the material flows into the reactor. At this time, the center of the figure means the center of gravity, and the first housing, the second housing, and the raw material conveying pipe may have the same or different shapes. In addition, the direction opposite to the concentric axis in the first housing, the second housing, and the raw material conveying pipe refers to the inside and the opposite direction refers to the outside with respect to the direction perpendicular to the concentric axis.

본 발명에서 사용되는 용어 '원료'는 탄소화합물 및 물을 포함하는 액체상 또는 기체상 물질을 총칭하는 것으로, 원료탱크에 저장되며, 상기 원료는 상기 원료탱크에서 상기 가열 원료 공급관으로 공급되는 ‘가열 원료’ 및 상기 원료탱크에서 상기 개질 원료 공급관으로 공급되는 ‘개질 원료’를 포함할 수 있다. 또한 상기 가열 원료 및 개질원료는 서로 동일 또는 상이한 조성비를 가져도 상관없으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The term " raw material " used in the present invention collectively refers to a liquid or gaseous material containing a carbon compound and water, and is stored in a raw material tank. The raw material is supplied to the heating material supply pipe from the raw material tank, And a 'reforming raw material' supplied from the raw material tank to the reforming raw material supply pipe. The heating raw material and the raw material for reforming may have the same or different composition ratios, but the present invention is not limited thereto.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일예에 따른 수소 생성용 반응기의 단면도이다. 도 1 내지 도 3에 개시된 바와 같이 본 발명에 따른 반응기는 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 가열 원료 이송관이 동심 구조를 가지며, 서로 이격되어 구비되어 있다. 또한 내부에 개질 원료 상전이관을 더 구비하여 단일 반응기 내에서 원료의 이송, 상전이, 연소 및 개질반응이 동시에 수행되는 특징이 있다.1 to 3 are sectional views of a reactor for hydrogen generation according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 to 3, the reactor according to the present invention has a concentric structure of the first housing, the second housing, and the heating material transfer pipe, and is provided apart from each other. In addition, the reforming material further includes a reforming material phase transition tube, and the feed, phase transition, combustion, and reforming reaction are performed simultaneously in a single reactor.

이를 더욱 상세히 설명하면, 상기 반응기(1)는 제 1 하우징(2) 및 수평 격리판(4)으로 밀폐되며 내부에는 제 2 하우징(3), 가열 원료 이송관(10) 및 개질 원료 상전이관(11)이 구비되어 있다. 또한 수평 격리판에는 가열 원료 공급관(12), 연소 생성물 배출관(13), 개질 원료 공급관(14) 및 개질 원료 배출관(15)이 각각 수평 격리판(4)을 관통하여 반응기 외부에서 내부로 개질원료 또는 가열원료를 공급하거나, 반응 후 생성물을 반응기 내부에서 외부로 배출할 수 있다. More specifically, the reactor 1 is enclosed by a first housing 2 and a horizontal separator 4, and a second housing 3, a heated raw material transfer pipe 10, and a modified raw material phase change pipe 11 are provided. In addition, a heating raw material supply pipe 12, a combustion product discharge pipe 13, a reformate raw material supply pipe 14 and a reformate raw material discharge pipe 15 penetrate the horizontal separator 4 through the horizontal separator, Or the heating raw material may be supplied, or the product may be discharged from the inside of the reactor to the outside after the reaction.

상기 가열 원료 공급관(12)은 가열 원료를 가열 원료 이송관(10)으로 보내기 위한 것으로 상기 가열 원료는 상기 연소부 내에 적층된 연소촉매(8)를 통과하여 촉매 연소가 진행될 수 있으며, 촉매 연소 후 생성물은 연소 생성물 배출관(13)을 통해 반응기 외부로 배출될 수 있다.The heating material feed pipe 12 is for feeding the heating material to the heating material feed pipe 10, and the heating material may pass through the combustion catalyst 8 stacked in the combustion unit, and the combustion of the catalyst may proceed, The product can be discharged to the outside of the reactor through the combustion product discharge pipe (13).

또한 상기 가열 원료 이송관(10)으로 공급되는 가열원료와는 별도로 개질 원료 공급관(14)을 통해 개질원료를 개질 원료 상전이관(11)으로 공급할 수 있으며, 코일 형태의 개질 원료 상전이관을 통과한 개질원료는 개질 원료 배출관(15)을 통해 일단 반응기 외부로 빠져나와 예열 배관(16)과 연결되어 하단의 제 2 격실(18)로 이송될 수 있다. 이송된 개질원료는 제 2 격실(18)로 공급되어 개질부 내부에 적층된 개질촉매(6)를 통과하면서 수소가 풍부(rich)한 개질가스로 전환되어 반응기 외부로 배출될 수 있다.In addition to the heating raw material supplied to the heating raw material feed pipe 10, the raw material for reform can be supplied to the reformed raw material phase change pipe 11 through the raw material feed pipe 14, The reforming raw material may be once out of the reactor through the reforming material discharge pipe 15 and connected to the preheating pipe 16 and transferred to the second compartment 18 at the lower end. The transferred reforming raw material may be supplied to the second compartment 18 and may be converted to a rich gas rich in hydrogen while passing through the reforming catalyst 6 stacked in the reforming unit and discharged to the outside of the reactor.

본 발명에서 제 1 하우징(2) 및 제 2 하우징(3)은 메탈 재질로 동심축을 가지며, 서로 이격되어 개질부(5)를 형성할 수 있다. 또한 개질부에는 개질촉매(6)가 충진될 수 있다. 즉 도 2와 같이 상기 제 1 하우징(2)은 제 2 하우징(3)보다 직경이 크며, 상기 제 2 하우징의 옆면을 완전히 외부와 차단되도록 둘러싼 형태를 가질 수 있다. 또한 제 2 하우징의 옆면 중 일부분을 개질촉매(6)가 감싸는 형태로 구비될 수 있다.In the present invention, the first housing 2 and the second housing 3 are made of metal and have a concentric axis and are spaced apart from each other to form the reforming portion 5. The reforming unit 6 may be filled with the reforming catalyst 6. That is, as shown in FIG. 2, the first housing 2 may have a larger diameter than the second housing 3 and may surround the side surface of the second housing so as to be completely blocked from the outside. In addition, a part of the side surface of the second housing may be provided so as to surround the reforming catalyst 6.

상기 개질부(5)는 개질반응에 의해 개질원료가 수소를 포함하는 개질가스로 전환되는 곳으로, 상기 개질부 중 일부가 개질촉매(6)로 충진될 수 있으며, 상단에는 개질된 원료가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.The reforming part 5 is a part where the reforming material is converted to a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction. Part of the reforming part can be filled with the reforming catalyst 6, May be formed.

또한 본 발명의 반응기(1)는 제 1 하우징의 하단과 상기 제 2 하우징의 하단이 이격하여 제 2 격실(18)을 형성할 수 있다. 상기 제 2 격실은 기체상의 개질연료를 받아 상기 개질부로 이송하는 유로 역할을 수행할 수 있다.Also, the reactor 1 of the present invention may form the second compartment 18 by separating the lower end of the first housing and the lower end of the second housing. The second compartment may serve as a flow path for receiving the reformed fuel on the gas phase and transferring the reformed fuel to the reformer.

상기 개질부(5)는 개질촉매(6)를 용이하게 충진하기 위해 하단에 가이드 타공판(23)을 구비할 수 있다. 상기 가이드 타공판(23)은 상기 개질촉매(6)가 상기 제 2 격실(18)로 떨어지거나 흩어지는 것을 방지하는 기능 이외에 상기 개질부와 상기 제 2 격실(18)과의 간극을 두는 기능도 있다. 또한 상기 개질원료가 용이하게 개질부로 유입되도록 메쉬 형태나 중공 형태를 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The reforming unit 5 may be provided with a guide perforated plate 23 at the lower end to easily fill the reforming catalyst 6. The guide perforated plate 23 has a function of preventing the reforming catalyst 6 from falling off or scattering into the second compartment 18 and also providing a gap between the reforming unit 18 and the second compartment 18 . Further, the reforming raw material may have a mesh shape or a hollow shape so that the reforming raw material easily flows into the reforming portion, but the present invention is not limited thereto.

상기 개질촉매(6)는 개질부의 하단부터 충진되되, 상기 가이드 타공판(23)을 기점으로 상기 개질부의 상단과 이격하여 충진되는 것이 바람직하다. 개질촉매와 개질부의 이격 거리는 본 발명에서 한정하지 않으며, 바람직하게는 상기 개질부의 하단과 동일하게 가이드를 두어 상기 개질부와 이격 거리를 유지하되, 연소촉매(8)보다 충진 높이가 높은 것이 좋다. Preferably, the reforming catalyst 6 is filled from the lower end of the reforming part, and is spaced apart from the upper end of the reforming part starting from the guide perforated plate 23. The separation distance between the reforming catalyst and the reforming unit is not limited to the present invention. Preferably, a guide is provided in the same manner as the lower end of the reforming unit to maintain the separation distance from the reforming unit.

상기 개질촉매(5)는 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는 구리/산화세륨/산화지르코늄 복합체, 구리/산화아연/산화알루미늄 복합체, 구리/산화세륨/산화알루미늄 복합체 및 구리/산화지르코늄/산화알루미늄 복합체에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The reforming catalyst 5 may be one or more metals selected from gold, silver, iron, cobalt, nickel, copper, manganese, aluminum, zinc, titanium, hafnium, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, zirconium, Or oxides thereof. More specifically, it may include at least one selected from a copper / cerium oxide / zirconium oxide composite, a copper / zinc oxide / aluminum oxide composite, a copper / cerium oxide / aluminum oxide composite, and a copper / zirconium oxide / aluminum oxide composite .

상기 개질촉매(5)로 더욱 상세하게는 구리 : 아연 : 알루미늄 산화물을 3 내지 5 : 3 내지 5 : 1 내지 3의 중량비로 공침법으로 합성한 것을 사용하는 것이 좋다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 탄소화합물 등을 개질하여 수소를 생산하는 데 사용될 수 있는 것이라면 당연히 대체하여 사용할 수 있다.More specifically, it is preferable to use the reforming catalyst 5 prepared by coprecipitation with copper: zinc: aluminum oxide in a weight ratio of 3: 5: 3 to 5: 1 to 3. However, the present invention is not limited thereto, and it can be used as a substitute if it can be used for producing hydrogen by reforming a carbon compound or the like.

본 발명에서 상기 가열 원료 이송관(10)은 상기 제 2 하우징(3)에 안쪽에 위치하며 제 1 하우징(2) 및 제 2 하우징(3)과 동일한 동심축을 가질 수 있다. 또한 제 2 하우징과 가열 원료 이송관(10)은 서로 이격되어 연소부(7)를 형성할 수 있으며, 상기 연소부에는 연소촉매(8)가 충진될 수 있다.In the present invention, the heating material transfer pipe 10 may be located on the inner side of the second housing 3 and may have the same concentric axis as the first and second housings 2 and 3. Also, the second housing and the heating material transfer pipe 10 may be spaced apart from each other to form the combustion unit 7, and the combustion unit 8 may be filled with the combustion unit.

상기 연소부(7)는 촉매연소반응에 의해 가열원료를 연소시켜 열에너지 및 연소생성물로 전환되는 곳으로, 상기 연소부 중 일부가 연소촉매로 충진될 수 있으며, 하단의 제 1 격실(17)을 통해 가열 원료 이송관(10)과 연결되어 가열 원료를 공급받을 수 있다. 또한 수평 격리판(4)과 맞닿는 상단에는 상기 수평 격리판에 관통하여 구비되는 연소 생성물 배출관(13)과 연결될 수 있다.The combustion unit 7 is a place where the heating material is converted into thermal energy and combustion products by the catalytic combustion reaction. Part of the combustion units can be filled with the combustion catalyst, and the first compartment 17 So that the heating material can be supplied to the heating material conveying pipe 10 through the heating material conveying pipe 10. Further, the upper end contacting with the horizontal separator 4 may be connected to the combustion product discharge pipe 13 provided through the horizontal separator.

상기 연소촉매(8)는 도 1 내지 3과 같이 개질부의 온도 범위 및 온도 구배에 따라 충진 위치 및 충진량을 달리할 수 있다. 일예로 도 2와 같이 가열 원료 이송관(10)의 하단 직경을 줄여 연소부 하단에 충진 되는 연소촉매의 충진량을 점차 높이거나, 도 3과 같이 가열 원료 이송관의 하단에 연소촉매를 더 충진할 수 있다. 이는 개질부의 하단의 온도가 원하는 온도까지 상승되지 않아 개질반응이 더디게 진행하는 것을 보완하기 위한 것으로, 충진 위치 및 충진 높이는 개질부의 온도에 따라 자유롭게 조절할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.As shown in FIGS. 1 to 3, the combustion catalyst 8 may have a different filling position and filling amount depending on the temperature range and the temperature gradient of the reforming unit. For example, as shown in FIG. 2, the diameter of the lower end of the raw material feed pipe 10 is reduced to gradually increase the amount of the combustion catalyst to be filled in the lower end of the combustion part, or to further fill the combustion catalyst at the lower end of the raw material feed pipe . This is to compensate for the slow progress of the reforming reaction because the temperature of the lower part of the reforming part does not rise to the desired temperature. The filling position and the filling height can be freely adjusted according to the temperature of the reforming part, and the present invention is not limited thereto.

상기 연소촉매(8)는 상기 개질촉매와 마찬가지로 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 백금(platinum), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium) 등과 같은 백금족 원소, 금, 은, 동 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 될 수 있다.The combustion catalyst 8 may be made of a metal such as gold, silver, iron, cobalt, nickel, copper, manganese, aluminum, zinc, titanium, hafnium, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, zirconium, And may include one or more selected metals or oxides thereof, and preferably includes platinum such as platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, Element, gold, silver, copper, or a mixture of two or more thereof.

또한 상기 연소촉매(8)는 지지체에 담지되어 사용될 수 있으며, 상기 지지체로는 산화알루미늄, α-산화알루미늄, 산화지르코늄(ZrO2), 실리카(silica ; SiO2) 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한 지지체의 입자 형태, 크기 등 물리적인 성질을 한정하지 않으며, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 자유롭게 조절하여 사용할 수 있다.Also, the combustion catalyst 8 may be supported on a support, and the support may be made of aluminum oxide, -aluminum oxide, zirconium oxide (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ) May be one or more selected from the group. In addition, the physical properties such as particle shape, size and the like of the support are not limited, and they can be freely adjusted within a range that does not impair the object of the present invention.

또한 상기 연소촉매(8)는 개질부의 온도구배에 따라 금속 또는 금속산화물의 담지량을 조절할 수 있다. 즉, 촉매 연소 반응 후 개질부의 온도를 측정하여 반응에 필요한 온도가 확보되지 않는 경우 상기 연소촉매의 금속 또는 금속산화물의 담지량을 높일 수 있으며, 개질부의 온도가 낮은 부분에 담지량이 많은 연소촉매를 집중적으로 충진하여 개질반응에 필요한 온도를 맞출 수 있다.The combustion catalyst 8 can control the amount of metal or metal oxide to be supported according to the temperature gradient of the reforming unit. That is, when the temperature required for the reaction is not secured by measuring the temperature of the reforming unit after the catalytic combustion reaction, the amount of the metal or metal oxide supported on the combustion catalyst can be increased and the combustion catalyst having a large amount of loading can be concentrated To adjust the temperature required for the reforming reaction.

또한 상기 연소부(7)는 상기 연소촉매 이외에 촉매연소 반응에 의해 생성된 열을 보다 효율적으로 전달하기 위해 열전도 메쉬(19)를 더 도입할 수 있다. 상기 열전도 메쉬는 열전도율이 높은 금속, 예를 들어 금, 은, 구리, 알루미늄을 섬유 형태로 뽑아 직조하여 형성할 수 있다. 이는 촉매연소 반응 후 생성된 반응 생성물을 반응기 외부로 신속히 배출하면서도 미처 전달되지 못한 열을 개질부로 전달하여 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, the combustion unit 7 may further introduce a heat conduction mesh 19 in order to more efficiently transfer the heat generated by the catalytic combustion reaction, in addition to the combustion catalyst. The heat conductive mesh may be formed by weaving a metal having a high thermal conductivity, for example, gold, silver, copper, or aluminum, into a fiber form and weaving. This is advantageous in that the reaction product generated after the catalytic combustion reaction is quickly discharged to the outside of the reactor, but the heat that has not yet been transferred is transferred to the reformer to increase the energy efficiency.

상기 열전도 메쉬(19)는 상기 연소부에서 연소촉매가 충진되지 않는 부분에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 상기 연소부 중 원료 상전이관이 위치한 부분에 원료 상전이관을 감싸면서 위치할 수 있다.The heat conductive mesh 19 may be located in a portion of the combustion unit not filled with the combustion catalyst, and may be positioned while surrounding the raw material phase transition pipe in a portion of the combustion unit where the raw material phase transition pipe is located.

상기 가열 원료 이송관(10)은 외부로부터 들어온 가열연료를 연소부로 이송하는 역할을 수행하는 것으로, 상기 제 1 하우징(2) 또는 제 2 하우징(3)과 동일 또는 상이한 재질로 이루어질 수 있다. 또한 가열 원료 이송관의 하단 및 상기 연소부의 하단과 상기 제 2 하우징의 하단이 이격되어 제 1 격실(17)을 형성할 수 있다.The heating material transfer pipe 10 transfers the heated fuel introduced from the outside to the combustion unit and may be made of the same material as or different from that of the first housing 2 or the second housing 3. [ In addition, the lower end of the heating material transfer pipe and the lower end of the combustion unit may be spaced apart from the lower end of the second housing to form the first compartment 17.

본 발명에서 상기 개질 원료 상전이관(11)은 상기 개질 원료를 기체상에서 액체상으로 상전이하기 위해 도입된 것으로, 도 1 내지 3 및 도 6과 같이 상기 가열 원료 이송관(10)의 외측면을 코일 형태로 감싸여 구비될 수 있다.In the present invention, the reforming material phase change pipe (11) is introduced for phase transformation of the reforming raw material from a gas phase to a liquid phase. As shown in FIGS. 1 to 3 and 6, As shown in FIG.

본 발명은 상기 개질 원료 상전이관(11)에 공급되는 액체상의 개질원료를 기체상으로 상전이하기 위해 히터(9)를 더 도입할 수 있다. 상기 히터(9)의 위치는 상기 가열 원료 이송관(10)의 상단, 즉 상기 가열 원료 이송관(10) 내에서 상기 가열 원료 이송관(10)과 상기 가열 원료 공급관(12)이 접하는 지점에 구비될 수 있다. The present invention can further introduce a heater 9 to phase-shift the liquid raw material supplied to the reforming material phase change pipe 11 into the gas phase. The position of the heater 9 is set at a position where the heating material feed pipe 10 and the heating material feed pipe 12 are in contact with each other at the upper end of the heating material feed pipe 10, .

상기 히터(9)는 상기 개질 원료 상전이관(11)이 상기 가열 원료 이송관(10)에 코일 형태로 감긴 면에 대향하여 위치함으로써, 상기 개질 원료 상전이관(11)으로 효과적으로 열을 공급할 수 있다.The heater 9 can efficiently supply heat to the reforming material phase change pipe 11 by locating the reforming material phase change pipe 11 on the heating material transfer pipe 10 in a coil form .

본 발명에서 상기 수평 격리판(4)은 도 1 내지 3 및 도 7과 같이 상기 제 1 하우징(2), 제 2 하우징(3) 및 가열 원료 이송관(10)을 외부와 차단시키기 위한 것으로, 상기 동심축과 평행한 방향으로 가열 원료 공급관(12), 연소 생성물 배출관(13), 개질 원료 공급관(14) 및 개질 원료 배출관(15)이 상기 수평 격리판을 관통하여 형성하고 있다.In the present invention, the horizontal separator 4 is for blocking the first housing 2, the second housing 3, and the heat transfer pipe 10 from the outside as shown in FIGS. 1 to 3 and 7, A heating material supply pipe 12, a combustion product discharge pipe 13, a reforming material supply pipe 14 and a reforming material discharge pipe 15 are formed through the horizontal separator in a direction parallel to the concentric shaft.

본 발명에서 상기 수평 격리판(4)은 상기 제 1 하우징(2)과 프렌지(21)를 통해 결착할 수 있다. 이를 통해 제 2 하우징(3) 또는 가열 원료 이송관(10)과 따로 결착할 필요가 없어 조립시간을 단축할 수 있다.In the present invention, the horizontal separator 4 may be connected to the first housing 2 through the flange 21. It is not necessary to separately bond the second housing 3 or the heated raw material conveyance pipe 10, and the assembly time can be shortened.

본 발명에서 상기 가열 원료 공급관(12)은 상기 가열 원료 이송관(10)과 연결되며, 상기 연소 생성물 배출관(13)은 상기 연소부(7)와 연결되며, 상기 개질 원료 공급관(14) 및 개질 원료 배출관(15)은 상기 개질 원료 상전이관(11)의 일단 및 타단과 각각 연결될 수 있다. 각각의 관들은 반응기 내부와 연결되어 가열원료, 개질원료 및 반응 후 생성물을 효과적으로 공급 및 배출할 수 있도록 유도한다.In the present invention, the heating material feed pipe 12 is connected to the heating material feed pipe 10, the combustion product discharge pipe 13 is connected to the combustion unit 7, and the reforming material feed pipe 14, The raw material discharge pipe 15 may be connected to one end and the other end of the reforming raw material phase change pipe 11, respectively. Each of the tubes is connected to the inside of the reactor to induce efficient supply and discharge of the heating raw material, reforming raw material and reaction product.

또한 본 발명은 개질원료에 따라 상기 개질부의 온도 구배를 더욱 효율적으로 조절하기 위해 개질 원료 배출관(15)을 예열 배관(16)과 연결하고 상기 예열 배관(16)은 개질부(5)의 옆면(외벽)을 코일 형태로 감쌀 수 있다. 이는 개질부에서 과열될 가능성이 있는 위치의 외벽에 예열 배관(16)을 감싸서 열교환을 유도하고 이를 통해 개질부의 온도 구배를 조절할 수 있다.The reforming material discharge pipe 15 is connected to the preheating pipe 16 in order to more efficiently control the temperature gradient of the reforming unit according to the reforming raw material and the preheating pipe 16 is connected to the side surface of the reforming unit 5 Outer wall) in the form of a coil. This is because the preheating pipe 16 is wrapped around the outer wall of the portion where the superheating is likely to occur in the reforming portion to induce the heat exchange and thereby control the temperature gradient of the reforming portion.

본 발명에서 상기 예열 배관(16)은 상기 개질부(5)의 옆면을 감싸 열을 전도하는 목적을 달성할 수 있다면 감는 위치, 횟수 등에 제한하지 않으며, 또한 상기 개질부(5)를 직접 맞닿아 감거나 이격을 두어도 상관없다.In the present invention, the preheating pipe 16 is not limited to the winding position, the number of times, and the like, provided that the purpose of conducting the heat by wrapping the side surface of the reforming unit 5 is achieved. It may be wound or spaced.

또한 본 발명에 따른 반응기(1)는 개질부 내의 열을 전체적으로 고르게 전달하여 열효율을 더욱 높이기 위해 도 5와 같이 개질부 내에 전열(傳熱)핀(20)을 더 구비할 수 있다. 본 발명에서는 상기 전열핀의 위치, 형태, 크기, 재질 등을 한정하지 않으나 바람직하게는 개질원료의 흐름이 방해되지 않도록 상기 제 1 하우징과 제 2 하우징을 전열핀이 연결하도록 구비하는 것이 좋으며, 재질은 제1 하우징, 제 2 하우징과 동일한 것을 사용하는 것이 좋다.In addition, the reactor 1 according to the present invention may further include a heat transfer fin 20 in the reforming section as shown in FIG. 5 in order to uniformly transfer the heat evenly throughout the reformer to further increase thermal efficiency. In the present invention, the position, shape, size, material and the like of the heat conductive fins are not limited, but preferably the heat conductive fins are connected to the first housing and the second housing so that the flow of the modifying raw material is not interrupted. It is preferable to use the same one as the first housing and the second housing.

다만 상기 도면의 설명에서 개질부(5)는 제 1 하우징과 제 2 하우징의 이격공간에 의해 형성되어 내부에 개질촉매(6)를 충진하며, 연소부(7)는 제 2 하우징과 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 의해 형성되어 내부에 연소촉매(8)를 충진한다 기술하고 있으나, 상기 개질부 및 연소부는 서로 위치를 바꾸어 구비되어도 무방하다. 즉, 상기 개질부가 제 2 하우징과 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 의해 형성되어 반응기 내부에 위치될 수 있으며, 상기 연소부가 제 1 하우징과 제 2 하우징의 이격공간에 의해 형성되어 제 1 하우징을 경계로 반응기 외부와 맞닿을 수 있다. 이는 원료에 포함되는 탄소화합물의 종류, 개질 또는 연소촉매의 종류 및 담지금속, 연소 시 발생하는 발열량 등에 따라 조절 가능하며, 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다.However, in the above description, the reforming section 5 is formed by the spacing space between the first housing and the second housing and fills the reforming catalyst 6 therein, and the combustion section 7 is formed by the second housing, And the combustion catalyst 8 is filled in the space formed in the transfer tube. However, the reforming unit and the combustion unit may be provided with different positions. That is, the reforming unit may be formed by the space between the second housing and the transfer pipe for transferring the heated raw material, and may be located inside the reactor, and the combustion unit is formed by the spacing space between the first housing and the second housing, The boundary can come into contact with the outside of the reactor. This can be controlled depending on the kind of the carbon compound contained in the raw material, the kind of the reforming catalyst, the type of the combustion catalyst, the amount of the supported metal, the amount of heat generated upon combustion, and the like.

이하 유체 이동 경로를 기반으로 본 발명을 더욱 상세히 설명하면, 상기 가열 원료는,Hereinafter, the present invention will be described in more detail on the basis of a fluid movement path.

a) 상기 가열 원료 공급관(12)을 통해 상기 가열 원료 이송관(10)으로 이송하는 단계;a) transferring the raw material to the heating material transfer pipe (10) through the heating material supply pipe (12);

b) 상기 제 1 격실(16)을 통해 상기 가열 원료 이송관(10)에서 상기 연소부(7)로 이송하며, 상기 연소부에 충진된 상기 연소 촉매(8)와 반응하여 촉매 연소를 진행하는 단계; 및b) transferring the heated raw material feed pipe (10) to the combustion unit (7) through the first compartment (16) and reacting with the combustion catalyst (8) step; And

c) 촉매 연소 후 상기 연소 생성물 배출관(13)을 통해 연소 생성물을 반응기(1) 외부로 배출하는 단계;c) discharging the combustion products out of the reactor 1 through the combustion product discharge pipe 13 after catalytic combustion;

를 포함하여 유동하며, 상기 개질 원료는,And the reforming raw material is flowable,

1) 상기 개질 원료 공급관(14)을 통해 상기 원료 상전이관(11)으로 이송하는 단계;1) transferring the raw material to the raw material phase change pipe (11) through the raw material feed pipe (14);

2) 상기 개질 원료를 기체상으로 상전이하는 단계;2) phase-transducing the reforming raw material into a gaseous phase;

3) 상기 개질 원료 배출관 및 상기 예열 배관을 통해 상전이된 개질 원료를 상기 제 2 격실로 이송하는 단계;3) transferring the reforming material phase-changed through the reforming material discharge pipe and the preheating pipe to the second compartment;

4) 상기 제 2 격실(18)에 공급된 개질 원료를 상기 개질부(5)를 통과시켜 개질부에 충진된 개질 촉매(6)와 반응을 진행하는 단계; 및4) passing the reforming material supplied to the second compartment 18 through the reforming unit 5 to react with the reforming catalyst 6 filled in the reforming unit; And

5) 반응이 끝난 생성물을 반응기(1) 외부로 배출하는 단계;5) discharging the reacted product out of the reactor (1);

를 포함하여 유동할 수 있다.As shown in FIG.

먼저 상기 개질원료 및 상기 가열원료는 원료탱크(미도시) 내에 저장되며, 각각의 원료는 서로 동일 또는 상이한 조성을 가져도 무방하다. 상기 원료는 물 30 내지 50 중량% 및 탄소화합물 50 내지 70 중량%를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 탄소화합물의 함량은 촉매의 조성, 개질부의 온도 구배 조절 조건 등에 따라 조성비를 자유롭게 변경할 수 있다. First, the modifying raw material and the heating raw material are stored in a raw material tank (not shown), and each raw material may have the same or different composition. The raw material may include 30 to 50% by weight of water and 50 to 70% by weight of carbon compounds. The content of the carbon compound may be freely varied depending on the composition of the catalyst, the temperature gradient of the reforming unit, and the like.

본 발명에서 상기 탄소화합물은 당업계에서 유기합성재료, 용제, 세척제 등의 용도로 사용되는 알코올, 알데하이드, 케톤, 에스테르 등을 포함하는 것으로, 상기 알코올은 메탄올 이외에 에탄올, 부탄올 등 저가 알코올을 예로 들 수 있으며, 이외에도 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 부티랄데하이드 등의 알데하이드, 프로판온, 부탄온, 펜탄온 등의 케톤을 사용하여도 무방하다. 다만 상기 탄소화합물의 탄소수가 늘어날수록 개질에 따른 탄소 침적 등의 불순물이 증가하므로 운전 온도를 정밀하게 조절하여야 하므로, 바람직하게는 메탄올을 사용하는 것이 좋다.In the present invention, the carbon compound includes alcohols, aldehydes, ketones, esters, and the like, which are used in organic synthetic materials, solvents, and cleaning agents in the art. The alcohols include, in addition to methanol, lower alcohol such as ethanol and butanol Aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, and butyraldehyde, and ketones such as propanone, butanone, and pentanone may be used. However, as the number of carbon atoms of the carbon compound increases, impurities such as carbon deposition due to the modification increase, so that the operating temperature needs to be precisely controlled. Therefore, methanol is preferably used.

상기 물은 통상적으로 용매로 사용하는 것으로, 정제수를 사용하는 것이 좋으며, 에너지 절약 및 반응의 진행속도를 높이기 위해 예열과정을 거치는 것이 좋다.The water is usually used as a solvent, and it is preferable to use purified water. It is preferable to carry out a preheating process in order to save energy and increase the rate of progress of the reaction.

본 발명에서 상기 가열 연료는 a) 및 b) 단계와 같이 먼저 상기 가열 원료 공급관(12)을 통해 상기 가열 원료 이송관(10)으로 이송하여 반응기(1) 내부로 주입되며, 주입된 가열 원료는 가열 원료 이송관(10), 제 1 격실(17)을 거쳐 상기 연소부(7)로 이송될 수 있다. 즉, 상기 가열 원료가 가열 원료 이송관(10)을 지날 때엔 상단에서 하단으로 진입하며, 제 1 격실(16)을 거쳐 상기 연소부(7)를 통과할 때는 연소부 하단에서 상단으로 진행할 수 있다.In the present invention, the heating fuel is first transferred to the heating material feed pipe (10) through the heating material feed pipe (12) and injected into the reactor (1) as in steps a) and b) The raw material feed pipe 10, and the first compartment 17 to the combustion unit 7. That is, when the heating raw material passes through the heating material transfer pipe 10, it enters from the upper end to the lower end. When the heating raw material passes through the combustion chamber 7 through the first compartment 16, have.

상기 촉매 연소는 가열 연료가 촉매 표면층에 흡착, 이동, 반응이 복합적으로 진행됨에 따라 일어나는 산화반응이며, 낮은 활성화 에너지로 인해 낮은 온도에서도 안정적으로 연소반응이 진행될 수 있다는 장점이 있다. 또한 연소효율이 높고, 반응 후 생성물이 무해, 무취한 이산화탄소 및 산소로 분해되므로 폐수처리 등의 2차 처리가 불필요하고, 연소촉매의 열화속도 증가를 억제 할 수 있다.The catalytic combustion is an oxidation reaction that occurs as the heating fuel progresses complexly with adsorption, movement, and reaction on the catalyst surface layer, and the combustion reaction can be stably performed at a low temperature due to low activation energy. Further, since the combustion efficiency is high and the product after the reaction is decomposed into harmless and odorless carbon dioxide and oxygen, secondary treatment such as wastewater treatment is unnecessary, and an increase in the deterioration rate of the combustion catalyst can be suppressed.

반응이 끝난 가열 연료는 이산화탄소와 물로 전환되며, 상기 c) 단계와 같이 연소 생성물 배출관(14)을 통해 반응기 외부로 배출될 수 있다.The heated fuel after the reaction is converted into carbon dioxide and water, and may be discharged to the outside of the reactor through the combustion product discharge pipe 14 as in the step c).

본 발명에서 상기 개질원료는 먼저 1) 상기 개질 원료 공급관(14)을 통해 상기 원료 상전이관(11)으로 이송한 후, 2) 상기 개질 원료를 기체상으로 상전이하는 단계를 거칠 수 있다.In the present invention, the reforming material may be 1) transferred to the raw material phase transition pipe 11 through the reforming material feed pipe 14, and 2) phase-transformed into the gas phase.

본 발명에서 상기 개질원료는 액상으로 공급될 수도 있으나, 공정 및 반응기의 구조에 따라 기상으로도 공급될 수도 있다. 더 상세하게는 ① 액상으로 공급한 후 히터(9)로 가열하여 반응기 내부에서 상전이를 진행하거나, ② 반응기(1)에 주입하기 전 미리 상전이를 진행한 후 반응기로 공급할 수도 있다. 또는 반응기(1)에 액상으로 공급하나 ③ 가열 원료를 먼저 반응기에 공급하여 촉매연소에 의해 열을 공급받아 반응기 내부에서 상전이를 진행할 수도 있다. In the present invention, the reforming raw material may be supplied in a liquid phase, but may also be supplied in a gaseous phase depending on the process and the structure of the reactor. More specifically, it is possible to (1) supply the liquid phase and heat it with the heater 9 so as to cause the phase transition inside the reactor, (2) advance the phase transition before injecting into the reactor 1, and then supply it to the reactor. Or in a liquid state to the reactor (1). (3) The heat source may be first fed to the reactor, and heat may be supplied by the catalytic combustion to progress the phase transition inside the reactor.

반응기 내부에 히터(9)를 구비하는 경우, 히터는 최초 촉매 연소 반응이 진행되면 정지시켜 에너지를 절약하는 것이 바람직하다. 이는 상기와 같이 상기 촉매 연소 반응에 의해 반응기 내부에 지속적으로 열이 공급되므로, 상기 액상의 개질촉매가 원료 상전이관(11)을 거치면서 자연스럽게 기화되기 때문이다.When the heater 9 is provided inside the reactor, it is preferable that the heater is stopped when the initial catalytic combustion reaction proceeds to conserve energy. This is because heat is continuously supplied to the inside of the reactor by the catalytic combustion reaction as described above, so that the liquid reforming catalyst naturally vaporizes through the raw material phase transition pipe 11.

상전이가 진행된 개질원료는 상기 개질 원료 배출관(15)을 통해 일단 반응기 외부로 나온 후, 예열 배관(16)을 거쳐 제 2 격실(18)로 이동한다. 이때 상기예열 배관(16)은 상기와 같이 개질부(5) 외부를 코일 형태로 감아 개질부의 온도 구배를 조절하도록 할 수 있다.The reformed raw material having undergone the phase transition is once outside the reactor through the reforming material discharge pipe 15 and then moved to the second compartment 18 through the preheating pipe 16. At this time, the preheating pipe 16 may be wound in the form of a coil outside the reforming unit 5 to control the temperature gradient of the reforming unit.

제 2 격실로 이동한 개질원료는 가이드 타공판(23)을 거쳐 개질부(5)로 유입되어 상기 4) 단계를 진행할 수 있다. 상기 개질부에서는 개질촉매(6)에 의해 개질원료를 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄 등으로 전환할 수 있다.The reforming raw material moved to the second compartment may flow into the reforming unit 5 through the guide perforated plate 23 and proceed to step 4). In the reforming section, the reforming raw material can be converted into hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and methane by the reforming catalyst (6).

개질원료와 개질촉매(6)의 반응은 하기 반응식 1과 같이 진행되며, 반응식 1의 (2)는 메탄올의 직접 분해반응으로 고온에서 부분적으로 발생할 수 있다.The reaction between the reforming raw material and the reforming catalyst (6) proceeds as shown in Reaction Scheme 1 below. Reaction Equation (2) can be partially generated at a high temperature by the direct decomposition reaction of methanol.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CH3OH + H2O = CO2 + 3H2 ΔH = 49.4kJ/mol (1)CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3H 2 ? H = 49.4 kJ / mol (1)

CH3OH = CO + 2H2 ΔH = 90.5kJ/mol (2)CH 3 OH = CO + 2H 2 ? H = 90.5 kJ / mol (2)

CO + H2O = CO2 + H2 ΔH = -41.1kJ/mol (3)CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ? H = -41.1 kJ / mol (3)

상기 4) 단계에서 개질부(5)에 적층된 개질촉매의 온도는 100℃ 내지 300 ℃인 것이 좋다. 온도가 100℃ 미만인 경우 개질반응에 필요한 에너지를 충분히 공급받지 못해 수소로의 전환율이 크게 떨어질 수 있으며, 300℃ 초과인 경우 생성물 중 일산화탄소의 함량이 증가하여 일산화탄소의 제거가 어려울 수 있으며 또한 개질 촉매의 열 변성이 급격히 일어날 수 있다.The temperature of the reforming catalyst stacked on the reforming unit 5 in the step 4) may be 100 ° C to 300 ° C. If the temperature is lower than 100 ° C, the energy required for the reforming reaction is not sufficiently supplied, and the conversion to hydrogen may be significantly lowered. If the temperature is higher than 300 ° C, the content of carbon monoxide in the product may increase to make it difficult to remove carbon monoxide. Thermal denaturation may occur rapidly.

개질반응이 진행된 생성물은 우선 개질 생성가스 배출관(24)을 통해 반응기 외부로 배출한 후, 생성물 중 일산화탄소를 제거한 후 연료전지에 공급할 수 있다. 이때 일산화탄소 제거 후의 개질 생성가스 내 일산화탄소 농도는 10ppm 이하인 것이 바람직하다. The reformed product may be discharged to the outside of the reactor through the reformed gas discharge pipe 24, and then the carbon monoxide in the product may be removed and supplied to the fuel cell. At this time, the carbon monoxide concentration in the reformed gas after the carbon monoxide removal is preferably 10 ppm or less.

상기 생성물은 일산화탄소를 제거하기 위해 하기 반응식 3과 같이 반응을 진행할 수 있는 선택적 산화반응기를 통과시켜 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 방법이 많이 사용된다.In order to remove carbon monoxide, the product is passed through a selective oxidation reactor capable of performing a reaction as shown in the following reaction formula 3 to convert carbon monoxide to carbon dioxide.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

CO + 1/2O2 → CO2 CO + 1 / 2O 2 - > CO 2

상기 선택적 산화반응은 본 발명에서 한정하는 것은 아니나, 대한민국 등록특허 10-0761945의 방법을 사용하는 것이 바람직하다.The selective oxidation reaction is not limited to the present invention, but it is preferable to use the method of Korean Patent No. 10-0761945.

이하 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are only illustrative of the present invention in detail, but the present invention is not limited thereto.

(실시예) (Example)

개질부에 개질촉매로 평균 직경 1.5 ㎜의 팰릿 형태로 제조된 구리(Cu) 성분의 촉매를 충진하였고, 연소부에 세라믹 허니컴(honeycomb) 형태로 제조된 백금(Pt) 촉매를 충진하였다. 예열 배관은 1/8 인치 튜브를 사용하였고 개질부 외부를 높이에 따라 등간격으로 코일형으로 감아서 기화된 개질 원료가 외벽의 개질부에서 공급되는 열예 의해 추가 예열되게 하였다.The reforming part was filled with a copper (Cu) catalyst prepared in the form of a pallet having an average diameter of 1.5 mm as a reforming catalyst, and a platinum (Pt) catalyst prepared in the form of a ceramic honeycomb was filled in the combustion part. A 1/8 inch tube was used as the preheating tube, and the outer portion of the reforming portion was coiled at regular intervals according to the height so that the vaporized reforming material was further preheated by the heat supplied from the reforming portion of the outer wall.

원료로는 질량 기준으로 메탄올 60 중량%와 증류수 40 중량%를 혼합하여 액체 연료를 제조하여 사용하였다. 또한 가열용 원료와 개질용 원료는 동일한 액체 연료를 사용하였다. 개질 원료로 상기 액체 연료를 7.8 g/min로 공급하였다. 가열 원료는 2.9 g/min의 유량으로 공급하였고 연소를 위해 공기를 30 ℓ/min의 유속으로 함께 공급하여 개질부 촉매층의 최대 온도가 280℃ 이하를 유지하도록 조절하였다. 이때 개질된 생성물의 조성을 가스 크로마토그래프로 분석하여 표 1에 기재하였다. 괄호안의 조성은 반응온도 250℃에서의 평형 조성을 계산한 값이다. 탄소량 보전식으로 계산한 메탄올 전환율은 96%를 달성하였고 생산 수소량은 0.52 Nm3/h으로 계산되었다.As a raw material, a liquid fuel was prepared by mixing 60 wt% of methanol and 40 wt% of distilled water on a mass basis. The same liquid fuel was used for the heating raw material and the reforming raw material. The liquid fuel was supplied at 7.8 g / min as a reforming material. The heating material was supplied at a flow rate of 2.9 g / min and air was supplied at a flow rate of 30 l / min for combustion so that the maximum temperature of the reforming portion catalyst bed was maintained at 280 캜 or lower. The composition of the modified product was analyzed by gas chromatography and is shown in Table 1. The composition in parentheses is the calculated value of the equilibrium composition at the reaction temperature of 250 ° C. The methanol conversion calculated by the carbon conservation equation was 96% and the amount of produced hydrogen was calculated to be 0.52 Nm 3 / h.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limitations of the following claims.

1 : 반응기
2 : 제 1 하우징
3 : 제 2 하우징
4 : 수평 격리판
5 : 개질부
6 : 개질촉매
7 : 연소부
8 : 연소촉매
9 : 히터
10 : 가열 원료 이송관
11 : 개질 원료 상전이관
12 : 가열 원료 공급관
13 : 연소 생성물 배출관
14 : 개질 원료 공급관
15 : 개질 원료 배출관
16 : 예열 배관
17 : 제 1 격실
18 : 제 2 격실
19 : 열전도 메쉬
20 : 전열핀
21 : 프렌지
22 : 버퍼
23 : 가이드 타공판
24 : 개질 생성가스 배출관1: Reactor
2: first housing
3: second housing
4: Horizontal separator
5:
6: reforming catalyst
7:
8: Combustion catalyst
9: Heater
10: Heating material transfer pipe
11: Modified raw material phase transition tube
12: Heating material feed pipe
13: Combustion product discharge pipe
14: reforming feed pipe
15: reforming material discharge pipe
16: Preheating piping
17: First compartment
18: Second compartment
19: Heat conduction mesh
20:
21: Frenzy
22: buffer
23: Guide perforated plate
24: reformed generation gas discharge pipe

Claims (19)

탄소화합물과 물을 포함하는 원료로부터 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 반응기로서, 상기 반응기는,
상기 원료를 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질부;
상기 원료를 연소하여 상기 개질부에 열을 공급하는 연소부;
가열 원료 이송관; 및
연소부 내에 위치하여 원료를 가열하는 개질 원료 상전이관;
을 포함하며, 외측에서 순차적으로 제 1 하우징, 제 2 하우징 및 가열 원료 이송관이 동심 구조로 이격하여 위치하며, 상기 개질부 및 연소부는 각각 독립적으로 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징의 이격 공간 및 상기 제 2 하우징 및 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 의해 형성되는 것인 반응기.A reactor for producing a reformed gas containing hydrogen from a raw material containing a carbon compound and water,
A reformer for reforming the raw material to generate a reformed gas containing hydrogen;
A burner for burning the raw material to supply heat to the reformer;
Heating material transfer pipe; And
A reforming material phase transition pipe located in the combustion section to heat the raw material;
Wherein the first housing, the second housing, and the heating material transfer pipe are spaced apart from each other in a concentric structure, and the reforming unit and the combustion unit are independently positioned in the spacing space of the first housing and the second housing, And a spacing space between the second housing and the heating material transfer tube. 제 1항에 있어서,
상기 반응기는 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징의 이격 공간에 개질촉매가 충진된 개질부; 및 상기 제 2 하우징 및 상기 가열 원료 이송관의 이격 공간에 연소촉매가 충진된 연소부;를 포함하는 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the reformer has a reforming space filled with a reforming catalyst in a space between the first housing and the second housing; And a combustion portion filled with a combustion catalyst in a space separated from the second housing and the heating material transfer tube. 제 1항에 있어서,
상기 가열 원료 이송관은 내부에 히터 또는 연소 촉매를 더 구비하는 것인 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the heating material transfer tube further comprises a heater or a combustion catalyst therein. 제 1항에 있어서,
상기 가열 원료 이송관의 하단과 상기 제 2 하우징의 하단은 이격하여 제 1 격실을 형성하며, 상기 제 2 하우징의 하단은 상기 제 1 하우징의 하단과 이격하여 제 2 격실을 형성하는 것인 반응기.The method according to claim 1,
The lower end of the heating material transfer tube and the lower end of the second housing are spaced apart to form a first compartment and a lower end of the second housing is spaced apart from a lower end of the first housing to form a second compartment. 제 1항에 있어서,
상기 가열 원료 이송관의 상단에 상기 가열 원료 이송관, 상기 제 1 하우징 및 상기 제 2 하우징과 외부를 격리하는 수평 격리판이 더 구비되는 것인 반응기.The method according to claim 1,
And a horizontal separator for isolating the heating material transfer pipe, the first housing, and the second housing from the outside is further provided at an upper end of the heating material transfer pipe. 제 5항에 있어서,
상기 수평 격리판은 가열 원료 공급관, 연소 생성물 배출관, 개질 원료 공급관 및 개질 원료 배출관이 관통되어 구비된 것인 반응기.6. The method of claim 5,
Wherein the horizontal separator includes a heating material supply pipe, a combustion product discharge pipe, a reforming material supply pipe, and a reforming material discharge pipe. 제 6항에 있어서,
상기 가열 원료 공급관은 상기 원료 이송관과 연결되며, 상기 연소 생성물 배출관은 상기 연소부와 연결되며, 상기 개질 원료 공급관 및 개질 원료 배출관은 상기 개질 원료 상전이관의 일단 및 타단과 각각 연결된 것인 반응기.The method according to claim 6,
Wherein the reforming material feed pipe and the reforming material feed pipe are connected to one end and the other end of the reforming raw material phase transition pipe, respectively. The reactor according to claim 1, wherein the raw material feed pipe is connected to the raw material feed pipe. 제 7항에 있어서,
상기 개질 원료 배출관은 상기 제 2 격실과 연결된 것인 반응기. 8. The method of claim 7,
And the reforming material discharge pipe is connected to the second compartment. 제 6항에 있어서,
상기 개질 원료 배출관은 예열 배관과 연결되며, 상기 예열 배관은 상기 제 1 하우징의 옆면을 코일 형태로 감싸는 것인 반응기.The method according to claim 6,
Wherein the reforming material discharge pipe is connected to a preheating pipe, and the preheating pipe surrounds the side face of the first housing in the form of a coil. 제 1항에 있어서,
상기 제 1 하우징의 옆면 중 상기 개질촉매가 충진된 부분에 하나 이상의 온도 측정 센서를 더 구비한 것인 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the reforming catalyst further comprises at least one temperature measurement sensor at a portion of the side surface of the first housing that is filled with the reforming catalyst. 제 1항에 있어서,
상기 연소부 중 연소 촉매가 충진되지 않은 공간에 열전도 메쉬를 더 구비한 것인 반응기.The method according to claim 1,
And a thermal conductive mesh is further provided in a space of the combustion unit in which the combustion catalyst is not filled. 제 1항에 있어서,
상기 개질부에 하나 이상의 전열핀을 더 구비한 것인 반응기. The method according to claim 1,
Wherein the reforming portion further comprises at least one heat transfer fin. 제 1항에 있어서,
상기 연소촉매 또는 개질촉매는 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물을 포함하는 것인 반응기. The method according to claim 1,
The combustion catalyst or the reforming catalyst may be at least one metal selected from gold, silver, iron, cobalt, nickel, copper, manganese, aluminum, zinc, titanium, hafnium, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, zirconium, Or an oxide thereof. 제 13항에 있어서,
상기 연소촉매는 백금, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 금, 은 및 구리에서 선택되는 하나 이상의 금속 및 또는 이들의 산화물을 포함하는 것인 반응기.14. The method of claim 13,
Wherein the combustion catalyst comprises at least one metal selected from platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, palladium, gold, silver and copper and / or oxides thereof. 제 13항에 있어서,
상기 개질촉매는 구리/산화세륨/산화지르코늄 복합체, 구리/산화아연/산화알루미늄 복합체, 구리/산화세륨/산화알루미늄 복합체 및 구리/산화지르코늄/산화알루미늄 복합체에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것인 반응기.14. The method of claim 13,
Wherein the reforming catalyst comprises at least one selected from a copper / cerium oxide / zirconium complex, a copper / zinc oxide / aluminum oxide complex, a copper / cerium oxide / aluminum oxide complex, and a copper / zirconium oxide / Reactor. 제 1항 내지 제 15항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 원료는 원료탱크에 저장되며, 상기 원료는 상기 원료탱크에서 상기 가열 원료 공급관으로 공급되는 가열 원료 및 상기 원료탱크에서 상기 개질 원료 공급관으로 공급되는 개질 원료를 포함하는 것인 반응기.16. The compound according to any one of claims 1 to 15,
Wherein the raw material is stored in a raw material tank and the raw material includes a heating raw material supplied from the raw material tank to the heating raw material supply pipe and a raw material to be reformed supplied from the raw material tank to the reforming raw material supply pipe. 제 16항에 따른 반응기를 이용한 원료 개질 방법으로, 상기 가열 원료는,
a) 상기 가열 원료 공급관을 통해 상기 가열 원료 이송관으로 이송하는 단계;
b) 상기 제 1 격실을 통해 상기 가열 원료 이송관에서 상기 연소부로 이송하며, 상기 연소부에 충진된 상기 연소 촉매와 반응하여 촉매 연소를 진행하는 단계; 및
c) 촉매 연소 후 상기 연소 생성물 배출관을 통해 연소 생성물을 반응기 외부로 배출하는 단계;
를 포함하여 유동하며, 상기 개질 원료는,
1) 상기 개질 원료 공급관을 통해 상기 개질 원료 상전이관으로 이송하는 단계;
2) 상기 개질 원료를 기체상으로 상전이하는 단계;
3) 상기 개질 원료 배출관 및 상기 예열 배관을 통해 상전이된 개질 원료를 상기 제 2 격실로 이송하는 단계;
4) 상기 제 2 격실에 공급된 개질 원료를 상기 개질부를 통과시켜 개질부에 충진된 개질 촉매와 반응을 진행하는 단계; 및
5) 반응이 끝난 생성물을 반응기 외부로 배출하는 단계;
를 포함하여 유동하는 것인 수소 생성용 반응기를 이용한 원료 개질 방법.The raw material reforming method using the reactor according to claim 16,
a) transferring the raw material through the heating material feed pipe to the heating raw material feed pipe;
b) transferring from the heating material transfer tube to the combustion unit through the first compartment, reacting with the combustion catalyst charged in the combustion unit to progress the catalytic combustion; And
c) discharging the combustion products through the combustion product discharge pipe to the outside of the reactor after catalytic combustion;
And the reforming raw material is flowable,
1) transferring the reformate through a raw material feed pipe to the reforming raw material phase change pipe;
2) phase-transducing the reforming raw material into a gaseous phase;
3) transferring the reforming material phase-changed through the reforming material discharge pipe and the preheating pipe to the second compartment;
4) passing the reforming material supplied to the second compartment through the reforming unit to react with the reforming catalyst packed in the reforming unit; And
5) discharging the reacted product to the outside of the reactor;
Wherein the reforming reaction is carried out in a reactor containing hydrogen. 제 17항에 있어서,
상기 가열 연료 또는 개질 연료는 물 30 내지 50 중량% 및 탄소 화합물 50 내지 70 중량%를 포함하는 것인 수소 생성용 반응기를 이용한 원료 개질 방법.18. The method of claim 17,
Wherein the heating fuel or the reforming fuel comprises 30 to 50% by weight of water and 50 to 70% by weight of a carbon compound. 제 17항에 있어서,
상기 4) 단계에서 상기 개질촉매의 온도는 100 내지 300℃를 만족하는 것인 수소 생성용 반응기를 이용한 원료 개질 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the temperature of the reforming catalyst in the step 4) is in the range of 100 to 300 占 폚.
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