WO2020004779A1 - 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치 - Google Patents

고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치 Download PDF

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채홍준
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허성규
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Definitions

  • the present invention relates to a reforming reactor for producing hydrogen using high frequency induction heating.
  • the reforming reactor for hydrogen production is used to produce hydrogen (H 2 ) by reforming a hydrocarbon (C X H X ) such as methane (CH 4 ) with water vapor, and a catalyst for activating the reforming reaction therein. And a heater to support the endothermic reforming reaction inside the reactor.
  • a heater such as a gas burner provides heat to a reactor that is shaped into a pipe shape of a predetermined diameter and length.
  • gas burners that burn heat to provide heat are mainly used as heaters. Therefore, in the related art, not only a problem in which exhaust gas is generated in the combustion process of the gas in the gas burner, but also a very local heating is performed on the part in contact with the flame generated by the combustion of the gas, so that the overall temperature control is not easy. This, in turn, leads to the disadvantage that the production efficiency of hydrogen is lowered.
  • the reforming reaction in the reactor requires preheating of the supplied steam and source gas.
  • the steam and the source gas are heated to a temperature of approximately 400 ° C. using a separate preheater. After preheating, it is fed to the reactor. Therefore, according to the prior art, it is cumbersome to be provided with a preheater in addition to the heater for the reforming reaction.
  • the present invention has been made to solve the problems caused by the prior art, and an object of the present invention is to provide a reforming reaction apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating, which is configured to enable more efficient hydrogen production.
  • Another object of the present invention is to provide a reforming reaction apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating configured to enable preheating of methane gas and steam with a simpler configuration.
  • Still another object of the present invention is to provide a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating, which is configured to enable cooling of a coil for induction heating with a simpler configuration.
  • One aspect of the reforming reactor for producing hydrogen using high frequency induction heating is a reforming reactor for producing hydrogen: a catalyst for activating the reforming reaction of methane gas and steam A reactor defining a reaction space in which is filled; A heater including a coil wound on an outer surface of the reactor and inductively heating the reactor when power is applied; And a supply flow path through which methane gas and water vapor supplied to the reaction space flow; And methane gas and steam flowing through the supply flow path are heat exchanged with hydrogen gas produced by the reforming reaction of methane gas and steam in the coil or the reaction space which generates heat by induction heating.
  • the heater comprises a coil for induction heating arranged to surround the outer surface of the reactor. Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to more efficiently provide the heat required for the reforming reaction for the production of hydrogen inside the reactor, substantially.
  • the reforming reaction is carried out after the methane gas and steam for the production of hydrogen is preheated by a relatively high temperature coil and / or produced hydrogen and the like. Therefore, according to the embodiment of the present invention, by preheating methane gas and steam without using a separate preheater, it is possible to eventually improve the production efficiency of hydrogen.
  • the coil for induction heating is cooled by relatively low temperature methane gas and water vapor. Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the separate configuration or the time required for cooling the coil.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a first embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention
  • Figure 2 is a longitudinal sectional view schematically showing a second embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a first embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention.
  • the reforming reactor 1 for producing hydrogen using high frequency induction heating includes a reactor 100, a heater 200, and a supply flow path 401. Hydrogen is produced by the reforming reaction of methane gas (CH 4 ) and water vapor (H 2 O) flowing substantially inside the reactor 100. At this time, the inside of the reactor 100 is filled with a catalyst (C) for the activation of the reforming reaction, the heater 100 is heated by the heater 200 to provide heat for the endothermic reforming reaction.
  • CH 4 methane gas
  • H 2 O water vapor
  • the reactor 100 defines a reaction space 100S filled with the catalyst C for activating the reforming reaction of methane gas and steam.
  • a supply port 100P and an outlet 100D are formed in the reactor 100.
  • the supply port 100P is a place where methane gas and water vapor reformed and reacted in the reaction space 100S are supplied, and the discharge port 100D is hydrogen gas produced by reforming reaction of methane gas and water vapor. Is where it is discharged. Of course, the remaining methane gas and water vapor may also be discharged through the outlet 100D.
  • the discharge port 100D communicates with the discharge flow path 120 through which hydrogen gas produced by the reforming reaction in the reaction space 100S flows.
  • the discharge passage 120 may be defined by the discharge duct 120D.
  • a heat insulating material 130 is disposed on the outer surface of the reactor 100. Substantially, the heat insulator 130 will be disposed between the outer surface of the reactor 100 and the heater 200. The heat insulator 130 serves to insulate the reactor 100 that is induction heated by the heater 200.
  • the heater 200 induction heating the reactor 100 for the endothermic reforming reaction of methane gas and steam.
  • the heater 200 includes a coil 201 wound on the outer surface of the reactor 100. Thus, when power is applied to the coil 201, the reactor 100 will be induction heated.
  • a first supply flow passage 410 to be described later is defined inside at least part of the coil 201.
  • the first supply passage 410 may be defined. That is, a portion of the coil 201 except for both ends of the coil 201 connected to a power source (not shown) may be substantially formed by a portion of the coil 201 wound around the outer surface of the reactor 100.
  • One supply flow path 410 may be defined.
  • the supply flow path 401 is a place where methane gas and water vapor supplied to the reaction space 100S flow.
  • the supply flow passage 401 includes first and second supply flow passages 410 and 421.
  • the first supply channel 410 is defined inside at least part of the coil 201.
  • the second supply flow path 421 is defined in the supply duct 421D to be connected to the reaction space 100S, the supply port 100P, and the first supply flow path 410. Therefore, the methane gas and the water vapor supplied to the reaction space 100S will flow through the first and second supply flow passages 410 and 421 in order.
  • methane gas and water vapor are supplied to the reaction space 100S at about 150 ° C, and the temperature of the coil 201 is increased to about 300 ° C or more during induction heating. Therefore, in the process of flowing methane gas and water vapor through the said supply flow path 401 and the said 1st supply flow path 410, methane gas and water vapor by heat exchange between the methane gas and water vapor, and the coil 201, Is preheated, and the coil 201 may be cooled. That is, in the present embodiment, the methane gas and water vapor substantially flows inside the coil 201, so that the preheating of the methane gas and water vapor and the cooling of the coil 201 can be simultaneously performed.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing a second embodiment of a reforming apparatus for producing hydrogen using high frequency induction heating according to the present invention.
  • reference numerals of FIG. 1 are used, and detailed description thereof will be omitted.
  • the reforming reaction apparatus 2 for producing hydrogen using high frequency induction heating at least a part of the supply duct 422D reforms methane gas and steam in the reaction space 100S. Hydrogen gas produced by the is disposed on the discharge passage 120 is discharged.
  • a part of the second supply passage 422, that is, the supply passage 402, defined by the supply duct 422D is disposed on the discharge passage 120. Therefore, in this embodiment, methane gas and water vapor flowing through the second supply flow passage 422 are heat-exchanged with hydrogen gas flowing through the discharge flow passage 120.
  • the temperature of the methane gas and steam preheated by the heat exchange with the coil 201 is about 200 ⁇ 250 °C, and in general, the temperature of the hydrogen produced by the reforming reaction in the reaction space (100S) is about 800 °C is around. Therefore, in this embodiment, the methane gas and water vapor preheated by the heat exchange with the coil 201 while flowing the first supply flow path 410 flows through the second supply flow path 422, the discharge flow path. It may be further preheated by the hydrogen gas flowing through the 120.
  • the supply flow passage 402 further includes a connection flow passage 430.
  • the connection passage 430 is defined inside the connection duct 430D to connect the first and second supply passages 410 and 422.
  • the connection duct 430D is formed of a material having a relatively low thermal conductivity than the coil 201 and the supply duct 422D. This is to prevent a phenomenon in which heat of hydrogen gas flowing through the discharge passage 120 is transferred to the coil 201 through the supply duct 422D.
  • the reforming reactor (1) (2) for producing hydrogen using high frequency induction heating power is applied to the heater (200) and the coil (201) substantially.
  • the reactor 100 is then induction heated.
  • methane gas and water vapor for the production of hydrogen flows through the supply flow path (401, 402) is supplied to the reactor (100). Therefore, the reforming reaction of the methane gas and steam delivered to the reactor 100, that is, the reaction space 110S is activated by the catalyst C packed in the reactor 100 to produce hydrogen.
  • the hydrogen gas produced in the reactor 100, the remaining methane gas, and water vapor are discharged through the discharge port 100D to flow through the discharge flow path 120.
  • a part of the supply flow passage 401 that is, the first supply flow passage 410 is defined inside at least part of the coil 201, and the second embodiment of the present invention.
  • another portion of the supply passage 402, that is, a portion of the second supply passage 422 is disposed on the discharge passage 120. Therefore, in the first and second embodiments of the present invention, methane gas and water vapor flowing through the supply flow passages 401 and 402 are the coil 201 or the coil 201 and the discharge passage 120. Heat exchanged with the flowing hydrogen gas is preheated, it is supplied to the reactor (100).
  • an inconel circular pipe having an inner diameter of 80 mm, a thickness of 20 mm, and a length of 2,000 mm was used as the reactor 100.
  • the coil 201 a coil including a core made of copper having an outer diameter of 15 mm and an inner diameter of 10 mm and a coating layer provided on the outer circumferential surface of the core was used.
  • Ni / Al 2 O 3 was charged inside the reactor 100.
  • a glass insulation material 130 having a thickness of 50 mm is disposed on an outer surface of the reactor 100.
  • a 3: 1 ratio of water vapor (H 2 O) and methane gas (CH 4 ) were supplied at a space velocity of 6,000 h ⁇ 1 , and the coil 201 had a frequency of 1 kHz. And a current density of 256 A / mm 2 .
  • ⁇ Comparative Example 1> and ⁇ Comparative Example 2> the first and second supply flow passages 410, 421, and 422 were deleted in comparison with Experimental Example 1 and Experimental Example 2. That is, in ⁇ Comparative Example 1> and ⁇ Comparative Example 2>, methane gas and water vapor not heat-exchanged with the produced hydrogen gas were supplied to the reactor 100. In ⁇ Comparative Example 1>, methane gas and steam not preheated were supplied, and in ⁇ Comparative Example 2>, methane gas and steam preheated to about 400 ° C. by a separate preheater were supplied. In Comparative Example 2, the cooling water was circulated inside the coil 201 to cool the coil 201.
  • Experimental Example 1 Experimental Example 2 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Coil temperature (°C) 300 305 70 70 H 2 temperature (°C) 250 405 135 400 CH 4 % Conversion 89 95 85 95 H 2 fraction (%) 70 75 67 75 H 2 Production (Nm3 / h) 38 42 35 42

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Abstract

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 촉매가 충진되는 반응 공간을 정의하는 반응기; 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유도 가열하는 코일을 포함하는 가열기; 및 상기 반응 공간으로 공급되는 메탄가스 및 수증기가 유동되는 공급 유로; 를 포함하고, 상기 공급 유로를 유동하는 메탄가스 및 수증기는, 유도 가열에 의하여 발열하는 상기 코일 또는 상기 반응 공간에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 열교환된다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 16.04.2019]　고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치
본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 관한 것이다.
수소 생산용 개질 반응기는, 메탄(CH4)과 같은 같은 탄화수소(CXHX)를 수증기와 함께 개질하여 수소(H2)를 생산하는데 사용되는 것으로, 그 내부에 개질 반응의 활성화를 위한 촉매가 충진된 반응기 및 반응기 내부에서의 흡열 개질 반응을 지원하기 위한 가열기를 포함한다. 일반적으로 소정의 직경 및 길이의 파이프 형상으로 성형되는 반응기를 가스버너와 같은 가열기가 열을 제공한다.
종래에는, 가스를 연소시켜서 열을 제공하는 가스버너가 가열기로 주로 사용되었다. 따라서 종래에는, 가스버너에서의 가스의 연소 과정에서 배기가스가 발생되는 문제점뿐만 아니라, 가스의 연소에 의하여 발생되는 화염과 접촉되는 부분에 대한 매우 국부적인 가열이 이루어지므로, 전체적인 온도 제어가 용이하지 않고, 이로 인하여 종국적으로 수소의 생산 효율이 저하되는 단점이 발생한다.
한편, 반응기 내부에서의 개질 반응을 위해서는, 공급되는 수증기와 원료 가스의 예열이 필요하다, 가스버너를 가열기로 사용하는 경우에는, 수증기와 원료 가스를 별도의 예열기를 사용하여 대략 400℃의 온도로 예열한 후 반응기로 공급한다. 따라서, 종래 기술에 의하면, 개질 반응을 위한 가열기 이외에 추가로 예열기가 구비되어야 하는 번거로움이 따르게 된다.
또한, 유도 가열을 위한 코일의 경우에는, 통상적으로 피가열 대상물, 즉 반응기의 가열에 의하여 온도가 증가되므로, 가열 효율을 확보하기 위해서는 코일의 냉각에 대한 대책이 필요하다. 따라서 종래에는, 코일의 냉각을 위한 별도의 구성이 구비되어야 한다.
본 발명은, 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 효율적인 수소의 생산이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 보다 간단한 구성으로 메탄가스 및 수증기의 예열이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 보다 간단한 구성으로 유도 가열을 위한 코일의 냉각이 가능하도록 구성되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 일 양태는, 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서: 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 촉매가 충진되는 반응 공간을 정의하는 반응기; 상기 반응기의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기를 유도 가열하는 코일을 포함하는 가열기; 및 상기 반응 공간으로 공급되는 메탄가스 및 수증기가 유동되는 공급 유로; 를 포함하고, 상기 공급 유로를 유동하는 메탄가스 및 수증기는, 유도 가열에 의하여 발열하는 상기 코일 또는 상기 반응 공간에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 열교환된다.
본 발명의 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에서는, 가열기가 반응기의 외면을 둘러싸도록 배치되는 유도 가열을 위한 코일을 포함한다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 보다 효율적으로 반응기의 내부, 실질적으로 수소의 생산을 위한 개질 반응에 소요되는 열을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 상대적으로 고온인 코일 또는/및 생산된 수소 등에 의하여 예열된 후 개질 반응이 이루어진다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 별도의 예열기를 사용하지 않고, 메탄가스 및 수증기를 예열함으로써, 종국적으로 수소의 생산효율을 증진시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는, 상대적으로 저온인 메탄가스 및 수증기에 의하여 유도 가열을 위한 코일이 냉각된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 코일의 냉각을 위한 별도의 구성이나 시간의 소요를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 종단면도.
도 2는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 종단면도.
이하에서는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제1실시예를 개략적으로 보인 종단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(1)는, 반응기(100), 가열기(200) 및 공급 유로(401)를 포함한다. 실질적으로 상기 반응기(100)의 내부를 유동하는 메탄가스(CH4) 및 수증기(H2O)의 개질 반응에 의하여 수소가 생산된다. 이때 상기 반응기(100)의 내부에는 개질 반응의 활성화를 위한 촉매(C)가 충진되고, 상기 가열기(200)에 의하여 상기 반응기(100)가 가열됨으로써 흡열 개질 반응을 위한 열이 제공된다.
보다 상세하게는, 상기 반응기(100)는, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응을 활성화하는 상기 촉매(C)가 충진되는 반응 공간(100S)을 정의한다. 그리고 상기 반응기(100)에는, 공급구(100P) 및 배출구(100D)가 형성된다. 상기 공급구(100P)는, 상기 반응 공간(100S)의 내부에서 개질 반응되는 메탄가스 및 수증기가 공급되는 곳이고, 상기 배출구(100D)는, 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스가 배출되는 곳이다. 물론, 상기 배출구(100D)를 통하여 잔존하는 메탄가스 및 수증기도 함께 배출될 수 있을 것이다. 상기 배출구(100D)에는, 상기 반응 공간(100S)에서의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스가 유동하는 배출 유로(120)와 연통된다. 상기 배출 유로(120)는, 배출 덕트(120D)에 의하여 정의될 수 있을 것이다.
또한, 상기 반응기(100)의 외면에는 단열재(130)가 배치된다. 실질적으로, 상기 단열재(130)는, 상기 반응기(100)의 외면과 상기 가열기(200) 사이에 배치될 것이다. 상기 단열재(130)는, 상기 가열기(200)에 의하여 유도 가열되는 상기 반응기(100)를 단열하는 역할을 수행한다.
그리고 상기 가열기(200)는, 메탄가스 및 수증기의 흡열 개질 반응을 위하여 상기 반응기(100)를 유도 가열한다. 본 실시예에서는, 상기 가열기(200)가, 상기 반응기(100)의 외면에 권선되는 코일(201)을 포함한다. 따라서, 상기 코일(201)에 전원이 인가되면, 상기 반응기(100)가 유도 가열될 것이다.
본 실시예에서는, 적어도 일부의 상기 코일(201)의 내부에 후술할 제1공급 유로(410)가 정의된다. 예를 들면, 상기 코일(201)을 구성하는 심선이 중공으로 형성됨으로써, 제1공급 유로(410)가 정의될 수 있을 것이다. 즉, 전원(미도시)에 연결되는 상기 코일(201)의 양단부를 제외한 상기 코일(201)의 일부, 실질적으로, 상기 반응기(100)의 외면에 권선되는 상기 코일(201)의 일부에 의하여 제1공급 유로(410)가 정의될 수 있다.
한편, 상기 공급 유로(401)는, 상기 반응 공간(100S)으로 공급되는 메탄가스 및 수증기가 유동되는 곳이다. 본 실시예에서는, 상기 공급 유로(401)가, 제1 및 제2공급 유로(410)(421)를 포함한다. 상기 제1공급 유로(410)는, 상술한 바와 같이, 적어도 일부의 상기 코일(201)의 내부에 정의된다. 그리고 상기 제2공급 유로(421)는, 상기 반응 공간(100S), 실질적으로 상기 공급구(100P) 및 제1공급 유로(410)에 연결되도록 공급덕트(421D)의 내부에 정의된다. 따라서, 상기 반응 공간(100S)으로 공급되는 메탄가스 및 수증기는, 상기 제1 및 제2공급 유로(410)(421)를 차례로 유동할 것이다.
그런데 일반적으로 상기 반응 공간(100S)으로는 대략 150℃ 내외의 메탄가스 및 수증기가 공급되고, 상기 코일(201)의 온도는 유도 가열시 대략 300℃ 이상으로 증가된다. 따라서, 상기 공급 유로(401), 실질적으로 상기 제1공급 유로(410)를 메탄가스 및 수증기가 유동하는 과정에서, 메탄가스 및 수증기와 상기 코일(201) 사이의 열교환에 의하여, 메탄가스 및 수증기는 예열되고, 상기 코일(201)은 냉각될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 실질적으로 메탄가스 및 수증기가, 상기 코일(201)의 내부를 유동함으로써, 메탄가스 및 수증기의 예열 및 상기 코일(201)의 냉각이 동시에 이루어질 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치의 제2실시예를 개략적으로 보인 종단면도이다. 본 실시예의 구성 요소 중 상술한 본 발명의 제1실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는, 도 1의 도면 부호를 원용하고, 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(2)에서는, 공급덕트(422D)의 적어도 일부가, 반응 공간(100S)에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스가 배출되는 배출 유로(120) 상에 배치된다. 다시 말하면, 상기 공급 덕트(422D)에 의하여 정의되는 제2공급 유로(422), 즉 공급 유로(402)의 일부가 상기 배출 유로(120) 상에 배치된다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 제2공급 유로(422)를 유동하는 메탄가스 및 수증기가, 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스와 열교환된다.
그런데, 코일(201)과의 열교환에 의하여 예열된 메탄가스 및 수증기의 온도는 대략 200~250℃ 내외이고, 일반적으로 상기 반응 공간(100S)에서의 개질 반응에 의하여 생산된 수소의 온도는 대략 800℃ 내외이다. 따라서, 본 실시예에서는, 제1공급 유로(410)를 유동하면서 상기 코일(201)과의 열교환에 의하여 예열된 메탄가스 및 수증기가, 상기 제2공급 유로(422)를 유동하면서, 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스에 의하여 추가적으로 예열될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 공급 유로(402)가, 연결 유로(430)를 더 포함한다. 상기 연결 유로(430)는, 상기 제1 및 제2공급 유로(410)(422)를 연결하도록 연결 덕트(430D)의 내부에 정의된다. 그리고 상기 연결 덕트(430D)는, 상기 코일(201) 및 공급덕트(422D)에 비하여 상대적으로 낮은 열전도율의 재질로 성형된다. 이는, 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스의 열이 상기 공급덕트(422D)를 통하여 상기 코일(201)로 전달되는 현상을 방지하기 위함이다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 의한 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치(1)(2)에서는, 가열기(200), 실질적으로 코일(201)에 전원이 인가되면, 반응기(100)가 유도 가열된다. 그리고 수소의 생산을 위한 메탄가스 및 수증기가 공급 유로(401)(402)를 유동하여 상기 반응기(100)에 공급된다. 따라서, 상기 반응기(100)의 내부에 충진된 촉매(C)에 의하여 상기 반응기(100), 즉 반응 공간(110S)으로 전달된 메탄가스 및 수증기의 개질 반응이 활성화되어 수소가 생산된다. 그리고 상기 반응기(100)에서 생산된 수소가스와 잔존하는 메탄가스 및 수증기는, 배출구(100D)를 통하여 배출되어 배출 유로(120)를 유동한다.
한편, 본 발명의 제1실시예에서는, 상기 공급 유로(401)의 일부, 즉 제1공급 유로(410)가 적어도 일부의 상기 코일(201)의 내부에 정의되고, 본 발명의 제2실시예에서는, 추가적으로, 상기 공급 유로(402)의 다른 일부, 즉 제2공급 유로(422)의 적어로 일부가 상기 배출 유로(120) 상에 배치된다. 따라서, 본 발명의 제1 및 제2실시예에서는, 상기 공급 유로(401)(402)를 유동하는 메탄가스 및 수증기가, 상기 코일(201) 또는 상기 코일(201) 및 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스와 열교환되어 예열된 상태로, 상기 반응기(100)에 공급된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 메탄가스 및 수증기의 예열을 위한 별도의 예열기를 사용하지 않고 메탄가스 및 수증기를 예열함과 동시에, 상기 코일(201)이 냉각됨으로써, 보다 간단한 구성으로 보다 효율적인 수소의 생성이 가능해진다. 이는 실험에 의하여 아래와 같이 입증되었다.
먼저, <실험예 1> 및 <실험예 2>에서는, 반응기(100)로, 80mm의 내경, 20mm의 두께 및 2,000mm의 길이를 갖는 인코넬(inconel) 재질의 원형 파이프가 사용되었다. 그리고 코일(201)로는, 15mm의 외경 및 10mm의 내경을 갖는 구리 재질의 코어 및 코어의 외주면에 구비되는 피복층을 포함하는 코일이 사용되었고, 촉매(C)로는, 총량 8L의 니켈-알루미늄 촉매(Ni/Al2O3)가 상기 반응기(100)의 내부에 충진되었다. 또한, 상기 반응기(100)의 외면에는, 50mm의 두께를 갖는 유리 재질의 단열재(130)가 배치되었다. 상기 반응기(100)의 내부로는, 3:1비의 수증기(H2O)와 메탄가스(CH4)가 6,000h-1의 공간속도로 공급되었고, 상기 코일(201)에는, 1kHz의 주파수 및 256A/mm2의 전류밀도로 전원이 인가되었다.
그리고 <실험예 1> 및 <실험예 2>에서는, 상기 반응기(100)에 공급되는 메탄가스 및 수증기가 상기 반응기(100)의 외면에 권선되는 일부의 상기 코일(201)의 내부에 형성되는 유로, 즉 제1공급 유로(410)를 유동하였다. 추가적으로 <실험예 2>에서는, 상기 코일(201)의 내부를 유동한 메탄가스 및 수증기가, 배출 유로(120)의 내부에 배치되는 유로, 즉 제2공급 유로(422)를 유동한 후 상기 반응기(100)에 공급되었다.
그리고 <비교예 1> 및 <비교예 2>에서는, <실험예 1> 및 <실험예 2>와 비교하여, 제1 및 제2공급 유로(410)(421)(422)가 삭제되었다. 즉, <비교예 1> 및 <비교예 2>에서는, 생산된 수소가스와 열교환되지 않은 메탄가스 및 수증기가 반응기(100)에 공급되었다. 또한, <비교예 1>에서는, 예열되지 아니한 메탄가스 및 수증기가 공급되었고, <비교예 2>에서는 별도의 예열기에 의하여 대략 400℃로 예열된 메탄가스 및 수증기가 공급되었으며, <비교예 1> 및 <비교예 2>에서는, 상기 코일(201)의 냉각을 위하여 상기 코일(201)의 내부로 냉각수를 순환시켰다.
이와 같은, <실험예 1>, <실험예 2>, <비교예 1> 및 <비교예 2>에 대한 실험 결과는 아래의 [표 1]과 같다.
실험예 1 실험예 2 비교예 1 비교예 2
코일 온도(℃) 300 305 70 70
H2 온도(℃) 250 405 135 400
CH4전환율(%) 89 95 85 95
H2분율(%) 70 75 67 75
H2생산량(Nm3/h) 38 42 35 42
<실험예 1> 및 <실험예 2>와 <비교예 1> 및 <비교예 2>의 실험 결과를 대비하면, <실험예 1>의 경우에는 <비교예 1> 이상의 수소를 생산하고, <실험예 2>의 경우에는 <비교예 2>와 유사한 양의 수소를 생산함을 확인할 수 있다. 그런데, <실험예 1> 및 <실험예 2>의 경우에는, 별도의 예열을 위한 예열기가 구비되지 않는다. 따라서, <실험예 1>의 경우에는, 별도의 예열기가 구비되지 않는 <비교예 1>에 비하여 상대적으로 다량의 수소를 생산할 수 있다. 또한, <실험예 2>의 경우에는, 별도의 예열기가 구비되는 <비교예 2>와 유사한 수준의 수소를 생산할 수 있다.또한, <실험예 1> 및 <실험예 2>에서는, <비교예 1> 및 <비교예 2>에 비하여 상대적으로 상기 코일(201)의 온도가 높은 것으로 나타난다. 그러나, <실험예 1> 및 <실험예 2>의 경우에도, 상기 코일(201)의 온도가 그 정상적인 동작을 방해할 수준의 것이 아니므로, 실질적으로, <실험예 1> 및 <실험예 2>에 의하면, 별도의 냉각 장치없이 상기 코일(201)의 온도를 제어할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 수소 생산을 위한 개질 반응 장치로서:
    메탄가스(CH4) 및 수증기(H2O)의 개질 반응을 활성화하는 촉매(C)가 충진되는 반응 공간(100S)을 정의하는 반응기(100);
    상기 반응기(100)의 외면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 반응기(100)를 유도 가열하는 코일(201)을 포함하는 가열기(200); 및
    상기 반응 공간(100S)으로 공급되는 메탄가스 및 수증기가 유동되는 공급 유로(401)(402); 를 포함하고,
    상기 공급 유로(401)(402)를 유동하는 메탄가스 및 수증기는, 유도 가열에 의하여 발열하는 상기 코일(201) 또는 상기 반응 공간(100S)에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스와 열교환되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 유로(401)(402)의 일부는, 적어도 일부의 상기 코일(201)의 내부에 정의되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 유로(402)의 일부는, 상기 반응 공간(100S)에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스가 배출되는 배출 유로(120) 상에 배치되고,
    상기 공급 유로(402)의 일부를 유동하는 메탄가스 및 수증기와 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스 사이의 열교환이 이루어지는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 유로(401)(402)는,
    적어도 일부의 상기 코일(201)의 내부에 정의되는 제1공급 유로(410); 및
    상기 반응 공간(100S) 및 제1공급 유로(410)에 연결되도록 공급덕트(421D)(422D)의 내부에 정의되는 제2공급 유로(421)(422); 를 포함하고,
    상기 반응 공간(100S)으로 공급되는 메탄가스 및 수증기는, 상기 제1 및 제2공급 유로(410)(421)(422)를 차례로 유동하는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공급덕트(422D)의 적어도 일부는, 상기 반응 공간(100S)에서 메탄가스 및 수증기의 개질 반응에 의하여 생산된 수소가스가 배출되는 배출 유로(120) 상에 배치되고,
    상기 제2공급 유로(422)를 유동하는 메탄가스 및 수증기는, 상기 배출 유로(120)를 유동하는 수소가스와 열교환되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공급 유로(402)는, 상기 제1 및 제2공급 유로(410)(422)를 연결하도록 연결 덕트(430D)의 내부에 정의되는 연결 유로(430)를 더 포함하고,
    상기 연결 덕트(430D)는, 상기 코일(201) 및 공급덕트(422D)에 비하여 상대적으로 낮은 열전도율의 재질로 성형되는 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치.
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