KR102228295B1 - 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질 안으로 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질 안으로 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승 방지하는 액체연료 연소기용 산소분배 반응기로서, 본 발명에 의하면, 액체연료 연소기를 구성하는 산소분배 반응기의 산화가 억제될 수 있도록 한다.

Description

잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기{OXYGEN DISTRIBUTION REACTOR FOR LIQUID FUEL COMBUSTION APPLICABLE OF FUEL REFORMER IN A SUBMARINE}

본 발명은 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 관한 것이다.

핵추진 잠수함을 제외한 일반적인 재래식 잠수함은 잠항 시 2차전지에 저장된 전력을 주에너지원으로 사용하여 추진한다. 만약 2차전지가 방전되면 함내 탑재된 디젤 발전기로 2차전지를 충전해야만 한다. 디젤 발전기의 구동을 위해서는 대기 중의 산소가 필요하므로 잠수함은 수면위 혹은 근처까지 부상해야 한다.

잠수함이 작전 중 2차전지를 충전하는 행위는 적 감시망에 의해 잠수함의 위치를 노출시킬 수 있다. 이러한 이유로 잠수함 선진국에서는 공기 의존도를 낮추고, 잠수함의 잠항시간을 증가시키기 위하여 공기불요추진(air independent propulsion, AIP) 체계를 개발하여 재래식 잠수함에 적용하고 있다. 특히 연료전지 시스템은 다른 AIP 체계에 비해 상대적으로 에너지 변환 효율이 높고(50~60%), 운용 중 동적 요소가 없어 정숙하므로 독일, 한국 등을 포함한 대부분의 국가에서 채택되고 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 금속 수소 저장 합금(metal hydride)에 고순도 수소를 충전/방출하는 방식을 사용한다. 금속 수소 저장 합금은 상대적으로 단위 부피당 수소 저장 밀도가 높고 상대적으로 저압으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 금속 수소 저장 합금 방식은 군수지원의 어려움과 과도한 무게 증가로 인하여 차세대 잠수함용 AIP 체계용 수소공급 방식으로서는 한계가 있다.

이런 이유로 독일 및 스페인에서는 금속 수소 저장 합금 대신에 연료개질을 통한 수소공급 방식을 연구하고 있다. 연료개질 방식은 군수지원이 용이하고, 잠항시간의 증가로 인한 시스템 부피/무게 증가폭을 감소할 수 있어 금속 수소 저장 합금의 문제점을 극복할 수 있다.

잠수함용 연료 개질 플랜트는 기존의 가정용/발전용 연료 개질 플랜트와 기본적인 원리는 동일하다. 일반적으로 연료 개질 플랜트에서는 연료와 물만 공급하여 수소를 생산하는"수증기 개질 방식"을 사용한다. 수증기 개질 방식은 흡열반응이므로 외부에서 열을 지속적으로 공급해야 한다. 따라서 수증기 개질 방식의 연료개질 플랜트에서는 열 공급을 위한 연소기가 필요하다.

잠수함용 연료 개질 플랜트에 필요한 연소기는 민수용 개질 플랜트의 연소기와 형태와 최종 배기가스의 기준에서 뚜렷한 기술적 차이를 보여주고 있다. 즉, 잠수함 운용환경으로 인하여 차이가 난다. 따라서 기존 연료개질 플랜트의 시동을 위한 구조 및 운전 방법을 그대로 적용할 수가 없다.

잠수함용 연료개질 플랜트의 최종 배기가스 대부분은 CO₂+H₂O로 구성되어야 하기 때문에 1단 연소기가 아닌 다단 연소기의 적용이 필요하다. 또한, 수증기 개질 반응기의 운전에 필요한 열을 공급하기 위하여 각 단의 연소기에서 분할되어 발생하는 열을 효과적으로 수집할 수 있어야 한다.

특히, 다단 연소기는 잠수함용 연료개질 플랜트의 정상 운전뿐만 아니라 시동까지 책임질 수 있도록 설계하여야 한다. 그런데, 일반적인 연소기의 경우, CO가 배출될 수 있다. 즉, 배기가스가 CO₂+H₂O만으로 구성되지 않아, 불꽃 연소만으로 CO₂로 전부 변환되지 않는다.

또한, 일반적인 연소기의 경우, 연소 온도가 높아 고압에서 운용하기 위해서는 케이스 등이 두꺼워야 하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 극복하기 위해 촉매 연소를 포함하는 다단 연소기가 요구되고 있다.

그리고, 일반적인 연소기는 산화제로 공기를 사용하지만, 잠수함용 메탄올 연소기는 산화제로 산소를 사용한다.

도 1은 다단 연소기 중 1단 연소기의 측단면 형상을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1의 액체연료 연소기(100)는 액체연료와 잔여 개질 가스를 혼합하고, 혼합 기체를 연속촉매와 혼합하도록 구성된다. 액체연료는 메탄올, 에탄올, 가솔린, 디젤, 부탄올, GTL(Gas to liquid), DME(Di-Methyl Ether) 등이 될 수 있다.

상단부는 액체연료를 공급하는 배관(111), 공급된 액체연료를 기화시키는 기화기(110), 기화된 액체연료와 잔여 개질 가스를 혼합하는 혼합기(120) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 기화기(110)는 몸체(110-1), 상기 혼합기(120)의 일부 상단면을 지지하는 고정부(110-2), 내측에 배관(111)과 연결되는 다공성 매질(113), 상기 다공성 매질(113)에 열을 공급하는 히터(112) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 다공성 매질(113)은 다수의 구멍이 형성되는 원형상의 형태로 히터(112)의 열선에 의해 가장자리 측면이 둘러 쌓이는 형태이다.

배관(111)에 공급되는 연료는 크게 2가지로 구분된다. 첫 번째는 연료 개질기에서 생성된 개질가스 중 수소 정제기를 통과하고 남아있는 잔여 개질가스이다.

수소 정제기는 개질 가스 중 수소만 걸러내서 고순도 수소를 만든다. 개질 가스에 포함된 수소중 약 80~90%의 수소만 걸러내고 나머지는 그냥 외부로 배출된다. 개질가스는 약간의 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기로 구성되어 있다. 따라서, 연소기(100)에서는 약간의 수소와 일산화탄소가 산소와 연소반응을 일으켜 열을 획득할 수 있다.

두 번째는 메탄올이다. 잔여 개질가스의 연소만으로는 충분한 열을 확보할 수 없다. 따라서 추가적으로 메탄올을 공급하여 열을 확보할 수 있다.

연소기(110)에는 2가지 연료(액체연료, 잔여 개질 가스)가 공급될 수 있는 통로가 존재한다. 즉, 배관(111) 및 개질 가스 공급관(122)이다. 특히 메탄올의 경우, 액적상태로 존재하기 때문에 기화시키는 장치가 필요하다. 초기 시동시에는 메탄올을 기화시킬 수 있는 방법은 히터(112)를 이용한 열공급 밖에 없다. 히터(112)는 열선을 이용한 전기 히터가 될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 히터(112)가 열을 공급하면 다공성 매질(113)이 가열되고, 배관(111)을 통해 액체상태로 공급되는 메탄올을 기화시킬 수 있다.

연소기(100)의 상단부는 액체연료인 메탄올과 잔여개질가스를 혼합하기 위한 공간이다. 이를 위해 혼합기(120)의 측면에는 개질 가스 공급관(122)이 구성되며, 이 개질 가스 공급관(122)을 지지하기 위해 자켓(121)이 혼합기(120)의 외면에 설치된다. 혼합기(120)는 중심이 비어 있는 원통형이 될 수 있다.

또한, 혼합기(120)의 재질로는 투명 유리, 금속, 비철금속 등이 될 수 있다. 혼합기(120)의 하단 외면에는 개질 가스 공급관(122)을 통과한 잔여 개질 가스가 혼합기(120) 내로 유입되도록 유입홀(125)이 형성된다. 부연하면, 자켓(121)은 속이 빈 형상으로 개질 가스 공급관(122)을 통과한 잔여 개질 가스가 모이고, 이 잔여 개질 가스가 유입홀(125)을 통해 혼합기(120) 내로 유입된다. 즉, 자켓(121)이 유입홀(120)을 덮는 형태이다. 자켓(121)은 접착제를 통해 혼합기(120)의 표면에 고정될 수 있다.

잔여개질가스의 공급방향은 혼합기의 측면에서 혼합기 내의 메탄올 유동방향에 대해 90˚로 공급되므로 혼합기(120)내 난류를 발생에 의해 메탄올과 잔여개질가스를 혼합할 수 있다.

도 1을 계속 참조하면, 하단부는 산소를 분배하는 산소분배기(131), 연소 촉매 집합체(135)가 적층되는 촉매 담지 용기(130), 분배기(131)와 연소 촉매 집합체(135) 사이에 일정한 공간 틈을 형성하는 스페이서(132) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 스페이서(132)는 링 형상일 수 있다. 부연하면, 고온의 연소 촉매가 산소 분배기에 대한 열적 손상을 감소시키기 위하여 연소촉매와 산소분배기 사이에 공간을 제공하는 것이 더 효과적이다. 제공되는 공간 틈은 STS(stainless steel) 링(STS ring의 높이)에 의해서 결정될 수 있다.

산화제인 산소는 분배기(131)를 통해 공급된다. 분배기(131)는 연소촉매 전체 면적에 산소를 최대한 광범위한 영역에 공급되도록 하는 것을 목적으로 한다. 이와 함께 연료가 지나갈 수 있는 통로를 제공한다. 특히, 분배기(131)는 산소 공급관(123)과 연통된다. 산소 공급관(123)은 혼합기(120)의 외면에서부터 혼합기(120) 내부를 통과하여 분배기(131)까지 이어지도록 구성될 수 있다.

이와 함께 연료가 지나갈 수 있는 통로를 위한 관통홀(131-1)이 분배기(131)에 다수 개 형성된다.

연소촉매 집합체(135)의 상단과 하단에는 열전대가 존재한다. 특히 상단의 열전대가 역할이 중요하다. 만약 상단의 온도가 900℃ 이상으로 상승시 연소촉매가 용융되는 것을 막기 위하여 산소량을 감소시키는 것이 바람직하다. 상단과 하단의 열전대에 대한 온도를 검출하기 위해 제 1 온도 센서(141)가 연소촉매 집합체(135)의 최상단 연속촉매에 물리적으로 접촉하도록 설치되고, 제 2 온도 센서(142)가 연소촉매 집합체(135)의 하단에 연속촉매와 비접촉 형태로 설치될 수 있다.

그런데, 이 같은 액체연료 연소기는 열생성 측면에서는 우수한 성능을 보여주나, 분배기의 온도 상승에 따른 다공성 매질의 열적 변형이 발생함이 실험적으로 확인되었다.

즉, 도 2에서 참조되는 바와 같이 1장으로 구성된 연소촉매의 표면온도는 약 900도 수준을 유지할 수 있었고, 이때 연소 촉매 후단의 온도는 650도 수준이었으며, 약 2시간 정도의 운전에서도 확인할 수 있듯이, 연소는 안정적으로 운전되었다.

그러나, 이 같은 실험을 수차례 반복한 결과, 도 3과 같이 산소분배기가 고온에서 산소 분위기에 노출되어 산화가 진행됨을 확인할 수 있었다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허번호 제10-2019183호(등록일자: 2019.09.02)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 액체연료 연소기를 위한 산소분배 반응기에서 산화에 의한 온도 상승이 조정될 수 있도록 하는 산소분배 반응기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기는, 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스 내부의 하면에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질과 상기 케이스의 내부공간에 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 내부공간에 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승을 방지한다.

그리고, 상기 산소공급관은 상기 케이스에 결합되며, 상기 물공급관은 상기 산소공급관 내측에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 다공성 매질은, 제1 다공성 매질 및 상기 제1 다공성 매질 상에 적층되는 제2 다공성 매질을 포함할 수 있고, 상기 제2 다공성 매질은 모래일 수 있다.

그리고, 상기 제1 다공성 매질의 공극률이 상기 제2 다공성 매질의 공극률보다 작은 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 다공성 매질 상면에 배치되며, 복수 개의 홀이 형성된 멀티홀 플레이트를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 멀티홀 플레이트의 상단은 상기 케이스의 상단과 이격된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부공간은 상기 케이스 내의 상기 멀티홀 플레이트 상부의 내부공간인 것을 특징으로 한다.

다음, 상기 물공급관의 끝단에는 다공노즐이 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 다공노즐의 분사 방향은 상기 멀티홀 플레이트와 평행한 방향인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 케이스 외면에 접하며, 내부에 냉각수가 순환되는 냉각 튜브를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 관점에 의한 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기는, 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질 안으로 삽입되어 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질 안으로 삽입되어 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승을 방지한다.

그리고, 상기 산소공급관 및 상기 물공급관은 동심관으로서 내부에 상기 물공급관이 위치하고, 상기 물공급관의 외주면에 상기 산소공급관이 위치한다.

또한, 상기 산소공급관 및 상기 물공급관은 동심관으로서 내부에 상기 산소공급관이 위치하고, 상기 산소공급관의 외주면에 상기 물공급관이 위치한다.

나아가, 상기 케이스 외면에 접하며, 내부에 냉각수가 순환되는 냉각 튜브를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 관점에 의한 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기는, 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질의 상면에 접해 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질의 상면에 접해 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승 방지한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 관점에 의한 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기는, 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질과 상기 케이스 사이의 내부공간 및 상기 다공성 매질안으로 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질 안으로 삽입되어 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승을 방지한다.

그리고, 상기 산소공급관의 단부에는 다공노즐이 형성되어 상기 내부공간 및 상기 다공성 매질과 면접되어 위치한 잠수함 연료개질기에 적용된다.

다음, 본 발명의 또 다른 관점에 의한 잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기는, 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서, 관통공이 형성된 케이스, 상기 케이스의 내부에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질안으로 삽입되어 산소를 공급하는 산소공급관, 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질과 상기 케이스 사이의 내부공간 및 상기 다공성 매질안으로 물을 공급하기 위한 물공급관, 상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매, 상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되, 상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승을 방지한다.

그리고, 상기 물공급관의 단부에는 다공노즐이 형성되어 상기 내부공간 및 상기 다공성 매질과 면접되어 위치한 잠수함 연료개질기에 적용될 수 있다.

본 발명의 액체연료 연소용 산소분배 반응기는 산소와 함께 물이 공급됨으로써 산소를 희석시켜 산소분배기의 산화를 저하시킬 수 있다.

그리고, 공급된 물이 증발함에 의해 산소분배기를 냉각시킴으로써, 산소분배기의 열화를 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 액체연료 연소기의 측단면 형상을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 액체연료 연소기에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 3은 산화된 산소분배기이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 액체연료 연소용 산소분배 반응기를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 액체연료 연소용 산소분배 반응기를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 액체연료 연소용 산소분배 반응기를 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

본 발명은 액체연료 연소기의 혼합기와 연소촉매가 수용된 촉매 담지 용기 사이에 배치되는 산소분배 반응기에 관한 것이며, 산소분배 반응기의 온도 상승에 의해 다공성 매질이 산화되는 것을 방지하기 위한 것이다.

산소분배 반응기에서 산화가 진행된 원인은 다음과 같다.

① 고온에 노출

산소분배 반응기는 하단에 연소촉매가 약 30mm의 공간을 두고 이격되어 위치하지만, 900도로 운전되는 연소촉매에서 발생하는 복사열에 의해, 복사가열이 되는 것으로 확인된다. 그러므로, 산소분배 반응기는 지속적으로 가열되어, 약 600도 이상의 고온에 노출된다.

② 산소 분위기에 노출

산소분배 반응기는 고온 환경에서 고순도 산소 환경에 노출될 수 밖에 없다. 따라서, 산소의 높은 반응성으로 인하여 내부식성이 있는 stainless steel이 산화가 됨을 확인할 수 있었다.

결국, 산소분배 반응기는 다공성 매질로 구성되어 있으므로, 고온 환경에서 산소에 장시간 노출될 경우, 기공의 형상이 변화하나 막힐 수 있으므로, 과도한 고온에 노출되지 않도록 제어가 필요한 것이다.

한편, 산소분배 반응기를 통해 순산소 연소를 수행함에 있어서 유동방향으로서 연소촉매의 불균질을 확인할 수 있다. 예를 들어 연소촉매를 10장을 수직으로(직렬방향으로) 적층하여 연소기를 운전할 경우, 산소분배 반응기에서 배출되는 고순도 산소로 인하여 산소와 만나는 첫 번째 연소촉매에서만 과도한 열이 발생하였고, 2번째 이후의 연소촉매에서는 제대로 된 연소가 일어나지 않는다. 만약 추가적인 열량 확보를 위하여 산소를 추가 공급할 경우, 첫 번째 연소촉매가 과도하게 많은 산소에 노출되어 용융되는 현상이 발생될 수 있다. 즉 2번째 이후의 연소촉매는 제대로 작동하지 않게 된다.

산소분배 반응기의 열적 성능에 대해서는 실험을 통해 검증되었으나, 산소분배 반응기가 연소촉매에서 전달되는 복사열에 의해서 열적손상을 입는 문제가 있다. 연소촉매에서 전달되는 열을 차단하기 위하여 단열재를 설치하거나 공간을 두었음에도 불구하고, 산소분배 반응기가 가열되는 현상을 적극적으로 차단시킬 필요가 있는 것이다.

뿐만 아니라 추가 열량확보를 위하여 메탄올 연소기는 산소를 더 연소할 필요가 있는데, 이를 위하여 여러 장의 연소촉매를 유동방향으로 적층하여 설치하였으나, 다량의 연소촉매를 적층했음에도 불구하고 산소의 높은 반응성으로 인하여 산소와 만나는 첫 번째 연소촉매에서만 연소가 일어나고 나머지 연소촉매는 연소가 일어나지 않는 문제가 발생할 수 있다. 첫 번째 연소촉매의 상태를 무시하고 산소를 더 추가 공급할 경우, 2번째 이후의 연소촉매를 작동시킬 수는 있으나 첫 번째 연소촉매가 고온으로 인하여 용융될 수 있다.

그러므로, 이러한 문제를 산소분배 반응기 관점에서 해결할 필요가 있다.

본 발명은 산소를 희석시킴으로써 산소분배 반응기의 산소 분위기 노출을 저하시키고자 한다. 나아가, 산소분배 반응기가 자체 냉각 가능하도록 하고자 한다.

산소의 높은 반응성을 감소시키기 위하여(공기와 같이) 산소에 다른 물질을 혼합하여 공급하는 것이 유리하다. 민간에서는 공기를 사용하기 때문에 산소를 별도의 물질로 희석시킬 필요가 없다. 하지만, 잠수함과 같이 밀폐형 환경에서 운용하는 메탄올 연소기에서는 공기를 사용할 수 없으므로, 순산소에 다른 물질을 희석해야 하고, 이러한 물질을 선택하는데 있어서 환경적인 요소를 반드시 고려해야 한다. 따라서 본 특허와 같은 플랜트에서 선택할 수 있는 물질은 이산화탄소와 물이다. 이산화탄소는 메탄올 연소의 최종 부산물로 획득이 가능하여 필요시 해수에 용해하여 배출할 수 있다. 물(H₂O) 역시 연소의 부산물로서 회수 및 재사용이 용이하다는 장점이 있다.

다만 두 물질은 보관 시 물질 상태에서 차이점이 있다. 이산화탄소는 기체로 저장/사용해야 하고, 물은 액체로 저장/사용해야 한다. 산소와 균질 혼합 측면에서는 기체 상태의 이산화탄소가 용이하나 추가적인 구성품 및 저장 공간이 많이 필요하다는 단점이 있다. 이에 반해 물은 산소와의 균질 혼합이 어려우나(증발 후 혼합), 추가 필요 구성품 및 저장공간에서 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 산소분배 반응기를 물을 사용하여 산소를 희석하는 방식을 택하고 있다.

또한, 희석물질로 이산화탄소를 사용할 경우 '액체증발'이라는 문제에 대해서는 고려할 필요가 없으나, 물을 산소의 혼합물질로 선택하게 되면 증발(혹은 분무) 및 산소와의 균질혼합에 대해 반드시 고려해야 한다. 다행스럽게도 산소분배 반응기는 산소를 넓은 면적에 골고루 분사하기 위하여 다공성 매질을 적용하고 있고, 이러한 다공성 매질을 가열하면 액체를 증발하기 위한 증발기로도 사용할 수가 있다. 따라서 본 발명의 산소분배 반응기에서는 대면적에 산소 분배 및 액체 기화의 기능이 발휘될 수 있게 하였다.

그러므로, 산소분배 반응기는 액체를 기화하는 과정에서 냉각될 수 있고, 플랜트 측면에서는 별도의 액체 증발기가 불필요하다는 장점이 있다. 또한 산소분배 반응기의 다공성 매질을 통과하는 과정에서 물과 산소가 자연스럽게 혼합될 수 있다는 장점도 있다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 액체연료 연소기용 산소분배 반응기를 설명하기로 한다.

본 발명의 제1 실시예에 의한 액체연료 연소기용 산소분배 반응기는 케이스(11), 다공성 매질(12, 13), 멀티홀 플레이트(14), 산소공급관(20) 및 물공급관(21)을 포함한다.

케이스(11)는 산소분배 반응기의 외관을 형성하며, 원통 형상일 수 있다.

케이스(11) 내에는 다공성 매질이 채워지며, 단일의 다공성 매질이거나, 본 발명의 예와 같이 다른 종류의 제1 다공성 매질(12)과 제2 다공성 매질(13)이 적층 구성될 수 있다.

즉, 제1 다공성 매질(12)과 제2 다공성 매질(13)은 기공률 및 기공 크기가 다른 2종의 재료를 직렬로 연결하여 사용할 수 있으며, 이때 제2 다공성 매질(13)은 모래 등으로 대체할 수도 있다. 그리고, 반응물을 외부로 배출하는 하층의 제1 다공성 매질(12)의 기공률 및 기공 크기가 상층의 제2 다공성 매질(13)의 기공률 및 기공 크기보다 작은 것이 바람직하다.

산화제로서의 산소는 산소공급관(20)을 통해 산소분배 반응기로 공급되어 다공성 매질 안으로 산소를 공급할 수 있으며, 이를 위해 산소공급관(20)은 다공성 매질의 상면에 접하여 산소를 공급할 수 있다. 그리고, 산소를 희석시키고 산소분배 반응기를 냉각시키기 위한 물은 물공급관(21)을 통해 공급되며, 물공급관(21)은 산소공급관(20) 내측을 통해 산소분배 반응기로 연결되어 다공성매질 안으로 물을 공급할 수 있다.

또한, 물공급관(21)에 의해 공급된 물은 다공성 매질에 삽입되어 물공급관(21)에 의해 다공성 매질에 직접 공급되거나, 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 공급되거나, 다공성 매질이 직접 접하도록 위치할 수 있다.

첫째, 물공급관(21)에 의해 공급된 물은 다공성 매질안으로 삽입되는 물공급관(21)에 의해 다공성 매질에 직접 공급되는 경우는 연소촉매의 영향으로 다공성 매질의 중심온도가 주변보다 높을 수 있기 때문이다.

둘째, 물공급관(21)에 의해 공급된 물은 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 공급되는 경우는 다공성 매질과 케이스 간의 내부공간에 물공급관의 단부가 위치함으로서, 일정 체류공간이 확보되어 혼합이나 안정화가 가능하며, 멀티홀 플레이트를 통해 다공성 매질로 유입될 수 있기 때문이다.

셋째, 물공급관(21)이 다공성 매질의 표면에 접하는 경우는 물공급관이 삽입되는 경우와 내부공간에 위치하는 경우의 중간에 해당하며, 다공성 매질의 중심온도가 주변보다 다소 높으면서도 혼합 및 안정화가 필요하기 때문이다.

즉, 다공성 매질의 상면에 접한다는 것은 다공성 매질과 케이스 사이의 내부 공간에 공급한다는 것과 다공성 매질 안으로 공급한다는 것의 중간을 의미한다. 즉, 일부는 내부공극에 직접 공급될 수 있고, 일부는 내부 공간으로 확산될 수 있는 바, 이는 다공성 매질의 다공의 정도, 공극의 크기에 따라 다를 수 있으며, 내부 공간에 공급한다 혹은 다공성 매질의 안으로 공급한다는 것과는 분명히 공급과정이 구별 될 수 있다.

도 4는 상기 3가지 방식 중 물공급관이 내부공간에 위치하는 경우로서, 보다 정확하게는 멀티홀 플레이트(14)에 의해 다공성 매질로부터 일정간격 분리된 상태로 내부공간에 물공급관의 단부가 위치한 상태에 대해 도시된 것이다.

물공급관(21)의 끝이 빈 내부공간에 매달려 있을 경우, 물방울이 떨어지는 현상 때문에 산소분배 반응기에서 산소와 물의 공급의 맥동이 발생하며 혼합의 균질성이 떨어지게 된다. 따라서 물이 연속적으로 다공성 매질로 공급될 수 있도록 특정한 매체에 붙어 있어야 하므로, 도시와 같이 물공급관(21)의 끝부분인 단부의 내경 사이즈로 다공노즐이 삽입될 수 있다. 물공급관에 사용되는 다공노즐은 케이스 내에 배치된 다공성 매질과 공극의 크기 및 공극률을 달리 할 수 있다.

제2 다공성 매질(13) 상에는 복수 개의 홀이 형성된 멀티홀 플레이트(14)가 배치된다. 그래서, 공급된 산소와 물은 다공성 매질에 의해 분해/분사되어 대면적의 멀티홀 플레이트에 균질하고 연속적으로 도착할 수 있게 된다.

그리고, 멀티홀 플레이트를 통해 균질하고 연속적으로 물이 공급되도록 멀티홀 플레이트(14) 상단은 케이스(11)의 상단으로부터 이격되어 배치되고, 이격된 공간은 내부공간(16, Void Space)이 형성될 수 있다. 물공급관(21)에 의해 공급된 물은 다공성 매질에 접하는 물공급관(21)에 의해 다공성 매질에 직접 공급되는 경우에는 멀티홀 플레이트의 홀을 통해 공급이 가능하다.

즉, 산소공급관(20)으로부터 공급되는 산소는 다공성 매질에 직접 또는 다공성 매질 상의 케이스 내부공간에 공급될 수 있다.

액체연료는 다공성매질(12, 13)에 형성된 복수 개의 연료홀(15)을 통해 상부에서 하부로 통과하게 되고, 연료홀(15)은 케이스(11)에 형성된 관통공과 연결된다. 도면에서 TC는 온도센서가 된다.

이와 같이 본 발명의 산소분배 반응기는 물공급관을 통해 물이 산소와 함께 공급되어, 산소를 희석시키면서 다공성 매질에서 물이 증발되게 하여 산소분배 반응기의 온도를 낮출 수 있게 하고, 보다 효율적으로 다공성 매질 상에 멀티홀 플레이트 및 보이드 스페이스에 의해 물이 대면적에 균일하게 분배 가능하게 함으로써, 산소분배 반응기가 산화되지 않도록 한다.

즉, 다공성 매질을 활용하여 산소가 대면적에 균질하게 분배되도록 하되, 뜨거워진 다공성 매질이 물을 증발시킴으로써 다공성 매질 자체가 냉각되게 하는 것이다. 물이 다공성 매질을 냉각하여 다공성 매질이 본연의 물성을 유지하도록 도와주는 동시에 다공성 매질에 의해 증발되는 것이다.

산소분배 반응기의 케이스 하단에는 연소촉매 또는 연소촉매 집합체가 배치되는데, 연소촉매의 입장에서는 산소가 수증기가 희석되어 들어오게 되므로, 연소 온도를 낮게 유지할 수가 있게 된다.

이 같은 효과를 발휘하기 위해 산소분배 반응기 하방향에 연소촉매 집합체는 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 다공성 매질을 포함하는 산소분배 반응기와 고온으로 작동하는 연소촉매가 약 40mm 내외로 이격되는 것이 바람직하며, 이보다 가깝게 되면 증발은 잘 되지만 다공성 매질이 열손상되고, 이보다 멀게 되면 증발이 잘 되지 않게 된다.

이와 같이 본 발명의 산소분배 반응기는 산소공급관으로부터 공급된 산소, 물공급관으로부터 공급된 물 및 케이스와 하단의 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해서 다공성 매질의 고온 상승을 방지할 수가 있다.

물의 공급량은 산소 공급량 대비 최소 비율을 유지하는 것이 바람직하며, 최소비율이 유지되지 않으면 촉매연소에서 불꽃연소로 변경된다. 또한, 산소분배 반응기의 온도가 상승하면 물의 공급량을 증가시켜 산소분배 반응기 온도를 제어하도록 구성될 수 있다.

다음, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 액체연료 연소기용 산소분배 반응기이며, 제1 실시예의 액체연료 연소기용 산소분배 반응기와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 다공성 매질과 케이스 간의 내부공간에 물공급관과 산소공급관의 단부가 위치함으로써, 일정 체류공간이 확보되어 혼합이나 기류안정화가 가능하며, 멀티홀 플레이트를 통해 다공성 매질로 유입되게 된다.

제2 실시예에 의한 액체연료 연소기용 산소분배 반응기는 물이 공급되는 튜브(21)의 끝단에 측방으로 향하는 다공노즐(22)이 추가 구성된다.

즉, 다공노즐(22)에 의해 물이 내부공간(16)에 골고루 공급되게 함으로써 다공성 매질에 물이 고르게 공급되게 할 수 있다.

도 6의 제3 실시예에 의한 액체연료 연소기용 산소분배 반응기는 냉각용 튜브가 다공성매질의 외부, 특히 하부에 배치되도록 하는 것이다. 냉각용 튜브는 다공성매질의 내부에 배치될 수도 있다. 이를 통해 제3 실시예에 의한 산소분배 반응기는 대면적 다공성매질을 보다 빠르게 냉각시킬 수가 있다.

이상, 물공급관(21)에 의해 공급된 물은 다공성 매질에 삽입되어 물공급관(21)에 의해 다공성 매질에 직접 공급되거나, 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 공급되거나, 다공성 매질이 직접 접하도록 위치할 수 있으며, 그중 물공급관이 내부공간에 위치한 경우를 대표적으로 도시하면서 설명했다.

이와 마찬가지로 산소공급관(20)에 대해서도 다공성 매질에 삽입되어 직접 공급되거나, 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 공급되거나, 다공성 매질이 직접 접하도록 위치할 수 있으며, 그중 산소공급관이 내부공간에 위치한 경우에 대해 대표적으로 도시하면서 설명했다.

산소공급관(20)에 대해서도 다공성 매질에 삽입되어 직접 공급되는 경우는, 연소촉매로의 산소공급을 보다 빠르고, 중앙부 공급에 집중하기 위해서이며, 다공성 매질 내부로 삽입할 수도 있으며, 다공성 매질이 내부공간에 위치한 경우는 물공급관에서처럼 혼합이나 기류안정화가 이유이며, 다공성 매질이 직접 접하도록 위치하는 것은 연소촉매로의 산소공급을 보다 빠르고, 중앙부 공급에 집중하는 것과 혼합이나 기류안정화를 모두 추구하기 위함이다.

또한, 물공급관은 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 물을 공급할 뿐 아니라 다공성 매질 안으로 직접 삽입되어 물을 공급할 수 있으며, 산소공급관은 다공성 매질 안으로 삽입되어 산소를 공급하는 것도 가능하다. 이를 위해 물공급관의 단부에는 다공노즐이 형성되어 내부공간 및 다공성 매질과 면접한다.

또한, 이와 반대로 산소공급관은 다공성 매질과 케이스 사이의 내부공간에 산소를 공급할 뿐 아니라 다공성 매질 안으로 직접 삽입되어 산소를 공급할 수 있으며, 물공급관은 다공성 매질 안으로 삽입되어 물을 공급하는 것도 가능하다. 이를 위해 산소공급관의 단부에는 다공노즐이 형성되어 내부공간 및 다공성 매질과 면접한다.

또한, 산소공급관 및 물공급관은 동심관으로서 중심에 물공급관이 위치하고, 물공급관의 외주면에 산소공급관이 위치할 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

11 : 케이스
12 : 제1 다공성 매질
13 : 제2 다공성 매질
14 : 멀티홀 플레이트
15 : 연료홀
16 : 보이드 스페이스
20 : 산소공급관
21 : 물공급관
22 : 다공노즐
30 : 냉각용 튜브

Claims (20)

1. 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기에 있어서,
   관통공이 형성된 케이스;
   상기 케이스의 내부의 하면에 배치되고, 상기 관통공과 연결되는 연료홀이 형성된 다공성 매질;
   상기 케이스에 결합되어 상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질에 산소를 공급하는 산소공급관;
   상기 케이스를 통해 상기 다공성 매질에 물을 공급하기 위해 상기 산소공급관 내측에 배치되 물공급관;
   상기 케이스의 하단에 위치한 연소촉매;
   상기 케이스의 관통공 및 상기 다공성 매질의 연료홀을 통과하는 상기 액체연료는 상기 다공성 매질을 통과해 상기 연소촉매와 반응하되,
   상기 산소공급관으로부터 공급된 산소, 상기 물공급관으로부터 공급된 물 및 상기 케이스와 상기 연소촉매와의 거리 중 어느 한 개 이상에 의해 상기 다공성 매질의 고온 상승을 방지하며,
   상기 다공성 매질 상면에 배치되어, 복수 개의 홀이 형성된 멀티홀 플레이트를 더 포함하고, 상기 다공성 매질의 상면에 위치한 상기 멀티홀 플레이트와 상기 케이스 상단 사이에 이격되어 내부공간을 형성하고,
   상기 물공급관의 끝단에는 상기 멀티홀 플레이트와 평행한 방향으로 분사되는 다공노즐을 포함하며,
   상기 케이스 외면에 접하며, 내부에 냉각수가 순환되는 냉각 튜브를 포함한 것을 특징으로 하는
   잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 다공성 매질은,
   제1 다공성 매질; 및
   상기 제1 다공성 매질 상에 적층되는 제2 다공성 매질을 포함하는,
   잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 다공성 매질은 모래인 것을 특징으로 하는,
   잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 다공성 매질의 공극률이 상기 제2 다공성 매질의 공극률보다 작은 것을 특징으로 하는,
   잠수함 연료개질기에 적용되는 액체연료 연소용 산소분배 반응기.
   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
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