KR100975101B1 - 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치 및 방법 - Google Patents

연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 및 산화제로 이루어진 균질한 혼합물을 제공하는 장치에 관한 것으로, 이러한 장치는 액체 연료를 증발기에 공급하는 수단(5)과, 가스상의 산화제를 증발기의 하류에 위치하는 혼합 영역(12)에 공급하는 수단(4), 그리고 혼합 영역의 하류에 위치하는 반응 영역(14)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 조밀형 구조(3)가 반응 영역에 배치된다. 또한 본 발명은 연료 및 산화제로 이루어진 균질한 혼합물을 제공하는 방법에 관한 것이다.

Description

연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PROVIDING A HOMOGENEOUS MIXTURE OF FUEL AND OXIDANT}
본 발명은 액체 연료를 증발기에 공급하는 수단과, 가스상의 산화제를 증발기의 하류에 위치하는 혼합 영역에 공급하는 수단, 그리고 혼합 영역의 하류에 위치하는 반응 영역을 포함하는, 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 액체 연료를 증발기에 공급하는 단계와, 증발기의 하류에 위치하는 혼합 영역에 가스상의 산화제와 증발된 연료를 공급하는 단계와, 혼합 영역에서 산화제와 연료를 혼합하는 단계, 그리고 혼합 영역에서 형성된 혼합물을 반응 영역으로 도입하는 단계를 포함하는, 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 방법에 관한 것이다.
요즘에는, 경유, 중유, 휘발유 및 등유 등과 같은 액체 연료가 열, 기계적 일 및 전류를 발생시키는데 있어서 가장 중요한 에너지 공급원이며, 예컨대 자동차 엔진의 연소, 엔진에 의존하지 않는 난방 및 가정용 버너에서도 사용된다. 이에 반해, 연료 셀 시스템에서는 액체 탄화수소가 모두 연소되지는 않고 부분 산화 반응에 의해 수소로 변환된다. 전술한 두 가지 타입의 반응의 공통점은, 액체 연료 가 반응 챔버에서 변환되기 이전에 우선 가스상으로 변환되어 혼합 챔버에서 공기와 혼합될 필요가 있다는 것이다. 이러한 기술에서 추구하는 것은 최적의 균질성을 갖는 연료/공기 혼합물인데, 이는 균질성이 증대되면, 예컨대 그을음, NOx 및 CO 형태의 바람직하지 못한 배출물의 비율이 줄어들 수 있기 때문이다. 반응 생성물로서의 CO는 반응 생성물의 범위 내에서는 바람직한 것이지만, 연소 과정의 생성물로서의 CO는 바람직하지 못하다.
최신 타입의 버너 및 산화 반응기에서는, 혼합 챔버 및 반응 챔버가 대개 화염 역행 방지 장치에 의해 서로로부터 분리되어 있어, 자연 발화 연료를 사용하는 경우에, 산화 반응이 사전에 혼합 챔버 내에서 시작되어 부정적인 영향을 미치는 일이 없다.
이하의 다양한 방법에 의해 액체 연료의 증발이 실시될 수 있다.
예컨대, 독일 특허 DE 39 146 11 C2에 나타나 있는 바와 같이, 연료는 차량의 히터에 있어서 부직 금속 섬유 매트의 표면 또는 유사한 구조의 표면(예컨대, 직조면) 위에서 증발되므로, 액체 연료는 고온의 부직 금속 섬유 매트로 보내어지고, 이 부직 금속 섬유 매트에서 분배된 후 증발된다. 증발 이후에, 연료는 혼합 챔버에서 공기와 혼합되어 균질화된다. 이러한 구성에서는, 연소실에 연소용 공기를 공급하는 것은, 연소실의 벽에 있는 복수 개의 공기 입구 포트를 통해 단계적으로 행해지고, 상기 입구 포트에서는 화염이 형성될 수 있으며, 결국에는 증발 과정을 유지하는데 필요한 열이 열의 전도, 복사 및 대류를 통해 제공될 수 있다.
그러나, 부직 금속 섬유 매트를 이용한 연료의 증발은 단점이 있다. 경유 연료의 증발에서 측정한 바로는 부직 금속 섬유 매트 상의 표면 온도가 매우 높은(최대 1,100 ℃) 것으로 나타났으며, 다시 말하면 부직 금속 섬유 매트의 온도가 특히 400 ℃를 상회하는 경우 분해 반응이 두드러지게 일어나, 그을음의 발생을 초래한다. 이 경우에는, 연료가 부직 금속 섬유 매트의 표면에서만 공기와 접촉하게 되고 그에 따라 산화될 수 있다는 점이 부정적인 영향을 미친다. 또한, 공기를 단계적으로 공급하기 때문에, 대부분의 연소용 공기가 부직 금속 섬유 매트 상에서의 증발 이후에 주로 공급된다. 이에 따라 부직 금속 섬유 매트의 표면에서 공기의 비율이 낮아서, 증발기에서 침착물이 형성되며, 이러한 침적물은 안정적인 작동을 방해하고 유효 수명을 줄인다. 증기 분해의 반응 조건과 대등한 반응 조건이 존재하는데, 이러한 반응 조건은 이하에서 간략히 설명하는 바와 같이 시스템에 있어서의 그을음의 발생을 초래한다.
증기 분해는 석유 화학 분야에서 이용되는 열분해 방법으로서, 이 방법에서는 증기, 나프타의 존재하에 소량의 휘발유가 외부 가열 분해식 코일관 내에서 대개 약 800 ∼ 1,400 ℃의 증기에 의해 비촉매적으로 분해되어, 에텐 및 프로필렌으로 이루어진 반응성 저분자 화합물이 생성된다. 기술적으로 관심을 두고 있는 다른 부산물로는, 특히 방향족 화합물(벤졸, 톨루올, 크실롤)이 있다. 증기 분해의 목적은 화학 산업에서 필요로 하는 단쇄 올레핀을 생성하는 것이다. 도 4로부터 분명히 알 수 있듯이, 높은 온도에 도달되기 전에는 단쇄 올레핀이 형성되지 않는다. 약 700 ℃를 초과하는 온도에서는 에탄으로부터 에텐을 형성하기가 더 용이해 지고, 1,200 ℃를 초과하는 온도에서는 에텐으로부터 에틴의 형성이 일어난다. 이러한 이유로, 에텐 및 프로펜의 생성은 800 ℃ 내지 900 ℃의 온도(중간 온도 열분해)를 이용하는 반면에, 아세틸렌의 형성은 1,300 ℃를 초과하는 온도(고온 열분해)에서 실시된다는 것을 이해할 수 있다. 마찬가지로, 탄화수소가 C(그을음) 및 H 성분으로 분리되는 경향이 있다는 것을, 도 4로부터 분명히 알 수 있다. 이와 같은 바람직하지 못한 연쇄 반응의 범위를 줄이려면, 전술한 바람직하지 못한 생성물이 형성되는 비율이 거의 제로가 되도록, 최적의 반응 시간(0.2초 내지 0.5초) 이후에 반응 혼합물을 가능한 한 신속하게(0.1초) 충분히 냉각할 필요가 있으며, 그 결과 생성물의 조성은 열역학적 평형에 의해 억제되는 것이 아니라 반응 속도를 늦추는 것에 의해 억제된다.
그러나, 앞서 언급한 화합물은 증기 분해의 지배적인 작동 조건하에서 반응성이 매우 크고, 응축 및 중합 반응을 하는 경향이 있어, 결국에는 그을음이 형성되고, 열의 처리량의 손실에 상응하게 반응용 코일관에 그을음이 형성되며, 그에 따라 가열 분해식 코일관을 정기적으로 교체할 필요가 있다. 코일관에 있어서 열의 반경 방향 분배를 양호하게 하기 위해, 분압을 감소시켜 분해 생성물의 형성을 촉진함으로써, 증기를 추가하여 이전에 형성된 바람직하지 못한 고분자 화합물(코크스)의 변환을 보장한다.
또한, 분해 반응은, 예컨대 소위 활성 중심이라 하는 표면 금속 원자에 의해 불균질하게 촉진될 수 있다. 메탄 및 그 밖의 탄화수소의 증기 개질에 있어서, 예컨대 니켈, 철, 코발트의 촉매 효과가 Applied Catal. A Gen 212 (2001) 17 - 60 (C.H. Bartholomew 저술)에 기술되어 있다. 상기 증기 개질에서는 전술한 바와 같은 증발기에서의 온도와 상응하게 높은 온도에서 가스상의 열분해가 일어난다. 촉매의 활성 표면(부직 매트, 증발기 혹은 연소실의 벽, 예열 플러그) 상에 이미 형성되어 있는 그을음 입자 및 전구체는 균질한 그을음 발생 과정의 속도를 높일 수 있다.
증발기 또는 연소실에 형성된 그을음은 증발기에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 그을음, CO, 탄화수소, 연기, 에어로솔 및 다환 방향족 화합물의 배출을 증대시키며, 그에 따라 증발기 및 연소실에서 그을음을 제거하기 위한 정기적인 재생 계획을 필요로 하게 된다. 그을음은 대부분 소각에 의해 제거되므로, 이에 맞춰 연소실을 설계할 필요가 있다. 상응하게 높은 온도에서의 소각 과정은 수반되는 물질의 이송에 의해 억제되기 때문에, 그을음 및 산화제는 장기간 동안 연소실에서 접촉해 있을 필요가 있고, 이는 연소실의 체적이 그에 상응하게 증대될 것을 필요로 할 수 있다. 또한, 재료의 특성 및 재료의 유효 수명에 부정적인 영향을 미치는 매우 높은 온도가 연소실의 표면에 형성될 수 있다.
부직 금속 섬유 매트 및 그 주변에서 감지되는 최대 1,100 ℃의 온도로 인하여, 금속 섬유 및 인접 구성 요소(예컨대, 예열 플러그, 혼합 챔버)의 재료 안정성에 관한 요건이 가혹해진다.
부직 금속 섬유 매트를 이용한 연료의 증발과는 달리, EP 1 102 949 B1에 개시되어 있는 저온 화염 이론은, 약 300 ℃로 예열된 공기 흐름에 있어서의 연료의 증발에 기초한다. 이러한 증발에 의해 발생되는 산화 반응은 20% 미만으로 산소 변환이 일어나는 평형 반응이며, 그 결과 형성되는 가스 혼합물은 약 480 ℃의 출구 온도를 갖는다.
저온 화염 증발기의 단점은, 저온 화염 반응(저온 산화)이 시작될 수 있도록 다른 시스템 구성 요소(예컨대, 전기 히터, 버너)를 이용하여 증발기의 공기를 약 300 ℃ 내지 500 ℃의 온도까지 가열할 필요가 있고, 또한 고온에서 발생되는 연료/공기 혼합물의 자발적인 자연 발화를 방지할 필요가 있다는 점이다. 그러나, 공기를 예열하는 것은 저온 기동의 속도를 높이기에 불리하고 동적 작동에도 부정적인 영향을 미친다.
증발기 또는 노즐을 이용하여 생성한 연료/공기 혼합물은 증발기에 있어서의 자발적인 자연 발화를 대비하여 증발기와 하류의 반응(연소, 부분 산화) 공간 사이에 화염 역행 방지 장치를 마련함으로써 보호받을 수 있지만, 이러한 구성은 복잡성을 증대시킨다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 단점의 적어도 일부분을 극복하기 위하여 부직 매트를 이용한 증발에 기초하여 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치 및 방법을 제공한다는 목적에 기초로 한 것이다.
본 발명은 통상의 장치를 변경한 것으로, 본 발명에서는 조밀형 구조(packed structure)를 반응 영역에 배치하고, 이 조밀형 구조의 표면 및/또는 내부에서 산화 반응이 일어나며, 이러한 산화 반응에 기인한 발열 반응이 조밀형 구조를 작동 온도로 유지시킨다. 증발기의 하류에 위치하는 증발 영역에서는 작용 열 중의 일부분이 증발 과정의 자체 유지를 위해 사용되고, 나머지 열 에너지는 생성물 흐름에 의해 대류하도록 방출된다. 연료 성분(CxHy), 예컨대 실온에서 액체이고 x>4인 방향족 장쇄 탄화수소(CxHy)의 부분 산화가 일어나는 것이 바람직하며, 이러한 부분 산화가 일어나지 않는다면 그을음 형성이 촉진될 수 있다.
조밀형 구조가 본 발명에 따른 장치의 컴팩트한 구성에 합당한 크기를 갖도록, 조밀형 구조는 직경이 25 ㎜ 내지 35 ㎜이고 축선 방향 길이가 15 ㎜ 내지 50 ㎜인 원통형의 세라믹 몰딩으로서 구성되는 것이 유익하다. 직경은 예를 들어 30 ㎜이고, 축선 방향 길이는 예를 들어 20 ㎜이다. 예컨대, 코디어라이트 등의 세라믹 재료 이외에, 금속을 이용한 조밀형 구조도 또한 가능하다. 세라믹 재료는, 예컨대 규소 산화물, 알루미늄 산화물, 알칼리금속(예컨대, 나트륨) 산화물, 알칼리토금속(예컨대, 마그네슘) 산화물, 중금속(예컨대, 바륨) 산화물, 희토류 금속(예컨대, 이트륨) 산화물 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직한 세라믹은 예컨대 코디어라이트이다. 또한, 산화물이 아닌 세라믹, 예컨대 탄화물(예를 들어 탄화규소) 및 질화물도 각각 채용될 수 있다. 금속 재료로 이루어진 조밀형 구조는 대개 금속 포일(예컨대, FeCr 합금강)을 둘러싸는 것에 의해 제조되며, 금속으로 이루어진 웹 또는 망 등을 조밀형 구조에 적층하는 것도 가능하다.
조밀형 구조에는, 단면이 정사각형이고 셀 밀도가 400 cpsi 내지 1,200 cpsi인 흐름 도관이 마련되는 것이 유익하지만, 흐름 도관은 정사각형 단면 대신에 육각형, 삼각형, 원형, 또는 파형 단면을 갖는 것도 가능하다. 흐름 도관은 평행하게 또는 (스펀지와 유사하게) 무작위로 배향될 수 있다. 조밀형 구조가 예컨대 원형, 직사각형, 트랙형 등의 다수의 다양한 형상을 갖게 하는 것 이외에도, 셀 밀도의 구성을 변경하는 것도 가능하다. 예를 들어, 대략 400 cpsi의 셀 밀도가 유익하지만, 최대 1,200 cpsi의 셀 밀도도 가능하다.
조밀형 구조의 표면의 적어도 일부분에는 코팅이 촉매로서 마련되는 것이 유익하다. 예컨대, 희금속 코팅이 마련될 수 있다. 조밀형 구조의 흐름 도관의 표면은 소정 규모로 증대될 수 있고(예컨대, 워시코트 : 층 두께가 수 ㎛임), 기술적 관련이 있는 반응 속도로 촉매 반응을 수행하도록 촉매 활성화 처리될 수 있다. 바람직한 부분 산화 생성물(예컨대, CO 및 H2)에 관한 선택도는, 수소의 촉매 반응 생성(부분 산화, 오토서믹 개질, 증기 개질)에 사용하는 적절한 촉매 활성을 갖는 조밀형 구조를 이용함으로써 향상될 수 있다. 전형적인 워시코트 재료로는 알루미늄 산화물, 규소 산화물, 티타늄 산화물이 있고, 전형적인 촉매로는 예컨대 Pt, Pd, Ni 등과 같은 희금속이 있다.
반응 영역의 하류에 균질화 영역이 더 마련될 수 있다. 조밀형 구조로부터 나오는 생성물, 예컨대 잔여 단쇄 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 물, 이산화탄소는, 조밀형 구조의 상류에 있는 연료/공기 혼합물에 비하여, 훨씬 더 용이하게 균질한 혼합물로 재생될 수 있다. 특히, 이러한 재생은, 생성된 저분자 화학종(예컨대, 수소)이 갖는 확산 계수와, 장쇄 성분이 이용되는 경우에 비해 현저히 큰 화염 속도를 통하여 촉진된다. 생성된 성분의 현저히 높은 온도에 의해, 재료의 이송 및 그에 따른 균질도가 더 향상된다. 탄화수소의 농도가 낮기 때문에, 그을음 형성 경향이 혼합 챔버에 비해 낮다.
균질화 영역의 하류에 추가적인 반응 영역이 마련되는 것이 유익하다. 얻어진 생성물 혼합물은, 예컨대 다른 산화제 흐름의 추가에 의해 더 산화되어, 공기의 비율이 연소의 범위로 상승된다.
본 발명에 따른 장치는, 혼합 챔버에 있어서 공기의 비율이 0.5 미만인 상태로 작동될 수 있게 함으로써, 자발적인 자연 발화의 발생 없이 장치를 사용할 수 있게 하고, 그에 따라 산화 반응의 비율을 최소화하며, 또한 혼합 챔버에 있어서 흡열 분해 반응의 정도를 간접적으로 최소화하는 점에서 유익하다. 이미 발화된 혼합물은 꺼지도록 공학적으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 증발기와 혼합 영역 사이에 있는 증발 영역에 있어서 온도가 사용 연료의 최종 비등점(경유 연료의 경우에는 대략 360 ℃)을 초과하지 않거나 근소하게만 초과하는 상태로 작동될 수 있게 함으로써, 더 개선된다. 증발 영역의 온도가 사용 연료의 최종 비등점을 초과하지 않게 구성함으로써, 그을음을 형성하는 열 분해 생성물의 비율이 그에 상응하게 낮아진다. 이와 같이 낮은 온도로 인하여, 연료/공기 혼합물의 자발적인 자연 발화가 최소화되는 경향이 있다. 또한, 이와 같이 낮은 온도에 의해 반응 속도가 제한됨으로써, 열역학적 평형 계산에서 예상되는 것보다, 그을음의 형성이 줄어들 수 있다.
또한, 연료/산화제 혼합물의 평균 체류 시간이 산화 반응의 반응 시간의 크기를 갖도록, 증발 영역과 혼합 영역의 체적이 공학적으로 정해지는 것이 더 바람직하며, 그 결과 연료/공기 혼합물이 자발적으로 자연 발화하는 경향이 재차 최소화된다. 짧은 체류 시간으로 인하여 그을음의 형성이 줄어들 수 있는데, 이는 열역학적 평형 계산에서 예상되는 것보다 접촉 시간이 짧아지기 때문이다.
본 발명은 통상의 방법을 개량한 것으로, 본 발명에서는 조밀형 구조를 반응 영역에 배치하고, 이미 형성된 반응 생성물과 상기 혼합물 전부는 각각 상기 조밀형 구조를 통과한다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 장치의 장점과 특징은 방법의 범위에 있어서도 분명하게 나타나며, 이는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에도 각각 마찬가지로 적용되어, 이들 실시예로부터 바람직한 방법의 특징이 얻어진다.
본 발명은, 조밀형 구조를, 특히 본 발명의 장치의 다른 부분과 함께 마련함으로써 종래 기술의 단점 중 적어도 일부분을 극복할 수 있다는 발견에 기초한다. 따라서, 혼합 챔버에서 공기의 비율을 소정 값으로 설정하기 때문에, 증발기는 이제 자발적인 자연 발화를 방지하게 정해진 낮은 온도가 실현되도록 작동될 수 있다. 이러한 낮은 온도는 (예컨대, 분해 반응에 의해 촉진되는) 시스템의 그을음 형성 경향을 낮춘다. 이제, 혼합 영역과 산화 영역은 실질적으로 분리되며, 그에 따라 화염 역행 방지 장치가 필요치 않게 된다. 증발기의 온도는 매우 낮고 거의 출력의 영향을 받지 않으므로, 주변 구성 요소가 받는 열 응력이 그에 상응하게 감소한다. 이제, 탄화수소는 제1 반응 단계에서 촉매에 의해 선택적으로 부분 산화될 수 있고, 그에 따라 비선별적인 반응 방식, 특히 분해 및 그을음 형성이 최소화된다. 제1 반응 단계에서 촉매를 이용하지 않으면, 이제 제1 반응 단계가 보다 높은 온도로 작동될 수 있다는 점이 유익한데, 이는 촉매가 지나치게 높은 온도에서는 활동력을 잃을 수 있기 때문이다. 공기의 비율이 정해지기 때문에, 이제 바람직한 반응 생성물의 형성을 공학적으로 제어할 수 있다. 연소 반응에서 노출되는 화염과 달리, 이제 본 발명의 선택적 구성에서는, 가스와 혼합될 모든 기상 또는 액상 탄화수소 분자가 조밀형 구조를 통과한 반응성 흐름에 대해 강제된다. 그 결과, 높은 온도가 얻어질 뿐만 아니라, 매우 빠른 변환 속도와 컴팩트한 치수가 각각 얻어진다. 이제 제1 반응 단계에서 형성된 수소-농후 가스는, 그을음이 거의 형성되지 않은 탄화수소/공기 혼합물에 비해 훨씬 더 용이하게 균질화될 수 있는데, 이는 탄화수소의 농도(잠재적인 분해 요인)의 크기가 더 작기 때문이다. 또한, 이제 균질화는 현저히 확장된 작동 범위(보다 높은 온도와 보다 긴 체류 시간으로) 내에서 수행될 수 있고, 이후에 수소-농후 가스 혼합물은 다른 반응 영역에 공급될 수 있다. 이 혼합물이 균질하기 때문에, 해당 반응 영역은 이제 균질한 생성물 가스의 조성을 보장하게 공학적으로 매우 컴팩트하게 구성될 수 있다. 예컨대, 수소-농후 가스 혼합물을 더 산화시켜 배출량을 줄일 수 있다. 이 혼합물은 균질화되어 있기 때문에, 이제 해당 연소 챔버/반응 챔버는 보다 컴팩트한 치수로 형성될 수 있다.
이제 첨부 도면을 참조로 하여 특히 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 액체 연료에 기초하여 균질한 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템의 제1 실시예를 보여주는 모식도.
도 2는 액체 연료에 기초하여 균질한 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템의 제2 실시예를 보여주는 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 장치에 관련하여 온도 및 출력의 곡선을 시간의 함수로서 플롯한 그래프.
도 4는 선택된 탄화수소의 자유 엔탈피와 탄소 및 수소 성분의 자유 엔탈피를 온도의 함수로서 플롯한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 증발기 요소
2 : 연료 증발기
2a : 릿지
3 : 조밀형 구조
3b : 지지 요소
3c : 섬유 매트
4 : 산화제 공급기
5 : 연료 공급기
6 : 포트
7 : 전기 점화기
8 : 균질화 영역
9 : 반응 영역
10 : 반응제/산화제 공급기
11 : 포트
12 : 혼합 영역/챔버
13 : 증발 영역/챔버
14 : 반응 영역
후술하는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에서, 유사한 도면 부호는 유사하거나 대등한 구성 요소를 가리킨다.
이제 도 1을 참조하면, 액체 연료에 기초하여 균질한 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도 1에 예로서 도시된 바와 같은 액체 연료에 기초하여 균질한 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템의 중심 구성 요소는, 증발기 요소(1)에 배치된 연료 증발기(2)인데, 증발기 요소에는 지지 요소(3b)가 부착되어 있고, 이 지지 요소는 기계적인 고정 및 단열 각각을 위한 섬유 매트(3c)에 의해 피복될 수 있는 조밀형 구조의 장착을 위한 것이다. 액체 연료와 산화제는 연료 공급기(5)와 산화제 공급기(4) 각각을 통하여 시스템에 공급된다. 예컨대 증기 등과 같은 선택적인 첨가물을 포함하는 산화제, 바람직하게는 공기가, 반경 방향 안쪽으로 배향된 포트(6)를 통하여 혼합 챔버(12) 안으로 들어가고, 이 혼합 챔버 안에서 산화제는 혼합 챔버(12)의 상류에 있는 증발 챔버(13)에서 증발된 연료와 혼합된다. 일반적으로, 증발 챔버(13)와 혼합 챔버(12)는 하나의 유닛을 형성하고, 증발은 상류에서 혼합은 하류에서 일어나는 것이 더 알맞지만, 연료 증발기에서도 연료 및 공기가 혼합될 수 있도록 연료 증발기 방향으로의 환류가 제공될 수 있다. 또한, 연료는 고온의, 예컨대 900 ℃의 조밀형 구조의 방향으로 유동하므로, 비등점이 높은 재료의 증발은 혼합 챔버(12)에서 발생할 수 있도록 증발 챔버에서 불충분하게 일어날 수 있는데, 이는 부직 금속 섬유 매트의 저온부에 의해 조장되는 바이다. 선택적으로, 연료/공기 혼합물의 산화는 전기 점화기(7) 또는 조밀형 구조에 의해 일어날 수 있다. 조밀형 구조에 포함되는 반응 영역(14)에 인접하는 균질화 영역(8)은, 산화의 결과물을 균질화하는 역할을 한다. 그 후, 균질화된 가스 혼합물은 추가적인 반응 영역(9) 내에서, 예컨대 추가적인 반응제/산화제 공급기(10)를 통해 공급되는 산화제에 의해 추가적으로 변환될 수 있다. 이러한 산화제의 공급을 공학적으로 설계하는 방식은, 반응 영역(9)에 있어서 재료 및 열의 수송에 큰 영향을 준다. 예컨대, 반응열 중 일부가 주변으로 간단하게 방출될 수 있도록 반응 생성물은 포트(11)에 의해 벽으로 수송되며, 그 결과 반응 영역(9)의 하류에 위치하는 구성 요소가 과열되는 것이 방지된다.
소정 용례에서 필요로 하는 바에 따라, 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템은 다양한 주변 온도에서 작동될 수 있다. 그러나, 주변 온도가 매우 높은(> 400 ℃) 경우에는, 지나치게 많은 열이 연료 증발기에 들어가서 (예컨대, 부직 매트에 있어서의) 분해 반응이 촉진될 우려가 있다. 따라서, 적당한 주변 온도가 대개 유익하다. 그러나, 소정 용례에서 연료 증발기가 고온의 주변 환경에서 작동되는 것을 요구한다면, 후술하는 바와 같이 증발기를 단열하는 것이 유익하다. 이러한 경우에는, 도면 부호 2a 및 3b로 표시된 영역이 낮은 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하거나, 또는 부직 매트로 전도되는 열을 가능한 한 최소화하도록 공학적으로 설계하는 것이, 예컨대 도면 부호 2a로 표시된 영역에 얇은 릿지(ridge)를 선택적으로 마련하는 것이 유익하다. 영역(2a 및 3b) 사이에 단열체(도 1에 도시되어 있지 않음), 예컨대 세라믹 디스크를 마련하는 것이 더 유익할 수 있다. 또한, 적용 가능한 범위에서 증발기를 단열할 수도 있고, 마찬가지로 산화제 및 연료의 통로도 단열할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 액체 연료에 기초하여 균질한 연료/공기 혼합물을 제공하는 시스템의 제2 실시예의 모식도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과는 달리, 제2 반응 영역에 있어서 산화제 흐름의 공급은 다단계로 이루어지며, 반경 방향으로 안쪽을 향하고 있다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 장치에 관련하여 온도 및 출력의 곡선을 시간의 함수로서 플롯한 그래프가 도시되어 있다. 경유를 공기 중에서 증발시키는 이러한 시스템에서 얻어지는 예시적인 결과가 도시되어 있다. 채용된 조밀형 구조는, 수소-농후 가스 혼합물이 형성되도록 경유 연료를 부분적으로 산화시키는 촉매를 포함하고 있다. 이러한 구조는, 예컨대 전기 및 열을 발생시키기 위한 보조 동력 장치(APU)에 이용될 수 있다. 도 3은 열 출력이 1 kW 내지 4 kW(곡선 c)이고 공기의 비율이 0.3 내지 0.35인 경우에, 증발기 챔버에서 측정되는 온도(곡선 a)와 촉매에서 측정되는 온도(곡선 b)를 플롯한 것이다. 증발기 챔버의 온도가 약 300 ℃인 것을 분명하게 알 수 있다. 촉매의 중심의 온도가 높지만(최대 1,100 ℃), 혼합 챔버 내에서 연료/공기 혼합물의 역류는 일어나지 않는다. 혼합 챔버 내에서의 체류 시간이 증대(산화제 공급기로부터의 열 출력이 4 kW에서 1 kW로 감소)되더라도, 점화는 관측되지 않고, 그에 따라 안정적으로 작동하게 된다.
이상의 설명 및 도면에 개시되어 있고 청구범위에 청구되어 있는 본 발명의 특징들은, 그 자체 및 임의의 조합에 의해서 본 발명을 구현하는데 있어서 필요한 것임은 물론이다.

Claims (10)

  1. 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 장치로서,
    - 액체 연료를 증발기에 공급하는 수단(5)과,
    - 가스상의 산화제를 증발기의 하류에 위치하는 혼합 영역(12)에 공급하는 수단(4),
    - 혼합 영역의 하류에 위치하는 반응 영역(14) 그리고
    - 반응 영역에 배치되는 조밀형 구조(3; packed structure)를 포함하고,
    반응 영역(14)의 하류에 균질화 영역(8)이 마련되고,
    균질화 영역(8)의 하류에 추가적인 반응 영역(9)이 마련되어,
    추가적인 반응 영역(9)에 산화제가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 조밀형 구조(3)는, 직경이 25 ㎜ 내지 35 ㎜이고 축선 방향 길이가 15 ㎜ 내지 50 ㎜인 원통형의 세라믹 몰딩으로서 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조밀형 구조(3)에는, 단면이 정사각형이고 셀 밀도가 400 cpsi 내지 1,200 cpsi인 흐름 도관이 마련되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조밀형 구조(3)의 표면의 적어도 일부분에는 코팅이 촉매로서 마련되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 혼합 영역(12)에 있어서 공기의 비율이 0.5 미만인 상태로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 증발기(2)와 혼합 영역(12) 사이에 있는 증발 영역(13)에 있어서 온도가 사용 연료의 최종 비등점을 초과하지 않거나 근소하게만 초과하는 상태로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 연료/산화제 혼합물의 평균 체류 시간이 산화 반응의 반응 시간의 크기를 갖도록, 증발 영역(13)과 혼합 영역(12)의 체적이 공학적으로 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 연료 및 산화제의 균질한 혼합물을 제공하는 방법으로서,
    - 액체 연료를 증발기(2)에 공급하는 단계와,
    - 증발기의 하류에 위치하는 혼합 영역(12)에 가스상의 산화제와 증발된 연료를 공급하는 단계와,
    - 혼합 영역(12)에서 산화제와 연료를 혼합하는 단계, 그리고
    - 혼합 영역(12)에서 형성된 혼합물을 반응 영역(14)으로 도입하는 단계를 포함하고,
    반응 영역(14)에는 조밀형 구조(3)가 배치되어, 이미 형성된 반응 생성물과 상기 혼합물 전부는 각각 상기 조밀형 구조를 통과하며,
    반응 영역(14)의 하류에 균질화 영역(8)이 마련되고, 균질화 영역(8)의 하류에 추가적인 반응 영역(9)이 마련되어, 추가적인 반응 영역(9)에 산화제가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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