KR100387945B1 - Low NOx combustion method and combustor using catalytic combustion and catalyst bed with swirl - Google Patents

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KR100387945B1 KR10-1999-0038973A KR19990038973A KR100387945B1 KR 100387945 B1 KR100387945 B1 KR 100387945B1 KR 19990038973 A KR19990038973 A KR 19990038973A KR 100387945 B1 KR100387945 B1 KR 100387945B1
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Abstract

본 발명은 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법과 그 연소기에 관한 것으로, 그 목적은 촉매연소를 이용하여 배연처리 기술과 연소처리 기술이 가지고 있는 문제점들을 동시에 극복할 수 있는 촉매연소가 지원된 화염방법과 그 화염 연소기장치를 제공하는데 있다.The present invention relates to a low NOx combustion method and a combustor combining a catalyst combustion and a swirl generation of a catalyst layer, and an object thereof is a catalyst that can simultaneously overcome the problems of the flue gas treatment and the combustion treatment techniques by using catalytic combustion. It is to provide a flame supported combustion method and a flame combustor device.

본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서, 촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와, 가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법 및 그 장치를 발명의 요지로 한다.The present invention is a combustion method for suppressing NOx generated from a high load combustor, wherein a part of the mixer 1 is catalytically burned by a catalyst surface reaction in the catalyst layer 2 to heat the mixer 1 with heat generated at this time. To increase the combustion speed of the mixer, and to burn the mixer by swirling it in the wake, and to burn the remaining lean mixer (1) heated in the flame combustion chamber (3) installed at the rear of the catalyst bed (2). A combustion method and apparatus for exhausting NOx-reduced exhaust gas through a flame combustion step of stably combusting at speed are the subject of the invention.

Description

촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법과 그 연소기 {Low NOx combustion method and combustor using catalytic combustion and catalyst bed with swirl}Low NOx combustion method and combustor using catalytic combustion and catalyst bed with swirl}

본 발명은 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법과 그 연소기에 관한 것으로, 특히 본 발명의 고부하 연소기는 보일러, 가스터빈, 열풍발생기 등을 위한 연소기에 사용할 수 있다.The present invention relates to a low NOx combustion method that combines catalytic combustion and swirl generation of a catalyst bed and a combustor. In particular, the high load combustor of the present invention can be used in combustors for boilers, gas turbines, hot air generators, and the like.

고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 기존의 기술은 배연처리 기술과 연소처리 기술로 대별할 수 있다.Existing techniques for suppressing NOx generated from high load combustors can be roughly classified into flue gas treatment and combustion treatment techniques.

상기 배연처리 기술은 연소 과정 중에서 생성된 NOx를 대기로 배출하기 전에 처리하는 기술로서, 습식법과 건식법이 있다. 배기가스를 수용액에 직접 통과시켜 NOx를 제거하는 방법을 습식법이라 하고, NOx를 촉매를 이용하여 안정화물인 질소로 직접 환원시키는 기술을 건식법이라고 한다.The flue gas treatment technique is a technique of treating NOx generated during combustion before discharging it into the atmosphere, and includes a wet method and a dry method. The method of removing NOx by passing exhaust gas directly through an aqueous solution is called a wet method, and the technique of directly reducing NOx to nitrogen as a stabilizer using a catalyst is called a dry method.

현재까지는 경제성 및 공정의 간편성 등으로 인하여 건식법이 많이 사용되고 있다. 건식법에는 여러 가지의 방법이 있지만, 그 중에서 배가스와 환원제를 촉매층에 통과시켜서 배가스 중의 NOx를 질소와 수증기로 선택적으로 환원시키는 선택적 촉매환원법(SCR)이 가장 많이 사용되고 있다.Until now, dry methods have been widely used due to economical efficiency and process simplicity. There are various methods of the dry method, but the most selective catalytic reduction method (SCR), in which flue gas and a reducing agent are passed through the catalyst layer to selectively reduce NOx in the flue gas to nitrogen and water vapor, is most commonly used.

그러나 선택적 촉매환원법은 환원제로 사용되는 암모니아의 소모량이 많아 운전비가 과다해지는 문제점을 가지고 있다.However, the selective catalytic reduction method has a problem in that the operating cost is excessive because of the large amount of ammonia used as a reducing agent.

상기 연소처리 기술은 NOx를 저감하기 위하여 연소 조건을 개선하거나 연소 장치를 개선하여 NOx의 발생을 억제시키는 기술이다.The combustion treatment technology is a technique of suppressing generation of NOx by improving combustion conditions or improving a combustion device in order to reduce NOx.

연소 조건의 개선에는 NOx 생성에 영향을 미치는 인자들인 화염온도, 산소농도 및 연소가스의 체류시간 등을 감소시킴으로써 연소 영역 내에서 NOx의 생성 반응을 억제시키는 방법이다.The improvement of the combustion conditions is a method of suppressing the NOx production reaction in the combustion zone by reducing the flame temperature, the oxygen concentration, and the residence time of the combustion gas, which are factors influencing NOx production.

연소처리 기술의 핵심은 희박연소를 통하여 화염의 온도를 감소시켜, 화염온도에 절대적으로 의존하는 thermal NOx의 발생을 억제시키는 기술이다.The core of the combustion treatment technology is to reduce the temperature of the flame through lean combustion, thereby suppressing the generation of thermal NOx, which is absolutely dependent on the flame temperature.

그러나 희박연소는 혼합기가 희박해질수록 연소가 불안정해지는 문제점을 가지고 있다.However, lean combustion has a problem that combustion becomes unstable as the mixer becomes thinner.

따라서 희박연소에 의한 질소산화물의 억제 방법은 한계점을 가지고 있다.Therefore, the method of suppressing nitrogen oxide by lean combustion has a limitation.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 촉매연소를 이용하여배연처리 기술과 연소처리 기술이 가지고 있는 문제점들을 동시에 극복할 수 있는 촉매연소가 지원된 화염방법과 그 화염 연소기장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a flame combustion method and a flame combustor device that supports catalytic combustion that can simultaneously overcome the problems of the flue gas treatment and combustion treatment technology using catalytic combustion. have.

상기 촉매연소는 촉매의 표면 반응을 활용하여 초희박 조건에서도 안정한 연소가 가능하게 한다. 화염연소만으로는 안정적인 연소가 어려운 희박조건에서도 촉매연소를 이용하면 안정적인 연소가 가능해진다.The catalytic combustion enables stable combustion even in ultrathin conditions by utilizing the surface reaction of the catalyst. Stable combustion is possible by using catalytic combustion even in lean conditions where stable combustion is difficult with flame combustion alone.

이렇게 하여 화염의 온도를 thermal NOx 가 발생하지 않는 낮은 온도로 낮추는 것이 가능하여 NOx의 생성을 근본적으로 해결할 수 있게 된다.In this way, it is possible to lower the flame temperature to a lower temperature where thermal NOx does not occur, thereby fundamentally solving the generation of NOx.

촉매연소를 실제적으로 고부하 연소기에 적용하기 위해서는 몇 가지의 설계 개념이 가능하다.Several design concepts are possible to apply catalytic combustion to practically high load combustors.

첫째는 연료와 공기의 혼합기를 촉매층 내에서 전부 연소시키는 방식이 있다. 이 경우에는 촉매층의 온도가 혼합기의 단열 화염온도까지 고온으로 증가하게 되어, 1000℃ 이상의 고온에 견디는 고온 촉매의 사용이 필수적이다.The first is to burn all the mixtures of fuel and air in the catalyst bed. In this case, the temperature of the catalyst layer increases to a high temperature up to the adiabatic flame temperature of the mixer, so it is necessary to use a high temperature catalyst that can withstand a high temperature of 1000 ° C or higher.

둘째는 연료의 일부만을 촉매층에 공급하여 촉매반응에 의해 완전 연소시키고, 나머지 연료는 촉매층 후단에 공급하여 화염연소로 처리하는 방식이 있다. 이 방식에서는 촉매층 온도를 촉매층으로 공급하는 연료의 양을 조절하여 적절하게 제어할 수 있다.Secondly, only a part of the fuel is supplied to the catalyst bed to be completely combusted by the catalytic reaction, and the remaining fuel is supplied to the rear of the catalyst bed to be treated with flame combustion. In this manner, the catalyst bed temperature can be appropriately controlled by adjusting the amount of fuel supplied to the catalyst bed.

셋째는 연료와 공기의 혼합기의 전부를 촉매층에 공급하여 촉매층에서 혼합기의 일부만을 연소시키고, 나머지는 촉매층 후단에 설치된 화염 연소실에서 완전 연소시키는 방식이 있다. 이것은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로 불린다.Third, all of the fuel and air mixers are supplied to the catalyst bed to burn only a part of the mixer in the catalyst bed, and the remainder is completely burned in a flame combustion chamber installed at the rear of the catalyst bed. This is called a flame combustor with catalytic combustion.

이 방법에서는 촉매층에서 혼합기의 일부만을 연소시킴으로써 촉매층의 온도를 적절히 조절할 수 있는 장점이 있다.In this method, there is an advantage that the temperature of the catalyst layer can be properly adjusted by burning only a part of the mixer in the catalyst layer.

따라서 본 발명의 목적은 상기 세 번째 방법에 의한 연소방법 및 장치를 제공함으로써 달성된다.The object of the present invention is thus achieved by providing a combustion method and apparatus according to the third method.

도 1은 촉매연소가 지원된 화염 연소기의 개략적인 구조도,1 is a schematic structural diagram of a flame combustor supported with catalytic combustion;

도 2는 화염연소실에 들어가는 혼합기의 온도와 화염 전파속도와의 관계를 나타낸 그래프(공기-메탄의 혼합기, 연료농도(연료/공기): 2.94%),2 is a graph showing the relationship between the temperature of the mixer entering the flame combustion chamber and the flame propagation rate (air-methane mixer, fuel concentration (fuel / air): 2.94%),

도 3은 금속 하니컴의 구조도,3 is a structural diagram of a metal honeycomb,

도 4는 굴곡 박판의 경사가 없는 금속 하니컴,4 is a metal honeycomb without the inclination of the bent thin plate,

도 5는 굴곡 박판의 경사가 있는 금속 하니컴,5 is a metal honeycomb with a slope of the bent sheet,

도 6은 촉매연소의 지원을 받은 희박혼합기의 안정 연소 영역을 나타낸 그래프(혼합기 속도: 23.2m/sec; 촉매층: 2.0wt% Pd(52mm) + 2.0wt% Pt(26mm), 300cell/in2세라믹 하니컴, 직경50mm 길이 78mm),6 is a graph showing a stable combustion region of a lean mixer supported by catalytic combustion (mixer speed: 23.2 m / sec; catalyst layer: 2.0 wt% Pd (52 mm) + 2.0 wt% Pt (26 mm), 300 cell / in 2 ceramics Honeycomb, diameter 50 mm, length 78 mm),

도 7은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로부터 배출되는 NOx의 배출 농도를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the emission concentration of NOx emitted from a flame combustor supported with catalytic combustion.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(1) : 혼합기 (2) : 촉매층(1): Mixer (2): Catalyst Layer

(3) : 화염 연소실 (4) : 배기가스(3): flame combustion chamber (4): exhaust gas

(5) : 굴곡 박판(corrugate) (6) : 평판 금속(5) Corrugated sheet (6): Flat metal

(7) : 경사가 없는 굴곡 박판 (8) : 경사가 있는 굴곡 박판(7): bent thin plate (8): bent thin plate

본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서, 촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 희박 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와,The present invention provides a combustion method for suppressing NOx generated from a high load combustor, wherein in the catalyst layer (2), a part of the mixer (1) is catalytically burned by a catalyst surface reaction to produce a lean mixer (1) as heat generated at this time. A catalytic combustion step of heating and increasing the combustion speed of the mixer, and rotating the mixer in the wake to inflame it;

가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법이다.Combustion method of exhausting NOx-reduced exhaust gas through a flame combustion step of stably burning the remaining heated lean mixer (1) in the flame combustion chamber (3) installed at the rear of the catalyst layer (2) by the increased combustion speed of the mixer. to be.

또한 본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소기에 있어서, 혼합기의 일부를 촉매 반응에 의한 연소로 온도를 상승시키는 촉매층(2)과, 상기 촉매층 후단에 온도 상승된 혼합기를 화염연소에 의하여 연소시키는 화염 연소실(3)로 구성된다.In addition, the present invention is a combustor for suppressing NOx generated from a high load combustor, a catalyst layer (2) for raising a part of the mixer by the combustion reaction by the catalytic reaction, and a mixer having a temperature rise at the rear end of the catalyst layer to flame combustion It consists of the flame combustion chamber 3 which combusts by fire.

이하 본 발명을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 촉매연소가 지원된 화염 연소기의 개략적인 구조도로서, 촉매연소가지원된 화염연소기는 촉매층(2)과 화염연소실(3)로 구성된다.FIG. 1 is a schematic structural diagram of a flame combustor supported by catalytic combustion. The flame combustor supported by catalytic combustion includes a catalyst layer 2 and a flame combustion chamber 3.

상기 촉매층(2)에서는 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 연소시켜서, 이 때 발생하는 열로서 혼합기(1)를 가열한다. 가열된 혼합기는 촉매층 후단에 설치된 화염 연소실(3)에 들어가서 화염연소가 발생하여 완전 연소가 이루어진 후, 배기가스(4)로 배출된다. 촉매층(2)의 역할은 촉매층의 후단에서 화염연소가 안정적으로 지속될 수 있도록 혼합기의 온도를 800℃ 이상의 고온으로 유지시켜 주는 기능을 한다. 화염연소실(3)에 들어가는 혼합기의 온도가 높을수록 혼합기의 화염전파 속도(연소 속도)는 증가하게 된다.In the catalyst layer 2, a part of the mixer 1 is combusted by the catalyst surface reaction, and the mixer 1 is heated as heat generated at this time. The heated mixer enters the flame combustion chamber 3 installed at the rear end of the catalyst bed, generates flame combustion, completes combustion, and is then discharged into the exhaust gas 4. The role of the catalyst layer 2 serves to maintain the temperature of the mixer at a high temperature of 800 ° C. or more so that flame combustion can be stably maintained at the rear end of the catalyst layer. The higher the temperature of the mixer entering the flame combustion chamber 3, the higher the flame propagation speed (combustion rate) of the mixer.

도 2는 연료농도가 2.94%의 희박 농도일 때, 화염연소실에 들어가는 혼합기의 온도의 변화에 따른 화염전파속도를 계산한 결과이다.2 is a result of calculating the flame propagation velocity according to the change of the temperature of the mixer entering the flame combustion chamber when the fuel concentration is 2.94% lean concentration.

도시되어 있는 바와 같이 혼합기 온도가 600℃ 이하에서는 화염전파 속도가 1m/sec 이하이지만, 875℃에서 1.9m/sec, 1023℃에서 9.0m/sec, 1106℃에서 30.8m/sec로 기하 급수적으로 증가한다. 화염 연소실에 들어가는 혼합기의 온도는 촉매층(2)에서의 혼합기의 표면 반응 정도에 따라서 결정되게 된다. 화염 연소실(3)에서 화염은 혼합기 속도와 화염 전파 속도가 평형을 이루는 지점에서 안정화된다.As shown, the flame propagation velocity is below 1 m / sec at mixer temperatures below 600 ° C, but increases exponentially to 1.9 m / sec at 875 ° C, 9.0 m / sec at 1023 ° C, and 30.8 m / sec at 1106 ° C. do. The temperature of the mixer entering the flame combustion chamber is determined according to the degree of surface reaction of the mixer in the catalyst layer 2. In the flame combustion chamber 3 the flame is stabilized at the point where the mixer speed and flame propagation speed are in equilibrium.

보일러나 가스터빈 연소기와 같은 고부하 연소기에서는 혼합기의 속도가 보통 10∼30m/sec로 매우 높다. 그러나 상온의 혼합기의 화염 전파속도는 도 2에서 보여주듯이 1m/sec 이하이다. 따라서, 상온의 혼합기가 공급되어 안정적인 연소를이루기 위해서는 추가적으로 보염기가 반드시 요구되고 있다. 특히 혼합기의 농도가 희박해질수록 연소속도는 급격히 감소하기 때문에 화염을 안정화시키는 것이 더욱 어려워진다.In high load combustors such as boilers and gas turbine combustors, the speed of the mixer is usually very high, typically 10-30 m / sec. However, the flame propagation velocity of the mixer at room temperature is 1 m / sec or less as shown in FIG. Therefore, in order to achieve stable combustion by supplying a mixer at room temperature, an additional flame retarder is required. In particular, as the concentration of the mixer becomes thinner, the combustion rate decreases dramatically, making the flame more difficult to stabilize.

따라서 저 NOx 기술의 하나로서 개발되는 희박연소에 있어서, 촉매연소의 지원이 없이는 안정적이 연소가 매우 어려워지게 되는 것이다.Therefore, in lean combustion developed as one of the low NOx technologies, combustion becomes very difficult without the support of catalytic combustion.

본 발명은 촉매층(2)과 화염연소실(3)로 구성된 촉매 연소기로서 촉매층은 화염 연소가 안정적으로 이루어지도록 촉매 반응에 의하여 혼합기의 온도를 높이는 역할을 한다.The present invention is a catalytic combustor composed of the catalyst layer (2) and the flame combustion chamber (3) serves to increase the temperature of the mixer by the catalytic reaction so that the flame combustion is stable.

촉매층(2)에 사용되는 촉매는 일반적으로 세라믹 하니컴을 많이 사용한다.The catalyst used for the catalyst layer 2 generally uses many ceramic honeycombs.

그러나 본 발명에서는 촉매의 지지체로서 세라믹 대신에 금속을 사용한 금속 하니컴을 사용한다.However, in the present invention, a metal honeycomb using a metal instead of ceramic is used as a support for the catalyst.

도 3은 본 발명에서 사용하는 금속 하니컴의 구조를 보여주고 있다. 금속 지지체는 고온에 견딜 수 있으며, 특히 세라믹에 비하여 열충격에 강한 장점을 가지고 있다.Figure 3 shows the structure of the metal honeycomb used in the present invention. The metal support can withstand high temperatures, and especially has a strong thermal shock effect compared to the ceramic.

금속 하니컴은 백금이나 팔라듐과 같은 촉매물질이 잘 입혀질 수 있도록 금속 성분 중에 알루미늄 성분이 존재하는 경우가 좋다.The metal honeycomb is preferably in the presence of aluminum in the metal component so that a catalytic material such as platinum or palladium can be coated well.

금속을 이용하여 하니컴 모양을 만드는데 여러 가지 방법이 있을 수 있으나 가장 효과적인 방법은 도 3에서 보여준 바와 같이 평판(6)과 굴곡 박판(5)을 조합하여 조립하는 방법이다.There may be various methods for making honeycomb shapes using metal, but the most effective method is a method of assembling the flat plate 6 and the flexible thin plate 5 as shown in FIG. 3.

상기 조립방법은 금속 평판(6) 위에 굴곡 박판(5)을 조합하여 이것을 원통형으로 감게 되면, 하니컴 모양이 된다.In the assembly method, when the curved thin plate 5 is combined on the metal flat plate 6 and wound into a cylindrical shape, it becomes a honeycomb shape.

이러한 금속 하니컴에 촉매를 입혀서 촉매층으로 사용하게 된다.The metal honeycomb is coated with a catalyst to be used as a catalyst layer.

상기 촉매층에는 귀금속 혹은 금속산화물 촉매를 담지한다.The catalyst layer carries a noble metal or metal oxide catalyst.

또한 본 발명에서는 도 3과 같은 금속 하니컴을 조립할 때에 혼합기가 통과하는 구멍의 방향이 연소기의 방향과 경사지게 하였다.In addition, in the present invention, when assembling the metal honeycomb as shown in FIG. 3, the direction of the hole passing through the mixer is inclined with the direction of the combustor.

도 4에서는 경사가 없는 굴곡박판(7)의 경우를 보여주고 있고, 도 5에서는 경사가 있는 굴곡 박판(8)의 경우를 보여주고 있다.4 shows the case of the bent thin plate 7 without inclination, and FIG. 5 shows the case of the bent thin plate 8 with inclination.

상기 굴곡 박판에 경사가 있는 경우에는 도 3과 같은 하니컴으로 성형하였을 때에, 혼합기 흐름의 방향이 연소기의 방향에 경사지게 꺾이게 된다. 이렇게 함으로써 금속 하니컴 후류에서 혼합기가 선회가 발생하도록 한다.When the curved thin plate is inclined, when the honeycomb as shown in FIG. 3 is molded, the direction of the mixer flow is inclined in the direction of the combustor. This allows the mixer to swing in the wake of the metal honeycomb.

촉매체 후류에서 선회가 발생하게 되면, 선회에 의하여 화염의 보염 기능을 개선시킬 수 있다. 촉매연소와 선회에 의한 보염 기능을 추가하여 화염의 안정성을 높이게 된다.If turning occurs after the catalyst body, the flame flame function can be improved by turning. The flame stability is enhanced by adding flame retardation by catalytic combustion and swing.

희박 예혼합기를 안정적으로 연소하기 위하여, 촉매연소가 지원된 화염 연소를 이용하며, 이와 함께, 촉매층에서 나온 혼합기에 선회를 추가함으로써 화염의 안정성을 더욱 높일 수 있다.In order to stably burn the lean premixer, flame burning with catalytic combustion support is used, and the stability of the flame can be further increased by adding turning to the mixer coming out of the catalyst bed.

이렇게 함으로써, 촉매연소의 지원 없이는 안정적인 연소가 불가능한 희박 혼합기의 연소가 가능하며, 이로써 저 NOx 연소가 가능하게 된다.This allows the combustion of lean mixers that are not capable of stable combustion without the support of catalytic combustion, thereby enabling low NOx combustion.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.Hereinafter is a preferred embodiment of the present invention.

「실시예」"Example"

본 실험에 사용한 촉매지원 연소기는 도 1과 같이 전단에는 촉매층을 설치하고 촉매층 후단에는 화염 연소실을 설치하였다.The catalyst-supported combustor used in this experiment was equipped with a catalyst bed at the front and a flame combustion chamber at the rear of the catalyst bed as shown in FIG.

연소기의 내부 직경은 52mm이고 연소기의 단열을 위하여 외부는 세라믹 단열재(130kg/m3)를 사용하여 보온(50mm 두께)하였다.The inner diameter of the combustor was 52 mm and the outside was insulated (50 mm thick) using a ceramic insulator (130 kg / m 3 ) to insulate the combustor.

촉매층은 앞쪽에는 길이 56mm의 Pd(2.0wt%)이 담지된 촉매를, 뒤쪽에는 길이 26mm의 Pt(2.0wt%)이 담지된 촉매를 조합하여 실험하였다. 촉매층의 전체 크기는 길이 78mm, 직경 50mm를 사용하였다.The catalyst layer was tested by combining a catalyst carrying 56 mm of Pd (2.0 wt%) in the front and a catalyst carrying 26 mm of Pt (2.0 wt%) in the rear. The total size of the catalyst layer was 78 mm in length and 50 mm in diameter.

연소용 공기의 유량은 질량유량 조절기로 조절하였으며, 연소용 공기의 예열을 위하여 전기히터를 사용하였다.The flow rate of the combustion air was controlled by a mass flow controller, and an electric heater was used to preheat the combustion air.

가스 연료로는 LNG(CH490.2%, C2H66.5%, C3H82.3%, 기타)를 사용하였으며 다공 노즐을 사용하여 예열된 공기와 혼합되도록 하였다.LNG was used as gas fuel (CH 4 90.2%, C 2 H 6 6.5%, C 3 H 8 2.3%, etc.) and a porous nozzle was used to mix with the preheated air.

가스의 유량은 질량 유량 조절기를 사용하여 조절하였다.The flow rate of the gas was controlled using a mass flow controller.

공기와 가스의 균일한 혼합을 위하여 정류 혼합기를 사용하였다.A rectifier mixer was used for uniform mixing of air and gas.

촉매층 후단에는 길이 1300mm의 화염 연소실을 설치하였다.A flame combustion chamber of 1300 mm length was installed at the rear end of the catalyst layer.

본 실험에 사용할 촉매 담체로 300 cell/in2하니컴(직경 50mm, 코디어라이트 50%, 물라이트 50%)을 사용하였다.300 cell / in 2 honeycomb (diameter 50 mm, cordierite 50%, mullite 50%) was used as a catalyst carrier to be used in this experiment.

하니컴 표면의 피막과 촉매 물질의 담지는 동시에 실시하였다.The film on the surface of the honeycomb and the support of the catalyst material were simultaneously carried out.

먼저 촉매물질로서 Pd(NO3)2와 피막제인 γ-Al2O3졸을 함께 섞은 후, 12 시간 동안 교반 하였다.First, Pd (NO 3 ) 2 and the coating agent γ-Al 2 O 3 sol were mixed together as a catalyst material, followed by stirring for 12 hours.

촉매물질과 피막제를 하니컴 표면에 입히기 위해서 접합제로서 Al(NO3)3·9H2O를 졸에 첨가하였다.Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O was added to the sol as a binder in order to coat the catalyst material and the coating agent on the honeycomb surface.

준비된 하니컴을 촉매물질과 피막제가 혼합된 졸에 담갔다가 꺼낸 후, 하니컴 셀 속에 과도하게 뭉쳐 있는 부분은 에어건으로 불어서 제거하였다.The prepared honeycomb was immersed in the sol mixed with the catalyst material and the coating agent, and then taken out, and the excessively agglomerated portion in the honeycomb cell was blown off with an air gun.

이어서 촉매물질과 피막제가 입혀진 하니컴을 건조기에서 100℃로 12시간 건조하였다.The honeycomb coated with the catalyst material and the coating agent was then dried at 100 ° C. for 12 hours in a drier.

건조된 하니컴은 다시 소성로에서 600℃로 6시간 동안 소성하였다.The dried honeycomb was calcined again at 600 ° C. for 6 hours in a kiln.

하니컴에 입혀진 피막제(알루미나)와 촉매물질(팔라듐)의 함량은 하니컴 기준으로 각각 20%와 2.0%로 하였다.The content of the coating agent (alumina) and the catalytic material (palladium) coated on the honeycomb was 20% and 2.0% based on the honeycomb, respectively.

소성이 완료된 하니컴은 다시 소성로에서 1200℃로 24시간 에이징을 실시하였다.After the firing was completed, the honeycomb was subjected to aging at 1200 ° C. for 24 hours.

한편, 백금 촉매의 제조는 촉매제로 H2PtCl6를 사용하고 그 외는 팔라듐 촉매의 제조와 동일한 방법으로 실시하였다.On the other hand, the platinum catalyst was prepared using H 2 PtCl 6 as a catalyst and the others were carried out in the same manner as the preparation of the palladium catalyst.

백금의 함량은 하니컴 기준으로 2.0%로 하였다.The platinum content was 2.0% based on the honeycomb basis.

도 6은 혼합기 속도가 23.2m/sec로 공급될 때, 촉매층에서 촉매반응이 소화되는 조건과 화염 연소실에서 화염이 소화되는 조건을 측정한 결과이다.FIG. 6 shows the results of measuring conditions under which the catalytic reaction is extinguished in the catalyst bed and conditions under which flame is extinguished in the flame combustion chamber when the mixer speed is supplied at 23.2 m / sec.

화염연소실에서 화염의 소화는 혼합기의 연료 농도에 크게 영향을 받는 것을 보여주고 있다.Flame extinguishing in the flame retardant chamber has been shown to be greatly influenced by the fuel concentration of the mixer.

예로써, 연료농도 2.9%에서는 혼합기의 예열온도가 670℃에서 화염이 소화되었다. 혼합기의 예열온도가 670℃ 이상에서는 안정된 화염이 유지되었고, 670℃ 이하에서는 화염이 소화되었다.For example, at a fuel concentration of 2.9%, the flame was extinguished at the preheat temperature of the mixer at 670 ° C. When the preheating temperature of the mixer was above 670 ° C, a stable flame was maintained, and below 670 ° C, the flame was extinguished.

연료농도가 4.2%로 증가하면, 화염의 소화온도는 320℃로 크게 감소하였다.As the fuel concentration increased to 4.2%, the fire extinguishing temperature decreased significantly to 320 ° C.

한편, 촉매층에서의 촉매 반응 소화는 연료농도에 그다지 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.On the other hand, catalytic reaction digestion in the catalyst bed was not significantly affected by the fuel concentration.

예로써, 연료농도 2.9%에서 촉매층은 혼합기의 예열온도가 460℃에서 소화하였고, 연료농도가 4.2%로 증가하면, 400℃에서 소화하였다.For example, at 2.9% fuel concentration, the catalyst bed was digested at 460 ° C in the preheat temperature of the mixer, and at 400 ° C when the fuel concentration increased to 4.2%.

촉매연소가 지원된 연소기를 통하여 혼합기가 안정 연소되기 위해서는 촉매층에서는 촉매반응이 유지되면서, 화염연소실에서 화염연소가 유지되어야 한다.In order to stably combust the mixer through the catalytic combustion-supported combustor, the catalytic reaction must be maintained in the catalyst bed, and the flame combustion must be maintained in the flame combustion chamber.

이러한 안정 연소 조건을 도 6에서 안정 연소 영역으로 표시하였다These stable combustion conditions are indicated by the stable combustion region in FIG.

도시된 바와 같이 안정연소 영역(A)은 선회 작용이 없는 세라믹 하니컴을 사용하여 얻어진 결과이다.As shown, the stable combustion region A is the result obtained by using a ceramic honeycomb having no turning action.

안정연소 영역(A)은 연료농도 3.7% 이하에서는 화염이 소화되는 조건에 의하여 결정되고, 연료농도 3.7% 이상에서는 촉매반응이 소화되는 조건에 의하여 결정된다.The stable combustion zone A is determined by the conditions under which the flame is extinguished at a fuel concentration of 3.7% or lower, and by the conditions under which the catalytic reaction is extinguished at a fuel concentration of 3.7% or higher.

촉매연소가 지원된 연소기에서 가능한 한 혼합기의 예열온도가 낮은 조건에서 안정 연소가 이루어지는 것이 경제적이다.It is economical to achieve stable combustion under conditions where the preheating temperature of the mixer is as low as possible in a combustor supported on catalytic combustion.

도 6에서 연료농도 3.7% 이하의 영역에서 안정연소 영역(A)을 점선으로 표시한 안정연소 영역(B)로 개선할 수 있는 여지가 있는 것을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 6 that there is room to improve the stable combustion region A to the stable combustion region B indicated by the dotted line in the region having a fuel concentration of 3.7% or less.

안정연소 영역(A)을 안정 연소 영역(B)으로 개선하기 위해서는 화염 연소실에서 화염의 소화를 억제하는 방법이 필요하다.In order to improve the stable combustion region A to the stable combustion region B, a method of suppressing the extinguishing of the flame in the flame combustion chamber is required.

즉, 연료농도 3.7% 이하에서 화염 연소실에서 화염이 소화되는 예열온도가 촉매반응이 소화되는 예열온도보다 더 낮게 하는 방법이 필요하다.That is, there is a need for a method in which the preheating temperature at which the flame is extinguished in the flame combustion chamber is lower than the preheating temperature at which the catalytic reaction is extinguished at a fuel concentration of 3.7% or less.

이러한 방법에는 화염 연소실에서 혼합기의 연소 속도를 증가시키거나 또는 화염의 보염 기능을 향상시키는 방법이 있다.These methods include increasing the combustion rate of the mixer in the flame combustion chamber or improving the flame flame function of the flame.

혼합기의 연소 속도는 촉매층의 촉매반응에 의하여 충분히 상승되었으므로, 화염의 보염 기능을 개선하는 방법이 남게 된다.Since the combustion rate of the mixer has been sufficiently increased by the catalytic reaction of the catalyst bed, there remains a method of improving the flame flame function.

본 발명에서는 촉매층에서 혼합기의 흐름에 선회를 줄 수 있는 방법으로 도5와 같은 장치를 발명하였다.In the present invention, the apparatus as shown in FIG. 5 was invented in such a way as to turn the flow of the mixer in the catalyst bed.

촉매층을 통과하는 혼합기는 촉매층에서 촉매반응이 일어나며, 동시에 혼합기에 선회가 발생하게 되어, 촉매층 후단에서 화염의 보염 기능이 향상되게 된다.The mixer passing through the catalyst bed undergoes catalytic reaction in the catalyst bed, and at the same time, turning occurs in the mixer, thereby improving flame flame function at the rear of the catalyst bed.

촉매층에서 선회에 의한 보염 기능이 추가될 때, 안정연소 영역(A)에서 안정 연소 영역(B)으로 개선이 가능하게 된다.When the flame retardant function by turning in the catalyst layer is added, it is possible to improve from the stable combustion region A to the stable combustion region B. FIG.

도 7은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로부터 발생하는 NOx의 발생량을 측정한 결과이다. 연료의 농도를 2.0∼4.0%를 유지하였을 때에 NOx의 배출량은 2.0ppm(산소 15%기준)로 매우 낮은 결과를 보여주었다.7 is a result of measuring the amount of NOx generated from the flame combustor supported by catalytic combustion. When the concentration of fuel was maintained at 2.0 ~ 4.0%, NOx emission was very low as 2.0 ppm (15% oxygen).

메탄의 연소 하한계가 약 5.0%인 것을 고려할 때, 촉매연소가 지원된 연소기는 연소 하한계 보다 낮은 2.0∼4.0% 조건에서 안정적인 운전이 가능하며, 또한 이때 발생하는 NOx의 발생량은 2.0ppm 이하로 매우 낮은 값을 보여주었다.Considering that the lower combustion limit of methane is about 5.0%, the catalytically supported combustor can operate stably at 2.0 to 4.0% lower than the lower combustion limit, and the amount of NOx generated is less than 2.0 ppm. Showed very low values.

상기와 같은 본 발명 촉매연소가 지원된 연소기는 연소 하한계 보다 낮은 조건에서 안정적인 운전이 가능하며, 또한 이때 발생하는 NOx의 발생량이 매우 낮아 보일러, 가스터빈, 열풍발생기 등을 위한 연소기에 사용시 그 효용성이 높게 기대되는 등의 효과가 있다.As described above, the combustor supporting the catalytic combustion of the present invention can operate stably at a condition lower than the lower combustion limit, and the amount of NOx generated at this time is very low, and its effectiveness when used in a combustor for a boiler, a gas turbine, a hot air generator, and the like. This is expected to have a high effect.

Claims (5)

고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서,In the combustion method for suppressing NOx generated from a high load combustor, 촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 희박 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와,In the catalyst layer 2, part of the mixer 1 is catalytically burned by the catalyst surface reaction, and the heat generated at this time is used to heat the lean mixer 1 to increase the combustion speed of the mixer, and to rotate the mixer afterwards to inflame the flame. Catalytic combustion step, 가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법.Combustion method of exhausting NOx-reduced exhaust gas through a flame combustion step of stably burning the remaining heated lean mixer (1) in the flame combustion chamber (3) installed at the rear of the catalyst layer (2) by the increased combustion speed of the mixer. A low NOx combustion method combining catalyst combustion and swirl generation of a catalyst layer, characterized in that. 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소기에 있어서,In the combustor for suppressing NOx generated from the high load combustor, 혼합기의 일부를 촉매 반응에 의한 연소로 온도를 상승시키는 촉매층(2)과,A catalyst layer 2 for raising a temperature of a part of the mixer by combustion by a catalytic reaction, 상기 촉매층 후단에 온도 상승된 혼합기를 화염연소에 의하여 연소시키는 화염 연소실(3)로 구성한 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.A low NOx combustor combining the combustion of catalyst combustion and the catalyst layer, characterized by comprising a flame combustion chamber (3) which burns a temperature-rise mixer at the rear end of the catalyst layer by flame combustion. 제 2항에 있어서, 상기 촉매층(2)은 금속 하니컴을 사용하며, 여기에 귀금속 과 금속산화물 촉매 중 선택된 하나를 담지한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.The catalyst layer (2) according to claim 2, wherein the catalyst layer (2) uses a metal honeycomb, and a catalyst containing at least one selected from a precious metal and a metal oxide catalyst is used. burner. 제 3항에 있어서, 상기 금속 하니컴은 평판(6) 위에 굴곡 박판(5)을 조합하여 원통형으로 감아 성형함으로써 혼합기의 통로가 중심축에 대하여 나선상이 되도록 한 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.4. The catalytic combustion and the turning of the catalyst layer according to claim 3, wherein the metal honeycomb is formed by combining a curved thin plate 5 on a flat plate 6 and winding it in a cylindrical shape so that the passage of the mixer becomes spiral with respect to the central axis. Low NOx combustor combining generation. 제 4항에 있어서, 상기 굴곡 박판(5)은 경사가 있는 굴곡 박판인 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.5. The low NOx combustor according to claim 4, wherein the curved thin plate (5) is a curved thin plate with an inclination.
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