KR100294307B1 - 개선된인젝터를이용한저산화버너 - Google Patents

Abstract

공기 또는 산소와 혼합되도록 디젤등의 액체 또는 기체 연료를 수용하여 스파크 플러그에 의해 점화시키기 위한 1단 또는 다단 내부 연소실(10)을 가진 저산화 버너에 이용되는 인젝터가 개시된다. 인젝터는 공기 및 연료를 배플(45)을 가진 혼합 장치로 동시에 공급하기 위한 급송 도관들(46,47)을 포함하며 분리되어 분사된 공기 및 연료가 상기 배플에 충돌되어 점화, 연소 및 배기되는 완전한 공기/연료 혼합물로 된다. 상기 인젝터는 연료로부터 최대 수소 H₂를 발생시키도록 물과 혼합하기 위해 배출 가스들을 수용한다. 연소실내에서 겹쳐지며 방향이 역전되는 층류가 형성된다.

Description

개선된 인젝터를 이용한 저산화 버너

통산 버너는 연소실에서 연료와 농후한 공기로써 작동되며 크게 2단으로 반응한다. 제 1 단은 연료와의 초기 화학 반응을 유도하는 고온이 발생되는 화학량론 근방의 공기/연료비로 되어있는 영역을 포함한다. 상기 온도에 의해 고농축 질소 산화물 NO_X이 발생된다. 제 2단은 최종의 전체 공기/연료비를 달성하도록 농후한 공기 상태하에서 작동한다. 그의 온도는 낮지만 종종 NO_X를 형성하지 않을 정도로 충분히 낮지 않으며, 이 단에서는 일반적으로 제 1 단에서 형성된 NO_X를 제거하지 않는다. 그 결과, 양쪽단에서 형성된 NO_X가 버너 배출물에서 발견된다.

계류중인 미국 특허 출원 제 08-148,471호 및 07-997,450호에는, 저산화 버너의 과도한 연료 및 공기 사이에서 프로세스를 통해 화학적 평형을 이루게 되어 공기-연료 혼합물이 급격한 역류를 발생시킴을 개시하고 있다. 이 기술은 과도한 연료 농도가 N₂대신에 공기 및 연료 사이의 반응을 야기하므로, NO_X형성없이 상당한 고온에서 평형을 이루게 한다.

상기 계류중인 특허들의 기술에 의한 생성물들은 더 많은 공기로써 용이하게 연소되는 것으로 알려져 있다. 그 결과, 동력 엔진 또는 보일러용의 과잉 공기 연소기에서는 연관된 2단의 프로세스에 의해 사실상 NO_X가 영으로 되게 할 수 있다. 제 1 단은 상기 계류중인 특허들에 개시된 타입의 연료-농후 버너를 포함한다. 제 2 단은 유사한 기술을 이용하지만 공기가 농후한 상태에서 작동한다. 제 1 단에서의 생성물과 최종 공기-연료 혼합물을 얻기 위해 필요한 과잉 공기가 제 2 단으로 도입된다. 이 단에서, 후자의 공기 및 후자의 생성물의 혼합물은 상기 계류중인 특허들의 기술에 의해 발생되는 동일의 급격한 역류를 형성하게 되어, 신속한 화학 평형을 이룬다. 저산화 버너에서 얻어지는 연료 생성물의 개선된 고유의 반응성, 역류유도, 및 비교적 고농도의 수소때문에, 통상 이용되는 것보다 높은 공기/연료비로 제 2 단에서 평형이 유도될 수 있다. 이로써 NO_X형성이 매우 낮은 아주 낮은 온도로 된다. 온도가 상승되는 경우의 높은 공기/연료비에서도, 상기 기술에 의하면 공기 및 연료가 매우 신속하게 혼합되어 아주 높은 온도를 방지할 수 있기 때문에, 비교적 NO_X가 작게 발생된다.

제 2 단에 필요한 조건들을 얻기위해, 전술한 특허들의 분사방식이 변경된다. 이러한 변경은, 저산화 버너 생성물의 온도가 평형을 이루려는 전체적 경향을 약화시키고 예비 점화를 야기할 수 있어서 인젝터를 손상시키기에 충분할 정도로 높은 내부 온도를 발생시키기 때문에 필요해진다. 그 변경은 제 1 단 생성물과 새로운 공기를 인젝터의 공간내에 구속되어 있는 동안 서로 분리시키는 것이다.

따라서, 연소후에 더 많은 수소를 발생시키도록 물이 첨가될 수 있는 공기/연료를 휘발성 혼합물로 혼합하기 위한 새로운 인젝터에 대한 오랜 필요성이 존재한다. 이러한 인젝터 수단은 제조 및 NO_X버너의 연소실로의 설치가 간단하고, 배출 노즐에서의 배출물에 대한 물 분사를 수용할 수 있다.

본 발명은 내연기관 및 터빈 또는 일반적인 수소발생기에서 배출되는 질소 산화물을 감소시키기 위한 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 연소실내로 공기/연료 혼합물을 분리하여 수용하며 수소 발생을 증가시키도록 연소된 배출물에 물을 첨가하는 인젝터 혼합 장치에 관한 것이다.

제1도는 본 발명의 새로운 인젝터를 이용한 2단 저산화 버너의 개략적인 길이 방향 단면도;

제2도는 새로운 인젝터를 가진 1단 저산화 버너 및 버너 배출구에 물 분사 수단을 포함하는 제1도의 도면과 유사한 단면도;

제3, 4 및 5도는 제1 및 2도에 도시된 저산화 버너에 이용되는 새로운 인젝터를 나타낸 도면들;

제6도는 디젤등의 연료를 처리하기에 적합한 저산화 버너의 길이방향 단면도.

제7도는 물 첨가 수단을 가진 제2도의 도면과 유사한 단면도.

제8 및 9도는 수소 발생을 증가시키도록 저산화 버너에 물을 첨가함을 나타낸 챠트들; 및

제10 및 11도는 탄소 형성 감소와 수소발생 증가를 위해 저산화 버너에 물을 첨가하는 것과 연관된 챠트들이다.

따라서, 연료 및 공기가 급송도관을 통해 도입되며 혼합물이 급송 도관 둘레에서의 겹쳐지는 유동 및 연소실내의 역류에 의해 층류를 형성하도록 연료 및 공기를 혼합되게 유도하고 역류를 유도하는 심블의 배리어와 도입되는 연료 및 공기가 강제로 충돌되게 하는 적어도 하나의 연소실을 갖는 새로운 버너를 제공하는 본 발명에 의해 상기한 문제점들 및 어려움이 해소된다. 완전 혼합된 공기 및 연료를 혼합시키도록 점화 수단이 제공되며 배출물은 배출물에 물을 분사하는 수단을 포함할 수 있는 배출 노즐로 향하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 물을 첨가하여 연료로부터 저산화 버너를 통해 발생되는 수소를 증가시키는 수단을 제공하는 것이다. 이러한 물첨가 수단은 탄소 형성을 감소시킨다.

본 발명의 다른 목적은 연료로부터 최대의 수소를 발생시키고 여러가지의 작동 프로세스들에 대해 방해하는 고체 분말을 형성하는 탄소를 감소시키는 저산화 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연료 및 산소를 혼합물이 점화되어 연소되는 연소실로 분사하기 직전에 함께 이송함으로써 공기 또는 산소 및 연료 급송에 대해 아주 신속한 예혼합을 실행하는 새로운 인젝터를 이용한 저산화 버너를 제공하는 것이다. 이러한 혼합 프로세스가 신속하게 발생됨으로써 인젝터에서 예비반응이 발생될 시간이 없게된다.

본 발명의 또 다른 목적은 제 1 단의 저산화 버너에서 생성되어 통상 공기 또는 산소와 자발적으로 신속하게 반응되는 일산화탄소와 수소의 매우 고온의 혼합물을 포함하게 되는 연료에 대한 저산화 버너의 새로운 인젝터를 제공하는 것이다. 이러한 예비 반응이 허용되면, 해롭게 될 것이며 그에 따라 의도하지 않은 생성물이 발생될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 버너 배출단에서 물을 첨가함에 의해 증가될 수 있는, 연료로부터 수소를 최대로 발생시키기 위한 저산화 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 디젤 오일 또는 다른 액체 오일등의 액체 연료를 이용하는 저산화 버너를 제공하는 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 목적 및 장점들에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 을 참조하면, 인젝터(11)를 포함하는 본 발명의 새로운 2단 저산화 버너가 화살표(10) 방향으로 도시되어 있다. 버너는 1단 버너(12) 및 2단 버너(13)를 포함한다. 도관(14)은 저산화 버너(12)의 하류측 부분이며 상기 저산화 버너는 그의 고온 배출물이 튜브 또는 도관(14)을 통과하여 결국 2단 또는 제 2 버너(13)로 유동하도록 배치된다. 도관(14) 또는 파이프는 2단 버너(13)내의 연소실(13)로 연통하며 심블(16) 내부의 편평한 표면에 대해 떨어져 있는 관계로 고정된채 유지된다. 상기 편평한 표면은 참조부호(17)로 나타내며 화살표로 도시된 바와같이 도관(14)을 통과한 배출물이 도관 단부와 대향 표면(17)사이의 공간으로 유동하여 충돌이 발생하고 심블의 구멍을 통해 배출되도록 방향을 180도 바꾸게 된다. 도시된 바와같이, 심블(16)은 컵모양이고 도관(14)은 공기 안내 도관(18) 내측으로 동축방향으로 떨어져 있는 관계로 배치된다. 저산화 버너의 연료 및 공기를 포함한 원하는 전체 화학량론적 공연비를 제공하기에 충분한 공기가 파이프(20)를 통해 동축방향으로 배치된 상기 도관들(14,18)의 대향면들 사이에 형성된 환형부(21)내로 유동한다. 환형부(21)의 하단은 절연단부(22)에 대해 밀봉되며 환형부의 상부는 심블(17)의 공간내로 개방된다. 흡입 또는 급송 도관(14)에서의 가스들 및 급송 도관(18)에서의 공기는 화살표로 나타낸 공기유동에서와 같이 심블(17)내에서 서로 혼합된다. 그후, 공기 및 연료 혼합물은 90도로 두번 방향 전환되어 도관(18)의 외측을 따라 후방으로 이동하는 가스 실린더로 배출되기 전에 완전 혼합된다. 상기한 혼합물 실린더는 스파크플러그 또는 그와 유사한 점화기(23)에 의해 점화되는 연소실(15)내에서 섞인다음 뒤집혀지는 층류를 나타내는 것이다. 연소실을 통해 이동하면서, 상기 가스형 실린더는 버너(15)로부터 가스들을 유도하여 재순환시킨다. 그후, 가스들이 벽(22) 및 다른 연소벽에 대해 충돌하여 다시 두번 더 90도로 회전함에 따라 혼합을 더욱 촉진시킨다. 그 가스들은 연소실을 향해 통과하면서 축방향 상방으로 이동하여 절연 재료로 제조된 배리어링(24)에 이르게 된다. 이와같이 유도-재순환 작용을 돕는 도관(18)을 향해 상기 가스들이 이동된다. 마지막으로, 상기 고온가스 생성물은 버너의 나머지 부분을 통과하여 오리피스 노즐(25)로 배출된다. 실험 결과 유동을 분리함으로써 거의 두배의 연소 효율이 얻어졌으며 또한 NO_X및 CO 배출이 매우 낮아졌다.

도 2 를 참조하면, 저산화 버너에 사용되는 연료 및 공기 급송에 대한 매우 신속한 예혼합을 실시하기 위한 인젝터를 나타낸 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 상기 버너(30)는 연소실(31)을 갖춘 1단 버너를 포함한다. 공기 및 연료는 연소실(31)로 분사되기 전에 도관들(32,19)을 통해 함께 이동되어 연소실에서 점화 및 연소된다. 상기 혼합은 매우 신속하게 이루어져 인젝터내에서 예비반응(33)이 발생될 시간적 여유를 주지 않는다. 상기 인젝터는 연료가 도 1에서 기술된 바와같이 통상 공기와 자발적으로 신속하게 반응하게 되는 제 1 단에서의 저산화 버너의 배출물에 의해 형성되는 바로서, 일산화탄소 및 수소의 초고온 혼합물을 포함할때 특히 유용하다. 이러한 예비반응은 해로운 것으로서 그에 따라 의도하지 않은 생성물이 발생될 수 있다.

버너(30)는 금속 인클로우저(35)내의 절연체(34)에 의해 둘러싸여 있다. 연소실내로 세라믹링(36)이 돌출하여 내부 절연체(34)에 부착된다. 연료는 도관(32a)으로 유입되어 인젝터(33)의 일부를 형성하는 컵모양 심블(37)로 이동한다. 심블(37)의 내부로 진입할때, 연료는 배리어(38)에 충돌하여 심블(37)의 원통형 내부 측벽(39)으로 반경방향 바깥쪽으로 이동한다. 공기는 도관(32)으로 유입되어 연료와 충돌되는 측면의 배리어(38)의 대향 측면으로 충돌되도록 그의 개방 단부를 통해 배출된다. 그 결과, 공기는 심블의 내부 측벽(39)으로 향해진다. 이때, 연료/공기 혼합이 초기 혼합과 90도 방향전환되어 실행된다. 심블(39) 측벽의 원통형 부분 내측을 통과하면서, 공기역학 및 모멘트 효과가 발생되어 혼합물을 얇은 시트형 증기내로 함께 압박함으로써, 더욱 혼합이 잘되게 한다. 그 혼합물은 심블의 구멍을 통해 심블내로 유입되어 공기역학적 힘에 코안다(Coanda) 효과가 더해져 공기 흡입 도관(32)의 외측으로 비교적 얇은 층류의 형태로 압축되어 부착된다. 이로써 더욱 혼합이 잘되게 하며 또한 초고온 연소 온도로부터 도관(32)을 보호하게 된다. 하류로 이동하는 층류는 결국 바닥 또는 단부 절연면(40)에 이르게 되어, 90도 방향전환후 내측 측벽(41)으로 이동하여 또다시 방향전환을 하게된다. 상기 두번의 방향 전환은 연료 및 공기의 혼합에 도움을 준다. 그 혼합물은 스파크플러그(42)에 의해 점화된다. 연소가스는 연소실의 대향단부를 향해 상방으로 이동하여 결국 버너의 하부 부분을 채우게 된다. 연소실내의 고온가스의 일부는 심블(37)에서의 하방 층류로 유도되어 연소에 도움이 되는 재순환을 발생시킨다. 이러한 유도작용은 도관(32)으로 고온가스를 배출시키는 세라믹링(36)에 의해 증가된다. 결과적으로, 연소 생성물 또는 배출물은 노즐(43)을 통해 배출된다. 점화후, 스파크가 필요치 않게되면 차단된다.

혼합물 유동은 각 도관들(19,33)의 개방단부들을 통해 배출되는 공기 및 연료 유동으로서 화살표로 나타낸다. 또한, 흡입 급송 도관들(32,33)은 도 1에 도시된 바와같이 서로 동축방향으로 배치되지만, 도 2의 급송관들은 서로 동일 공간으로 연장되며, 연료 급송 도관(33)의 단부상에 지지된 심블(37)을 가진다. 도 1에서, 인젝터의 심블(16)은 전술한 계류중인 출원들에 개시된 바와같이, 스포크 또는 다른 임의의 종래의 방식으로 도관(18)상에 용이하게 지지될 수 있다.

도 3, 4 및 5에서, 심블 위치 및 그 심블로의 공기/연료 도입을 위한 다른 배열을 도시하고 있다. 도 3에서, 심블(43)은 그의 대향면이 공기 급송 도관(46) 및 연료 급송 도관(47)의 개방 단부들과 직접 대향하도록 배열된다. 연료/공기 혼합물 급송은, 배리어(38)가 사용되지 않는 점을 제외하면 도 2에 도시된 인젝터(33)에 대해 기술된 바와 동일하다. 그러나, 도 3에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 2단 저산화 버너의 제 2 단으로서 사용될 수 있다. 도 4에 있어서는, 전술한 바와같이 심블(48)이 연료 급송 도관(49) 및 공기 급송 도관(50)의 개방 단부들을 수용하는 다른 형태의 인젝터가 사용된다. 그러나, 연료 급송 도관(49)의 단부는 폐쇄되고 그 폐쇄단부 근처의 도관의 측벽에 배치된 구멍들을 통해 연료가 심블 및 공기 급송류에 도입된다. 그 구멍은 참조부호(51)로 나타낸다. 또 다른 인젝터의 형태가 도 5에 도시되는데, 심블은 그의 기부 판(53)이 공기 및 연료가 충돌되는 외부면을 가지도록 역전되어 있다. 공기 급송 도관(54) 및 연료 급송 도관(55)은 서로 떨어져 고정된 관계로 동축방향으로 배치되어 공기급송이 연료 급송 도관(51)의 외부면을 따라 이루어진다. 그러나, 공기 및 연료 양자의 배출은 판(53)의 외부면에 대해 충돌하도록 개방단부를 통해 동시에 실시된다. 혼합된 유동은 전술한 바와같이 심블의 외부 측벽 둘레를 통과하여 연소실로 유동함으로써 층류를 형성한다.

도 3, 4 및 5에 도시된 변형된 인젝터는 도 2에 도시된 버너에 사용될 수 있으며 그 경우 연료가 상부가 아닌 하부로부터 도입됨으로써 시스템 구성을 더욱 간단화할 수 있다. 도 3 및 4에서, 공기 및 연료는 각각 급송 도관들(46,47)을 통해 상방으로 도입된다. 도 3에서, 공기 및 연료는 심블(45)의 내측에 도달되어 그 두가지 성분의 유동이 심블의 내측상에서 충돌하여 옆으로 향하게 됨으로써, 도 2에 도시된 바와 유사한 조건으로 된다. 도 4에서, 인젝터의 연료 도관 부분만이 배출 오리피스 또는 통로(51)에 제공된다. 이때, 연료는 도관의 폐쇄 상단부 근처에 제공된 오리피스를 통해 도관(49)에서 배출된다. 그후, 연료는 전술한 바와같이 급송도관(46)에서 유동하는 공기내로 도입된다. 이러한 타입의 인젝터는 메탄등의 연료가 공기와 예외적으로 반응되지 않을때 가장 유용하다.

도 5에 도시된 실시예에서, 변형된 인젝터가 개시된다. 상기 변형된 인젝터에서, 도관(54)에서의 공기 및 도관(55)에서의 연료는 하부판(53)의 표면에 대해 충돌함에 의해 심블(52)의 외측으로 충돌한다. 이 경우에, 코안다 효과에 의해 두 가지 성분의 급송류를 얇은 층류로서 심블의 외측 원통형부분에 부착되도록 하여, 혼합을 발생시키는 압박효과를 유도한다. 심블에서 배출되는 재료상의 공기역학적 효과에 의해 상기 급송류는 안쪽으로 이동하여 비교적 소직경의 하방 이동류를 형성함으로써, 혼합을 더욱 촉진시킨다.

상기 인젝터는 전술한 특허 출원들에 개시된 바와같이, 저산화 반응을 실행하는데 필요한 고온으로 상기 급송류를 예열하기 위한 예열수단을 포함한다. 이점에서, 상기 계류중인 출원들에는 에너지를 절약하도록 공기/연료 급송류를 예열하기 위해 사용될 수 있는 여러가지 방법들이 개시되어 있다. 그러나, 본 명세서에서 개시된 어떠한 인젝터들과도 사용될 수 있는 다른 예열 수단이 도 6에 도시되어 있다.

도 6을 다시 참조하면, 예열 수단을 갖춘 새로운 인젝터를 이용하는 저산화 버너가 화살표(60) 방향으로 도시된다. 이 버너는 금속벽(63)내의 절연체(62)에 의해 둘러싸인 연소실(61)을 포함한다. 이 벽은 떨어져 있는 금속벽들(63,64)의 대향면들 사이에 공간(65)을 형성하는 금속벽(64)에 의해 떨어져 있는 관계로 둘러싸여 있다. 급송 공기는 급송 도관(66)을 통해 환형 공간(65)으로 도입되어 하방으로 이동한다. 버너의 하단부에서, 공기는 화살표(67)로 표시된 방향으로 도 3에 도시된 타입의 인젝터로 유입된다. 연료는 급송 도관(68)을 통해 인젝터(67)에서 공기로 도입된다. 연료 및 공기 급송류는 전술한 바와같이 인젝터의 심블내에서 혼합된다. 이러한 구조를 이용함에 의해, 통상 절연체를 통해 손실되는 에너지가 재생된다. 또한, 상기한 구조에서는 외부 금속벽(64)의 온도가 78°F의 혼합물에 대한 버너에서의 온도 약 2900°F로부터 급송 공기의 온도 1100°F로 감소되기 때문에 절연체를 통한 에너지의 손실을 감소시킬 수 있다.

지금까지 설명된 여러 인젝터들에서는 연료 및 공기 급송류가 연료를 분리하여 가열하거나 또는 전혀 가열하지 않는 급속한 혼합 이전에는 분리시킨채 유지된다. 이는 비교적 열에 민감한 연료를 이용할때 유리한 장점을 제공한다. 따라서, 디젤오일은 약 650°F인 그의 비등점 이상으로 너무 심하게 가열되는 경우, 연소하기 어려운 탄소등의 성분들로 분해되려는 경향이 있다.

이하 도 6에 대한 설명에서는 디젤오일등의 액체연료를 이용할 수 있는 저산화 버너의 능력에 대해 중점적으로 설명한다. 이 실시예에서, 액체연료는 먼저 저산화 버너에서 이요될 수 있도록 기화되어야 한다. 분석 및 실험에서 이러한 거의 모든 연료들이 열역학적으로 불안정하고 비등점 근방에서 고체 탄소등의 재료들로 분해되려는 경향이 있는 것으로 나타났다. 이러한 재료는 청정 연소가 어렵고 여러 가지 탄화수소를 발생시킨다. 또한, 비교적 고비등 액체들은 불균일 연소를 유발하는 외부 화염에 의해 가열된 열 교환기 튜브를 통과함에 의해 기화가 이루어질때 "척(chug)" 현상을 일으키려 한다. 이러한 문제를 해소하고 더욱 범용의 분사 시스템을 제공하기 위해, 본 발명의 개념이 이용될 수 있다. 상기 연료는 고온 흡입 또는 급송 공기 유동으로 둘러싸인 동안에 열 교환기 튜브의 외측에서 기화된다. 이로써 맥동 또는 잘 알려진 "척"현상을 일으키지 않고 기화시에 즉각적으로 공기 및 연료의 소망하는 초기 혼합을 이룰수 있다.

디젤오일등의 액체연료를 처리하기 위해 도 6의 실시예를 이용하는 경우, 액체연료는 도시된 바와같이 심블 내측 하부에 대해 매우 인접하게 배출되는 소형 튜브를 통해 버너의 하부 또는 하단부로부터 도입된다. 급송 공기는 연료 도관을 둘러싸고 있는 대형 튜브로 유입되고, 고온 공기에 의해 사용되는 특정 연료에 따라 연료의 온도를 상승시키는 액체연료에 대한 열교환이 이루어진다. 배출되는 연료는 심블에 충돌되어, 그 액체연료가 축방향 바깥쪽으로 이동된 다음 심블의 측면 하방으로 이동된다. 혼합물이 심블에서 배출될때, 공기역학적 힘이 그 혼합물을 인젝터의 급수탑 벽의 외측으로 향하도록 한다. 또한, 외측 환형부에서의 공기는 심블에 의해 인젝터 벽의 하방으로 이동된다. 또한, 급수탑 벽을 통과하는 고온가스 및 외부 화염 양자로부터의 열교환이 이루어져, 액체연료의 온도를 비등점까지 상승시킨다. 이와같이 생성된 증기는 공기가 액체연료와 접촉되므로 분해되지 않고 주변 공기층으로 유입되어, 탄화가 발생될 정도의 더욱 높은 온도를 얻게될 가능성이 없어진다. 기화 연료/공기 혼합물은, 공기역학적 힘이 그 둘을 함께 압박함으로써 평형 반응을 위해 필요한 균질 혼합을 형성하는 인젝터 벽의 하방으로 이동한다. 하부에 도달하면, 그 혼합물은 전술한 방식으로 점화되어 연소된다.

저산화 버너의 목적은 연료로부터 최대의 수소, H₂를 발생시키는 것이다. 이는 도 2, 및 7-11을 참조하여 후술되는 바와같이 물을 첨가함에 의해 증가될 수 있다.

촉매없이 평형을 이루기 위해서는 통상의 저산화 버너 연소 온도가 높게되어, 상당량의 CO를 형성한다. 이는 활용될 수 있으며 H₂와 이산화탄소(CO₂)를 발생시키기 위한 일산화탄소(CO)와 물(H₂O) 사이의 잘 알려진 시프트반응, 즉 H₂O+CO=H₂+CO₂을 통해 더 많은 수소가 형성된다.

상기한 수소발생은 저온 및 고 H₂O 농도에 의해 유리해진다. 통상 촉매가 사용되며, 도 2에 도시된 저산화 버너 하류의 촉매 시프트 반응(29)은 본 발명의 기술내용중 일부이다.

저산화 버너의 열출력이 비교적 높기 때문에, 그의 연소온도는 상당량의 물이 첨가된때에도 높게 유지된다. 이것이 연소가스로부터의 열교환에 의해 1000°F로 가열된, 물을 함유한 모든 반응 물질에 대한, CH₄+0.5x2(O₂+3.76N₂)+n H₂O(g), n은 O 내지 1, 반응으로서 도 8에 나타내진다. 연소온도는 3000°F를 약간 넘는 온도에서 2800°F 약간 아래의 온도로 강하된다. 후자의 온도는 저산화 버너의 평형을 이룩하기에 충분하다. 따라서, 시프트 반응기용 물의 일부가 공기 및 연료와 함께 저산화 버너에 직접 첨가될 수 있다.

이러한 높은 연소온도에서, 물첨가에 의해 H₂가 CH₄를 급송몰당 약 1.2몰에서 1.3몰로 약간 증가한다. 그러나, 시프트 반응을 제어하는 온도는 연소온도가 아니고 저산화 버너의 배출 온도이다. 이 온도는 급송 및 연소 가스 사이의 열교환 때문에 더 낮게 하강되며, 실내 온도에서 모든 흡입 급송류와 반응하여 얻어지는 온도에 근접하게 된다.

도 9는 액체상태의 물을 포함한 모든 급송류가 도 8에서 1몰중 가장 고온의 물에 대해 78°F로 유입될때의 데이타를 나타낸다. 이 조건은 저산화 버너의 출구에서의 조건들에 가장 근접한 것이다. 반응에 대한 평형온도는 약 1820°F이며, 이때 메탄의 몰당 1.6몰의 수소가 발생된다. 이는 고온 저산화 버너 반응에서 보다 많은 것으로서, 메탄 연료내의 수소의 80%의 량에 상당한다.

또한, 도 9에서의 주위로의 열교환에 의해 야기되는 바로서, 낮은 온도에서의 화학적 평형 조건을 나타낸다. 저산화 버너의 주 반응시에 충분한 물을 첨가하기 때문에, 400°F의 분위기에 대한 열교환에 의해 온도가 감소함으로써 수소 생산은 계속해서 그의 최대량까지 증가된다.

단순 열손실에 의한 주위로의 열교환에 의한 냉각은 종종 탄소 형성을 야기한다. 이는 냉각중에 얻어지는 1800°F 이하의 중간 온도에서, CO가 CO+0.5C+0.5CO₂의 반응에 의해 열역학적으로 불안정하기 때문이다. 600°F 이하의 더 낮은 온도에서, 이 반응은 매우 느리고 통상 무시할 수 있다.

물첨가의 가장 바람직한 지점은 주 반응으로의 급송류 부분이다. 그 이유는 냉각과정중의 중간온도를 통과하면서, 저온 조건에서의 촉매에 대한 필요성을 제거하는 시프트 반응을 유도하며 또한 탄소 형성을 방지하기 때문이다. 그러나, 검토되어야 할 문제는 물이 첨가될때의 저산화 반응의 온도의 감소이다.

이러한 효과는 50%의 화학량론의 공기 및 2몰까지로 물이 더 첨가된 상태에서의 반응을 나타내는 화학식 CH₄+(O₂+3.76N₂)+n H₂O 에 대해, 도 8과 유사한 도 10에서 나타내진다. 두개의 상부 곡선은 연소 온도를 나타낸다. 하측 곡선은 78°F로 도입되는 급송류에 대한 것으로, 이 경우의 온도는 물이 첨가되지 않을때 약 2300°F 그리고 2몰의 물이 첨가될때 약 1400°F로 형성된다. 이 온도들은 평형을 보장하기에 너무 낮다. 상측 곡선은 1000°F의 급송류에 대한 것으로, 종래의 특허들에 개시된 예열 방법을 이용한 것이다. 이때의 온도들은 2몰의 물을 첨가할때 3000°F-2550°F이다. 이 온도들은 원하는 평형을 이룩하기에 충분한 것들이다.

또한, 평형 종류가 도 10에 도시된다. H₂는 물을 첨가하면 1.2몰에서 1.4몰로 증가되는 반면에, H₂+CO는 약 2ㅁ로정도로 거의 일정하다. 후자의 것은 시프트 반응후의 이상적 결과를 나타낸다. 시프트 반응에서 중요한 온도는 UOB의 배출 온도이고 연소온도보다 높지않다.

도 11은 0 내지 2몰의 물이 첨가된 상태에서 400°F와 1100°F 사이의 배출 온도에서의 H₂와 C의 몰들을 나타낸다. 하부 곡선은 물이 실제 영일때 C가 감소함을 나타낸다. 약 600-900°F 이하에서의 실험은 CO의 분해로부터의 C의 형성율이 매우 낮아서, 평형에 의해 나타내진 것보다 C가 작게 형성됨을 나타낸다. 어떤 경우이든, 2몰의 물과 900°F의 온도에서, 실제로 C는 존재하지 않는다.

도 11의 상부 곡선은 수소 발생율을 나타낸다. 이들은 물 함유량이 높을때 도 10의 이론치 2몰에 근접해있다. 이는 촉매없이 실현된다.

저산화 버너의 이론적 온도가 78°F의 급송 온도에 대해 도 10에 나타내진다. 그들은 도 11의 것들을 초과한다. 따라서, 2몰의 물에 대해서는, 이론적 배출 온도가 1400°F이지만, 도 11에서는 900°F로 감소될 필요성을 제시한다. 실험들에 따르면 필요한 감소치의 약 절반 정도가 버너로부터 주위로의 열손실에 의해 발생된다. 또한, 이때 온도가 충분히 낮기 때문에 C가 형성되지 않으며, 하류측 배출물에 물이 첨가될 수 있다. 이와같이 하면, 양측의 온도가 낮아지게 되고 H₂가 이론치 2몰까지 증가하려는 경향을 보인다.

전술한 타입의 인젝터-믹서는 물(또는 증기)과 저산화 버너에서의 배출물을 효과적으로 혼합할 수 있어서 두가지의 혼합물이 탄소가 형성되는 온도 범위를 신속하게 통과하게 된다. 그후, 혼합물은 연소를 보장하는 초기 혼합 상태에서 시프트 반응이 발생되는 부분으로 이동한다.

이 경우에, 심블상으로 충돌하는 튜브들중 하나는 저산화 버너에서의 배출물을 이송하며 다른 것들은 물 또는 증기를 이송한다. 매우 신속한 혼합에 뒤이어 시프트 반응에 대한 낮은 온도 조건으로 온도를 하강시킨다. 상기한 전체 시스템은 과잉 공기가 증기 또는 물로 대체됨을 제외하면, 도 1의 2단 No-NOx 반응기에 대해 도시된 바와 유사하다.

이러한 형태에 액체상태의 물이 첨가되면, 그 물은 인젝터내에서 증발하도록 격렬하게 끓어오른다. 증기가 첨가되면, 혼합 인젝터로 유입되기 전에 공기 또는 공기/연료 혼합물 예열에 이용된 것과 동일한 방식으로 연소가스와의 열교환에 의해 액체상태의 물로부터 미리 증발될 수 있다.

상기한 제안된 설명에 의하면 H₂O 및 CO 사이의 시프트 반응을 실행하도록 저산화 버너의 하류측에 물을 첨가하는 수단, 및 고속 혼합되게 하는 수단을 이용하고 있다. 저산화 버너에서 고속혼합이 필요하지 않은 경우, 배출물을 2CO=C+CO₂의 불균형 반응이 발생되지 않는 온도로 억제할 필요가 있다. 또한, 도 2의 하류측 촉매 반응기(29)가 H₂및 CO₂(대부분 리포머로써 포함됨)를 형성하기 위한 CO 및 H₂O 사이의 시프트 반응을 실행하도록 하류측에 추가될 수 있다.

도 7에 도시된 하나의 수단은 저산화 버너의 배출물 후방으로 액체상태의 물을 분사한다. 이때, 물은 관형 또는 콘(cone)형으로 분사된다. 이는 튜브(72)에서 배출되는 수류에 배치되는 콘형 부재(70)에 의해 실행되어 주둥이에서 흐르는 물로 스푼의 중공형 구멍이 삽입될때와 같은 방식으로 상기 물이 시트를 형성하려는 경향이 있다. 상기한 경과의 층류는 물의 증발을 위한 우수한 열교환 표면을 제공하여, 드롭렛에 의해 제공되는 연소실내로의 충돌을 위한 더 강력한 이동, 및 버너로 부터의 배출물에 대한 더 양호한 커버상태를 이룩한다.

도 7에서, 제 1 (저산화) 연소기의 생성물은 제 2 (과산화) 버너로 인도하는 인젝터의 환형부로 통과하며, 공기는 인젝터 중앙의 도관(14)으로 통과한다. 추가된 공기는 전체 공기유동율을 증가시켜 두개의 버너의 화학량적 공기/연료비를 함께 하나일때보다 큰 정상 범위내에 있도록 한다.

또한, 도 7은 공기를 액체상태 물 또는 증기로 대체하여 시프트 반응 (CO+H₂O=CO₂+H₂)을 실행하고 C의 형성을 감소시킬 수 있다. 물은 통상 펌프 또는 가압용기(73)에서 액체상태로 공급된다. 물에서 증기가 형성되는 경우에는, 제 2 버너(15)의 소형 관모양 열 교환기(71)에 의해 이루어질 수 있다. 그와같이 형성된 증기는 인젝터로 인도하는 환형부 또는 튜브로 도입된다.

또한, 수소 생성을 위해 전해수가 사용될 수 있다. 메탄 또는 다른 탄화수소를 연료를 이용하는 저산화 버너에서 공기 대신에 산화제로서, 상기한 전해수에서 형성된 산소 생성물을 이용함으로써 더 많은 생성물과 더욱 저렴한 수소가 제조될 수 있다. 배출물이 희석액으로서 N₂를 함유하지 않기 때문에 산소로 인해 저산화 버너에서의 H₂퍼센트가 높아지게 된다.

따라서, 불꽃점화에 의해 연소되는 산소 생성물로서 공기 및/또는 전해수와 혼합되는 기화 연료 또는 액체 연료를 이용하는 1단 또는 다단 내부 연소장치를 가진 개선된 저산화 버너가 개시된다. 공기, 산소 생성물, 또는 일부 경우에, 전단에서의 배출물이 선택된 연료와 동시에 새로운 인젝터를 통해 연소실로 도입된다. 특히 연료들에서 최대의 H₂를 생성하도록 배출 가스와 혼합될때 물이 사용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들이 도시되어 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자들에 의해 여러가지로 변형 및 개조될 수 있을 것이며, 따라서 첨부된 특허청구의 범위의 목표는 본 발명의 진정한 정신 및 범위내에 속하는 이러한 모든 변경 및 개조사항들을 커버하는 것이다.

Claims (9)

1. 공기/연료 증기를 제공하도록 0.25 내지 1.0 범위내의 연료농후 화학량론 공기/연료비로 공기 및 탄화수소 연료를 연소시키기 위한 적어도 하나의 내부 연소실을 갖는 버너 수단; 상기 버너 수단에 배치되어 공기 및 연료를 상기 연소실내로 분리된 상태로 도입시키며, 서로에 대해 인접하게 종결해 있는 개방 단부들을 가진 공기 흡입 도관 및 연료 도입 도관을 포함하는 인젝터 수단; 및 도입되는 공기와 연료를 동시에 수용하도록 상기 공기 흡입 도관 및 연료 도입 도관의 개방단부들 둘레에 배치되며, 상기 연소실내에서 공기/연료 혼합물을 형성하도록 상기 도입된 공기와 연료를 강제로 충돌되는 관계로 수용하기 위해 상기 개방단부들 둘레의 에지에서 종결하는 연속 측벽내에 편평한 배리어벽이 형성된 컵모양 심블을 포함하는 내부 연소 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 배리어벽이 상기 공기/연료 혼합물을 수용하여 방향 전환시킴으로써 그 공기/연료 혼합물을 더욱 혼합하도록 상기 도입되는 공기와 연료의 바로 앞에 배치되는 내부 연소 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 공기 흡입 도관 및 연료 도입 도관은 서로에 대해 동축방향으로 배치되어 다른 직경을 가지며 상기 심블 측벽이 상기 개방 단부들 둘레에 동축방향으로 배치된 상태로 상기 개방단부들이 상기 배리어벽에서 등간격으로 떨어져 위치하는 내부 연소 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 공기 흡입 도과 및 연료 도입 도관의 개방 단부들이 서로 떨어져 있는 관계 및 동일 공간에 있는 관계로 대향하고 있으며, 상기 개방 단부들 사이에 배치된 편평한 배플은 그의 대향 측면들상으로 각각 도입되는 공기와 연료를 직접 수용하는 내부 연소 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 연소실을 둘러싸는 절연재료로 된 버너벽; 및 상기 버너 절연벽을 에워싸는 금속벽을 포함하는 내부 연소 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 심블 둘레의 상기 연소실에 배치되어 그들 사이에 축소된 치수의 통로를 형성하는 절연재료로 된 배리어링을 포함하는 내부 연소 장치.
7. 제2항에 있어서, 상기 공기/연료 혼합물의 연소에 반응하여 수소 및 이산화탄소를 발생시키도록 상기 연소실내에 배치된 촉매 시프트 리액터를 포함하는 내부 연소 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 공기/연료 혼합물을 점화시키도록 상기 연소실과 소통하는 상기 버너벽상에 작동가능하게 지지된 점화 수단을 포함하는 내부 연소 장치.
9. 제2항에 있어서, 상기 인젝터 수단 둘레의 상기 연소실에 배치되어 연소된 상기 공기/연료 혼합물을 압축하도록 상기 연소실의 치수에 비해 축소된 치수의 통로를 제공하는 배리어링을 포함하는 내부 연소 장치.

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