KR100401391B1 - 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치 - Google Patents

금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기를 공급하는 공기공급관, 연료를 공급하는 연료공급관, 공급된 공기와 연료를 혼합하는 혼합기, 혼합된 공기혼합연료를 가스버너에 공급하는 공기혼합연료관, 공기혼합연료를 연소시키는 가스버너, 예열용 히터 통하여 상기 가스버너를 예열한 후 차단함과 함께 상기 가스버너에 설치된 온도센서에 의해 감지된 온도에 따라 연료의 양을 조절하며 상기 연료공급관에 설치된 자동연료조절밸브를 제어하는 자동제어부, 공기의 양을 조절하며 상기 공기공급관에 설치된 공기조절밸브로 구성된 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치에 관한 것으로, 혼합기는 공급된 연료와 공기의 경로를 바꾸어 연료와 공기의 완전한 혼합을 위한 수단을 구비하고 있으며, 상기 가스버너는 금속산화촉매에서 연소된 열을 복사하는 지지체, 보호망, 열차단 수단, 미촉매반응 활성화 에너지를 일으키는 금속산화촉매, 연료의 초기연소를 하는데 필요한 초기 열을 공급하기 위한 가열층을 갖는 예열용히터, 벌집형태의 확산망, 및 하우징을 포함하여 이루어지면서 공기혼합연료관을 통해 공급된 공기혼합연료가 밀폐되는 구조이고, 상기 가스버너의 상기 금속산화촉매는 확산식으로 내구성이 뛰어난 스텐레스 스틸에 백금, 파라듐(paradium) 및 로듐(rhodium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나가 증착된 것을 특징으로 한다.

Description

금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치{A gas burner combustion apparatus using metal oxidization catalyst}
본 발명은 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치로, 화재안전성이 높고 저농도의 가스연료를 사용하고 무화염 저온연소를 가능하게 하며 복사 열전달을 하는 촉매장치를 이용한 연소장치로 내구성이 뛰어난 스테인레스(stainless) 스틸(steel)에 백금 Pt, 파라듐(paradium), 로듐(rhodium)을 증착한 촉매재를 사용하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치에 관한 것이다.
일반적으로 촉매연소는 연료가스 확산에 의해서 촉매의 표면에 흡착되고 촉매 표면에서 산화반응이 발생하여 생성된 가스가 촉매표면에서 확산되어 탈착되는 반응에 의한 전열을 하기 위하여 빛 에너지가 아닌 촉매반응 활성화 에너지로 화염이 없이 연소된다. 다시 말하면, 이는 고체 촉매를 이용해서 비교적 저온 또는 저농도에서 연료를 산화시키는 것으로 근본적으로 무화염(flameless combustion)이며 연소시 발생되는 질소산화물(NOx) 및 일산화탄소 생성을 크게 줄이면서 저온에서 화염의 연소시 나타나는 에너지를 이용하는 것이다.
오염물질의 방출억제, 에너지 효율 및 안전성을 고려하여 새로운 연소에 대한 개발이 있어왔으며, 이러한 필요조건을 만족시키기 위한 새로운 연소의 방법의 하나로 연소 반응장치에 촉매를 적용하여 표면 반응을 수행하는 촉매 연소에 대한 것이 요구되어 왔다.
도 1은 종래의 촉매 장치를 이용한 강제 대류-확산식 연소장치이다.
도 1은 종래의 기술로 촉매 반응을 이용한 것으로 질소산화물(NOx), 일산화탄소 등의 오염 물질을 방지하면서 화염의 연소시 나타나던 그으름의 피해를 줄이는 것으로 예비건조 및 밀폐형 건조기에 적용할 수 있도록 촉매 연소기를 설계하여 공기 확산식 촉매 연소기에서 공기가 없는 공정에 적용할 수 있으며, 공기의 예혼합식이 아닌 공기를 강제적으로 촉매 연소기를 통해 촉매 연소의 반응을 활성화하여 300℃ 이하에서 유용한 원적외선 방사효과를 얻는 촉매 장치를 이용한 강제 대류-확산식 연소장치이다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 구성은 다음과 같다. 촉매연소기(1)는 본체에 상온의 공기와 연료인 가스를 각각 공급하기 위하여 연료공급부(10)와 공기공급부(20)를 연소부(30)에 일체로 크게 구분되어져 설치되어 있다.
상기 연료 공급부(10)는 촉매연소기(1)에 연료를 공급하는 연료공급관(10a)에 제어반(2)으로부터 연료의 공급을 제어하는 제 1 솔레노이드(solenoid)(11)가 설치되고, 상기 제 1 솔레노이드(11)측의 연료공급관(10a)에는 공급하고자 하는 가스의 양을 측정하는 연료유량계(12)가 연결 설치되며, 상기 연료유량계(12)측의 연료공급관(10a)에는 연료의 양을 조절하는 연료 조정밸브가 설치되고, 상기 공기유량계측의 공기 공급공급관(20a)에 공기의 양을 조절하기 위한 공기조절밸브(24)가 설치되며, 상기 공기 공급관(20a)의 일단에는 촉매연소기(1)의 하측으로부터 공기를 균일하게 분산시켜주기 위한 공기분배기(25)가 설치되어 있다.
상기 연소부(30)는 연료공급부(10)와 공기공급부(20)에 상호 연결되게 설치된 상기 공기분배기(25) 및 연료분배기(14)로부터 초기에 촉매연소시 필요한 열을 공급하기 위한 가열층을 갖는 열선(31)이 설치되고, 상기 열선(31)의 하측에는 보온재로 이루어지며 촉매반응시 자동적으로 열선(31)을 끊어주기 위한 서모 스탯이 설치되며, 상기 열선의 전면에는 소정 두께를 갖는 촉매층이 밀착되게 설치된다.
상기 촉매층(33)의 전면 중앙에는 촉매층(33)의 온도를 측정하기 위한 열전대(41)를 구비한 가스분석기(40)가 설치되어 구성되어 있다.
또한, 상기 촉매층은 비표면적이 크고 내열성이 있는 알루미늄 매트(aluminum mat)에 로듐(rhodium) 촉매를 담지하여 사용한다.
본 발명은 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치에 관한 것으로, 이는공기공급라인에 연결되고 공기를 공급하는 공기공급관, 가스를 공급하는 연료공급라인에 연결되고 연료를 공급하는 연료공급관, 상기 공기공급관을 통해 공급된 공기와 상기 연료공급관을 통해 공급된 연료를 혼합하는 혼합기, 상기 혼합기에서 혼합된 공기혼합연료를 가스버너에 공급하는 공기혼합연료관, 상기 공기혼합연료관을 통해 공급된 공기혼합연료를 연소시키는 가스버너로 구성되어, 화재안전성이 높고 저농도의 가스연료를 사용하고 무화염 저온 연소를 가능하게 하여 발생되는 원적외선과 같은 복사 열전달을 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치를 제공하는 것이다.
상기 혼합기는 상기 공기공급관을 통해 공급된 공기와 상기 연료공급관을 통해 공급된 연료의 경로를 바꾸어 공기와 연료의 완전한 혼합을 위한 수단으로 상기 혼합기 내부에 스크류 또는 무정형의 스프링을 구비한다.
상기 가스버너는 미촉매반응 활성화 에너지를 일으키는 금속산화촉매에서 연소된 열을 복사하는 지지체, 상기 지지체하에 설치되고 상기 금속산화촉매를 보호하기 위한 보호망, 상기 금속산화촉매에서 발생되는 열이 전도되는 것을 차단하기 위해 상기 보호망하에 설치된 소정의 두께를 갖는 띠 모양의 사각형 열차단 수단, 상기 열차단 수단하에 설치된 금속산화촉매, 상기 금속산화촉매 아래에 소정의 간격을 두고 설치되면서 상기 공기혼합연료관을 통해 공급된 연료의 초기연소를 하는데 필요한 열을 공급하기 위한 가열층을 갖는 예열용 히터, 벌집형태로 상기 예열용 히터를 둘러싸고 상기 금속산화촉매를 하방에서 덮도록 하여 상기 금속산화촉매에서 연소되는 연료를 확산시키는 역할을 하는 벌집형태의 확산망, 및 상기 확산망하에 장착된 하우징을 포함하여 이루어지면서 상기 공기혼합연료관을 통해 공급된 공기혼합연료가 밀폐되는 구조로 된다.
상기 예열용 히터 통하여 상기 가스버너를 예열한 후 차단함과 함께 상기 가스버너에 설치된 온도센서에 의해 감지된 온도에 따라 연료공급량을 제어하기 위하여 상기 연료공급관에 설치되어 연료비를 자동적으로 조절할 수 있는 자동연료조절밸브의 제어를 하기 위한 자동제어부가 구비되어 있다. 상기 공기공급관에는 공기의 비를 알맞게 조절하기 위한 공기조절밸브가 설치되어 있다.
상기 가스버너의 상기 금속산화촉매는 확산식으로 내구성이 뛰어난 스텐레스(stainless) 스틸(steel)에 백금(Pt), 파라듐(paradium) 및 로듐(rhodium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 증착한 것이다.
도 1은 종래의 촉매 장치를 이용한 강제 대류-확산식 연소장치이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치이다.
도 3의 (a)는 제 2도의 공기혼합연료관에서 바라본 가스버너의 구조의 일례에 대한 단면도이다.
도 3의 (b)는 제 3도 (a)의 각 구성요소를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 제 2도에 따른 혼합기의 일례에 대한 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시례를 도면을 참고로 하여 하기와 같이 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치이다.
이는 공기공급라인(110)에 연결되고 공기를 공급하는 공기공급관(111), 가스를 공급하는 연료공급라인(120)에 연결되고 연료를 공급하는 연료공급관(121), 상기 공기공급관(111)을 통해 공급된 공기와 상기 연료공급관(121)을 통해 공급된 연료를 혼합하는 혼합기(130), 상기 혼합기(130)에서 혼합된 공기혼합연료를 가스버너에 공급하는 공기혼합연료관(131), 상기 공기혼합연료관(131)을 통해 공급된 공기혼합연료를 연소시키는 가스버너(160)를 포함하는 구조로 되어 있다. 그리고 상기 가스버너(160)로부터 나오는 원적외선과 같은 복사에너지를 모아주는 역할을 하는 집열차폐판(133)이 상기 가스버너(160)의 측방사면에 설치된다.
도 3의 (a)는 제 2도의 공기혼합연료관에서 바라본 가스버너의 구조의 일례에 대한 단면도이다.
그리고, 도 3의 (b)는 제 3도 (a)의 각 구성요소를 도식적으로 나타낸 것이다.
상기 혼합기(130)는 상기 공기공급관(111)을 통해 공급된 공기와 상기 연료공급관(121)을 통해 공급된 연료의 경로를 바꾸어 공기와 연료의 완전한 혼합을 위한 수단으로 무정형의 스프링, 스크류, 강제 혼합팬등이 사용될 수 있으나 여기서는 제작의 단순화 및 비용면을 고려하여 상기 혼합기(130) 내부에 스크류(135)를 구비한다. 이때, 공기와 연료는 상기 스큐류(135)에 부딪히게 되어 경로의 변화를 일으키면서 혼합된다.
상기 가스버너(160)는 미촉매반응 활성화 에너지를 일으키는 금속산화촉매에서 연소된 열을 복사하는 지지체(161), 상기 지지체(161)하에 설치되고 상기 금속산화촉매(164)를 보호하기 위한 보호망(162), 상기 금속산화촉매(164)에서 발생되는 열이 전도되는 것을 차단하기 위해 상기 보호망(162)하에 설치된 열차단 수단으로 소정의 두께를 갖는 띠 모양의 사각형 석면 패킹(163), 상기 석면 패킹(163)하에 설치된 상기 금속산화촉매(164), 상기 금속산화촉매(164) 아래에 소정의 간격을 두고 설치되면서 상기 공기혼합연료관(131)을 통해 공급된 연료의 초기연소를 하는데 필요한 열을 공급하기 위한 가열층을 갖는 예열용 히터(165), 벌집형태로 상기 예열용 히터(165)를 둘러싸고 상기 금속산화촉매(164)를 하방에서 덮도록 하여 상기 금속산화촉매(164)에서 연소되는 연료를 확산시키는 역할을 하는 벌집형태의 확산망(166), 및 상기 확산망하에 장착된 하우징(170)을 포함하여 이루어지면서 상기 공기혼합연료관(131)을 통해 공급된 공기혼합연료가 밀폐되는 구조로 된다.
상기 예열용 히터(165) 통하여 상기 가스버너(160)를 예열한 후 차단함과 함께 상기 가스버너(160)에 설치된 온도센서(150)에 의해 감지된 온도에 따라 연료공급량을 제어하기 위하여 상기 연료공급관(121)에 설치되어 연료비를 자동적으로 조절할 수 있는 자동연료조절밸브(125)의 제어를 하기 위한 특정응용 프로그램을 수행하는 마이크로프로세스(microprocessor)로 구성된 마이크로(micro) 컴퓨터로 이루어진 자동제어부(140)가 구비되어 있다. 상기 공기공급관(111)에는 공기의 비를 조절하기 위한 공기조절밸브(115)가 설치되어 있다.
도 4는 제 2도에 따른 혼합기의 일례에 대한 단면도를 나타낸 것이다.
상기 가스버너의(160) 상기 금속산화촉매(164)는 확산식으로 내구성이 뛰어난 스텐레스(stainless) 스틸(steel)에 백금(Pt), 파라듐(paradium) 및 로듐(rhodium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나가 증착된 것이다. 본 발명의 금속산화촉매는 세라믹 및 알루미늄과 같은 금속을 이용한 촉매에 비해 내구성이 아주 우수하기 때문에 보수등에 따른 비용을 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 안전성면에서도 우수하다.
본 발명은 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치는 화재안전성이 높고 저농도의 가스연료를 사용하고 무화염 저온 연소를 가능하게 하여 원적외선과 같은 발생 에너지의 복사 열전달을 하고 열효율이 높으며 미촉매반응 활성화 에너지를일으키는 금속산화촉매를 이용함으로써 내구성이 한층 뛰어난 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치를 제공하는 것을 가능하게 한다.

Claims (6)

  1. 공기를 공급하는 공기공급관, 연료를 공급하는 연료공급관, 공급된 공기와 연료를 혼합하는 혼합기, 상기 혼합기에서 혼합된 공기혼합연료를 가스버너에 공급하는 공기혼합연료관, 상기 공기혼합연료관을 통해 공급된 공기혼합연료를 연소시키는 가스버너, 예열용 히터 통하여 상기 가스버너를 예열한 후 차단함과 함께 상기 가스버너에 설치된 온도센서에 의해 감지된 온도에 따라 연료의 양을 조절하며 상기 연료공급관에 설치되는 자동연료조절밸브를 제어하는 자동제어부, 공기의 양을 조절하며 상기 공기공급관에 설치되는 공기조절밸브로 구성된 가스버너 연소장치에 있어서,
    상기 혼합기는 상기 공기공급관 및 연료공급관을 통해 공급된 공기와 연료의 경로를 바꾸어 공기와 연료의 완전한 혼합을 위한 수단을 구비하고,
    상기 가스버너는 금속산화촉매에서 연소된 열을 복사하는 지지체, 상기 지지체하에 설치되어 상기 금속산화촉매를 보호하기 위한 보호망, 상기 금속산화촉매에서 발생되는 열이 전도되는 것을 차단하기 위해 상기 보호망하에 설치된 열차단 수단, 상기 열차단 수단하에 설치된 상기 금속산화촉매, 상기 금속산화촉매에서 연소되는 연료를 확산시키는 역할을 하는 확산망, 및 상기 확산망에 장착된 하우징을 포함하고,
    상기 예열용 히터가 상기 금속산화촉매 아래에 소정의 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합기에 공기와 연료의 혼합을 위한 수단으로 스크류 또는 무정형의 스프링을 구비된 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보호망하의 열차단 수단이 석면 패킹인 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
  4. 제 1 항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산망이 예열용 히터를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가스버너의 상기 금속산화촉매는 스테인레스 스틸에 백금, 파라듐 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 하나가 증착된 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
  6. 제 1 항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스버너의 상기 금속산화촉매는 스텐레스 스틸에 백금, 파라듐 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 하나가 증착된 것을 특징으로 하는 금속산화촉매를 이용한 가스버너 연소장치.
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