KR101240465B1 - 역화 발생이 없는 촉매-화염 복합 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연소장치(100)는 유입되는 공기에 1차연료를 혼합하기 위한 1차혼합부(130)와, 1차혼합부(130)에서 혼합된 공기와 1차연료의 1차혼합물을 촉매연소하기 위한 촉매연소부(150)와, 1차혼합물의 연소에 의해 생성된 배기가스에 2차연료를 혼합하기 위한 2차혼합부(170)와, 2차혼합부(170)에서 혼합된 배기가스와 2차연료의 2차혼합물을 화염연소하기 위한 화염연소부(190)를 포함한다.

연소, 장치, 공기, 연료, 촉매, 화염

Description

역화 발생이 없는 촉매-화염 복합 연소장치{HYBRID CATALYTIC - THERMAL COMBUSTOR WITHOUT BACKFIRE OCCURRENCE}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소장치의 전체적인 개략도;

도 2a 및 도 2b는 도 1의 연소장치에 구비되는 1차연료공급관의 개략도;

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 1의 연소장치에 구비되는 혼합기의 개략도;

도 4는 도 1의 연소장치에 구비되는 촉매지지체의 개략도;

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 1의 연소장치에 구비되는 2차연료공급관의 개략도;

도 5d는 도 5a~도 5c의 2차연료공급관이 촉매연소부에 설치된 상태를 나타내는 개략도;

도 6a 및 도 6b는 도 1의 연소장치에 구비되는 다른 형태의 2차연료공급관의 개략도;

도 6c는 도 6a 및 도 6b의 2차연료공급관이 촉매연소부에 설치된 상태를 나타내는 개략도;

도 7은 도 1의 연소장치가 외부 장치, 예를 들어 수소개질장치와 연결된 상태를 나타내는 개략도;

도 8은 도 7의 연소장치와 수소개질장치의 결합구성을 기초로 실험한 각 부위의 온도변화의 추이를 나타내는 그래프; 및

도 9는 종래기술의 촉매-화염연소식 버너의 개략도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 연소장치 110 : 예열부

111 : 입구 113 : 예열장치

130 : 1차혼합부 131 : 혼합실

132 : 1차연료공급관 134 : 혼합기

150 : 촉매연소부 151 : 촉매지지체

155a~e : 촉매체 170 : 2차혼합부

171 : 2차연료공급관 190 : 화염연소부

본 발명은 촉매-화염 복합 연소장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소시 역화가 발생하지 않는 촉매-화염 복합 연소장치에 관한 것이다.

본 발명과 같은 연소장치는 고부하의 열을 필요로 하는, 예를 들어, 수소개질장치, 가스터빈 등의 장치에 열을 공급해 주는 열공급장치로 많이 사용되고 있다.

연소장치로는 기존에 주로 화염버너방식을 채택한 장치들이 많이 사용되었으나, 이러한 장치들은 예를 들어 1500℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 환경을 심하게 오염시키는 다량의 질산화물(NOx)을 발생시키는 중대한 문제가 있었다. 이런 문제에 대처하기 위해 질산화물을 억제하거나 제거하는 기술들이 알려져 있으나, 이는 관련 장치들을 별도로 구비해야 하고 운전비가 많이드는 다른 문제를 야기시켰다.

위 문제를 해결하기 위해서는 질산화물의 발생을 최소화하거나, 그 자체를 발생시키지 않아야 하는 데, 이는 연소조건을 필요 이상의 온도 조건, 즉 1100℃ 이상으로 제어할 것이 아니라 질산화물의 발생이 비교적 적고, 공급에 필요한 열 조건으로서 충분한 1100~1300℃ 미만에서 운전하면 가능하다. 이를 구현하기 위해 화염연소에 앞서 촉매연소를 실행하는 기술들이 알려져 있으며, 그 일례로 한국등록특허 제10-0491330호의 「단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너」가 개시되어 있다. 이 촉매-화염연소식 버너의 구성에 대한 개략도가 도 9에 도시되어 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 촉매-화염연소식 버너는 1차가스혼합부(1), 촉매연소부(2), 2차가스혼합부(3) 및 화염연소부(4)로 구성되어 있다.

1차가스혼합부(1)는 가스버너(23) 또는 전기히터(6)와 1차혼합기(8)를 구비하고 있다. 가스버너(23) 또는 전기히터(6)는 연료와 공기의 혼합가스가 촉매연소 반응이 일어날 수 있도록 공기를 예열시키고, 예열된 공기를 연료와 균일하게 1차혼합하여 온도가 450℃ 정도가 되도록 초기시동과 촉매반응 개시온도를 유지시키고 있다. 또한, 1차혼합기(8)는 연료와 예열된 고온의 공기를 균일하게 혼합하고 있으며, 이 혼합가스는 다공판(22)을 통해 촉매연소부(2)로 배출되고 있다.

촉매연소부(2)는 중앙에 촉매부재(9)와 그 주위에 환형의 외부공간(14)을 구비하고 있다. 촉매부재(9)는 1차가스혼합부(1)에서 보내진 혼합가스 중 일부를 통과시키면서 촉매 연소시키고, 외부공간(14)은 혼합가스의 나머지를 연소 없이 통과시킨다. 연소된 가스와 불연소된 가스는 각각 2차가스혼합부(3)로 배출되고 있다.

2차가스혼합부(3)는 2차혼합기(10)를 구비하고 있다. 이 2차혼합기(10)는 연소된 가스와 불연소된 가스를 균일하게 2차혼합하고, 혼합된 가스는 화염연소부(4)로 보내진다.

화염연소부(4)는 연소실(11)를 구비하고 있어, 2차혼합된 가스가 연소실(11)에서 연소된다. 화염연소부(4)는 질산화물의 발생을 억제하고 화염의 안정을 기하기 위해 나팔관식 버너형식으로 구성되어 있고, 퍼짐각도는 10~45°로 형성되어 있다.

상술한 구성을 갖는 종래의 버너는 화염의 역화를 방지하기 위해 베인의 축방향각도와 선회각도를 특정 각도, 예를 들어, 30~70°로 형성하고 있다. 그러나, 베인의 각도를 조절하여 화염의 역화를 방지하는 종래의 구성은 베인의 각도가 설계치와 다르게 만들어지는 등의 외부 변수에 의해 역화 방지의 성공 여부가 크게 좌우되게 되었다. 또한 모든 연료의 공급 및 그 연료의 촉매연소 및 화염연소 전환 정도를 입구쪽에서 제어하여야 하기 때문에, 공급되는 연료의 성분 및 유입량의 변화에 따라 화염안정성 및 역화 발생 가능성이 크다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 연소에 필요한 연료를 촉매연소시와 화염연소시에 각각 두 번에 나누어 공급함으로써 연소시 화염 안정성을 유지하면서 화염이 거꾸로 진행하는 역화를 방지할 수 있는 연소장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유입되는 공기에 1차연료를 혼합하기 위한 1차혼합부와, 1차혼합부에서 혼합된 공기와 1차연료의 1차혼합물을 촉매연소하기 위한 촉매연소부와, 1차혼합물의 연소에 의해 생성된 배기가스에 2차연료를 혼합하기 위한 2차혼합부와, 2차혼합부에서 혼합된 배기가스와 2차연료의 2차혼합물을 화염연소하기 위한 화염연소부를 포함하는 것을 특징으로 하는 역화 발생이 없는 촉매-화염 복합 연소장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 연소장치는 1차혼합부가 공기와 1차연료를 혼합하기 위한 혼합실, 1차연료를 공급하기 위한 1차연료공급관, 및 공기와 1차연료를 추가적으로 혼합하기 위한 혼합기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 1차연료공급관은 혼합실에 위치한 부위의 일부가 유동방향과 반대방향을 향하도록 90°로 꺽여 있으며, 연료 공급이 공기의 유동방향에 대해 직교하게 방사방향으로 분사되는 것을 특징으로 한다.

1차연료공급관은 혼합실에 위치한 단부에 외주를 따라 그 간격과 지름이 일 정한 다수의 분사공을 갖는 것을 특징으로 한다.

혼합기는 공기와 1차연료가 선회하며 유입되는 선회판, 선회하는 공기와 1차연료가 혼합되는 혼합공간, 및 혼합된 공기와 1차연료에 직진성을 부여하기 위한 다공판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 선회판은 원형의 내부공간과 환형의 외부공간의 2개의 구획된 공간을 가지며, 각 공간에는 서로 반대 방향으로 배치되는 다수의 와선형의 날개들이 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연소장치는 촉매연소부가 다수의 수용실을 갖게 구획되며, 각 수용실에 촘촘하게 정렬된 수 많은 구멍들을 갖는 모듈형태의 촉매체가 수용되는 촉매지지체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연소장치는 2차혼합부가 촉매연소부의 후단에 설치되는 2차연료공급관을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 2차연료공급관은 촉매연소부와 동축선상에 위치하는 환형의 분사유닛 및 분사유닛과 외부 연료원을 연결하는 공급유닛을 갖는 것과, 환형의 분사유닛은 내주를 따라 일정 간격으로 형성되는 다수의 분사공을 가지며, 2차연료는 배기가스의 안쪽으로 방사형으로 분사되는 것을 특징으로 하며, 다수의 분사공은 노즐형태로 구성되며, 2차연료는 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 다소 경사지게 분사되는 것을 또한 특징으로 한다.

이와 달리 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소장치는 2차혼합부가 상기 촉매연소부와 결합부위에 설치되는 2차연료공급관을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 2차연료공급관은 촉매연소부와 2차혼합부의 결합부위의 내부를 따라 직접 형성되는 다수의 분사공, 및 분사공과 외부 연료원을 연결하는 공급유닛을 갖는 것과, 다수의 분사공은 상기 결합부위의 내주를 따라 일정 간격으로 형성되며, 상기 2차연료는 상기 배기가스의 안쪽으로 방사형으로 분사되는 것을 특징으로 하며, 다수의 분사공은 노즐형태로 구성되며, 2차연료는 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 다소 경사지게 분사되는 것을 또한 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매-화염 복합 연소장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1에 예시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 연소장치(100)는 예열부(110), 1차혼합부(130), 촉매연소부(150), 2차혼합부(170) 및 화염연소부(190)를 포함하며, 각 부끼리는 서로 고정되게 플랜지 결합된다.

예열부(110)는 촉매연소에 필요한 공기를 촉매연소에 필요한 온도로 미리 가열하기 위한 수단으로, 앞단에 공기가 유입되는 입구(111)를 구비하고, 내부에, 바람직하게는 내부 중앙에 입구(111)와 이어지는 공기유입로(112)를 구비한다.

공기유입로(112)는 설계에 따라 달리 구성될 수 있으나, 중공의 원통형으로 구성되는 것이 바람직하고, 그 외주, 바람직하게는 그 외주면에는 공기를 가열하기 위한 예를 들어, 전기히터와 같은 예열장치(113)가 설치된다.

예열장치(113)와 예열부(110)의 내벽 사이에는 예열장치(113)에 의해 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 막기 위해, 바람직하게는 예열장치(113)의 외주면을 둘 러싸게 단열재(114)가 끼워진다.

1차혼합부(130)는 예열부(110)에서 가열된 공기와 외부에서 유입되는 예를 들어 가스 형태의 연료를 1차적으로 혼합하기 위한 수단으로, 내부에, 바람직하게는 내부 중앙에 혼합실(131)을 구비하고, 외부와 연결된 1차연료공급관(132)이 혼합실(131)의 안쪽까지 연결된다. 또한, 혼합실(131)과 혼합부(130)의 내벽 사이에는 가열된 공기의 열방출을 막기 위해 바람직하게는 1차연료공급관(132)의 외주면을 둘러싸게 단열재(133)가 끼워진다.

혼합실(131)은 예열부(110)에 설치된 공기유입로(112)와 이어지게 설치되고, 내부에는 중앙부근에 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합기(134)가 설치되며, 또한, 혼합기(134)의 앞쪽에 1차연료공급관(132)이 설치된다.

1차연료공급관(132)은 일단부(132a)가 개방되어 예를 들어, 수소개질장치와 같이 혼합가스를 배출하는 외부 장치(미도시)와 연결되고, 타단부(132b)가 밀폐되어 혼합기(134)의 앞쪽에 예열부(110)를 향하게 설치된다.

도 2a 및 도 2b에 예시한 바와 같이, 1차연료공급관(132)은 연료가 복합연료일 경우 공기와의 혼합이 균일하게 잘 이루어지도록 타단부(132b)가 공기 흐름의 반대방향으로 90°로 꺽이게 형성된다. 공급관(132)의 꺽인 방향이 공기 유입방향과 반대 방향이기 때문에 공기와 연료의 혼합시 공급관(132)에 의한 영향을 최소로 줄일 수 있다.

1차연료공급관(132)은 일단부(132a)를 통해 공급되는 연료가 공기의 흐름에 대해 직교하게 방사형으로 분사되도록 하기 위하여 외주를 따라 일정 간격을 두고 다수의 분사공(135)들이 형성된다. 분사공(135)은 드릴 등의 공구에 의해 예를 들어 약 1.2㎜ 미만의 직경으로 형성된다. 이와 같이, 연료가 공기의 흐름에 대해 직교하게 방사형으로 분사되면, 분사시에도 연료와 공기와의 적당한 수준의 혼합이 비교적 잘 이루어질 수 있다.

도 2b의 다수의 화살표는 분사공(135)을 통해 연료가 방사형으로 같은 힘으로 골고루 분사됨을 예시적으로 나타낸다.

도 3a에 예시한 바와 같이, 혼합기(134)는 선회판(136), 혼합공간(138) 및 다공판(139)을 구비한다.

도 3b와 같이, 선회판(136)은 2개의 구획된 공간, 즉 원형의 내부공간(136a)과 환형의 외부공간(136b)을 가지며, 각 공간(136a,136b)에는 공기와 연료를 혼합하기 위해 다수의 날개(137a,137b)들이 설치된다. 내부공간(136a)에 설치되는 다수의 내부날개(137a)들은 예를 들어, 시계방향으로 와선형태로 일정 간격을 두고 배치되는 한편, 외부공간(136b)에 설치되는 다수의 외부날개(137b)들은 이와 반대로 반시계방향으로 와선형태로 일정 간격을 두고 배치된다. 이렇게 내부날개(137a)와 외부날개(137b)을 서로 반대방향으로 배치시킴으로써 공기와 연료의 혼합에 필요한 거리(d)를 크게 줄일 수 있다. 즉, 공기와 연료가 짧은 거리를 갖는 선회판(136)을 통과하더라도 혼합이 매우 잘 이루어질 수 있다.

혼합공간(138)은 선회판(136)을 통과한 공기와 연료가 혼합되는 공간을 마련해주며, 선회판(136)과 다공판(139) 사이에 위치한다. 도면에서 내부날개(137a)를 통과한 공기와 연료는 안쪽 화살표와 같이 시계방향으로 회전하며, 외부날개(137b) 를 통과한 공기와 연료는 바깥쪽 화살표와 같이 반시계방향으로 회전한다.

도 3c와 같이, 다공판(139)은 혼합된 공기와 연료를 균일 속도로 방출하기 위하여 벌집모양으로 촘촘하게 정렬된 수 많은 구멍(A)들을 갖는다. 이 구멍(A)들은 후에 설명하는 촉매지지체(151)에 형성된 구멍(A')들 보다 크게 형성하는 것이 바람직한 데, 이는 회전하고 있는 혼합된 공기와 연료가 직진성을 갖고 혼합기(134)를 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다.

촉매연소부(150)는 1차혼합부(130)에서 혼합된 공기와 연료의 혼합물을 촉매연소하기 위한 수단으로, 내부에, 바람직하게는 내부 중앙에 촉매지지체(151)를 구비하고, 촉매지지체(151)와 촉매연소부(150)의 내벽 사이에는 혼합물의 열이 방출되는 것을 막기 위해 바람직하게는 촉매지지체(151)들 둘러싸게 단열재(152)가 끼워진다.

촉매지지체(151)는, 도 4에 평면적으로 도시한 바와 같이, 원통형의 금속지지틀(153)을 구비하고, 금속지지틀(153) 안에는 다수로 구획된, 예를 들어, 중앙에 1개와 그 주변에 4개, 총 5개로 구획된 수용실(154a~154e)을 구비한다. 또한, 촉매지지체(151)는 각 수용실(154a~154e)에 맞는 형태로 모듈형 촉매체(155a~155e)를 구비하고, 각 촉매체(155a~155e)는 해당 수용실(154a~154e)에 끼워진다. 이와 같이, 촉매체(155a~155e)를 모듈형태로 다수 구비하고, 각 촉매체(155a~155e)를 구획된 수용실(154a~154e)에 별도로 수용하기 때문에 공기와 연료의 혼합물이 촉매체(155a~155e)의 표면반응에 의해 열로 전환될 때 일부, 예를 들어 촉매체(155a)의 국부적인 열 충격에 의해 전체 촉매체(155a~155e)의 활성이 저하되는 것이 방지되 고, 예를 들어, 촉매체(155a)의 일부가 손상되는 등의 경우, 해당 촉매체(155a)만을 꺼내어 수리하거나 새롭게 교체할 수 있다. 본 실시예의 촉매체(155a~155e)는 촘촘하게 정렬된 수 많은 구멍(A')들로 이루어지는 데, 이 구멍(A')들은 앞서 설명한 바와 같이 다공판(139)에 형성된 구멍(A)들 보다 작은 것이 바람직하다.

2차혼합부(170)는 촉매연소부(150)에서 공기와 1차연료의 혼합물의 연소로 생성된 배기가스에 연료를 2차적으로 혼합하기 위한 수단으로, 연료를 공급하기 위한 2차연료공급관(171)을 구비한다.

2차연료공급관(171)은, 도 5a에 예시한 바와 같이, 촉매지지체(151)의 끝부분에 위치하게 촉매연소부(150)의 안쪽에 설치한다. 또한, 공급관(171)은, 도 5b와 같이, 환형의 분사유닛(172) 및 이 분사유닛(172)과 연결되는 공급유닛(173)으로 구성된다.

분사유닛(172)은 촉매지지체(151)와 거의 대응하는 직경을 갖게 형성되며, 내주를 따라 다수의 분사공(174)들이 일정 간격을 두고 형성된다. 다수의 분사공(174)들은 같은 크기의 노즐형태로 형성되며, 분사공(174)은 분사되는 연료가 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 일정 각도, 예를 들어, 도 5c와 같이 θ각을 두고 분사되게 형성되는 것이 바람직하다. 이런 구성에 의해, 2차적으로 공급되는 연료는 배기가스의 유동방향쪽으로 다소 기울어지게 배기가스의 중심쪽으로 방사형으로 분사되고, 이로 인해 배기가스 유동의 방해없이 연료가 유동하는 배기가스에 골고루 잘 혼합될 수 있다.

공급유닛(173)은 예를 들어, 수소개질장치 등의 연료를 공급할 수 있는 외부 장치(미도시)에 연결되어, 외부 장치로부터 분사유닛(172)으로 연료를 공급한다.

위 공급관(171)은, 구체적으로 도 5d와 같이, 촉매연소부(150)에 설치된다. 즉, 공급관(171)의 분사유닛(172)의 중심과 촉매지지체(151)의 중심이 거의 일치하도록 설치되고, 공급유닛(173)은 외부로 노출된다.

위에서는 2차연료공급관(171)을 촉매연소부(150) 안쪽에 설치하는 구성을 제시하였지만, 이와 달리, 도 6a와 같이, 2차연료공급관(171')을 촉매연소부(150)와 화염연소부(190)간을 연결하는 플랜지(F)에 직접 형성할 수 있다.

도 6b에 구체적으로 도시한 바와 같이, 2차연료공급관(171')은 드릴 등의 소정의 공구를 사용하여 플랜지(F)의 내주를 따라 직접 노즐형태의 다수의 분사공(174')들을 가공한다. 내주를 따라 가공된 다수의 분사공(174')들은 같은 크기를 갖고 일정 간격을 두고 배치되며, 도 6a의 공급유닛(173')과 연결된다.

앞의 실시예와 마찬가지로, 다수의 분사공(174')은 분사되는 연료가 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 일정 각도, 예를 들어, 15도 이내의 θ각을 두고 분사되게 형성되는 것이 바람직하다. 이런 구성에 의해, 2차적으로 공급되는 연료는 배기가스의 유동방향쪽으로 다소 기울어지게 배기가스의 중심쪽으로 방사형으로 분사되고, 이로 인해 배기가스 유동의 방해없이 연료가 유동하는 배기가스에 골고루 잘 혼합될 수 있다.

위 공급관(171')은, 구체적으로 도 6c와 같이, 플랜지(F)에 설치된다. 즉, 공급관(171')의 분사공(174')들이 촉매지지체(151)를 둘러싸게 위치하고, 공급유닛(173')은 플랜지(F)의 외부로 노출된다.

화염연소부(190)는 연료가 혼합된 배기가스를 화염연소시키기 위한 수단으로, 촉매지지체(151)와 연결되는 연소실(191)과 연소실(191)을 둘러싸는 단열재(192)를 구비한다. 연소실(191)은 얻고자 하는 열의 양, 화염온도, 화염길이 등의 다양한 환경에 맞게 그 길이가 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 화염연소부(190)는 화염연소물이 배출되는 부분에 투시창(132b)을 설치하여, 작업자가 연소실(191)에서의 배기가스 연소상태를 쉽게 확인할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 연소장치(100)의 작용에 대해 설명한다. 설명은 외부장치로 도 7과 같이 수소를 생성하는 수소개질장치가 연결된 경우를 예를 들어 이루어지나, 연소장치(100)의 적용이 이 예로 한정되는 것은 아니다.

먼저, 입구(111)를 통해 예열부(110)로 유입된 공기는 장치(100)의 초기시동과 촉매개시온도를 맞추기 위해 예열장치(113)에 의해 예열된다.

경우에 따라 다소 다르긴 하나, 일반적으로 팔라듐이나 백금 같은 귀금속 촉매를 사용하여 LNG, LPG를 촉매개시용 연료로 사용하는 경우, 촉매반응의 개시온도를 위해 촉매지지체(151)가 유지해야 하는 온도는 약 350~400℃ 정도가 바람직하다. 이와 달리, 수소를 반응개시용 연료로 사용하는 경우, 상온에서도 표면반응이 발생하기 때문에 예열장치(113)를 통해 공기를 예열할 필요가 없다.

다음, 예열된 공기는 1차혼합부(130)로 들어가 1차연료공급관(132)을 통해 유입되는 연료와 1차적으로 혼합된다. 이때, 공기는 연료가 공급되는 도중에 일단 연료와 한 번 혼합되고, 혼합기(134)를 거치면서 연료와 완전히 다시 혼합된다.

1차연료공급관(130)을 통해 유입되는 연료로 수소개질장치(10)에서 수소를 생성하고 남은 부생가스, 즉 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등이 함께 함유된 복합연료가 사용된다.

다음, 1차혼합부(130)에서 완전히 혼합된 공기와 연료의 혼합물은 촉매연소부(150)를 지나면서 촉매체(155a~155e)와의 표면반응을 통해 촉매연소되어, 배기가스를 생성한다. 연소된 배기가스는 소량의 연소되지 않는 연료, 배기가스 및 상당량의 산소가스를 포함하며, 촉매의 표면반응에 의해 배기가스는 고온 팽창되어 유동속도가 급격히 증가한다. 따라서, 배기가스가 화염연소부(190)에서 화염연소될 수 있는 적합한 조건을 갖추게 된다.

다음, 고온 팽창된 배기가스는 2차혼합부(170)를 거치면서 연료와 2차적으로 혼합된 후 화염연소부(190)로 들어간다.

마지막으로, 화염연소부(190)의 연소실에서 화염연소 후 생성된 화염연소물이 열원으로써 수소개질장치(10)로 공급된다.

위 연소장치(100)와 수소개질장치(10)를 사용하여 실험한 예를 도 8의 그래프를 참조로 간략하게 설명한다.

도 8의 그래프에서, X축은 시간(×10초), Y축은 온도(℃)을 나타내고, 선(1)은 1차연료공급관(132) 또는 예열부(110)의 온도 변화, 선(2)은 촉매연소부(150)의 온도 변화, 선(3)은 2차연료공급관(171)의 온도 변화, 그리고 선(4)은 화염연소부(190)의 끝단의 온도 변화 추이를 각각 나타낸다.

본 실험에서는, 촉매의 초기개시반응을 위해서 공기에 대해 약 10%정도의 수소만을 1차연료공급관(132)으로 공급하여 상온에서 표면반응을 발생시켰고, 이후 1 차연료공급관(132)에 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄이 각각 26%, 8%, 55%, 11%의 비율로 포함된 수소개질장치(10)에서 부생된 복합연료를 1차 연료로 공급하였다. 이때, 촉매체(155a~155e)의 온도는 약 600~700℃로 유지되었으며, 화염연소부(190)의 온도는 촉매체(155a~155e)의 온도보다 낮게 나타나 아직 화염연소가 발생하지 않았다. 이와 같은 상태를 어느 정도 유지하면서 2차연료공급관(171)을 통해 1차연료공급관(132)에서 공급된 복합연료에 포함된 메탄량의 30%를 2차 연료로 공급하였다. 이후, 화염연소부(190)에 후단 화염이 생성된 것으로 측정되었으며, 화염연소부(190)의 온도 분포가 600℃에서 1100℃로 급격히 상승하였다. 반면, 촉매체(155a~155e)의 온도는 600~700℃ 사이에서 그대로 유지되었다.

이런 결과로부터 본 발명의 촉매-화염 복합 연소장치(100)는 촉매체(155a~155e)의 표면반응에는 어떠한 영향도 미치지 않으면서, 즉 안정된 촉매의 표면반응을 유지하면서 화염연소를 생성하여 수소개질장치에 필요한 열을 충분히 공급할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 본 발명의 역화 발생이 없는 촉매-화염 복합 연소장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.

본 발명의 연소장치에 따르면, 연소에 필요한 연료가 촉매연소시와 화염연소시에 각각 따로 나뉘어 공급되기 때문에 연료가 촉매연소시에 일괄적으로 전부 공 급되었던 종래에 비해 역화 발생의 가능성을 크게 줄일 수 있다.

또한, 1차연료공급관이 혼합기의 앞쪽에 공기 유동방향에 반하게 설치되기 때문에, 1차연료공급관으로 공급되는 연료와 예열부에서 오는 공기가 만나면서 혼합이 이루어진 후, 혼합기에 의해 다시 혼합이 이루어진다. 즉, 예열된 공기와 연료의 혼합이 매우 잘 이루어질 수 있다.

또한, 혼합기에 설치된 다공판이 촉매체에 형성된 촘촘한 수 많은 구멍들 보다 작은 크기의 수 많은 구멍들을 갖기 때문에 혼합기를 통과하는 공기와 연료의 혼합물이 직진성을 갖고 촉매연소부로 들어갈 수 있고, 따라서 촉매연소부에서의 연소 효율이 높아질 수 있다.

또한, 촉매지지체는 다수의 구획된 수용실을 갖고, 각 수용실에 맞는 모듈형태의 촉매체를 구비하기 때문에 일부 촉매체의 국부적인 열 충격에 의해 전체 촉매체의 활성이 저하되지 않으며, 촉매체의 일부가 손상되는 경우에도, 해당 촉매체만을 수리하거나 새롭게 교체할 수 있어, 작업이 쉽고 경제적이다.

또한, 화염연소부에 투명창이 설치되기 때문에 연소실에서 배기가스가 연소되는 상태를 작업자 등이 쉽게 확인할 수 있다.

또한, 촉매연소와 화염연소를 이어서 행하기 때문에 화염연소만을 행할 때 요구되는 것 보다 작은 길이의 연소실을 구비할 수 있어 장치 전체의 크기를 줄일 수 있다.

Claims (15)

1. 유입되는 공기에 1차연료를 혼합하기 위한 1차혼합부;

   상기 1차혼합부에서 혼합된 상기 공기와 상기 1차연료의 1차혼합물을 촉매연소하기 위한 촉매연소부;

   상기 1차혼합물의 연소에 의해 생성된 배기가스에 2차연료를 혼합하기 위한 2차혼합부; 및

   상기 2차혼합부에서 혼합된 상기 배기가스와 상기 2차연료의 2차혼합물을 화염연소하기 위한 화염연소부를 포함하며,

   상기 1차혼합부는 상기 공기와 상기 1차연료를 혼합하기 위한 혼합실, 상기 1차연료를 공급하기 위한 1차연료공급관, 및 상기 공기와 상기 1차연료를 추가적으로 혼합하기 위한 혼합기를 구비하는 것을 특징으로 하고,

   상기 혼합기는 상기 공기와 1차연료가 선회하며 유입되는 선회판, 상기 선회하는 상기 공기와 1차연료가 혼합되는 혼합공간, 및 상기 혼합된 상기 공기와 1차연료에 직진성을 부여하기 위한 다공판을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 1차연료공급관은 상기 혼합실에 위치한 부위의 일부가 공기 유동방향과 반대방향을 향하도록 90°로 꺽여 있으며, 연료 공급이 공기의 유동 방향에 직교하게 방사방향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 1차연료공급관은 상기 혼합실에 위치한 단부에 외주를 따라 그 간격과 지름이 일정한 다수의 분사공을 갖는 것을 특징으로 하는 연소장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 선회판은 원형의 내부공간과 환형의 외부공간의 2개의 구획된 공간을 가지며, 각 공간에는 서로 반대 방향으로 배치되는 다수의 와선형 날개들이 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 촉매연소부는 다수의 수용실을 갖게 구획되며, 각 수 용실에 촘촘하게 정렬된 수 많은 구멍들을 갖는 모듈형태의 촉매체가 수용되는 촉매지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 2차혼합부는 상기 촉매연소부의 후단에 설치되는 2차연료공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 2차연료공급관은 상기 촉매연소부와 동축선상에 위치하는 환형의 분사유닛 및 상기 분사유닛과 외부 연료원을 연결하는 공급유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 연소장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 환형의 분사유닛은 내주를 따라 일정 간격으로 형성되는 다수의 분사공을 가지며, 상기 2차연료는 상기 배기가스의 안쪽으로 방사형으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 다수의 분사공은 노즐형태로 구성되며, 상기 2차연료는 상기 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 다소 경사지게 분사되는 것을 특징 으로 하는 연소장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 2차혼합부는 상기 촉매연소부와 결합부위에 설치되는 2차연료공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 2차연료공급관은 상기 촉매연소부와 상기 2차혼합부의 결합부위의 내부를 따라 직접 형성되는 다수의 분사공, 및 상기 분사공과 외부 연료원을 연결하는 공급유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 연소장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 다수의 분사공은 상기 결합부위의 내주를 따라 일정 간격으로 형성되며, 상기 2차연료는 상기 배기가스의 안쪽으로 방사형으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 다수의 분사공은 노즐형태로 구성되며, 상기 2차연료는 상기 배기가스의 유동방향과 같은 방향으로 다소 경사지게 분사되는 것을 특징으로 하는 연소장치.

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