KR101022147B1 - 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료개질기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배면 산화 구조의 촉매 연소기에 있어서 챔버와 점화부의 구조적인 격리를 통해 장치 내부의 압력은 증가시키지 않으면서 스파크 점화 오염을 방지할 수 있는 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료개질기에 관한 것이다. 본 발명의 촉매 연소기는 실린더형 챔버, 챔버의 일단에 배치되는 제1 개구부, 챔버 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부, 및 챔버 내의 유체 흐름이 대향류 또는 U-자 형태를 갖도록 챔버의 타단과 제2 개구부를 연결하는 보조채널을 구비하는 하우징; 챔버 내에 배치되는 촉매; 및 실린더형 챔버의 길이 방향이 중력 방향을 향할 때, 중력 방향에서 하부측에 위치한 챔버의 타단측에서 중력 방향으로 연장하는 챔버의 가상 연장 체적 상에서 벗어나도록 배치되는 점화기를 포함한다.
연소기, 촉매 연소기, 점화기, 스파크, 점화, 오염, 박리 가루

Description

촉매 연소기 및 이를 구비한 연료개질기{Catalytic Combustor and Fuel Reformer having the same}
배면 산화 구조의 촉매 연소기에 있어서 챔버와 점화부의 구조적인 격리를 통해 장치 내부의 압력은 증가시키지 않으면서 스파크 점화 오염을 방지할 수 있는 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료개질기에 관한 것이다.
연소기는 연료를 연소하여 열과 고온의 가스를 발생시키는 장치이다. 연소기에서 생성된 열은 개질장치의 개질 반응, 연료 또는 물의 예열 등에 이용될 수 있다. 연소기는 연소실 내로 분사되는 연료를 직접 불꽃 점화하여 연소시키는 방식이나 산화 촉매를 통해 연료를 연소시키는 방식 등으로 제조될 수 있다. 산화 촉매를 통해 연료를 연소시키는 장치는 소위 촉매 연소기라고 불린다.
촉매 연소기는 운전 초기 연료를 점화하기 위한 점화기를 구비한다. 점화기는 연소실 내로 연료를 공급하기 위한 채널에 인접하게 배치되지 않는다. 그 이유는, 점화시 채널을 통해 연료 배관이나 연료 탱크에 화재가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서, 대부분의 촉매 연소기는 연소실의 일측에 연료 채널을 배치하고, 연소실의 일측과 마주하는 타측에 점화기를 배치하는 구조를 구비한다.
한편, 촉매 연소기의 하우징은 주로 내구성, 내열성이 우수한 스테인리스강을 이용하여 제조된다. 따라서, 고온의 산화 분위기하에서 촉매 연소기의 하우징 내벽에서는 철 성분을 포함하는 박리 가루가 발생된다.
연료나 공기를 공급하기 위한 채널이 촉매 연소기의 하부측(중력 방향에서 아래쪽)에 위치하는 경우, 박리 가루는 연소실의 하부측에 쌓여 채널을 막게 된다. 그 경우, 촉매 연소기의 내부 압력은 증가되며, 그것에 의해 주변 장치(BOP)의 소모 전력이 증가하고, 역화(flashback) 및 열점(hot spot)이 쉽게 발생된다. 이러한 촉매 연소기에서는 통상 효율이 낮아지고 수명이 짧아지는 문제가 있다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 연료나 산화제를 공급하기 위한 채널을 촉매 연소기의 상부측(중력 방향에서 위쪽)에 배치할 수 있지만, 그러한 구조의 경우, 박리 가루는 촉매 연소기의 하부측에 배치되는 점화기 위에 쌓여 점화기의 스파크 점화를 방해한다. 이러한 촉매 연소기에서는 장치의 안정적인 운전이 어렵고 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배면 산화 구조의 촉매 연소기에 있어서 챔버와 점화부의 구조적인 격리를 통해 장치 내부의 압력은 증가시키지 않으면서 스파크 점화 오염을 방지할 수 있는 촉매 연소기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 촉매 연소기를 구비한 연료개질기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 실린더형 챔버, 상기 챔버의 일단에 배치되는 제1 개구부, 상기 챔버 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부, 및 상기 챔버 내의 유체 흐름이 대향류 또는 U-자 형태를 갖도록 상기 챔버의 타단과 상기 제2 개구부를 연결하는 보조채널을 구비하는 하우징; 상기 챔버 내에 배치되는 촉매; 및 상기 실린더형 챔버의 길이 방향이 중력 방향을 향하도록 놓았을 때, 상기 중력 방향에서 하부측에 위치한 상기 챔버의 타단측에서 상기 중력 방향으로 연장하는 상기 챔버의 가상 연장 체적 상에서 벗어나도록 배치되는 점화기를 포함하는 촉매 연소기가 제공된다.
바람직하게, 촉매 연소기는 하우징의 하부측에 결합된 일단과 챔버의 가상 연장 체적 상에서 벗어나며 점화기가 결합되는 타단을 구비한 엘보우형 점화채널형성부를 포함한다.
점화채널형성부의 일단은 챔버와 보조채널 사이에 연결된다.
엘보우형 점화채널형성부는 일단을 기준으로 타단이 90°이상에서 180°미만의 범위에서 선택된 어느 하나의 각도로 굴곡된다.
점화채널형성부는 그 내벽에 주름부 또는 요철부를 구비할 수 있다.
촉매 연소기는 점화채널형성부 내에 배치되는 자석을 더 포함할 수 있다.
점화채널형성부는 하우징의 적어도 일벽을 엘보우 형태로 관통하는 홀을 포함할 수 있다.
점화채널형성부는 엘보우 파이프를 포함할 수 있다.
하우징의 재료는 스테인리스강을 포함한다.
점화기는 전기가열에 의해 스파크를 발생시키는 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 실시예들 중 어느 하나의 촉매 연소기, 및 촉매 연소기로부터 열을 공급받고 연료를 개질하여 리포메이트를 생성하는 개질반응부를 구비하는 연료개질기가 제공된다.
본 발명에 의하면, 배면 산화 구조의 촉매 연소기에 있어서 챔버와 점화부의 구조적인 격리를 통해 장치 내부의 압력은 증가시키지 않으면서 스파크 점화 오염을 방지할 수 있다. 즉, 촉매 연소기의 하부측에 배치되는 점화기의 스파크 점화 동작을 안전하게 유지할 수 있다. 따라서, 촉매 연소기의 효율, 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있다. 아울러, 촉매 연소기를 구비하는 연료개질기의 효율, 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하의 설명에 있어서, 어떤 층이 다른 층 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수 있다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의성 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적인 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 촉매 연소기의 개략적인 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기(10)는 챔버(122a)를 구비한 하우징(20), 챔버(122a)에 배치되는 촉매(124), 및 챔버(122a)의 일측에 배치되는 점화기(30)를 포함한다.
하우징(20)은 소정의 제1 단면적과 일정 길이를 갖고 실질적으로 양단이 폐쇄된 실린더 형상을 구비할 수 있다. 하우징(20)은 연료 및/또는 산화제 유입을 위한 제1 개구부(22)와 배가스 방출을 위한 제2 개구부(24)를 구비한다. 제1 개구부(22)에는 연료 및/또는 산화제 공급을 위한 제1 배관(2)이 유체소통 가능하게 연결될 수 있고, 제2 개구부(24)에는 배가스 처리를 위한 제2 배관(4)이 연결될 수 있다. 상기 연료는 가솔린, LPG, LNG 등의 탄화수소계 연료를 포함한다.
하우징(20)은 실린더형 챔버(122a)를 구비한다. 실린더형 챔버(122a)의 길이 방향이 중력 방향을 향할 때, 상기 제1 개구부(22)는 챔버(122a)의 상부측 또는 하우징(20)의 상부측에 구비된다.
또한, 하우징(20)은 보조채널(122b)을 구비한다. 보조채널(122b)은 챔버(122a) 내부의 유체의 흐름이 역류하는 형태의 대향류(counter flow) 구조 또는 U-자 흐름 구조를 형성하도록 즉, 배면 산화 구조를 형성하도록 챔버(122a)의 타단 또는 하부측과 제2 개구부(24)를 유체소통 가능하게 서로 연결한다.
촉매(124)는 금속성 벌집형 지지체(metallic honeycomb)이나 세라믹 벌집형 지지체(캐리어)와 이 지지체에 결합된 활성물질로 구현될 수 있다. 활성물질은 플라티늄이나 백금이나 다른 귀금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 촉매는 Pd, Pt, Co3O4, PdO, Cr2O3, Mn2O3, CuO, Fe2O3, V2O3, NiO, MoO3, TiO2로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
점화기(30)는 전기가열에 의해 스파크를 발생시키는 장치 또는 그와 유사한 스파크 점화 방식의 장치를 포함한다. 본 실시예의 점화기(30)는 실린더형 챔버(122a)의 길이 방향이 대략 중력 방향을 향할 때, 상기 중력 방향의 하부측에 위치한 챔버(122a)의 하부측 또는 타단측에서 상기 중력 방향으로 연장하는 챔버(122a)의 가상 연장 체적 내에서 벗어나도록 배치된다. 여기서, 가상 연장 체적은 챔버(122a)의 체적을 중력 방향 또는 그 길이 방향으로 연장한 체적을 나타낸다. 점화기(30)의 단자부(132)는 예컨대 외부 전력에 의해 스파크를 발생시키는 한 쌍의 전극들을 포함할 수 있다.
본 발명의 촉매 연소기는 하우징(20)의 하부측 또는 챔버(122a)의 하부측에 결합된 일단과 챔버(122a)의 가상 연장 체적 상에서 벗어나며 상기 점화기(30)가 결합되는 타단을 구비한 점화채널형성부를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 점화채널형성부(40)는 하우징(20)의 하부측 일면을 형성하는 적어도 일벽(20a)을 엘보우(elbow) 형태로 관통하는 홀(hole)로 구현될 수 있다.
점화채널형성부(40)는 소정 각도로 구부려진 엘보우 형태를 구비하며, 그 일단부는 챔버(122a)의 타단부와 보조채널(122b)의 일단부 사이에 결합하고, 그 타단부에는 점화기(30)가 결합할 수 있도록 형성된다.
전술한 촉매 연소기(10)에 의하면, 하우징(20)의 챔버(122a) 내에 노출되는 점화기의 단자부(132)가 하우징(20) 내의 고온 환경하에서 발생하는 박리 가루에 의해 덮히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 장치가 설치된 환경에 따라서 촉매 연소기(10)의 운전 정지시에 하우징(20) 내에서 형성되어 챔버(122a)의 하부측에 고이는 수분에 의해 점화기의 단자부(132)가 젖는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 촉매 연소기(10)의 안정적인 점화 동작이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 주요 부분에 대한 부분 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 촉매 연소기에 채용되는 엘보우형 점화채널형성부(40a)는, 하우징(20a)의 상부측에서 하부측으로 연장하는 길이 방향(x 방향)의 직선 상에서 점화채널형성부(40a)의 일단부를 포함한 일부분(제1 부분)이 연장한다고 할 때, 상기 제1 부분에 대하여 타단부를 포함한 점화채널형성부(40a)의 나머지 부분(제2 부분)이 제1 각도(θ)로 굴곡된 형태를 구비한다.
다시 말해, 점화채널형성부(40a)의 제1 부분의 일단부는 하우징(20a)의 하부측 및 챔버(122a)와 보조채널(122b) 사이에 연결된다. 그리고, 제2 부분의 타단부는 점화기(30)에 결합된다. 이때, 점화기(30)의 단자부(132)는 상기 일단부를 향하도록 배치된다.
제1 각도(θ)는 90°이상에서 180° 미만의 범위를 갖는다. 엘보우형 점화채널형성부(40a)를 90°보다 작은 각도로 형성하면, 하우징(20a)의 제1 챔버(122a) 및 제2 챔버(122b) 내벽에서 떨어지는 박리 가루에 의해 점화기(30)의 단자부(132)가 덮일 수 있다. 그리고 촉매 연소기의 운전 정지시에 챔버들(122a, 122b) 내에서 형성되어 하우징(20a)의 하부측 예컨대 점화채널형성부(40a)에 고이는 물 속에 점화기(30)의 단자부(132)가 잠길 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 연소기의 또 다른 점화채널형성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 본 실시예의 점화채널형성부(40b)는 그 내부에 주름부(41)를 구비한다. 주름부(41)는 점화채널형성부(40b)가 하우징(20b)의 일측 벽에 홀 형태로 형성될 때, 홀 내벽에 형성된 요철부를 포함한다. 이러한 주름부(41)는 톱니 모양을 구비할 수 있다.
전술한 주름부(41)는 박리 가루가 점화채널형성부(40b)로 떨어질 때 박리 가루가 점화기(30) 쪽으로 진행하는 것을 방해하여 점화기(30)의 단자부(132)가 박리 가루에 의해 덮이는 것을 방지한다.
도 3b를 참조하면, 본 실시예의 점화채널형성부(40c)는 자석(42)을 구비한다. 자석(42)은 하우징(20c)의 일측 벽에 홀 형태로 형성된 점화채널형성부(40c)의 내벽에 적절하게 고정 설치된다. 자석(42)은 영구 자석을 포함한다.
전술한 자석(42)은 철(Fe) 성분을 함유하여 자성을 갖는 박리 가루를 끌어당긴다. 따라서, 점화채널형성부(40c)에 자석(42)을 배치하면, 박리 가루가 점화기(30) 쪽으로 진행하거나 점화기(30)의 단자부(132)를 덮는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 촉매연소기의 개략적인 단면도이다. 도 5는 도 4의 촉매연소기에 채용가능한 점화채널형성부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 촉매연소기(200)는 실린더형 챔버(322a)를 구비한 하우징(220), 챔버(322a) 내에 배치되는 촉매(324), 챔버(322a)의 일측에 노출되는 점화기(230), 및 점화기(230)가 실린더형 챔버(322a)의 길이 방향으로 연장하는 가상 연장 체적 밖에 배치되도록 점화부와 챔버(322a)의 산화부를 구조적으로 격리 배치하는 점화채널형성부(240)를 포함한다.
하우징(220)은 제1 연료의 유입을 위한 제1 개구부(222)와 배가스 방출을 위한 제2 개구부(224)를 구비한다. 제1 연료는 가솔린, LPG, LNG 등의 탄화수소계 연료를 포함한다.
또한, 하우징(220)은 제2 연료의 유입을 위한 제3 개구부(226)와 개질가스(reformate)의 방출을 위한 제4 개구부(228)를 구비할 수 있다. 그 경우, 본 실시예의 촉매 연소기(200)는 하우징(220)에 결합된 개질반응부(400)에 열을 공급하 는 장치로 이용될 수 있다.
또한, 하우징(20)은 보조채널(322b)을 구비한다. 보조채널(322b)은 챔버(322a) 내부의 유체의 흐름이 역류하는 형태의 대향류(counter flow) 구조 또는 U-자 흐름 구조를 형성하도록 챔버(322a)의 타단 또는 하부측과 제2 개구부(224)를 유체소통 가능하게 서로 연결한다.
촉매(324)는 도 1b의 촉매 연소기의 촉매(124)에 대응될 수 있다.
점화기(230)는 도 1b의 촉매 연소기의 점화기(30)에 대응될 수 있다.
본 실시예에서, 점화채널형성부(240)는, 도 4 및 5를 참조할 때, 하우징(220)의 하부측에 결합하며, 그 일단부(242)가 챔버(322a)와 보조채널(322b) 사이에 결합하며, 그 타단부(244)가 점화기(230)에 결합하는 엘보우 파이프로 구현된다.
점화채널형성부(240)가 구부려지는 각도는 실질적으로 도 2에 도시한 제1 각도(θ)와 동일한 범위를 포함한다. 본 실시예에서, 제1 각도(θ)는 직선 상에 일단부와 타단부를 가진 직관 형태의 관형 부재가 놓여 있다고 가정할 때, 상기 일단부와 그 중간부를 직선 상에 고정한 채 상기 중간부와 타단부를 구부릴 때 형성되는 각도로 정의될 수 있다.
전술한 점화채널형성부(240)를 채용하면, 하우징(220) 내벽에서 떨어지는 박리 가루가 점화기(230)의 단자부(332)를 덮는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 촉매 연소기(200)의 운전 정지시에 챔버(322a)의 하부측으로 고이는 물에 의해 점화기(230)의 단자부(332)가 잠기는 것을 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 촉매연소기에 채용가능한 점화채널형성부를 설명하기 위한 도면들이다. 도 6a 및 도 6b의 점화채널형성부는 도 4의 촉매 연소기의 점화채널형성부로 이용될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예의 점화채널형성부(240a)는 그 내부에 주름부(241)를 구비한다. 이러한 주름부(241)는 파이프의 내벽에 형성된 요철 모양 또는 톱니 모양을 포함한다.
전술한 주름부(241)는 박리 가루가 점화채널형성부(240a) 내로 떨어질 때 박리 가루가 점화기(230) 쪽으로 진행하는 것을 방해함으로써 점화기(230)의 단자부(332)가 박리 가루에 의해 덮이는 것을 방지한다.
도 6b를 참조하면, 본 실시예의 점화채널형성부(240b)는 자석(251)을 구비한다. 자석(251)은 점화채널형성부(240b)를 형성하는 별도의 엘보우 파이프의 외벽에 적절하게 고정 설치될 수 있다. 자석(251)은 영구 자석을 포함한다.
전술한 자석(251)은 철(Fe) 성분을 함유하여 자성을 갖는 박리 가루를 끌어당긴다. 따라서, 점화채널형성부(240b)에 자석(251)을 배치하면, 박리 가루가 점화기(230)에 근접하거나 점화기(230)의 단자부(332)를 덮는 것을 방지할 수 있다.
전술한 구성에 의하면, 본 발명의 촉매 연소기를 구비한 연료개질기가 구현될 수 있다. 개질반응부(400)는 탄화수소계의 연료를 수증기 개질하여 수소가 풍부한 리포메이트 가스를 생성하는 수증기개질반응부를 포함할 수 있다. 개질반응부(400)의 구조 및 형태에 대한 상세한 설명은 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로 생략한다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적 사시도.
도 1b는 본 발명의 촉매 연소기의 개략적 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 주요 부분에 대한 부분단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 촉매 연소기의 또 다른 양태의 점화채널형성부를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 촉매 연소기의 개략적 단면도.
도 5는 도 4의 촉매 연소기에 채용가능한 점화채널형성부를 설명하기 위한 사시도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 촉매 연소기에 채용가능한 점화채널형성부를 설명하기 위한 도면들.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 200 : 촉매 연소기
20, 220 : 하우징
30, 230 : 점화기
40, 40a, 40b, 40c, 240, 240a, 240b : 점화채널형성부
122a, 322a : 챔버
122b, 322b : 보조채널
124, 324 : 촉매

Claims (11)

  1. 실린더형 챔버, 상기 챔버의 일단에 배치되는 제1 개구부, 상기 챔버 내의 배가스를 배출하기 위한 제2 개구부, 및 상기 챔버 내의 유체 흐름이 대향류 또는 U-자 형태를 갖도록 상기 챔버의 타단과 상기 제2 개구부를 연결하는 보조채널을 구비하는 하우징;
    상기 챔버 내에 배치되는 촉매; 및
    상기 실린더형 챔버의 길이 방향이 중력 방향을 향하도록 놓일 때, 상기 중력 방향에서 하부측에 위치한 상기 챔버의 타단측에서 상기 중력 방향으로 연장하는 상기 챔버의 가상 연장 체적 상에서 벗어나도록 배치되는 점화기를 포함하는 촉매 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 하부측에 결합된 일단과 상기 챔버의 가상 연장 체적 상에서 벗어나며 상기 점화기가 결합되는 타단을 구비한 엘보우형 점화채널형성부를 포함하는 촉매 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 점화채널형성부의 일단은 상기 챔버와 상기 보조채널 사이에 연결되는 촉매 연소기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 엘보우형 점화채널형성부는 상기 일단을 기준으로 상기 타단이 90°이상에서 180°미만의 범위에서 선택된 어느 하나의 각도로 굴곡되는 촉매 연소기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 점화채널형성부는 그 내벽에 주름부 또는 요철부를 구비하는 촉매 연소기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 점화채널형성부 내에 배치되는 자석을 더 포함하는 촉매 연소기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 점화채널형성부는 상기 하우징의 적어도 일벽을 엘보우 형태로 관통하는 홀을 포함하는 촉매 연소기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 점화채널형성부는 엘보우 파이프를 포함하는 촉매 연소기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 재료는 스테인리스강을 포함하는 촉매 연소기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 점화기는 전기가열에 의해 스파크를 발생시키는 촉매 연소기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 촉매 연소기; 및
    상기 촉매 연소기로부터 열을 공급받고, 연료를 개질하여 리포메이트를 생성하는 개질반응부를 포함하는 연료개질기.
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