KR100834173B1 - 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연가스(Natural Gas)의 청정에너지(Clean Energy) 변환 장치에서 버너(burner)에 관한 것으로, 메탄(CH₄)이 주성분인 일반 천연가스를 이산화탄소(CO₂) 배출이 전혀 없는 무공해 청정에너지인 디메틸에테르(CH₃OCH₃)로 변환함에 있어, 고효율의 청정에너지를 생산하기 위해 해당 화학반응을 균일하게 일어나도록 해주는 버너을 제공하는데 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 천연가스를 이산화탄소와 섞어 예열한 후 다시 혼합기에서 스팀(Steam)과 혼합하고, 이 혼합된 연료가스를 본 발명에 의한 버너에 투입하여 산소가스와 함께 해당 버너의 노즐을 통해 분사, 반응기 안에서 자연 발화시키게 되는데, 이때 상기 노즐의 정해진 각도로 산소가스가 연료가스와 교차 분사되게 함으로써, 이를 통해 촉매가 포함된 반응기 내의 화학반응이 균일하게 이루어지는 것을 가능하게 해준다.

또한, 별도의 스팀이 본 발명에 의한 버너에 공급되고 다시 버너노즐을 통해 산소와 연료가스의 분사 사이에 배출되도록 구성하여, 반응기의 온도를 일정하게 유지시키는 냉각제(coolant)로서의 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

천연가스, 냉각제, 예열, 디메틸에테르, 개질(reforming), 노즐

Description

천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너{The burner of reactor for reforming the natural gas into clean energy}

도 1은 본 발명에 따른 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 일례를 도시한 종 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 버너 부문만을 확대한 종 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 버너의 아래 방향에서 본 노즐(Nozzle)의 횡 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 버너의 노즐 부분을 나타낸 상세도.

도 5는 본 발명에 의한 버너의 연료가스 투입구로 공급되는 연료가스를 제조하는 과정을 도시한 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1. 반응기 2. 노즐

3. 산소 투입구 4. 산소 공급관

5. 연료가스 투입구 6. 연료가스 공급관

7. 스팀 투입구 8. 스팀 공급관

9. 촉매 10. 연료가스 배출구

11. 스팀 배출구 12. 산소 배출구

13. 버너 14. 배출부

31. 연료가스 홀 32. 산소가스 홀

33. 스팀 홀 50. 제 1 혼합기

51. 제 1 히터 52. 제 2 히터

53. 제 2 혼합기 54. 제 3 히터

본 발명은 천연가스를 청정에너지로 변환하는 장치의 버너(Burner)에 관한 것으로, 이산화탄소의 농도가 극히 낮은 고효율의 청정에너지를 제조하기 위해, 천연가스와 이산화탄소(CO₂) 및 스팀이 혼합된 연료가스를 공급하는 투입구와 연소에 필요한 산소가스를 공급하는 투입구, 촉매를 포함하고 있는 반응기의 화학반응 온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각제로서의 스팀을 공급하는 투입구, 또한 상기 연료가스와 스팀을 위한 배출구, 그리고 이들 가스들과 교차 분사하도록 형성된 산소가스를 위한 배출구, 상기 투입구와 배출구를 각각 연결하는 공급관들로 이루어진 버너이다.

일반적으로 해당 기술은 천연가스의 주성분인 탄화수소(메탄계)의 부분 연소에 의해 발생시킨 가스를 촉매에 의해 개질(改質)하여 최종적으로 이산화탄소 잔류 농도가 매우 적은 청정에너지인 디메틸에테르(CH₃OCH₃, dimethyl ether)를 제조하기 위한 것이다.

상기한 것처럼 본 발명에 의한 천연가스의 청정에너지 변환에서 버너의 화학 반응식은 아래와 같으며, 이것은 이미 공지된 기술이므로 여기에서 별도로 설명하는 것은 생략하겠다.

1) CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

2) CH₄ + 3/2O₂ → CO + 2H₂O

3) CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂

4) CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

5) CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

6) CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

7) CO + H₂O → CO₂ + H₂

위의 화학식 중 반응 비중이 높은 것은 1),2),3) 그리고 5) 이다. 즉, 산소와 반응하는 모든 반응식은 자동열개질(ATR: Auto Thermal Reforming)에서 중요한 부분을 차지하고 있다. 또한, 증기개질(Steam Reforming)의 주 반응은 5) 로 이 4 가지가 버너의 반응 중 가장 중요한 것이다.

상기한 탄화수소계 천연가스로부터 무공해 청정에너지(CH₃OCH₃)를 제조함에 있어서, 종래 촉매를 사용하는 방법은 생성된 합성가스 내의 이산화탄소 농도의 증대를 무시할 수 없거나, 혹은 촉매를 사용하지 않는 방법에서는 그 반응온도가 고온으로 되는 경향이 있어 원료가스를 열로 바꾸는 비율이 많아지기 때문에 에너지 효율은 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명에 의한 버너 안에 천연가스와 이산화탄소 및 스팀을 섞어 예열시킨 연료가스를 산소가스와 함께 공급하고, 이를 다시 본 발명에 의한 버너의 노즐을 통해 상기 연료가스와 산소가스가 일정각도로 교차·분사되어 자연 발화되게 함으로써, 촉매가 포함된 반응기 안에서 해당 화학반응이 균일하게 일어나도록 유도하여 천연가스로부터 이산화탄소 잔류농도가 매우 낮은 고효율의 청정에너지를 제조하는데 있다.

또한 위에서 언급한 고효율의 청정에너지를 얻기 위해서는 해당 화학반응이 일어나는 반응기의 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요한데, 이를 위해 섭씨 200도의 스팀 가스를 냉각제(Coolant)로서 노즐을 통해 산소와 연료가스의 교차·분사 사이에 배출시키도록 구성하는데 본 발명의 특징이 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 천연가스의 청정에너지 변환장치의 버너(Burner)에 관한 것으로, 천연가스를 이산화탄소 및 스팀과 혼합·예열 시킨 연료가스를 공급하는 연료가스 투입구(5); 자연 발화를 위해 필요한 산소가스를 공급하는 산소 투입구(3); 온도 조절을 위해 필요한 스팀을 공급하는 스팀 투입구(7); 상기 연료가스 투입구로부터 연결되어 연료가스를 배출하는 연료가스 배출구(10); 상기 산소 투입구로부터 연결되어 산소가스를 배출하는 산소 배출구(12); 상기 스팀 투입구로부터 연결되어 스팀을 배출하는 스팀 배출구(11); 상기 연료가스 투입구와 연료가스 배출구를 연결하며 연료가스가 이동되는 연료가스 공급관(6); 상기 산소 투입구와 산소 배출구를 연결하며 산소가스가 이동되는 산소 공급관(4); 및 상기 스팀 투입구와 스팀 배출구를 연결하며 스팀이 이동되는 스팀 공급관(8)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 산소 배출구(12)를 중심으로 그 외각에 동심원을 그리는 스팀 배출구(11)와 상기 스팀 배출구 외각에 동심원을 그리며 위치하는 연료가스 배출구(10)로 구성되는 노즐을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 산소 배출구(12)가 상기 연료가스 배출구(10)와 일정한 각도를 이루도록 구성함으로써, 산소가스와 연료가스의 교차 분사 및 자연 발화를 통해 반응기 안에서의 화학반응이 균일하게 이뤄지게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 산소 공급관(4)을 중심으로 그 외각에 동심원을 그리는 스팀 공급관(8)과 상기 스팀 공급관 외각에 동심원을 그리며 위치하는 연료가스 공급관(6)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 일례를 도시한 종 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 버너 부문만을 확대한 종 단면도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명과 연관된 천연가스의 청정에너지(CH₃OCH₃) 변환 장치는 크게 상부에 위치한 버너(13), 이와 연결되어 주된 화학 반응이 일어나는 반응기(1), 본 반응기로부터 제조되는 합성가스가 나오는 배출부(14)를 포함하여 이루어진다.

메탄(CH4)이 주성분인 일반 천연가스를 이산화탄소(CO₂) 배출이 전혀 없어 무공해이고 효율도 높은 청정에너지(CH₃OCH₃)로 변환하기 위해, 천연가스와 산소 및 스팀을 본 발명에 의한 버너를 통해 상기 반응기로 공급·연소시켜, 반응기 내의 촉매에 의한 화학 반응으로 만들어진 합성가스를 배출부로 내보내게 된다.

본 발명에 의한 버너 부문만을 확대 도시한 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 버너는 산소 투입구(3), 산소 공급관(4), 스팀 투입구(7), 스팀 공급관(8), 연료가스 투입구(5), 연료가스 공급관(6), 산소 배출구(12), 연료가스 배출구(10), 스팀 배출구(11)를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 반응기(1) 내에서 화학 반응을 일으키기 위해 연료가스와 스팀 및 산소가스들이, 본 발명에 의한 버너의 산소 투입구(3), 스팀 투입구(7), 연료가스 투입구(5)를 통해 버너 내부로 공급되며, 이 중 연료가스와 스팀은 버너의 각 공급관(6,8)을 거친 후 본 발명에 의한 버너의 하단에 위치한 각 배출구(10,11)를 통해 반응기(1) 안으로 투입되며, 또한 버너 내부로 공급된 상기 산소가스는 공급관(4)을 거쳐 산소 배출구(12)를 통해 상기 반응기 안으로 투입된다.

도 5는 본 발명에 의한 버너의 연료가스 투입구(5)로 공급되는 연료가스를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

도 5에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 버너로 투입되는 연료가스는 투입 전에 일정한 화학 공정을 거치게 되는데, 먼저 천연가스(Natural Gas)를 제 1 혼합기(50)에서 이산화탄소(CO₂)와 혼합하고 제 1 히터(51)로 예열시킨 후, 상기 가스를 제 2 히터(52)로 예열시킨 스팀과 다시 제 2 혼합기(53)에서 혼합시킨 후, 제 3 히터(54)에서 최종적으로 예열을 함으로써, 본 발명에 의한 버너에 투입할 연료가스를 만든다.

이때, 상기 제 1 히터의 가열 온도는 섭씨 350도이고, 제 2 히터에서 스팀의 가열 온도는 섭씨 300도이며, 상기 가스들의 혼합 후 제 3 히터에서의 예열 온도는 섭씨 420~500도를 유지하는 것을 포함한다.

도 3은 본 발명에 의한 버너의 아래 방향에서 본 노즐의 횡 단면도이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 버너 내부로 들어온 연료가스는 연료가스 홀(31)을 거쳐 이동하게 되는데 상기 연료가스 홀은 노즐의 맨 바깥쪽에 위치하며, 또한 산소가스는 산소가스 홀(32)을 거쳐 이동하게 되는데 상기 산소가스 홀은 노즐의 맨 중앙에 위치하며, 마지막으로 스팀은 스팀 홀(33)을 거쳐 이동하게 되는데 상기 홀의 위치는 상기 연료가스 홀(31)과 산소가스 홀(32)의 중간 지점이 된다.

도 4는 본 발명에 의한 천연가스 버너에 있어서 중요한 특징을 지니는 버너의 노즐(2) 부분을 자세히 도시한 상세도이다.

상기 버너 안으로 유입된 산소가스(O₂)는 상기 버너 노즐의 산소 배출구(12)를 통해서 일정한 각을 이루며 반응기 안으로 분사하게 되는데, 상대적으로 연료가스는 상기 노즐로부터 반응기 안쪽으로 수직 방향 방출된다.

본 발명에 의한 천연가스 버너는 상기 노즐이 일정한 각도를 이루도록 구성함으로써, 상기 연료가스와 산소가스가 일정한 각도로 교차·분사되도록 하는 것을 제공한다. 이를 통해 상기 연료가스와 산소가스가 균일하게 배합되는 것을 가능하게 할 뿐 아니라 상기 가스의 분사 및 연소가 반응기 하단의 촉매에까지 영향을 끼치지 않도록 함으로써, 반응기 안의 화학반응 환경을 균일하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스팀은 반응기 안에서 상기 연료가스와 산소가스의 교차 분사 사이로 방출되도록 상기 노즐을 구성하는 것을 특징으로 한다. 상기 노즐 주위의 반 응기 내부 온도는 섭씨 1000도를 유지해야 하는데, 만약 상기 반응기 내부 온도가 섭씨 1,200도 이상이 되면, 섭씨 200도의 스팀을 상기 노즐을 통해서 산소와 연료가스의 교차 분사 사이에 방출시킴으로써, 반응기 안의 온도를 항상 일정하게 유지시켜 주는 냉각제(coolant)로서의 역할을 하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 천연가스 버너의 작용효과를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 천연가스 버너는 반응기(1)에서의 화학 반응을 위해 먼저 연료가스를 해당 투입구(5)로 공급해 주어야 한다. 이때, 상기 연료가스는 천연가스를 이산화탄소 및 스팀과 혼합하고 예열하는 사전 과정을 거치게 된다.

또한 반응기 안에서 상기 연료가스와 자연 발화를 위한 산소가스가 투입구(3)로 공급되고 산소 공급관(4)을 거쳐, 최종적으로 산소 배출구(12)를 통해 일정한 각을 이루며 분사된다. 이때, 상기 산소가스는 연료가스 배출구(10)를 통해 수직으로 배출되는 연료가스와 일정한 각으로 교차하며 자연 발화하게 된다. 이를 통해 반응기 안의 화학반응 환경을 균일하게 유지하고, 최종적으로 이산화탄소의 잔류 농도가 극히 낮은 고효율의 청정에너지를 제조할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의한 버너에 있어, 스팀은 스팀 투입구(7)를 통해 공급되고 스팀 공급관(8)을 거치게 된다. 이때 반응기 안의 온도가 섭씨 1,200도 이상이 될 경우에, 상기 스팀을 스팀 배출구(11)를 통해 산소(O₂)와 연료가스의 교차 분사 사 이에 방출시킴으로써, 반응기 내(內) 온도를 항상 일정하게 유지시켜 주는 냉각제(coolant)로서의 역할을 한다.

이하 본 발명에 의한 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너의 효과를 살펴보면, 종래 메탄(CH₄)이 주성분인 천연가스를 청정에너지(예: CH₃OCH₃)로 변환하는 화학 반응에서, 본 발명의 버너 노즐을 통해 연료가스와 산소가스를 일정 각도로 교차·분사시켜 자연 발화되도록 함으로써, 촉매가 포함된 반응기 안에서 상기 화학반응이 균일하게 일어나도록 유도하고, 또한 상기 반응기 내의 온도를 일정하게 유지하기 위해, 스팀을 버너 노즐을 통해서 산소와 연료가스의 교차 분사 사이로 배출시킴으로써, 종래에 천연가스로부터 청정에너지를 제조하는 방법보다 이산화탄소의 잔류농도는 매우 낮으며 효율도 높은 청정에너지를 제조하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너에 있어서,

   천연가스를 이산화탄소 및 스팀과 혼합·예열시킨 연료가스를 공급하는 연료가스 투입구(5);

   자연 발화를 위해 필요한 산소가스를 공급하는 산소 투입구(3);

   온도 조절을 위해 필요한 스팀을 공급하는 스팀 투입구(7);

   상기 연료가스 투입구로부터 연결되어 연료가스를 배출하는 연료가스 배출구(10);

   상기 산소 투입구로부터 연결되어 산소가스를 배출하는 산소 배출구(12);

   상기 스팀 투입구로부터 연결되어 스팀을 배출하는 스팀 배출구(11);

   상기 연료가스 투입구와 연료가스 배출구를 연결하며 연료가스가 이동되는 연료가스 공급관(6);

   상기 산소 투입구와 산소 배출구를 연결하며 산소가스가 이동되는 산소 공급관(4); 및 상기 스팀 투입구와 스팀 배출구를 연결하며 스팀이 이동되는 스팀 공급관(8)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 산소 배출구(12)를 중심으로 그 외각에 동심원을 그리는 스팀 배출 구(11)와 상기 스팀 배출구 외각에 동심원을 그리며 위치하는 연료가스 배출구(10)로 구성되는 노즐을 제공하는 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 산소 배출구(12)가 상기 연료가스 배출구(10)와 일정한 각도를 이루도록 구성함으로써, 산소가스와 연료가스의 교차 분사 및 자연 발화를 통해 반응기 안에서의 화학반응이 균일하게 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 산소 공급관(4)을 중심으로 그 외각에 동심원을 그리는 스팀 공급관(8)과 상기 스팀 공급관 외각에 동심원을 그리며 위치하는 연료가스 공급관(6)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 천연가스의 청정에너지 변환 장치의 버너.

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