KR20220021634A - 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기 - Google Patents

버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기 Download PDF

Info

Publication number
KR20220021634A
KR20220021634A KR1020200102438A KR20200102438A KR20220021634A KR 20220021634 A KR20220021634 A KR 20220021634A KR 1020200102438 A KR1020200102438 A KR 1020200102438A KR 20200102438 A KR20200102438 A KR 20200102438A KR 20220021634 A KR20220021634 A KR 20220021634A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
combustion
flow path
fuel
unit
Prior art date
Application number
KR1020200102438A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102424891B1 (ko
Inventor
김용섭
육근재
진성재
이수규
Original Assignee
주식회사 파나시아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 파나시아 filed Critical 주식회사 파나시아
Priority to KR1020200102438A priority Critical patent/KR102424891B1/ko
Publication of KR20220021634A publication Critical patent/KR20220021634A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102424891B1 publication Critical patent/KR102424891B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C01B3/363—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents characterised by the burner used
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/06—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with radial outlets at the burner head
    • F23D14/065—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with radial outlets at the burner head with injector axis inclined to the burner head axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1276—Mixing of different feed components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/007—Mixing tubes, air supply regulation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

본 발명은 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되, 상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고, 상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소됨으로써 수소를 포함하는 오프가스가 연소부 측에서 균일하게 분산되어 연소되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것이다.

Description

버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기{Steam Hydrocarbon Reformer with Burner}
본 발명은 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되, 상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고, 상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소됨으로써 수소를 포함하는 오프가스가 연소부 측에서 균일하게 분산되어 연소되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기에 관한 것이다.
수소에너지는 유력한 차세대 에너지원으로, 온실가스 및 미세먼지 감축을 위하여 전세계적으로 개발에 참여하려는 동향을 보이고 있다. 그동안 수소에너지는 특수한 분야에 국한되어 사용되었으나, 실용화 범위가 확대되고 있다. 수소에너지는 물을 전기분해하여 얻거나 화석연료를 수증기 개질 또는 부분 산화하여 얻을 수 있고, 바이오매스를 가스화 혹은 탄화시켜 얻을 수도 있다. 수소에너지는 태양광, 태양열, 화석연료 등 모든 에너지 자원으로부터 에너지 변환하여 얻을 수도 있다.
수소를 얻어낼 수 있는 여러 방법 중에서, 천연가스(Natural Gas)로부터 수소를 생산하는 수소 개질 기술은 메탄이 주성분인 천연가스 등을 연료의 연소롤 통해 개질하는 것이다. 수소 개질에 사용되는 천연가스와 수증기 등을 원료가스라고 하며, 소정 양의 천연가스와 개질과정 등에서 부산물로써 획득되는 오프가스(OFF gas) 및 천연가스의 혼합물을 연소시킴으로써 개질을 실시한다.
수증기 탄화수소 개질기는 천연가스 등을 원료로 하여 수소를 제조할 수 있도록 하며, 연료인 천연가스와 오프가스를 공기와 함께 연소하여 원료가스를 수소로 전환하는 장치이다. 천연가스 수증기 개질은 세계 총 수소 생산의 상당량을 점유하고 있다. 수증기(스팀)와 천연가스를 혼합하여 700~1000도, 바람직하게는 700~850도로 가열하여 촉매반응기에서 소정의 압력 하에 반응하여 수소를 생산할 수 있다. 도 1은 일반적인 천연가스를 이용한 수소 개질방식을 도시한 도면으로, 원료가스를 탈황장치를 통해 탈황시킨 후, 개질기에서 연료와 수증기와 함께 반응시켜 개질된 수소를 얻는다. 이후 전이공정 및 가스 제거공정을 통해 정제된 수소를 얻을 수 있으며, 상기 과정에서의 부산물인 오프가스는 연료와 함께 수소 개질에 사용될 수 있다. 이러한 수소개질기에서 일어나는 개질은 많은 반응을 수반하지만, 본질적인 화학적 변환은 하기의 식과 같다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 [식 1]
CH4 + 2H2O → CO2+ 4H2 [식 2]
상기 식 1의 개질반응은 흡열반응에 해당하고, 식 2의 수성가스 변환 반응은 발열반응에 해당한다. 상기 식 1의 흡열반응을 위해서는 많은 열이 필요하므로, 높은 온도에서 촉매를 첨가하여 반응을 촉진시킨다. 이를 위하여, 통상적인 수소 개질장치는 노 또는 챔버 내에서 연료를 연소시키고, 촉매가 들어있는 반응튜브에 원료가스를 주입하여 높은 온도에서 수소를 얻어낸다.
종래의 수증기 탄화수소 개질기는 열원의 공급을 위하여 버너를 사용하여야 하는데, 충분한 스팀을 생산할 때 까지 천연가스(NG)를 연료로 사용하다가 충분한 스팀이 생산된 이후에는 천연가스와 스팀을 공급하여 개질반응을 진행하게 된다.
개질기에 사용되는 버너는 천연가스 연료 및 수소의 생산 후 발생한 오프가스를 연소에 사용하는데, 오프가스에는 약 32~40%의 수소가 포함되어 있다.
수소의 연소속도는 메탄보다 약 8배 빠르고(수소 291cm/s, 메탄 37cm/s), 수소의 높은 연소속도는 연소 시 화염온도를 국부적으로 증가시키며, 이는 수소가 포함된 연료의 연소 시 높은 수준의 NOx를 생성할 수 있어 환경오염을 유발할 수 있는 등의 문제가 있다. 수소의 연소특성상 다량의 수소가 고르게 분산되지 않고 연소되는 경우 화염의 길이가 길어져 연소실의 벽에 화염으로 인한 직접적인 충격을 줄 수 있고, 수소개질반응이 일어나는 개질튜브의 취성파괴가 발생할 수 있다.
또한, 버너를 장시간 사용하는 경우 연료가 분사되는 노즐부분이 가열로 인해 변형될 수 있다. 특히 화염과 면하는 부분에서 수소가 포함된 오프가스가 분사되는 부분이 쉽게 변형되어 불균일한 연소가 발생한다.
따라서, 업계에서는 상술한 문제점들을 보완하여 연소시 수소가 균일하게 분사되어 적절한 공기비에서 완전연소되고 오프가스 분사노즐 또는 분출홀이 과도한 열로 인해 손상되는 것을 방지하며, 연료와 공기의 혼합을 극대화하여 과잉공기를 줄이고 연료를 균질하게 분산시켜 안정적인 연소가 수행되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 요구하고 있는 실정이다.
한국등록특허공보 10-0209989호(1999.04.22.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 연소가스와 연료가스의 열교환 효율을 높여 높은 수소 수득률을 얻을 수 있는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 수소가 포함된 연료가스의 연소 시 일정한 화염을 통해 적은 질소산화물이 생성되는 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 화염에 의해 개질부가 파괴되거나 손상되는 것을 방지하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 연소시 수소가 균일하게 분사되어 적절한 공기비에서 완전연소되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 오프가스 분사노즐 또는 분출홀이 과도한 열로 인해 손상되는 것을 방지하며 연료와 공기의 혼합을 극대화하여 과잉공기를 줄이고 연료를 균질하게 분산시켜 안정적인 연소가 수행되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되, 상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고, 상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소됨으로써 수소를 포함하는 오프가스가 연소부 측에서 균일하게 분산되어 연소되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 예혼합부는 내측의 제1유로와 외측의 제2유로를 구분짓는 내측튜브, 상기 내측튜브와 동축정렬되며 내측튜브보다 큰 직경을 가지면서 제2유로의 외측을 감싸도록 구비되는 외측튜브를 포함하고, 상기 오프가스공급관은 제2유로와 직결되어 오프가스를 유동시켜 오프가스가 연소 전까지 공기와 혼합되지 않는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 오프가스공급관은 적어도 둘 이상으로 분기되고 상기 제2유로에 축 방향으로 직결되어 제2유로로 오프가스를 유동시켜 균일한 오프가스의 분산을 도모하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 연료공급관은 적어도 일부가 상기 내측튜브와 동축정렬되면서 상기 제1유로 내에서 연장되고, 연소부측 일단에 연료공급관의 외주면을 따라 형성되는 복수의 연료분출홀을 포함하여 연료가 분리유입된 후 공기와 혼합되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 연료공급관은 연소부측 일단으로 갈수록 테이퍼되는 축경단부를 포함하고, 상기 연료분출홀은 상기 축경단부에 외주면을 따라 구비되어 연료를 연소부 측 방사상으로 분출하여 공기와 연료가 균일하게 혼합되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 내측튜브는 점진적으로 직경이 감소하는 축경부, 직경이 일정하게 연장되는 연장부 및 점진적으로 직경이 확대되는 확경부를 포함하고, 상기 내측튜브 내부의 제1유로를 통해서 공기가 유동하며, 상기 축경단부는 상기 확경부와 면하는 부분에 형성되어 소염을 방지하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 내측튜브는 확경부의 내주면을 따라 복수의 제1오프가스분출홀을 형성하고, 상기 제1오프가스분출홀은 중심 방향으로 오프가스를 분출하여 오프가스가 연소부의 제1유로 측에서 와류를 형성하며 연소되도록 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 예혼합부는 연소부 측에서 이격된 내측튜브와 외측튜브 사이를 연결하며 축과 수직하게 연장형성되는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에는 복수의 제2오프가스분출홀이 형성되고, 제2오프가스분출홀은 축을 중심으로 일정한 간격으로 방사상으로 배치되어 축 방향으로 오프가스를 분출하여 연소부의 중심과 가장자리에서 연소특성이 상이한 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 내측튜브 내의 제1유로를 유동하는 공기는 상기 내측튜브의 축경부, 연장부를 거치면서 유속이 빨라지고, 상기 제1유로 내에서 연장되는 연료공급관은 외주면을 따라 형성되는 연료분출홀의 적어도 일부가 축경부와 면하는 부분에 걸쳐 형성되어 연료공급관 내의 연료가 벤츄리효과에 의해 제1유로 측으로 분출되어 공기와 혼합되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 공기유입관을 통해 공급되는 공기는 제1유로 측으로 균일하게 유입되어 상기 연료공급관으로부터 분출되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되, 상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고, 상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 예혼합부는 내측의 제1유로와 외측의 제2유로를 구분짓는 내측튜브, 상기 내측튜브와 동축정렬되며 내측튜브보다 큰 직경을 가지면서 제2유로의 외측을 감싸도록 구비되는 외측튜브를 포함하고, 상기 오프가스공급관은 제2유로와 직결되어 오프가스를 유동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 오프가스공급관은 적어도 둘 이상으로 분기되고 상기 제2유로에 축 방향으로 직결되어 제2유로로 오프가스를 유동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 연료공급관은 적어도 일부가 상기 내측튜브와 동축정렬되면서 상기 제1유로 내에서 연장되고, 연소부측 일단에 연료공급관의 외주면을 따라 형성되는 복수의 연료분출홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 연료공급관은 연소부측 일단으로 갈수록 테이퍼되는 축경단부를 포함하고, 상기 연료분출홀은 상기 축경단부에 외주면을 따라 구비되어 연료를 연소부 측 방사상으로 분출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 내측튜브는 점진적으로 직경이 감소하는 축경부, 직경이 일정하게 연장되는 연장부 및 점진적으로 직경이 확대되는 확경부를 포함하고, 상기 내측튜브 내부의 제1유로를 통해서 공기가 유동하며, 상기 축경단부는 상기 확경부와 면하는 부분에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 내측튜브는 확경부의 내주면을 따라 복수의 제1오프가스분출홀을 형성하고, 상기 제1오프가스분출홀은 중심 방향으로 오프가스를 분출하여 오프가스가 연소부의 제1유로 측에서 와류를 형성하며 연소되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 예혼합부는 연소부 측에서 이격된 내측튜브와 외측튜브 사이를 연결하는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에는 복수의 제2오프가스분출홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 연결부는 축과 수직하게 연장형성되고, 상기 제2오프가스분출홀은 축을 중심으로 일정한 간격으로 방사상으로 배치되어 축 방향으로 오프가스를 분출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 내측튜브 내의 제1유로를 유동하는 공기는 상기 내측튜브의 축경부, 연장부를 거치면서 유속이 빨라지고, 상기 제1유로 내에서 연장되는 연료공급관은 외주면을 따라 형성되는 연료분출홀의 적어도 일부가 축경부와 면하는 부분에 걸쳐 형성되어 연료공급관 내의 연료가 제1유로 측으로 분출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 공기유입관을 통해 공급되는 공기는 제1유로 측으로 균일하게 유입되어 상기 연료공급관으로부터 분출되는 연료와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은, 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되, 상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고, 상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소됨으로써 수소를 포함하는 오프가스가 연소부 측에서 균일하게 분산되어 연소되는 효과가 있다.
본 발명은, 상기 예혼합부는 내측의 제1유로와 외측의 제2유로를 구분짓는 내측튜브, 상기 내측튜브와 동축정렬되며 내측튜브보다 큰 직경을 가지면서 제2유로의 외측을 감싸도록 구비되는 외측튜브를 포함하고, 상기 오프가스공급관은 제2유로와 직결되어 오프가스를 유동시켜 오프가스가 연소 전까지 공기와 혼합되지 않는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 오프가스공급관은 적어도 둘 이상으로 분기되고 상기 제2유로에 축 방향으로 직결되어 제2유로로 오프가스를 유동시켜 균일한 오프가스의 분산을 도모하는 효과를 가진다.
본 발명은, 연료공급관은 적어도 일부가 상기 내측튜브와 동축정렬되면서 상기 제1유로 내에서 연장되고, 연소부측 일단에 연료공급관의 외주면을 따라 형성되는 복수의 연료분출홀을 포함하여 연료가 분리유입된 후 공기와 혼합되도록 한다.
본 발명은, 상기 연료공급관은 연소부측 일단으로 갈수록 테이퍼되는 축경단부를 포함하고, 상기 연료분출홀은 상기 축경단부에 외주면을 따라 구비되어 연료를 연소부 측 방사상으로 분출하여 공기와 연료가 균일하게 혼합되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공하는 효과를 수반한다.
본 발명은, 상기 내측튜브는 점진적으로 직경이 감소하는 축경부, 직경이 일정하게 연장되는 연장부 및 점진적으로 직경이 확대되는 확경부를 포함하고, 상기 내측튜브 내부의 제1유로를 통해서 공기가 유동하며, 상기 축경단부는 상기 확경부와 면하는 부분에 형성되어 소염을 방지하는 효과를 도모한다.
본 발명은, 상기 내측튜브는 확경부의 내주면을 따라 복수의 제1오프가스분출홀을 형성하고, 상기 제1오프가스분출홀은 중심 방향으로 오프가스를 분출하여 오프가스가 연소부의 제1유로 측에서 와류를 형성하며 연소되도록 한다.
본 발명은, 예혼합부는 연소부 측에서 이격된 내측튜브와 외측튜브 사이를 연결하며 축과 수직하게 연장형성되는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에는 복수의 제2오프가스분출홀이 형성되고, 제2오프가스분출홀은 축을 중심으로 일정한 간격으로 방사상으로 배치되어 축 방향으로 오프가스를 분출하여 연소부의 중심과 가장자리에서 연소특성이 상이하도록 할 수 있다.
본 발명은, 내측튜브 내의 제1유로를 유동하는 공기는 상기 내측튜브의 축경부, 연장부를 거치면서 유속이 빨라지고, 상기 제1유로 내에서 연장되는 연료공급관은 외주면을 따라 형성되는 연료분출홀의 적어도 일부가 축경부와 면하는 부분에 걸쳐 형성되어 연료공급관 내의 연료가 벤츄리효과에 의해 제1유로 측으로 분출되어 공기와 혼합되는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기를 제공할 수 있다.
본 발명은, 공기유입관을 통해 공급되는 공기는 제1유로 측으로 균일하게 유입되어 상기 연료공급관으로부터 분출되는 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 천연가스를 이용한 수소 개질방식을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기의 절개사시도
도 4는 도 2의 A-A' 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급부(20)를 도시한 도면
도 6은 공기가열관(23)에 열이 전달되는 것을 도시한 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너(30)의 절개사시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너(30)의 분해사시도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 예혼합부(33)를 확대한 도면
도 10은 본 발명의 분산플레이트(331)의 평면도
도 11은 도 7의 C-C' 단면도
도 12는 도 7의 D-D' 단면도
도 13은 본 발명의 연소부에서 발생하는 연소작용을 도시한 도면
도 14는 도 4의 상측 부분을 확대한 도면
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 공급부(40)의 사시도
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선지지부를 도시한 도면
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 분배관(47)이 분배헤더(45)와 개질부(50) 사이를 연결하며 구비되는 모습을 도시한 도면
도 18은 상부챔버(15) 내에서 연소가스의 유동을 도시한 도면
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질부(50)의 단면을 도시한 도면
도 20은 개질부(50)가 제1연통홀(11b)과 제2연통홀(15b)을 통과하여 배치된 것을 도시한 도면
도 21은 도 2의 B-B' 단면을 도시한 단면도
도 22는 도 19의 E-E' 단면을 도시한 단면도
도 23은 도 21의 일부분을 확대한 도면
이하에서는 본 발명에 따른 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에서 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에서 사용된 정의에 따른다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니고, 다른 구성요소 또한 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결"된다는 것은 직접 연결될 수도 있으나, 다른 구성요소를 매개하여 연결되는 것을 배제하지는 않는다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기(1)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기(1)의 절개사시도이며, 도 4는 도 2의 A-A' 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 수증기 탄화수소 개질기(1)는 원료가스와 연소가스 및 촉매 사이의 열교환 효율을 높여 개질반응을 통한 수소의 수득률을 상승시키며, 연소가스가 배출되는 과정에서 개질되기 전의 원료가스를 미리 가열시킴으로써 추가적인 열원 없이 원료가스를 승온시켜 효율적인 수소개질반응을 도모할 수 있다. 상기 수증기 탄화수소 개질기는 바디(10), 공기공급부(20), 버너(30), 원료가스 공급부(40), 개질부(50), 개질가스 배출부(60)를 포함하며, 상기 개질부(50)는 복수개가 구비되어 각각의 개질부에서 수소개질반응이 수행될 수 있다.
상기 바디(10)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 탄화수소 개질기(1)의 전체적인 외관을 형성하며 내부에 수소개질반응을 위한 다수의 수단이 단계적으로 구비될 수 있다. 상기 바디(10)는 전체적으로 내부가 비어있는 원통형의 형상을 가질 수 있으며, 격판(13)에 의해 구분되는 하부챔버(11)와 상부챔버(15)를 포함한다.
상기 하부챔버(11)는 내부에 공간을 가지는 통의 형상을 가지며, 바람직하게는 적어도 하나 이상의 개구부를 가지는 원통의 형상을 가질 수 있다. 하부챔버(11)의 내부에서는 연소가스와 공기가 연소되어 연소가스가 생성되고, 연소가스의 열로 인해 개질반응이 진행될 수 있다. 하부챔버(11)는 전체적으로 밀폐되되 유체의 유입 또는 유출을 위해 형성되는 개구부를 통해 공기와 연소가스 등의 연소에 필요한 기체를 공급받을 수 있다. 상기 하부챔버(11)는 하부하우징(111), 제1층(113), 제2층(115) 및 제1연통홀(119)을 포함할 수 있다.
상기 하부하우징(111)은 하부챔버(11)의 외형을 형성하며, 상판과 하판 및 측판을 가지고 바람직하게는 내부에 공간을 가진 원통형으로 형성되며 전체적으로 밀폐된다. 하부하우징(111)의 상부에는 제1연통홀(119)이 형성될 수 있고, 측면에는 개구부가 형성될 수 있다.
상기 제1층(113)은 하부하우징(111) 내측에 형성되는 층으로, 단열층이 형성되어 내부의 연소가스에 의한 열을 외부로 방출시키지 않음이 바람직하며, 상기 제2층(115)은 제1층(113) 내측에 형성되는 층으로, 내화층이 형성되어 내부의 화염에 의해 제1층(113) 또는 하부하우징(111)이 파괴되지 않도록 함이 바람직하다.
상기 제1공간(117)은 하부챔버(11) 내에서 연료와 외부공기의 연소반응을 통해 연소가스가 생성되는 공간으로, 전체적으로 밀폐된 하부하우징(111) 내부에 규정된다. 연소에 의해 연소가스는 고열을 가지고 유동하면서 제1공간(117) 내에 배치된 개질부(50)에 열을 전달함으로써 개질부(50) 내에서 원료가스가 수소로 변환될 수 있도록 한다. 연소가스의 유동은 후술하도록 한다.
상기 제1연통홀(119)은 하부챔버(11)의 상부에 형성되며, 바람직하게는 하부하우징(111)의 상판에 소정의 직경을 가지는 구멍으로 형성되고, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 제1연통홀(119)은 복수의 개질부(50)를 관통수용할 수 있으며, 후술하는 제2연통홀(157)과 연통되며 동축정렬될 수 있다. 제1연통홀(119)은 하부챔버(11)의 중심을 기준으로 방사상으로 형성될 수 있다. 제1연통홀(119)은 바람직하게는 원형이되, 개질부(50)의 평면 형상과 대응하도록 형성될 수도 있다.
상기 격판(13)은 하부챔버(11)와 상부챔버(15)를 구분지으며, 소정의 두께를 가진 원판의 형상을 가지면서 적어도 하나 이상의 개구부(13a)를 포함할 수 있는데, 상기 개구부(13a)는 제1연통홀(119) 및 제2연통홀(157)과 대응되도록 형성되어 제1연통홀(119) 및 제2연통홀(157)과 동축정렬되고 지름이 같으며 각 개구부(13a)는 개질부(50)를 관통수용함이 바람직하다.
상기 상부챔버(15)는 내부에 공간을 가지는 통의 형상을 가지며, 바람직하게는 적어도 하나 이상의 개구부를 가지는 원통의 형상을 가질 수 있다. 상부챔버(15)의 내부에서는 연소가스가 배출을 위해 유동하면서, 연소가스의 열을 후술하는 원료가스 가열관으로 전달하고, 전달된 열로 인해 원료가스 가열관 내를 유동하는 원료가스가 가열될 수 있다. 상부챔버는 전체적으로 밀폐되되 개구부가 형성되어 개구부를 통해 원료가스를 공급받고 연소가스를 배출할 수 있다. 상기 상부챔버(15)는 상부하우징(151), 단열층(153), 제2연통홀(157) 및 상부홀(159)을 포함할 수 있다.
상기 상부하우징(151)은 상부챔버(15)의 외형을 형성하며, 상판과 하판 및 측판을 가지고 바람직하게는 내부에 공간을 가진 원통형으로 형성된다. 상부하우징(151)은 전체적으로 밀폐되도록 형성되며, 상부하우징(151)의 하판에는 제2연통홀(157)이 형성되며 상판에는 상부홀(159)이 형성될 수 있고, 측면에는 개구부가 형성되어 연료를 받아들이거나 연소가스가 배출될 수 있다.
상기 단열층(153)은 상부하우징(151) 내측에 형성되는 층으로, 내부에 유동하는 연소가스에 의한 열을 외부로 방출시키지 않음이 바람직하다. 상기 단열층은 세라믹 화이버로 형성됨이 바람직하나, 재료가 이에 국한되지는 않는다.
상기 제2공간(155)은 상부챔버(15) 내에서 연소가스가 유동하는 공간이다. 연소가스는 상부챔버(15)에서 상부하우징의 측판에 형성된 개구부를 통해 배출되기 위하여 고열을 가지고 유동하면서 제2공간(155) 내에 배치된 원료가스 가열관(43)에 열을 전달함으로써 원료가스를 일차적으로 가열할 수 있다.
상기 제2연통홀(157)은 상부챔버(15)의 하부에 형성되며, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 제2연통홀(157)은 복수의 개질부(50)를 관통수용할 수 있으며, 상기 제1연통홀(119) 및 격판의 개구부(13a)와 연통되며 동축정렬될 수 있다. 제2연통홀(157)은 상부챔버(15)의 중심을 기준으로 방사상으로 형성될 수 있다. 제2연통홀(157)은 바람직하게는 원형이되, 개질부(50)의 평면 형상과 대응하도록 형성될 수도 있다.
상기 상부홀(159)은 상부챔버(15)의 상부에 형성되며, 복수개가 형성될 수 있다. 복수의 상부홀(159)은 복수의 개질부(50)를 관통수용한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급부(20)를 도시한 도면이며, 도 6은 공기가열관(23)에 열이 전달되는 것을 도시한 도면이다. 도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 공기공급부(20)는 연소반응을 위해 상기 제1공간(117) 측으로 공기를 공급하도록 구비되며, 적어도 일부가 하부챔버(11) 내에 위치하여 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에서 연소가스의 열을 통해 외부공기를 가열한다. 공기공급부(20)는 공기유입구(21), 공기가열관(23)을 포함한다.
상기 공기유입구(21)는 외부공기를 받아들이도록 구비되며, 바람직하게는 하부챔버(11)를 관통하도록 형성되고, 하부하우징의 측면에 형성된 개구부를 통해 외부와 연통됨으로써 외부공기를 유입시키고, 상기 공기가열관(23)은 연소가스의 열에 의해 공기가열관(23) 내를 유동하는 외부공기를 가열하도록 구비된다. 외부로부터 유입되는 공기는 추가적인 열원의 공급 없이 200~250도로 승온되어 버너(30)에 공급될 수 있다. 공기가열관(23)은 제1층(113)과 제2층(115) 사이에 구비될 수 있으며, 제1층과 제2층 사이에서 코일 형태를 형성하면서 제2층(115)의 외주면을 따라 구비될 수 있다. 도 6을 참고하면, 제1공간(117)으로부터의 열은 바람직하게는 내화층인 제2층(115)으로 전달되고, 단열층인 제1층(113)에 의해 막혀 외부로 진행하지 못하는 열은 공기가열관(23)으로 열을 전달하게 된다. 코일 형태를 구성하기 위하여 공기가열관(23)을 감는 횟수는 제한되지 않는다. 상기 공기가열관(23)은 후술하는 공기유입관(313)과 연결된다.
이하에서는 도 7 내지 도 13을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 버너(30)를 설명하도록 한다. 상기 버너(30)는 연료와 오프가스 및 공기를 연소시켜 연소가스를 생성하며, 개질반응에 필요한 열을 공급한다. 상기 버너(30)는 빠른 연소속도와 국부적으로 증가되는 화염온도를 유발하는 수소의 연소특성에 따른 폭굉, 산화질소의 생성, 개질튜브 등 개질기 내부의 구성요소가 손상되는 문제점을 방지하기 위하여, 수소(H2)와 탄화수소를 포함하는 오프가스(Offgas)를 천연가스(Natural Gas)를 포함하는 연료와 함께 공기와 혼합하여 연소시킴으로써, 연소 시 공기와 연료의 혼합을 극대화하여 과잉공기를 줄이고 연료가 불균일하게 공급되어 특정 구간에서 연료의 과다연소로 인한 연소온도 상승을 방지하고, 산화질소(NOx)의 발생을 최소화하여 오염을 줄이면서 안정적으로 연소되도록 한다. 버너(30)는 연소바디(31), 연소바디(31) 내부에 형성되는 공기저장실(32), 예혼합부(33), 점화부(34) 및 연소부(35)를 포함한다.
버너(30)의 절개사시도인 도 7과 분해사시도에 해당하는 도 8을 참고하면, 상기 연소바디(31)는 외부로부터 공기, 연료, 오프가스를 공급받아 연소부(35)까지 전달하도록 구비되며, 이 과정에서 공급되는 공기는 예혼합부(33)에서 균일하게 혼합될 수 있다. 상기 연소바디(31)는 연소하우징(311), 캐스터블(312), 공기유입관(313), 연료공급관(315) 및 오프가스공급관(317)을 포함한다.
상기 연소하우징(311)은 원통 형상을 가지면서 수직으로 연장되며, 하부에서 공기유입관(313), 연료공급관(315) 및 오프가스공급관(317)을 수용하여 공기와 연료 및 오프가스가 연소하우징(311) 내로 유입 및 공급될 수 있도록 형성되고, 예혼합부(33)와 연소부(35)가 구비되는 상부에서는 확경되어 연장됨이 바람직하다.예혼합부(33) 및 연소부(35)가 구비되는 상부의 확경된 부분에서는 열에 의한 손상을 막기 위하여 연소하우징(311) 내부에 내화재로 구성된 캐스터블(312)이 구비될 수 있다. 도 9에서 볼 수 있는 것과 같이 하부의 연소하우징(311)과 상부의 캐스터블(312) 내의 내경이 같아 내주면이 직선을 이루면서 연장되도록 형성됨이 바람직하다.
상기 공기유입관(313)은 연소하우징(311)의 하부에서 연결되어 외부공기를 연소하우징(311) 내로 유입받는다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 상기 공기유입관(313)은 공기가열관(23)과 연결됨으로써 승온된 공기를 버너(30) 내로 유입시킬 수 있다. 유입된 공기는 공기저장실(32) 내에 일시적으로 저장되었다가 후술하는 분산플레이트(331)를 통해 예혼합부(33)로 유동할 수 있다.
상기 연료공급관(315)은 연소바디(31) 내부로 연소를 위한 연료를 공급하며, 연소하우징(311)의 하부에서 연결되나 공기와 연료의 균일한 혼합을 위하여 내부까지 연장됨이 바람직하다. 따라서 상기 연료공급관(315)은 연소하우징(311)을 관통하면서, 예혼합부(33)까지 연장될 수 있고, 후술하는 벤츄리튜브(333)에 의해 형성되는 제1유로(a)를 통해 제1유로 내에서 벤츄리튜브(333)와 동축정렬되면서 연장될 수 있다. 도 9를 참고하면 상기 연료공급관(315)은 벤츄리튜브(333) 내에서 연장되는 부분이 소정의 직경(d1)을 가지면서 연장된다. 연료공급관(315)은 유입부(3151), 중심연장부(3153), 축경단부(3155) 및 연료분출홀(3157)을 포함한다.
상기 유입부(3151)는 연료를 내부로 유입시키며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 유입부(3151)가 연소하우징(311)의 하부 측면을 일측에서 타측으로 관통하면서 연소하우징(311) 내부까지 연장된다.
상기 중심연장부(3153)는 유입부(3151)로부터 연장되며, 축 방향(y)으로 연장되면서 연소하우징(311)의 중심, 바람직하게는 예혼합부(33)에 형성되는 제1유로(a)의 중심을 따라 연소부 측까지 연장되며 후술하는 내측튜브(3331)의 확경부(3331c)까지 연장될 수 있다.
상기 축경단부(3155)는 연소부측 일단에 구비되며, 단부로 갈수록 테이퍼되도며 연료공급관의 연소부측 일단을 폐색하도록 형성된다. 연료공급관(315)이 확경부(3331c) 부분까지 연장됨에 따라, 상기 축경단부(3155)는 확경부와 면하는 부분에 형성됨이 바람직하다.
상기 연료분출홀(3157)은 연료공급관(315)에 복수개 형성되어 연료공급관 내의 연료를 외부로 분출하도록 할 수 있다. 후술하겠으나, 연료공급관(315)은 제1유로(a) 내에서 연장되고, 벤츄리 효과에 의해 연료공급관 내부의 연료가 외부의 제1유로로 분출되면서 공기와 혼합되는바, 역화염으로 인한 연료공급관의 손상이 방지될 수 있다. 상기 연료분출홀(3157)은 중심연장부(3153) 측에서 외주면을 따라 형성되는 제1연료분출홀(3157a)과, 축경단부(3155) 측에서 형성되는 제2연료분출홀(3157b)을 포함한다. 제1연료분출홀(3157a)과 제2연료분출홀(3157b)에서 분출되는 연료의 예혼합부(33) 내에서의 유동에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 오프가스공급관(317)은 수소가 포함된 오프가스를 유입받고 연소부 측으로 공급하도록 구비된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 오프가스는 연소하우징(311) 내부로 유입되는 때부터 공기나 연료와 혼합되는 것이 아니라, 연소에 의해 화염이 발생하는 연소부 측으로 직접 공급되며, 미세노즐 또는 미세하게 형성된 분출홀을 통해 수소를 균일하게 분산시켜 공급됨으로써 수소의 연소특성에 따른 화염충격이 최소화될 수 있다. 상기 오프가스공급관(317)은 유입부(3171), 분기부(3175) 및 접속부(3175)를 포함한다.
상기 유입부(3171)는 오프가스를 내부로 유입시키며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 유입부(3171)가 연소하우징(311)의 하면을 일측에서 타측으로 관통하면서 연소하우징(311) 내부까지 연장된다.
상기 분기부(3173)는 분기되면서 오프가스를 적어도 둘 이상의 경로로 공급할 수 있도록 형성된다. 상술한 연료공급관(315)이 예혼합부(33)의 중심 부분에서 축 방향(y)으로 연장되므로, 오프가스공급관(317)은 예혼합부(33)의 중심이 아닌 가장자리 부분으로 오프가스를 공급하며, 바람직하게는 공기와 연료가 혼합되는 제1유로(a)와 격리되어 형성되는 제2유로(b) 쪽으로 오프가스를 공급하게 된다. 이와 함께 오프가스의 균일한 공급을 위하여, 제1유로(a)에 비해 예혼합부(33)의 외측에 형성되는 제2유로(b) 측으로 도 8에서 볼 수 있는 것과 같이 적어도 둘 이상으로 분기되어 형성된다. 상기 분기부(3173)는 버너(30)의 축(y)을 중심으로 대칭으로 형성됨이 바람직하며, 도 9에서 볼 수 있는 것과 같이 소정의 직경(d2)을 가지면서 축방향으로 연장될 수 있다.
상기 접속부(3175)는 후술하는 벤츄리튜브(333) 내에 형성되는 제2유로(b)와 연결되어 오프가스공급관(317)이 벤츄리튜브(333)와 직결됨으로써 오프가스가 제2유로(b)로 유동하도록 형성된다. 분기부(3173)에서 분기된 오프가스공급관은 접속부(3175)에서 축방향(y)으로 벤츄리튜브(333)와 직결됨으로써 오프가스가 연소하우징(311) 내의 다른 공기와 혼합되지 않고 바로 연소부(35) 측으로 분출되도록 한다.
다시 도 7을 참고하면, 상기 공기저장실(32)은 연소하우징의 내부 하측에 형성되며 분산플레이트(331)에 의해 예혼합부(33)와 유체연통하면서 격리되는 부분이다. 공기유입관(313)을 통해 유입된 공기가 일시적으로 연소하우징(311) 내에 저장되는 부분이다. 연료와 오프가스는 연소하우징(311) 내부의 예혼합부(33)까지 연장된 연료공급관(315) 및 오프가스공급관(317)에 의해 유동하지만, 공기유입관(313)을 통해 유입된 승온된 공기는 공기저장실(32)을 거친 후 분산플레이트(331)를 통과하여 예혼합부(33)로 유동하게 된다.
상기 예혼합부(33)는 상기 공기저장실(32)의 상부에서 형성되며 연소부(35)에서의 연소 전 유입된 가스를 균일하게 혼합시켜 수소를 포함하는 오프가스가 안정적으로 연소되어 NOx의 발생을 억제하고 화염의 길이를 단축시켜 화염충격을 최소화하며 수소와 연료가 균일하게 연소되도록 한다. 상기 예혼합부(33)는 분산플레이트(331)와 벤츄리튜브(333)를 포함한다.
도 10은 본 발명의 분산플레이트(331)의 평면을 도시한 도면이다. 도 7 내지 도 8 및 도 10을 참고하면, 상기 분산플레이트(331)는 연소하우징(311)으로 유입된 가스, 바람직하게는 공기저장실(32)을 거쳐 유동하는 승온된 공기를 균일하게 분산시키면서 상측으로 유동시킨다. 상기 분산플레이트(331)는 분산플레이트 하측의 공기가 상측으로 균일하게 유동하도록 복수의 통공(331a)이 형성된다. 공기유입관(313)을 통해 연소하우징(313)으로 유입된 공기는 일측으로 편향되어 유동하게 되는데, 종래와 스월러 등과 같이 공기의 이동경로에 와류를 형성하는 구성요소가 배치되는 경우, 공기와 연료 등의 혼합은 원활할 수 있으나 버너 내에서 전체적인 공기의 유동이 고르게 분산되지 않는다. 본 발명에 따른 분산플레이트(331)는 예혼합부(33)와 공기저장실(32)을 유체연통하도록 분리하되, 복수의 통공이 형성되어 공기저장실(32) 내의 승온된 공기가 일측으로 편향되지 않고 균일하게 예혼합부(33) 내로 상승하도록 한다.
또한, 도 10에서 볼 수 있는 것과 같이 상기 분산플레이트(331)는 하측으로부터 예혼합부(33) 내까지 연장되는 연료공급관(315)과 오프가스공급관(317)을 관통수용하도록 관통수용공(331b, 331c)을 포함할 수 있다. 이때, 관통수용공은 중앙에 형성되는 제1관통수용공(331b)과 비교적 가장자리에 형성되는 둘 이상의 제2관통수용공(331c)을 포함할 수 있다.
상기 제1관통수용공(331b)은 연소하우징의 중앙에서 축 방향(y)으로 연장되는 연료공급관(315)을 관통수용하는데, 일측으로 소정의 폭(d3)을 가지고, 타측으로는 다른 폭(d4)을 가지면서 형성될 수 있다. 자세하게는, 제1관통수용공(331b)의 둘레의 소정 부분은 d3의 직경을 가지는 원형일 수 있으나, 일부가 d4의 장폭을 갖는 장공의 형태로 연장되어 형성된다. 일측으로 가진 폭(d3)은 제1관통수용공(331b)을 관통하는 연료공급관(315)의 직경과 상응하나, 타측으로의 폭(d4)은 공기공급관(315)의 직경보다 크게 형성됨으로써 중앙 부분에 빈 공간을 형성하게 된다. 이는 상기 연료공급관(315)을 분산플레이트(331)에 끼우는 조립의 편의성 면에서도 이점이 있을 수 있으나, 빈 공간을 통해 승온된 공기가 상측으로 유동할 수 있도록 하는 부가적인 기능을 갖도록 할 수 있다. 제1관통수용공(331b)의 형상으로 인해 형성되는 상기 빈 공간은 통공(331a)보다 크게 형성됨이 바람직하며, 벤츄리튜브(333)가 연소하우징(311)으로부터 이격되면서 형성되는 제3유로(c)와 벤츄리튜브(333)에 의해 형성되는 중앙의 제1유로(a) 중 실질적으로 연소가 많이 발생하는 제1유로(a) 쪽으로 공기가 더 많이 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에서는 도 10의 (b)와 같이 연료공급관(315)이 제1관통수용홀(331b)에 거치되면서도 더욱 많은 공기가 중앙 부분으로 유동할 수 있도록 형성될 수도 있다.
제2관통수용공(331c)은 중앙에서 둘 이상으로 분기되어 벤츄리튜브(333)에 직결되는 오프가스공급관(317)을 관통수용하며, 제2관통수용공(331c)의 직경(d5)은 오프가스공급관(317)의 직경(d2)과 상응하도록 구비될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 오프가스공급관(317)이 둘로 분기되므로 제2관통수용공(331c)도 중앙을 기준으로 대칭을 이루면서 2개가 형성될 수 있으나, 도 10의 (b)에서와 같이 오프가스공급관(317)이 분기되는 정도에 따라 달리 구비될 수 있다.
다시 도 9를 참고하면, 상기 벤츄리튜브(333)는 연소하우징(311)과 동축정렬되면서 연소하우징 내 가스의 유동방향으로 구비되어 축 방향으로 연장되고, 벤츄리튜브 내에서 형성되는 유로 사이에서 가스를 균일하게 혼합시킨다. 벤츄리튜브(333)는 단면적이 서서히 축소되었다가 확대되는 튜브로, 유체가 벤츄리튜브를 통해 유동하는 경우 단면적이 넓은 곳에서는 압력이 높고 유체의 속도는 느리며, 단면적이 좁은 곳에서는 압력이 낮고 유체의 속도는 빠르게 된다. 이에 의해, 단면적이 축경되는 부분에서는 낮아진 압력에 의해 유체가 좁은 부분으로 혼입된다. 본 발명에서는, 공기가 유동하는 벤츄리튜브(333) 내로 벤츄리 효과에 의해 연료공급관(315)으로부터 연료가 공급되어 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 벤츄리튜브(333)는 연소하우징(311) 또는 연소하우징의 내부에 형성되는 캐스터블(312)로부터 소정거리 내측으로 이격되어 연장형성될 수 있다. 상기 벤츄리튜브(333)는 내측튜브(3331), 외측튜브(3333) 및 연결부(3335)를 포함한다.
상기 내측튜브(3331)는 벤츄리튜브의 중앙 측에 구비되고 연료공급관(315)과 동축정렬되며, 점진적으로 축경되었다가 확경되도록 형성되어 내측튜브(3331)의 안쪽을 유동하는 가스에 벤츄리 효과를 발생시킨다. 내측튜브(3331)는 중심 쪽의 내측에 제1유로(a)를 형성하므로, 제1유로(a)를 통해 유동하는 가스는 벤츄리튜브에 의한 압력강하 효과를 받는다. 도 9에서 볼 수 있는 것과 같이, 오프가스공급관(317)의 접속부(3175)는 내측튜브와 연결됨으로써 내측튜브(3331)와 외측튜브(3333) 사이의 공간으로 오프가스를 유동시킬 수 있다. 따라서 상기 내측튜브(3331)는 중앙에 형성되는 제1유로(a)와 제1유로를 감싸면서 내측튜브(3331) 및 외측튜브(3333) 사이에 형성되는 제2유로(b)를 구분지을 수 있다.
상기 내측튜브(3331)는 점진적으로 직경이 감소하는 축경부(3331a), 축경부와 확경부 사이에서 일정한 직경으로 연장되는 연장부(3331b) 및 연소부 측으로 연장되면서 직경이 점진적으로 확대되는 확경부(3331c)를 포함한다. 이때, 내측튜브 내의 제1유로(a)를 통해 연장되는 연료공급관(315)의 연료분출홀(3157)과의 위치관계가 문제된다. 제1연료가스분출홀(3157a)은 벤츄리튜브(333) 내 압력이 강하되는 부분에서 구비되어 내부의 연료를 제1유로(a)로 분출하는 것이 바람직하므로, 제1연료분출홀(3157a)은 적어도 일부가 외주면을 따라 축경부와 면하는 부분에 걸쳐 형성될 수 있고, 필요한 경우 연장부(3331b)와 면하는 부분까지 걸쳐 형성됨으로써 내부의 연료가 제1유로(a)로 분출되어 공기와 혼합될 수 있다. 이에 비해, 축경단부(3155)에 방사상으로 형성되는 제2연료분출홀(3157b)은 소염(消炎)을 방지하면서 지속적인 연료 공급을 위해 연소부 측으로 연료를 분출하는 것이 바람직하므로, 제2연료분출홀(3157b)는 확경부(3331c)를 면하는 부분에 구비되는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 축경단부(3155)는 확경부(3331c)와 면하는 부분에 구비될 수 있다.
상기 외측튜브(3333)는 상기 내측튜브(3331)의 외측에서 내측튜브보다 큰 직경을 가지면서 내측튜브와 연결되도록 구비된다. 상기 외측튜브(3333)는 내측튜브(3331)와 일체로 연결될 수 있으며, 내부가 비어있도록 하여 내측튜브와 외측튜브 사이에 제2유로(b)를 형성한다. 상기 외측튜브(3333)는 연소하우징(311)으로부터 소정거리 이격되어 수직으로 연장됨으로써, 연소하우징과 외측튜브 사이에 제3유로(c)를 형성할 수 있다.
상기 연결부(3335)는 내측튜브(3331)와 외측튜브(3333)를 연결함으로써 내측튜브, 외측튜브 및 연결부가 일체로 벤츄리튜브(333)를 형성하도록 한다. 연결부(3335)는 바람직하게는 중공을 가진 원판 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 중공은 내측튜브 양단의 개구부 크기와 상응할 수 있다. 연결부(3335)는 연소부 측과 공기저장실 측 양쪽에서 내측튜브(3331)와 외측튜브(3333)의 사이를 폐색하여 내측튜브(3331)와 직결된 오프가스공급관(317)을 통해 제2유로(b)로 유입된 오프가스가 제2유로(b)를 통해 유동하도록 구비될 수 있다.
상기 벤츄리튜브(333)는 상기 내측튜브(3331)와 외측튜브(3333) 사이에 형성되는 제2유로(b)를 유동하는 오프가스를 분출하기 위해 연소부 측으로 관통형성된 오프가스분출홀(3337)을 더 포함할 수 있다. 상기 오프가스분출홀(3337)은 상기 제2유로(b)를 따라 유동하는 오프가스를 분출하기 위하여 복수개가 벤츄리튜브(333) 상에서 확경부(3331c)와 연소부 측에 구비되는 연결부(3335)에 걸쳐 형성될 수 있으며, 확경부(3331c) 부분에서 형성되는 제1오프가스분출홀(3337a)과 연결부(3335) 부분에서 형성되는 제2오프가스분출홀(3337b)을 포함한다. 오프가스분출홀(3337)이 방사상으로 형성됨에 따라 수소가 포함된 오프가스가 혼합된 가스 내에 균질하게 분포되어 수소의 쏠림으로 인한 폭굉, 화염충격을 방지할 수 있다. 오프가스분출홀(3337)은 오프가스가 분출되면서 연소 시 벤츄리튜브(333)와 너무 가까운 곳에서 화염이 형성되지 않으며, 충분한 양이 분출되도록 약 2.0mm 내외의 직경을 가짐이 바람직하나, 상기 직경의 오프가스분출홀이 아니더라도 균질한 수소의 분산과 화염길이를 형성한다면 무방하다.
상기 제1오프가스분출홀(3337a)은 확경부(3331c)의 내주면을 따라 복수개 형성되어 중심 방향으로 오프가스를 분출할 수 있다. 제1오프가스분출홀(3337a)은 벤츄리튜브(333)의 축(y)을 중심으로 방사상 등간격으로 형성될 수 있다. 상기 제2오프가스분출홀(3337b)은 연소부 측에 구비된 연결부(3335)를 따라 축(y)을 중심으로 방사상으로 일정한 간격으로 형성될 수 있으며, 연결부(3335)가 축(y)과 수직하게 연장형성됨에 따라 축방향(y)으로 오프가스를 분출할 수 있다.
도 9, 도 11 및 도 12를 참고하여 상기 벤츄리튜브(333)에 의해 형성되는 유로 내에서 가스의 유동을 설명하도록 하면, 상기 제1유로(a)는 연소하우징(311)의 중심 부근에서 내측튜브(3331)에 의해 형성된다. 제1유로(a)에는 공기유입관(313)을 통해 유입된 공기가 공기저장실(32)에서 일시적으로 저장되었다가 분산플레이트(331)를 거쳐 균일하게 상승하는데, 균일하게 상승하는 공기가 제1유로(a)와 제3유로(c)로 분산되어 상승유동하게 된다. 제1유로(a)의 중심에서는 연료공급관(315)이 연장되고, 연료공급관(315)의 외주면을 따라 형성된 제1연료분출홀(3157a)에서 벤츄리 효과에 의해 연료가 분출되는데, 이때 균일하게 상승하는 공기에 대하여 중심에서 방사상으로 균일하게 연료가 분출되므로, 제1유로(a) 상에서 공기와 연료의 균일한 혼합이 달성된다.
도 12를 참고하면 내측튜브(3331)와 외측튜브(3333) 사이에서 제2유로(b)가 형성된다. 제2유로(b)는 내측튜브(3331)를 통해 제1유로(a)와 격리된다. 오프가스공급관(317)이 벤츄리튜브(333)에 직결되기 때문에, 오프가스는 공기 및 연료와 섞이지 않으면서 제2유로로 유동하고, 연소부 측에 구비되는 오프가스분출홀(3337)을 통해 연소부 측으로 분출된다.
다시 도 11 및 도 12를을 참고하면, 제3유로(c)는 연소하우징(311) 또는 캐스터블(312)과 외측튜브(3333) 사이에서 형성되어 공기가 연소하우징(311)으로부터 소정거리 내측으로 이격형성된 벤츄리튜브(333)의 외측을 통하여 상승하도록 한다. 공기유입관(313)을 통해 상기 연소하우징 내로 유입된 공기는 제1유로(a)와 제3유로(c)로 나누어 유동하는데, 제3유로(c)를 통해 상승하는 공기는 연소에 의해 가열된 벤츄리튜브(333)와 열교환하면서 상승하여 벤츄리튜브(333) 냉각시킨다. 외측튜브(333)가 곧게 상하로 연장되고, 연소하우징(311)의 내주면도 곧게 형성됨에 따라 제3유로(c)에서는 공기가 축방향(y)으로 수직하게 진행하여 연소부 측에서도 축방향으로 유동하게 되며, 연소부(35)에서 제2오프가스분출홀(3337b)을 통해 분출되는 오프가스와 혼합되어 연소된다.
상기 점화부(34)는 연소부(35)에서의 화염 형성을 위해 연소를 위한 화염을 제공하는 부분으로, 점화기(341)와 파일롯 버너(343)을 포함한다. 상기 점화기(341)는 방전 등을 통해 스파크를 발생시키고, 파일롯 버너(343)는 연소부(35)의 착화를 위하여 충분한 길이의 안정적인 화염을 형성하도록 구비된다.
상기 연소부(35)는 예혼합부(33)의 일측에서 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 개질작용에 필요한 열을 공급한다. 도 13을 참고하면, 제1유로(a) 부근에서와 제3유로(c) 부근에서의 연소특성이 다르다. 제1유로(a) 부근의 중앙에서의 연소는, 제1유로(a)를 통해 균질하게 혼합된 공기와 연료가 상승하다가, 제1연료분출홀(3157b)과 제1오프가스분출홀(3337a)으로부터 방사상으로 분출되는 연료와 오프가스에 의해 와류를 형성하면서 연소된다.
이에 비해, 가장자리 쪽의 제2유로(b)로부터 분출되는 오프가스의 연소는, 제3유로(c)를 통해 승온되면서 상승한 공기와 혼합되어 연소되고, 축방향으로 유동하는 오프가스와 공기의 방향에 의해 micro mix 버너와 같이 비교적 작은 화염이 다수 생성된다. 따라서, 단순하게 오프가스가 공기와 혼합되어 한번에 연소되는 것과는 다르게 수소가 적절한 공기비로 혼합되어 안정적이 화염을 형성하면서 NOx을 발생을 억제할 수 있다.
도 14 내지 도 17을 참고하면, 상기 원료가스 공급부(40)는 개질부(50)로 원료가스를 공급하여 개질부(50)에서 수소 개질반응이 일어나도록 한다. 원료가스는 천연가스와 수증기의 혼합체일 수 있으며, 이때 수증기는 일정 정도 가열된 상태로, 바람직하게는 230도 내외의 온도를 가질 수 있다. 후술하겠으나 개질부(50) 내에서 촉매에 의해 개질반응이 일어날 때 필요한 온도는 약 700도이므로, 원료가스를 공급하는 과정에서 원료가스의 승온이 필요하다. 원료가스 공급부(40)는 원료가스 유입구(41), 원료가스 가열관(43), 나선지지부(44), 분배헤더(45) 및 분배관(47)을 포함한다.
상기 원료가스 유입구(41)는 원료가스를 받아들이도록 구비되며, 바람직하게는 상부챔버(15)의 측면을 관통하여 형성됨으로써 상부하우징에 형성된 개구부를 통해 외부와 연결되어 원료가스를 유입받는다.
도 14 및 도 15를 참고하면, 상기 원료가스 가열관(43)은 원료가스 유입구(41)를 통해 유입되어 유동하는 원료가스를 개질부(50)에 공급하기 전에 가열하도록 구비된다. 원료가스 가열관(43)은 제2공간(155)에 구비되어 제2공간(155)을 유동하는 연소가스와 열교환하여 원료가스를 가열할 수 있다. 원료가스 가열관(43)은 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)을 유동하는 연소가스와 효율적인 열교환을 수행하기 위하여 나선 형상을 형성할 수 있다. 상기 원료가스 가열관(43)은 이중으로 중첩된 나선 형상을 형성하며, 원료가스 유입구(41)와 연통하면서 연결되는 외측나선(431), 상기 내측나선은 상기 분배헤더(45)와 연통하면서 연결되는 내측나선(433)을 포함하고, 상기 외측나선(431)과 내측나선(433) 또한 연통되면서 연결되어 유입된 원료가스가 일차적으로 외측나선(431)을 통해 가열되고 내측나선(433)을 통해 이차적으로 가열되도록 할 수 있다.
상부챔버(15) 내에서 연소가스의 유동을 도시한 도면인 도 18을 참고하면, 상기 원료가스 가열관(43)의 외측 또는 내측에는 연소가스의 유로를 안내하는 유로안내부(435)가 추가로 형성될 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 제2공간(155) 즉 상부챔버(15)의 내부에서 유동하는 연소가스의 유동방향을 안내하도록 구비될 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 튜브 또는 벽의 형태로 구비될 수 있으며, 바람직하게는 상부챔버(15)와 동축정렬되어 상부챔버(15)의 중심을 기준으로 하는 원통형의 형상을 가질 수 있다. 상기 유로안내부(435)는 상부챔버(15) 내에서 원통형의 형상으로 복수개 형성되되, 연소가스가 지나갈 수 있도록 제2공간(155)의 높이보다 작은 높이를 가짐이 바람직하다. 유로안내부(435)는 나선 형상의 상기 원료가스 가열관을 따라 연소가스가 유동하도록 할 수 있는데, 연소가스 가열관(43)이 나선 형상을 가져 원료가스가 연소가스 가열관(43)의 형태에 따라 유동함에 대비하여, 유로안내부(435)는 소정 높이를 가진 원통형으로 형성됨으로써 연소가스 가열관(43) 주변에서 상측으로 하측으로 유동하거나 하측에서 상측으로 연소가스가 유동하도록 하여 서로 대향하는 연소가스와 원료가스 사이에서 효율적인 열전달이 가능하도록 한다.
유로안내부(435)는 제1유로안내부(435a)와 제2유로안내부(435b)를 포함할 수 있다. 제1유로안내부(435a)는 복수의 제2연통홀(157)로부터 이격되어 상부챔버의 하면으로부터 상측으로 연장되어 제2연통홀(157)을 통과하여 제2공간(155)으로 유동한 연소가스가 제1유로안내부(435a)에 따라 하측에서 상측으로 유동하고, 제1유로안내부(435a)와 상부챔버 상면의 이격된 부분을 통해 외측으로 확산되면서 연소가스 가열관과 열교환하도록 한다. 제2유로안내부(435b)는 제1유로안내부(435a)의 외측으로 이격되어 상부챔버의 상면으로부터 하측으로 연장되도록 형성되어 연소가스가 하측으로 유동하고, 제2유로안내부(435b)의 하단과 상부챔버 하면 사이의 이격된 공간을 통해 다시 외측으로 확산되어 연소가스 배출구를 향하면서 원료가스 가열관(43)과 열교환하도록 한다.
도 15 및 도 16을 참고하면, 상기 나선지지부(44)는 외측나선(431)과 내측나선(433)을 지지하도록 구비된다. 외측나선과 내측나선이 상부챔버(15)의 내면으로부터 이격되도록 나선지지부(44)가 지지하게 된다. 나선지지부(44)는 외측나선을 지지하는 외측지지체(441)와 내측나선을 지지하는 내측지지체(443) 및 외측지지체(441)와 내측지지체(443)를 연결하면서 지지체의 위치를 고정 또는 안내하는 지지연결체(445)를 포함한다.
외측지지체(441)와 내측지지체(443)는 브라켓일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 브라켓 형상의 외측지지체(441)와 내측지지체(443)가 복수개, 더욱 바람직하게는 네 쌍이 서로 반대 방향으로 정렬되도록 구비되어 외측나선과 내측나선을 지지할 수 있다. 외측지지체(441)와 내측지지체(443)가 형성하는 브라켓의 형상은 국한되지는 않으나, 양 단부 사이에 원형 단면을 가지는 원료가스 가열관을 수용할 수 있으면 족하다. 상기 지지연결체는 한 쌍의 외측지지체(441)와 내측지지체(443) 사이에서 외측지지체(441)와 내측지지체(443)를 연결하며, 상부챔버(15)의 내면으로부터 연장되어 외측지지체(441)와 내측지지체(443)의 위치를 고정하거나 안내할 수 있다.
다시 도 14 내지 도 17을 참고하면, 상기 분배헤더(45)는 원료가스 가열관(43)과 연결되어 승온된 원료가스를 공급받고, 이를 개질부(50)로 분배한다. 본 발명의 일 실시예에서는 분배헤더(45)가 상부챔버(15)의 상측 중앙에 구비되어 상부챔버(15)의 상측에 형성되는 개구부를 통해 공기가열관(43)과 연결되어 가열된 원료가스를 공급받고 분배헤더를 중심으로 방사상으로 배치된 복수의 개질부(50)로 원료가스를 공급할 수 있다. 분배헤더(45)는 바람직하게 소정의 직경(d3)을 가지는 원통형상을 가질 수 있고, 측면에 각 개질부(50)의 측면과 연결되는 복수의 분배관(47)과 연통되도록 연결될 수 있다. 분배헤더(45)는 평면상 중앙에 배치되어 각 개질부(50)에 원료가스를 균등하게 분배할 수 있다.
도 17을 참고하면, 상기 분배관(47)은 분배헤더(45)로부터 각 개질부(50)로 승온된 원료가스를 공급한다. 상기 분배관(47)은 일단이 분배헤더(45)의 측면에 연결되어 분배헤더와 연통되고, 타단이 개질부(50)의 외측튜브(51)의 측면에 연결되어 외측튜브(51)와 연통되도록 구비된다. 분배관(47)은 고온의 원료가스 유동에 의해 파괴되거나 손상되지 않도록 신축성을 가질 수 있다. 또한 분배관(47)은 굴곡을 가지도록 형성되어 신축을 수용하도록 형성될 수 있다. 분배관(47)은 소정의 직경(d4), 바람직하게는 10mm 이하의 직경을 가지는 관의 형상을 가지되, 분배관(47)의 직경(d4)은 분배헤더의 직경(d3)보다 작도록 형성될 수 있고, 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성될 수 있다.
상기 분배관(47)은 분배헤더(45)의 측면으로부터 대략 직선으로 연장되는 제1연장부(471), 굴곡지게 형성되어 신축을 수용하는 굴곡부(473), 굴곡부(473)로부터 개질부(50)의 측면, 즉 외측튜브(51)의 측면까지 대략 직선으로 연장되는 제2연장부(475)를 포함한다.
상기 굴곡부(473)는 제1연장부로부터 일측으로 굴곡지도록 형성된 제1굴곡(473a)과 제1굴곡으로부터 타측으로 굴곡지도록 형성된 제2굴곡(473b)을 포함할 수 있다. 제1굴곡(473a)과 제2굴곡(473b)은 제1연장부(471)와 제2연장부(475)가 평행하도록 굴곡져 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제1굴곡(473a)은 제1연장부로부터 상측 및 분배헤더(45) 측으로 굴곡지고, 제2굴곡(473b)은 제1굴곡(473a)으로부터 제1연장부(471)와 평행하게 개질부(50) 측으로 굴곡짐으로써, 분배관(47)은 전체적으로 Z자 형상을 가지면서 형성될 수 있다. 고온의 원료가스가 유동할 시, 신축성을 가지는 분배관은 온도에 의해 그 길이가 늘어날 수 있는데, 굴곡부(473)에 의해 신축이 점선 모양과 같이 수용됨으로써 분배관(47), 분배헤더(45) 및 개질부(50)의 파손 내지 손상을 방지할 수 있다.
나아가, 분배관(47)은 직경(d4)이 분배헤더의 직경(d3)보다 작도록 형성되어 차압을 형성하여 균일한 양의 원료가스가 분배될 수 있도록 한다. 따라서 분배헤더(45)가 중심에서 복수의 개질부(50)에 균일한 양의 원료가스를 공급하면서, 각 개질부(50)에 대해서는 분배관(47)과 분배헤더(45)의 차압에 의해 균일하게 원료가스를 공급할 수 있고, 직경(d4)이 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성됨으로써, 외측튜브(51)의 평면상 내부에 균일하게 원료가스를 공급할 수도 있다.
상기 버너(30)에서 외부공기와 연료의 연소에 의해 연소가스가 제1공간(117)에서 생성되고, 하부챔버(11)는 공기와 연료가 유입되는 개구부를 제외하면 밀폐되어 있으므로 제1공간(117)의 연소가스는 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 통해 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)으로 유동하고, 제2공간과 연결되며 상부하우징(151)의 측면에 형성되는 연소가스 배출구를 통해 외부로 배출된다. 이 과정에서, 제2공간의 고온으로 배출되는 연소가스는, 원료가스 가열관(43) 주위를 둘러싸면서 유동하게 되고, 원료가스 가열관(43) 내부를 유동하는 원료가스와 효율적인 열교환을 통해 약 230도의 원료가스를 650~700도까지 승온시킬 수 있다.
도 3 내지 도 4 및 도 19 내지 도 21을 참고하면 상기 개질부(50)는 적어도 일부가 하부챔버(11)와 상부챔버(15) 내에 배치되어, 연소부(30)에서 발생되는 연소가스로부터 열을 공급받아 개질반응을 수행하여 수소를 발생시킨다. 개질부(50)는 복수개 구비되되, 평면 상 중앙으로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 상기 개질부는 용량에 따라 갯수를 달리하며 구비될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 3개의 개질부(50)가 수소 개질반응을 수행할 수 있으나, 처리용량이 증가하는 경우 6개, 8개 또는 10개 이상의 개질부(50)가 방사상으로 배치되어 수소개질반응을 수행할 수 있다. 상기 개질부(50)는 적어도 일부가 상부챔버(15)의 상측에 구비되고, 적어도 일부는 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)에 위치하고, 적어도 일부는 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 관통하여 배치되고, 적어도 일부는 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에 위치한다. 상기 개질부(50)는 외측튜브(51), 내측튜브(52), 촉매(53), 보호재킷(54), 열전달수단(55), 유로(56) 및 센서(57)를 포함할 수 있다.
상기 외측튜브(51)는 원료가스 공급부(40)와 연결되어 가열된 원료가스를 공급받는다. 외측튜브(51)는 일정한 직경(d1)을 가지면서 상하로 연장될 수 있는데, 제1연통홀(119), 제2연통홀(157)의 직경(d2)보다는 작아 제1연통홀(119)과 제2연통홀(157)을 관통할 때 유로(56)를 형성하고, 상부홀(159)의 직경(d1)과는 대응되어 상부홀을 폐색할 수 있다. 외측튜브(51)의 측면에는 유입공(51a)이 형성되어 분배관(47)과 연결되는데, 분배관의 직경(d4)은 외측튜브의 직경(d1)보다 작아 외측튜브(51) 내로 균등하게 가열된 원료가스를 공급하고, 원료가스는 외측튜브(51) 내에서 하향유동한다. 외측튜브(51)는 상부챔버(15)의 상측으로부터 제1공간(117)까지 수직하게 연장되어 형성될 수 있다. 외측튜브(51)는 전체적으로 상하가 폐색되도록 형성되나 가스의 유입과 배출을 위해 개구부가 형성될 수 있고, 내부에 수용된 내측튜브(52)와 연통될 수 있다. 상기 외측튜브는 상측이 연소가스 공급부와 연결되고 하측이 폐색될 수 있다. 외측튜브(51)는 외측관(511), 외측관의 하단을 폐색하는 하측캡(513) 및 외측관의 상단을 폐색하는 상측캡(515)을 포함한다.
상기 외측관(511)은 원통형의 수직으로 연장된 관으로, 측면에 유입공(51a)이 형성되고, 하단은 하측캡(513)에 의해 폐색되며, 상단은 상측캡(515)에 의해 폐색되는데, 상측캡(515)은 중앙에 개구부를 형성하여 후술하는 내측튜브(52)를 관통수용할 수 있다. 외측관(511)은 상부챔버(15)의 상측으로부터 제2공간(155)을 거쳐 하부챔버(11) 내의 제1공간(117) 내로 연장되며, 제1공간(117)에 배치된 부분에는 촉매(53)를 구비하여 원료가스를 수소로 변환할 수 있다.
상기 내측튜브(52)는 외측튜브(51) 내에 구비되며, 외측튜브(51)와 동축으로 정렬될 수 있다. 이에 따라 내측튜브의 직경은 외측튜브(51)의 직경(d1)보다 작도록 형성된다. 내측튜브(52)는 하단이 하측캡(513)으로부터 이격되도록 구비되어 촉매(53)를 통해 개질된 개질가스가 내측튜브(52)의 하단으로 유입될 수 있다. 내측튜브(52)의 상단은 후술하는 개질가스 배출부(60)와 연결되어 개질가스를 배출하도록 구비될 수 있는데, 상단캡(515)에 형성된 개구부를 관통하도록 형성될 수 있다. 내측튜브(52)는 상부챔버(15)의 상측으로부터 제1공간(117)까지 수직하게 연장되어 형성되되, 하단은 외측튜브(51)의 하단보다 상측에 위치하고, 상단은 외측튜브(51)의 상단보다 상측에 위치할 수 있다.
상기 촉매(53)는 개질부(50) 내에 구비되어 천연가스와 수증기를 포함하는 원료가스를 수소를 포함한 개질가스로 변환한다. 촉매(53)는 외측튜브(51)와 내측튜브(52) 사이에 구비될 수 있다. 상기 촉매(53)는 제1공간(117)에 배치된 외측튜브 내에 형성될 수 있다. 촉매(53)에서 일어나는 개질반응은 흡열반응으로, 열의 공급이 필요하고, 원료가스의 온도가 낮거나 500도 이하에서 개질반응이 수행되는 경우 불완전한 반응에 따라 탄소 등의 부산물이 생성되어 개질부(50)가 막힐 수도 있다. 이에 따라 연소가 일어나는 제1공간(117)에 구비되되, 후술하는 열전달수단(55) 등에 의해 열을 전달받을 수 있고, 촉매(53) 부근에 유입되는 원료가스는 미리 650~700도 정도로 승온되어 유동하게 된다.
상기 촉매(53)는 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)에 배치되되, 바람직하게는 제1공간(117)의 상측에 배치되어 개질반응을 일으킬 수 있다. 하측의 버너(30)에서 연소가스가 발생할 때(bottom firing), 연소가스는 먼저 상측으로 진행하게 되고, 밀폐된 공간에서 보호재킷(54)에 열을 전달한 후 아래로 유동하여 후술하는 연소가스 수용부(543) 측으로 유입된다. 이에 따라 제1공간(117)과 보호재킷(54) 사이에서는 상부 쪽에서 열전달이 원활하게 발생할 수 있으며, 연소가스가 비교적 하측에 구비되는 연소가스 수용부(543) 측으로 유입되면서 하향이동함에 따라 하부 쪽에서도 열전달이 발생한다. 이를 고려하여, 상기 촉매(53)는 제1공간(117)의 상단으로부터 하측으로 연장되어 외측튜브(51) 내에 배치됨으로써 수소 개질반응의 효율을 높일 수 있다.
상기 보호재킷(54)은 외측튜브(51)의 외측에 동축정렬되어 구비되며, 제2연통홀(157)에서부터 제1연통홀(119)을 지나 제1공간(117)까지 수직으로 연장된다. 상기 보호재킷(54)은 일단이 하부챔버(11) 내의 제1공간(117)과 연통하고, 타단이 상부챔버(15) 내의 제2공간(155)과 연통하도록 구비된다. 보호재킷(54)의 직경은 제1연통홀(119), 제2연통홀(157)의 직경(d2)과 상응하여 외측튜브(51)와 소정거리 이격될 수 있다. 상기 보호재킷(54)은 외측튜브(51)의 하단이 노출되도록 연장될 수도 있으나, 외측튜브(51)의 하단이 노출되지 않도록 외측튜브(51)의 하단보다 아래까지 연장되는 것이 바람직하다. 보호재킷(54)을 구비하지 않는 경우, 화염이 직접 외측튜브(51)에 열을 전달하게 되는데, 이러한 경우 촉매(53)의 취성으로 인하여 개질부(50)가 파손되거나 개질반응이 원활하게 일어나지 않는다. 따라서 보호재킷(54)은 외측튜브(51)로 화염이 직접 닿는 것을 보호하면서, 대류 내지 복사에 의해 외측튜브(51)에 열을 전달하여 개질반응이 일어나도록 할 수 있다. 보호재킷(54)은 슬리브(541)와 연소가스 수용부(543)를 포함한다.
상기 슬리브(541)는 외측튜브(51)의 외측을 감싸도록 구비되며, 제2연통홀(157)로부터 수직으로 연장되며 하단이 개방되는데 후술하는 연소가스 수용부(543)에 의해 소정 정도 폐색된다. 슬리브(541)는 외측튜브(511)와 소정거리 이격되어 사이에 유로(56)를 형성함으로써, 유로(56)를 통해 상향유동하는 연소가스의 대류열에 의해 외측튜브(51) 내로 열이 전달되도록 하면서, 슬리브(541)로부터 복사되는 열을 통해 외측튜브(51)로 열이 전달되도록 할 수 있다. 상기 슬리브(541)는 외측튜브의 하단보다 아래까지 연장될 수 있다. 슬리브(541)는 연소하우징(31)의 상단보다 아래까지 연장됨이 바람직하고, 제2연소용기(315)의 상단보다 아래까지 연장됨이 더욱 바람직하다. 연소하우징(31)으로부터의 열이 직접적으로 전달되는 경우에는 화염과 면하는 측으로의 열전달과 화염과 면하지 않는 측으로의 열전달이 불균형하여 열교환 효율 및 개질 효율이 하락할 수 있는데, 슬리브(541)가 제2연소용기(315)의 상단보다 아래까지 연장됨으로써 간접적으로 연소가스를 슬리브(541) 내로 유입받아 균일한 열전달을 수행할 수 있다.
도 22는 도 17의 E-E' 단면을 도시한 단면도이다. 도 22를 참고하면, 상기 연소가스 수용부(543)는 슬리브(541)의 하단에서 연소가스를 수용하도록 구비되는데, 복수의 유입공(543a)을 형성하여 유입공을 통해 연소가스가 슬리브(541) 내로 유입되되록 할 수 있다. 상기 복수의 유입공(543a)은 개질부(50), 즉 연소가스 수용부(543)의 원형 평면의 중심으로부터 방사상으로 같은 각도를 가지면서 형성될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서는 45도의 각도를 가지면서 8개의 유입공(543a)이 형성될 수 있다. 유입공(543a)이 방사상으로 형성됨에 따라 제1공간(117)에서의 연소가스가 각 유입공(543a)을 따라 균일하게 유입된다. 연소가스 수용부(543)는 수용캡(5431)과 수용벽(5433)을 포함한다.
상기 수용캡(5431)은 연소가스 수용부(543)의 하단해서 연소가스 수용부의 하면을 폐색하고, 수용벽(5433)은 연소가스 수용부(543)의 하측면에 수용공(543a)이 형성되도록 수용캡(5431)으로부터 연장되는데, 같은 각도를 가지면서 방사상으로 수용공(543a)이 형성되도록 수용벽 또한 같은 각도를 가지면서 방사상으로 형성될 수 있다.
다시 도 19 및 도 20을 참고하면, 상기 보호재킷(54)의 슬리브(541)와 외측튜브(51) 사이에는 유로(56)가 형성되고, 유로를 통해 연소가스가 상향유동하여 제1공간(117)에서 제2공간(155)으로 유동한다. 이때 유로(56) 내부로는 균일하게 연소가스가 유입되면서, 대류를 통해 연소가스로부터 외측튜브(51)로 열을 전달하게 된다. 한편, 경막층에 전달되는 열전달의 계수이며, 단위 면적, 단위 시간, 단위 온도차에 대한 이동하는 열 전달량[kcal/m2·h·℃]으로 나타내어지는 경막전열계수는, 바람 등의 외력을 통한 강제대류의 경우 15~40, 가열 등에 의해 유체 내에 생성되는 밀도차에 의한 자연대류의 경우 5~8로, 강제대류의 경우 열전달 효율성이 높다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 보호재킷(54)이 길게 형성되는 경우 유로(56) 내에서 연소가스의 이동속도가 증가하게 되고, 이로 인해 유로(56) 내에서의 대류의 성질은 강제대류에 가깝게 되어 대류에 의한 열전달 효율이 높아진다. 외측튜브(51)의 하단, 또는 보호재킷(54)의 하단을 기준으로 볼 때, 슬리브(541)가 제1공간(117)의 상단, 즉 하부챔버(11) 내에서만 연장되는 것이 아니라 상부챔버(15)의 제2연통홀(157)까지 연장됨으로써, 단일 챔버로 구성된 수증기 탄화수소 개질기에서 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)에 의해 외측튜브(51)와 대류 열전달하는 것보다 높은 효율로 대류 열전달이 가능하도록 한다.
도 23은 도 21의 일부분을 확대한 도면으로, 본 발명의 개질부(50)에 열전달수단(55)이 부착된 것을 중심으로 도 19 내지 도 21 및 도 23을 참고하여 이하를 설명하도록 한다. 상기 열전달수단(55)은 촉매(53) 또는 원료가스로의 열전달을 보조하여 수소 개질의 효율을 높이도록 구비될 수 있다. 열전달수단(55)은 제1공간(117)의 연소가스로부터 촉매(53) 또는 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 또는 열전달수단(55)은 내측튜브(52)를 통해 상승하는 개질가스로부터 하강하는 외측튜브(51) 내의 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 열전달수단(55)은 핀(fin)의 형상을 가지도록 구비될 수 있는데, 일측으로 연장되는 판의 형상을 가져 보호재킷(54) 또는 내측튜브(52)에 부착됨으로써 표면적 또는 열전달 면적을 넓혀 열전달을 촉진함이 바람직하다. 상기 열전달수단(55)은 제1전달체(551)와 제2전달체(553)를 포함할 수 있다.
상기 제1전달체(551)는 수소를 포함한 개질가스로부터 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 제1전달체(551)는 내측튜브(52)와 외측튜브(51) 사이에 구비되어 개질가스로부터 원료가스로 열을 전달하되, 내측튜브(52)의 외주면에 형성될 수 있다. 제1전달체(551)는 내측튜브(52)의 외주면에서 수직으로 연장되는 판의 형상을 가짐으로써, 하향하는 원료가스의 유동을 방해하지 않으면서 약 750도 정도로 온도가 높은 개질가스로부터 약 600~700도 정도의 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 이를 위하여 제1전달체(551)는 촉매(53)의 상측에 구비될 수 있다. 상기 제1전달체(551)는 복수개가 형성되어 내측튜브(52)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 각 제1전달체(551)는 내측튜브(52)의 중심으로부터 같은 각도를 가지면서 연장되어 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 제1전달체(551)가 중심으로부터 90도의 각도를 가지면서 형성될 수 있다.
도 23을 참고하면, 상기 제2전달체(553)는 제1공간(117)의 연소가스로부터 원료가스로 열을 전달하도록 구비될 수 있다. 제2전달체(553)는 보호재킷(54) 또는 슬리브(541) 외측에 구비되어 연소가스로부터 슬리브(541)로 열을 전달하고, 슬리브(541)로부터 외측튜브(51)로는 복사를 통해 열이 전달될 수 있다. 제2전달체(553)는 슬리브(541)의 외주면에 형성되되, 슬리브(541)의 외주면에서 수직으로 연장되는 판의 형상을 가짐이 바람직하다. 제2전달체(553)는 제1공간(117)의 상측에 구비될 수 있으며, 바람직하게는 촉매(53)의 상단과 대응되는 높이에 형성될 수 있다. 촉매(53)에서의 개질반응에 많은 열이 필요하며, 특히 개질반응이 처음 발생하는 촉매의 상단부에서 많은 열이 필요하므로, 제2전달체(553)는 촉매의 상측에 열을 효율적으로 전달하도록 구비된다.
상기 제2전달체(553)는 복수개가 슬리브(541)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2전달체(553)는 슬리브(541) 주변으로 같은 간격을 가지면서 배치될 수 있다. 이에 따라 제2전달체(553)에 의해 제1공간(117)의 열이 슬리브(541)로 전달되고, 슬리브(541)에서 복사에 의해 외측튜브(51)로 열이 전달된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 8개의 제2전달체가 45도 각도로 배치될 수 있으나, 다른 배치형태를 권리범위에서 배제하지는 않는다.
상기 유로(56)는 상기 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)가 외측튜브(51)의 외측에서 외측튜브를 감싸면서 연장됨으로써 형성되며, 연소가스가 상기 유로(56)를 통해 제1공간(117)에서 제2공간(155)으로 상승유동하면서 대류를 통해 외측튜브(51)로 열을 전달하게 되고, 이에 따라 촉매(53)에서 원료가스가 수소를 포함한 개질가스로 변환된다. 상술한 것에 따르면, 보호재킷(54) 또는 슬리브(541)가 제2연통홀(157)로부터 수직으로 연장됨에 따라 유로(56)가 제2연통홀(157)로부터 외측튜브(51)의 하단까지 형성되고, 이로 인해 하부챔버(11) 내에서만 유로가 형성되는 것보다 빠른 속도로 연소가스가 상향유동하여 높은 경막전열계수로 효율적인 열전달이 가능하다.
상기 센서(57)는 수소 개질반응이 수행되는 개질부(50) 내의 각 부분의 온도를 감지하도록 구비될 수 있다. 개질반응이 효율적으로 발생하기 위해서는 일정한 온도를 유지하거나, 적정 범위 내의 온도가 유지되어야 하므로, 센서(57)에 의해 개질반응이 수행되고 있는 부분의 온도를 감지한 후 개질반응을 제어할 수 있다. 상기 센서(57)는 보호재킷의 슬리브(541) 외주면에 부착되거나 외주면으로부터 연장되어 구비될 수 있다(57a). 상기 센서(57a)는 슬리브(541)의 온도를 감지함으로써, 외측튜브(51)로 열이 얼마나 전달되는지 감지할 수 있다. 상기 센서(57a)는 제1공간 내에서 슬리브(541)의 상측, 하측, 하단에 구비될 수 있다. 상기 센서(57)는 내측튜브(52)와 외측튜브(51) 사이에서 촉매(53)의 온도를 감지할 수도 있다(57b). 촉매(53)의 온도를 감지함으로써 촉매의 전반적인 영역에 걸쳐 개질반응이 잘 수행되는지 체크할 수 있다. 상기 센서(57b)는 내측튜브(52)의 외주면에 구비되되 촉매가 배치되는 영역에 배치될 수 있다. 상기 센서는 내측튜브의 외주면에 구비되어 하향유동하는 원료가스의 온도를 감지할 수도 있고, 내측튜브의 내주면에 구비되어 상향유동하는 개질가스의 온도를 감지할 수도 있다.
다시 도 14를 참고하면, 상기 개질가스 배출부(60)는 개질부(50)에서의 반응을 통해 생성된 개질가스를 배출하도록 구비된다. 개질가스 배출부(60)는 상부챔버(15)의 상측에 배치되어 개질가스를 배출하도록 구비될 수 있다. 개질가스 배출부(60)는 개질가스 유입구(61), 유출관(63), 유출헤더(65) 및 개질가스 유출구(67)를 포함한다.
상기 개질가스 유입구(61)는 개질부(50)로부터 개질가스를 유입받는다. 상기 개질가스 유입구(61)는 내측튜브(52)의 개방된 상단과 연결되어 상향유동하는 개질가스를 유입받을 수 있다.
상기 유출관(63)은 개질가스 유입구(61)와 유출헤더(65)를 연결하여 개질가스를 유출헤더(65)로 공급한다. 유출관(63)은 일단이 개질가스 유입구(61)와 연결되고 타단이 유출헤더(65)의 측면 또는 상면에 연결되어 유출헤더와 연통되도록 구비된다. 유출관(63)은 고온의 개질가스 유동에 의해 파괴되거나 손상되지 않도록 신축성을 가질 수 있다. 또한 유출관(63)은 굴곡을 가지도록 형성되어 신축을 수용하도록 형성될 수 있다. 유출관(63)은 소정의 직경, 바람직하게는 20mm 이하의 직경을 가지는 관의 형상을 가지되, 상술한 분배관(47)에서의 경우와 같이 유출관(63)의 직경은 개질가스 유입구 직경보다 작도록 형성될 수 있고, 유출헤더(65)의 직경보다 작도록 형성될 수 있다. 유출관(63)은 개질가스 유입구(61)로부터 대략 직선으로 연장되는 제3연장부(631), 굴곡지게 형성되어 신축을 수용하는 굴곡부(633), 굴곡부(633)로부터 유출헤더(65)의 측면 또는 상면과 연결되는 제4연장부(675)를 포함한다.
상기 굴곡부(633)는 제3연장부(631)로부터 일측으로 굴곡지도록 형성된 제3굴곡(633a)과 제3굴곡으로부터 타측으로 굴곡지도록 형성된 제4굴곡(633b)을 포함할 수 있다. 제3굴곡(633a)과 제4굴곡(633b)은 제3연장부(631)와 제4연장부(635)가 바람직하게는 직각을 이루도록 굴곡져 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제3굴곡(633a)은 제3연장부(631)로부터 하측 및 유출헤더(65) 측으로 굴곡지고, 제4굴곡(633b)은 제3굴곡(633a)으로부터 제3연장부(631)와 직각이 되도록 유출헤더(65) 측으로 굴곡짐으로써, 유출관(63)은 전체적으로 S자 형상을 가지면서 형성될 수 있다. 고온의 개질가스가 유동할 시, 신축성을 가지는 유출관은 온도에 의해 그 길이가 늘어날 수 있는데, 굴곡부(633)에 의해 신축이 수용됨으로써 ㅇ유출관(63), 유출헤더(65) 및 개질부(50)의 파손 내지 손상을 방지할 수 있다. 나아가, 유출관(63)은 직경이 개질가스 유입구(61)의 직경보다 작도록 형성되어 차압을 형성하여 균일한 양의 원료가스가 유출될 수 있도록 한다.
상기 유출헤더(65)는 상부챔버(15)의 상측에 원형의 링 형태로 구비되고, 복수의 유출관(63)으로부터 개질가스를 유입받고, 유출헤더(65)의 일측에 형성되는 개질가스 유출구(67)를 통해 개질가스를 유출시킨다.
이에 따라, 원료가스는 원료가스 유입구(41)로 유입되어 원료가스 가열관(43)에서 가열된 후, 분배헤더(45) 및 분배관(47)을 걸쳐 외측튜브(51) 내로 유입되고, 외측튜브(51)에서 하향유동하면서 열교환하면서 촉매(53)에 의해 개질가스로 변환된다. 변환된 개질가스는 외측튜브(51) 내에 수용되는 내측튜브(52)의 개방된 하단으로 유입된 후 상향유동하여 개질가스 유입구(61)로 유입되고, 유출관(63) 및 유출헤더(65)를 거쳐 개질가스 유출구(67)를 통해 유출된다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 수증기 탄화수소 개질기
10: 바디 11: 하부챔버
13: 격판 15: 상부챔버
20: 공기공급부 21: 공기유입구
23: 공기가열관 25: 공기유출구
30: 버너 31: 연소바디
311: 연소하우징 312: 캐스터블
313: 공기유입관 315: 연료공급관
3151: 유입부 3153: 중심연장부
3155: 축경단부 3157: 연료분출홀
317: 오프가스공급관 3171: 유입부
3173: 분기부 3175: 접속부
32: 공기저장실
33: 예혼합부 331: 분산플레이트
331a: 통공 331b: 제1관통수용홀
331c: 제2관통수용홀
333: 벤츄리 튜브 3331: 내측튜브
3331a: 축경부 3331b: 연장부
3331c: 확경부 3333: 외측튜브
3335: 연결부 3337: 오프가스분출홀
35: 연소부
40: 원료가스 공급부 41: 원료가스 유입구
43: 원료가스 가열관 44: 지지부
45: 분배헤더 47: 분배관
50: 개질부 51: 외측튜브
52: 내측튜브 53: 촉매
54: 보호재킷 541: 슬리브
543: 연소가스 수용부 543a: 유입공
55: 열전단수단 56: 유로
57: 센서 60: 개질가스 배출부

Claims (11)

  1. 연소를 위한 공기를 유입받는 공기유입관, 연소를 위한 연료를 유입받는 연료공급관 및 수소가 포함된 오프가스를 유입받는 오프가스공급관이 연결된 연소하우징, 상기 연소하우징 내에서 유입된 가스를 균질하게 혼합하는 예혼합부, 상기 예혼합부를 통과하면서 혼합된 가스를 연소시켜 열을 공급하는 연소부 및 연소부의 측면에서 혼합된 가스가 연소되도록 점화시키는 점화기를 포함하되,
    상기 예혼합부는 연료와 공기가 유동하는 제1유로, 오프가스가 유동하는 제2유로를 포함하고, 상기 제1유로와 제2유로는 상기 예혼합부 내에서 격리되고,
    상기 연소부에서 상기 제1유로와 제2유로를 통해 분출되는 가스가 혼합되어 연소되는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예혼합부는 내측의 제1유로와 외측의 제2유로를 구분짓는 내측튜브, 상기 내측튜브와 동축정렬되며 내측튜브보다 큰 직경을 가지면서 제2유로의 외측을 감싸도록 구비되는 외측튜브를 포함하고,
    상기 오프가스공급관은 제2유로와 직결되어 오프가스를 유동시키는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오프가스공급관은 적어도 둘 이상으로 분기되고 상기 제2유로에 축 방향으로 직결되어 제2유로로 오프가스를 유동시키는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  4. 제3항에 있어서, 연료공급관은 적어도 일부가 상기 내측튜브와 동축정렬되면서 상기 제1유로 내에서 연장되고, 연소부측 일단에 연료공급관의 외주면을 따라 형성되는 복수의 연료분출홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료공급관은 연소부측 일단으로 갈수록 테이퍼되는 축경단부를 포함하고, 상기 연료분출홀은 상기 축경단부에 외주면을 따라 구비되어 연료를 연소부 측 방사상으로 분출하는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 내측튜브는 점진적으로 직경이 감소하는 축경부, 직경이 일정하게 연장되는 연장부 및 점진적으로 직경이 확대되는 확경부를 포함하고, 상기 내측튜브 내부의 제1유로를 통해서 공기가 유동하며,
    상기 축경단부는 상기 확경부와 면하는 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내측튜브는 확경부의 내주면을 따라 복수의 제1오프가스분출홀을 형성하고,
    상기 제1오프가스분출홀은 중심 방향으로 오프가스를 분출하여 오프가스가 연소부의 제1유로 측에서 와류를 형성하며 연소되도록 하는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  8. 제7항에 있어서, 예혼합부는 연소부 측에서 이격된 내측튜브와 외측튜브 사이를 연결하는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에는 복수의 제2오프가스분출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연결부는 축과 수직하게 연장형성되고, 상기 제2오프가스분출홀은 축을 중심으로 일정한 간격으로 방사상으로 배치되어 축 방향으로 오프가스를 분출하는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 내측튜브 내의 제1유로를 유동하는 공기는 상기 내측튜브의 축경부, 연장부를 거치면서 유속이 빨라지고,
    상기 제1유로 내에서 연장되는 연료공급관은 외주면을 따라 형성되는 연료분출홀의 적어도 일부가 축경부와 면하는 부분에 걸쳐 형성되어 연료공급관 내의 연료가 제1유로 측으로 분출되는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
  11. 제10항에 있어서, 공기유입관을 통해 공급되는 공기는 제1유로 측으로 균일하게 유입되어 상기 연료공급관으로부터 분출되는 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기.
KR1020200102438A 2020-08-14 2020-08-14 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기 KR102424891B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200102438A KR102424891B1 (ko) 2020-08-14 2020-08-14 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200102438A KR102424891B1 (ko) 2020-08-14 2020-08-14 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220021634A true KR20220021634A (ko) 2022-02-22
KR102424891B1 KR102424891B1 (ko) 2022-07-26

Family

ID=80494209

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200102438A KR102424891B1 (ko) 2020-08-14 2020-08-14 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102424891B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100209989B1 (ko) 1996-12-23 1999-07-15 남창우 천연가스형 수소발생장치
JP2005127634A (ja) * 2003-10-24 2005-05-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料改質装置の燃焼装置
JP2005272168A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Corona Corp 燃料改質装置
JP3717009B2 (ja) * 1996-05-24 2005-11-16 三浦工業株式会社 予混合式ガスバーナ
JP4520100B2 (ja) * 2003-03-20 2010-08-04 新日本石油株式会社 水素製造装置および燃料電池システム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3717009B2 (ja) * 1996-05-24 2005-11-16 三浦工業株式会社 予混合式ガスバーナ
KR100209989B1 (ko) 1996-12-23 1999-07-15 남창우 천연가스형 수소발생장치
JP4520100B2 (ja) * 2003-03-20 2010-08-04 新日本石油株式会社 水素製造装置および燃料電池システム
JP2005127634A (ja) * 2003-10-24 2005-05-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料改質装置の燃焼装置
JP2005272168A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Corona Corp 燃料改質装置
JP4458890B2 (ja) * 2004-03-23 2010-04-28 株式会社コロナ 燃料改質装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102424891B1 (ko) 2022-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7686611B2 (en) Flame straightening in a furnace
US6835360B2 (en) Compact endothermic catalytic reaction apparatus
CN104620050B (zh) 用于吸热反应的方法和装置
JP5298118B2 (ja) 複数の多孔性バーナを用いたコンパクトな交換器−反応器
JP4523054B2 (ja) 燃料電池の改質器用バーナとそれを備えた改質器
KR102378008B1 (ko) 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기
KR102424891B1 (ko) 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기
KR102378004B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
KR102416025B1 (ko) 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기
KR102424883B1 (ko) 버너를 가진 수증기 탄화수소 개질기
KR20110114417A (ko) 버너 노즐 장치 및 이를 구비한 연료 개질 장치
US9272905B2 (en) Method for optimizing down fired reforming furnaces
KR102398448B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
KR102398437B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
KR102398422B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
KR102378005B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
EP1085261A1 (en) Improved nozzle-mix burner
KR102398474B1 (ko) 수증기 탄화수소 개질기
US20160018104A1 (en) Burner for a furnace, tile for same, and method of improving a flame produced by a burner furnace
JP2008214163A (ja) 可燃ガス混合方法及び混合器
KR101843556B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 연료개질장치
JP2021014373A (ja) 水素生成装置
KR101765194B1 (ko) 연료전지용 수증기 개질 반응기에 열원을 공급하는 원형버너
KR20190111374A (ko) 고체산화물 연료전지의 연료개질장치
US6866501B2 (en) Burner assembly for delivery of specified heat flux profiles in two dimensions

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant