KR100392702B1 - Hot air generator using catalytic combustion - Google Patents
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Abstract
본 발명은 촉매연소를 이용한 열발생 장치에 관한 것으로서, 특히 산업분야에서 다양하게 적용될 수 있고 대용량(10만 kcal/hr 이상)의 수증기, 열풍, 고온수 등을 효과적으로 공급할 수 있는 열발생 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heat generating apparatus using catalytic combustion, and more particularly, to a heat generating apparatus that can be variously applied in the industrial field and can effectively supply a large capacity (more than 100,000 kcal / hr) of water vapor, hot air, and hot water. will be.
본 발명에 의한 열발생 장치는 공기와 연료가스를 균일하게 혼합시키는 연료혼합공급부와, 혼합기체를 촉매연소반응이 가능한 온도까지 미리 예열시키는 혼합기체예열부와, 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매연소부와, 연소반응이 완료된 연소기체로부터 열을 회수하는 열회수부와, 이들 각 부분을 제어하는 제어부로 구성되어 있고, 이들은 서로 유기적으로 결합되어 있다.The heat generating apparatus according to the present invention comprises a fuel mixing supply unit for uniformly mixing air and fuel gas, a mixed gas preheating unit for preheating the mixed gas to a temperature capable of catalytic combustion reaction, and a catalyst for catalyzing the preheated mixed gas. It consists of a combustion part, the heat recovery part which collect | recovers heat from the combustion gas which completed combustion reaction, and the control part which controls each of these parts, and these are organically couple | bonded with each other.
본 발명에 의한 열발생 장치는 촉매연소 장치와 열교환 장치를 모듈로 결합할 수 있도록 하여, 촉매연소를 통해 발생한 고온의 연소가스를 직접 이용하거나, 수요처의 필요에 따라 열수, 열풍, 증기 등을 자유롭게 선택하여 활용할 수 있다.The heat generating device according to the present invention allows the catalytic combustion device and the heat exchanger to be combined as a module so as to directly use the hot combustion gas generated through the catalytic combustion, or to free hot water, hot air, steam, etc. according to the needs of the customer. You can choose to use it.
Description
본 발명은 촉매연소를 이용한 열발생 장치에 관한 것으로서, 특히 산업분야에서 다양하게 적용될 수 있고 대용량(10만 kcal/hr 이상)의 수증기, 열풍, 고온수 등을 효과적으로 공급할 수 있는 열발생 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heat generating apparatus using catalytic combustion, and more particularly, to a heat generating apparatus that can be variously applied in the industrial field and can effectively supply a large capacity (more than 100,000 kcal / hr) of water vapor, hot air, and hot water. will be.
일반적으로 온수나 열풍은 연료를 화염연소시키고, 가열된 연소가스를 매체와 열교환하여 얻는다. 그러나 일반 화염연소기에서는 화염의 온도가 1500℃이상으로 올라가기 때문에 질소산화물(NOx)이 다량으로 발생하여 대기오염의 문제를 야기시키고 있다.In general, hot water or hot air is obtained by flame-burning fuel and heat-exchanging combustion gas with a medium. However, in the general flame burner, since the temperature of the flame rises to 1500 ° C. or more, a large amount of nitrogen oxides (NOx) are generated, causing a problem of air pollution.
한편, 제철 공장에서 발생하는 코크스 오븐 가스와 고로가스는 아래의 표1에서 보여주는 바와 같이 발열량이 각각 4982 kcal/N㎥, 697 kcal/N㎥로서 일반 연료가스인 천연가스와 프로판가스에 비하여 매우 낮다. 이로 인하여 코크스 오븐 가스와 고로가스를 직접 연료로 사용하여 연소시킬 경우, 연소가 매우 불안정하게 된다. 따라서, 이를 안정적으로 연소시키기 위해서는 특수하게 설계된 버너를 필요로 하게 되거나, 일반 연료가스인 천연가스와 프로판 가스를 일정한 비율로 미리 혼합하여 연소시켜야 하는 번거로움이 있을 뿐만아니라 이를 위한 별도의 장치를 설치해야 하는 문제점이 있다.On the other hand, the coke oven gas and blast furnace gas generated in the steel mill are 4982 kcal / Nm3 and 697 kcal / Nm3, respectively, as the calorific value is much lower than that of natural gas and propane gas. . This makes the combustion very unstable when the coke oven gas and the blast furnace gas are burned directly as fuel. Therefore, in order to stably burn it, a specially designed burner is required, or there is no need to combust and mix a natural gas and propane gas, which are general fuel gases, in a predetermined ratio, and to install a separate device therefor. There is a problem that must be done.
〔표 1〕 주요 가스의 조성 및 물성[Table 1] Composition and Properties of Main Gases
본 발명은 연소가스 중에 질소산화물이 거의 발생하지 않는 청정연소를 구현함과 동시에, 산업현장에서 다량으로 발생하는 코크스 오븐가스 (COG, Coke Oven Gas), 고로가스 (BFG, Blast Furnace Gas), 휘발성 유기가스 (VOC, Volatile Organic Compounds) 등과 같은 부생가스를 효율적으로 연소시켜서 유용하게 이용하기 위하여 개발된 것이다.The present invention realizes clean combustion with little nitrogen oxides in the combustion gas, and at the same time, a large amount of coke oven gas (COG, Coke Oven Gas), blast furnace gas (BFG, Blast Furnace Gas), volatile It was developed to use by effectively burning by-product gas such as organic gas (VOC, Volatile Organic Compounds).
종래의 열발생 장치는 연소가스의 온도가 1500℃ 정도에 이르러 다량의 질소산화물(NOx)이 발생되었으므로, 질소산화물의 발생을 원천적으로 방지하기 위해서는 최종 연소가스의 온도가 1000℃ 이하로 조절되어야 한다. 한편, 오늘날 산업현장 등에서 문제가 되고 있는 코크스 오븐 가스와 고로가스는 발열량이 낮은 것이 단점인 반면에 상대적으로 수소 또는 일산화탄소 성분이 각각 56.4%, 22.0%로 다량으로 포함되어 있는 특성이 있다. 따라서, 다량으로 존재하는 이들 성분을 효율적으로활용하기 위해서는 질소산화물의 발생을 고려하여 1000℃ 이하의 저온에서 연소시켜야 하지만, 그 경우 불완전연소가 진행될 가능성이 있으므로, 1000℃ 이하의 저온에서도 완전연소가 가능한 별도의 시스템을 강구할 필요가 있다. 또한, 저온에서의 연소반응 시스템이 공급가스의 농도분포와 그로 인한 연소온도에 민감한 특성이 있으므로, 공급가스의 농도분포를 균일하게 조절해주는 수단이 필요하게 된다.In the conventional heat generator, since a large amount of nitrogen oxides (NOx) are generated when the temperature of the combustion gas reaches about 1500 ° C, the temperature of the final combustion gas should be controlled to 1000 ° C or lower to prevent the generation of nitrogen oxides. . On the other hand, the coke oven gas and blast furnace gas, which is a problem in the industrial field today, has a disadvantage that the calorific value is low, while relatively high amounts of hydrogen or carbon monoxide are contained in 56.4% and 22.0%, respectively. Therefore, in order to efficiently utilize these components present in a large amount, the combustion should be performed at a low temperature of 1000 ° C or lower in consideration of the generation of nitrogen oxides, but incomplete combustion may proceed in this case. It is necessary to devise a separate system if possible. In addition, since the combustion reaction system at low temperature is sensitive to the concentration distribution of the feed gas and the resulting combustion temperature, a means for uniformly controlling the concentration distribution of the feed gas is required.
따라서, 본 발명은 산업현장 등에서 다량으로 발생하는 부생가스를 효율적으로 연소시키는 반면에 질소산화물을 거의 발생시키지 않는 열발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat generating device which burns by-product gas generated in a large amount in an industrial field efficiently while generating little nitrogen oxide.
도 1은 촉매연소를 이용한 열발생 장치의 구조도,1 is a structural diagram of a heat generating device using catalytic combustion,
도 2a는 공기연료혼합기의 정면도,2a is a front view of the air fuel mixer,
도 2b는 공기연료혼합기가 설치된 상태의 개략도,2b is a schematic diagram of a state where an air fuel mixer is installed;
도 3a는 하니컴 타입의 촉매 지지체,3a shows a honeycomb type catalyst support,
도 3b는 폼 타입의 촉매 지지체,3b is a foam type catalyst support,
도 4는 1기압, 20℃ 하에서의 프로판가스의 단열화염 온도 도표이다.4 is an adiabatic flame temperature chart of propane gas at 1 atm and 20 ° C.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 공기송풍기, 12 : 공기공급관,11: air blower, 12: air supply pipe,
13 : 연료공급관, 14 : 공기연료혼합기,13: fuel supply pipe, 14: air fuel mixer,
15 : 노즐, 16 : 가스공급 구멍,15 nozzle, 16 gas supply hole,
21 : 예열용 열교환기, 22 : 점화기,21: preheating heat exchanger, 22: igniter,
23 : 파일럿버너, 31 : 촉매층,23: pilot burner, 31: catalyst bed,
32 : 하니컴 타입 지지체, 33 : 폼 타입 지지체,32: honeycomb type support, 33: foam type support,
35 : 열전대, 41 : 열회수용 열교환기,35: thermocouple, 41: heat recovery heat exchanger,
42 : 열회수용 송풍기, 43 : 배기구,42: blower for heat recovery, 43: exhaust vent,
44 : 유출구, 51 : 콘트롤러44: outlet, 51: controller
본 발명에 의한 열발생 장치는 공기와 연료가스를 균일하게 혼합시키는 연료혼합공급부와, 혼합기체를 촉매연소반응이 가능한 온도까지 미리 예열시키는 혼합기체예열부와, 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매연소부와, 연소반응이 완료된 연소기체로부터 열을 회수하는 열회수부와, 이들 각 부분을 제어하는 제어부로 구성되어 있다.The heat generating apparatus according to the present invention comprises a fuel mixing supply unit for uniformly mixing air and fuel gas, a mixed gas preheating unit for preheating the mixed gas to a temperature capable of catalytic combustion reaction, and a catalyst for catalyzing the preheated mixed gas. It consists of a combustion part, a heat recovery part which recovers heat from the combustion gas which completed combustion reaction, and a control part which controls each part.
본 발명에 있어서, 상기의 연료혼합공급부는 대기로부터 공기를 공급하는 공기송풍기, 산업공정에서 발생한 부생가스를 공급하는 연료공급관, 상기의 공기와 상기의 부생가스를 균일하게 혼합시키는 공기연료혼합기로 구성된다.In the present invention, the fuel mixture supply unit comprises an air blower for supplying air from the atmosphere, a fuel supply pipe for supplying byproduct gas generated in an industrial process, and an air fuel mixer for uniformly mixing the air and the byproduct gas. do.
본 발명에 있어서, 상기의 혼합기체 예열부는 공기와 연료의 혼합기체를 미리 촉매반응 온도까지 예열시키는 예열용 열교환기, 최초 시동시 혼합기체를 촉매반응온도까지 예열시키는 점화기 및 파일럿버너로 구성되고, 상기의 촉매연소부는 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매층과, 촉매층의 온도를 감지하여 상기의 제어부로 신호를 보내는 열전대로 구성된다.In the present invention, the mixed gas preheating unit is composed of a preheating heat exchanger for preheating the mixed gas of air and fuel to the pre-catalyst reaction temperature, an igniter and a pilot burner for preheating the mixed gas to the catalytic reaction temperature at the first start-up, The catalytic combustion unit includes a catalyst layer for catalyzing the preheated mixed gas and a thermocouple that senses the temperature of the catalyst layer and sends a signal to the controller.
본 발명에 있어서, 상기의 열회수부는 예열용 열교환기를 거쳐 지나온 연소가스로부터 나머지의 고온열을 회수하는 열회수용 열교환기와, 상기의 열회수용 열교환기에 공기 또는 물을 공급하는 열회수용 송풍기와, 연소가스가 대기로 방출되는 배기구와, 건조공기 또는 고온수(고온증기)가 나가는 유출구로 구성된다.In the present invention, the heat recovery unit is a heat recovery heat exchanger for recovering the remaining high temperature heat from the combustion gas passed through the preheating heat exchanger, a heat recovery blower for supplying air or water to the heat recovery heat exchanger, and the combustion gas It consists of an exhaust port discharged to the atmosphere and an outlet port through which dry air or hot water (hot steam) exits.
본 발명에 있어서, 상기의 제어부는 본 발명의 전체 시스템을 통제하고 조절하는 콘트롤러와, 연료공급관에 형성된 다수의 솔레노이드 밸브로 구성되어 있다.In the present invention, the control unit is composed of a controller for controlling and regulating the entire system of the present invention, and a plurality of solenoid valves formed in the fuel supply pipe.
본 발명에 있어서, 상기의 촉매연소부와 혼합기체 예열부 및 열회수부를 각각의 모듈로 구성함으로써, 수요처의 조건에 따라 공기/공기 혹은 공기/물 열교환기를 사용하여 열풍 혹은 증기나 고온수를 발생할 수 있도록 모듈화로 시스템을 구성하는 것이 바람직스럽다.In the present invention, the catalyst combustion unit, the mixed gas preheating unit, and the heat recovery unit are configured as modules so that hot air, steam, or hot water can be generated using an air / air or air / water heat exchanger according to the requirements of the customer. It is desirable to configure the system so that it is modular.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명을 실시하기 위하여 제시된 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 보호범위가 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings are only one example presented for carrying out the present invention, and the protection scope of the present invention is not limited by the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 의한 열풍장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 본 발명에 있어서, 상기의 연료혼합공급부는 대기로부터 공기를 공급하는 공기송풍기(11)와 공기공급관(12), 연료가스 또는 산업공정에서 발생한 부생가스를 공급하는 연료공급관(13), 상기의 공기와 연료가스(또는 부생가스)를 균일하게 혼합시키는 공기연료혼합기(14)로 구성된다.1 is a conceptual diagram schematically showing a hot air device according to the present invention. In the present invention, the fuel mixture supply unit is an air blower 11 and air supply pipe 12 for supplying air from the atmosphere, a fuel supply pipe 13 for supplying fuel gas or by-product gas generated in an industrial process, the air And an air fuel mixer 14 for uniformly mixing the fuel gas (or by-product gas).
공기와 연료가스(또는 부생가스)는 적절한 비율로 혼합되어 촉매연소부에 공급된다. 이때, 공기와 연료가스의 혼합비율은 촉매층(31)의 온도를 결정하는 중요한 요소가 된다. 본 발명에 있어서, 프로판가스의 경우에 상기 공기연료혼합기(14)의 과잉 공기비는 3.1 이상으로 한다. 왜냐하면, 촉매층(31)의 표면에서 촉매연소가 일어날 때 그 연소온도는 공기연료혼합기(14)의 당량비가 결정짓는 단열화염온도까지 상승하게 되는데, 단열화염온도가 상기 촉매층의 내열온도 이하로 조절되기 위해서는 프로판 가스의 경우 3.1 이상이 적당하기 때문이다. 도 4는 프로판 가스의 경우에 과잉 공기비에 따른 연소가스의 단열화염온도를 표시하고 있다. 혼합기의 전체용량에 관계없이 단지 공기연료혼합기(14)의 농도를 조절하여 연소가스 온도를 일정한 온도이하로 유지함으로써 촉매층의 고온 내구성을 유지할 수 있다.Air and fuel gas (or by-product gas) are mixed at an appropriate ratio and supplied to the catalytic combustion unit. At this time, the mixing ratio of air and fuel gas becomes an important factor in determining the temperature of the catalyst layer 31. In the present invention, in the case of propane gas, the excess air ratio of the air fuel mixer 14 is 3.1 or more. Because, when catalytic combustion occurs on the surface of the catalyst layer 31, the combustion temperature rises to the adiabatic flame temperature determined by the equivalence ratio of the air fuel mixer 14, and the adiabatic flame temperature is controlled below the heat resistance temperature of the catalyst layer. This is because 3.1 or more is suitable for propane gas. 4 shows the adiabatic flame temperature of the combustion gas according to the excess air ratio in the case of propane gas. Regardless of the total capacity of the mixer, it is possible to maintain the high temperature durability of the catalyst layer by simply adjusting the concentration of the air fuel mixer 14 to maintain the combustion gas temperature below a certain temperature.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 공기연료혼합기(14)는 연료공급관의 한쪽 내부에 다수의 노즐(15)과, 그 노즐(15)위에 다수의 가스공급 구멍(16)을 형성한다. 도 2a는 본 발명에 의한 공기연료혼합기의 정면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2b는 상기의 공기연료혼합기가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 개념도이다. 이처럼 공기공급관(12) 내에 공기연료혼합기(14)를 별도로 설치한 이유는 촉매층(31)의 온도분포를 균일하게 만들어줌으로써 촉매층의 내구력을 향상시켜주기 위함이다. 즉, 촉매층(31)에 들어가는 혼합기체의 농도가 부분적으로 불균일하게 되면, 촉매층의 온도가 국부적으로 내열온도 이상으로 올라가는 경우가 있으므로, 이를 방지하기 위해 연료가스(또는 부생가스)와 공기가 공급관내의 유로를 통하여 관내에서 균일하게 혼합되도록 하기 위한 것이다. 본 발명에 있어서, 관의 전체 단면적에서 가스와 공기의 혼합이 균일하게 하기 위해서는 공기와 연료의 유속, 관의 반경, 질량유량, 공기의 밀도 등과의 상관관계를 고려하여 노즐(15)의 개수와 배치를 설계하여야 한다. 공기가 흐르는 관의 유동이 난류 유동일 경우에 유속분포와 질량유량 분포는 다음과 같이 표기할 수 있다.Further, in the present invention, the air fuel mixer 14 forms a plurality of nozzles 15 inside one of the fuel supply pipes and a plurality of gas supply holes 16 on the nozzles 15. Figure 2a schematically shows a front view of the air fuel mixer according to the present invention, Figure 2b is a conceptual diagram schematically showing a state in which the air fuel mixer is installed. The reason for separately installing the air fuel mixer 14 in the air supply pipe 12 is to improve the durability of the catalyst layer by making the temperature distribution of the catalyst layer 31 uniform. That is, when the concentration of the mixed gas entering the catalyst layer 31 becomes partially nonuniform, the temperature of the catalyst layer may locally rise above the heat resistance temperature, so that fuel gas (or by-product gas) and air are prevented from being supplied in the supply pipe. This is to ensure uniform mixing in the pipe through the flow path. In the present invention, in order to uniformly mix the gas and the air in the entire cross-sectional area of the tube, the number of nozzles 15 and the number of nozzles 15 are considered in consideration of the correlation between the air and fuel flow rate, the radius of the tube, the mass flow rate, and the air density. The layout must be designed. In the case where the flow of an air flowing tube is a turbulent flow, the flow velocity distribution and the mass flow distribution can be expressed as follows.
------------------------- (Ⅰ) ------------------------- (Ⅰ)
------------------------- (Ⅱ) ------------------------- (Ⅱ)
여기에서, u는 공기공급관 내 r 지점에서 공기의 속도, U0는 공기의 평균속도, r은 공기공급관 중심으로부터 반경방향의 길이, r0는 공기공급관의 반경, dm은 공기의 미소 질량유량, ρ는 공기의 밀도, dr은 공기공급관의 미소 반경이다. 본 발명에 있어서는, 공기공급관(12)의 단면적에서 연소가스의 분출량이 공기와 같은 질량유량분포(즉, 상기의 식Ⅱ 로 표기되는 질량유량분포)를 가지도록 가스공급 구멍(16)을 설치한다. 이처럼 공기공급관(12)의 단면적에서 공기의 질량유량 분포와 연소가스의 질량유량 분포가 1:1로 대응함으로써 관의 전체 단면적에서 공기와 연소가스가 균일하게 혼합되어 균일한 혼합기체를 형성한다.Where u is the velocity of air at point r in the air supply line, U 0 is the average velocity of air, r is the radial length from the center of the air supply line, r 0 is the radius of the air supply line, dm is the minute mass flow rate of air, ρ is the density of air and dr is the small radius of the air supply line. In the present invention, the gas supply hole 16 is provided so that the ejection amount of the combustion gas in the cross-sectional area of the air supply pipe 12 has a mass flow rate distribution (i.e., a mass flow rate distribution expressed by the above formula II). . As such, the mass flow distribution of the air and the mass flow distribution of the combustion gas correspond to 1: 1 in the cross-sectional area of the air supply pipe 12 to uniformly mix the air and the combustion gas in the entire cross-sectional area of the pipe to form a uniform mixed gas.
본 발명에 있어서, 상기의 혼합기체 예열부는 공기와 연료의 혼합기체를 미리 촉매반응 온도까지 예열시키는 예열용 열교환기(21)와, 초기 시동시에만 혼합기체를 촉매반응 온도까지 예열시켜주는 점화기(22) 및 파일럿버너(23)로 구성된다. 상기의 예열용 열교환기(21)는 통상의 열교환기 형태를 사용할 수 있다. 따라서, 열교환기의 관 내측으로는 상기의 혼합기체가 흐르고, 관의 외측에는 다수의 핀형 돌기가 형성되어 있으며 그 사이로 연소가스가 지나감으로써, 연소가스로부터 혼합기체로 열교환이 일어나게 된다. 열교환을 마친 혼합기체는 약 400℃ 정도의 예열온도를 가지도록 조절하는 것이 바람직스럽다. 이 온도는 촉매층(31)의 촉매의 종류에 따라 결정될 수 있다. 한편, 상기의 점화기(22) 및 파일럿버너(23)는 본 발명의 장치를 처음 시동할 경우 혼합기체를 예열시켜 촉매반응을 유도하기 위하여 설치한다. 즉, 처음 가동시엔 균일하게 혼합된 혼합기체가 실온상태에서 그대로 유입되므로, 혼합기체가 촉매층(31)에서 촉매반응을 개시할 때까지 한시적으로 가동되고, 촉매반응이 정상적으로 개시되면 제어수단에 의해 연료가스가 자동차단되어진다.In the present invention, the mixed gas preheating unit is a preheating heat exchanger 21 for preheating the mixed gas of air and fuel to the catalytic reaction temperature in advance, and an igniter for preheating the mixed gas to the catalytic reaction temperature only at the initial start-up ( 22) and a pilot burner (23). The preheating heat exchanger 21 may use a conventional heat exchanger form. Accordingly, the mixed gas flows inside the tube of the heat exchanger, and a plurality of fin-like protrusions are formed outside the tube, and the combustion gas passes therebetween, whereby heat exchange occurs from the combustion gas to the mixed gas. After the heat exchange, the mixed gas is preferably adjusted to have a preheating temperature of about 400 ° C. This temperature may be determined according to the type of catalyst of the catalyst layer 31. On the other hand, the igniter 22 and the pilot burner 23 is installed to induce a catalytic reaction by preheating the mixed gas when the apparatus of the present invention is first started. That is, at the first operation, since the mixed gas is uniformly introduced at room temperature as it is, the mixed gas is temporarily operated until the catalyst reaction is started in the catalyst layer 31, and when the catalyst reaction is normally started, the fuel is controlled by the control means. The gas is shut off.
본 발명에 있어서, 상기의 촉매연소부는 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매층(31)과, 촉매층의 온도를 감지하여 상기의 제어부의 콘트롤러(51)로 신호를 보내는 열전대(35)로 구성된다. 상기의 촉매층(31)은 귀금속 촉매 혹은 복합산화물 촉매로서 그들의 내열온도가 일반적으로 최대 1000℃ 이내의 것이 바람직하다. 이는 일반적으로 1500℃ 이상의 고온영역에서 질소산화물(NOx)이 발생하므로 저온영역에서 연소시킴으로써 연소 이후에 질소산화물의 발생을 원천적으로 방지하기 위함이다. 상기의 촉매는 사용되는 연료가스에 따라 달라질 수 있는데, 귀금속 촉매로서는 백금 촉매, 팔라듐 촉매, 로듐 촉매 등을 사용하고, 복합산화물 촉매로서는 페로브스카이트 등을 사용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 천연가스의 경우 팔라듐 촉매가 적합하고, 프로판 가스의 경우 백금촉매가 적합하다. 또한 코크스 가스, 고로 가스, 휘발성유기 가스 등을 사용할 경우에는 백금 촉매와 함께 복합산화물 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 페로브스카이트와 같은 복합산화물 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속 촉매에 비하여 가격이 매우 저렴한 장점을 가지고 있다. 코크스 가스 등은 일산화탄소와 수소성분을 다량 함유하고 있으므로, 귀금속 촉매에 비해 촉매활성이 다소 떨어지더라도 복합산화물 촉매를 사용하는 것이 보다 경제적이다. 상기의 촉매를 내열온도 이상의 환경에 두게 될 경우 촉매 자체를 산화시키게 되므로 내구성을 해친다. 따라서, 혼합기의 연소온도는 사용한 촉매의 내열온도 이상으로 올라가지 않도록 조절하는 것이 필요하다. 본 발명에 있어서 상기 촉매층(31)의 온도를 조절하는 방식으로 연료와 공기의 혼합비율 및 균일한 혼합도에 둔다는 것은 이미 설명한 바와 같다.In the present invention, the catalytic combustion unit is composed of a catalyst layer 31 for catalyzing the preheated mixed gas, and a thermocouple 35 for sensing a temperature of the catalyst layer and sending a signal to the controller 51 of the controller. The catalyst layer 31 is a noble metal catalyst or a composite oxide catalyst, and their heat resistance temperature is generally within 1000 ° C at most. This is because nitrogen oxides (NOx) are generally generated in a high temperature region of 1500 ° C. or higher, so that combustion is performed in a low temperature region to prevent the generation of nitrogen oxides after combustion. The catalyst may vary depending on the fuel gas used. A platinum catalyst, a palladium catalyst, a rhodium catalyst, and the like may be used as the noble metal catalyst, and a perovskite may be used as the composite oxide catalyst. More preferably, palladium catalyst is suitable for natural gas, and platinum catalyst is suitable for propane gas. In addition, when using coke gas, blast furnace gas, volatile organic gas, etc., it is preferable to use a composite oxide catalyst with a platinum catalyst. Composite oxide catalysts such as perovskite have the advantage of being very inexpensive compared to precious metal catalysts such as platinum, palladium and rhodium. Since coke gas contains a large amount of carbon monoxide and hydrogen, it is more economical to use a composite oxide catalyst even if the catalytic activity is slightly lower than that of the noble metal catalyst. When the catalyst is placed in an environment above the heat resistance temperature, the catalyst itself is oxidized, thereby impairing durability. Therefore, it is necessary to adjust the combustion temperature of the mixer so as not to rise above the heat resistance temperature of the used catalyst. In the present invention, as described above, the temperature of the catalyst layer 31 is controlled in a mixing ratio of fuel and air and a uniform mixing degree.
또한, 본 발명에 있어서, 상기의 촉매층(31)은 필요에 따라 하니컴 타입 또는 폼 타입을 사용할 수 있다. 도 3a는 하니컴 타입(32)을 도시하고, 도 3b는 폼 타입(33)을 간략히 도시하고 있다. 촉매 지지체의 타입에 있어서 하니컴 타입(32)은 폼 타입(33)에 비하여 압력 손실이 작게 걸리는 장점이 있으며, 본 장치에서는 하니컴과 폼 타입의 사용이 모두 가능하다. 촉매 지지체의 재질은 세라믹과 금속이 동시에 가능하다. 하니컴 타입을 사용한 경우에는 세라믹 재질이 더 적합하고, 폼 타입을 사용하는 경우에는 금속 재질을 사용하는 것이 더 적합하다. 촉매층(31)의 두께는 촉매 연소기의 공간속도 (혼합기체의 유량/ 촉매의 체적)에 의하여 결정되며, 본 장치에서는 5,000 - 50,000/시간 사이의 적절한 값을 선택하되, 혼합기체의 연소(전환)율이 100%에 이르도록 하는 것이 필요하다.In the present invention, the catalyst layer 31 may be a honeycomb type or a foam type as necessary. FIG. 3A shows the honeycomb type 32 and FIG. 3B briefly shows the foam type 33. In the type of catalyst support, the honeycomb type 32 has an advantage that the pressure loss is smaller than that of the foam type 33. In this apparatus, both the honeycomb and the foam type can be used. The material of the catalyst support may be ceramic and metal at the same time. The ceramic material is more suitable for the honeycomb type and the metal material for the foam type. The thickness of the catalyst layer 31 is determined by the space velocity (flow rate of the mixed gas / volume of the catalyst) of the catalytic combustor, and in this apparatus, an appropriate value between 5,000 and 50,000 / hour is selected, but the combustion (conversion) of the mixed gas is performed. It is necessary to make the rate reach 100%.
촉매층(31)에서의 촉매반응은 혼합기체의 온도가 촉매개시반응 이상으로 되었을 때, 반응이 시작된다. 최초로 유입된 혼합기체는 상기의 파일럿버너(23)에 의해 예열되어 촉매층(31)의 표면에서 반응이 개시되어지고, 이어서 본 발명에 의한 장치가 정상적으로 작동하면, 파일럿버너(23)는 연료공급을 중단하고, 그 대신 혼합기체는 예열용 열교환기(21)에 의해 최대 400℃로 예열되어진다.Catalytic reaction in the catalyst layer 31 is initiated when the temperature of the mixed gas becomes above the catalyst initiation reaction. The first mixed gas is preheated by the pilot burner 23 and the reaction is started on the surface of the catalyst layer 31. Then, when the apparatus according to the present invention operates normally, the pilot burner 23 supplies fuel. Instead, the mixed gas is instead preheated to a maximum of 400 ° C. by the preheat heat exchanger 21.
또한, 본 발명에 있어서, 촉매 지지체는 그 외곽을 직육면체의 간단한 기하학적 성상으로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명에 의한 장치를 운전 또는 보수하는 도중에 촉매층(31)의 교체 작업을 극히 용이하게 할 수 있기 때문이다. 따라서, 사용연료에 따라 별도의 작업없이 단순히 촉매층을 갈아끼우는 것만으로도 교체작업이 가능하다. 본 발명의 장치는 촉매연소 방식을 도입함으로써 연소실을 제거하였으며, 또한 각 부분을 모듈타입으로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 필요에 따라 촉매층의 부착 및 탈착을 용이하게 할 수 있기 때문이다.In addition, in the present invention, it is preferable that the catalyst support is produced in a simple geometric shape of a rectangular parallelepiped. This is because the replacement of the catalyst layer 31 can be made extremely easy during the operation or maintenance of the apparatus according to the present invention. Therefore, the replacement operation is possible simply by changing the catalyst layer without any additional work depending on the fuel used. The apparatus of the present invention eliminated the combustion chamber by introducing a catalytic combustion method, and it is preferable to manufacture each part in a modular type. This is because the catalyst layer can be easily attached and detached as necessary.
본 발명에 있어서는, 상기의 촉매연소부에서 연소되어 나온 고온열의 연소가스가 상기의 예열용 열교환기(21)로 유입되어진다. 예열용 열교환기(21)는 촉매층(31)의 하류 측에 설치되며, 촉매층(31)에서 연소된 연소가스의 열을 회수하여 혼합기체의 온도를 상승시키는 기능을 한다. 예열용 열교환기(21)는 열효율을 증대시키기 위하여, 핀 튜브의 사용이 적합하다. 이때, 고온의 연소가스는 상기의 예열용 열교환기(21)의 관(튜브) 바깥쪽으로 흐르는 반면에, 공기연료공급관(12)에서 유입된 실온의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)의 관(튜브) 안쪽으로 흐르면서, 서로 열교환을 하게 된다. 상온의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)를 통과하면서 최대 400℃까지 가열이 되도록 한다. 예열용 열교환기(21)를 통과한 혼합기체의 출구 온도는 촉매층에서 사용하는 촉매의 촉매반응 개시온도에 따라서 결정되어지며, 통상적으로 200 - 400℃의 범위가 된다.In the present invention, the combustion gas of the high temperature heat which is burned out in the catalytic combustion section is introduced into the preheating heat exchanger 21. The preheating heat exchanger 21 is installed on the downstream side of the catalyst layer 31 and functions to recover the heat of the combustion gas combusted in the catalyst layer 31 to raise the temperature of the mixed gas. The preheating heat exchanger 21 is suitable for the use of a fin tube in order to increase the thermal efficiency. At this time, the hot combustion gas flows out of the tube (tube) of the preheating heat exchanger 21, while the mixed gas at room temperature introduced from the air fuel supply pipe 12 is the tube of the preheating heat exchanger 21. As they flow inside, they exchange heat with each other. The mixed gas at room temperature is heated to a maximum of 400 ° C. while passing through the preheating heat exchanger 21. The outlet temperature of the mixed gas passing through the preheating heat exchanger 21 is determined according to the catalyst reaction start temperature of the catalyst used in the catalyst bed, and is usually in the range of 200 to 400 ° C.
한편, 본 발명에 의한 촉매연소부는 연료예열부와 서로 아무런 영향을 주지 않고 독립적으로 열을 발생시키도록 설계하는 것이 바람직하다. 촉매연소는 표면연소의 특성 때문에 표면에서의 열손실에 매우 민감하므로, 혼합기체예열부에 의한 열교환시 열손실이 연소운전에 전혀 영향을 주지 않도록 하기 위함이다. 예열용 열교환기(21)를 거쳐 나온 연소가스는 곧이어 상기의 열회수부로 유입되어진다.On the other hand, the catalytic combustion unit according to the present invention is preferably designed to generate heat independently without any influence with the fuel preheating unit. Catalytic combustion is very sensitive to heat loss on the surface due to the characteristics of surface combustion, so that the heat loss during heat exchange by the mixed gas preheater does not affect the combustion operation at all. The combustion gas which passed out through the preheating heat exchanger 21 flows into the said heat recovery part immediately.
본 발명에 있어서, 예열용 열교환기(21)의 하류에는 열회수부가 설치된다. 상기의 열회수부는 연료예열부를 거쳐 지나온 연소가스로부터 나머지의 고온열을 회수하는 열회수용 열교환기(41)와, 상기의 열회수용 열교환기에 공기 또는 물을 공급하는 열회수용 송풍기(42)와, 연소가스가 대기로 방출되는 배기구(43)와, 열풍 또는 증기나 고온수가 나가는 유출구(44)로 구성된다. 열회수용 열교환기(41)는 최종적으로 활용하고자 하는 열매체의 종류에 따라 선택할 수 있다. 예컨대, 고온의 열풍을 사용하고자 하는 경우에는 공기/공기의 열교환기를 설치하여 고온의 열풍을 발생시키고, 증기 또는 고온수를 사용하고자 하는 경우에는 공기/물의 열교환기를 설치한다. 열회수용 송풍기(42)는 펌프 또는 압축기를 사용할 수 있다. 열교환을 마치고 저온으로 전환된 연소가스는 배기구(43)를 통하여 대기로 방출되어지고, 열교환 후 고온으로 가열된 열풍 또는 증기 등은 유출구(44)를 통해 최종 목표지점으로 향하게 된다. 한편, 예열용 열교환기를 통과한 연소가스를 열교환이 없이 열풍으로 직접 사용하고자 할 경우에는 열회수용 열교환기(41)를 설치하지 않고 곧바로 사용할 수 있다.In the present invention, a heat recovery unit is provided downstream of the preheating heat exchanger 21. The heat recovery unit includes a heat recovery heat exchanger (41) for recovering the remaining high temperature heat from the combustion gas passed through the fuel preheater, a heat recovery blower (42) for supplying air or water to the heat recovery heat exchanger, and combustion gas Is composed of an exhaust port 43 through which hot air is discharged to the atmosphere, and an outlet port 44 through which hot air, steam, or hot water exits. The heat recovery heat exchanger 41 may be selected depending on the type of heat medium to be finally utilized. For example, in order to use high temperature hot air, an air / air heat exchanger is installed to generate high temperature hot air, and in the case of using steam or hot water, an air / water heat exchanger is installed. The heat recovery blower 42 may use a pump or a compressor. The combustion gas converted to low temperature after the heat exchange is discharged to the atmosphere through the exhaust port 43, and hot air or steam heated to a high temperature after the heat exchange is directed to the final target point through the outlet 44. On the other hand, in the case of using the combustion gas passing through the preheating heat exchanger directly as hot air without heat exchange, the heat recovery heat exchanger 41 may be used immediately without installation.
본 발명에 있어서, 제어부는 본 발명의 전체 시스템을 통제하고 조절하는 콘트롤러(51)와, 연료공급관(13)에 형성된 다수의 솔레노이드 밸브(52)(53)(54)로 구성되어 있다.In the present invention, the control unit is composed of a controller 51 for controlling and regulating the entire system of the present invention, and a plurality of solenoid valves 52, 53, 54 formed in the fuel supply pipe 13.
본 발명에 의한 열발생 장치는 다음과 같이 작동되어진다. 초기 시동시에는 공기 송풍기(11)로부터 연소용 공기가 공급되고, 연료공급관(13)으로부터 연료가스가 공급된다. 연료가스는 콘트롤러(51)에 의하여 솔레노이드 밸브(52)와 솔레노이드 밸브(53)가 열리고, 솔리노이드 밸브(54)는 닫히게 되어, 파일럿버너(23)로 공급된다. 이어서, 점화기(22)에 의하여 파일럿버너(23)가 점화되어 화염이 발생한다. 연소용 공기는 예열용 열교환기(21)의 튜브 안쪽을 통과하여 파일럿버너(23)에 이르고, 그 중에서 일부의 공기는 파일럿버너(23)의 산화제로 공급되고, 나머지 공기는 상기의 촉매층(31)으로 이동하게 된다. 이때, 상기의 나머지 공기는 파일럿버너(23)의 연소에 의하여 최대 400℃ 까지 예열되어 촉매층(31)에 공급된다.The heat generating device according to the present invention is operated as follows. At the initial start-up, combustion air is supplied from the air blower 11 and fuel gas is supplied from the fuel supply pipe 13. Fuel gas is opened by the solenoid valve 52 and the solenoid valve 53 by the controller 51, and the solenoid valve 54 is closed, and is supplied to the pilot burner 23. As shown in FIG. Subsequently, the pilot burner 23 is ignited by the igniter 22 to generate a flame. Combustion air passes through the inside of the tube of the preheating heat exchanger 21 to the pilot burner 23, some of which is supplied to the oxidant of the pilot burner 23, and the remaining air is supplied to the catalyst layer 31. Will be moved to). At this time, the remaining air is preheated up to 400 ° C. by the combustion of the pilot burner 23 and is supplied to the catalyst layer 31.
촉매연소부의 촉매층(31)은 예열된 공기에 의하여 최대 400℃까지 가열되어지고, 촉매반응온도에 이르러 촉매반응이 개시된다. 이로써, 계속적이고 연속적으로 촉매반응이 진행되고, 이 과정에서 촉매층에 설치한 열전대(35)가 촉매층의 온도를 감지하게 된다. 상기의 열전대(35)는 감지온도가 미리 설정된 촉매반응 개시온도에도달하게 되면 콘트롤러(51)에 신호를 보내고, 콘트롤러(51)는 다시 전자적 신호에 의해 솔레노이드 밸브(53)를 닫게 함과 동시에 솔레노이드 밸브(54)를 열리도록 한다. 솔레노이드 밸브(53)가 닫힘에 따라, 파일럿버너(23)는 연료의 공급이 중단되어지므로 화염이 꺼지게 된다.The catalyst layer 31 of the catalytic combustion unit is heated up to 400 ° C. by preheated air, and the catalytic reaction is started by reaching the catalytic reaction temperature. As a result, the catalytic reaction proceeds continuously and continuously, and in this process, the thermocouple 35 installed in the catalyst layer senses the temperature of the catalyst layer. The thermocouple 35 sends a signal to the controller 51 when the sensing temperature reaches a preset catalyst reaction start temperature, and the controller 51 again closes the solenoid valve 53 by an electronic signal and at the same time, the solenoid. Open the valve 54. As the solenoid valve 53 is closed, the pilot burner 23 stops the supply of fuel and thus the flame is turned off.
솔레노이드 밸브(54)를 통하여 공급된 연료가스는 공기연료혼합기(14)에서 공기송풍기(11)로부터 공급된 연소용 공기와 혼합되어지게 된다. 공기연료혼합기(14)에서 연료가스는 여러 개로 구성된 노즐(15)의 가스공급 구멍(16)을 통하여 분출되어 균일하게 혼합되어진 다음, 예열용 열교환기로 유입되어진다. 상기의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)를 통과하여 촉매층(31)에 공급된다. 이때, 상기의 촉매층(31)은 예열된 혼합기체가 공급되면 즉시로 촉매 반응이 개시되어지고, 촉매층(31)의 온도는 미리 설정된 가스 및 공기의 혼합비에 의하여 촉매의 내열온도 이하로 유지되어진다. 백금이나 팔라듐과 같은 귀금속 촉매를 사용하는 경우, 촉매층(31)의 최고 온도는 900℃ 이내로 유지되는 것이 바람직하다.The fuel gas supplied through the solenoid valve 54 is mixed with the combustion air supplied from the air blower 11 in the air fuel mixer 14. In the air fuel mixer 14, the fuel gas is ejected through the gas supply hole 16 of the nozzle 15 composed of several, uniformly mixed, and then flows into the preheating heat exchanger. The mixed gas is supplied to the catalyst layer 31 through the preheating heat exchanger 21. At this time, when the preheated mixed gas is supplied to the catalyst layer 31, the catalytic reaction is started immediately, and the temperature of the catalyst layer 31 is maintained below the heat resistance temperature of the catalyst by a preset mixing ratio of gas and air. . When using a noble metal catalyst such as platinum or palladium, the maximum temperature of the catalyst layer 31 is preferably maintained within 900 ° C.
촉매층(31)에서 촉매반응에 의하여 연소된 고열의 연소가스는 예열용 열교환기(21)의 관(튜브)의 바깥쪽 핀 측을 통과하면서 그 관(튜브)의 안쪽으로 공급되는 혼합기체의 온도를 최대 400℃ 까지 예열시킨다. 예열용 열교환기(21)를 통과한 연소가스는 이어서 열회수용 열교환기(41)를 통과한다. 열회수용 열교환기(41)는 수요처에서 고온의 공기가 필요한 경우에는 공기/공기의 열교환기를 설치하고, 증기나 고온수를 필요로 하는 경우에는 공기/물의 열교환기를 설치할 수 있다. 한편, 예열용 열교환기(21)를 통과한 연소가스의 고온열을 그대로 사용하고자 하는 경우에는 열회수용 열교환기(41)를 설치하지 않고 고온열을 곧바로 사용할 수 있다.The high temperature combustion gas combusted by the catalytic reaction in the catalyst layer 31 passes through the outer fin side of the tube (tube) of the preheating heat exchanger 21 and is supplied to the inside of the tube (tube). Preheat up to 400 ° C. The combustion gas passing through the preheating heat exchanger 21 then passes through the heat recovery heat exchanger 41. The heat recovery heat exchanger 41 may be provided with an air / air heat exchanger when high temperature air is required at the demand, and an air / water heat exchanger when steam or hot water is required. On the other hand, when the high temperature heat of the combustion gas passing through the preheating heat exchanger 21 is to be used as it is, high temperature heat can be used directly without installing the heat recovery heat exchanger 41.
본 발명은 촉매연소를 이용하여 1000℃ 이하의 저온에서 연소시키므로, 연소 가스 중에 질소산화물이 거의 발생하지 않으므로, 청정연소를 실현할 수 있다.Since the present invention burns at a low temperature of 1000 ° C. or lower using catalytic combustion, nitrogen oxide is hardly generated in the combustion gas, and thus clean combustion can be realized.
또한, 본 발명은 간단한 촉매교환을 통해 기존의 순수 연료 가스인 프로판 가스나 천연가스 이외에 코크스 오븐 가스, 고로가스, 휘발성 유기 가스와 같이 연소가 불안정하고 화염연소가 어려운 다양한 종류의 부생가스를 안정적이며 효과적으로 연소시킬 수 있다. 따라서, 코크스 오븐 가스와 고로 가스가 발생되는 제철 공장과 같은 산업현장에서 효과적인 폐열회수장치로서 이용이 가능하고, 이와 함께 휘발성 유기 화합물이 발생되는 다양한 수요처에서 효과적으로 활용될 수 있고, 이와 함께 발생된 열을 회수하여 활용이 가능하다. 본 장치는 촉매연소를 도입함으로써 연소실을 제거하였으며, 특수한 버너 설비나 보조 연료의 공급이 없이, 코크스 가스와 고로 가스를 안정적으로 연소시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention, through the simple catalyst exchange, stable and various combustion by-product gas such as coke oven gas, blast furnace gas, volatile organic gas in addition to the existing pure fuel gas propane gas or natural gas is stable and difficult to burn It can burn effectively. Therefore, it can be used as an effective waste heat recovery device in industrial sites, such as steel mills where coke oven gas and blast furnace gas are generated, and can be effectively utilized in various demands where volatile organic compounds are generated. It can be used by recovering. The apparatus removes the combustion chamber by introducing catalytic combustion, and has the advantage of stably burning coke gas and blast furnace gas without supplying a special burner facility or auxiliary fuel.
또한, 본 발명에 의한 열발생 장치는 열풍이나 고온수가 필요로 하는 다양한 산업 분야에서 활용이 가능하다. 따라서, 기존의 보일러를 이용한 열풍 건조기는 본 발명에서 고안한 장치로 모두 대체하여 사용할 수 있다.In addition, the heat generating device according to the present invention can be utilized in various industrial fields that require hot air or hot water. Therefore, the hot air dryer using the conventional boiler can be used by replacing all of the devices devised in the present invention.
또한, 본 발명에 의한 열발생 장치는 촉매연소부와 열회수부를 모듈로 결합할 수 있도록 하여 손쉽게 교체할 수 있으므로, 촉매연소를 통해 발생한 고온의 연소가스를 직접 이용하거나, 열교환기를 통해서 수요처에서 필요로 하는 곳에 따라 열수, 증기, 열풍 등을 자유롭게 선택하여 활용할 수 있다.In addition, the heat generating device according to the present invention can be easily replaced by allowing the catalytic combustion unit and the heat recovery unit to be combined as a module, so that the high temperature combustion gas generated through the catalytic combustion is directly used or required by the demand source through a heat exchanger. Depending on where you are, you can freely choose hot water, steam, or hot air.
이상에서 본 발명에 의한 열풍발생장치를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.Although the hot air generating apparatus according to the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, it is only to describe the most preferred embodiment of the present invention, it is obvious that the present invention is not limited thereto. In addition, anyone of ordinary skill in the art will be able to make various modifications and imitations by the description of the present specification, but it will be apparent that this is also outside the scope of the present invention.
Claims (4)
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