KR100522435B1 - 수소를 연료로 하는 촉매연소버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소를 연료로 하는 촉매연소버너에 관한 것이다, 상기 촉매연소버너는 피가열체를 지지하는 지지부를 가진 본체, 상기 본체의 내부에 수소가스를 공급하는 공급관. 상기 수소 공급관과 연통되어 수소가스를 버너의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분산시키는 디스트리뷰터, 상기 디스트리뷰터의 상부에 설치되어 수소가스와 산소와의 산화반응을 활성화시키는 촉매체. 및 상기 디스트리뷰터와 촉매체 사이에 개재되어 수소가스를 확산시키는 가스 디퓨저를 구비한다. 이와 같은 촉매가스버너는 새로운 에너지원인 수소를 연료로 하여 저온에서 촉매 연소시킴으로써 대체 에너지 개발과 환경오염문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 또한 촉매 연소는 낮은 온도에서 연소가 가능하기 때문에 도시가스와 비교하여 화재의 위험성이 줄어든다. 또한 본 발명의 촉매가스버너는 무화염 연소특성을 가지므로서 피가열체에 근접가열이 가능하며, 이로 인하여 원적외선에 의한 가열효과를 가져 제품의 특성도 향상될 수 있다. 본 발명에 따른 촉매가스버너는 공기가 혼합되지 않은 순수 수소를 사용하며 점화에너지가 필요없고 자연 발화하지 않을 뿐만 아니라 백금 촉매에 의해 상온에서 자동으로 연소된 후 순수한 고온 수증기만 발생되므로, 화재의 위험이 없는 매우 안전한 버너이다.

Description

수소를 연료로 하는 촉매연소버너{Catalysis burner using hydrogen gas fuel}

본 발명은 수소를 연료로 하는 촉매연소버너에 관한 것이다.

현재 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료의 사용량이 현저하게 증가함에 따라 대기오염, 산성비 등과 같은 환경오염 문제 및 이탄화탄소의 과다 발생에 의한 지구온난화의 문제가 크게 대두되고 있다. 또한 화석연료는 향후 30 내지 40년 이내에 고갈될 것으로 예측되고 있어서 이를 대체할 수 있는 청정 에너지의 개발은 반드시 해결해야 할 과제이다.

현재 부각되고 있는 다양한 대체 에너지원(태양열, 지열, 풍력, 해양에너지 등) 중에서, 수소는 그 원료가 자연계에 무한히 존재하고 태양에너지를 이용하면 많은 양의 수소를 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한 수소를 연소시킬 때 발생하는 큰 열량을 이용하면 다양한 분야에서 매우 유용한 열원으로서 사용할 수 있다.

현재 대부분의 수소는 석유정제 과정의 부산물로 생상되고 있으나 저장 및 이송 방법 등의 기술이 충분히 확보되지 않아 많은 양이 대기로 버려지고 있다. 이들 수소를 에너지로 활용할 경우 약 5 내지 8백만 가구에서 1년 동안 사용하기 충분한 에너지를 얻을 수 있다.

고온에서 수소와 산소의 연소 속도는 매우 빨라 폭발적으로 반응하여 사용이 어려우나, 적은 양의 수소를 낮은 온도에서 연속적으로 태우면 안전하게 많은 에너지를 얻을 수 있다. 특히 촉매를 이용하여 수소를 연소시키면 촉매 표면에서 화염이 동반되지 않고 연소되며, 연소온도를 기존의 화염온도보다 상당히 낮출수 있기 때문에 연소과정에서 NOx 등의 환경오염물질이 거의 발생하지 않는다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출된 것으로서, 새로운 에너지원인 수소를 저온에서 촉매 연소시킴으로써 대체 에너지 개발과 환경오염문제를 해결할 수 있는 수소를 연료로 하는 촉매연소버너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너는 피가열체를 지지하는 지지부를 가진 본체, 상기 본체의 내부에 수소가스를 공급하는 공급관. 상기 수소 공급관과 연통되어 수소가스를 버너의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분산시키는 디스트리뷰터, 상기 디스트리뷰터의 상부에 설치되어 수소가스와 산소와의 산화반응을 활성화시키는 촉매체. 및 상기 디스트리뷰터와 촉매체 사이에 개재되어 수소가스를 확산시키는 가스 디퓨저를 구비한다.

상기 디스트리뷰터는 상기 공급관의 주위를 둘러싸는 폐쇄공간을 형성하는 상부부재와 하부부재로 이루어지고, 상기 상부부재는 공급관의 상면을 커버하는 중앙 평면부와 복수개의 노즐구멍이 형성된 외주 경사부로 이루어지고, 상기 하부부재의 일단은 상기 공급관의 외주벽에 밀봉가능하게 부착되고 타단은 상기 상부부재의 단부에 밀봉가능하게 부착되며, 상기 하부부재의 외주면은 상부부재의 경사부와 동일한 각도로 연장되어 이 부분에서 상부부재와 하부부재가 소정의 간격을 두고 평행하게 연장되는 것이 바람직하다.

대안으로서, 상기 디스트리뷰터는 일측에 상기 공급관이 연결된 도우넛 형상의 관으로 이루어지고, 상기 디스트리뷰터의 외주면에는 외측열 노즐구멍과 내측열 노즐구멍이 교호적으로 형성된 것이 바람직하다.

또한 상기 본체의 중심부에서 상하부를 관통하여 형성된 공기공급통을 더 구비함으로써 본체 하부의 공기가 상기 공기공급통을 통하여 상부로 이동하여 촉매체의 상부로 공급되는 것이 바람직하다.

또한 피가열체를 지지하는 지지체는 피가열체를 상기 촉매체의 표면으로부터 10mm 간격을 유지하도록 지지하는 것이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도1 및 도2는 본 발명에 따른 촉매연소버너의 일 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉매연소버너(10)는 본체(11), 수소가스 공급관(12), 디스트리뷰터(13), 촉매체(15), 메쉬(16), 가스디퓨저(17)로 이루어진다.

상기 본체(11)는 피가열체(도시 생략)를 지지하는 지지체(도5의 200)가 안착되는 지지부(11a)를 가진다. 상기 본체(11)의 하부에는 본체 내부로 수소가스를 공급하는 공급관(12)이 설치된다. 상기 공급관(12)의 일단은 후술하는 수소공급원에 연결되고 공급관의 타측은 본체(11)의 하부 표면으로부터 상방으로 약간 돌출되도록 구성한다.

상기 본체, 공급관, 디스트리뷰터 등의 재질은 스테인레스 스틸을 사용함으로써 높은 온도에서 충분히 견딜 수 있도록 한다.

상기 공급관(12)의 상부에는 수소가스를 버너의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분산시키는 디스트리뷰터(13)가 설치된다. 본 실시예에서 상기 디스트리뷰터(13)는 상부부재(13a)와 하부부재(13b)가 상호 결합함으로써 내부에 수소가스가 임시 저장되는 공간(X)을 형성한다. 상기 상부부재(13a)의 중앙 부분은 공급관(12)의 상부를 커버하도록 원형의 평면부(A)로 구성되고, 그 외주면은 소정의 각도를 가진 경사면(B)으로 이루진다. 상부부재(13a)의 경사면(B) 상에는 복수개의 노즐(C)이 균일하게 형성되어 저장공간(X)의 수소가스가 이를 통하여 위쪽으로 공급된다. 또한 하부부재(13b)의 일측은 상기 공급관(12)의 외주면에 밀봉 가능하게 연결되고, 상기 하부부재(13b)의 타측은 상부부재(13a)의 끝부분과 밀봉 가능하게 결합된다. 하부부재(13b)의 외주면은 상부부재(13a)의 경사면과 동일한 각도로 연장되어, 이 부분에서 상부부재(13a)와 하부부재(13b)는 소정의 간격을 두고 평행하게 연장된다.

상기 디스트리뷰터(13)의 상부에는 다공성 가스디퓨저(17)가 설치되어 노즐구멍(C)으로부터 나온 수소가스를 상부로 균일하게 확산시킨다. 상기 가스디퓨저(17)는 촉매체(15)와 가스 공급관(12) 사이의 열을 차단하는 단열재의 기능을 수행할 수 있다.

상기 가스디퓨저(17)의 상부에는 촉매체(15)가 설치된다. 상기 촉매체(15)는 공급관(12)으로부터 공급된 수소가스와 외부공기 중의 산소가 반응하여 열을 발생시키는 반응로이다.

상기 촉매체(15)는 활성물질인 촉매와 이것을 담지하는 지지체로 이루어진다. 촉매연소용 지지체로서는 비표면적이 넓고 고온에서 안정하여 변형이 적으며 금속촉매를 잘 분산시킬 수 있는 물질을 선택한다. 본 실시예의 물질은 γ-Al₂O₃(감마 알루미나)인 바, 감마 알루미나는 표면적이 100m²/g 이상으로 비교적 크고 약 900℃ 이하의 온도에서 상이 변하지 않으며 큰 기공이 잘 발달되어 있어 저온연소 및 중온 연소용 촉매 소재로 적합하다.

촉매 연소용 지지체로서 상기 감마 알루미나 이외에도 다공성 실리카나, 메조포러스 물질, 제올라이트 등과 같이 미세 세공이 발달되어 있는 소재도 사용 가능하다. 그러나 감마 알루미나가 작업성, 성형성 및 경제성 측면에서 상대적으로 유리하다. 본 실시예에서 채택된 알루미나는 직경이 약 5㎛인 섬유형 감마 알루미나이며, 질소 흡착 비표면적은 약 120m²/g이다.

촉매 물질로서 백금을 사용하는 것이 바람직하다. 촉매의 제조는 합침법을 이용하였는 바, 감마 알루미나의 무게에 대해 백금이 약 1.5wt%가 되도록 제조한다. 백금을 활용한 촉매 담지 과정은 아래와 같다.

(1) 증류수 100g에 백금 1g을 교반기를 통해서 균일하게 혼합한다[백금 혼합용액(H₂PtCl₆)를 사용]

(2) 세라믹 화이버(감마 알루미나, 30.3g)을 백금용액에 담가 세라믹 화이버가 백금용액을 충분히 골고루 흡수하도록 한다.

(3) 가열기에서 200℃로 수분만 증발시킨다.

(4) 위 과정을 6시간 간격으로 4번 반복한다.

(5) 담지된 세마믹 화이버를 700℃에서 소성시켜 Cl을 날려보내고 백금만 화이버에 남도록 한다.

본 실시예에서는 메탄과 수소의 연소 활성이 우수한 백금을 담지한 알루미나 섬유 촉매를 사용하였으나, Mn, Co, Ti, Zr을 촉매 물질로 사용하는 것도 가능하다. 특히 지르코니움과 티타늄은 메탄 연소 활성이 매우 낮으나 고온에서 타 물질에 비해 상대적으로 안정한 특성을 가진 것으로 밝혀졌다.

상기 촉매체(15)의 상부에는 촉매체를 제 위치에 안정하게 지지하기 위하여 망사형 메시(16)가 설치된다. 한편 도면부호 14는 촉매체(15)의 배치 공간을 한정하기 위한 원통형 부재이다.

도3 및 도4는 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 다른 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉매연소버너(20)는 본체(21), 수소가스 공급관(22), 디스트리뷰터(23), 촉매체(25), 메쉬(26), 가스티퓨저(27)로 이루어진다.

본 실시예의 디스트리뷰터(23)는 도우넛 형상의 관으로 구성되어 버너의 중심부에 동심원 상으로 배치된다. 상기 디스트리뷰터(23)의 일측에는 수소공급관(22)이 연결된다. 상기 디스트리뷰터(23)의 외주면에는 복수개의 노즐구멍(C1, C2)이 일정간격으로 형성된다. 수소가스를 보다 균일하게 분사하도록 상기 노즐구멍은 외측열과 내측열로 구획되고, 외측열 노즐구멍(C2)과 내측열 노즐구멍(C1)이 교호적으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 본체의 중심부에서 상하부를 관통하여 중공 원통 형상의 공기공급통(28)이 설치된다. 상기 공기공급통(28)의 상부에는 공기유출공(28a)이 형성된다. 따라서 본체의 하부 공기가 상기 공기공급통(38)을 통하여 상부로 이동하여 촉매체의 상부로 공급된다(도4의 은선 화살표 참조).

본 실시예의 촉매체(25), 메쉬(26) 및 가스디퓨저(27)의 구조 및 기술구성은 상기 공기공급통(28)이 관통하는 중앙 개방부가 형성된 점을 제외하고는, 도1 및 도2에 도시된 실시예와 동일하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도5 및 도6은 제1 실시예의 촉매가스버너와 제2 실시예의 촉매가스버너가 각각 탑재된 가스렌지를 도시한 것이다. 특히 도6에 도시된 바와 같이, 수소가스를 촉매가스버너에 공급하는 공급장치는 수소통(101), 복수개의 솔레노이드밸브(102), 유량계(104), 체크밸브(103)로 이루어짐으로써 수소가 안전하게 공급되도록 한다.

이하에서 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 작용효과를 설명한다.

제1 실시예에 따른 촉매연소버너를 이용하여 연소실험을 하였는 바, 실험조건은 아래와 같다.

(1) 압력을 1kgf/cm2로 고정시키고 수소가스 유량을 1000cc/min ~ 4000 cc/min 의 범위 내에서 실험을 진행하였다.

(2) 초기 실험조건은 일반 실외온도조건에서 시작하였고, 정상상태까지 계속하였다.

(3) 촉매층 표면으로부터 높이에 따라 온도를 측정한다.

(4) 온도 측정은 15초 간격으로 측정하였다.

(5) 온도 측정위치는 방사형으로 9곳을 측정한다.

위 연소실험에 따른 온도측정 결과는 아래와 같다.

촉매체(15) 표면으로부터 높이에 따른 온도를 측정하여, 촉매체 상부에 피가열체가 없는 상태와 피가열체가 올려져 있는 상태를 비교한 결과는 도7 및 도8에 각각 도시하였다.

도2에 도시된 바와 같이, TC 1은 촉매층 표면으로서 수소와 공기가 만나는 부분이고, TC2, TC3, 및 TC4는 표면으로부터 각각 10mm의 간격을 둔 지점이다.

먼저 도7(피가열체가 있는 경우의 높이에 따른 온도분포)에 보는 바와 같이, TC1의 온도는 1분이 경과한 후로는 일정하게 유지되어 바람의 영향을 거의 받지 않는다. TC2, TC3, 및 TC4의 그래프에서 보는 바와 같이, 촉매체의 표면에서 멀어질수록 바람의 영향을 많이 받아 온도변화가 심하다. 그러나 높이에 따른 온도는 TC2가 설치된 부분(즉, 촉매체의 표면으로부터 약 10mm 이격된 부분)이 가장 높다. 이는 촉매체에서 반응하고 남은 수소가스가 상부로 올라오면서 수소의 자연발화온도(약 585℃)까지 도달하여 수소가스가 연소된 점에 기인하는 것으로 추정된다. TC3과 TC4는 대기 중으로의 열전달에 의해 온도가 더 낮게 나타났다.

도8은 촉매체 위에 피가열체가 있는 경우와 없는 경우의 온도변화를 비교한 실험이다. 피가열체가 있는 경우가 없는 경우보다 50℃ 정도 높게 나타나고, 촉매체 표면으로부터 10mm 지점에서는 가열체가 있는 경우가 약 100℃정도 더 높게 나타난다. 이는 피가열체가 대기중으로의 열손실을 방지하는 점에 기인하는 것으로 추정된다.

상기 실험결과에 따르면, 본 발명의 촉매가스버너 설계 시에 피가열체(남비 등) 지지하는 지지체(200)는 피가열체를 상기 촉매체의 표면으로부터 10mm 간격을 유지하도록 설계하는 것이 바람직하다.

본 명세서 및 도면에 기재된 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위하여 예시적으로 제시된 것으로서, 본 발명의 보호범위가 이들 사항에 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매가스버너는 새로운 에너지원인 수소를 연료로 하여 저온에서 촉매 연소시킴으로써 대체 에너지 개발과 환경오염문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 또한 촉매 연소는 낮은 온도에서 연소가 가능하기 때문에 도시가스와 비교하여 화재의 위험성이 줄어든다. 또한 본 발명의 촉매가스버너는 무화염 연소특성을 가지므로서 피가열체에 근접가열이 가능하며, 이로 인하여 원적외선에 의한 가열효과를 가져 제품의 특성도 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 촉매가스버너는 공기가 혼합되지 않은 순수 수소를 사용하며 점화에너지가 필요없고 자연 발화하지 않을 뿐만 아니라 백금 촉매에 의해 상온에서 자동으로 연소된 후 순수한 고온 수증기만 발생되므로, 화재의 위험이 없는 매우 안전한 버너이다.

도1은 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 일 실시예에 대한 구성도,

도2는 도1의 실시예의 촉매연소버너의 일부 절제 사시도,

도3은 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 다른 실시예에 대한 구성도,

도4는 도3의 실시예의 촉매연소버너의 일부 절제 사시도,

도5는 도1 내지 도4의 촉매연소버너가 장착된 가정용 가스렌지의 사시도,

도6은 도5의 가스렌지의 배관도,

도7 및 도8은 본 발명에 따른 수소를 연료로 하는 촉매연소버너의 연소실험결과를 도시한 그래프이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 피가열체를 지지하는 지지부를 가진 본체,

   상기 본체의 내부에 수소가스를 공급하는 공급관.

   상기 수소 공급관과 연통되어 수소가스를 버너의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분산시키는 디스트리뷰터,

   상기 디스트리뷰터의 상부에 설치되어 수소가스와 산소와의 산화반응을 활성화시키는 촉매체. 및

   상기 디스트리뷰터와 촉매체 사이의 확산공간에 대응되는 형상을 가지고 상기 확산공간에 배치되어 상기 가스트리뷰터로부터 분산된 수소가스를 촉매체를 향하여 확산시키는 가스 디퓨저를 구비하고,

   상기 디스트리뷰터는 상기 공급관의 주위를 둘러싸는 폐쇄공간을 형성하는 상부부재와 하부부재로 이루어지고, 상기 상부부재는 공급관의 상면을 커버하는 중앙 평면부와 복수개의 노즐구멍이 형성된 외주 경사부로 이루어지고, 상기 하부부재의 일단은 상기 공급관의 외주벽에 밀봉가능하게 부착되고 타단은 상기 상부부재의 단부에 밀봉가능하게 부착되며, 상기 하부부재의 외주면은 상부부재의 경사부와 동일한 각도로 연장되어 이 부분에서 상부부재와 하부부재가 소정의 간격을 두고 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 수소를 연료로 하는 촉매가스버너
3. 피가열체를 지지하는 지지부를 가진 본체,

   상기 본체의 내부에 수소가스를 공급하는 공급관.

   상기 수소 공급관과 연통되어 수소가스를 버너의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분산시키는 디스트리뷰터,

   상기 디스트리뷰터의 상부에 설치되어 수소가스와 산소와의 산화반응을 활성화시키는 촉매체. 및

   상기 디스트리뷰터와 촉매체 사이의 확산공간에 대응되는 형상을 가지고 상기 확산공간에 배치되어 상기 가스트리뷰터로부터 분산된 수소가스를 촉매체를 향하여 확산시키는 가스 디퓨저를 구비하고,

   상기 디스트리뷰터는 일측에 상기 공급관이 연결된 도우넛 형상으로 관으로 이루어지고, 상기 디스트리뷰터의 외주면에는 외측열 노즐구멍과 내측열 노즐구멍이 교호적으로 형성된 것을 특징으로 하는 수소를 연료로 하는 촉매가스버너.
4. 제3항에 있어서, 상기 본체의 중심부에서 상하부를 관통하여 형성된 공기공급통을 더 구비함으로써 본체 하부의 공기가 상기 공기공급통을 통하여 상부로 이동하여 촉매체의 상부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소를 연료로 하는 촉매가스버너.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피가열체를 지지하는 지지체는 피가열체를 상기 촉매체의 표면으로부터 10mm 간격을 유지하도록 지지하는 것을 특징으로 하는 수소를 연료로 하는 촉매가스버너.