KR102626808B1 - 연소 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 천연가스 개질형 수조 제조 시스템의 개질기 내부에서 개질 반응을 위한 에너지 공급을 위한 연소 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 연소 장치 내/외부의 유동을 안정화시켜 역화 현상을 방지하기 위한 연소 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 연소 장치는 개질기 내부에서 상하방향으로 연장되고 연료 가스를 연소시키는 연소 유니트; 및 상기 연소 유니트의 상부에 연결되는 연료 공급 배관을 포함하고, 상기 연소 유니트는 상기 상하방향으로 연장되며 외측 표면에서 상기 연료 가스가 연소되는 메탈 파이버 매트부와, 상기 메탈 파이버 매트부의 내부에 마련되며 상기 연료 공급 배관으로부터 상기 연료 가스를 공급받아 상기 메탈 파이버 매트부의 내부로 상기 연료 가스를 분사하는 압력 조절 매트부를 포함할 수 있다.

Description

연소 장치{APPARATUS FOR COMBUSTION}
본 발명은 천연가스 개질형 수조 제조 시스템의 개질기 내부에서 개질 반응을 위한 에너지 공급을 위한 연소 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 연소 장치 내/외부의 유동을 안정화시켜 역화 현상을 방지하기 위한 연소 장치에 관한 것이다.
천연가스 개질형 수조 제조 시스템에는 개질(추출) 반응을 위한 에너지 공급용 버너가 마련된다. 개질기에는 여러 종류가 혼합된 혼합 가스를 연료로 하는 메탈 파이버 버너(metal fiber burner)가 에너지 공급원으로 사용될 수 있다.
수소제조시스템 전체의 운영 조건상에서, 버너에서는 천연가스 및 수소, 이산화탄소 등 공정 부산물의 혼합가스 연소가 모두 안정적으로 이루어져야 된다. 이때, 한 종류의 가스 연료만 활용하는 일반적인 버너와 달리, 여러 혼합 가스가 연료로 활용될 경우, 혼합 가스에 포함된 가스 종류마다 각기 다른 확산 속도 및 연소 속도의 특성을 가질 수 있다. 특히 수소의 경우 확산 및 연소의 속도가 매우 빠르므로 가스의 유동이 버너 내부로 역류되어 가스 유동이 안정적이지 못한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 역류된 일부 가스로 인하여 버너 내부에서 연소 반응이 일어나 불꽃이 연료 공급 라인 방향으로 향하는 역화 현상이 발생할 수 있다.
일반적으로 설계된 버너(노즐 믹스 버너, 메탈 파이버 버너 등)의 경우 단일 조성의 연소 가스와 특정 범위의 유량 안에서만 운영되며, 한정된 연소 조건에 맞게 버너의 크기, 토출부 길이 및 지름, 타공판의 기공율 등 버너의 상세한 형상이 결정될 수 있다.
일반적으로 설계된 메탈 파이버 버너를 혼소 연료(특히 수소가 혼합된 혼소연료)의 연소에 그대로 적용할 경우, 연료의 전환과정에서 역화(연소가 역방향으로 일어나 불꽃 토출부에서 버너 안쪽으로 연소가 일어나는 경우)가 발생하여, 버너 및 전체 시스템 운영에 악영향을 미칠 수 있다.
이는 연소 가스가 천연가스에서 혼소 연료로 전환되는 과정에서 연료에 포함된 수소로 인하여 급격한 연소 속도의 변화, 유동의 불균형으로 인해 발생하는 현상으로, 역화 현상을 방지할 수 있는 안정적인 연소 장치가 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-1624359호에는 "배기가스 배출이 개선된 수증기 개질 반응을 이용한 수소발생장치"에 대한 기술이 개시되고 있다.
한국등록특허 제10-1624359호
본 발명은 천연가스 개질형 수조 제조 시스템의 개질기 내부에서 개질 반응을 위한 에너지 공급을 위한 연소 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 연소 장치 내/외부의 유동을 안정화시켜 역화 현상을 방지하기 위한 연소 장치에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 연소 장치는 개질기 내부에서 상하방향으로 연장되고 연료 가스를 연소시키는 연소 유니트; 및 상기 연소 유니트의 상부에 연결되는 연료 공급 배관을 포함하고, 상기 연소 유니트는 상기 상하방향으로 연장되며 외측 표면에서 상기 연료 가스가 연소되는 메탈 파이버 매트부와, 상기 메탈 파이버 매트부의 내부에 마련되며 상기 연료 공급 배관으로부터 상기 연료 가스를 공급받아 상기 메탈 파이버 매트부의 내부로 상기 연료 가스를 분사하는 압력 조절 매트부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 연료 가스는 가연성 가스 및 산소를 포함하는 에어가 혼합된 혼합 가스이고, 상기 가연성 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 수소 및 일산화탄소 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 연료 공급 배관은 상기 압력 조절 매트부의 상단부에 결합되고, 상기 압력 조절 매트부는 통기 가능하도록 복수의 공극이 형성되는 다공성 소재로 마련되며, 상기 연료 공급 배관으로부터 상기 압력 조절 매트부의 내부로 주입된 상기 연료 가스는 상기 공극을 통해서 상기 압력 조절 매트부의 외부로 분사되는 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 압력 조절 매트부는 상기 상하방향으로 연장되고, 상기 압력 조절 매트부의 연장 길이는 상기 메탈 파이버 매트부의 상하방향 길이의 20 % 내지 100 % 인 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 상기 압력 조절 매트부의 상측 내경이 상기 압력 조절 매트부의 하측 내경보다 더 크고, 상기 압력 조절 매트부의 두께는 균일한 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 압력 조절 매트부는 상부로 갈수록 내경 및 외경이 넓어지는 테이퍼 형상인 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 압력 조절 매트부의 재질은 SUS310, SUS304 및 FeCrAlloy 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치에서 상기 메탈 파이버 매트부의 재질은 탄소 섬유, 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 금망, 소결금속, 스틸울 및 발포금속 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 연소 유니트 내부에서 가스 유동을 안정화시켜 혼소 시에 역화를 방지할 수 있다. 즉 본 발명을 통해, 역화 위험을 줄인 천연가스/수소(및 공정 부산물) 혼소 연소 장치를 제작할 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 연소 후 가스가 연소 유니트 내부로 유입되지 않아, 연소의 안정성 및 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 연소 후 가스의 유동을 조정하여 개질기(연소로)내부의 유동을 안정화할 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 압력 조절 매트부로 인해, 메탈 파이버 매트부의 표면에서 역화가 발생할 경우라도 연료 공급 배관까지 불꽃이 전이되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 연소 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 연소 장치의 종단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 연소 장치의 작동시 압력을 나타내는 등압선이 표시된 단면도이다.
도 5b는 종래의 연소 장치의 작동시 압력을 나타내는 등압선이 표시된 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 연소 장치의 작동시의 유체의 속도가 표시된 사시도이다.
도 6b는 종래의 연소 장치의 작동시의 유체의 속도가 표시된 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 용어 "중심", "상", "하" "좌", "우", "수직", "수평", "내측", "외측", “일면”, “타면” 등이 지시한 방위 또는 위치 관계는 도면에서 나타낸 방위 또는 위치 관계, 또는 평소에 본 발명 제품을 사용할 시 배치하는 방위 또는 위치관계에 기초한 것이고, 본 발명의 설명과 간략한 설명을 위한 것일 뿐, 표시된 장치 또는 소자가 반드시 특정된 방위를 가지고 특정된 방위로 구성되거나 조작되어야 하는 것을 제시 또는 암시하는 것이 아니므로 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 아니 된다.
이하 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 연소 장치에 대해서 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연소 장치는 천연가스 개질형 수소제조 시스템에 적용되는 것일 수 있다. 구체적으로는, 개질 반응을 위한 개질기(20) 내부에 설치되는 것으로, 흡열반응에 필요한 열 에너지를 공급하기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 연소 장치는 개질기(20)의 하부로 연장되도록 개질기(20) 상부의 천장에 설치될 수 있다.
본 발명의 연소 장치는 개질기(20) 내부에서 상하방향으로 연장되고 연료 가스를 연소시키는 연소 유니트(100), 및 연소 유니트(100)의 상부에 연결되는 연료 공급 배관(200)을 포함할 수 있다.
상하 방향은 도 1 내지 도 6에 도시된 좌표 상에서 Z 축 방향일 수 있다.
연소 유니트(100)에서 연소되는 연료 가스는 가연성 가스 및 산소를 포함하는 에어가 혼합된 혼합 가스일 수 있다. 더 구체적으로, 가연성 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 수소 및 일산화탄소 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 연료 가스는 연소 속도 및 확산 속도가 각기 다른 다종의 가스가 혼합된 가스일 수 있다. 따라서, 본 발명에서 연료 가스는 혼소 연료일 수 있다. 본 발명의 연소 장치는 연소 유니트(100) 내부에서 가스 유동을 안정화시켜 혼소 시에 역화를 방지할 수 있다.
구체적으로, 역화 현상은 연소 유니트(100)와 연료 공급 배관(200)의 결합 부위의 부근에서 가스의 유동이 불안정해지면서 발생할 수 있다. 따라서, 이 부분의 유체의 압력 및 속도를 개선하여 가스 유동의 안정성을 확보할 필요가 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연소 장치에서 연소 유니트(100)는 상하방향으로 연장되며 외측 표면에서 연료 가스가 연소되는 메탈 파이버 매트부(110)와, 메탈 파이버 매트부(110)의 내부에 마련되며 연료 공급 배관(200)으로부터 연료 가스를 공급받아 메탈 파이버 매트부(110)의 내부로 연료 가스를 분사하는 압력 조절 매트부(120)를 포함할 수 있다.
메탈 파이버 매트부(110)는 원통형의 메탈 파이버 버너(metal fiber burner)일 수 있다. 메탈 파이버 매트부(110)는 예혼합된 연료 가스의 배출을 위한 원통형 타공판과, 타공판의 외측 표면 전체에서 연소가 균일하게 될 수 있도록 연소 가스를 외측 표면 전체에 연료 가스를 퍼트리는 금속계 재질의 금속 매트로 형성될 수 있다. 즉, 메탈 파이버 매트부(110)는 연료 가스가 공급되는 내부 공간이 형성되도록 타공판으로 틀이 형성되고, 금속 매트가 타공판을 둘러싸며, 금속 매트 상에 작은 불꽃 고르게 형성될 수 있다. 메탈 파이버 매트부(110)의 재질은 탄소 섬유, 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 금망, 소결금속, 스틸울 및 발포금속 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 메탈 파이버 매트부(110)는 내열성, 내산화성에 뛰어난 특성을 가지는 금속으로 제조될 수 있다.
압력 조절 매트부(120)의 상단부에는 연료 공급 배관(200)의 하단부가 결합될 수 있다. 압력 조절 매트부(120)는 통기 가능하도록 복수의 공극이 형성되는 다공성 소재로 마련될 수 있다. 압력 조절 매트부(120)에 형성되는 공극의 크기 및 밀도는 메탈 파이버 매트부(110)의 구조(타공판의 홀의 크기 및 수, 메탈 파이버 매트부(110)의 형상 및 크기 등) 및 공급되는 연료 가스의 조건(유체 압력, 속도, 및 조성)에 따라 달라질 수 있다.
연료 공급 배관(200)으로부터 압력 조절 매트부(120)의 내부로 주입된 연료 가스는 압력 조절 매트부(120)에 형성된 공극을 통해서 압력 조절 매트부(120)의 외부로 분사될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 압력 조절 매트부(120)의 형상은 상하방향으로 연장되는 원뿔일 수 있다. 압력 조절 매트부(120)의 길이는 연소 효율과 역화 방지를 위한 조건을 고려하여 결정될 수 있다. 역화 방지를 위해서는 연료 공급 배관(200)과 연소 유니트(100)의 결합 부위 부근에서 고압을 유지하는 것일 유리하지만, 연소 효율을 위해서는 연료 가스가 메탈 파이버 매트부(110)의 전체 표면상에서 연소 가스가 고르게 연소되는 것이 좋을 수 있다. 따라서, 연소 효율과 안정성 모두를 고려하여 최적화된 길이로 압력 조절 매트부(120)는 형성될 수 있다. 예를 들어, 압력 조절 매트부(120)의 연장 길이는 메탈 파이버 매트부(110)의 상하방향 길이의 20 % 내지 100 % 일 수 있다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 압력 조절 매트부(120)의 상측 내경이 압력 조절 매트부(120)의 하측 내경보다 더 클 수 있다. 즉, 압력 조절 매트부(120)는 상부로 갈수록 내경 및 외경이 넓어지는 테이퍼 형상일 수 있다. 이러한 구정을 함으로써, 압력 조절 매트부(120)의 외주면과 메탈 파이버 매트부(110)의 내주면이 형성하는 공간 상에서, 연료 공급 배관(200)에 인접할 수 록 고압을 형성할 수 있다.
압력 조절 매트부(120)의 재질은 SUS310, SUS304 및 FeCrAlloy 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 압력 조절 매트부(120)는 연료 공급 배관(200)으로 향하는 불꽃을 소염하는 소염막의 기능을 수행할 수도 있다. 즉, 압력 조절 매트부(120)는 메탈 파이버 매트부(110) 내부 압력 분포를 조정하는 동시에, 연료 공급 배관(200)으로 향하는 불꽃을 차단하는 필터의 기능을 할 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 연소 장치 및 종래의 연소 장치에서 연소 기능이 수행될 시 유체의 압력 및 속도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션은 점성모델(viscous model)로서 표준 k-epsilon의 두 방적식 모델(two equation models)을 적용되었으며, 근접 벽 처리(near-wall treatment)를 위해 표준 벽 함수(standard wall functions)가 적용되었고, 구분종좌표법(discrete ordinates method)으로 해석된 복사 모델(radiation model)이 적용되었다.
도 5a는 본 발명의 연소 장치의 작동시 압력을 나타내는 등압선이 표시된 단면도이다. 도 5b는 종래의 연소 장치의 작동시 압력을 나타내는 등압선이 표시된 단면도이다. 도 5a 및 5b의 도면을 비교해서 보면, 본 발명의 연소 장치가 종래의 연소 장치보다 연소 유니트(100)와 연료 공급 배관(200)의 결합 부위 부근의 압력이 더 높은 것을 볼 수 있다.
도 6a는 본 발명의 연소 장치의 작동시의 유체의 속도가 표시된 사시도이다. 도 6b는 종래의 연소 장치의 작동시의 유체의 속도가 표시된 사시도이다. 도 6a 및 6b의 도면을 비교해서 보면, 본 발명의 연소 장치가 종래의 연소 장치보다 유체의 유동이 더 안정적인 것을 볼 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
20...개질기 100...연소 유니트
110...메탈 파이버 매트부 120...압력 조절 매트부
200...연료 공급 배관

Claims (8)

  1. 개질기 내부에서 상하방향으로 연장되고 연료 가스를 연소시키는 연소 유니트; 및
    상기 연소 유니트의 상부에 연결되는 연료 공급 배관을 포함하고,
    상기 연소 유니트는 상기 상하방향으로 연장되며 외측 표면에서 상기 연료 가스가 연소되는 메탈 파이버 매트부와, 상기 메탈 파이버 매트부의 내부에 마련되며 상기 연료 공급 배관으로부터 상기 연료 가스를 공급받아 상기 메탈 파이버 매트부의 내부로 상기 연료 가스를 분사하는 압력 조절 매트부를 포함하며,
    상기 연료 가스는 가연성 가스 및 산소를 포함하는 에어가 혼합된 혼합 가스이고,
    상기 가연성 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 수소 및 일산화탄소 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 연료 공급 배관은 상기 압력 조절 매트부의 상단부에 결합되고,
    상기 압력 조절 매트부는 통기 가능하도록 복수의 공극이 형성되는 다공성 소재로 마련되며,
    상기 연료 공급 배관으로부터 상기 압력 조절 매트부의 내부로 주입된 상기 연료 가스는 상기 공극을 통해서 상기 압력 조절 매트부의 외부로 분사되는 것인 연소 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절 매트부는 상기 상하방향으로 연장되고,
    상기 압력 조절 매트부의 연장 길이는 상기 메탈 파이버 매트부의 상하방향 길이의 20 % 내지 100 % 인 것인 연소 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절 매트부의 상측 내경이 상기 압력 조절 매트부의 하측 내경보다 더 크고,
    상기 압력 조절 매트부의 두께는 균일한 것인 연소 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력 조절 매트부는 상부로 갈수록 내경 및 외경이 넓어지는 테이퍼 형상인 것인 연소 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절 매트부의 재질은 SUS310, SUS304 및 FeCrAlloy 중 하나 이상을 포함하는 것인 연소 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 파이버 매트부의 재질은 탄소 섬유, 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 금망, 소결금속, 스틸울 및 발포금속 중 하나 이상을 포함하는 것인 연소 장치.
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