KR102019184B1

KR102019184B1 - 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법

Info

Publication number: KR102019184B1
Application number: KR1020190073597A
Authority: KR
Inventors: 지현진; 백경돈; 양성호
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-09-06

Abstract

제안기술은 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에 공급되는 수소 가스를 생성하기 위한 잠수함용 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법에 관한 발명이다.

Description

복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법{A fuel reforming system comprising a plurality of combustion unitsd and operation method thereof}

핵추진 잠수함을 제외한 일반적인 잠수함은 잠항 시 2차전지에 저장된 전력을 주에너지원으로 하여 추진하게 되며, 2차전지가 방전되는 경우 함 내에 탑재된 디젤 발전기로 2차전지를 충전해야만 한다.

디젤발전기의 구동을 위해서는 대기 중의 산소가 필요하기 때문에 산소 충전 시 잠수함은 수면 위 혹은 근처까지 부상해야한다. 이와 같은 행위는 적 감시망에 의해 잠수함의 위치를 노출시킬 수 있기 때문에 선진국에서는 산소 의존도를 낮추고, 잠수함의 잠항 시간을 증가시키기 위해 공기불요추진(air independent propulsion, AIP) 체계를 개발하여 적용하고 있다.

특히 연료전지 시스템은 다른 AIP체계에 비해 상대적으로 에너지 변환 효율이 높고(50~60%), 운용 중 동적 요소가 없어 독일, 한국 등을 포함한 대부분의 국가에서 채택하고 있다.

연료전지는 전해질 종류 및 작동온도에 따라 크게 5가지 종류로 구분할 수 있다. 그 중 고분자 전해질형 연료전지 타입을 탑재한 잠수함의 경우에는 잠항시간을 증가시키기 위하여 고순도 수소를 효과적으로 저장/공급할 수 있어야 한다.

기존의 잠수함은 금속수소저장합금에 고순도 수소를 충전/방출하는 방식을 사용한다. 금속수소저장합금은 상대적으로 단위 부피 당 수소저장밀도가 높고 상대적으로 저압으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 금속수소저장합금 방식은 군수지원의 어려움과 과도한 무게 증가로 인하여 차세대 잠수함용 AIP 체계용 수소공급 방식으로서는 한계가 있다.

이러한 이유로 일부 국가에서는 금속수서저장합금 대신 연료개질을 통한 수소공급 방식을 연구하고 있다.

연료개질 방식은 군수지원이 용이하고. 잠항시간의 증가로 인한 시스템의 부피/무게 증가폭을 감소시킬 수 있어 금속수소저장합금의 문제점을 극복할 수 있다.

잠수함용 연료개질 플랜트는 기존의 가정용/발전용 연료개질 플랜트와 기본적으로 동일한 원리를 갖는다. 일반적으로 연료개질 플랜트에서는 연료와 물만 공급하여 수소를 생산하는'수증기 개질 방식'을 사용한다. 수증기 개질 방식은 흡열반응을 이용하므로 외부에서 열을 지속적으로 공급해야 한다. 따라서 수증기 개질 방식의 연료개질 플랜트에서는 열 공급을 위한 연소기가 필요하다.

잠수함용 연료개질 플랜트에 필요한 연소기는 운용환경으로 인해 민수용 연료개질 플랜트에 적용되는 연소기와 비교하여 형태 및 최종 배기가스 기준에서 뚜렷한 기술적 차이를 보여준다.

잠수함용 연료개질 플랜트의 경우 최종 배기가스가 CO2 + H2O로 구성되어야 하며, 따라서 1단연소기가 아닌 다단연소기가 적용되어야 한다. 또한 수증기 개질 반응기의 시동에 필요한 열을 공급하기 위해 각 단의 연소기에서 분할되어 발생하는 열을 효과적으로 수집할 수 있어야 한다.

특히, 다단연소기는 잠수함용 연료개질 플랜트의 정상 운전 시 뿐만 아니라 시동까지 책임질 수 있도록 설계되어야 하기 때문에 일반적인 연료개질 플랜트 시스템의 시동을 위한 구조 및 시동 방법을 그대로 적용할 수가 없다.

미국등록특허 US7850749

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 연료개질 플랜트의 연소기가 다단으로 구성됨으로써 최전단 연소기의 연소가스가 모두 CO2 + H2O로 전환되고, 각 단의 연소기에서 균질한 온도의 연소열이 생성될 수 있는 다단연소기의 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템에 있어서,

제1단 내지 제N단 연소유닛을 포함하며,

각각의 연소유닛은 혼합부, 연소부 및 열교환부가 차례로 직렬 연결되어 구성되고,

연소유닛 중 어느 하나의 연소유닛의 열교환부에는 어느 하나의 연소유닛의 후단에 연결되는 다른 하나의 연소유닛의 혼합부가 연결되며,

제1단 연소유닛에서 발생된 연료와 산소의 연소가스는 제N단 연소유닛까지 이동하고,

제N단 연소유닛의 연소부 후단에서의 온도가 일정 온도 이상일 때,

제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하여 연료를 연소시킴으로써 각각의 연소유닛의 후단에서 발생되는 연소가스의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

제N단 연소유닛으로부터 배출되는 연소가스는 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

연소용 물은 연료 1mol 대비 4.9mol 이상인 것을 특징으로 한다.

연소유닛을 구성하는 각각의 혼합부에는 연료를 연소시키기 위한 산소(O2)가 공급되는 것을 특징으로 한다.

제1단 연소유닛의 혼합부로부터 제N단 연소유닛의 혼합부에 이르기까지 공급되는 산소의 유량은 연료 1mol 대비 1.5mol인 것을 특징으로 한다.

제N단 연소유닛의 혼합부로 공급되는 산소는 제N단 연소유닛에 남은 연료를 완전 연소시키는 것을 특징으로 한다.

연소부에서 배출된 연소가스는 열교환부에서 열매체용 물과 열교환하는 것을 특징으로 한다.

연소가스와 열교환된 열매체용 물은 연료개질기를 승온시키는 것을 특징으로 한다.

연소유닛을 구성하는 각각의 연소부에는 연소촉매가 구비되는 것을 특징으로 한다.

연소유닛을 구성하는 각각의 연소부에는 연소부로 유입된 산소와 연료를 촉매 연소시키기 위한 전기 히터가 구비되는 것을 특징으로 한다.

연소유닛은 6개로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함한다.

제N단 연소유닛의 연소부 후단에서의 온도가 일정 온도 이상일 때, 일정 온도는 100℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법에 있어서,

제N단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도가 제2일정온도 이상이 되는 시동 단계;

제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하는 단계;

각각의 연소유닛의 열교환부에서 연소가스와 열교환 된 열매체용 물에 의해 연료개질기가 승온되는 단계;를 포함한다.

시동 단계는,

준비 단계;

제1단 연소유닛 운전 단계;

제2단 연소유닛 운전 단계;

제N단 연소유닛 운전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

준비 단계는,

각각의 열교환부에 열매체용 물을 공급하기 위한 보일러 급수펌프 가동단계;

제1단 연소유닛의 연소부에 설치된 전기히터 가동 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1단 연소유닛 운전 단계는,

제1단 연소유닛의 혼합부에 연료가 공급되는 단계;

제1단 연소유닛의 혼합부에 산소가 공급되어 연료와 혼합되는 단계;

연료와 산소가 제1단 연소유닛의 연소부로 이동하는 단계;

연료와 산소가 전기히터로 가열된 연소촉매에 의해 촉매연소가 시작되는 단계;

제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계;

제1단 연소유닛의 연소부로부터 배출된 연소가스가 제1단 연소유닛의 열교환부로 이동하는 단계;

제1단 연소유닛의 열교환부로 이동된 연소가스가 제1단 연소유닛의 열교환부로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제2단 연소유닛 운전 단계는,

연소가스가 제2단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계;

연소가스가 제2단 연소유닛의 연소부 내부의 연소촉매를 가열시키는 단계;

연소촉매가 가열되면서 제2단 연소유닛의 연소부 내부의 온도가 점차 상승하는 단계;

제2단 연소유닛의 혼합부에 산소가 공급되는 단계;

제2단 연소유닛의 연소부 내부에서 연소가스와 산소가 촉매연소되는 단계;

제2단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계;

제2단 연소유닛의 연소부로부터 배출된 연소가스가 제2단 연소유닛의 열교환부로 이동하는 단계;

제2단 연소유닛의 열교환부로 이동된 연소가스가 제2단 연소유닛의 열교환부로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제N단 연소유닛 운전 단계는,

제2단 연소유닛의 열교환부로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛의 혼한부로 이동하는 단계;

연소가스가 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 촉매를 가열시키는 단계;

연소촉매가 가열되면서 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 온도가 점차 상승하여 일정 온도 이상이 되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제2단 연소유닛으로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛으로 이동하는 단계에서,

제3단 연소유닛으로부터 제N-1단 연소유닛에 이르기까지 각각의 연소유닛에서는 제2단 연소유닛 운전 단계와 동일한 단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.

제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계에서, 연소 가스 온도를 제어하기 위해 제1단 연소유닛의 혼합부로 공급되는 산소의 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계에서, 제1일정온도는 750℃ 이하인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하는 단계 이후, 연소유닛 각각의 연소부에서 발생되는 연소가스의 온도는 제1일정온도 이하로 제어되며, 제1일정온도는 750℃인 것을 특징으로 한다.

연소유닛 중 제N단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도가 제2일정온도 이상이 되는 시동 단계에서, 제2일정온도는 100℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

연소유닛은 6개로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료개질 플랜트의 연소기가 다단으로 구성됨으로써 최전단 연소기의 연소가스가 모두 CO2 + H2O로 전환되고, 각 단의 연소기에서 균질한 온도의 연소열이 생성될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 개질 시스템.
도 2는 본 발명에 따른 연료 개질 시스템에 포함되는 복수 개의 연소유닛.
도 3은 본 발명에 따른 연료 개질 시스템의 시동을 위한 복수 개의 연소유닛의 제어 알고리즘.
도 4는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛의 혼합부에서의 연소가스 중 메탄올의 유량 변화를 계산한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따른 각 연소유닛의 혼합부에 공급되는 산소의 유량을 계산한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛에서 발생되는 연소가스 중 이산화탄소의 유량을 계산한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛에서 발생되는 연소가스 중 물의 유량을 계산한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 연소유닛 중 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따른 제6연소부에서의 연소가스 온도.
도 9는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛의 열교환부에서 배출되는 열매체용 제2유체의 온도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에 공급되는 수소 가스를 생성하기 위한 잠수함용 연료 개질 시스템 및 이의 운전방법에 관한 발명이다.

도 1에는 메탄올 수증기 개질방식을 이용하는 본 발명의 연료 개질 시스템이 도시되어 있다.

본 발명의 연료 개질 시스템에는 초기 시동 시 연료개질기의 승온을 위해 복수 개의 연소유닛을 포함하여 구성되는 연소기가 포함된다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료 개질 시스템에 포함되는 복수 개의 연소유닛이 도시되어 있다.

본 발명에서 상기 연소유닛은 6개로 구성되며, 상기 연소유닛의 개수는 제작자의 의도에 따라 달라질 수 있다.

각각의 상기 연소유닛은 서로 직렬 연결되는 혼합부, 연소부 및 열교환부를 포함하여 구성된다.

복수 개의 상기 연소유닛은 서로 직렬 연결되며, 최전단으로부터 최후단에 이르기까지 차례로 제1단 연소유닛(2), 제2단 연소유닛(10), 제3단 연소유닛(18), 제4단 연소유닛(26), 제5단 연소유닛(34), 제6단 연소유닛(42)으로 명명한다.

또한, 상기 제1단 연소유닛은 제1혼합부(4), 제1연소부(6) 및 제1열교환부(8)를 포함하며, 상기 제2단 연소유닛(10)은 제2혼합부(12), 제2연소부(14) 및 제2열교환부(16)를 포함하고, 상기 제3단 연소유닛(18)은 제3혼합부(20), 제3연소부(22) 및 제3열교환부(24)를 포함하며, 상기 제4단 연소유닛(26)은 제4혼합부(28), 제4연소부(30) 및 제4열교환부(32)를 포함하고, 상기 제5단 연소유닛(34)은 제5혼합부(36), 제5연소부(38) 및 제5열교환부(40)를 포함하며, 상기 제6단 연소유닛(42)은 제6혼합부(44), 제6연소부(46) 및 제6열교환부(48)를 포함한다.

복수 개의 상기 연소유닛 중 어느 하나의 연소유닛의 열교환부에는 상기 어느 하나의 연소유닛의 후단에 연결되는 다른 하나의 연소유닛의 혼합부가 연결된다.

예를 들어, 상기 제1열교환부와 상기 제1혼합부는 서로 연결된다.

상기 연료 개질 시스템을 잠수함에 적용하기 위해서는 제1단 연소유닛(2)으로부터 제6단 연소유닛(42)에 이르기까지 각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃ 이하로 제어되어야 하며, 각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서 발생되는 연소열의 총량이 상기 연료개질기에서 필요한 열을 만족해야 하고, 상기 제6단 연소유닛(42)에서 배출되는 연소가스가 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 모두 전환되어야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 상기와 같이 상기 연소기를 서로 직렬 연결되는 복수 개의 연소유닛으로 구성하였다.

복수 개의 상기 제1혼합부(4)에는 연료인 메탄올이 공급되며, 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 제6단 연소유닛(42)에 이르기까지 각각의 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에는 상기 메탄올을 연소시키기 위한 산소가 공급된다.

상기 제1단 연소유닛의 제1혼합부(4)로 공급된 상기 메탄올과 상기 산소는 혼합되어 상기 제1혼합부(4)와 직렬 연결된 상기 제1연소부(6)로 이동하게 된다.

복수 개의 상기 연소유닛을 구성하는 각각의 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에는 상기 메탄올을 연소시키기 위한 연소촉매가 구비되며, 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)로 이동한 상기 메탄올과 상기 산소의 혼합물은 상기 연소촉매에 의해 촉매 연소를 일으키게 된다.

상기 혼합물이 촉매 연소되기 위해서는 상기 연소촉매에 열에너지를 공급하여 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46) 내부의 온도를 일정 온도 이상으로 승온시켜야 하는데, 이를 위해 각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에는 전기 히터가 구비된다.

먼저, 상기 제1연소부(6)에서는 상기 전기히터에 의해 연소촉매가 가열되면서 상기 혼합물이 촉매연소 되어 연소가스가 발생되며, 연소열에 의해 가열된 연소가스는 상기 제1연소부(6) 내부의 온도를 승온시키게 된다.

이때, 상기 제1연소부(6)에서의 상기 촉매연소를 위해 시동 초기에는 상기 제1혼합부에 공급되는 상기 메탄올과 상기 산소가 완전 연소 비율로 공급된다.

각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서 상기와 같은 방법으로 가열되는 연소가스의 온도는 750℃이하로 제어되어야 하는데, 이를 위해 각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)로 공급되는 산소의 유량을 제어하게 된다.

각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)로 공급되는 상기 산소는 각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)와 직렬 연결된 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서 연소된다.

각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)의 내부에서 가열된 상기 혼합물의 연소가스는 각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)와 직렬 연결된 상기 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)로 이동하게 된다.

상기 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)로 이동한 상기 연소가스는 상기 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)로 유입되는 열매체용 물에 열을 제공하게 된다.

상기 연소가스와의 열교환으로 승온 된 상기 열매체용 물은 상기 연료 개질 시스템의 초기 시동 시 다단연소기 외부에 위치하는 상기 연료개질기를 승온시키는데 사용된다.

그러나 상기와 같이 구성되는 다단연소기의 경우, 연료 개질 시스템의 초기 승온 시 비교적 전단에 위치하는 연소유닛의 연소부 온도를 일정 온도 이하로 제어해야 하는데, 이 경우 상기 연료개질기를 승온시키기 위한 충분한 연소열을 얻을 수 없다. 또한, 비교적 전단에 위치하는 연소유닛의 연소부에서 목표하는 유량만큼의 연료를 연소시킬 수 없기 때문에 최후단 연소유닛의 연소부에서 잔여 연료를 모두 연소시켜야 한다.

상기 최후단 연소유닛의 연소부에서 잔여 연료를 모두 연소시킬 경우 최후단 연소유닛의 연소부에서 발생되는 연소가스의 온도가 과도하게 높아질 우려가 있다.

따라서 상기의 문제를 해결하기 위해 본 발명의 연료 개질 시스템에서는 시스템의 초기 시동 시 열용량이 높은 연소용 물(H2O)을 연료에 혼합하여 연소시키는 방법을 적용하였다.

도 3에는 본 발명에 따른 연료 개질 시스템의 시동을 위한 복수 개의 연소유닛의 제어 알고리즘이 도시되어 있다.

하기에서는 상기에서 언급한 본 발명의 연료 개질 시스템의 운전방법에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.

본 발명의 연료개질 시스템의 운전방법은,

상기 제N단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도가 제2일정온도 이상이 되는 시동 단계;

상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하는 단계;

각각의 상기 연소유닛의 열교환부에서 상기 연소가스와 열교환 된 열매체용 물에 의해 연료개질기가 승온되는 단계;를 포함하여 진행된다.

먼저, 상기 시동 단계에 대해 설명하도록 한다.

상기 시동 단계는,

준비 단계;

상기 제1단 연소유닛(2) 운전 단계;

제2단 연소유닛(10) 운전 단계;

제N단 연소유닛 운전 단계;를 포함하여 진행된다.

상기 준비 단계는, 각각의 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)에 열매체용 물을 공급하기 위한 보일러 급수펌프 가동단계, 상기 제1단 연소유닛(2)의 연소부에 설치된 전기히터 가동 단계를 포함하여 진행된다.

상기 연료 개질 시스템의 운전 시 가장 먼저 상기 보일러 급수펌프를 가동하여 복수 개의 상기 연소유닛에 포함되는 각각의 상기 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)에 상기 열매체용 물을 공급하게 된다.

이는 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서 열이 발생되는 순간부터 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 연료개질기에 열을 전달하기 위함이며, 또한 각각의 상기 연소유닛에서의 온도 상승을 억제하기 위함이다.

상기 보일러 급수펌프 가동단계에서 상기 보일러 급수펌프의 초기 가동 시부터 상기 보일러 급수 펌프를 100%로 가동시킬 경우 연료 개질 시스템의 시동이 늦어질 수 있고, 0%로 가동시킬 경우 상기 제1열교환부(8)에 열적 손상이 발생될 수 있으므로 상기 보일러 급수펌프의 초기 가동 시 상기 보일러 급수 펌프는 50% 수준으로 가동된다.

이후 상기 연료의 연소를 위해 상기 제1단 연소유닛(2)의 연소부(6)에 설치된 전기히터를 가동시키게 된다.

상기 준비단계가 완료되면 상기 제1단 연소유닛(2) 운전 단계가 진행된다,

상기 제1단 연소유닛(2) 운전 단계는,

상기 제1혼합부(4)에 연료가 공급되는 단계;

상기 제1혼합부(4)에 산소가 공급되어 상기 연료와 혼합되는 단계;

상기 연료와 상기 산소가 상기 제1연소부(6)로 이동하는 단계;

상기 연료와 상기 산소가 상기 전기히터로 가열된 연소촉매에 의해 촉매연소가 시작되는 단계;

상기 제1연소부(6)에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계;

상기 제1연소부(6)로부터 배출된 연소가스가 상기 제1열교환부(8)로 이동하는 단계;

상기 제1열교환부(8)로 이동된 상기 연소가스가 상기 제1열교환부(8)로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하여 진행된다.

먼저, 상기 제1혼합부(4)에 연료인 메탄올과 산소가 공급되어 혼합된다.

상기 연료와 상기 산소가 혼합된 혼합물이 상기 제1혼합부(4)와 직렬 연결된 상기 제1연소부(6)로 이동하게 되고, 상기 혼합물은 상기 전기히터에 의해 승온 된 연소촉매에 의해 촉매연소된다.

상기 혼합물이 상기 제1연소부(6)에서 촉매연소되면서 연소가스가 발생되고, 상기 연소가스는 연소열에 의해 가열되어 상기 제1연소부(6) 내부의 온도를 승온시키게 된다.

이때, 상기 제1연소부(6)에서의 연소를 위해 다단연소기의 초기 시동 시 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 산소는 촉매연소가 효과적으로 진행될 수 있도록 하기 위해 완전 연소 비율로 공급된다.

이후, 상기 제1연소부(6)의 연소촉매가 작동을 시작하게 되면 상기 제1연소부(6)에서의 연소가스 온도를 일정 온도 이하로 제어해야 하는데, 이를 위해 상기 제1혼합부(4)로 공급되는 산소의 유량을 제어하게 된다.

상기 산소의 유량 제어로 인해 상기 연소가스는 상기 제1연소부(6)의 내부에서 상기 제1일정온도인 750℃ 이하로 제어되어 상기 제1연소부(6)와 직렬 연결된 제1열교환부(8)로 이동하게 된다.

상기 제1열교환부(8)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제1열교환부(8)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

이후 상기 제2단 연소유닛(10) 운전 단계가 진행된다.

상기 제2단 연소유닛(10) 운전 단계는,

상기 연소가스가 상기 제2단 연소유닛(10)의 혼합부(12)로 이동하는 단계;

상기 연소가스가 상기 제2단 연소유닛의(10) 연소부(14) 내부의 연소촉매를 가열시키는 단계;

상기 연소촉매가 가열되면서 상기 제2연소부(14) 내부의 온도가 점차 상승하는 단계;

상기 제2혼합부(12)에 산소가 공급되는 단계;

상기 제2연소부(14)의 내부에서 상기 연소가스와 상기 산소가 촉매연소되는 단계;

상기 제2연소부(14)에서의 연소가스 온도를 제1일정 온도 이하로 제어하는 단계;

상기 제2연소부(14)로부터 배출된 연소가스가 상기 제2열교환부(16)로 이동하는 단계;

상기 제2열교환부(16)로 이동된 상기 연소가스가 상기 제2열교환부(16)로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하여 진행된다.

상기 연소가스는 상기 제1열교환부(8)에서 상기 열매체용 물과의 열교환으로 인해 일정 온도 저하된 상태로 상기 제2혼합부(12)로 유입되어 상기 제2연소부(14)로 이동하게 된다.

상기 제2연소부(14)에 구비된 상기 연소촉매가 상기 연소가스의 온도에 의해 가열되면서 상기 제2연소부(14)의 내부 온도가 점차 상승하게 된다.

상기 제2연소부(14)의 온도가 100℃ 이상이 되면 상기 제2혼합부(12)로 산소를 공급하고, 상기 제2혼합부(12)로 공급된 산소는 상기 제2연소부(14)로 이동하여 상기 연소촉매에 의해 상기 연소가스에 포함된 연료를 연소시키게 된다.

이때, 상기 제2연소부(14)에서 발생되는 연소가스의 온도가 상기 제1일정온도인 750℃ 이상이 되지 않도록 상기 제2혼합부(12)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

상기 연소가스는 상기 제2연소부(14)와 직렬 연결된 제2열교환부(16)로 이동하게 되고, 상기 제2열교환부(16)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제2열교환부(16)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

상기 제N단 연소유닛 운전 단계는,

상기 제2열교환부(16)로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계;

상기 연소가스가 상기 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 연소촉매를 가열시키는 단계;

상기 연소촉매가 가열되면서 상기 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 온도가 점차 상승하여 일정 온도 이상이 되는 단계;를 포함하여 진행된다.

상기 제2열교환부(16)로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계에 대해 설명하면, 상기 제3단 연소유닛(18)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각각의 상기 연소유닛(18, 26, 34)에서는 상기 제2단 연소유닛(10) 운전 단계와 동일한 단계가 진행된다.

이때, 각각의 상기 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)의 승온 속도를 향상시키기 위해 상기 전기히터의 개수를 추가로 구성하여 사용할 수 있다.

먼저, 상기 제2열교환부(16)로부터 배출된 상기 연소가스는 상기 제2열교환부(16)에서 상기 열매체용 물과의 열교환으로 인해 일정 온도 저하된 상태로 상기 제3혼합부(20)로 유입되어 상기 제3연소부로 이동하게 된다.

상기 제3연소부(22)에 구비된 상기 연소촉매가 상기 연소가스의 온도에 의해 가열되면서 상기 제3연소부(22)의 내부 온도가 점차 상승하게 된다.

상기 제3연소부(22)의 온도가 100℃ 이상이 되면 상기 제3혼합부(20)로 산소를 공급하고, 상기 제3혼합부(20)로 공급된 산소는 상기 제3연소부(22)로 이동하여 상기 연소촉매에 의해 상기 연소가스에 포함된 연료를 연소시키게 된다.

이때, 상기 제3연소부(22)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃ 이상이 되지 않도록 상기 제3혼합부(20)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

상기 제3연소부(22)에서 발생된 상기 연소가스는 상기 제3연소부(22)와 직렬 연결된 제3열교환부(24)로 이동하게 되고, 상기 제3열교환부(24)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제3열교환부(24)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

상기 제3열교환부(24)로부터 배출된 상기 연소가스는 상기 제3열교환부(24)에서 상기 열매체용 물과의 열교환으로 인해 일정 온도 저하된 상태로 상기 제4혼합부(28)로 유입되어 상기 제4연소부(30)로 이동하게 된다.

상기 제4연소부(30)에 구비된 상기 연소촉매가 상기 연소가스의 온도에 의해 가열되면서 상기 제4연소부(30)의 내부 온도가 점차 상승하게 된다.

상기 제4연소부(30)의 온도가 100℃ 이상이 되면 상기 제4혼합부(28)로 산소를 공급하고, 상기 제4혼합부(28)로 공급된 산소는 상기 제4연소부(30)로 이동하여 상기 연소촉매에 의해 상기 연소가스에 포함된 연료를 연소시키게 된다.

이때, 상기 제4연소부(30)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃ 이상이 되지 않도록 상기 제4혼합부(28)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

상기 제4연소부(30)에서 발생된 상기 연소가스는 상기 제4연소부(30)와 직렬 연결된 상기 제4열교환부(32)로 이동하게 되고, 상기 제4열교환부(32)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제4열교환부(23)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

상기 제4열교환부(32)로부터 배출된 상기 연소가스는 상기 제4열교환부(32)에서 상기 열매체용 물과의 열교환으로 인해 일정 온도 저하된 상태로 상기 제5혼합부(36)로 유입되어 제5연소부(38)로 이동하게 된다.

상기 제5연소부(38)에 구비된 상기 연소촉매가 상기 연소가스의 온도에 의해 가열되면서 상기 제5연소부(38)의 내부 온도가 점차 상승하게 된다.

상기 제5연소부(38)의 온도가 100℃ 이상이 되면 상기 제5혼합부(36)로 산소를 공급하고, 상기 제5혼합부(36)로 공급된 산소는 상기 제5연소부(38)로 이동하여 상기 연소촉매에 의해 상기 연소가스에 포함된 연료를 연소시키게 된다.

이때, 상기 제5연소부(38)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃ 이상이 되지 않도록 상기 제5혼합부(36)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.

상기 제5연소부(38)에서 발생된 상기 연소가스는 상기 제5연소부(38)와 직렬 연결된 제5열교환부(40)로 이동하게 되고, 상기 제5열교환부(40)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제5열교환부(40)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

상기 제5열교환부(40)로부터 배출된 상기 연소가스는 상기 제5열교환부(40)에서 상기 열매체용 물과의 열교환으로 인해 일정 온도 저하된 상태로 상기 제6단 연소유닛(42)의 제6혼합부(44)로 유입되어 제6연소부(46)로 이동하게 된다.

상기 제6연소부(46)에 구비된 상기 연소촉매가 상기 연소가스의 온도에 의해 가열되면서 상기 제6연소부(46)의 내부 온도가 점차 상승하게 된다.

상기 제6연소부(46)의 온도가 100℃ 이상이 되면, 상기 제1혼합부(4)에 연소용 물(H2O)을 공급하게 된다.

이때, 상기 연소용 물은 상기 연료개질기에서 반응되는 물을 공급하는 프로세스용 물펌프로부터 공급되는 것으로, 상기 연소용 물은 총량이 한 번에 공급되는 것이 아닌, 상기 메탄올 1mol 대비 4.9mol 이상의 비율이 될 때까지 천천히 공급하게 된다.

상기 연소용 물의 공급에 따라 각각의 상기 연소부의 온도가 750℃이상으로 증가하지 않으며, 상기 제6단 연소유닛(42)의 제6열교환부(48)로부터 외부로 배출되는 연소가스가 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 만으로 구성된다.

상기 제1혼합부(4)로의 상기 연소용 물의 공급과 동시에 상기 제6혼합부(44)로 산소를 공급하고, 상기 제6혼합부(44)로 공급된 산소는 상기 제6연소부(46)로 이동하여 상기 연소촉매에 의해 상기 연소가스에 포함된 연료를 연소시키게 된다.

이때, 상기 연료는 상기 제6연소부(46)에서 모두 연소되어야 하기 때문에 상기 제6혼합부(44)로 공급되는 산소는 상기 제6연소부(46)에서 발생되는 연소가스의 온도 제어와 상관없이 상기 제6연소부(46)에 잔류된 상기 연료를 완전 연소시킬 수 있는 유량만큼 공급된다.

상기 제1혼합부(4)로부터 상기 제6혼합부(44)에 이르기까지 각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에는 서로 다른 유량의 상기 산소가 공급되지만, 상기 제1혼합부(4)로부터 상기 제6혼합부(44)에 이르기까지 각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에 공급되는 상기 산소의 유량은 상기 메탄올 1mol 대비 1.5mol 인 것이 바람직하다. 즉, 상기 메탄올 연소에 대한 전체 식은 CH3OH + 1.5 O2 -> CO2 + 2H2O 로 표현되며, 따라서 상기 메탄올 1mol에 1.5mol의 산소가 필요하게 된다.

상기 제6연소부(46)에서 발생된 연소가스는 상기 제6연소부(46)와 직렬 연결된 제6열교환부(48)로 이동하게 되고, 상기 제6열교환부(48)로 이동된 상기 연소가스는 상기 제6열교환부(48)로 공급되는 상기 열매체용 물과 열교환하여 상기 열매체용 물에 열을 공급하게 된다.

상기와 같이 각각의 상기 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)에서 상기 연소가스와 열교환 된 상기 열매체용 물은 상기 연료개질기를 승온시키는데 사용된다.

상기 열매체용 물에 의해 상기 연료개질기의 온도가 지속적으로 증가하여 250℃ 이상이 되면 상기 연료개질기에서의 개질반응을 위해 상기 프로세스용 물펌프를 이용하여 상기 연료개질기에 물을 공급하게 되고, 동시에 연료인 메탄올 또한 상기 연료개질기에 공급된다.

이때, 상기 연료개질기에 공급되는 상기 메탄올은 상기 연소유닛에 공급되는 상기 메탄올과 서로 다른 펌프를 이용하여 공급된다.

상기 프로세스용 물펌프로부터 상기 연료개질기로의 물 공급이 시작될 때 상기 프로세스용 물펌프는 상기 연소용 물을 공급하고 있는 상태이기 때문에 상기 연소용 물의 공급량 점차 감소시키면서 상기 연료개질기로의 물 공급량을 점차 증가시키게 된다.

상기 연료개질기에서 개질반응이 시작되면 잔여개질가스가 생성되기 때문에 상기 연소유닛은 순수한 메탄올 공급 및 연소에 의한 시동 역할은 점차 줄어들고, 상기 연료개질기의 개질가스를 연소시키는 역할로 변경된다.

상기 연료개질기에서의 반응 온도가 280℃가 될 때까지 상기와 같은 상태를 유지하면서 전체 연료 개질 시스템을 승온시키게 된다.

하기에서는 상기 연소용 물의 공급에 따른 효과를 분석한 결과에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에서는 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량을 주요 변수로 설정하였다.

상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각각의 상기 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에 공급되는 상기 산소의 유량은 시스템의 열적 내구성을 고려하여 각 연소유닛에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃가 될 때까지만 공급하였다.

상기 제6혼합부(44)에 공급되는 산소의 유량은 상기 제6연소부(46)에서 잔여 메탄올이 모두 연소되어 연소가스가 이산화탄소 및 물로 전환되도록 하였다.

도 4에는 본 발명에 따른 연소유닛 중 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛의 혼합부에서의 연소가스 중 메탄올의 유량 변화를 계산한 그래프가 도시되어있다.

상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 공급량을 기준으로 볼 때, 메탄올의 유량 값 차이는 상기 제1연소부(6)로부터 상기 제5연소부(38)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서의 연소가스를 750℃로 유지하기 위해 연소된 메탄올의 유량을 의미한다.

상기 제1혼합부(4)에 공급되는 메탄올의 유량은 상기 연소용 물의 공급량에 관계없이 1kmol/h로 동일한 것으로 가정하였다.

상기 제1혼합부(4)에 1.5kmol/h의 상기 연소용 물을 공급할 경우, 상기 제1연소부(6)로부터 제5연소부(38)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서의 메탄올의 유량 값 데이터 간격이 유사한 것을 볼 수 있다.

즉, 상기 제1연소부(6)로부터 상기 제5연소부(38)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서 연소되는 메탄올의 유량은 약 0.12kmol/h로 유사하지만, 상기 제6연소부(46)에서의 완전연소를 위해 상대적으로 많은 0.41kmol/h의 메탄올이 연소되는 것을 확인할 수 있다.

이는 상기 제6연소부(46)에서 연소가스를 모두 물과 이산화탄소로 전환시키기 위해 메탄올의 41% 수준에 해당하는 연소열을 생성하고 있는 것을 의미한다.

이와 같은 복수 개의 연소유닛에 구성되는 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46) 간의 연소불균형은 상기 제1혼합부(4)에 주입되는 상기 연소용 물의 유량을 증가시켜 개선되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 상기 연소용 물의 유량이 증가할수록 각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에서 계산된 메탄올의 유량 값 데이터 간격이 증가하였다.

이는 상기 연소용 물의 유량이 증가할수록 상기 제1연소부(6)로부터 상기 제5연소부(38)에서 더 많은 양의 메탄올을 연소시킬 수 있다는 것을 의미한다.

상기 연소용 물의 비교적 높은 열용량을 감안할 때, 상기 연소용 물의 유량이 증가할수록 각각의 연소부에서 연소가스의 온도를 750℃로 유지하기 위한 연소열이 더 많이 필요하게 된다.

따라서 상기 제6연소부(46)에서 연소시켜야 할 메탄올의 양이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 상기 제1혼합부(4)에서 상기 연소용 물의 공급을 통해 상기 메탄올 1kmol/h의 연소열을 각각의 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에 균일하게 분포하도록 만들 수 있다는 것을 의미한다.

도 5에는 본 발명에 따른 연소유닛 중 제1혼합부(4)에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에 공급되는 산소의 유량을 계산한 그래프가 도시되어 있다.

각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에 공급되는 산소의 유량은 상기 제1연소부(6)로부터 제5연소부(38)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서 발생되는 연소가스의 온도를 750℃로 유지하기 위해 상기 메탄올의 연소에 필요한 유량만큼만 공급되도록 제어하였다.

다만, 상기 제6혼합부(44)에 공급되는 산소의 경우, 연소부에서 발생되는 연소가스의 온도와 관계없이 연소가스에 포함된 잔여 메탄올 및 이산화탄소를 모두 이산화탄소와 물로 전환할 수 있는 만큼의 유량을 공급하였다.

따라서 상기 제6연소부(46)에서 발생된 연소가스에는 메탄올뿐만 아니라 산소도 거의 존재하지 않는 상태가 된다.

상기 제1혼합부에 1.5kmol/h의 상기 연소용 물을 공급할 경우, 상기 제2단 연소유닛(10)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36)에는 0.18kmol/h의 유량으로 산소가 공급되었지만, 상기 제6혼합부(68)에는 0.61kmol/h의 유량으로 산소가 공급되었다.

상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량이 증가할수록 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36)에 공급되는 산소의 유량은 점진적으로 증가하지만, 상기 제6혼합부(44)에 공급되는 산소의 양은 상대적으로 빠르게 감소하였다.

이는 열용량이 비교적 큰 상기 연소용 물의 공급량이 증가하기 때문에 연소가스의 제어 온도인 750℃를 만족하기 위해 더 많은 연소반응이 필요했기 때문이다.

결국 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량이 4.3kmol/h 이후부터는 각각의 연소유닛에서 소모하는 산소의 양이 거의 유사해지는 것을 볼 수 있다.

비록 각각의 연소유닛에서 소모하는 산소의 유량은 다르지만, 시동 시 공급되는 메탄올의 유량은 동일하므로 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량과 관계없이 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제6단 연소유닛(42)에 이르기까지 각 혼합부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에서 소모된 산소의 총합은 1.5kmol/h로 일정하였다. 즉, 상기 메탄올이 1kmol/h고 공급된다고 가정하였으므로, 상기 메탄올 1mol 대비 1.5mol의 산소량이 공급되는 것을 확인할 수 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛에서 발생되는 연소가스 중 이산화탄소의 유량을 계산한 그래프가 도시되어 있다.

상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)을 거치면서 연소되지 못한 잔여 메탄올은 상기 제6단 연소유닛(42)에서 모두 연소되므로 상기 제6연소부(46)로부터 배출되는 연소가스에 포함된 이산화탄소의 유량은 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량과는 관계없이 1kmol/h로 일정하였다.

또한, 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량이 적을 경우, 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서의 이산화탄소 생성량과 상기 제6혼합부(44)에서의 이산화탄소 생성량의 차이가 크지만, 상기 연소용 물의 유량이 증가할수록 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제6단 연소유닛(42)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38, 46)에서의 이산화탄소 생성량이 균일해지는 것을 확인할 수 있다.

도 7에는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛에서 발생되는 연소가스 중 물의 유량을 계산한 그래프가 도시되어 있다.

상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물도 다른 기체 조성의 변화와 유사한 경향성을 보인다. 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 메탄올의 유량(1kmol/h), 상기 제6연소부(46)에서 발생되는 연소가스에 포함되는 이산화탄소와 물의 유량을 종합적으로 비교하면 하기의 전체 메탄올 연소식과 일치하였다.

결국, 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량과는 관계없이 1kmol/h의 메탄올을 연소시켜 획득할 수 있는 연소열은 동일하였지만, 상기 연소용 물의 유량을 증가시켜 생성되는 연소열은 각 연소부부(6, 14, 22, 30, 38, 46)마다 균일하게 분배할 수 있었다.

도 8에는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따른 제6연소부(46)에서의 연소가스 온도가 도시되어 있다.

만약, 상기 제1혼합부(4)에 1.5kmol/h의 상기 연소용 물이 공급된다면, 연소열이 상기 제6연소부(46)에 편중될 수밖에 없기 때문에 상기 제6연소부(46)에서 발생되는 연소가스의 온도가 1560℃까지 상승하게 된다.

연료 개질 시스템이 상압에서 운전된다 하더라도 연소부의 하우징이 1560℃의 연소가스에 지속적으로 노출될 경우 열적 내구성에 문제가 발생할 수 있다.

이와 같은 문제를 극복하기 위해 하우징을 냉각하거나 온도 팩터(factor)를 충분히 고려하여 하우징을 설계해야 한다. 하지만 이러한 방법은 연료 개질 시스템의 부피 및 무게를 증가시킬 수 있으며 시동 시간도 증가될 수 있다.

따라서, 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 연소부부(6, 14, 22, 30, 38)를 구성하는 재료의 열적 내구성을 고려하여 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃를 넘지 못하도록 산소의 공급량을 조절하였다.

이와 마찬가지로 상기 제6연소부(46)에서 발생되는 연소가스의 온도 또한 750℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

하지만 잠수함에서는 복수 개의 연소유닛이 시동 중이라 할지라도 물과 이산화탄소를 제외한 다른 기체의 배출이 최소가 되도록 설계되어야 한다.

따라서 상기 제6연소부(46)에 공급되는 산소의 유량은 다른 연소부에 공급되는 산소와 달리 상기 제6연소부(46) 출구에 설치되는 산소 센서의 피드백을 바탕으로 제어될 수 밖에 없다.

상기와 같은 제어 방법 때문에 상기 제6연소부(46)에서 발생되는 연소가스의 온도는 750℃ 이상으로 증가하게 된다.

하지만 메탄올 1kmol/h와 함께 적어도 4.9kmol/h 이상의 상기 연소용 물이 공급되어 연소되는 경우, 모든 연소부의 열적 내구성을 확보할 수 있으며, 상기 제6단 연소유닛의 연소가스도 물과 이산화탄소만으로 존재할 수 있다.

도 9에는 본 발명에 따른 제1혼합부에 공급되는 연소용 물의 유량 변화에 따라 각 연소유닛의 열교환부에서 배출되는 열매체용 물의 온도가 도시되어 있다.

복수 개의 연소유닛 중 상기 제6열교환부(48)를 제외하고는 상기 제1단 연소유닛(2)의 혼합부(4)에 공급되는 연소용 물의 유량과 관계없이 각 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)에서 열교환 된 상기 열매체용 물의 온도가 247.9℃로 유사한 것을 볼 수 있다.

이는 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 열교환부(8, 16, 24, 32, 40, 48)로 공급되는 25℃의 상기 열매체용 물이 열교환을 통해 60bar에 해당하는 H2O의 포화점(saturated point)에 도달하였기 때문이다.

상기 제1단 연소유닛(2)로부터 상기 제5단 연소유닛(34)에 이르기까지 각 연소부(6, 14, 22, 30, 38)에서 발생되는 연소가스의 온도가 750℃로 제어되었기 때문에 상기 제1혼합부(4)로 공급되는 상기 연소용 물의 유량 증가에 따른 열교환량의 증가가 크지 않아 그 변화가 60bar에 해당하는 포화영역 내에서 변화하였다.

하지만 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량이 5.3kmol/h 이상일 경우에는 상기 제4열교환부(32)와 상기 제5열교환부(40)의 cold side 출구 온도가 포화점을 벗어나 상승하는 것을 볼 수 있었다.

이는 증가된 상기 연소용 물의 유량과 상기 제1단 연소유닛(2)으로부터 상기 제6단 연소유닛(42)으로 갈수록 증가하는 연소가스의 유량으로 인하여 각 열교환부(4, 12, 20, 28, 36, 44)에서의 열교환량이 증가하였기 때문이다.

이와 함께 상기 제6연소부(46)의 경우, 상기 제1혼합부(44)에 공급되는 상기 연소용 물의 유량이 증가함에 따라 상기 제6연소부에서 발생되는 연소가스의 온도가 감소하여 상기 제6열교환부(48)에서의 cold side 출구 온도가 감소하였으며, 상기 제1혼합부(4)에 공급되는 상기 연소용 물의 공급량이 5.3kmol/h가 되면 상기 제6열교환부(48)에서의 cold side 출구 온도가 60bar에 해당하는 포화점까지 도달할 수 있었다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 제1단 연소유닛
4 : 제1혼합부
6 : 제1연소부
8 : 제1열교환부
10 : 제2단 연소유닛
12 : 제2혼합부
14 : 제2연소부
16 : 제2열교환부
18 : 제3단 연소유닛
20 : 제3혼합부
22 : 제3연소부
24 : 제3열교환부
26 : 제4단 연소유닛
28 : 제4혼합부
30 : 제4연소부
32 : 제4열교환부
34 : 제5단 연소유닛
36 : 제5혼합부
38 : 제5연소부
40 : 제5열교환부
42 : 제6단 연소유닛
44 : 제6혼합부
46 : 제6연소부
48 : 제6열교환부

Claims

메탄올 수증기 개질방식을 이용하는 연료 개질 시스템에 있어서,
제1단 내지 제N단 연소유닛을 포함하며,
각각의 상기 연소유닛은 혼합부, 연소부 및 열교환부가 차례로 직렬 연결되어 구성되고,
상기 연소유닛 중 어느 하나의 연소유닛의 열교환부에는 상기 어느 하나의 연소유닛의 후단에 연결되는 다른 하나의 연소유닛의 혼합부가 연결되며,
상기 제1단 연소유닛에서 발생된 연료와 산소의 연소가스는 상기 제N단 연소유닛까지 이동하고,
상기 제N단 연소유닛의 연소부 후단에서의 온도가 일정 온도 이상일 때,
상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하여 상기 연료를 연소시킴으로써 각각의 상기 연소유닛의 후단에서 발생되는 연소가스의 온도를 제어하는 것
을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제N단 연소유닛으로부터 배출되는 연소가스는 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소용 물은 상기 연료 1mol 대비 4.9mol 이상인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소유닛을 구성하는 각각의 혼합부에는 상기 연료를 연소시키기 위한 산소(O2)가 공급되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1단 연소유닛의 혼합부로부터 상기 제N단 연소유닛의 혼합부에 이르기까지 공급되는 상기 산소의 유량은 연료 1mol 대비 1.5mol인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제N단 연소유닛의 혼합부로 공급되는 상기 산소는 상기 제N단 연소유닛에 남은 상기 연료를 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소부에서 배출된 연소가스는 열교환부에서 열매체용 물과 열교환하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제7항에 있어서,
상기 연소가스와 열교환된 상기 열매체용 물은 연료개질기를 승온시키는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소유닛을 구성하는 각각의 상기 연소부에는 연소촉매가 구비되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제9항에 있어서,
상기 연소유닛을 구성하는 각각의 상기 연소부에는 상기 연소부로 유입된 산소와 연료를 촉매 연소시키기 위한 전기 히터가 구비되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연소유닛은 6개로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제N단 연소유닛의 연소부 후단에서의 온도가 일정 온도 이상일 때,
상기 일정 온도는 100℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템.
제1단 내지 제N단 연소유닛을 포함하며,
각각의 상기 연소유닛은 혼합부, 연소부 및 열교환부가 차례로 직렬 연결되어 구성되고,
상기 연소유닛 중 어느 하나의 연소유닛의 열교환부에는 상기 어느 하나의 연소유닛의 후단에 연결되는 다른 하나의 연소유닛의 혼합부가 연결되는 연료 개질 시스템의 운전 방법에 있어서,
상기 제N단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도가 제2일정온도 이상이 되는 시동 단계;
상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하는 단계;
각각의 상기 연소유닛의 열교환부에서 상기 연소가스와 열교환 된 열매체용 물에 의해 연료개질기가 승온되는 단계;
를 포함하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제13항에 있어서,
상기 시동 단계는,
준비 단계;
상기 제1단 연소유닛 운전 단계;
제2단 연소유닛 운전 단계;
제N단 연소유닛 운전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제14항에 있어서,
상기 준비 단계는,
각각의 열교환부에 열매체용 물을 공급하기 위한 보일러 급수펌프 가동단계;
상기 제1단 연소유닛의 연소부에 설치된 전기히터 가동 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제15항에 있어서,
상기 제1단 연소유닛 운전 단계는,
상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 연료가 공급되는 단계;
상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 산소가 공급되어 상기 연료와 혼합되는 단계;
상기 연료와 상기 산소가 상기 제1단 연소유닛의 연소부로 이동하는 단계;
상기 연료와 상기 산소가 상기 전기히터로 가열된 연소촉매에 의해 촉매연소가 시작되는 단계;
상기 제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계;
상기 제1단 연소유닛의 연소부로부터 배출된 연소가스가 상기 제1단 연소유닛의 열교환부로 이동하는 단계;
상기 제1단 연소유닛의 열교환부로 이동된 상기 연소가스가 상기 제1단 연소유닛의 열교환부로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제16항에 있어서,
상기 제2단 연소유닛 운전 단계는,
상기 연소가스가 상기 제2단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계;
상기 연소가스가 상기 제2단 연소유닛의 연소부 내부의 연소촉매를 가열시키는 단계;
상기 연소촉매가 가열되면서 상기 제2단 연소유닛의 연소부 내부의 온도가 점차 상승하는 단계;
상기 제2단 연소유닛의 혼합부에 산소가 공급되는 단계;
상기 제2단 연소유닛의 연소부 내부에서 상기 연소가스와 상기 산소가 촉매연소되는 단계;
상기 제2단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계;
상기 제2단 연소유닛의 연소부로부터 배출된 연소가스가 상기 제2단 연소유닛의 열교환부로 이동하는 단계;
상기 제2단 연소유닛의 열교환부로 이동된 상기 연소가스가 상기 제2단 연소유닛의 열교환부로 공급되는 열매체용 물과 열교환하는 단계;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제17항에 있어서,
상기 제N단 연소유닛 운전 단계는,
상기 제2단 연소유닛의 열교환부로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계;
상기 연소가스가 상기 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 연소촉매를 가열시키는 단계;
상기 연소촉매가 가열되면서 상기 제N단 연소유닛의 연소부 내부의 온도가 점차 상승하여 일정 온도 이상이 되는 단계;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제18항에 있어서,
상기 제2단 연소유닛의 열교환부로부터 배출된 연소가스가 제N단 연소유닛의 혼합부로 이동하는 단계에서,
제3단 연소유닛으로부터 제N-1단 연소유닛에 이르기까지 각각의 상기 연소유닛에서는 상기 제2단 연소유닛 운전 단계와 동일한 단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제16항에 있어서,
상기 제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계에서, 상기 연소가스 온도를 제어하기 위해 상기 제1단 연소유닛의 혼합부로 공급되는 상기 산소의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제20항에 있어서,
상기 제1단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도를 제1일정온도 이하로 제어하는 단계에서, 상기 제1일정온도는 750℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제13항에 있어서,
상기 제1단 연소유닛의 혼합부에 연소용 물(H2O)을 공급하는 단계이후, 상기 연소유닛 각각의 연소부에서 발생되는 상기 연소가의 온도는 제1일정온도 이하로 제어되며, 상기 제1일정온도는 750℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제13항에 있어서,
상기 연소유닛 중 제N단 연소유닛의 연소부에서의 연소가스 온도가 제2일정온도 이상이 되는 시동 단계에서, 상기 제2일정온도는 100℃인 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템의 운전방법.
제13항에 있어서,
상기 연소유닛은 6개로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 연소유닛을 포함하는 연료 개질 시스템의 운전방법.