KR102143175B1 - 액체연료 연소기 - Google Patents
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Abstract
잠수함용 연료개질 플랜트에 적용할 수 있는 다단 연소가 가능한 액체연료 연소기가 개시된다. 상기 액체연료 연소기는, 액체연료를 기화시켜 잔여 개질 가스와 혼합하여 혼합 기체를 생성하는 상단부, 및 상기 혼합 기체를 연속촉매에 혼합하는 하단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 적은 산소유량에도 불구하고 연료와 쉽게 혼합될 수 있는 구조를 갖는 1단 연소기가 가능하다.
본 발명에 따르면, 적은 산소유량에도 불구하고 연료와 쉽게 혼합될 수 있는 구조를 갖는 1단 연소기가 가능하다.
Description
본 발명은 액체연료 연소기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 잠수함용 연료개질 플랜트에 적용할 수 있는 다단 연소기에 대한 것이다.
핵추진 잠수함을 제외한 일반적인 재래식 잠수함은 잠항 시 2차전지에 저장된 전력을 주에너지원으로 사용하여 추진한다. 만약 2차전지가 방전되면 함내 탑재된 디젤 발전기로 2차전지를 충전해야만 한다. 디젤 발전기의 구동을 위해서는 대기 중의 산소가 필요하므로 잠수함은 수면위 혹은 근처까지 부상해야 한다.
잠수함이 작전 중 2차전지를 충전하는 행위는 적 감시망에 의해 잠수함의 위치를 노출시킬 수 있다. 이러한 이유로 잠수함 선진국에서는 공기 의존도를 낮추고, 잠수함의 잠항시간을 증가시키기 위하여 공기불요추진(air independent propulsion, AIP) 체계를 개발하여 재래식 잠수함에 적용하고 있다. 특히 연료전지 시스템은 다른 AIP 체계에 비해 상대적으로 에너지 변환 효율이 높고(50~60%), 운용 중 동적 요소가 없어 정숙하므로 독일, 한국 등을 포함한 대부분의 국가에서 채택되고 있다.
연료전지는 전해질 종류 및 작동온도에 따라 크게 5가지 종류로 구분할 수 있다. 그 중 고분자 전해질형 연료전지 타입을 탑재한 잠수함의 경우에는 잠항시간을 증가시키기 위하여 고순도 수소를 효과적으로 저장/공급할 수 있어야 한다.
기존의 잠수함은 금속 수소 저장 합금(metal hydride)에 고순도 수소를 충전/방출하는 방식을 사용한다. 금속 수소 저장 합금은 상대적으로 단위 부피당 수소 저장 밀도가 높고 상대적으로 저압으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 금속 수소 저장 합금 방식은 군수지원의 어려움과 과도한 무게 증가로 인하여 차세대 잠수함용 AIP 체계용 수소공급 방식으로서는 한계가 있다.
이런 이유로 독일 및 스페인에서는 금속 수소 저장 합금 대신에 연료개질을 통한 수소공급 방식을 연구하고 있다. 연료개질 방식은 군수지원이 용이하고, 잠항시간의 증가로 인한 시스템 부피/무게 증가폭을 감소할 수 있어 금속 수소 저장 합금의 문제점을 극복할 수 있다.
잠수함용 연료 개질 플랜트는 기존의 가정용/발전용 연료 개질 플랜트와 기본적인 원리는 동일하다. 일반적으로 연료 개질 플랜트에서는 연료와 물만 공급하여 수소를 생산하는“수증기 개질 방식”을 사용한다. 수증기 개질 방식은 흡열반응이므로 외부에서 열을 지속적으로 공급해야 한다. 따라서 수증기 개질 방식의 연료개질 플랜트에서는 열 공급을 위한 연소기가 필요하다.
잠수함용 연료 개질 플랜트에 필요한 연소기는 민수용 개질 플랜트의 연소기와 형태와 최종 배기가스의 기준에서 뚜렷한 기술적 차이를 보여주고 있다. 즉, 잠수함 운용환경으로 인하여 차이가 난다. 따라서 기존 연료개질 플랜트의 시동을 위한 구조 및 운전 방법을 그대로 적용할 수가 없다.
잠수함용 연료개질 플랜트의 최종 배기가스 대부분은 CO2+H2O로 구성되어야 하기 때문에 1단 연소기가 아닌 다단 연소기의 적용이 필요하다. 또한, 수증기 개질 반응기의 운전에 필요한 열을 공급하기 위하여 각 단의 연소기에서 분할되어 발생하는 열을 효과적으로 수집할 수 있어야 한다.
특히, 다단 연소기는 잠수함용 연료개질 플랜트의 정상 운전뿐만 아니라 시동까지 책임질 수 있도록 설계하여야 한다. 그런데, 일반적인 연소기의 경우, CO가 배출될 수 있다. 즉, 배기가스가 CO2+H2O만으로 구성되지 않아, 불꽃 연소만으로 CO2로 전부 변환되지 않는다.
또한, 일반적인 연소기의 경우, 연소 온도가 높아 고압에서 운용하기 위해서는 케이스 등이 두꺼워야 하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 극복하기 위해 촉매 연소를 포함하는 다단 연소기가 요구되고 있다.
또한, 연료개질 플랜트가 정상상태 일때는 연소가스 온도 750℃로 제한하는 조건하에서도 6단의 연소기만으로 반응기에 필요한 열을 획득하고, 연소가스를 CO2+H2O로 변환할 수 있다. 그러나, 다단 연소기를 시동할 때는 각단의 연소가스 온도를 750℃로 제한할 경우 6단의 촉매 연소기만으로는 모든 메탄올을 연소시킬 수 없거나 각 단에서의 연소 불균형이 심각하게 발생한다.
일반적인 연소기는 산화제로 공기를 사용하지만, 잠수함용 메탄올 연소기는 산화제로 산소를 사용한다. 즉, 잠수함용 메탄올 연소기에는 질소로 희석되지 않은 순수 산소를 산화제로 이용하므로 반응성이 상대적으로 높아 국부적으로 형성되는 고온에 의해 촉매가 녹기 쉽다. 또한, 플래시 백(flash back) 현상이 일어나기 쉽다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 잠수함용 연료개질 플랜트에 적용할 수 있는 다단 연소가 가능한 액체연료 연소기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 적은 산소유량에도 불구하고 연료와 쉽게 혼합될 수 있는 액체연료 연소기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료와 산소를 균질하게 혼합하되, flash back나 불꽃연소가 없도록 설계할 수 있는 액체연료 연소기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연소기 케이스가 과도한 고온에 노출되지 않으며, 촉매 교체가 용이한 액체연료 연소기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고압에서 운전이 가능하고, 연소기 내부로 공급될 수 있도록 전기히터 기반 기화기를 포함하며, 최대한 차압이 발생하지 않도록 하는 액체연료 연소기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 잠수함용 연료개질 플랜트에 적용할 수 있는 다단 연소가 가능한 액체연료 연소기를 제공한다.
상기 액체연료 연소기는,
액체연료를 기화시켜 잔여 개질 가스와 혼합하여 혼합 기체를 생성하는 상단부; 및
상기 혼합 기체를 연속촉매에 혼합하는 하단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 상단부는, 액체연료를 공급하는 배관; 상기 배관의 말단에 연결되고, 공급된 액체연료를 기화시키는 다공성 매질과 상기 다공성 매질에 열을 공급하는 히터를 갖는 기화기; 및 기화된 액체연료와 잔여 개질 가스를 혼합하는 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터는 전기 히터로 열선이 상기 다공성 매질의 가장자리 측면을 둘러싸는 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액체 연료 연소기는, 상기 혼합기의 측면에 형성되어 상기 잔여 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급관; 및 상기 개질 가스 공급관을 지지하도록 상기 혼합기의 외면을 감싸는 자켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단부는, 산소를 분배하는 분배기; 분배된 산소와 반응하기 위한 연소 촉매 집합체가 적층되는 촉매 담지 용기; 및 상기 분배기와 연소 촉매 집합체 사이에 일정한 공간 틈을 형성하는 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기에는 상기 혼합 기체가 통과하는 관통홀이 다수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스페이서는 링형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기와 연소 촉매 집합체 사이에는 상기 연소 촉매 집합체에 의해 발생하는 고온의 연소 촉매에 따른 상기 분배기의 열적 손상을 방지하기 위해 단열재가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기 및 스페이서의 외면에는 단열재가 배치되며, 상기 스페이서는 상기 단열재의 지지대인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소 촉매 집합체의 외면에는 상기 연소 촉매 집합체의 연소 촉매의 열이 상기 촉매 담지 용기에 전달되지 않기 위해 단열재가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소 촉매 집합체의 상단의 온도를 검출하기 위해 제 1 온도 센서가 설치되며, 상기 연소 촉매 집합체의 하단의 온도를 검출하기 위해 제 2 온도 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상단의 온도가 미리 정해진 기준값 이상이면, 상기 연소촉매 집합체의 연속 촉매가 용융되는 것을 방지하기 위해 상기 분배기로 유입되는 산소량은 감소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공간 틈은 10mm~50mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기는 원통 플레이트의 표면상에 미세홀 타입의 관통홀이 형성되는 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기는 원통 플레이트의 표면상에 다공성 매질 타입의 관통홀이 형성되는 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다공성 매질 타입은 다공성 매질의 기공률이 35% 내지 65%이고, 상기 다공성 매질의 입자 사이즈는 20㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단부의 외면에는 반응물 공급라인이 권취되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단부는, 산소를 분배하는 분배기; 상기 분배기의 하단에 배치되며, 원형의 몸체와, 상기 몸체의 내측면에 형성되는 걸림 돌출부와, 상기 몸체의 하단면에 배치되며 상기 걸림 돌출부에 의해 고정되는 연속 촉매부를 갖는 통합 구조물; 및 상기 통합 구조물이 내측에 배치되는 촉매 담지 용기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연속 촉매부는 메쉬(mesh)나 메탈폼(metal foam)의 표면에 연소 촉매 물질이 코팅되는 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 적은 산소유량에도 불구하고 연료와 쉽게 혼합될 수 있는 구조를 갖는 1단 연소기가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 연소촉매에 국부적으로 다량의 산소가 공급될 경우에는 연소촉매가 고온으로 발열 반응하여 촉매 지지체가 용융될 수 있으며, 따라서 연료와 산소를 균질하게 혼합하되, 플래시백(flash back) 및/또는 불꽃연소가 없도록 연소기의 설계가 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 기존의 연소기와는 달리 상당히 높은 압력에서 운전되며, 연소기 케이스가 과도한 고온에 노출되지 않으며, 고온에서 재료의 강도가 감소되지 않을 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 원형 혹은 원통형 구조로 되어서 연소기를 고압에서 안전하게 운전하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 연소 촉매의 교체가 용이한 구조가 된다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 전기히터 기반 기화기를 포함함으로써, 연소기 초기 스타트업(start-up) 시, 액적상태인 메탄올이 기화하여 연소기 내부로 용이하게 공급될 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 최대한 차압이 발생하지 않는다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체연료 연소기(100)의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 액체연료 연소기(200)의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스페이서(132)와 연소 촉매 집합체(135)가 통합된 형태의 통합 구조물(500)에 대한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 액체연료 연소기(200)의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스페이서(132)와 연소 촉매 집합체(135)가 통합된 형태의 통합 구조물(500)에 대한 평면도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 액체연료 연소기를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에서는 다단 연소기중 1단 연소기에 대한 구체적인 구조를 제시한다. 1단 연소기가 나머지 2~6단 연소기에 비해 중요한 이유는 잔여개질가스 + 메탄올이 산소와 처음으로 혼합되어 촉매 연소하기 때문이다. 뒤에 위치한 연소기일수록 연소에 부담이 감소하는 경향이 있다. 따라서, 미시적인 관점에서 1단 연소기(실제로는 2~6단 연소기도 동일한 특성을 가져야 함)는 잠수함 특성상 아래와 같은 요구조건을 필요로 한다.
① 산화제가 공기가 아닌 순수 산소이기 때문에, 산소 공급 유량 자체가 적다. 따라서, 연료와 산소의 혼합에 있어 공기보다 불리한 조건이다. 연소를 위해 동일한 산소량을 요구하더라도, 공기는 질소도 같이 공급되어 상대적으로 유량이 크기 때문에 연료와 혼합이 쉽다. 따라서, 1단 연소기는 적은 산소유량에도 불구하고 연료와 쉽게 혼합될 수 있는 구조가 제시되어야 한다.
② 순수 산소를 사용하기 때문에 반응성이 좋다. 따라서, 연료와 산소가 균질혼합이 될 경우, 플래시 백(flash back) 및/또는 불꽃연소 현상이 일어나기 쉽다. 반대로 연소촉매에 국부적으로 다량의 산소가 공급될 경우에는 연소촉매가 고온으로 발열 반응하여 촉매 지지체가 용융될 수 있다. 따라서, 연소기는 연료와 산소를 균질하게 혼합하되, 플래시 백(flash back) 및/또는 불꽃연소가 없도록 설계해야 한다. 플래시 백은 실험중 빈공간에서 "펑"하면서 터지며, 순간적으로 온도와 압력이 급상승하다가 다시 떨어지는 현상을 말한다.
③ 잠수함용 메탄올 연소기는 기존의 연소기와는 달리 상당히 높은 압력에서 운전되어야 하므로, 연소기 케이스가 과도한 고온에 노출되지 않아야 한다. 고온에서는 재료의 강도가 감소하기 때문이다.
④ 연소기를 고압에서 운전해야 하므로, 원형 혹은 원통형 구조를 가져야 하며, 연소촉매의 교체가 쉬워야 한다. 연소촉매는 소모성 재료로서, 일정시간 사용이후에는 교체해야 한다. 따라서, 연소기는 촉매 교체가 용이한 구조로 설계되어야 한다.
⑤ 연소기 초기 스타트업(start-up) 시, 액적상태인 메탄올이 기화하여 연소기 내부로 공급될 수 있도록 전기히터 기반 기화기를 포함하고 있어야 한다.
⑥ 연소기는 최대한 차압이 발생하지 않도록 설계되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체연료 연소기(100)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 연소기(100)는, 액체연료와 잔여 개질 가스를 혼합하는 상단부(10), 혼합 기체를 연속촉매와 혼합하는 하단부(20) 등을 포함하는 것을 특징으로 한다. 액체연료는 메탄올, 에탄올, 가솔린, 디젤, 부탄올, GTL(Gas to liquid), DME(Di-Methyl Ether) 등이 될 수 있다.
상단부(10)는 액체연료를 공급하는 배관(111), 공급된 액체연료를 기화시키는 기화기(110), 기화된 액체연료와 잔여 개질 가스를 혼합하는 혼합기(120) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 기화기(110)는 몸체(110-1), 상기 혼합기(120)의 일부 상단면을 지지하는 고정부(110-2), 내측에 배관(111)과 연결되는 다공성 매질(113), 상기 다공성 매질(113)에 열을 공급하는 히터(112) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 다공성 매질(113)은 다수의 구멍이 형성되는 원형상의 형태로 히터(112)의 열선에 의해 가장자리 측면이 둘러 쌓이는 형태이다.
다공성 매질(113)은 소정 두께를 갖는 판 형상으로 구성될 수 있으며, 금속재질, 예를 들어 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다. 다공성 매질(113)로는 기공률이 35% 내지 65%이고 입자 사이즈가 20㎛ 내지 300㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 기공률이 35%보다 작거나 입자 사이즈가 20㎛보다 작으면, 액체연료가 통과하기 어렵고 유입시 많은 압력을 받게 되어 내구성에 문제가 일어날 수 있다.
또한, 기공률이 65%보다 크거나 입자 사이즈가 300㎛보다 크면, 액체연료가 별다른 어려움 없이 다공성 매질(113)을 통과하여 기화되지 않은 채로 배출되는 문제가 발생할 수 있으며, 높은 기공률로 인하여 열전달율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
배관(111)에 공급되는 연료는 크게 2가지로 구분된다. 첫 번째는 연료 개질기에서 생성된 개질가스 중 수소 정제기를 통과하고 남아있는 잔여 개질가스이다.
수소 정제기는 개질 가스중 수소만 걸러내서 고순도 수소를 만든다. 개질 가스에 포함된 수소중 약 80~90%의 수소만 걸러내고 나머지는 그냥 외부로 배출된다.개질가스는 약간의 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기로 구성되어 있다. 따라서, 연소기(100)에서는 약간의 수소와 일산화탄소가 산소와 연소반응을 일으켜 열을 획득할 수 있다.
두 번째는 메탄올이다. 잔여 개질가스의 연소만으로는 충분한 열을 확보할 수 없다. 따라서 추가적으로 메탄올을 공급하여 열을 확보할 수 있다.
연소기(110)에는 2가지 연료(액체연료, 잔여 개질 가스)가 공급될 수 있는 통로가 존재한다. 즉, 배관(111) 및 개질 가스 공급관(122)이다. 특히 메탄올의 경우, 액적상태로 존재하기 때문에 기화시키는 장치가 필요하다. 초기 시동시에는 메탄올을 기화시킬 수 있는 방법은 히터(112)를 이용한 열공급밖에 없다. 히터(112)는 열선을 이용한 전기 히터가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가스 히터 등도 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이 히터(112)가 열을 공급하면 다공성 매질(113)이 가열되고, 배관(111)을 통해 액체상태로 공급되는 메탄올을 기화시킬 수 있다.
초기 시동시에는 잔여개질 가스가 생성되지 않는다. 왜냐하면, 개질반응이 일어나고 있지 않기 때문이다. 따라서, 초기 시동시는 잔여개질 가스가 연료로는 사용되지 않는다. 만약 연료개질 플랜트가 정상상태에 도달하면 잔여개질 가스가 생성되기 때문에 연료로 사용이 가능하다.
연소기(100)의 상단부(10)는 액체연료인 메탄올과 잔여개질가스를 혼합하기 위한 공간이다. 이를 위해 혼합기(120)의 측면에는 개질 가스 공급관(122)이 구성되며, 이 개질 가스 공급관(122)을 지지하기 위해 자켓(121)이 혼합기(120)의 외면에 설치된다. 혼합기(120)는 중심이 비어 있는 원통형이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 혼합기(120)의 재질로는 투명 유리, 금속, 비철금속 등이 될 수 있다. 혼합기(120)의 하단 외면에는 개질 가스 공급관(122)을 통과한 잔여 개질 가스가 혼합기(120)내로 유입되도록 유입홀(125)이 형성된다. 부연하면, 자켓(121)은 속이 빈형상으로 개질 가스 공급관(122)을 통과한 잔여 개질 가스가 모이고, 이 잔여 개질 가스가 유입홀(125)을 통해 혼합기(120) 내로 유입된다. 즉, 자켓(121)이 이 유입홀(120)을 덮는 형태이다. 자켓(121)은 접착제를 통해 혼합기(120)의 표면에 고정될 수 있다.
잔여개질가스의 공급방향은 혼합기의 측면에서 혼합기 내의 메탄올 유동방향에 대해 90˚로 공급되므로 혼합기(120)내 난류를 발생에 의해 메탄올과 잔여개질가스를 혼합할 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 하단부(20)는 산소를 분배하는 분배기(131), 연소 촉매 집합체(135)가 적층되는 촉매 담지 용기(130), 분배기(131)와 연소 촉매 집합체(135) 사이에 일정한 공간 틈을 형성하는 스페이서(132) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 스페이서(132)는 링형상일 수 있다. 부연하면, 고온의 연소 촉매가 산소 분배기에 대한 열적 손상을 감소시키기 위하여 연소촉매와 산소분배기 사이에 공간을 제공하는 것이 더 효과적이다. 제공되는 공간 틈은 STS(stainless steel) 링(STS ring의 높이)에 의해서 결정될 수 있다. 바람직하게는 공간 틈은 10mm~50mm 사이가 되는 것이 적합하다.
한편, 액체연료와 산소(O2)도 균질혼합시키는 것이 바람직하다. 잔여개질 가스의 공급 방식대로 측면에서 산소를 공급을 할 수 있다. 하지만, 산소의 유량이 너무 작기 때문에 메탄올 연료를 충분히 혼합시킬 수준의 난류를 발생시키지 못한다. 빈 공간을 대상으로 산소를 분사시키는 방법이 있으나, 빈 공간에서 연료와 산소가 균질혼합이 될 경우에는 산소의 높은 반응성에 의해서 플래시 백(flash back) 현상이 발생하거나 촉매연소가 아닌 불꽃연소가 일어날 수 있다. 즉, 공간에서 연료와 산소가 균질 혼합된 상태이면 결국에는 불꽃연소로 이어진다.
따라서, 산화제인 산소는 분배기(131)를 통해 공급된다. 분배기(131)는 연소촉매 전체 면적에 산소를 최대한 광범위한 영역에 공급되도록 하는 것을 목적으로 한다. 이와 함께 연료가 지나갈 수 있는 통로를 제공한다. 특히, 분배기(131)는 산소 공급관(123)과 연통된다. 산소 공급관(123)은 혼합기(120)의 외면에서부터 혼합기(120) 내부를 통과하여 분배기(131)까지 이어진다. 물론, 이는 예시를 위한 것으로, 혼합기(120)를 통과하지 않고, 촉매 담지 용기(130)의 상단면에 분배기(131)를 구성하는 것도 가능하다.
따라서 산화제인 산소는 분배기(131)를 통해 공급된다. 이 경우, 분배기(131)는 연소촉매 전체 면적에 산소를 최대한 광범위한 영역에 공급되도록 하는 것을 목적으로 한다. 이와 함께 연료가 지나갈 수 있는 통로를 위한 관통홀(131-1)이 분배기(131)에 다수개 형성된다.
유동방향 기준, 분배기(131) 이후에는 혼합 기체와 산소가 혼합될 수 있다. 혼합된 반응물은 최대한 빨리 연소촉매를 만나는 것이 중요하다. 만약 빈공간이 제공된다면, 결국에는 불꽃연소로 이어지기 때문이다. 즉, 처음에는 촉매연소를 하다가도 촉매연소의 고온에 의해서 위로 열이 전달되어 빈공간에서 불꽃연소가 된다. 따라서 비록 연료와 산소가 혼합이 덜 되어 있다 하더라도 연소촉매를 만나는 것이 바람직하다. 즉, 혼합이 되더라도 폼(foam) 형태로 존재하는 연소촉매에서 추가적인 혼합이 일어나면 된다. 이러한 방식이 플래시 백(flash back) 현상을 제거시켜 준다.
분배기(131)는 연소촉매가 구성되는 연소 촉매 집합체(135)와 최대한 가까이 위치하는 것이 바람직하나, 고온의 연소촉매에 의해서 분배기(131)가 열적 손상을 입을 수 있다. 따라서 산소분배기와 연소촉매 사이에는 단열재가 존재할 수 있다.이 단열재는 디스크 모양의 단열재로 분배기(131)와 연속 촉매 집합체(135)사이에 놓인다.
단열재를 삽입하는 것 이외에, 분배기(131)의 열적 손상을 줄일 수 있는 다른 방법은 분배기와 연소 촉매 집합체(135) 사이에 공간을 두는 것이다. 이때 분배기(131)와 연소 촉매 집합체(135) 사이의 정확한 공간을 정의하기 위하여 스페이서가 필요하다. 이러한 스페이서는 외면에 위치하는 단열재(133)가 내부의 빈공간으로 넘어오지 않도록 하는 지지대 역할도 수행할 수 있다.
분배기, 연소 촉매 집합체 등의 외면에는 단열재(133)가 존재한다. 이 단열재는 내부에 생성된 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하고, 금속 재질의 외부 케이스가 고온에 노출되지 않게 함으로써, 열적 내구성을 보장하도록 한다. 단열재(133)로는 SiO2, Al2O3, ZrO2 등이 될 수 있다.
연소촉매 집합체(135)의 상단과 하단에는 열전대가 존재한다. 특히 상단의 열전대가 역할이 중요하다. 만약 상단의 온도가 900℃이상으로 상승시 연소촉매가 용융되는 것을 막기 위하여 산소량을 감소시키는 것이 바람직하다. 상단과 하단의 열전대에 대한 온도를 검출하기 위해 제 1 온도 센서(141)가 연소촉매 집합체(135)의 최상단 연속촉매에 물리적으로 접촉하도록 설치되고, 제 2 온도 센서(142)가 연소촉매 집합체(135)의 하단에 연속촉매와 비접촉 형태로 설치될 수 있다. 실험을 통해, 산소 분배기와 연속촉매 사이에 단열재가 없이 빈공간만 존재할 경우, 연소촉매가 750℃ 유지시 촉매 담지 용기(130)의 온도는 650℃까지 상승되었다.
도 1에서는 이해의 편의를 위해 혼합기(120)와 촉매 담지 용기(130)를 구분하여 도시하였으나, 일체로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 액체연료 연소기(200)의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 연소 촉매 집합체(135), 분배기(131), 공간틈을 단열재(133)로 감싸더라도 촉매 담지 용기(130)의 온도는 350℃ 수준까지 상승할 수 있다. 촉매 담지 용기(130)의 온도가 증가할수록 강도 및/또는 내구성도 감소한다.
특히, 연소기(200)가 고온에서 동작하므로 재료의 물성을 유지하는 것이 중요하다. 따라서 촉매 담지 용기(130)의 온도를 최대한 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 이런 이유로 연소기(200)로 공급되는 낮은 온도의 반응물을 이용하여 촉매 담지 용기(130)를 냉각시킬 수 있다.
반대로 낮은 온도의 반응물은 열교환을 통해 온도가 증가할 수 있으므로 열적 관점에서는 이득이다. 따라서, 반응물 공급라인(250)을 촉매 담지 용기(130)의 외면 주변에 감아놓으면 열교환기처럼 작동이 가능하다. 반응물 중에는 메탄올과 산소의 온도가 낮다. 1단 연소기의 경우, 메탄올 혹은 산소를 이용할 수 있고, 2단~6단 연소기는 산소만 이용가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 필요 시, 플래시 백(flash back) 및/또는 불꽃 연소 현상을 제거하고, 시동 시간을 단축시키기 위하여 분배기(131)에는 물을 공급할 수 있다. 연소가스와의 열교환으로 승온 된 물은 연료 개질 시스템의 초기 시동 시 다단연소기 외부에 위치하는 연료개질기를 승온시키는데 사용될 수 있다. 물론, 이를 위해서는 펌프 등의 다른 추가적인 부품이 요구된다. 도 3을 참조하면, 분배기(131)는 원통 플레이트(310)의 표면상에 미세홀 타입의 관통홀(320)이 형성되는 구조이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 분배기(131)의 사시도이다. 도 4를 참조하면, 분배기(131)는 원통 플레이트(310)의 표면상에 다공성 매질 타입의 관통홀(320)이 형성되는 구조이다.
분배기(131)는 메탄올 연소기의 전체 단면적에 최대한 산소를 넓게 분사하는 것이 유리한 구조로 설계해야 한다. 도 3은 분배기(131) 내에 존재하는 연료 통로 주변에 미세홀을 가공하는 방식이다. 도 4는 분배기 하단면(연료 유동기준)의 전체 면적(연료통로 면적 제외)을 다공성 매질로 제작하는 방식이다.
도 3의 경우, 분배기 하단면의 미세홀 면적 합산이 분배기 상단면의 산소 배관 면적에 비해 작도록 설계하는 것이 바람직하다. 만약 미세홀 면적 합산이 산소 공급 배관 면적보다 클 경우(즉, 출구 배관 면적 > 입구 배관 면적), 산소가 중심부에 위치한 미세홀로 많이 배출하게 된다. 다시 말하면 분배기 내부 공간에 약간의 압력이 형성하는 것이 미세홀마다 산소를 골고루 배출하는데 더 유리하다.
도 3에 도시된 분배기의 가장 큰 특징은 분배기 하단면의 중심부가 막혀 있다는 것이다. 중심부가 막혀 있어, 어떠한 반응물도 촉매에 공급되지 않는다. 따라서 연소촉매의 중심부가 미반응 상태로 남아 있다. 또한 도 3에 도시된 분배기의 경우, 각 미세홀의 지름이 균일하게 가공해야 하지만, 현실적으로 홀이 너무 작기 때문에 기계가공으로는 균질한 지름으로 가공하기가 힘들다. 미세홀의 지름이 달라지면 산소가 균질하게 배분되지 않는다.
도 4에 도시된 분배기의 경우, 전체 면적에서 산소가 균질하게 배출된다는 장점이 있다. 산소가 균질하게 배출되면 연소촉매도 균질한 연소가 가능하여 온도구배가 향상된다. 하지만, 분배기 하단부의 중심부가 연료공급 없이 산소만 배출된다. 이러한 산소는 연소반응에 참여하지 않고 후단의 연소기로 넘어갈 수 있다. 가격/제작의 균질성/내구성 측면에서는 다공성 매질 타입이 미세홀 타입보다 우수하다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스페이서(132)와 연소 촉매 집합체(135)가 통합된 형태의 통합 구조물(500)에 대한 평면도이다. 도 5를 참조하면, 통합 구조물(500)은 원형의 몸체(510), 몸체(510)의 내측면에 형성되는 걸림 돌출부(530), 몸체(510)의 하단면에 배치되는 연속 촉매부(520)를 포함하여 구성된다. 연소 촉매부(520)는 지지대 역할을 하는 메쉬(mesh)나 메탈폼(metal foam)의 표면에 연소 촉매 물질이 코팅되는 형태이다. 이때 메쉬 및 메탈폼의 재질은 금속 및 세라믹 재질이 될 수 있다.
메쉬나 메탈폼 재질의 얇은 디스크 형태 연소 촉매가 연소기에 정확히 고정/설치되는 방법 중에 하나로, 스페이서와 통합하는 것이다. 스페이서의 기능을 하는 몸체(510)는 분배기(131)와 연소 촉매부(520) 사이의 공간을 보장해 줄 뿐만 아니라 연소 촉매를 지지해 주는 구조물 역할도 수행할 수 있다. 이를 위하여 연소 촉매부(520)의 외경은 몸체(510)의 내경보다 작게 제작한다. 몸체(510)의 내부에 삽입되는 연소 촉매부(520)를 지지하기 위하여 몸체(510)의 내측면에 걸림 돌출부(530)를 만든다.
이때, 연소 촉매부(520)의 위치를 기준으로 몸체(510)의 상단 및 하단에 돌출부를 만든다. 만약, 상단에 90도 간격으로 4개의 돌출부로 연소촉매를 지지하면, 하단에는 상단 돌출부와 45도 회전된 위치에 하단 돌출부를 만든다. 이러한 구조물을 통해 연소 촉매부(520)는 몸체(510)의 내부 공간에 지지될 수 있다. 몸체(510) 내부의 연소 촉매부(520)는 1개 이상 설치할 수 있으며, 몸체(510)의 외면에는 단열재로 감싼 후, 촉매 담지 용기(130)에 고정할 수 있다.
이러한 통합된 구조물을 통해 1) 분배기와 연소 촉매부 간 공간을 보장하고 2)연소 촉매부를 단단히 고정할 수 있으며, 3) 외면의 단열재가 내부공간으로 빠져나오는 것을 방지할 수 있다.
10: 상단부
20: 하단부
100,200: 연소기
111: 배관 112: 히터
110: 기화기
120: 혼합기
121: 자켓 122: 개질 가스 공급관
130: 촉매 담지 용기
131: 분배기 132: 스페이서
133: 단열재 135: 연소 촉매 집합체
141,142: 제 1 및 제 2 온도 센서
20: 하단부
100,200: 연소기
111: 배관 112: 히터
110: 기화기
120: 혼합기
121: 자켓 122: 개질 가스 공급관
130: 촉매 담지 용기
131: 분배기 132: 스페이서
133: 단열재 135: 연소 촉매 집합체
141,142: 제 1 및 제 2 온도 센서
Claims (19)
- 액체연료를 기화시켜 잔여 개질 가스와 혼합하여 혼합 기체를 생성하는 상단부(10); 및
상기 혼합 기체를 연속촉매에 혼합하는 하단부(20);를 포함하며,
상기 상단부(10)는,
상기 액체연료를 공급하는 배관(111);
상기 배관(111)의 말단에 연결되고, 공급된 상기 액체연료를 기화시키는 다공성 매질(113)과 상기 다공성 매질(113)에 열을 공급하는 히터(112)를 갖는 기화기(110); 및
기화된 상기 액체연료와 상기 잔여 개질 가스를 혼합하는 혼합기(120);를 포함하고,
상기 혼합기(120)의 측면에 형성되어 상기 잔여 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급관(122); 및
상기 개질 가스 공급관(122)을 지지하도록 상기 혼합기(120)의 외면을 감싸는 자켓(121);을 포함하고,
상기 하단부(20)는,
산소를 분배하는 분배기(131);
분배된 상기 산소와 반응하기 위한 연소 촉매 집합체(135)가 적층되는 촉매 담지 용기(130); 및
상기 분배기(131)와 상기 연소 촉매 집합체(135) 사이에 일정한 공간 틈을 형성하는 스페이서(132);를 포함하며,
상기 잔여개질가스의 공급방향은 상기 혼합기(120)의 측면에서 상기 액체연료의 유동방향에 대해 90˚로 공급되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 히터(112)는 전기 히터로 열선이 상기 다공성 매질(113)의 가장자리 측면을 둘러싸는 구조인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 분배기(131)에는 상기 혼합 기체가 통과하는 관통홀(131-1)이 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 스페이서(132)는 링형상인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분배기(131)와 상기 연소 촉매 집합체(135) 사이에는 상기 연소 촉매 집합체(135)에 의해 발생하는 고온의 연소 촉매에 따른 상기 분배기(131)의 열적 손상을 방지하기 위해 단열재(133)가 배치되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분배기(131) 및 상기 스페이서(132)의 외면에는 단열재(133)가 배치되며, 상기 스페이서(132)는 상기 단열재(133)의 지지대인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 연소 촉매 집합체(135)의 외면에는 상기 연소 촉매 집합체(135)의 연소 촉매의 열이 상기 촉매 담지 용기(130)에 전달되지 않기 위해 단열재(133)가 배치되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기. - 제 1 항에 있어서,
상기 연소 촉매 집합체(135)의 상단의 온도를 검출하기 위해 제 1 온도 센서(141)가 설치되며, 상기 연소 촉매 집합체(135)의 하단의 온도를 검출하기 위해 제 2 온도 센서(142)가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 11 항에 있어서,
상기 상단의 온도가 미리 정해진 기준값 이상이면, 상기 연소촉매 집합체(135)의 연속 촉매가 용융되는 것을 방지하기 위해 상기 분배기(131)로 유입되는 산소량은 감소되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 공간 틈은 10mm~50mm인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분배기(131)는 원통 플레이트(310)의 표면상에 미세홀 타입의 관통홀(320)이 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분배기(131)는 원통 플레이트(310)의 표면상에 다공성 매질 타입의 관통홀(320)이 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 15 항에 있어서,
상기 다공성 매질 타입은 다공성 매질의 기공률이 35% 내지 65%이고, 상기 다공성 매질의 입자 사이즈는 20㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하단부(20)의 외면에는 반응물 공급라인(250)이 권취되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 액체연료를 기화시켜 잔여 개질 가스와 혼합하여 혼합 기체를 생성하는 상단부(10); 및
상기 혼합 기체를 연속촉매에 혼합하는 하단부(20);를 포함하며,
상기 상단부(10)는,
상기 액체연료를 공급하는 배관(111);
상기 배관(111)의 말단에 연결되고, 공급된 상기 액체연료를 기화시키는 다공성 매질(113)과 상기 다공성 매질(113)에 열을 공급하는 히터(112)를 갖는 기화기(110); 및
기화된 상기 액체연료와 상기 잔여 개질 가스를 혼합하는 혼합기(120);를 포함하고,
상기 혼합기(120)의 측면에 형성되어 상기 잔여 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급관(122); 및
상기 개질 가스 공급관(122)을 지지하도록 상기 혼합기(120)의 외면을 감싸는 자켓(121);을 포함하고,
상기 하단부(20)는,
산소를 분배하는 분배기(131);
상기 분배기(131)의 하단에 배치되며, 원형의 몸체(510)와, 상기 몸체(510)의 내측면에 형성되는 걸림 돌출부(530)와, 상기 몸체(510)의 하단면에 배치되며 상기 걸림 돌출부(530)에 의해 고정되는 연속 촉매부(520)를 갖는 통합 구조물(500); 및
상기 통합 구조물(500)이 내측에 배치되는 촉매 담지 용기(130);를 포함하며,
상기 잔여개질가스의 공급방향은 상기 혼합기(120)의 측면에서 상기 액체연료의 유동방향에 대해 90˚로 공급되는 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
- 제 18 항에 있어서,
상기 연속 촉매부(520)는 메쉬(mesh)나 메탈폼(metal foam)의 표면에 연소 촉매 물질이 코팅되는 형태인 것을 특징으로 하는 액체연료 연소기.
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