KR20240031004A - 복합 개질기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어지며, 복수의 촉매 튜브간, 그리고 각 촉매 튜브의 길이에 따른 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있는 복합 개질기를 제공한다.
Description
본 발명은 복합 개질기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어지며, 복수의 촉매 튜브간, 그리고 각 촉매 튜브의 길이에 따른 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있는 복합 개질기에 관한 것이다.
종래의 스팀메탄 개질기(SMR; Steam Methane Reforming)는 메탄(CH4)이 주성분이 되는 천연가스를 개질하는 설비로, 탄소수가 높은 탄화수소(CxHy)가 포함된 가스를 개질해야 하는 경우에는 예비 개질기라는 별도의 설비를 추가하여 메탄으로 전환 후 개질해야 하므로 구조 및 공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
또한, 바이오가스를 개질해야 하는 경우에도 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 스팀메탄 개질기로 공급해야 하므로, 이산화탄소 제거를 위한 별도의 설비가 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어지며, 복수의 촉매 튜브간, 그리고 각 촉매 튜브의 길이에 따른 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있는 복합 개질기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 본체;와, 상기 본체에 설치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;와, 상기 본체에 설치되고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 각각 연결하는 복수의 연결 튜브; 및 상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하며, 상기 본체에는 상기 연소부에서 공급된 연소가스가 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 배출되기 위한 복수의 연소가스 배출구가 본체의 원주방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기를 제공한다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 연소가스 배출구는 상기 본체의 측면에 위치할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 연소가스 배출구는 상기 본체의 하면에 위치하며, 상기 본체를 지지하기 위한 지지부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예는, 본체;와, 상기 본체에 설치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;와, 상기 본체에 설치되고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;와, 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 각각 연결하는 복수의 연결 튜브; 및 상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하며, 상기 본체에는 상기 연소부에서 공급된 연소가스가 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 모이는 배출챔버가 형성되고, 상기 배출챔버에는 상기 연소가스가 배출되기 위한 연소가스 배출구가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기를 제공한다.
실시 예에 따라, 상기 배출챔버는 상기 본체의 하면과 이와 이격되도록 지지부에 의해 지지되는 분리벽 사이에 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 공급되며, 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 복수의 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치하고, 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브 사이에 구비되는 제1 벽; 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에 구비되는 제2 벽;을 더 포함하며, 상기 제1 벽은 상기 분리벽으로부터 연장될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 상기 각 U자형 제1 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소가스를 가이드하도록 상기 복수의 제1 촉매 튜브를 지나는 나선형의 가이드 플레이트;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 가이드 플레이트를 관통하여 끼워질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 가이드 플레이트는 각각의 상기 제1 촉매 튜브를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트들로 이루어질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 공급되며, 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 복수의 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치하고, 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브 사이에 구비되는 제1 벽; 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에 구비되는 제2 벽;을 더 포함하며, 상기 제2 벽에는 연소가스가 유동하는 유동홀이 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 유동홀은 연소가스가 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 유동하는 유동방향을 따라 복수개가 형성되되, 상기 유동방향으로 갈수록 유동방향으로 인접하는 유동홀 사이의 간격이 좁아질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 유동홀을 둘러싸는 상기 제2 벽의 일부에는, 연소가스가 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 유동하는 유동방향을 향해 경사지게 형성된 제1 경사부가 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 경사부는 상기 제2 벽의 랜싱(lancing) 가공에 의해 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 유동홀을 둘러싸는 상기 제2 벽의 일부에는, 상기 유동홀을 통해 유동되는 연소가스가 상기 본체의 원주방향을 향해 흐를 수 있도록, 상기 본체의 반경방향 외측을 향해 경사지게 형성된 제2 경사부가 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 탄화수소가스는 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 탄화수소가스는 메탄과 이산화탄소를 포함하며, 상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 본체 내에 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브를 포함하고 연소가스가 2개 이상의 촉매 튜브에 순차적으로 열을 공급함에 따라 서로 다른 개질반응이 연속적으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 열분해가스와 스팀이 공급되는 경우, 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질됨과 동시에 메탄이 스팀과 반응하여 합성가스로 개질될 수 있다. 이 경우에는, 예비 개질기를 별도로 설치하지 않아도 되므로 구조 및 공정이 간소화된다. 다른 예로, 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우, 메탄이 스팀과 반응하여 합성가스로 개질(습식 개질)됨과 동시에 메탄이 이산화탄소와 반응하여 합성가스로 개질(건식 개질)될 수 있다. 이 경우에는, 바이오가스에서 별도로 이산화탄소를 제거한 후 개질기로 공급하지 않아도 되므로 이산화탄소 제거를 위한 장치가 필요하지 않다.
또한, 복수의 연소가스 배출구가 본체의 원주방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치되거나, 본체에 형성되는 별도의 배출챔버에 연소가스 배출구가 구비됨에 따라, 연소가스의 치우침을 방지할 수 있어 복수의 1차 촉매 튜브간 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 제2 벽에는 연소가스가 유동하는 유동홀이 형성됨에 따라, 각 2차 촉매 튜브의 길이에 따른 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 사시도,
도 2는 도 1에서 본체 일부를 생략하고 도시한 사시도,
도 3은 도 1의 단면도,
도 4는 도 3의 제2 벽의 일부를 도시한 정면도,
도 5 내지 6은 제2 벽의 다른 실시 예들을 도시한 단면도,
도 7은 제2 벽의 다른 실시 예를 도시한 평면도,
도 8은 가이드 플레이트의 다른 실시 예를 도시한 사시도,
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 사시도,
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 사시도,
도 11은 도 10의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 본체 일부를 생략하고 도시한 사시도,
도 3은 도 1의 단면도,
도 4는 도 3의 제2 벽의 일부를 도시한 정면도,
도 5 내지 6은 제2 벽의 다른 실시 예들을 도시한 단면도,
도 7은 제2 벽의 다른 실시 예를 도시한 평면도,
도 8은 가이드 플레이트의 다른 실시 예를 도시한 사시도,
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 사시도,
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 도시한 사시도,
도 11은 도 10의 단면도이다.
이하, 본 발명의 복합 개질기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
우선, 도 1 내지 4를 참고하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기는 크게 본체(100), 제1 촉매 튜브(200), 연결 튜브(300), 제2 촉매 튜브(400), 연소부(500) 및 연소가스 배출구(600)를 포함한다.
본체(100)는 복합 개질기의 외형을 형성하는 것으로 내부공간을 갖는 원통형으로 형성되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본체(100)에는 서로 다른 온도에서 반응하는 2개 이상의 촉매 튜브가 구비된다. 구체적으로, 제1 온도(T1)에서 반응하는 제1 촉매 튜브(200)와, 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)에서 반응하는 제2 촉매 튜브(400)가 구비된다. 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2)는 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 반응에 따라 다르게 설정될 수 있다.
본 실시 예에서는 제1 촉매 튜브(200)에 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하는 탄화수소가스와 스팀이 공급되며, 제1 촉매 튜브(200)에서 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 제2 촉매 튜브(400)에서 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 경우를 기준으로 설명하도록 한다.
제1 촉매 튜브(200)의 반응온도인 제1 온도(T1)는 약 350℃ 내지 550℃일 수 있으며, 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 개질하는 촉매가 적용된다. 예를 들어, 제1 촉매 튜브(200)에는 지지체로서 MgO 또는 Al2O3 또는 이들의 조합을 사용하는 니켈계 촉매가 적용될 수 있다. 이로 인해, 제1 촉매 튜브(200)에서는 반응식 (1) 및 (2)를 통해 에탄, 프로판, 부탄 등 탄소수가 2 이상인 고급 탄화수소들이 메탄, 일산화탄소, 수소로 전환될 수 있다.
반응식 (1) ------- CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2)H2
반응식 (2) ------- CO + 3H2 → CH4 + H2O
제2 촉매 튜브(400)의 반응온도인 제2 온도(T2)는 약 700℃ 내지 900℃일 수 있으며, 메탄을 개질하는 촉매가 적용된다. 예를 들어, 제2 촉매 튜브(400)에도 니켈계 촉매가 적용될 수 있다. 이로 인해, 제2 촉매 튜브(400)에서는 반응식 (3)을 통해 메탄이 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스(syngas)로 전환될 수 있다.
반응식 (3) ------- CH4 + H2O → CO + 3H2
여기서, 메탄의 습식 개질 반응은 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 것으로 기재하였으나, 메탄의 습식 개질 반응은 넓은 온도 범위에서 일어날 수 있으므로 제1 촉매 튜브(200)에서도 일부 이루어질 수 있을 것이다.
제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)는 연결 튜브(300)를 통해 연결되어, 제1 촉매 튜브(200)로 공급되는 탄화수소가스와 스팀이 제1 촉매 튜브(200)로부터 연결 튜브(300)를 통해 제2 촉매 튜브(400)로 차례로 유동될 수 있다.
이에 따라, 제1 촉매 튜브(200)에 공급되는 탄화수소가스에 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 다량 포함되어있다 하더라도, 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)를 차례로 유동하며 수증기 개질반응을 통해 합성가스로 개질될 수 있다. 즉, 제1 촉매 튜브(200)에서 탄소수가 2 이상인 고급 탄화수소들이 메탄으로 전환될 수 있으며, 제1 촉매 튜브(200)에서 전환된 메탄이 제2 촉매 튜브(400)로 유입되어 합성가스로 전환될 수 있다. 특히, 제1 촉매 튜브(200)에 공급되는 탄화수소가스는 폐기물의 열분해(pyrolysis)에 의해 생성되는 열분해가스일 수 있다. 예를 들어, 폐플라스틱의 열분해에 의해 생성된 열분해가스일 수 있으며, 이에는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 다량 포함된다.
본체(100)의 상측 중심에는 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급하기 위한 연소부(500)가 설치되고 있으며, 연소부(500)에서는 탄화수소가스가 연소되어 연소가스가 생성된다. 생성된 연소가스는 본체(100)의 중심부로 공급되고 있다.
제2 촉매 튜브(400)는 제1 촉매 튜브(200)보다 높은 온도에서 반응하므로, 연소부(500)에서 공급된 연소가스는 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급하는 것이 효과적이다. 이를 위해, 제2 촉매 튜브(400)는 제1 촉매 튜브(200)보다 본체(100)의 반경방향 내측에 위치한다. 본 실시 예에서 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)는 복수개로 이루어지며, 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치된다. 또한, 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 각각 본체(100)의 길이방향을 따라 수직으로 연장된다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 실시 예에 따라 연소가스가 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한 후 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급하도록, 제1 촉매 튜브(200)가 제2 촉매 튜브(400)보다 본체(100)의 반경방향 내측에 위치할 수도 있을 것이다.
구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 8개의 제2 촉매 튜브(400)가 본체(100)의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 이격되어 배치된다. 마찬가지로 8개의 제1 촉매 튜브(200)가 본체(100)의 원주방향을 따라 이격되어 배치되되, 제2 촉매 튜브(400)들을 둘러싸도록 배치된다. 연결 튜브(300) 또한 8개로 이루어져 1개의 제1 촉매 튜브(200)와 1개의 제2 촉매 튜브(400)를 연결한다. 하지만, 촉매 튜브 및 연결 튜브의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며 개질기 크기 등에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
본 실시 예에서 복수의 제1 촉매 튜브(200)는 U자형으로 형성되고, 각 U자형 제1 촉매 튜브(200)는 본체(100)의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장된다. 제1 촉매 튜브(200)가 U자형으로 형성됨에 따라 촉매의 반응시간이 길어질 수 있다. 또는 U자형 제1 촉매 튜브(200)에 탄화수소가스가 촉매 개질 전 승온되는 승온부와 촉매 개질되는 촉매 개질부가 나뉘어져 구비될 수도 있다.
또한, 복수의 제2 촉매 튜브(400)는 바요넷 튜브(bayonet tube)로 이루어진다. 즉, 제2 촉매 튜브(400) 각각은 아우터 튜브(420)와 아우터 튜브(420)의 내측에 배치되는 이너 튜브(440)로 이루어진다. 이너 튜브(440)는 아우터 튜브(420)에 고정되고, 아우터 튜브(420)의 내부에서 길이방향을 따라 연장되되 아우터 튜브(420)의 단부와 맞닿지 않고 그 사이에 일정 공간을 형성한다. 이로 인해, 아우터 튜브(420)와 이너 튜브(440)가 서로 연통될 수 있고, 연결 튜브(300)를 통해 아우터 튜브(420)와 이너 튜브(440) 사이로 유입된 가스가 이너 튜브(440)의 내부로 유동될 수 있다. 본 실시 예에서는 연결 튜브(300)가 아우터 튜브(420)에 연결되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이너 튜브(440)에 연결될 수도 있다.
궁극적으로 제1 촉매 튜브(200)로 유입되는 탄화수소가스와 스팀은 제1 촉매 튜브(200)를 거치면서 1차 개질이 이루어진 후, 연결 튜브(300)를 통해 제2 촉매 튜브(400)의 아우터 튜브(420)와 이너 튜브(440) 사이로 유입되어 2차 개질이 이루어진다. 이후 합성가스는 이너 튜브(440)의 내부로 유동된 후 합성가스 배출부(미도시)를 통해 배출될 수 있다.
본체(100)의 내부에는 연소부(500)에서 배출되는 연소가스의 유동을 가이드하여 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 효과적으로 열을 공급하기 위한 제1 벽(120) 및 제2 벽(140)이 구비된다. 제1 벽(120)은 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400) 사이에 구비되며, 도면상 본체(100)의 하측으로부터 위를 향해 수직으로 연장된다. 또한, 제2 벽(140)은 제2 촉매 튜브(400)의 반경방향 내측에 구비되며, 도면상 본체(100)의 상측으로부터 아래를 향해 수직으로 연장된다. 이에 따라, 연소부(500)에서 공급되는 연소가스가 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)의 길이방향을 따라 지그재그로 유동하여 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 충분히 열을 공급할 수 있으며, 반응 온도에 따른 온도 구배를 적용할 수 있다. 열전달 효율 향상을 위해 제1 촉매 튜브(200) 및/또는 제2 촉매 튜브(400)에 핀(fin)을 배치할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 연소부(500)에서 공급된 연소가스는 아래로 유동되고, 제2 벽(140) 아래의 공간을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어간 후 위로 유동되면서 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한다. 이후, 온도가 일부 낮아진 연소가스는 제1 벽(120) 위의 공간을 통해 제1 촉매 튜브(200) 측으로 넘어간 후 다시 아래로 유동되면서 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한다. 제1 촉매 튜브(200) 및 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 연소가스는 본체(100)에 구비되는 연소가스 배출구(600)를 통해 외부로 배출된다.
이때, 연소가스 배출구가 본체(100)의 하단부 일측에 1개만 구비될 경우 연소가스의 흐름이 배출구 쪽으로 치우치면서 복수의 제1 촉매 튜브(200)간 열흡수량 편차가 발생할 수 있다. 이로 인해 복수의 제1 촉매 튜브(200) 중 일부가 열흡수량이 적어 촉매 개질 반응에 적합한 온도로 상승되지 않을 경우 수소생산 효율이 감소한다는 문제가 발생한다.
이에 따라, 본 실시 예에서는 연소부(500)에서 공급된 연소가스가 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 배출되기 위한 복수의 연소가스 배출구(600)가 본체(100)의 원주방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 본 실시 예에서는 4개의 연소가스 배출구(600)가 90° 간격으로 이격되어 배치되고 있다. 또한, 복수의 연소가스 배출구(600)는 본체(100)의 하단부 측면에 위치하고 있다. 이로 인해, 연소가스 배출구가 본체(100)의 하단부 일측에 1개만 구비되는 경우에 대비하여 연소가스의 치우침이 발생하지 않고, 복수의 1차 촉매 튜브(200)간 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있다.
더욱이, 실시 예에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 연소가스를 가이드하도록 복수의 제1 촉매 튜브(200)를 지나는 나선형의 가이드 플레이트(700)를 더 포함할 수 있다.
가이드 플레이트(700)는 제1 벽(120)과 본체(100) 사이에서 유동하는 연소가스를 가이드하기 위해 제1 벽(120)을 감싸는 나선형의 플레이트로 형성되며, 복수의 제1 촉매 튜브(200)는 가이드 플레이트(700)를 관통하여 끼워진다. 이를 위해, 가이드 플레이트(700)에는 복수의 제1 촉매 튜브(200)가 관통하기 위한 관통홀이 구비되고, 제1 촉매 튜브(200)는 관통홀에 끼워진 후 용접을 통해 고정될 수 있다.
이에 따라, 연소가스가 나선형의 가이드 플레이트(700)를 따라 흐르면서 모든 제1 촉매 튜브(200)를 지나게 되어 복수의 제1 촉매 튜브(200)간 열흡수량 편차가 더욱 감소하게 되며, 연소가스가 제1 촉매 튜브(200)를 통과하는 속도가 증가되어 외부 열전달 계수가 증가함에 따라 제1 촉매 튜브의 흡열량이 커지게 된다. 또한, 제1 촉매 튜브(200)의 입구에서의 가스 온도 또는 유동 불균일을 해소할 수 있다.
다만, 본 실시 예에서는 복수의 제1 촉매 튜브(200)가 하나의 가이드 플레이트(700)에 결합되기 때문에 제1 촉매 튜브의 개별 A/S가 어렵다는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 도 8에 도시된 다른 실시 예에서, 가이드 플레이트(700)는 각각의 U자형 제1 촉매 튜브(200)를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트(700a)들로 이루어질 수 있다. 즉, 각각의 U자형 제1 촉매 튜브(200)마다 서브 플레이트(700a)가 설치되되, 서브 플레이트(700a)들이 전체적으로 제1 벽(120)을 감싸는 나선형의 플레이트를 형성하는 것이다. 이때, 인접하는 서브 플레이트(700a) 사이의 거리는 최소화하는 것이 바람직하다.
실시 예에 따라 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 제2 벽(140)에는 연소가스가 유동하는 유동홀(800)이 형성될 수 있다. 유동홀(800)은 복수개가 제2 벽(140)의 길이방향과 원주방향을 따라 형성된다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이 복수개의 유동홀(800)이 지그재그로 형성되는 것이 바람직하다. 제2 벽(140)의 길이방향은 연소가스가 복수의 제2 촉매 튜브(400)를 유동하는 유동방향(d)에 대응한다. 유동홀(800)의 형상은 직사각형인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 원형, 타원형 등 다양하게 형성될 수 있다.
연소가스가 제2 벽(140) 아래의 공간을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어가는 것에 더하여, 연소가스가 복수의 유동홀(800)을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어갈 수 있다. 이로 인해, 제2 촉매 튜브(400)의 도면상 하측 단부에만 열흡수가 집중되는 것을 방지할 수 있으므로, 각 제2 촉매 튜브(400)의 길이에 따른 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있다. 또한, 연소가스가 유동홀(800)을 지난 후 제2 촉매 튜브(400)에 닿게 되어 충돌(impingement)에 의한 열유속 상승이 일어날 수 있다.
도 3 및 4에는 복수의 유동홀(800)이 유동방향(d)으로 동일한 간격을 갖는 것으로 도시되었으나, 도 5에는 복수의 유동홀(800)이 유동방향(d)으로 상이한 간격을 갖는 구조가 도시되고 있다. 이때, 유동방향(d)으로 갈수록, 즉 도면상 위로 올라갈수록 유동방향으로 인접하는 유동홀(800) 사이의 간격이 좁아지고 있다. 제2 촉매 튜브(400) 중 열흡수가 낮은 구간에 유동홀(800)을 더 많이 배치하여 열흡수량을 증가시키기 위함이다.
또한, 도 6에는 유동홀(800)을 둘러싸는 제2 벽(140)의 일부에, 연소가스가 복수의 제2 촉매 튜브(400)를 유동하는 유동방향(d)을 향해 경사지게 형성된 제1 경사부(142)가 구비되는 구조가 도시되고 있다. 구체적으로, 제1 경사부(142)는 도면상 유동홀(800)을 둘러싸는 제2 벽(140)의 아래쪽에 고정되면서 위를 향해 경사지게 형성되고 있다. 이로 인해, 유동홀(800)을 통과하는 연소가스가 유동방향(d)을 향해 유동될 수 있고, 제2 벽(140) 아래의 공간을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어온 후 유동방향(d)으로 유동하는 연소가스의 유동을 방해하지 않으면서 함께 유동할 수 있다. 제1 경사부(142)는 직사각형면 또는 사면체를 이루는 삼각형면 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 경사부(142)는 제2 벽(140)의 랜싱(lancing) 가공에 의해 형성될 수 있다. 즉, 제2 벽(140)에서 유동홀(800)이 형성되어야 하는 위치의 일부분(예를 들어, 직사각형의 4변 중 3변에 해당하는 부분)을 절개한 뒤, 절개된 부분을 굽혀 유동홀(800)과 함께 제1 경사부(142)를 형성할 수 있는 것이다.
다음으로, 도 7에는 유동홀(800)을 둘러싸는 제2 벽(140)의 일부에, 유동홀(800)을 통해 유동되는 연소가스가 본체(100)의 원주방향을 향해 흐를 수 있도록, 본체(100)의 반경방향 외측을 향해 경사지게 형성된 제2 경사부(144)가 구비되는 구조가 도시되고 있다. 도 7은 도 5 및 6과 다르게 평면도로 도시되고 있다. 구체적으로, 제2 경사부(144)는 도면상 유동홀(800)을 둘러싸는 제2 벽(140)의 왼쪽에 고정되면서 반경방향 외측을 향해, 즉 제2 촉매 튜브(400)를 향해 경사지게 형성되고 있다. 이로 인해, 유동홀(800)을 통과하는 연소가스가 본체(100)의 원주방향을 향해 유동될 수 있고, 제2 벽(140) 아래의 공간을 통해 제2 촉매 튜브(400) 측으로 넘어온 후 유동방향(d)으로 유동하는 연소가스와 합쳐져 사선으로 흐를 수 있다. 이와 같이 연소가스가 복수의 제2 촉매 튜브(400)를 사선으로 흐름에 따라 연소가스의 이동거리와 속도를 늘려 제2 촉매 튜브(400)의 열흡수량을 늘리고, 복수의 제2 촉매 튜브(400)간 열흡수량 편차 또한 감소시킬 수 있다. 제2 경사부(144) 또한 제2 벽(140)의 랜싱(lancing) 가공에 의해 형성될 수도 있다.
상기 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 개질기는 복수의 연소가스 배출구(600), 가이드 플레이트(700) 및 유동홀(800)을 모두 포함하고 있으나, 이 중 어느 하나만을 포함하고 나머지는 생략될 수도 있음은 물론이다.
실시 예에 따라, 제1 촉매 튜브(200)에는 메탄과 이산화탄소를 포함하는 탄화수소가스(일 예로, 바이오가스)와 스팀이 공급될 수도 있다. 아래에서는 제1 촉매 튜브(200)에 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)에서 이루어지는 개질 반응에 대해 살펴보도록 한다. 개질 반응을 제외한 복합 개질기의 구조는 상기에서 설명한 바와 동일하다.
제1 촉매 튜브(200)에 바이오가스와 스팀이 공급되는 경우, 제1 촉매 튜브(200)에서는 반응식 (3)을 통해 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고(습식 개질), 제2 촉매 튜브(400)에서는 반응식 (4)를 통해 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질될 수 있다(건식 개질).
반응식 (3) ------- CH4 + H2O → CO + 3H2
반응식 (4) ------- CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
이 경우, 제1 촉매 튜브(200)의 반응온도인 제1 온도(T1)는 약 450℃ 내지 650℃일 수 있으며, 메탄을 습식 개질하는 촉매가 적용될 수 있다. 제2 촉매 튜브(400)의 반응온도인 제2 온도(T2)는 약 650℃ 내지 850℃일 수 있으며, 메탄을 건식 개질하는 촉매가 적용될 수 있다.
여기서, 메탄의 습식 개질 반응은 제1 촉매 튜브(200)에서 이루어지는 것으로 기재하였으나, 메탄의 습식 개질 반응은 넓은 온도 범위에서 일어날 수 있으므로 제2 촉매 튜브(400)에서도 일부 이루어질 수 있을 것이다.
이와 같이, 탄화수소가스(여기서는, 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스)와 스팀이 제1 촉매 튜브(200)와 제2 촉매 튜브(400)를 차례로 유동하며 습식 개질 반응과 건식 개질 반응을 통해 합성가스로 개질될 수 있다. 이 경우에는, 바이오가스에서 별도로 이산화탄소를 제거한 후 개질기로 공급하지 않아도 되므로 이산화탄소 제거를 위한 장치가 필요하지 않다.
다음으로는, 도 9를 참고하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
제2 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예에 따른 복합 개질기와 동일한 구성을 포함하되, 복수의 연소가스 배출구(600)가 본체(100)의 하면에 위치하고, 본체(100) 아래에 복수의 연소가스 배출구(600)를 위한 공간이 형성되도록 본체(100)를 지지하기 위한 지지부(900)를 더 포함하는 것에 차이가 있다.
복수의 연소가스 배출구(600)는 마찬가지로 본체(100)의 원주방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 또한, 지지부(900)는 본체(100)를 지지하여 본체(100)의 아래에 복수의 연소가스 배출구(600)가 배치되기 위한 공간을 형성한다.
마지막으로, 도 10 및 11을 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기를 살펴보도록 한다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 복합 개질기는 제1 실시 예와 마찬가지로 본체(100), 제1 촉매 튜브(200), 연결 튜브(300), 제2 촉매 튜브(400) 및 연소부(500)를 포함한다. 다만, 연소가스 배출구(600)가 형성되지 않고, 본체(100)에는 별도의 배출챔버(3180)가 형성되며, 배출챔버(3180)에 연소가스 배출구(3600)가 구비된다는 차이가 있다.
구체적으로, 본체(100)에는 연소가스가 복수의 제1 촉매 튜브(200)와 복수의 제2 촉매 튜브(400)에 열을 공급한 후 모이는 배출챔버(3180)가 형성된다. 본 실시 예에서 배출챔버(3180)는 본체(100)의 하면과 이와 이격되도록 지지부(3170)에 의해 지지되는 분리벽(3160) 사이에 형성된다. 분리벽(3160)은 본체(100)의 하면 형상에 대응하여 원형으로 형성되되 본체(100)의 하면보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 분리벽(3160)은 제1 촉매 튜브(200)의 아래쪽 단부보다, 즉 제1 촉매 튜브(200)의 유턴 구간보다 본체(100)의 하면에 가깝게 형성되는 것이 바람직하다. 지지부(3170)는 원통형, 플레이트형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기에서 살펴본 제1 벽(120)이 제1 실시 예와 같이 본체(100)의 하면으로부터 연장될 경우 배출챔버(3180)를 막기 때문에, 제1 벽(120)은 분리벽(3160)으로부터 위를 향해 수직으로 연장되고 있다.
연소가스 배출구(3600)는 본체(100)의 하면 중심부에 설치되어 배출챔버(3180)와 연통하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 복수의 제1 촉매 튜브(200)에 열을 공급한 후 아래로 유동된 연소가스가 배출챔버(3180)로 모인 후, 연소가스 배출구(3600)를 통해 배출될 수 있다. 결과적으로, 연소가스 배출구가 본체(100)의 하단부 일측에 1개만 구비되는 경우에 대비하여 연소가스의 치우침이 발생하지 않고, 복수의 1차 촉매 튜브(200)간 열흡수량 편차를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
100: 본체
120: 제1 벽
140: 제2 벽 142: 제1 경사부
144: 제2 경사부 200: 제1 촉매 튜브
300: 연결 튜브 400: 제2 촉매 튜브
420: 아우터 튜브 440: 이너 튜브
500: 연소부 600: 연소가스 배출구
700: 가이드 플레이트 700a: 서브 플레이트
800: 유동홀 900: 지지부
3160: 분리벽 3170: 지지부
3180: 배출챔버 3600: 연소가스 배출구
140: 제2 벽 142: 제1 경사부
144: 제2 경사부 200: 제1 촉매 튜브
300: 연결 튜브 400: 제2 촉매 튜브
420: 아우터 튜브 440: 이너 튜브
500: 연소부 600: 연소가스 배출구
700: 가이드 플레이트 700a: 서브 플레이트
800: 유동홀 900: 지지부
3160: 분리벽 3170: 지지부
3180: 배출챔버 3600: 연소가스 배출구
Claims (17)
- 본체;
상기 본체에 설치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;
상기 본체에 설치되고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;
상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 각각 연결하는 복수의 연결 튜브; 및
상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하며,
상기 본체에는 상기 연소부에서 공급된 연소가스가 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 배출되기 위한 복수의 연소가스 배출구가 본체의 원주방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 연소가스 배출구는 상기 본체의 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 연소가스 배출구는 상기 본체의 하면에 위치하며,
상기 본체를 지지하기 위한 지지부;를 더 포함하는, 복합 개질기.
- 본체;
상기 본체에 설치되고 제1 온도에서 반응하는 복수의 제1 촉매 튜브;
상기 본체에 설치되고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응하는 복수의 제2 촉매 튜브;
상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 각각 연결하는 복수의 연결 튜브; 및
상기 복수의 제1 촉매 튜브 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급하기 위한 연소부;를 포함하며,
상기 본체에는 상기 연소부에서 공급된 연소가스가 상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브에 열을 공급한 후 모이는 배출챔버가 형성되고,
상기 배출챔버에는 상기 연소가스가 배출되기 위한 연소가스 배출구가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제4항에 있어서,
상기 배출챔버는 상기 본체의 하면과 이와 이격되도록 지지부에 의해 지지되는 분리벽 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제5항에 있어서,
상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 공급되며, 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 복수의 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치하고,
상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브 사이에 구비되는 제1 벽; 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에 구비되는 제2 벽;을 더 포함하며,
상기 제1 벽은 상기 분리벽으로부터 연장되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브는 U자형으로 형성되고, 상기 각 U자형 제1 촉매 튜브는 상기 본체의 길이방향 및 원주방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 연소가스를 가이드하도록 상기 복수의 제1 촉매 튜브를 지나는 나선형의 가이드 플레이트;를 더 포함하는, 복합 개질기.
- 제8항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브는 상기 가이드 플레이트를 관통하여 끼워지는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제8항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는 각각의 상기 제1 촉매 튜브를 지나는 부분마다 나뉘어진 복수의 서브 플레이트들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 연소가스는 상기 본체의 중심부로 공급되며, 상기 복수의 제2 촉매 튜브는 상기 복수의 제1 촉매 튜브보다 상기 본체의 반경방향 내측에 위치하고,
상기 복수의 제1 촉매 튜브와 상기 복수의 제2 촉매 튜브 사이에 구비되는 제1 벽; 및 상기 복수의 제2 촉매 튜브의 반경방향 내측에 구비되는 제2 벽;을 더 포함하며,
상기 제2 벽에는 연소가스가 유동하는 유동홀이 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제11항에 있어서,
상기 유동홀은 연소가스가 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 유동하는 유동방향을 따라 복수개가 형성되되, 상기 유동방향으로 갈수록 유동방향으로 인접하는 유동홀 사이의 간격이 좁아지는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제11항에 있어서,
상기 유동홀을 둘러싸는 상기 제2 벽의 일부에는, 연소가스가 상기 복수의 제2 촉매 튜브를 유동하는 유동방향을 향해 경사지게 형성된 제1 경사부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 경사부는 상기 제2 벽의 랜싱(lancing) 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제11항에 있어서,
상기 유동홀을 둘러싸는 상기 제2 벽의 일부에는, 상기 유동홀을 통해 유동되는 연소가스가 상기 본체의 원주방향을 향해 흐를 수 있도록, 상기 본체의 반경방향 외측을 향해 경사지게 형성된 제2 경사부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 탄화수소가스는 탄소수가 2 이상인 탄화수소를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 탄소수가 2 이상인 탄화수소가 스팀과 반응하여 메탄으로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에 공급되는 탄화수소가스는 메탄과 이산화탄소를 포함하며,
상기 복수의 제1 촉매 튜브에서는 메탄이 스팀과 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되고, 상기 복수의 제2 촉매 튜브에서는 메탄이 이산화탄소와 반응하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 개질되는 것을 특징으로 하는, 복합 개질기.
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|---|---|---|---|
| KR1020220110199 | 2022-08-31 | ||
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|---|---|---|---|
| KR1020230079220A KR20240031004A (ko) | 2022-08-31 | 2023-06-20 | 복합 개질기 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190112290A (ko) | 2017-01-27 | 2019-10-04 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법 |
-
2023
- 2023-06-20 KR KR1020230079220A patent/KR20240031004A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190112290A (ko) | 2017-01-27 | 2019-10-04 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법 |
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