KR101530920B1 - 연료개질기 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 개질기 버너에 관한 것으로, 공기공급관을 통해 공급되는 공기를 공기분기통로에서 분배하여, 내부관체 및 외부관체로 각각 공기를 공급하고, 외부관체로 공급되는 공기와 제2가스공급구로 공급되는 가스를 일부 예혼합하여 상부로 안내하며, 외부관체 상부로 이동된 혼합가스를 내부관체에서 토출되는 공기와 노즐 하단에서 부분적으로 재혼합하여 노즐 상부로 분사되게 함으로써, 노즐을 통과한 혼합가스가 점화되면서 1차 연소가 이루어짐과 동시에 1차 연소에서 생성된 화염이 내부관체에서 토출되는 공기와 혼합되어 2차 연소가 이루어지는 연료개질기 버너를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 외부관체 내에서 점화점 이하의 농도를 갖는 혼합가스가 생성되어 배가스에 의해 외부관체가 가열된 후 혼합가스가 자연발화 이상의 온도로 가열되어도 외부관체 내에서 자연발화되는 것이 방지되고, 내부관체를 통해 노즐 상부로 분사된 공기 중 일부가 외부관체로 공급된 혼합가스와 점화점 이상의 농도로 혼합되어 혼합가스의 연소가 이루어진다.

Description

연료개질기 버너{Fuel reformer burner}

본 발명은 연료개질기 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기공급관을 통해 공급되는 공기를 분배하여 내부관체 및 외부관체로 각각 공급하는 연료개질기 버너에 관한 것이다.

연료개질기 버너는 연료가스를 연소시켜 열을 생성하는 장치로, 도시가스 등의 탄화수소 가스와 수소가스의 연소가 가능하게 제작된다.

도 1은 종래의 연료개질기 버너를 나타낸 도면으로, 외면에 제1가스공급구(11) 및 공기공급구(12)가 형성되고, 상면에 혼합가스를 상부로 배출하는 혼합배출구(13)가 형성된 버너바디(10)와, 상기 혼합배출구(13)와 연통되게 결합되고, 외면에 통공(21)이 형성되어 있으며, 상기 혼합배출구(13)에서 토출되는 혼합가스를 상부로 안내하는 안내관체(20)와, 상기 안내관체(20)의 통공(21)과 연통되게 설치되어 가스를 공급하는 제2가스공급구(30)와, 상기 버너바디(10)에 설치되되, 일단에서 돌출된 점화봉(41)이 상기 안내관체(20) 내부에 위치되어 불꽃을 일으키는 스파크플러그(40) 및 상기 안내관체(20) 내부에 설치되고, 상기 안내관체(20)에 의해 안내되는 혼합가스를 상부로 분사하여 점화시키는 노즐(50)로 구성된다.

여기서, 상기 제1가스공급구(11)와 상기 공기공급구(12)로 각각 가스 및 공기를 공급하고, 상기 버너바디(10)에서 혼합된 혼합가스가 상기 혼합배출구(13)를 통해 상부로 배출되며, 상기 혼합배출구(13)를 통해 배출된 혼합가스가 상기 안내관체(20)를 통해 상부로 안내되어 상기 노즐(50)을 통해 상부로 분사된다.

이때, 상기 스파크플러그(40)의 점화봉(41)으로 스파크를 일으키면, 상기 노즐(50)에서 분사되는 혼합가스가 스파크에 의해 점화된다.

이때, 상기 제1가스공급구(11)와는 별개로 상기 제2가스공급구(30)를 통해 가스가 공급되고, 이 가스가 상기 안내관체(20)의 통공(21)을 통해 상기 안내관체(20) 내부로 공급되며, 상기 안내관체(20)로 공급된 가스는 상기 안내관체(20)로 공급된 공기와 예혼합되고, 그 상태에서 상기 안내관체(20) 상부로 이동되어 노즐(50) 상부에서 점화된다.

참고로, 예혼합방식은 가스와 공기를 선단부에서 미리 혼합하는 방식이다.

특히, 상기 통공(21)을 통해 안내관체(20)로 공급된 가스는 상기 안내관체(20)로 공급된 공기와 혼합되면서 상부로 이동되고, 상기 노즐(50) 상부로 분사되어 점화된다.

하지만, 상기와 같은 종래의 연료 개질기버너는, 예혼합된 혼합가스를 안내관체(20) 상부로 이동시켜 점화하는 구조로, 혼합가스 연소로 생성된 배가스 및 연료 개질기 내부의 고온 열복사로 인해 안내관체(20)가 가열되고, 이 때문에 예혼합된 혼합가스가 정해진 온도 이상으로 가열되어 안내관체(20) 내에서 연소되면서 자연발화가 일어날 수 있고, 예혼합된 고온의 혼합가스 화염온도에 의해 질소산화물 배출량이 증가되는 문제점이 있다.

KR 10-1244510 U1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공기공급관을 통해 공급되는 공기를 공기분기통로에서 분배하여, 내부관체 및 외부관체로 각각 공기를 공급하고, 외부관체로 공급되는 공기와 제2가스공급구로 공급되는 가스를 일부 예혼합하여 상부로 안내하며, 외부관체 상부로 이동된 혼합가스를 내부관체에서 토출되는 공기와 노즐 하단에서 부분적으로 재혼합하여 노즐 상부로 분사되게 함으로써, 노즐을 통과한 혼합가스가 점화되면서 1차 연소가 이루어짐과 동시에 1차 연소에서 생성된 화염이 내부관체에서 토출되는 공기와 혼합되어 2차 연소가 이루어지는 연료개질기 버너를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 개질기 버너는, 외면에 공기공급구 및 제1가스공급구가 형성되어 있고, 상면에 혼합가스를 배출하는 혼합배출구가 형성되어 있으며, 상면에 상기 공기공급구와 연통되는 공기분기통로가 형성되어 있는 버너바디와; 상기 버너바디의 공기분기통로에 설치되어 상기 공기분기통로로 공급되는 공기량을 조절하는 공기량조절부; 상기 버너바디의 혼합배출구와 연통되게 설치되어 상기 혼합배출구에서 배출되는 혼합가스 또는 공기를 상부로 안내하는 내부관체; 상기 내부관체를 감싸도록 설치되어 상기 공기분기통로와 연통되고, 외면에 가스를 공급받는 제2가스공급구가 형성되어 있으며, 상기 공기분기통로와 제2가스공급구를 통해 공급된 공기와 가스를 혼합하여 상부로 안내하는 외부관체; 상기 버너바디에 설치되고, 일단에 상기 내부관체 상부로 노출되어 불꽃을 일으키는 점화봉이 형성된 스파크플러그; 및 상기 외부관체 내부에 설치되고, 혼합가스를 분사하는 노즐;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 개질기 버너에 있어서, 상기 버너바디의 제1가스공급구로 공급되는 가스는 LNG 혹은 LPG 가스이고, 상기 외부관체의 제2가스공급구로 공급되는 가스는 어노드오프가스(anode off gas)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 개질기 버너에 있어서, 상기 내부관체는 상기 외부관체의 길이보다 상대적으로 짧게 형성되어, 상기 외부관체를 통해 상부로 이동된 혼합가스에 공기를 보태는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 개질기 버너에 있어서, 상기 스파크플러그는 상기 점화봉 상단에 상기 점화봉과 상기 노즐을 절연시키는 절연지지재가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 개질기 버너에 있어서, 상기 노즐은 상면 중앙에 상기 점화봉이 통과되는 중앙홀이 형성되어 있고, 상기 중앙홀 테두리 및 외면에 혼합가스가 통과되는 분사홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 연료개질기 버너는, 외부관체 내에서 점화점 이하의 농도를 갖는 혼합가스가 생성되어 배가스에 의해 외부관체가 가열된 후 혼합가스가 자연발화 이상의 온도로 가열되어도 외부관체 내에서 자연발화되는 것이 방지되고, 내부관체를 통해 노즐 상부로 분사된 공기 중 일부가 외부관체로 공급된 혼합가스와 점화점 이상의 농도로 혼합되어 혼합가스의 연소가 이루어진다.

또한, 점화시 필요한 일부 공기가 내부관체로 공급되어 1차 연소가 이루어지고, 나머지 공기가 외부관체로 공급되어 2차 연소가 이루어지며, 이와 같은 2단 연소 형태에 의해 혼합가스의 연소로 생성되는 질소산화물 배출량이 현저하게 감소되는 장점이 있다.

도 1은 종래의 연료 개질기 버너를 나타낸 측 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 연료 개질기 버너를 나타낸 사시도.
도 3은 도 2의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 연료 개질기 버너의 내부관체에서 생성된 혼합가스의 흐름을 나타낸 측 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 연료 개질기 버너의 외부관체에서 생성된 혼합가스의 흐름을 나타낸 측 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 연료 개질기 버너의 버너바디에서 공기가 분배되는 상태를 나타낸 부분확대도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 3에 나타난 본 발명에 따른 연료 개질기 버너를 참조하면, 버너바디(100)는 외면에 공기공급구(101) 및 제1가스공급구(102)가 형성되어 있고, 상면에 혼합가스를 배출하는 혼합배출구(103)가 형성되어 있으며, 상면에 상기 공기공급구(101)와 연통되는 공기분기통로(104)가 형성된다.

상기 버너바디(100)는 상기 공기공급구(101) 및 제1가스공급구(102)를 통해 공기와 가스를 공급받되, 이 공기와 가스를 혼합하여 혼합가스를 생성한다.

상기 버너바디(100)의 제1가스공급구(102)로 공급되는 가스는, 초기 화염 발화를 용이하게 하는 LNG 혹은 LPG 가스이다.

상기 버너바디(100) 내부에서 생성된 혼합가스는 상기 혼합배출구(103)를 통해 상부로 배출된다.

상기 버너바디(100)의 공기분기통로(104)는 상기 공기공급구(101)를 통해 공급되는 공기 중 정해진 량의 일부 공기가 상기 혼합배출구(103)와 서로 다른 위치에서 상부로 배출되도록 안내한다.

상기 공기분기통로(104)에서 분배된 각각의 공기량은 서로 반비례관계를 유지하고, 각각의 그 공기는 상기 혼합배출구(103) 및 상기 공기분기통로(104)를 통해 각각 상부로 배출된다.

상기 혼합배출구(103)로 배출되는 공기량이 상기 공기분기통로(104)를 통해 배출되는 공기량보다 상대적으로 많은 것이 바람직하다.

공기량조절부(200)는 상기 버너바디(100)의 공기분기통로(104)에 설치되어 상기 공기분기통로(104)로 공급되는 공기량을 조절한다.

상기 공기량조절부(200)는 슬라이딩 방식으로 작동되어 상기 공기분기통로(104)를 차단 또는 개방할 수 있고, 사용자의 조작에 의해 상기 공기분기통로(104)의 직경을 변화시켜 공기 배출량을 조절할 수 있다.

상기 공기량조절부(200)는 외부에서 손쉽게 조작할 수 있도록, 상기 버너바디(100) 외면으로 노출되게 설치되는 것이 바람직하다.

상기 공기량조절부(200)는 원형, 반구형 또는 다각형 등 다양한 형상으로 형성된다.

내부관체(300)는 상기 버너바디(100)의 혼합배출구(103)와 연통되게 설치되어 상기 혼합배출구(103)에서 배출되는 혼합가스 또는 공기를 상부로 안내한다.

상기 내부관체(300)는 상기 외부관체(400)의 내부 공간을 구획한 상태로 혼합가스 또는 공기를 상부로 안내한다.

상기 내부관체(300)는 상기 외부관체(400)의 길이보다 상대적으로 짧게 형성되어, 상기 외부관체(400)를 통해 상부로 이동된 혼합가스에 점화시 필요한 정해진 량의 공기를 공급하게 된다.

상기 내부관체(300)는 상기 버너바디(100)에서 분배된 공기를 공급받고, 그 공기를 상부로 안내하여 혼합가스에 보탬으로써, 혼합가스가 점하점 이상의 농도를 갖는다.

상기 내부관체(300)는 상단 테두리에 적어도 2개 이상의 지지바(301)가 형성된다.

상기 지지바(301)는 상기 외부관체(400) 내주면에 밀착 고정되어 상기 내부관체(300)가 일 방향으로 기울어지거나 혹은 유동되는 것을 방지한다.

외부관체(400)는 상기 내부관체(300)를 감싸도록 설치되어 상기 공기분기통로(104)와 연통되고, 외면에 가스를 공급받는 제2가스공급구(401)가 형성되어 있으며, 상기 공기분기통로(104)와 제2가스공급구(401)를 통해 공급된 공기와 가스를 혼합하여 상부로 안내한다.

상기 외부관체(400)는 공기와 가스의 예혼합으로 생성된 점화점 이하의 농도를 갖는 혼합가스를 상부로 안내한다.

상기 외부관체(400)의 제2가스공급구(401)로 공급되는 가스는 애드오프가스(anode off gas)이고, 이 가스는 화학반응이 끝나고 나오는 가스로, 공기와의 혼합으로 혼합가스로 변화되며, 화염에 의해 연소되어 화염 상태를 유지시킨다.

스파크플러그(500)는 상기 버너바디(100)에 설치되고, 일단에 상기 내부관체(300) 상부로 노출되어 불꽃을 일으키는 점화봉(501)이 형성된다.

상기 스파크플러그(500)는 외부의 고전압을 공급받아 상기 점화봉(501)에 스파크가 일어나도록 함으로써, 상기 노즐(600)에서 분사된 혼합가스가 상기 점화봉(501)에서 일어나는 스파크에 의해 점화되어 화염이 생성된다.

상기 스파크플러그(500)는 상기 점화봉(501) 상단에 상기 점화봉(501)과 상기 노즐(600)을 절연시키는 절연지지재(502)가 설치된다.

상기 절연지지재(502)는 스파크를 일으키는 상기 점화봉(501) 말단보다 상대적으로 낮은 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 절연지지재(502)는 상기 노즐(600) 중앙부에 삽입 결합되는 것이 바람직하다.

상기 절연지지재(502)는 고무, 실리콘 등 상기 노즐(600)과의 간섭을 차단할 수 있는 다양한 재질로 형성된다.

노즐(600)은 상기 외부관체(400) 내부에 설치되고, 혼합가스를 분사한다.

상기 노즐(600)은 외면이 상기 외부관체(400) 내주면에 밀착 지지되고, 그 상태에서 상부로 혼합가스를 분사하는 것이 바람직하다.

상기 노즐(600)은 스파크를 일으키는 상기 점화봉(501) 말단보다 상대적으로 낮은 위치에 설치된다.

상기 노즐(600)은 상면 중앙에 상기 점화봉(501)이 통과되는 중앙홀(601)이 형성되어 있고, 상기 중앙홀(601) 테두리 및 외면에 혼합가스가 통과되는 분사홀(602)이 형성된다.

상기 분사홀(602)은 복수개로 형성되어 혼합가스가 상부로 고르게 분사되도록 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 연료 개질기 버너는 다음과 같이 작동된다.

도 4를 참조하면, 버너바디(100)의 공기공급구(101) 및 제1가스공급구(102)로 각각 공기 및 가스를 공급하여 상기 버너바디(100) 내부에서 공기와 가스가 예혼합되도록 하고, 공기와 가스의 예혼합으로 생성된 혼합가스를 혼합배출구(103)을 통해 상부로 배출한다.

상기와 같이 상기 혼합배출구(103)를 통해 배출된 혼합가스를 상기 내부관체(300)로 안내하여 상부로 이동시킴으로써, 혼합가스가 상기 노즐(600)을 통해 상부로 분사된다.

이때, 상기 스파크플러그(500)에 고전압을 공급하여, 상기 점화봉(501) 말단에 스파크를 일으키면, 상기 노즐(600)을 통해 분사되는 혼합가스가 스파크에 의해 점화되어 상기 외부관체(400) 상부로 화염이 토출된다.

여기서, 상기 제1가스공급구(102)로 공급되는 가스는 LNG 혹은 LPG가스 등의 기체연료이고, 상기 제2가스공급구(401)로 공급되는 가스는 어노드 오프가스(anode off gas)이다.

이때, 상기 제2가스공급구(401)로 공급되는 어노드 오프가스(anode off gas)는 연료개질기(미도시) 및 스텍(미도시)을 포함하는 연료전지시스템(미도시)에 의해 생성된다.

즉, 연료개질기(미도시)는 상기 노즐(600) 상부에서 생성된 화염에서 토출되는 고온의 배가스에 의해 가열되면서 화학반응에 의해 수소를 생성하고, 그 수소를 스텍(미도시)으로 통과시켜 연소가 가능한 어노드 오프가스를 생성하게 된다.

특히, 어노드 오프가스(anode off gas)의 연소 시점에서 상기 제1가스공급구(102)로 공급되는 가스량이 현저히 감소되고, 이에 따라, 상기 공기공급구(101)로 공급되는 공기량에 의해 상기 내부관체(300)내에 가스에 비해 상대적으로 많은량의 공기가 존재한다.

도 5는 외부관체에서 생성된 어노드 오프가스(anode off gas)의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 버너바디에서 공기가 분배되는 상태를 나타낸 부분확대도이다.

도 5 내지 도 6을 참조하면, 상기 공기량조절부(200)를 이동시켜 상기 공기분기통로(104)를 개방함으로써, 상기 공기공급구(101)을 통해 공급된 공기가 상기 공기분기통로(104)에서 분배되고, 각각의 분배된 공기가 상기 혼합배출구(103) 및 상기 공기분기통로(104)로 배출된다.

이 경우, 상기 공기분기통로(104)에서 분배된 각각의 공기량은 서로 반비례관계를 유지하고, 그 분배량은 상기 혼합배출구(103)로 배출되는 공기량이 상기 공기분기통로(104)를 통해 배출되는 공기량보다 상대적으로 많이 배출된다.

이에 따라서, 상기 공기분기통로(104)를 통해 상기 외부관체(400)로 배출된 소량의 공기가 상기 제2가스공급구(401)를 통해 공급되는 가스와 예혼합되어 혼합가스가 생성되며, 이 혼합가스는 점화점 이하의 농도로 생성되어, 상기 외부관체(400) 내에서 고온에 의해 자연발화되는 것이 방지된다.

여기서, 상기 제2가스공급구(401)로 화학반응을 통해 생성된 어노드 오프가스(anode off gas)가 공급된다.

상기 외부관체(400)에 의해 상부로 이동된 혼합가스는 상기 내부관체(300)에서 토출되는 공기와 상기 노즐(600) 선단에서 부분적으로 혼합되어 상기 노즐(600)의 분사홀(602)을 통해 상부로 분사됨으로써, 상기 노즐(600) 상부에서 생성된 화염에 의해 연소된다.

이때, 상기 노즐(600) 선단에서 혼합가스에 혼합되지 못한 일부 공기는 상기 노즐(600)의 분사홀(602)을 통해 혼합가스와 상부로 분사되고, 이 공기가 1차 연소되고 있는 화염에 공급되어 2차 연소가 이루어진다.

여기서, 혼합가스는 상기 노즐(600)의 외면에 형성된 상기 분사홀(602)을 통해 상부로 분사되고, 공기는 상기 노즐(600)의 중앙에 근접되게 형성된 상기 분사홀(602)을 통해 상부로 토출된다.

따라서, 상기 노즐(600) 상부로 분사되는 혼합가스는 점화점 이상의 농도를 갖도록 공기와 부분적으로 재혼합된 상태로 1차 연소 되고, 이 후 외부관체(300)에서 혼합된 공기에 의해 2차 연소되는 2단 연소 방식으로 인해 질소산화물 배출량이 감소된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 연료 개질기 버너를 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100 : 버너바디 101 : 공기공급구
102 : 제1가스공급구 103 : 혼합배출구
104 : 공기분기통로 200 : 공기량조절부
300 : 내부관체 400 : 외부관체
401 : 제2가스공급구 500 : 스파크플러그
501 : 점화봉 502 : 절연지지재
600 : 노즐 601 : 중앙홀
602 : 분사홀

Claims (5)

1. 외면에 공기공급구(101) 및 제1가스공급구(102)가 형성되어 있고, 상면에 혼합가스를 배출하는 혼합배출구(103)가 형성되어 있으며, 상면에 상기 공기공급구(101)와 연통되는 공기분기통로(104)가 형성되어 있는 버너바디(100)와;
   상기 버너바디(100)의 공기분기통로(104)에 설치되어 상기 공기분기통로(104)로 공급되는 공기량을 조절하는 공기량조절부(200);
   상기 버너바디(100)의 혼합배출구(103)와 연통되게 설치되어 상기 혼합배출구(103)에서 배출되는 혼합가스 또는 공기를 상부로 안내하는 내부관체(300);
   상기 내부관체(300)를 감싸도록 설치되어 상기 공기분기통로(104)와 연통되고, 외면에 가스를 공급받는 제2가스공급구(401)가 형성되어 있으며, 상기 공기분기통로(104)와 제2가스공급구(401)를 통해 공급된 공기와 가스를 혼합하여 상부로 안내하는 외부관체(400);
   상기 버너바디(100)에 설치되고, 일단에 상기 내부관체(300) 상부로 노출되어 불꽃을 일으키는 점화봉(501)이 형성된 스파크플러그(500); 및
   상기 외부관체(400) 내부에 설치되고, 혼합가스를 분사하는 노즐(600);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료개질버너.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 버너바디(100)의 제1가스공급구(102)로 공급되는 가스는 LNG 혹은 LPG 가스이고,
   상기 외부관체(400)의 제2가스공급구(401)로 공급되는 가스는 애드오프가스(anode off gas)인 것을 특징으로 하는 연료개질버너.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 내부관체(300)는 상기 외부관체(400)의 길이보다 상대적으로 짧게 형성되어, 상기 외부관체(400)를 통해 상부로 이동된 혼합가스에 공기를 보태는 것을 특징으로 하는 연료개질버너.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 스파크플러그(500)는 상기 점화봉(501) 상단에 상기 점화봉(501)과 상기 노즐(600)을 절연시키는 절연지지재(502)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료개질버너.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 노즐(600)은 상면 중앙에 상기 점화봉(501)이 통과되는 중앙홀(601)이 형성되어 있고, 상기 중앙홀(601) 테두리 및 외면에 혼합가스가 통과되는 분사홀(602)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료개질버너.

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