WO2014168383A1 - 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템 - Google Patents

역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템 Download PDF

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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to an industrial reactive furnace, and more particularly, due to the presence of a high temperature flame zone, generation of nitrogen oxide (NOx), an environmental pollutant, and problems of pollution and durability when heat transfer occurs.
  • Conventional flameless combustion-type industrial furnaces that have had problems of fouling and slag due to local heating of the heat transfer surface and melting of ash by injecting fuel and air in the same direction using high temperature preheating air.
  • the present invention relates to a flameless combustion industrial furnace using a reverse air injection method that simultaneously solves combustion efficiency and acid gas problems by forming a combustion reaction by injecting air in a reverse direction of fuel and combustion gas flows. .
  • the present invention relates to a technical content of applying the above-described reverse air injection method to a general combustion furnace, such as a Flue Gas Recirculation system (hereinafter, also referred to as a 'FGR system'), and more specifically,
  • a general combustion furnace such as a Flue Gas Recirculation system (hereinafter, also referred to as a 'FGR system')
  • a 'FGR system' Flue Gas Recirculation system
  • the present invention relates to a reverse gas recirculation system having high efficiency reactivity by internally induced flow recirculation configured to reduce pollutants such as NOx and NOx.
  • the present invention relates to the technical contents of applying the reverse air injection method as described above to the fuel cell system, and more specifically, the use of expensive catalysts such as reforming catalysts and combustion catalysts increases manufacturing costs.
  • a catalyst-free reformer using a fast reverse air injection method without a catalyst is used. This maximizes the gas recirculation in the reactor to achieve uniform temperature and chemical reactions, while eliminating the need for additional components such as burners and heat exchangers to increase the catalyst temperature and the time required to reach the normal operating conditions of the system. Reduced resources, fuel cell system with faster heating and lower manufacturing and operating costs Relate to.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the overall configuration of a conventional mixed combustion industrial furnace 10.
  • the mixed combustion method industrial furnace 10 as shown in Fig. 1, the combustion furnace (11) for combustion, the fuel (Fuel) and air (Air) by mixing the combustion A mixer 12 for supplying the furnace 11, a burner 13 for combusting fuel supplied through the mixer 12, and a heat exchanger for circulating heat in the combustion furnace 11. And a heat exchanger 14.
  • the mixed combustion industrial furnace 10 described above is mixed and supplied by the mixer 12 before the fuel and air are introduced into the combustion furnace 11, whereby the mixed fuel and air are mixed. It is possible to generate high energy in a small space due to the rapid combustion reaction of, and is generally used mainly for pulverized coal, gas fuel, gasoline engine combustion and coal power plants, cogeneration plants, automobiles and domestic combustion devices.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of a conventional multi-stage combustion type industrial furnace 20.
  • the multi-stage combustion type industrial furnace 20 is composed of a combustion furnace 21, a mixer 22, a burner 23 and a heat exchanger 24, Similar to the mixed combustion industrial furnace 10 described above, in order to reduce the problems caused by the high flame temperature of the conventional mixed combustion method, air or fuel is divided into several stages and supplied to the combustion furnace 11 so that combustion is carried out in multiple stages. It is different in that it is configured to be made.
  • combustion can be performed in the absence of flame, such as FLOX (Flameless Oxidation) and MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution). Flame-free industrial furnaces have been proposed.
  • FLOX Flumeless Oxidation
  • MILD Mode and Intense Low oxygen Dilution
  • the flameless combustion method described above is, for example, a high temperature air combustion (HiTAC) method using high temperature preheated air.
  • HiTAC high temperature air combustion
  • a heat storage regenerative heat exchanger having a complicated structure is generally required to preheat the air to about 1000 ° C., which increases the cost of the burner and causes the durability. .
  • the MILD method is designed to realize ultra-low NOx without complicated heat exchanger.
  • furnaces widely used in various fields such as thermal power plants, waste treatment combustion furnaces, gasification furnaces, domestic boilers, reformers and heaters for fuel cells, for example, grate combustion furnaces, fluidized bed reactions Furnaces and pyrolysis melt gasification furnaces.
  • the grate-type incineration device disclosed in the above-mentioned Patent Publication No. 10-1144236 is a high-heating combustible waste solid fuel (Refuse-Derived Fuel (RDF) or waste plastic solid fuel (Refuse Plastic Fuel; RPF), etc.
  • RPF waste plastic Solid fuel
  • a movable grate and a fixed grate are arranged in a stairway form alternately, and a grate type incinerator in which the injected waste is incinerated while being moved to the discharge port by the operation of the movable grate, wherein a flow path is formed inside the fixed grate so that the coolant flows along the flow path. Cooling the stationary grate, and the air introduced into the movable grate After the warm-up through the exhaust holes formed in the movable grate relates to a child hwagyeok incinerator, characterized in that to be supplied into the incinerator.
  • an example of the related art for the fluidized bed reactor is, for example, a "circulating fluidized bed combustion apparatus and its combustion method" as shown in Korean Patent Publication No. 10-2013-0077657.
  • the present invention relates to a circulating fluidized bed combustor capable of appropriately adjusting the temperature of a recovery section and a combustion method thereof.
  • an example of the prior art for the above-mentioned pyrolysis melt gasifier is, for example, "gasification furnace and a method for treating combustible materials using the same" as presented in Korean Patent Publication No. 10-1323636.
  • Patent No. 10-1323636 discloses a gasification furnace and a method for treating combustible materials using the same, in communication with the gasification unit into which the combustible material is injected, the deposition unit communicating with the lower part of the gasification unit, and the side of the deposition unit.
  • the present invention relates to a gasification furnace and a method of treating combustible materials using the same, which can provide a synthesis gas having a low amount of harmful substances.
  • the high concentration of NOx is generated by the high temperature in the flame zone, high temperature resistant industrial furnace material is required, and the operating range is limited, the heat transfer design is difficult, and occurs at high temperature
  • the problem of the conventional mixed combustion and multistage combustion industrial furnaces which had the problem of contamination of heat transfer surface due to melting of the ash component, and the uniform temperature over the entire combustion chamber space due to the injection of hot preheated air in the same direction as the fuel
  • a uniform temperature distribution in the combustion chamber so that a uniform combustion reaction occurs in the entire combustion chamber space. Formation of NOx and incomplete combustion materials reduces the combustion efficiency and acid gas problems
  • One desirable to provide a new method of industrial combustion that can solve at the same time, yet the device or to a method of satisfying all these demands is the actual circumstances that does not provide.
  • FGR gas recirculation
  • the waste incineration method and apparatus for recycling the incinerator exhaust gas disclosed in the above-mentioned Patent Publication No. 10-0689788 and mixing with oxygen recycle the exhaust gas generated in the waste incineration process and mix with oxygen
  • the waste incineration combustion process By reusing waste in the incineration combustion process, not only the emission of exhaust gas is greatly reduced, but also the heat conversion efficiency of the exhaust gas is recovered to increase the amount of heat generated, and the oxygen enrichment rate is increased. It relates to an incineration method and apparatus for improving the.
  • the existing FGR system is to add some exhaust gas to the existing combustion air
  • the degree of pollution is limited in reducing pollutants, and the cost of equipment increases by increasing the flow rate by circulating the flue gas flowing out of the chimney.
  • the clinker caused by local overheating of the furnace wall, which is a problem in the existing combustion furnace. Problems such as generation, boiler pipe corrosion, furnace wall damage, etc. are not completely solved, and there are problems such as corrosion of the FGR nozzle pipe by acid gas contained in the exhaust gas.
  • the conventional FGR technology as described above has a slight effect on reducing NOx by introducing exhaust gas in a combustion chamber in a manner similar to air input, but has a disadvantage in that the gas residence time in the combustion chamber is shortened due to an increase in the amount of exhaust gas.
  • the reaction efficiency due to turbulence is low due to the limitation of low-speed gas injection.
  • a fuel cell is an environmentally friendly energy source utilizing the reverse electrolysis of water, and a fuel cell for a relatively large scale power generation is conventionally known as a first generation fuel cell.
  • PAFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • MCFC Solid Oxide Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • a phosphoric acid fuel cell is a fuel cell using liquid phosphoric acid as an electrolyte, and is expensive to manufacture due to the use of an electrode made of carbon paper and a platinum catalyst, which is an impurity in hydrogen gas supplied as a fuel. Carbon monoxide tends to be damaged by carbon monoxide, and liquid phosphoric acid is solidified at 40 ° C., so it is difficult to start and continuous operation is also limited.
  • molten carbonate fuel cells operate at a high temperature of 650 ° C., thus enabling the use of inexpensive nickel instead of platinum as a catalyst for electrode materials.
  • various fuels such as coal gas, natural gas, methanol, biomass, etc., which are difficult to use in low temperature fuel cells using platinum, the development of a corrosion resistant material for using molten carbonate that is highly corrosive at high temperature. There is a problem that requires technical verification, such as economic problems and securing life, reliability.
  • a solid oxide fuel cell is a fuel cell that uses a solid oxide capable of permeating oxygen or hydrogen ions as an electrolyte, and operates at the highest temperature (700 to 1000 ° C.) of all fuel cells. Due to the solid components, the structure is simpler than other fuel cells, and there is no problem of loss, replenishment, and corrosion of electrolyte.In addition, since it operates at high temperature, no precious metal catalyst is required, and fuel supply through direct internal reforming is possible. Since it is easy to discharge high-temperature gas, heat-combined power generation using waste heat is possible, and research and development is being actively conducted in developed countries such as the United States and Japan.
  • Examples of the prior art for such a fuel cell system include, for example, "fuel cell power generation system” disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-051793, and WO 2003/041201. "Fuel cell system and its starting method” presented in Korean Patent Application Publication No. "Fuel cell power generation system and fuel cell power generation stopping method” presented in WO 2001/97312, and “Korean Patent Publication No. 10-0405142" Fuel cell power generation system "and the like, conventionally, the research and development has been made for a power generation system using a fuel cell, these conventional fuel cell systems had the following problems.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention, high concentration of NOx is generated by the high temperature of the flame zone, high thermal resistance industrial furnace material is required, operating range
  • problems of the conventional mixed combustion and multistage combustion industrial furnaces which have difficulty in heat transfer design, contamination of heat transfer due to melting of ash components generated at high temperature, and high temperature preheating air
  • the purpose of this invention is to provide a flameless combustion industrial furnace using a reverse air injection system that can reduce both NOx and incomplete combustion materials by forming a temperature distribution and solve both combustion efficiency and acid gas problems.
  • another object of the present invention is to apply a reverse air injection system as described above to a general combustion furnace, such as a gas recirculation (FGR) system, so that a small number of high-speed nozzles, rather than a number of low-speed nozzle arrangements, such as conventional FGR systems 2 to 3 times of the total flue gas flow rate by injecting the vertical flue gas jet from the combustion furnace or boiler ceiling near the flue gas outlet to induce the recirculation of the flue gas to draw up and circulate downward.
  • FGR gas recirculation
  • another object of the present invention is to apply the reverse air injection method as described above to the fuel cell system, that is, when the flow rate of the reaction oxidant is reduced to less than the equivalent air to operate the normal fuel is reformed to hydrogen and carbon monoxide
  • expensive catalysts such as fuel reforming and reforming catalysts and combustion catalysts generated in various industrial processes such as fuel cell systems and steelmaking process systems are used, and a burner for heating a catalytic reformer is necessary.
  • the operating cost increases, and it takes a long time to increase the temperature to the operating temperature due to the thermogravimetric effect of the catalyst, and if the input of moisture or air, which acts as an oxidant in the catalytic reaction, is inappropriate, local carbon is generated on the catalyst surface.
  • the catalystless reformer using a high-speed reverse air nozzle injection method without a catalyst is used.
  • the catalystless reformer using a high-speed reverse air nozzle injection method without a catalyst is used.
  • By maximizing the gas recirculation in the reactor to achieve uniformity of temperature and chemical reaction it eliminates the need for additional parts such as burners and heat exchangers to increase the catalyst temperature, and the time required to reach the normal operating conditions of the system. It is to provide a non-catalyst fuel reformer using a high speed reverse air nozzle having a low production cost and a low manufacturing cost due to reduced resources, and a fuel cell system using the same.
  • the combustion furnace is a combustion operation; A burner installed at one end of the combustion furnace for burning fuel in the combustion furnace; A heat exchanger for transferring heat in the combustion furnace; A fuel inlet connected to the burner to supply fuel into the combustion furnace; And at least one air inlet formed at the other end of the combustion furnace on the opposite side of the fuel inlet to supply air into the combustion furnace, the air being supplied in a direction opposite to the fuel injection direction.
  • a flameless combustion industrial furnace using a reverse air injection method is provided.
  • the industrial furnace is characterized in that it further comprises an air supply means for supplying air through the air inlet.
  • the air supply means is characterized in that it comprises an air pump for injecting air at high speed through the air inlet.
  • the industrial furnace is configured to further include a nozzle for injecting air through the air inlet, characterized in that configured to be able to control the flow rate of the injected air by changing the number of the nozzle.
  • the industrial furnace is characterized in that it is configured to distribute a part of the air injected through the air inlet to the fuel inlet side to control the temperature of the burner portion.
  • the industrial furnace is characterized in that it is configured to be used as combustion air for combustion by injecting preheated air heated at room temperature or a predetermined constant temperature into the combustion furnace through the air inlet.
  • the industrial furnace is characterized in that it is configured to prevent the occurrence of fouling and slag due to local heating and melting of the ash on the heat transfer surface by a uniform temperature distribution in the combustion chamber.
  • the industrial furnace is characterized by being configured to be applicable not only to gas combustion but also to combustion and gasification of liquid or solid fuel.
  • a combustion method characterized in that the combustion method is configured to perform a combustion or gasification reaction of gas, liquid or solid fuel using the flameless combustion industrial furnace using the reverse air injection method described above Is provided.
  • the existing Flue Gas Recirculation (FGR) system which is configured to circulate the exhaust gas at the rear end at the same or similar position as the combustion air, has a limitation in reducing the pollutants, and the equipment design and manufacturing cost are high.
  • IIFGR Internally Induced Flue Gas Recirculation
  • a system comprising: a combustion furnace in which a combustion operation takes place; A burner installed at one end of the combustion furnace; A fuel inlet connected to the burner to supply fuel into the combustion furnace; And a reverse gas recirculation (IIFGR) nozzle configured to create a flue gas internal recirculation zone that draws and circulates a rising flue gas by injecting a high velocity air jet vertically downward near the flue gas outlet of the upper portion of the furnace.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • the combustion furnace is characterized by using a grate type combustion furnace.
  • the combustion furnace is characterized by using a fluidized bed reactor.
  • the combustion furnace is characterized by using a pyrolysis melt gasification furnace.
  • the said IIFGR nozzle is characterized by using the high speed nozzle of 60 m / s or more.
  • the reverse gas recirculation system by using a plurality of low-speed nozzles, instead of the conventional gas recirculation (FGR) system configured to achieve the recirculation of the exhaust gas, the high-speed air jet in the vertical downward near the exhaust gas outlet to rise
  • the reverse gas recirculation (IIFGR) nozzle consisting of the high-speed nozzle at the upper end of the combustion furnace to create an exhaust gas internal recirculation zone for drawing and circulating the flue gas, thereby providing a total exhaust gas flow rate by the exhaust gas internal recirculation zone.
  • a catalyst including a reforming catalyst and a combustion catalyst and a burner for reforming the heating are required, thereby increasing the complexity and operating cost, and it takes a long time to increase the operating temperature due to the thermogravimetric effect of the catalyst.
  • carbon is generated on the surface of the catalyst.
  • the fuel cell stack comprises; A catalystless reformer for injecting and mixing fuel and air in opposite directions to supply the fuel cell stack; And a heat exchanger for circulating heat generated in the fuel cell stack, and a fuel cell system to which a catalyst-free reformer using a high-speed reverse air injection is applied.
  • the non-catalyst fuel reformer may include a reaction furnace in which fuel and air are mixed; A fuel inlet formed on one side of the reactor; An exhaust port formed at an opposite side of the fuel injection port; And at least one high speed reverse air nozzle for injecting high speed air in a direction opposite to the fuel injection direction in the vicinity of the exhaust port.
  • non-catalyst fuel reformer is configured to inject air in a direction opposite to the injection direction of the fuel through the high-speed reverse air nozzle with an air input amount equal to or less than the equivalent air amount.
  • the high-speed reverse air nozzle is characterized in that it is configured by using a high-speed nozzle of 60 m / s or more.
  • the non-catalyst fuel reformer creates a strong turbulent recirculation zone in the reactor by injecting high velocity air from the high speed reverse air nozzle to maximize gas recirculation throughout the reactor.
  • a uniform chemical reaction and rapid temperature increase are possible without a separate catalyst, and It is characterized in that it is configured to convert the hydrogen atoms and carbon atoms contained in the fuel to hydrogen and CO required for the fuel cell reaction without using water.
  • non-catalyst fuel reformer is characterized in that the combustion reaction heat is generated by the amount of the injected air, characterized in that configured to be able to control the operating temperature by controlling the amount of air.
  • non-catalyst fuel reformer is characterized in that it is configured to be able to control the pressure in the reactor to a high pressure by the simplicity of the structure that the burner and the heat exchanger for raising the catalyst is unnecessary.
  • non-catalyst fuel reformer is configured to control the pressure in the reactor to a high pressure and to recycle the anode outlet gas using an ejector to recycle as fuel, thereby lowering the fuel flow rate and exhaust gas outlet temperature. It is characterized by being configured to increase the overall efficiency by increasing.
  • the production of NOx and incomplete combustion materials is reduced by injecting air in the opposite direction of the fuel and combustion gas flow to form a combustion reaction, thereby forming a uniform temperature distribution in the entire combustion chamber.
  • flameless combustion industrial furnace is provided by using reverse air injection method, high concentration NOx is generated by high temperature in flame zone, and high temperature resistant industrial furnace material is needed.
  • the combustion gas rising by the vertical downward high-speed air jet in the combustion furnace or boiler ceiling near the exhaust gas outlet By inducing a recirculation area inside the flue gas which draws down and circulates down, it generates a strong recirculation of 2 ⁇ 3 times of the total flue gas flow rate, and creates a strong turbulent flow by a high speed air jet nozzle, By inducing temperature and reaction field, it provides reverse gas recirculation system with high efficiency reactivity by internal induction flow recirculation which is configured to reduce the emission of NOx and CO simultaneously and improve the operation performance by stabilizing reaction of exhaust gas circulation zone.
  • a non-catalyst fuel reformer of a high-speed reverse air nozzle injection method without using a catalyst, it is possible to reduce the operating cost due to the periodic replacement of the catalyst, to maximize the gas recirculation in the reactor to uniform temperature And uniformity of chemical reactions, and additional parts such as burners and heat exchangers for raising the temperature of catalysts are eliminated, and the time and resources required to reach the normal operating conditions of the system are reduced.
  • a fuel cell system employing a non-catalyst fuel reformer using a high-speed reverse air injection method having high cost it is possible to use expensive catalysts such as reforming catalysts and combustion catalysts, and to require a burner for heating the catalytic reformer.
  • 1 is a view schematically showing the overall configuration of a conventional mixed combustion industrial furnace.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the overall configuration of a conventional multi-stage combustion type industrial furnace.
  • FIG 3 is a view schematically showing the overall configuration of a flameless combustion industrial furnace using a reverse air injection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the overall configuration of an experimental apparatus for verifying the performance of the flameless combustion industrial furnace using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view schematically showing the overall configuration and experimental results of the experimental apparatus for performing a combustion experiment using the conventional mixed combustion method industrial furnace shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view schematically showing the overall configuration and experimental results of the experimental apparatus for performing a combustion experiment using the flameless combustion industrial furnace using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the overall configuration of a conventional FGR system.
  • FIG. 8 is a view schematically showing the overall configuration of the reverse gas recirculation system having a high efficiency reactive capacity by the internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view schematically illustrating a specific configuration of an IIFGR nozzle installed in a reverse gas recirculation (IIFGR) system having high efficiency reactivity by internal induction fluid recirculation according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 8.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • FIG. 10 is a view schematically showing a configuration in the case of applying a reverse gas recirculation (IIFGR) system having a high efficiency reactive capacity by the internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention to a conventional grate type combustion furnace.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • FIG. 11 is a view schematically illustrating a configuration of a case where a reverse gas recirculation (IIFGR) system having high efficiency reactivity by internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention is applied to a conventional fluidized bed reactor.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • FIG. 12 is a view schematically showing the overall configuration of a conventional fuel cell system.
  • FIG. 13 is a view schematically showing the overall configuration of a fuel cell system using a non-catalyst fuel reformer using a fast reverse air injection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view schematically illustrating a specific configuration of a non-catalyst fuel reformer using a high speed reverse air injection method applied to a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 13.
  • 15 is a table showing the results of a fuel cell fuel gas manufacturing experiment using a fuel cell system to which a non-catalytic fuel reformer using a high speed reverse air injection method according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a view showing a result of verifying the performance of the conventional fuel cell system using a process analysis program.
  • 17 is a view showing a result of verifying the performance of a fuel cell system to which a non-catalyst fuel reformer using a fast reverse air injection method according to an embodiment of the present invention using a process analysis program.
  • FIG. 18 is a view showing a result of verifying the performance of a fuel cell system using a non-catalyst fuel reformer using a high speed reverse air nozzle according to an embodiment of the present invention using an ejector.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the overall configuration of the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to the embodiment of the present invention.
  • the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to the embodiment of the present invention includes a combustion furnace 31 in which combustion occurs, a burner 32 for burning fuel, and combustion It is similar to the conventional industrial furnaces in that the heat exchanger 33 for heat transfer in the furnace 31 is similar, but the conventional industrial furnaces in that there is no mixer for mixing fuel and air to supply the combustion furnace. Is different.
  • the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to the embodiment of the present invention as shown in Figure 3, the fuel inlet 34 for supplying fuel and the air for supplying air It is characterized in that the injection holes 35 are formed in opposite directions, respectively.
  • the fuel inlet 34 is disposed at one end of the combustion furnace 31. Only fuel is supplied by being connected to the burner 32 installed, and at least one air inlet 35 is formed at the other end of the combustion furnace 31 on the opposite side, so that air is supplied in a direction opposite to the fuel injection direction. It is configured to be.
  • the configuration of forming a combustion reaction by injecting air in the opposite direction of the combustion gas flow is a method that has not been attempted in a conventional general industrial furnace, that is, a conventional flameless combustion method (FLOXTM, MILD) and fuel and
  • FLOXTM flameless combustion method
  • MILD magnetic resonance melting method
  • the configuration for injecting air in the same direction has been proposed, but the configuration for injecting fuel and air in opposite directions as in the present invention has not been proposed.
  • the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to the embodiment of the present invention described above although not shown, as a means for supplying air through the air inlet 35, for example It may further comprise an air supply means, such as an air pump, it can be configured to enable air injection at high speed.
  • an air supply means such as an air pump
  • the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention can control the input air flow rate by changing the number of nozzles for injecting air through the air injection hole 35.
  • a portion of the injected air may be distributed to the fuel inlet 34 to control the temperature of the burner portion.
  • the configuration of the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention by the high-speed air injection by the air supply means such as an air pump Strong turbulent mixing takes place in the furnace, and as fuel and air are introduced from a distance, uniform combustion reactions occur in the entire combustion chamber space, thereby generating flameless combustion and uniform temperature distribution in the combustion chamber. It becomes possible.
  • the air supply means such as an air pump
  • the conventional flameless combustion method generally used high-temperature preheated air, according to the configuration of the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to the embodiment of the present invention as described above, It can be used as combustion air for combustion, from room temperature air to high temperature preheated air.
  • the reaction occurs in a uniform temperature field of about 1000 degrees Celsius in the entire combustion chamber space Accordingly, low NOx is generated, and incomplete combustion materials such as CO are emitted low by promoting combustion reaction by high turbulent mixing, thereby simultaneously solving combustion efficiency and acid gas problems.
  • the gasification reaction has a high efficiency reaction efficiency, which requires high heat transfer performance and uniform reaction performance, such as thermal power plants, various industrial furnaces, waste treatment combustion furnaces, gasification furnaces, domestic boilers, fuel cell reformers, and heaters. It is widely applicable to facilities.
  • Figure 4 shows the overall configuration of the experimental apparatus for verifying the performance of the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention configured as described above It is a figure which shows schematically.
  • the experimental apparatus for the combustion experiment of the present embodiment by installing a plurality of temperature sensors 41 in a row from the burner side where the fuel is burned to the discharge port through which the combustion gas is discharged, The temperature distribution can be measured, and a gas sensor 42 is attached to the gas outlet side to analyze the components of the exhaust gas.
  • the plurality of temperature sensors 41 may be configured using, for example, K-type thermo couples, and the gas sensor 42 may be, for example, TESTO-.
  • 330 can be configured using a 2LL Gas Analyzer.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the overall configuration and experimental results of an experimental apparatus for performing a combustion experiment using a conventional combined combustion type industrial furnace.
  • the temperature deviation from the burner portion of the combustion furnace to the gas outlet portion is the temperature 1135 near the burner which is the highest temperature. It can be seen that a temperature deviation of about 400 ° C. occurred from the gas discharge temperature of 748 ° C. at the lowest temperature.
  • FIG. 6 is a general configuration and experimental results of an experimental apparatus for performing a combustion experiment using the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows schematically.
  • the results of the combustion experiment using the flameless combustion industrial furnace 30 using the reverse air injection method according to an embodiment of the present invention first, the cold fuel in the temperature distribution
  • the burner and the air inlet portion where the and air are injected are 801 °C and 888 °C with the lowest temperature, the maximum temperature is 939 °C between the fuel and air, and the temperature deviation between the highest and the lowest temperature is about 130 As a degree C, the temperature distribution is relatively uniform compared to 400 ° C. of the conventional mixed combustion industrial furnace shown in FIG. 5, which indicates that a uniform reaction occurs in the entire space of the combustion furnace.
  • the flameless combustion industrial furnace using the reverse air injection method according to the present invention can be implemented.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the overall configuration of a conventional FGR system.
  • FIG. 7 shows a case where the FGR system is applied to a grate type combustion furnace as an example of the conventional FGR system.
  • the grate type combustion furnace 70 provided with the conventional FGR system shown in FIG. 7 is divided roughly into the combustion furnace 73 provided with the primary combustion chamber 71 and the secondary combustion chamber 72; And a grate 74 disposed below the combustion furnace 73 and a plurality of air injection nozzles for supplying the exhaust gas recycled to the secondary combustion chamber 72 and the grate 74, respectively. 75), a fuel injection unit 76 for supplying fuel to the combustion furnace, and an exhaust gas discharge unit 77 for discharging the exhaust gas.
  • the exhaust gas at the rear end is circulated at the same or similar position as the combustion air to increase the flow rate of the combustion gas, thereby lowering the combustion chamber temperature to reduce NOx or the like. It is configured to reduce pollutants, and generally, flue gas is injected near primary air or secondary air, and low temperature flue gas from chimney or IDF (Induced Draft Fan) outlet is injected into the hot combustion zone to reduce the local superheat temperature. It is configured to lower and reduce NOx.
  • the conventional FGR system as described above has a limitation in reducing pollutants such as CO at the level of adding some exhaust gas to the existing combustion air, and also increases the flow rate by circulating the exhaust gas exiting the chimney. As a result, the design reference capacity is increased, increasing the burden on facility design and manufacturing costs.
  • the conventional FGR system also has a problem that corrosion occurs in the FGR nozzle pipe due to the acid gas contained in the exhaust gas when the capacity of the acid gas removing facility is insufficient.
  • the conventional FGR technology has a somewhat effective effect of reducing NOx by introducing exhaust gas into the combustion chamber in a similar manner as injecting air into the combustion chamber, but there is a disadvantage in that the gas residence time in the combustion chamber is shortened due to the increased amount of exhaust gas. There is also a problem that the reaction efficiency due to turbulence is low due to the limitation of low-speed gas injection.
  • the present inventors use a reverse high-speed air injection method as described above, rather than a low-speed nozzle arrangement like the conventional FGR system, and the combustion furnace or boiler near the exhaust gas outlet.
  • a reverse high-speed air injection method as described above, rather than a low-speed nozzle arrangement like the conventional FGR system, and the combustion furnace or boiler near the exhaust gas outlet.
  • the new configuration can reverse gas recirculation system is configured to increase the; a (Internally Induced Flue Gas Recirculation system hereinafter referred to as "IIFGR system") was proposed.
  • IIFGR system Internally Induced Flue Gas Recirculation system
  • FIG. 8 is a view schematically showing the overall configuration of a reverse gas recirculation system having high efficiency reactivity by internally induced flow recirculation according to an embodiment of the present invention.
  • a reverse gas recirculation (IIFGR) system 80 having high efficiency reactivity by internally induced flow recirculation includes a combustion furnace 81 in which a combustion operation is performed, and a combustion furnace.
  • a burner 82 provided at one end of the 81, a fuel injection port 83 connected to the burner 82 for supplying fuel into the combustion furnace 81, and supplying air into the combustion furnace 81;
  • a reverse gas recirculation (IIFGR) nozzle 84 formed on the opposite side of the fuel injection port 83, so that air is supplied in a direction opposite to the fuel injection direction.
  • the above-described combustion furnace 81 may be configured by using various industrial furnaces such as, for example, a grate combustion furnace, a fluidized bed reactor, a pyrolysis melt gasification furnace, and the like. Although a description of the specific configuration or operation thereof is omitted, it should be noted that the IIFGR system 80 according to the embodiment of the present invention has an advantage that can be widely applied to various conventional combustion furnaces and reactors.
  • IIFGR nozzle 84 may be configured using, for example, a high speed nozzle of 60 m / s or more.
  • FIG. 9 is an IIFGR installed in a reverse gas recirculation (IIFGR) system 20 having high efficiency reactivity by internally induced flow recirculation according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is a figure which shows the specific structure of the nozzle 24 schematically.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • the exhaust gas is recycled using a plurality of low-speed nozzles, but the IIFGR system 80 according to the embodiment of the present invention applies a small number of high-speed nozzles as shown in FIG. 9.
  • a flue gas internal recirculation zone 91 which draws up and circulates the rising flue gas by injecting a vertical downward high speed air jet from a combustion furnace or boiler ceiling near the flue gas outlet.
  • the exhaust gas internal recirculation region 91 as described above achieves a strong recirculation of 2 to 3 times the total flue gas flow rate, and a strong turbulent flow is formed by the high-speed air jet nozzle of 60 m / s or more level.
  • uniform temperature and reaction field are induced in the combustion chamber internal space.
  • the local overheating area of the combustion chamber or boiler can be drastically reduced, thereby reducing the damage of the refractory material or the boiler water pipe. Therefore, the durability of the whole facility can be increased.
  • FIG. 10 is a case where a reverse gas recirculation (IIFGR) system 80 having high efficiency reactivity by internal induction flow recirculation according to an embodiment of the present invention is applied to a conventional grate type combustion furnace. It is a figure which shows schematically the structure of this.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • a reverse gas recirculation (IIFGR) system 80 having high efficiency reactivity by internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention configured as described above is applied to an existing grate type combustion furnace.
  • the exhaust gas recirculation zone as described above is maximized in the upper part of the secondary combustion chamber to maximize the mixing effect, thereby inducing not only combustion of unburned fuel but also uniform temperature distribution to reduce local overheating zone, thereby improving durability of the facility.
  • Figure 11 is a case of applying a reverse gas recirculation (IIFGR) system 80 having a high efficiency reactivity by the internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention to a conventional fluidized bed reactor It is a figure which shows a structure schematically.
  • IIFGR reverse gas recirculation
  • the conventional fluidized-bed reactors induce uniform mixing and reaction in the fluidized bed (primary combustion chamber) due to the nature of the fluidized bed, but incomplete combustion occurs when operating at low oxygen concentrations due to insufficient air input. In this case, there is a problem that complete mixing does not occur depending on the fuel injection position. In this case, as in the above-described grate type combustion furnace, there is a limit to only the secondary air in the freeboard (secondary combustion chamber). .
  • the conventional pyrolysis melt gasification furnace but the damage of the refractory material can easily occur due to the local superheat due to the nature of the high-temperature melting furnace, but the reverse gas recirculation having high efficiency reactivity by the internal induction fluid recirculation according to an embodiment of the present invention ( The application of the IIFGR) system 80 can easily solve this problem.
  • the simulation results showed that CO was 305ppm and NO was 234ppm without IIFGR, but when IIFGR was applied, it was confirmed that CO was 4.3ppm and NO was 222ppm. From these results, according to the present invention, IIFGR When applied, it can be seen that a small amount of NOx is reduced but CO can be abruptly reduced to a level of 1/100, that is, it indicates that complete combustion of incomplete combustion materials is possible.
  • the present inventors also conducted a performance test on the Nonsan sewage sludge fluidized bed incinerator.
  • the fluidized bed specifications are 70cm in height, 1m in inner diameter, freeboard specifications are 2m in height, 1.2m in inner diameter, combustion gas oxygen concentration is 6%, CO concentration is 5000ppm, total air
  • the input was 1500 Nm / hr and the IIFGR input was 10% of the total air volume.
  • the combustion experiment was carried out in a fluidized bed incinerator of sewage sludge + coal.
  • the IIFGR nozzle effect was not shown at the fluidized bed temperature of 600 °C and the freeboard temperature of 400 °C, but at the fluidized bed temperature of 800 °C and the freeboard temperature of 650 °C, CO 5000 ppm and 1800ppm were applied when IIFGR was not applied. It confirmed that it became.
  • the application of IIFGR according to the present invention has a greater effect at a higher temperature, that is, considering that the temperature of a generally operated incinerator is about 800 °C, by the application of IIFGR according to the present invention It is expected that a higher CO reduction effect can be obtained.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating an overall configuration of a conventional fuel cell system 120.
  • the conventional fuel cell system 120 is roughly divided into a fuel cell stack 121 including a plurality of fuel cells, a catalyst reformer 122 for reforming a catalyst, and a catalyst reformer ( Burner 123, water evaporator 124, and heat exchanger 125 for heating 122.
  • the fuel cell system 120 of the fuel cell system 120 requires a burner 123 for heating the catalyst reformer 122, and generates heat loss due to water supply for smooth catalyst reforming without carbon generation. Due to the difficulty in controlling, it takes a long time due to the complexity of the system and the thermogravimetric effect of the catalyst at the start and stop, and difficult to control for stable operation.
  • FIG. 13 schematically illustrates the overall configuration of a fuel cell system 130 to which a non-catalyst fuel reformer using a high speed reverse air injection method according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
  • the fuel cell system 130 includes a fuel cell stack 131 including a plurality of fuel cells. Circulating heat generated by the non-catalyst fuel reformer 132 and the fuel cell stack 131 including a high speed reverse air nozzle to supply the fuel cell and the air to the fuel cell stack 131. It is possible to configure the fuel cell system only by a simple configuration of the heat exchanger 133 for the purpose of, it is different in that it is configured to achieve a reduction in the production cost and ease of operation by simplifying the system.
  • FIG. 14 is a detailed view of the non-catalyst fuel reformer 132 using the fast reverse air injection method applied to the fuel cell system 130 according to the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 13. It is a figure which shows a structure schematically.
  • the non-catalyst fuel reformer 132 using the fast reverse air injection method applied to the fuel cell system 130 according to the exemplary embodiment of the present invention includes a reactor 141 in which fuel and air are mixed. ), A fuel inlet 142 formed on one side of the reactor 141, an exhaust port 143 formed on the opposite side of the fuel inlet 142, and an outlet of the reactor 141 in which the exhaust port 143 is located. At least one high-speed reverse air nozzle 144 for injecting high-speed air in the made.
  • the high speed reverse air nozzle 144 may be configured using a high speed nozzle of 60 m / s or more.
  • the air is injected at a high speed in the direction opposite to the injection of fuel through the high speed reverse air nozzle 144, where
  • the inside of the reactor 141 is made into the flameless area, and the gas recirculation in the reactor is maximized to achieve uniformity of temperature and chemical reaction, while CO and hydrogen required for the fuel cell reaction are achieved.
  • the conventional fuel cell systems have a problem in that a soot is formed by the presence of a fuel excess region in a high temperature local region in an incomplete mixture state of a fuel and an oxidant, but a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • 130 includes a non-catalyst fuel reformer 132 using a high-speed reverse air injection method configured as described above, whereby a flame-free region is formed in the reactor 141, so that the equivalent amount of air is generally lower than There is little generation of soot generated, there is an advantage that does not cause problems in the reaction of the fuel cell operated at high temperatures, such as MCFC or SOFC.
  • the fuel cell system 130 includes the non-catalyst fuel reformer 132 using the high speed reverse air injection method configured as described above, whereby the entire region of the reactor 141 is provided.
  • the reaction is characterized in that the ideal reforming reaction is possible.
  • the fuel cell system 130 includes a catalyst-free reformer 132 using a high-speed reverse air injection method, which is configured as described above, so that there is no catalyst in the reactor. This eliminates the need for additional components such as burners or heat exchangers for elevated temperatures, and reduces the time and resources required to reach the normal operating conditions of the system.
  • the fuel cell system 130 includes a non-catalyst fuel reformer 132 using a high speed reverse air injection method configured as described above, thereby using a flameless reactor having characteristics of autothermal reforming. Even without the use of additional water, the hydrogen and carbon atoms contained in the fuel can be converted into hydrogen and CO for the fuel cell reaction.
  • the high speed reverse air nozzle 144 installed on the opposite side of the fuel inlet 142 is generated by injecting high speed air.
  • a strong turbulent recirculation zone in the reactor allows rapid mixing of the fuel coming from the fuel port with air and reaction in a uniform temperature space, resulting in near-equilibrium reaction results without a separate catalyst.
  • the non-catalyst fuel reformer 132 using the high-speed reverse air injection method according to the embodiment of the present invention generates heat of combustion reaction as much as the amount of injected air, so that the operating temperature can be easily controlled by adjusting the air amount, and thus no catalyst is used. Due to the low heat weight of the reactor, the energy that goes into the temperature rise at the start-up is possible and the temperature can be increased quickly, and the time to reach the normal operating conditions of the fuel cell system is shortened, and the simplicity of the structure allows the pressure in the reactor to be controlled at high pressure. have.
  • the flameless combustion reaction is utilized using the fuel cell system 130 to which the catalyst-free reformer using the fast reverse air injection method according to the embodiment of the present invention configured as described above is applied.
  • One fuel cell fuel gas manufacturing experiment result will be described.
  • Figure 15 summarizes the results of the fuel cell fuel gas manufacturing experiment using the fuel cell system 130 to which the non-catalyst fuel reformer using the high-speed reverse air injection method according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows.
  • the fuel cell gas can be manufactured without preheating air and fuel, and thus the fuel cell system 130 to which the catalyst-free reformer using the fast reverse air injection method according to the embodiment of the present invention is applied. ), It can be seen that there is no need for the heat exchanger and the catalytic reformer, which were necessary in the existing fuel cell system.
  • the fuel cell system 130 to which the non-catalyst fuel reformer using the high speed reverse air injection method according to the embodiment of the present invention is not required because a separate water for reforming is not required, and thus, water evaporation is not necessary. There is also no energy loss, thereby enabling the construction of a fuel cell system that is economical and easy to operate.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a result of verifying performance of a conventional fuel cell system using a process analysis program
  • FIG. 17 illustrates a high speed according to an embodiment of the present invention using a process analysis program
  • 2 shows the results of verifying the performance of the fuel cell system 130 to which the non-catalyst fuel reformer using the reverse air injection method is applied.
  • the process analysis results of the conventional fuel cell system is shown in the process diagram that the complex combination of a plurality of heat exchanger, evaporator, reformer, combustor, etc.
  • Raw materials of 0.085 kg / s of fuel, 0.17kg / s of water, and 3.8 kg / s of air are input for the production of 1MW fuel cell power under the condition of 0.2, and exhaust gas has a temperature of 404 °C. Appeared.
  • the process analysis results of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention unlike the existing system is complex with each other and the complexity of operating the system, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure As shown in 17, it has a simple configuration consisting of a simple connection, making it easy to manufacture and operate the system.
  • the flow rate of natural gas, a fuel for producing 1 MW of power is 0.091 kg / s.
  • the temperature of the exhaust gas is 863 ° C., which is higher than that of the existing system, so that the exhaust gas can be used as an energy source of other heat engines, thereby forming a more efficient system.
  • the system is simplified and the efficiency is not inferior due to the disappearance of the moisture evaporator.
  • the outlet gas of the fuel side may be recycled by using an ejector, thereby increasing the efficiency of the system.
  • FIG. 18 is a view showing a result of verifying the performance of the fuel cell system 130 to which the non-catalyst fuel reformer using the high speed reverse air injection method according to the embodiment of the present invention using the ejector. to be.
  • the analysis result of the process of raising the pressure in the non-catalyst reformer of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention and recycling the anode gas using the ejector shows that the fuel flow rate is lowered to 0.079 kg / s.
  • the exhaust gas outlet temperature is increased to 913 °C it can be seen that the overall efficiency increases.
  • the fuel cell system using the flameless combustion industrial furnace using the reverse air injection method, the reverse gas recirculation system, and the non-catalyst fuel reformer using the high speed reverse air injection method according to the embodiment of the present invention as described above.
  • the present invention is not limited only to the contents described in the above-described embodiments, and the present invention is designed by those skilled in the art to which the present invention pertains and requires various other designs. Naturally, various modifications, changes, combinations and substitutions are possible depending on factors.
  • the present invention is configured to inject air in the reverse direction of the fuel and combustion gas flow to form a combustion reaction, so that strong turbulent mixing by high-speed air injection occurs and the fuel and air are introduced at a long distance.
  • a uniform combustion reaction occurs in the entire combustion chamber space, resulting in low NOx.
  • incomplete combustion materials such as CO are emitted low due to the promotion of the combustion reaction by high turbulent mixing, which simultaneously solves combustion efficiency and acid gas problems.
  • it has a wide operating range that can be used for both air at room temperature and high temperature preheated air, and has high efficiency reaction efficiency not only for gas combustion but also for liquid / solid fuel combustion and gasification reactions such as oil, coal, and waste.
  • the recirculation zone is generated by the strong reverse air injection is applied to a small number of high speed nozzles rather than a plurality of low speed nozzle arrays as in the conventional FGR system, so that the combustion furnace or the boiler ceiling is located near the exhaust gas outlet.
  • a non-catalyst fuel reformer of a high-speed reverse air injection method without using a catalyst to reduce the operating cost due to the periodic replacement of the catalyst and a non-high speed reverse air injection method configured to facilitate the operation
  • expensive catalysts such as reforming catalysts and combustion catalysts are used, and a burner for heating the catalytic reformer is necessary, thereby increasing the complexity and operating cost of the system, and the thermogravimetric effect of the catalyst.

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Abstract

본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입함으로써 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와, 배가스 출구에 가까운 연소실 상부에서 하부 방향으로 고속의 가스를 투입함으로써 공해물질을 저감할 수 있는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템과, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용하여 빠른 승온과 촉매의 교체에 따른 운영비용을 절감하고 운영이 용이한 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템
본 발명은 공업반응로(industrial reactive furnace)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 고온의 화염 영역의 존재로 인해 환경오염 물질인 질소산화물(NOx) 발생과 열전달면 오염 및 내구성에 대한 문제가 발생하고, 고온의 예열공기를 사용하여 연료와 공기를 같은 방향으로 투입함으로 인해 열전달면의 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling)과 슬래그(Slagging) 발생의 문제가 있었던 기존의 무화염 연소방식 공업로들의 단점을 개선하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써, 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같은 역방향 공기주입 방식을 가스 재순환 시스템(Flue Gas Recirculation system ; 이하, 'FGR 시스템'이라고도 함)과 같은 일반 연소로에 적용하는 기술내용에 관한 것으로, 더 상세하게는, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시키는 것으로 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되어 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등이 여전히 존재하는데 더하여, 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 등의 여러 가지 문제가 있는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 배가스 출구에 가까운 연소실 상부에서 연소가스 흐름의 역방향으로 고속의 가스를 투입함으로써 연소실 내부에 강한 재순환영역을 유도하고, 그것에 의해, 연소실 내 완전 혼합영역을 형성하여 반응성을 극대화시키는 동시에, 균일한 온도분포 형성에 의해 열전달의 균일화 및 CO, NOx 등의 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같은 역방향 공기주입 방식을 연료전지 시스템에 적용하는 기술내용에 관한 것으로, 더 상세하게는, 개질촉매와 연소촉매 등의 고가의 촉매들이 사용되어 제조비용이 증가하고, 승온 시간이 오래 걸리며, 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용이 높은 단점을 가지는 종래의 고온 연료전지 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용함으로써, 반응로내 가스 재순환을 극대화시켜 온도의 균일화와 화학반응의 균일화를 달성하는 동시에, 촉매 승온을 위한 버너, 열교환기 등 부가적 부품들이 필요 없어지고 시스템의 정상운전조건까지 도달하는데 필요한 시간과 자원이 감소하여, 빠른 승온과 함께 저렴한 제작 및 운전비용을 가지는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
종래, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등 여러 분야에 걸쳐 공업로(industrial furnace)가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 종래의 공업로에 대한 대표적인 예로서는, 예를 들면, 연료와 공기를 연소로에 투입하기 전에 미리 혼합하여 공급하는 혼합 연소방식 공업로가 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소를 위한 연소로(furnace)(11)과, 연료(Fuel)와 공기(Air)를 혼합하여 연소로(11)에 공급하기 위한 혼합기(mixer)(12)와, 혼합기(12)를 통해 공급된 연료를 연소시키기 위한 버너(burner)(13) 및 연소로(11) 내의 열을 순환시키기 위한 열교환기(heat exchanger)(14)를 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)는, 연료(Fuel)와 공기(Air)를 연소로(11)에 투입하기 전에 혼합기(12)에 의해 미리 혼합하여 공급함으로써, 혼합된 연료와 공기의 급격한 연소반응에 의해 적은 공간에서 높은 에너지를 발생 가능하여, 일반적으로, 미분탄, 가스연료, 가솔린엔진 연소 및 석탄 발전소, 열병합 발전소, 자동차, 가정용 연소장치에 주로 사용된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)는, 눈으로 보이는 가시 화염이 존재하는 화염 영역(flame zone)(15)이 생성되어, 이러한 화염영역(15) 부분의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 아울러, 적은 공간에서 발생하는 화염을 안정적으로 유지하기 위해 운전범위가 제한적인 단점이 있다.
더욱이, 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)는, 1000도 정도의 낮은 온도에서는 CO 발생이 높아지므로 1500도 정도의 고온 화염을 유지해야 하나, 이를 위하여 복사 열전달에 의한 안전한 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 부착물(Fouling)과 클링커(Clinker) 현상에 의해 열전달면 오염의 문제가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)의 단점을 개선하기 위해, 공기 또는 연료를 여러 단계로 나누어 연소로에 공급하는 다단 연소방식 공업로(20)가 제시된 바 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 종래의 다단 연소방식 공업로(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 다단 연소방식 공업로(20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연소로(21), 혼합기(22), 버너(23) 및 열교환기(24)를 포함하여 구성되는 점은 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)와 유사하나, 기존의 혼합 연소방식의 높은 화염온도에 의한 문제를 저감하기 위해 공기 또는 연료를 여러 단계로 나누어 연소로(11)에 공급하여 다단계로 연소가 이루어지도록 구성되는 점이 다르다.
따라서 상기한 바와 같은 다단 연소방식 공업로(20)를 이용하면, 기존의 혼합 연소방식에 비하여 다단 연소에 의한 온도 저감에 따른 NOx 저감 효과가 있으나, 이와 같이 다단 연소방식을 사용하더라도, 기존의 혼합 연소방식과 마찬가지로 고온의 화염영역(25)이 존재함으로 인해 NOx 발생과 열 전달면 오염 및 내구성 문제가 여전히 발생하게 된다.
여기서, 상기한 바와 같은 기존의 혼합 및 다단 연소방식의 문제점을 해결하기 위해, 예를 들면, FLOX(Flameless Oxidation) 및 MILD(Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 등과 같이, 불꽃이 없는 상태에서 연소를 가능하게 하는 무화염 연소방식의 공업로가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 무화염 연소방식이 대표적인 예로서는, 예를 들면, 고온의 예열공기를 이용하는 고온공기연소(HiTAC) 방식이 있다.
그러나 고온공기연소(HiTAC) 방식의 경우, 일반적으로, 공기를 1000℃ 가까이 예열시키기 위해 복잡한 구조의 축열재생식 열교환기를 필요로 하며, 이는 버너의 비용 상승과 더불어 내구성 저하의 원인이 되는 문제가 있다.
이에 비해, MILD 방식은 복잡한 구조의 열교환기 없이 초저 NOx를 실현하기 위한 것으로, 발전소나 소각로 내부의 산소 농도와 공기의 예열 온도가 높을수록 고온대의 온도는 상승하나, 산소의 농도를 낮추면 고온대의 온도가 낮아지는 것을 이용하여 질소산화물의 생성반응을 억제하는 방식이다.
아울러, 무화염 연소방식의 공업로들에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0803764호(2008.02.05.)에 개시된 바와 같은 "무화염 축열식 연소설비"와, 한국 등록특허공보 제10-1191739호(2012.10.08.)에 개시된 바와 같은 "고효율, 저 NOx 가열시스템" 및 한국 등록특허공보 제10-1221335호(2013.01.07.)에 개시된 바와 같은 "무화염 연소 혼합장치 및 이 장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템" 등을 참조할 수 있다.
또한, 종래, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등 여러 분야에 걸쳐 널리 사용되고 있는 공업로에 대한 대표적인 예로서는, 예를 들면, 화격자식 연소로, 유동층식 반응로 및 열분해 용융 가스화로 등이 있다.
여기서, 상기한 화격자식 연소로에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1144236호에 제시된 바와 같은 "화격자식 소각장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-1144236호에 제시된 화격자식 소각장치는, 발열량이 높은 가연성폐기물 고형연료(Refuse - Derived Fuel; RDF) 또는 폐플라스틱 고형연료(Refuse Plastic Fuel; RPF) 등의 폐기물을 소각할 시에 발생하는 고온의 열로부터 화격자를 보호하여 내구성을 향상시키고, 폐기물 연소 시에 발생하는 용융물 및 미연분이 화격자들의 틈새로 낙하하여 미연분이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하기 위해, 가동 화격자와 고정 화격자가 교번하여 계단형태로 배치되며 투입된 폐기물을 가동 화격자의 작동에 의해 배출구 쪽으로 이동시키면서 소각하는 화격자식 소각장치에 있어서, 고정 화격자의 내부에는 유로가 형성되어 냉각수가 유로를 따라 유동하며 고정 화격자를 냉각시키고, 가동 화격자의 내부로 유입된 공기는 가동 화격자를 냉각한 후 예열되어 가동 화격자에 형성된 배기공을 통해 소각장치 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 화격자식 소각장치에 관한 것이다.
또한, 상기한 유동층식 반응로에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-2013-0077657호에 제시된 바와 같은 "순환유동층 연소장치 및 그 연소방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-2013-0077657호에 제시된 순환유동층 연소장치 및 그 연소방법은, 대류회수부의 배기가스 일부를 다시 대류회수부(convection path)의 전단으로 순환시킴으로써 대류회수부의 온도를 적절하게 조정할 수 있는 순환유동층 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것이다.
아울러, 상기한 열분해 용융 가스화로에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1323636호에 제시된 바와 같은 "가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-1323636호에 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법은, 가연성 물질이 투입되는 가스화부, 가스화부의 하부로 연통되는 퇴적부 및 퇴적부의 측면으로 연통되며 가열수단을 구비한 용융부를 구비하며, 퇴적부에는 가연성 물질이 채워져 용융부에서 생성된 가스가 가연성 물질을 통과하여 가스화부로 투입됨으로써, 안정적이고 신속하게 가연성 물질을 처리하고, 가열수단의 에너지 소모를 적게 하며, 유해물질이 적은 합성가스를 제공할 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법에 관한 것이다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 무화염 연소방식 공업로들은, 대부분 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해, 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고 국부적 가열이 이루어지는 문제 및 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생의 문제가 여전히 남아 있는 것이었다.
또한, 이러한 종래의 공업로들은, 연소시 발생하는 배기가스 중에 여러 가지 유해가스가 배출되는 문제가 있으며, 더욱이, 최근에는 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 공해물질 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점과, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있는 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위하여는, 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생할 수 있도록 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성함으로써, NOx 및 불완전 연소물질의 생성이 감소되어 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 연소방식의 공업로를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
상기한 바와 같이, 종래 여러 가지 형태의 공업로가 제시된 바 있으나, 이러한 종래의 공업로들은, 연소시 발생하는 배기가스 중에 여러 가지 유해가스가 배출되는 문제가 있으며, 더욱이, 최근에는 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 공해물질 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
이를 위해, 종래, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시키는 것으로 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되는 가스 재순환(FGR) 시스템을 구비한 공업로가 제시된 바 있다.
즉, 상기한 바와 같이 가스 재순환(FGR) 시스템을 구비하여 유해물질의 배출을 저감하기 위한 종래기술의 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0689788호에 제시된 바와 같은 "소각로 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합 적용한 폐기물소각방법 및 그 장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-0689788호에 제시된 소각로 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합 적용한 폐기물소각방법 및 그 장치는, 폐기물 소각과정에서 발생하는 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합하여 폐기물의 소각 연소공정에 재사용함으로써 배기가스의 배출을 대폭 저감할뿐만 아니라, 배기가스의 여열을 회수하여 발열량을 높임과 동시에 산소부화율을 증가시켜 저공기비 고온연소에 의한 연소온도 증가에 따른 에너지 전환효율을 향상시키는 소각방법 및 그 장치에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, FGR 시스템을 통하여 배기가스를 재순환함으로써 유해가스의 배출을 저감하고 에너지 효율을 향상시키는 기술내용이 제시된 바 있으나, 기존의 FGR 시스템은, 기존 연소공기에 일부 배가스를 추가하는 정도의 수준으로는 공해물질 저감에 한계가 있으며, 굴뚝으로 나가는 배가스를 순환시킴에 의해 유량이 증가함으로써 설비 비용이 증가하게 되는데 더하여, 기존의 연소로에서 문제가 되는 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성이나 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등의 문제가 완전히 해결되지 못하고, 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 등의 문제가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 기존의 FGR 기술은, 연소실 내에 공기투입과 유사한 방법으로 배기스를 투입함으로써 NOx 저감에 다소간의 효과가 있으나, 배가스량이 증가하여 연소실 내 가스 체류시간이 짧아지는 단점이 있고, 아울러, 저속 가스 투입의 한계로 난류에 의한 반응효율이 낮다는 문제도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 기존의 FGR 시스템과 같은 저속 노즐 배열이 아닌 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들임으로써 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로써, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능한 동시에, 국부과열 영역을 감소하여 내화재 및 보일러 수관의 손상을 감소하고, 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 새로운 가스 재순환 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
더욱이, 최근, 석유 및 천연가스 등의 기존 에너지 자원의 고갈 우려가 대두되고, 친환경적인 자원에 대한 요구가 높아짐에 따라, 새로운 대체에너지의 일환으로 연료전지(Fuel Cell)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, 연료전지란, 물의 전기분해 역반응을 활용하는 친환경 에너지원으로서, 비교적 큰 규모의 발전을 위한 연료전지로는, 종래, 1세대 연료전지로서 인산염 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell; 이하, 간단히 "PAFC"라고도 함), 2세대 연료전지로서 용용탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell ; 이하, 간단히 "MCFC"라고도 함) 및 3세대 연료전지로서 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; 이하, 간단히 "SOFC"라고도 함)가 각각 개발되어 있다.
여기서, 인산형 연료전지(PAFC)는, 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지로서, 카본지(carbon paper)로 이루어지는 전극과 백금 촉매를 이용함으로 인해 제작 단가가 비싸고, 연료로서 공급되는 수소 가스 내의 불순물인 일산화탄소에 의해 카본지의 백금이 손상되기 쉬우며, 액체 인산은 40℃에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어렵고 지속적인 운전 또한 제약이 따른다는 단점이 있다.
또한, 용용탄산염 연료전지(MCFC)는, 인산형 연료전지(PAFC)와 같은 저온형 연료전지와 달리 650℃의 고온에서 운전되므로 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용이 가능하고, 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 이용할 수 있으나, 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 필요한 문제가 있다.
아울러, 고체산화물 연료전지(SOFC)는, 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없는데 더하여, 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않고, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하며, 고온의 가스를 배출하므로 폐열을 이용한 열복합 발전이 가능하다는 장점이 있어 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 연료전지 시스템에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 일본 특허출원 제2001-051793호에 제시된 "연료전지 발전 시스템"과, 국제 공개특허공보 WO 2003/041201호에 제시된 "연료전지 시스템 및 그 기동방법"과, 국제 공개특허공보 WO 2001/97312호에 제시된 "연료전지 발전시스템 및 연료전지 발전정지방법" 및 한국 등록특허공보 제10-0405142호에 제시된 "연료전지 발전시스템" 등과 같이, 종래, 연료전지를 이용한 발전시스템에 대하여 연구개발이 다양하게 이루어져 왔으나, 이러한 종래의 연료전지 시스템들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, MCFC나 SOFC 등과 같은 종래의 고온 연료전지 시스템들은, 개질촉매와 연소촉매 등의 고가의 촉매들이 사용됨으로 인해 비용이 증가하는 요인이 되고, 또한, 이러한 촉매들의 열중량이 큰 편이므로 필요한 운전온도까지 승온하는데 오랜 시간이 걸리며, 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용이 높은 단점이 있었다.
아울러, 종래의 고온 연료전지 시스템들은, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 촉매 표면에 발생하여 촉매 수명이 단축되는 등의 어려움이 발생하므로, 효과적인 설계와 운영에 어려움이 있다는 문제점도 있었다.
더욱이, 기존의 연료전지 시스템들은, 촉매 개질기 가열을 위한 버너가 반드시 필요하고, 카본 생성이 없는 원활한 촉매 개질을 위한 수분공급에 따른 증발열손실이 발생하며, 시스템의 복잡성과 촉매의 열중량 효과에 의해 시동 및 중지시 시간이 오래 걸리고 안정적 운전을 위한 제어에 어려움이 발생하는 단점도 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래의 고온 연료전지 시스템들의 문제점을 해결하기 위하여는, 촉매를 이용할 필요 없이 무촉매 연료개질기를 이용하여 빠른 승온과 저렴한 제작 및 운전비용을 가지는 새로운 연료전지 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점 및 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 역방향 공기주입 방식을 가스 재순환(FGR) 시스템과 같은 일반 연소로에 적용하여, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 동시에, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역을 획기적으로 줄임으로써 내화재/보일러 수관의 손상을 감소하고, 그것에 의해, 전체 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같은 역방향 공기주입 방식을 연료전지 시스템에 적용하여, 즉, 반응 산화제인 공기의 유량을 줄여서 당량공기 이하로 운영하게 되면 일반 연료가 수소와 일산화탄소로 개질되는 현상을 이용하여, 연료전지 시스템, 제철공정 시스템 등 각종 공업공정에서 발생하는 연료개질 및 개질촉매와 연소촉매 등의 고가의 촉매들이 사용되고 촉매 개질기 가열을 위한 버너가 반드시 필요함으로 인해 시스템의 복잡성 및 운용비용이 증가하고, 촉매의 열중량 효과에 의해 운전온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸리며, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 촉매 표면에 발생하여 촉매 수명이 단축되고, 카본 생성이 없는 원활한 촉매 개질을 위한 수분공급에 따른 증발열 손실이 발생하여 효과적인 설계와 안정적 운전을 위한 제어가 어려운 단점이 있었던 기존의 연료전지 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기노즐 주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용함으로써 반응로 내 가스 재순환을 극대화시켜 온도의 균일화와 화학반응의 균일화를 달성하는 동시에, 촉매 승온을 위한 버너, 열교환기 등 부가적 부품들이 필요 없게 되고, 시스템의 정상운전조건까지 도달하는데 필요한 시간과 자원이 감소하여 빠른 승온과 함께 저렴한 제작 및 운전비용을 가지는 고속 역방향 공기노즐을 이용한 무촉매 연료 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있도록 구성되는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 있어서, 연소작업이 이루어지는 연소로; 상기 연소로 내에서 연료를 연소시키기 위해 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너; 상기 연소로 내의 열을 전달하기 위한 열교환기; 상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및 상기 연소로 내에 공기를 공급하기 위해 상기 연료주입구의 반대측의 상기 연소로의 타단부에 형성되는 적어도 하나의 공기주입구를 포함하여 구성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공된다.
여기서, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 공기를 공급하기 위한 공기공급수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기공급수단은, 상기 공기주입구를 통하여 고속으로 공기를 주입하기 위한 에어펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐을 더 포함하여 구성되고, 상기 노즐의 개수를 변화시켜 주입되는 공기의 유속을 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 주입되는 공기의 일부를 상기 연료주입구 측으로 배분하여 상기 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공업로는, 상온의 공기 또는 미리 정해진 일정 온도로 가열된 예열공기를 상기 공기주입구를 통해 상기 연소로 내에 주입하여 연소를 위한 연소공기로서 사용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 공업로는, 연료와 공기가 상기 연소로의 양단부에서 각각 주입됨에 따라 전체 연소로 내에서 균일한 연소반응이 발생됨으로써, 상기 연소로 내에서 균일한 온도장에 따라 NOx의 발생이 감소되고, 상기 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 상기 연소로 내에서 난류 혼합이 증가됨으로써, 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO를 포함하는 불완전 연소물질의 배출이 저감되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 공업로는, 상기 연소실 내의 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling) 및 슬래그(Slagging) 발생을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공업로는, 가스 연소뿐만 아니라, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응에도 적용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 이용하여 가스, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응을 일으키는 작업을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연소방법이 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하도록 구성되는 기존의 가스 재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR) 시스템은 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상 및 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 문제점들을 해결하기 위한 역방향 가스 재순환(Internally Induced Flue Gas Recirculation ; IIFGR) 시스템에 있어서, 연소작업이 이루어지는 연소로; 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너; 상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및 상기 연소로 상단 부분의 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 구성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 연소로는, 화격자식 연소로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 연소로는, 유동층식 반응로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 연소로는, 열분해 용융 가스화로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 IIFGR 노즐은, 60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 역방향 가스 재순환 시스템은, 다수의 저속 노즐을 이용하여 배가스의 재순환이 이루어지도록 구성되는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템 대신에, 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 상기 고속 노즐로 이루어지는 상기 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 상기 연소로의 상단부에 설치하도록 구성됨으로써, 상기 배가스 내부 재순환영역에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고, 상기 고속 공기제트에 의해 강한 난류 유동이 형성되어 상기 연소로 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되어 NOx 및 CO의 배출량이 감소되고 운전성능이 향상되며, 국부과열 영역이 감소되어 내화재나 배관의 손상이 감소되고, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 개질촉매와 연소촉매를 포함하는 촉매 및 개질기 가열을 위한 버너가 필요하여 복잡성 및 운용비용이 증가하고, 상기 촉매의 열중량 효과에 의해 운전온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸리며, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 상기 촉매 표면에 발생하여 제어가 어려운 단점이 있었던 기존의 연료전지 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 촉매를 이용하지 않음으로써 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용을 절감하고 승온시간을 단축하며, 버너와 열교환기가 필요 없게 되어 시스템의 간소화와 운전비용의 절감 및 운영이 용이하도록 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템에 있어서, 복수의 연료전지를 포함하여 이루어지는 연료전지 스택; 연료와 공기를 서로 반대 방향으로 주입 및 혼합하여 상기 연료전지 스택에 공급하기 위한 무촉매 연료 개질기; 및 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 순환시키기 위한 열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 무촉매 연료 개질기는, 연료와 공기의 혼합이 이루어지는 반응로; 상기 반응로의 일측에 형성되는 연료투입구; 상기 연료투입구의 반대편에 형성되는 배기구; 및 상기 배기구의 근처에서 상기 연료의 투입방향과 반대 방향으로 고속의 공기를 투입하기 위한 적어도 하나의 고속 역방향 공기노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무촉매 연료 개질기는, 공기 투입량을 당량 공기량 이하로 하여 상기 고속 역방향 공기노즐을 통해 상기 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기를 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 고속 역방향 공기노즐은, 60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 무촉매 연료 개질기는, 상기 고속 역방향 공기노즐에서 고속의 공기를 분사하는 것에 의해 상기 반응로 내에 강한 난류 재순환영역을 생성하여 상기 반응로 전체 영역에서 가스 재순환을 극대화킴으로써 상기 반응로 내 온도를 균일화하고 무화염 반응을 유도하며, 상기 연료투입구로부터 투입되는 연료를 공기와 빠르게 혼합시켜 균일한 온도 공간에서 반응시키는 것에 의해 별도의 촉매가 없이도 균일한 화학반응 및 빠른 승온이 가능하고, 추가적인 물을 사용하지 않고 상기 연료에 포함된 수소 원자와 탄소 원자를 연료전지 반응에 필요한 수소와 CO로 전환시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무촉매 연료 개질기는, 투입된 공기량만큼 연소반응열이 발생하는 것에 의해, 상기 공기량을 조절하여 운전온도를 제어 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 무촉매 연료 개질기는, 촉매 승온을 위한 버너 및 열교환기가 필요 없게 되는 구조의 단순성에 의해 상기 반응로 내의 압력을 고압으로 제어 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 무촉매 연료 개질기는, 상기 반응로 내의 압력을 고압으로 제어하고, 이젝터(Ejector)를 이용하여 연료극 출구가스를 재순환시켜 연료로서 재활용하도록 구성됨으로써, 연료유량은 낮아지고 배기가스 출구온도는 높아지는 것에 의해 전체적인 효율을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공됨으로써, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점및 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 모두 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공됨으로써, NOx 및 CO의 배출량을 동시에 저감하여 공해물질의 배출이 감소할 뿐만 아니라, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역이 획기적으로 감소되어 내화재/보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 나아가 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기노즐 주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용하여, 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용을 절감하고, 반응로 내 가스 재순환을 극대화시켜 온도의 균일화와 화학반응의 균일화를 달성하는 동시에, 촉매 승온을 위한 버너, 열교환기 등 부가적 부품들이 필요 없게 되고, 시스템의 정상운전조건까지 도달하는데 필요한 시간과 자원이 감소하여 빠른 승온과 함께 저렴한 제작 및 운전비용을 가지는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템이 제공됨으로써, 개질촉매와 연소촉매 등의 고가의 촉매들이 사용되고 촉매 개질기 가열을 위한 버너가 반드시 필요함으로 인해 시스템의 복잡성 및 운용비용이 증가하고, 촉매의 열중량 효과에 의해 운전온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸리며, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 촉매 표면에 발생하여 촉매 수명이 단축되고, 카본 생성이 없는 원활한 촉매 개질을 위한 수분공급에 따른 증발열 손실이 발생하여 효과적인 설계와 안정적 운전을 위한 제어가 어려운 단점이 있었던 기존의 연료전지 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 혼합 연소방식 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 다단 연소방식 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 성능을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 종래의 FGR 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템에 설치되는 IIFGR 노즐의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 화격자식 연소로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 종래의 유동층식 반응로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 종래의 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템을 이용한 연료전지 연료가스 제조실험 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 16은 공정해석 프로그램을 이용하여 종래의 연료전지 시스템의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
도 17은 공정해석 프로그램을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 이젝터를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기노즐을 이용한 무촉매 연료 개질기를 이용한 연료전지 시스템의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 각각 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 연소가 이루어지는 연소로(31), 연료를 연소시키기 위한 버너(32) 및 연소로(31) 내의 열 전달을 위한 열교환기(33)를 포함하여 구성되는 점은 종래의 공업로들과 유사하나, 연료와 공기를 혼합하여 연소로에 공급하는 혼합기가 없는 점이 종래의 공업로들과 다르다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료를 공급하기 위한 연료주입구(34)와, 공기를 공급하기 위한 공기주입구(35)가 각각 반대 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
더 상세하게는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 연료주입구(34)가 연소로(31)의 일단부에 설치되는 버너(32)에 연결되어 연료만이 공급되고, 그 반대측의 연소로(31)의 타단부에 적어도 하나의 공기주입구(35)가 형성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성된다.
여기서, 이와 같이 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성하는 구성은 종래의 일반적인 공업로에서는 시도되지 않은 방식으로서, 즉, 기존의 무화염 연소방식(FLOXTM, MILD) 또한, 연료와 공기를 같은 방향으로 주입하는 구성은 제시된 바 있으나, 본 발명과 같이 연료와 공기를 서로 역방향으로 주입하는 구성은 제시된 바 없었다.
또한, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 도시되지는 않았으나, 공기주입구(35)를 통하여 공기를 공급하기 위한 수단으로서, 예를 들면, 에어펌프 등과 같은 공기공급수단을 더 포함하여, 고속으로 공기 주입이 가능하도록 구성될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 공기주입구(35)를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐의 개수를 변화시켜 투입 공기 유속을 제어할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 더욱이, 주입되는 공기의 일부를 연료주입구(34)에 배분하여 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성될 수도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 에어펌프와 같은 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 연소로 내에서 강한 난류 혼합이 발생하고, 연료와 공기를 먼 거리에서 투입함에 따라 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생되며, 그것에 의해, 연소실 내 무화염 연소현상 발생 및 균일한 온도분포 형성이 가능해진다.
또한, 기존의 무화염 연소방식은 고온의 예열공기를 사용하는 것이 일반적이었으나, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 상온의 공기에서 고온의 예열공기까지 모두 연소를 위한 연소공기로서 활용 가능하여 넓은 운전범위를 가지게 된다.
아울러, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 전체 연소실 공간에서 1000 도씨 내외의 균일한 온도장에서 반응이 발생함에 따라 낮은 NOx가 생성되고, 높은 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO와 같은 불완전 연소물질도 낮게 배출되어, 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 연소실 내 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물 및 슬래그 발생 문제를 해결하여, 열교환기의 재료비용 감소와 열전달 효율 증대의 이중 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 가스 연소 현상뿐만 아니라, 기름, 석탄, 폐기물 등 액체 및 고체연료의 연소, 가스화 반응에도 고효율의 반응효율을 가지며, 그것에 의해, 화력 발전소, 각종 공업로, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등과 같이, 높은 열전달 성능과 균일한 반응 성능이 필요한 시설에 에 폭넓게 적용이 가능하다.
계속해서, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성된 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 성능을 검증하기 위해, 기존의 혼합 연소방식의 공업로와 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 각각 이용하여 연소실험을 수행한 실험결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성된 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 성능을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 연소실험을 위한 실험장치는, 연료가 연소되는 버너측에서 연소가스가 배출되는 배출구까지 복수의 온도센서(41)를 일렬로 설치하여 연소로 전체의 온도 분포를 측정 가능한 동시에, 가스배출구측에 가스센서(42)를 부착하여 배출가스의 성분을 분석할 수 있도록 구성된다.
여기서, 상기한 복수의 온도센서(41)는, 예를 들면, K형 열전대(K-type Thermo couples)를 이용하여 구성될 수 있고, 또한, 가스센서(42)는, 예를 들면, TESTO-330 2LL 가스분석기(Gas Analyzer)를 이용하여 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 연료로서 메탄(Methane)을 5 ~ 15 lpm 주입하였고, 공기는 70 ~ 200 lpm 주입하여 연소실험을 진행하였다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행한 결과, 연소로의 버너 부분에서 가스배출구 부분까지의 온도 편차는, 최고 온도인 버너 부근의 온도 1135℃에서 최저 온도인 가스배출구 온도 748℃까지 대략 400℃ 정도의 온도편차가 발생하였음을 알 수 있다.
또한, 종래의 혼합 연소방식의 공업로의 배출가스 성분은, 도 5에 나타낸 바와 같이, CO 680 ppm에 NOx 22 ppm이 각각 배출되었음을 알 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용한 연소실험의 결과는, 먼저, 온도 분포에 있어서, 차가운 연료와 공기가 각각 주입되는 버너와 공기주입구 부분이 온도가 가장 낮은 801℃ 및 888℃이고, 최고온도는 연료와 공기가 만나는 중간 부분의 939℃이며, 최고 온도와 최저 온도 사이의 온도편차가 약 130℃ 정도로서, 도 5에 나타낸 종래의 혼합 연소방식 공업로의 400℃에 비해 비교적 균일한 온도분포를 나타내고 있고, 이는, 연소로의 전체 공간에서 균일한 반응이 발생하는 것을 나타내는 것이다.
또한, 배출가스의 성분은, 도 6에 나타낸 바와 같이, CO가 3ppm이고, NO는 6ppm가 검출되어, 마찬가지로 종래의 혼합 연소방식 공업로에 비해 유해물질의 배출 또한 크게 감소할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 연소실험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용하면, 종래의 혼합 연소방식의 공업로에 비해 균일한 온도분포를 가지는 동시에 유해물질의 배출도 감소할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 구현할 수 있다.
계속해서, 도 7 내지 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 7을 참조하면, 도 7은 종래의 FGR 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 7에 나타낸 구성은, 종래의 FGR 시스템에 대한 일례로서, FGR 시스템이 화격자식 연소로에 적용된 경우를 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 7에 나타낸 기존의 FGR 시스템을 구비한 화격자식 연소로(70)는, 크게 나누어, 1차 연소실(71) 및 2차 연소실(72)을 구비하는 연소로(73)와, 연소로(73) 하부에 배치되는 화격자(74)와, 상기한 2차 연소실(72) 및 화격자(74)에 각각 재순환된 배가스를 공급하기 위한 복수의 공기주입 노즐을 포함하여 이루어지는 FGR부(75)와, 연소로에 연료를 공급하기 위한 연료주입부(76) 및 배기가스를 배출하기 위한 배기가스 배출부(77)를 포함하여 구성되어 있다.
즉, 종래의 FGR 시스템을 구비하는 연소로(70)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시킴으로써 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되며, 일반적으로, 배가스를 1차 공기 또는 2차 공기 근방에서 투입하는데, 고온의 연소영역에 굴뚝 또는 IDF(Induced Draft Fan) 출구로부터의 저온 배가스를 투입하여 국부 과열온도를 낮추고 NOx를 저감하도록 구성된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 FGR 시스템은, 기존 연소공기에 일부 배가스를 추가하는 정도의 수준으로는 CO 등의 공해물질 저감에 한계가 있으며, 또한, 굴뚝으로 나가는 배가스를 순환시킴에 의해 유량이 증가함으로써 설계 기준용량이 증가하여 설비설계 및 제작비용에 부담이 증가하게 된다.
아울러, 도 7에 나타낸 바와 같은 종래의 FGR 시스템은, 결과적으로 연소 기작이 기존의 연소로와 동일하므로, 기존의 연소로에서 문제가 되는 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성이나 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등의 문제가 다소 완화될 수는 있으나 완전히 해결되지 못하여 동일한 문제점이 여전히 존재한다.
더욱이, 종래의 FGR 시스템은, 산성가스 제거시설의 용량이 부족한 경우에는 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하여 사용이 어려운 문제도 있다.
상기한 바와 같이, 기존의 FGR 기술은 연소실 내에 공기투입과 유사한 방법으로 배기스를 투입함으로써 NOx 저감에 다소간의 효과가 있으나, 배가스량이 증가하여 연소실 내 가스 체류시간이 짧아지는 단점이 있고, 또한, 저속 가스 투입의 한계로 난류에 의한 반응효율이 낮다는 문제도 있다.
따라서 본 발명자들은, 이러한 종래기술의 FGR 시스템의 문제점을 해결하기 위해, 기존의 FGR 시스템과 같은 저속 노즐 배열이 아닌 상기한 바와 같은 역방향 고속 공기주입 방식을 이용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들임으로써 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로써, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능한 동시에, 국부과열 영역을 감소하여 내화재 및 보일러 수관의 손상을 감소하고, 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 역방향 가스 재순환 시스템(Internally Induced Flue Gas Recirculation system ; 이하, 'IIFGR 시스템'이라고도 함)을 제시하였다.
계속해서, 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)은, 연소작업이 이루어지는 연소로(81)와, 연소로(81)의 일단부에 설치되는 버너(82)와, 연소로(81) 내에 연료를 공급하기 위해 버너(82)에 연결되는 연료주입구(83)와, 연소로(81) 내에 공기를 공급하기 위해 연료주입구(83)의 반대측에 형성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐(84)을 포함하여 구성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기한 연소로(81)는, 예를 들면, 화격자식 연소로, 유동층식 반응로, 열분해 용융 가스화로 등과 같은 각종 공업로를 이용하여 구성될 수 있으므로, 설명을 간략히 하기 위해 그러한 공업로들의 구체적인 구성이나 동작에 대한 설명은 생략하나, 본 발명의 실시예에 따른 IIFGR 시스템(80)은 종래의 여러 가지 연소로 및 반응로 등에 폭넓게 적용 가능한 장점을 가지는 것임에 유념해야 한다.
또한, 상기한 IIFGR 노즐(84)은, 예를 들면, 60 m/s 이상 수준의 고속 노즐을 이용하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 9를 참조하면, 도 9는 도 8에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)에 설치되는 IIFGR 노즐(24)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 기존의 FGR 시스템에서는 다수의 저속 노즐을 이용하여 배가스의 재순환이 이루어지도록 구성되나, 본 발명의 실시예에 따른 IIFGR 시스템(80)은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 소수의 고속 노즐을 적용하여 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직 하향 고속 공기제트를 투입하는 것에 의해 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역(91)을 생성하도록 구성된다.
따라서 상기한 바와 같은 배가스 내부 재순환영역(91)에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고, 또한, 60m/s 이상 수준의 고속 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동이 형성됨으로써, 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환과 함께 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도됨으로써, NOx, CO의 배출량이 동시에 감소되는 동시에, 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의해 운전성능이 향상될 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 공해물질의 저감 효과에 더하여, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유지함으로써 연소실이나 보일러의 국부과열 영역을 획기적으로 감소하여 내화재나 보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 그것에 의해, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
계속해서, 도 10을 참조하면, 도 10은 종래의 화격자식 연소로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 종래의 화격자식 연소로의 경우, 일반적으로, 화격자 연소가 발생하는 1차 연소로는 화격자 위치별로 다른 화학종 분포로 인하여 불균일한 가스흐름이 발생하며, 따라서 이러한 불균일성을 2차 연소실의 2차 공기가 최대한 균일화시켜 주어야 하나, 종래에는 이러한 2차 공기에 의한 균일화에 한계가 있었다.
그러나 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 기존의 화격자식 연소로에 적용하면, 2차 연소실의 상부에 상기한 바와 같은 배가스 재순환 영역을 형성하여 혼합효과를 극대화시킴으로써 미연 연료의 연소뿐만 아니라, 균일한 온도분포를 유도하여 국부과열 영역을 감소하여 시설의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 종래의 유동층식 반응로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 종래의 유동층식 반응로는, 유동층의 특성상 유동층(1차 연소실)에서 균일한 혼합과 반응이 유도되지만, 공기 투입량이 충분하지 않아 낮은 산소농도로 운전될 때 불완전 연소물질이 발생할 수 있으며, 연료 투입위치에 따라서 완전한 혼합이 발생하지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있으며, 이러한 경우, 상기한 화격자식 연소로와 마찬가지로, 프리보드(2차 연소실)에서의 2차 공기만으로는 한계가 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 기존의 유동층식 반응로에 적용하면, 이러한 문제를 용이하게 해결할 수 있다.
아울러, 종래의 열분해 용융가스화로는, 일반적으로, 고온의 용융로를 형성함으로 인해 화격자나 유동층 등의 연소시설을 이용할 수 없으며, 반응로 내 가스의 불균일성이 크다는 문제가 있으나, 이러한 경우에도, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 적용하여, 별도의 기계적 장비가 없어도 불균일성을 크게 줄일 수 있다.
더욱이, 종래의 열분해 용융가스화로는, 고온의 용융로의 특성상 자칫 국부 과열로 내화재의 손상이 쉽게 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 적용하면 이러한 문제도 용이하게 해결할 수 있다.
계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)의 성능을 시뮬레이션을 통하여 검증한 실험결과에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 실험결과는, 200톤/일의 도시폐기물 소각처리량을 가지는 전주 화격자식 도시폐기물 소각로에 본 발명의 실시예에 따른 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(80)을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 CO 분포를 각각 비교한 것이다.
더 상세하게는, 시뮬레이션 결과, IIFGR 미적용시 CO는 305ppm, NO는 234ppm으로 각각 나타났으나, IIFGR 적용시는, CO가 4.3ppm, NO가 222ppm으로 확인되었으며, 이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 IIFGR을 적용하면 NOx는 소량 감소하나 CO는 1/100 수준의 급격한 저감이 가능함을 알 수 있고, 즉, 이는 불완전 연소물질의 완전 연소를 가능하게 한다는 것을 나타낸다.
또한, 본 발명자들은, 상기한 시뮬레이션 결과에 더하여, 논산 하수 슬러지 유동층 소각로에 대하여도 성능실험 진행하였다.
더 상세하게는, 실험조건은, 먼저, 유동층 사양은 높이 70cm, 내경 1m 이고, 프리보드 사양은 높이 2m, 내경 1.2m 이며, 연소가스 산소농도는 6% 이고, CO 농도는 5000ppm 이며, 총 공기 투입량은 1500 Nm/hr 이고, IIFGR 투입량은 총 공기량의 10%로 하여 하수슬러지 + 석탄의 유동층 소각로에서의 연소실험을 진행하였다.
실험결과, 유동층 온도 600℃, 프리보드 온도 400℃에서는 IIFGR 노즐 효과가 없었으나, 유동층 온도 800℃, 프리보드 온도 650℃에서는 IIFGR 미적용시 CO 5000ppm, 적용시 1800ppm으로 나타나 CO가 1/3로 감소되는 것을 확인하였다.
따라서 상기한 바와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 IIFGR의 적용은 고온에서 더욱 큰 효과가 있으며, 즉, 일반적으로 운영되는 소각로의 온도가 800℃ 정도임을 감안하면, 본 발명에 따른 IIFGR의 적용에 의해 더욱 높은 CO 저감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 구현할 수 있다.
계속해서, 도 12 내지 도 18을 참조하여, 본 발명에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 12를 참조하면, 도 12는 종래의 연료전지 시스템(120)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 기존의 연료전지 시스템(120)은, 크게 나누어, 복수의 연료전지를 포함하는 연료전지 스택(121)과, 촉매를 개질하기 위한 촉매 개질기(122)와, 촉매 개질기(122)의 가열을 위한 버너(123), 물 증발기(124) 및 열교환기(125)를 포함하여 구성된다.
여기서, 기존의 연료전지 시스템(120)의 구조나 동작은 이미 널리 알려진 바이므로 설명을 간략히 하기 위해 여기서는 그 구체적인 설명은 생략하나, 상기한 종래기술의 설명에서도 언급한 바와 같이, 도 12에 나타낸 기존의 연료전지 시스템(120)은, 촉매 개질기(122)의 가열을 위한 버너(123)가 반드시 필요하고, 카본 생성이 없는 원활한 촉매 개질을 위한 수분공급에 따른 증발열손실이 발생하며, 시스템의 복잡성에 의해 제어에 어려움이 발생하여, 시동 및 중지시 시스템의 복잡성과 촉매의 열중량 효과에 의해 시간이 오래 걸리고, 안정적 운전을 위한 제어가 어려운 단점이 있는 것이었다.
이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 단점을 가지는 기존의 연료전지시스템(120)들의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기노즐 주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용하여 빠른 승온과 저렴한 제작 및 운전비용을 가지는 연료전지 시스템을 제안하였다.
계속해서, 도 13을 참조하면, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)은, 도 1에 나타낸 종래의 연료전지 시스템(120)과 달리, 복수의 연료전지를 포함하여 이루어지는 연료전지 스택(131)과, 연료와 공기를 적절히 혼합하여 연료전지 스택(131)에 공급하기 위해 고속 역방향 공기노즐을 포함하여 구성되는 무촉매 연료 개질기(132) 및 연료전지 스택(131)에서 발생하는 열을 순환시키기 위한 열교환기(133)의 간단한 구성만으로 연료전지 시스템을 구성이 가능하여, 시스템의 단순화에 의한 제작비용 절감과 운영의 용이성을 동시에 달성할 수 있도록 구성되는 점이 다르다.
더 상세하게는, 도 14를 참조하면, 도 14는 도 13에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)에 적용되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)에 적용되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)는, 연료와 공기의 혼합이 이루어지는 반응로(141)와, 반응로(141)의 일측에 형성되는 연료투입구(142)와, 연료투입구(142)의 반대편에 형성되는 배기구(143) 및 상기 배기구(143)가 위치한 반응로(141)의 출구 근처에서 고속의 공기를 투입하기 위한 적어도 하나의 고속 역방향 공기노즐(144)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기한 고속 역방향 공기노즐(144)은, 예를 들면, 60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)에 따르면, 고속 역방향 공기노즐(144)을 통하여 연료의 주입과 반대 방향에서 고속으로 공기를 분사하고, 이때, 공기 투입량을 당량 공기량 이하로 투입함으로써, 반응로(141) 내를 무화염 영역으로 만들고, 반응로 내 가스 재순환을 극대화시켜 온도의 균일화와 화학반응의 균일화를 달성하면서, 연료전지 반응에 필요한 CO와 수소를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 종래의 연료전지 시스템들은 연료와 산화제의 불완전한 혼합 상태에서 연료 과다영역이 고온의 국부영역에 존재하는 것에 의해 수트(Soot)가 형성되는 문제가 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)은, 상기한 바와 같이 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)를 포함하여 구성됨으로써, 반응로(141) 내 무화염 영역이 형성되어 당량 공기량 이하 조건에서 일반적으로 발생하는 수트의 발생이 거의 없게 되어, MCFC나 SOFC 등과 같이 고온에서 운영되는 연료전지의 반응에 문제를 발생시키지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)은, 상기한 바와 같이 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)를 포함하여 구성됨으로써, 반응로(141) 전체 영역에서 균일하게 분포되는 화학종들과 강한 난류에 의한 반응의 촉진효과에 의해 화학평형을 이루며 무화염 반응이 일어나는 특징으로 이상적인 개질 반응이 가능한 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)은, 상기한 바와 같이 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)를 포함하여 구성됨으로써, 반응로 내 촉매가 없으므로 촉매 승온을 위한 버너나 열교환기 등의 부가적 부품들이 필요 없어지고, 시스템의 정상 운전조건까지 도달하는데 필요한 시간과 자원이 줄어드는 장점을 가지는 것이다.
더욱이, 기존의 연료전지 시스템들은 물을 증발시켜 수소의 함량을 늘리는 과정에서 시스템이 복잡해지고, 물의 증발잠열 만큼의 열손실이 발생하여 제작비 상승과 총괄효율 하락의 단점이 있는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(130)은, 상기한 바와 같이 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)를 포함하여 구성됨으로써, 자열 개질의 특징을 가지는 무화염 반응로를 이용하여 추가적인 물을 사용하지 않아도 연료에 포함된 수소원자와 탄소원자를 연료전지 반응에 필요한 수소와 CO로 전환시킬 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)에 따르면, 연료투입구(142)의 반대편에 설치된 고속 역방향 공기노즐(144)에서 고속의 공기를 분사함으로써 발생되는 반응로 내 강한 난류의 재순환영역으로 연료구에서 올라오는 연료를 공기와 빠르게 혼합시키고, 균일한 온도 공간에서 반응시킴으로써 별도의 촉매가 없이도 화학평형에 가까운 반응 결과물을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기(132)는, 투입된 공기량만큼 연소반응열이 발생하므로 공기량 조절로 운전온도를 용이하게 제어 가능하며, 촉매를 사용하지 않으므로 반응로의 열중량이 작아서 시동시 승온에 들어가는 에너지가 적고 빠른 승온이 가능하여, 연료전지 시스템의 정상 운전조건에 도달하는 시간이 단축되고, 구조의 단순성으로 반응로 내 압력을 고압으로 제어 가능한 장점이 있다.
계속해서, 도 15를 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)을 이용하여 무화염 연소반응을 활용한 연료전지 연료가스 제조실험 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 15를 참조하면, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)을 이용한 연료전지 연료가스 제조실험 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 15에 나타낸 결과로부터, 공기 및 연료의 예열 없이 연료전지용 가스가 제조 가능한 것을 확인할 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)을 이용하면, 기존 연료전지 시스템에서 필수였던 열교환기와 촉매 개질기가 필요 없음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)은, 개질을 위한 별도의 수분이 필요하지 않으므로 수분증발기가 필요 없으며, 따라서 수분증발에 의한 에너지 손실도 없게 되고, 그에 따라 경제적이고 운전이 용이한 연료전지 시스템의 구성이 가능하다.
계속해서, 도 16 및 도 17을 참조하여, 종래의 연료전지 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)의 성능을 공정해석 프로그램을 이용하여 각각 비교하고 검증한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 16을 참조하면, 도 16은 공정해석 프로그램을 이용하여 종래의 연료전지 시스템의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이고, 도 17은 공정해석 프로그램을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
여기서, 도 16 및 도 17에 나타낸 공정해석 결과에 있어서, 최근 각광받고 있고 국내에서도 국산화를 위해 연구중인 SOFC 시스템을 대상으로 1MW급 전력용량을 가정하여 설비효율을 비교 분석하였다.
또한, 공정해석을 위해, 네델란드 TU Delft에서 개발한 발전플랜트 전문 공정해석 프로그램인 Cycle-Tempo를 이용하여, 기존의 연료전지 시스템 공정과 본 발명의 무촉매 무화염 개질기를 이용한 연료전지 시스템 공정을 각각 해석하여 현실성과 타당성을 검증하였다.
먼저, 기존의 연료전지 시스템의 공정해석 결과는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 기존의 연료전지 시스템은 여러 개의 열교환기와 증발기, 개질기, 연소기 등이 복합적으로 복잡하게 연계되어 있는 것이 공정도에서도 나타나며, 당량비 0.2인 조건의 1MW급의 연료전지 전력생산을 위해 천연가스 기준으로 0.085 kg/s의 연료, 물 0.17kg/s, 공기 3.8 kg/s의 원료가 투입되고, 배기가스는 404℃의 온도를 가지는 것으로 나타났다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공정해석 결과는, 기존 시스템이 상호간에 복잡하게 연계되어 있어 시스템 운영에 복잡성을 가지는 것과 달리, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 도 17에 나타낸 바와 같이, 단순한 연결로 이루어진 간단한 구성도를 가짐으로써 시스템의 제작과 운영에 용이성을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 1MW의 전력을 생산하기 위한 연료인 천연가스의 유량은 0.091kg/s로 기존보다 조금 높지만, 배가스의 온도가 863℃로서 기존의 시스템보다 높으므로 다른 열기관의 에너지원으로 사용될 수 있어 더 효율이 높은 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 무엇보다도, 수분증발기가 사라짐으로 인하여 시스템이 단순화되고, 효율도 뒤지지 않는 것으로 나타났다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 개질기의 압력을 높이게 되면 이젝터(Ejector)를 이용하여 연료측 출구가스를 재순환시킬 수 있으며, 이와 같이 하여 시스템의 효율을 더욱 높일 수 있다.
다음으로, 도 18를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)의 성능을 이젝터를 이용하여 검증한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 18을 참조하면, 도 18은 이젝터를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템(130)의 성능을 검증한 결과를 나타내는 도면이다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 무촉매 개질기 내의 압력을 올리고 이젝터를 이용하여 연료극 가스를 재순환하는 공정의 해석결과는, 연료유량은 0.079 kg/s로 낮아지고, 배기가스 출구온도는 913℃로 높아져 전체적인 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템을 구현할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통해 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성하도록 구성됨으로써, 고속의 공기주입에 의한 강한 난류 혼합이 발생하고 연료와 공기를 먼 거리에서 투입함에 따라 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생하여 낮은 NOx가 생성되고, 높은 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO와 같은 불완전 연소물질도 낮게 배출되어 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 동시에, 상온의 공기에서 고온의 예열공기까지 모두 활용 가능한 넓은 운전범위를 가지고, 가스 연소현상뿐만 아니라 기름, 석탄, 폐기물 등 액체/고체연료 연소, 가스화 반응에도 고효율의 반응효율을 가지며, 연소실 내 균일한 온도분포에 의해 열전달 면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제를 해결하여 열교환기 재료비용 감소 및 열전달 효율 증대의 효과를 얻을 수 있고, 그것에 의해, 고급 열전달 성능과 균일한 반응성능이 필요한 시설에 폭넓게 적용 가능한 데 더하여, 공기 노즐의 개수를 변화시켜 투입 공기 유속을 제어할 수 있으며, 연료에 일부의 공기를 배분하여 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성될 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 강한 역방향 공기주입에 의해 재순환 영역이 발생하는 특징을 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐에 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공할 수 있으며, 그것에 의해, NOx 및 CO의 배출량을 동시에 저감하여 공해물질의 배출이 감소할 뿐만 아니라, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역이 획기적으로 감소됨으로써 내화재/보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 나아가 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 촉매를 이용하지 않고 고속 역방향 공기주입방식의 무촉매 연료 개질기를 이용하여 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용을 절감하고 운영이 용이하도록 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템이 제공됨으로써, 개질촉매와 연소촉매 등의 고가의 촉매들이 사용되고 촉매 개질기 가열을 위한 버너가 반드시 필요함으로 인해 시스템의 복잡성 및 운용비용이 증가하고, 촉매의 열중량 효과에 의해 운전온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸리며, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 촉매 표면에 발생하여 촉매 수명이 단축되고, 카본 생성이 없는 원활한 촉매 개질을 위한 수분공급에 따른 증발열 손실이 발생하여 효과적인 설계와 안정적 운전을 위한 제어가 어려운 단점이 있었던 기존의 연료전지 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (23)

  1. 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있도록 구성되는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 있어서,
    연소작업이 이루어지는 연소로;
    상기 연소로 내에서 연료를 연소시키기 위해 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너;
    상기 연소로 내의 열을 전달하기 위한 열교환기;
    상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및
    상기 연소로 내에 공기를 공급하기 위해 상기 연료주입구의 반대측의 상기 연소로의 타단부에 형성되는 적어도 하나의 공기주입구를 포함하여 구성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 공기주입구를 통하여 공기를 공급하기 위한 공기공급수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 공기공급수단은,
    상기 공기주입구를 통하여 고속으로 공기를 주입하기 위한 에어펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 공기주입구를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐을 더 포함하여 구성되고,
    상기 노즐의 개수를 변화시켜 주입되는 공기의 유속을 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 공기주입구를 통하여 주입되는 공기의 일부를 상기 연료주입구 측으로 배분하여 상기 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상온의 공기 또는 미리 정해진 일정 온도로 가열된 예열공기를 상기 공기주입구를 통해 상기 연소로 내에 주입하여 연소를 위한 연소공기로서 사용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 공업로는,
    연료와 공기가 상기 연소로의 양단부에서 각각 주입됨에 따라 전체 연소로 내에서 균일한 연소반응이 발생됨으로써, 상기 연소로 내에서 균일한 온도장에 따라 NOx의 발생이 감소되고,
    상기 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 상기 연소로 내에서 난류 혼합이 증가됨으로써, 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO를 포함하는 불완전 연소물질의 배출이 저감되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 연소실 내의 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling) 및 슬래그(Slagging) 발생을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 공업로는,
    가스 연소뿐만 아니라, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응에도 적용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  10. 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하도록 구성되는 기존의 가스 재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR) 시스템은 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상 및 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 문제점들을 해결하기 위한 역방향 가스 재순환(Internally Induced Flue Gas Recirculation ; IIFGR) 시스템에 있어서,
    연소작업이 이루어지는 연소로;
    상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너;
    상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및
    상기 연소로 상단 부분의 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 구성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연소로는, 화격자식 연소로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 연소로는, 유동층식 반응로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 연소로는, 열분해 용융 가스화로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 IIFGR 노즐은, 60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 역방향 가스 재순환 시스템은,
    다수의 저속 노즐을 이용하여 배가스의 재순환이 이루어지도록 구성되는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템 대신에, 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 상기 고속 노즐로 이루어지는 상기 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 상기 연소로의 상단부에 설치하도록 구성됨으로써,
    상기 배가스 내부 재순환영역에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고,
    상기 고속 공기제트에 의해 강한 난류 유동이 형성되어 상기 연소로 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되어 NOx 및 CO의 배출량이 감소되고 운전성능이 향상되며,
    국부과열 영역이 감소되어 내화재나 배관의 손상이 감소되고, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  16. 개질촉매와 연소촉매를 포함하는 촉매 및 개질기 가열을 위한 버너가 필요하여 복잡성 및 운용비용이 증가하고, 상기 촉매의 열중량 효과에 의해 운전온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸리며, 촉매반응시 산화제의 역할을 하는 수분 또는 공기의 투입이 적절하지 않은 경우 국부적으로 카본이 상기 촉매 표면에 발생하여 제어가 어려운 단점이 있었던 기존의 연료전지 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 촉매를 이용하지 않음으로써 촉매의 주기적 교체에 따른 운영비용을 절감하고 승온시간을 단축하며, 버너와 열교환기가 필요 없게 되어 시스템의 간소화와 운전비용의 절감 및 운영이 용이하도록 구성되는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템에 있어서,
    복수의 연료전지를 포함하여 이루어지는 연료전지 스택;
    연료와 공기를 서로 반대 방향으로 주입 및 혼합하여 상기 연료전지 스택에 공급하기 위한 무촉매 연료 개질기; 및
    상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 순환시키기 위한 열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    연료와 공기의 혼합이 이루어지는 반응로;
    상기 반응로의 일측에 형성되는 연료투입구;
    상기 연료투입구의 반대편에 형성되는 배기구; 및
    상기 배기구의 근처에서 상기 연료의 투입방향과 반대 방향으로 고속의 공기를 투입하기 위한 적어도 하나의 고속 역방향 공기노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    공기 투입량을 당량 공기량 이하로 하여 상기 고속 역방향 공기노즐을 통해 상기 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기를 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 고속 역방향 공기노즐은,
    60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    상기 고속 역방향 공기노즐에서 고속의 공기를 분사하는 것에 의해 상기 반응로 내에 강한 난류 재순환영역을 생성하여 상기 반응로 전체 영역에서 가스 재순환을 극대화킴으로써 상기 반응로 내 온도를 균일화하고 무화염 반응을 유도하며, 상기 연료투입구로부터 투입되는 연료를 공기와 빠르게 혼합시켜 균일한 온도 공간에서 반응시키는 것에 의해 별도의 촉매가 없이도 균일한 화학반응 및 빠른 승온이 가능하고, 추가적인 물을 사용하지 않고 상기 연료에 포함된 수소 원자와 탄소 원자를 연료전지 반응에 필요한 수소와 CO로 전환시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    투입된 공기량만큼 연소반응열이 발생하는 것에 의해, 상기 공기량을 조절하여 운전온도를 제어 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    촉매 승온을 위한 버너 및 열교환기가 필요 없게 되는 구조의 단순성에 의해 상기 반응로 내의 압력을 고압으로 제어 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 무촉매 연료 개질기는,
    상기 반응로 내의 압력을 고압으로 제어하고, 이젝터(Ejector)를 이용하여 연료극 출구가스를 재순환시켜 연료로서 재활용하도록 구성됨으로써, 연료유량은 낮아지고 배기가스 출구온도는 높아지는 것에 의해 전체적인 효율을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템.
PCT/KR2014/002924 2013-04-08 2014-04-04 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로와 역방향 가스 재순환 시스템 및 고속 역방향 공기주입방식을 이용한 무촉매 연료 개질기가 적용된 연료전지 시스템 WO2014168383A1 (ko)

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