KR100550653B1 - 촉매연소 방식의 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매연소 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 종래의 가스버너로 구성된 예열 수단을 대신하여 소용량의 전기 히터와 소형의 촉매연소 장치를 포함하는 촉매연소 방식의 예열 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 중형/대형 촉매연소 장치에 관한 것이고, 이를 위하여 약 10 kW 의 작은 용량을 갖는 전기 히터와 약 1~5 ℓ의 크기로 구성된 촉매층을 갖는 소형의 촉매연소 장치를 결합하여 구성된 예열 수단을 포함하는 중형/대형 촉매연소 장치의 구조를 개시하고, 이러한 예열 수단을 적용함에 따라 본 발명에 따른 촉매연소 장치는 미연탄소에 의해 촉매의 열화속도가 증가하는 것을 방지하고, 내열밸브와 같은 고가의 부품의 배제를 통하여 비용의 감소를 가져오며, 촉매연소 반응이 일어나는 촉매연소부의 온도 제어를 용이하게 수행할 수 있는 등 다양한 이점을 갖는다.

촉매연소 장치, 촉매층, 예열 수단, 차단 밸브, 전기 히터, 미연탄소

Description

촉매연소 방식의 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치 { Catalytic combustion apparatus comprising catalytic combustion type preheating means }

도 1은 본 발명에 따른 촉매연소 장치를 개략적으로 도시한 구성도; 및

도 2는 도 1의 예열 수단을 개략적으로 도시한 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10; 촉매연소부 20: 가스 공급라인

22: 입구 30: 열교환기

40: 배기라인 50: 예열 수단

60: 예열용 촉매연소부 62: 촉매층

64: 외부몸체 66: 내부몸체

68: 관통홀 70: 예열용 가스 공급라인

72, 86: 차단밸브 80: 공기 공급라인

82: 전기 히터 84, 92: 플랜지

90: 예열관 100: 촉매연소 장치

본 발명은 가연성 가스를 연소시켜 저온의 열원을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 촉매연소 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 촉매연소 장치 작동시 초기 예열에 요구되는 예열 수단으로 촉매연소 방식의 예열수단이 포함된 구조의 촉매연소 장치에 관한 것이다.

촉매연소 장치는 가연성 가스를 촉매와 접촉 반응시켜 연소되도록 하는 장치이며, 연소 반응이 촉매의 표면에서 이루어지기 때문에 버너 등과 같은 기존의 화염 연소 장치에 비하여 낮은 온도에서 연소 반응이 이루어지고, 연료가 되는 가연성 가스의 농도가 낮은 경우에도 안정적으로 연소 반응이 이루어지기 때문에, 섬유 또는 플라스틱과 같이 낮은 온도의 열을 필요로 하는 곳에 열교환 등을 통하지 않고 직접 열을 공급할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 상대적으로 낮은 온도의 열원을 필요로 하는 공정에 이러한 촉매연소 장치를 활용한다면 열 손실을 크게 줄일 수 있다.

일반적으로, 촉매연소 장치는 1,000℃ 이하의 온도에서 완전연소를 목표로 설계되며, 이에 따라 산업현장에서 발생되는 코크스 오븐가스(COG; Coke Oven Gas), 고로가스(BFG; Blast Furnace Gas), 휘발성 유기가스(VOC; Volatile Organic Compounds gas) 등과 같은 부생가스를 효율적으로 연소시킬 수 있다.

촉매연소 반응은 공기와 연료의 혼합가스인 기체와, 촉매인 고체의 기체-고체 반응이다. 촉매연소 장치에서 연소 반응이 안정적으로 이루어지기 위해서는 그리고 연소 효율을 높이기 위해서는, 촉매연소 반응이 직접 일어나는 촉매층 표면이 소정의 온도 이상으로 유지되어야 하고 동시에 혼합가스(기체)와 촉매(고체)가 균 일하게 접촉되어야 한다.

따라서, 촉매 연소 장치는 (1) 촉매층의 온도 유지 방법과 (2) 기체와 고체의 접촉 방식에 따라 다양한 종류로 구성될 수 있고, 그 구체적인 예로써 한국 특허 제161104호, 한국 특허 제254832호, 한국 특허 제258580호 및 한국 특허 제392702호에 기술된 구조 등이 알려져 있다.

일반적으로 용량이 20,000 kcal/h 이하인 소형의 촉매연소 장치의 경우 촉매층을 소정의 온도로 가열시키기 위한 예열 수단으로 전기 가열장치가 사용되고 있다. 그러나, 용량이 20,000 kcal/h 이상의 중형/대형 촉매연소 장치의 경우 경제성과 효율성 문제로 인하여 전기 가열장치를 예열 수단으로 사용하기에는 어려운 점이 있다.

중형/대형 촉매연소 장치의 작동 초기에 촉매층을 가열하기 위해서는 많은 열량을 필요로 하며, 전기 가열장치로 이러한 중형/대형 촉매연소 장치의 예열을 실시하려면 추가적인 전기 설비가 요구되고, 추가적인 전기 설비의 증설 없이 기존에 사용가능한 한정된 범위 내에서 전기 가열장치를 사용하는 경우에는 촉매층을 예열시키는 데 필요한 시간이 너무 많이 소요되는 문제가 있다.

이 때문에, 중형/대형 촉매연소 장치의 경우 가스버너 등을 이용한 예열 수단이 주로 사용된다. 가스버너를 이용한 종래의 예열 수단은 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 또는 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등의 가스연료를 이용하여 뜨거운 연소가스를 만들고, 이 연소가스를 촉매층으로 공급하여 촉매층의 온도를 반응에 적합한 소정의 온도로 높이는 것이 일반적이다.

이러한 가스버너는 비교적 용이하게 용량을 높일 수 있기 때문에, 중형/대형 촉매연소 장치의 예열 수단으로 적합하며, 가스버너의 용량을 키울수록 촉매층의 예열시간을 단축할 수 있다. 그러나, 가스버너를 이용하는 경우, 가스버너에서 미연탄소와 같은 공해물질이 배출될 수 있으며, 비록 공해물질의 배출량이 적다 하더라도 가스버너의 반복사용에 따라 공해물질의 누적이 발생하여 결국 촉매의 열화속도가 빠르게 되는 등의 문제점이 나타난다.

또한, 가스버너를 이용한 예열 수단의 경우, 촉매연소 장치의 효율적인 작동을 위해서는 예열이 끝난 뒤에 반드시 예열 수단과 촉매 연소 장치의 촉매층(촉매연소부) 사이의 예열관(예열 수단에서 연소된 가스가 촉매연소 장치의 촉매층으로 공급되는 라인)을 차단해야 한다. 만일 예열관이 차단되지 않는다면, 촉매연소 반응에 의해 연소되어야 하는 가스(촉매연소 장치의 촉매층과 접촉하여 연소되어야 하는 공기와 연료의 혼합가스)가 예열관을 타고 가스버너로 역류함으로써 촉매연소 장치의 연소 효율이 저하되고, 가스버너의 잦은 고장을 초래할 수 있다.

따라서, 가스버너를 이용한 예열 수단을 구성하는 경우, 예열이 끝난 뒤 가스의 역류를 막기 위하여 예열관에 차단밸브가 설치되어야 하고, 예열관을 통과하는 연소가스의 온도가 높기 때문에 차단밸브 역시 사용 온도가 높은 내열밸브로 구성되어야 한다. 내열밸브의 가격이 높기 때문에 결국 비용의 증가를 가져온다.

이처럼, 종래의 경우 중형/대형 촉매연소 장치의 예열 수단으로 가스버너를 이용하고는 있으나, 착화연소에 따라 미연탄소와 같은 공해물질이 발생하고, 미연탄소의 누적에 의해 촉매의 열화속도가 빨라지고, 부품 단가 상승으로 인한 비용 증가를 초래한다.

본 발명의 목적은 중형/대형 촉매연소 장치에서 가스버너 등과 같은 기존의 예열 수단을 사용함에 따른 문제점을 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 촉매연소 방식의 예열 수단을 중형/대형 촉매연소 장치에 적용한 구조를 제공하여, 종래 가스버너를 예열 수단으로 적용한 경우에 초래되는 문제점을 해소하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공기와 연료의 혼합가스를 공급하는 가스 공급라인과; 가스 공급라인의 일단에 연결되고, 소정의 온도에서 작용하는 촉매층이 구비된 촉매연소부와; 촉매연소부의 일단에 연결되며, 촉매층과 혼합가스의 촉매연소 반응을 통해 생성된 열을 배출하는 배기라인과; 배기라인의 도중에 형성되며, 가스 공급라인 내로 생성된 열의 일부를 공급하는 열교환기; 및 작동 초기에 촉매층을 소정의 온도로 예열시키기 위한 예열 수단;을 포함하는 촉매연소 장치에 있어서, 상기 예열 수단은: 예열용 촉매층이 구비된 예열용 촉매연소부와; 예열용 촉매연소부로 공기를 공급하며, 도중에 전기 히터를 통과하는 공기 공급라인과; 예열용 촉매연소부로 연료가스를 공급하는 예열용 가스 공급라인; 및 예열용 촉매연소부 내 촉매연소 반응을 통해 생성된 열을 촉매연소부로 공급하는 예열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매연소 방식 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 예열 수단의 예열관은 촉매연소부에 인접한 가스 공급라인 도중에 연결됨으로써 예열 수단에서 생성된 열이 가스 공급라인을 통하여 혼합가스와 함께 촉매연소부로 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 촉매연소 장치는 약 20,000 kcal/hr 이상의 용량을 갖는 중형/대형 촉매연소 장치이고, 이때 전기 히터는 약 10 kW의 용량이고 예열용 촉매연소부는 약 1 내지 5 ℓ의 소형 크기로 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 예열용 가스 공급라인 및 공기 공급라인에 각각 차단밸브가 형성되며, 촉매연소부에 대한 예열이 끝난 후에 차단밸브들이 작동되는 것을 특징으로 한다

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 참고로, 이하에서 설명되는 촉매연소 장치 및 예열 수단의 구성은 발명의 이해를 위하여 제시된 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위는 이하 설명 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 촉매연소 장치를 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 도 1의 예열 수단을 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 촉매연소 장치는 용량이 20,000 kcal/hr 이상인 중형/대형 촉매연소 장치(100)이며, 기본적으로 촉매층이 구비된 촉매연소부(10)와, 공기와 연료의 혼합가스를 공급하는 가스 공급라인(20)과, 연소 반응 후 연소가스를 배출하는 배기라인(40)과, 배기라인을 통과하는 가스 공급라인에 열을 공급하는 열교환기(30), 및 작동 초기에 연소촉매부 내 촉매층을 소정의 온도로 예열시키는 예열 수단(50)을 포함한다.

가스 공급라인(20)은 배기라인(40) 내부를 관통하도록 형성되기 때문에 다수의 배관들로 구성되며, 가스 공급라인의 입구(22)에서 배기라인(40) 내부를 관통하는 영역에 열교환기(30)가 형성된다.

촉매연소부(10)는 그 내부에 하니컴 촉매와 같은 촉매층(도시되지 않음)이 구비되며, 촉매층은 소정의 온도에서 혼합가스와 반응하여 촉매연소 반응을 일으킨다. 연소반응에 의해 생성되는 연소가스는 배기라인(40)을 통해 외부로 배출되며, 배출되는 도중에 열교환기(30)를 통하여 촉매연소부(10)로 공급되는 혼합가스의 온도를 소정의 온도로 상승시킨다.

이처럼, 촉매연소 장치는 열교환기(30)를 통과하는 혼합가스가 배기라인(40)으로 배출되는 연소가스로부터 열을 회수하기 때문에 촉매연소부(10) 내로 촉매연소 반응에 필요한 열을 별도로 공급할 필요는 없다. 다만, 촉매연소 장치의 작동 초기에는 촉매층이 연소반응에 필요한 소정의 온도로 유지되지 못한 상태이기 때문에 작동 초기에 촉매층을 예열시키기 위한 별도의 수단을 필요로 한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 촉매연소 장치(100)는 촉매층을 예열시키기 위한 별도의 수단으로써 예열 수단(50)을 포함한다.

본 발명에 따른 예열 수단은 소용량의 전기 히터와 소형의 촉매연소 장치로 구성됨을 특징으로 한다. 즉, 중형/대형 촉매연소 장치(예컨대, 20,000 kcal/hr 용량 이상)에 대한 예열 수단으로써 소형의 촉매연소 장치 및 전기 히터를 이용하는 것이다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 예열 수단(50)의 구조를 상세히 설명한다. 예열 수단은 기본적으로, 전기 히터(82)를 통과하는 공기 공급라인(80)과, 연료가스를 공급하는 예열용 가스 공급라인(70), 가열된 공기와 연료가 공급되어 촉매연소 반응이 일어나는 예열용 촉매연소부(60)를 포함한다.

전기 히터(82)는 공기 공급라인의 일부를 감싸는 형태이며, 약 10 kW의 용량으로 구성될 수 있어, 별도로 전기 설비를 증설할 필요는 없다. 예를 들어, 산업용 전력이 대략 300 kW, 500 kW 및 1,000 kW 등의 용량으로 공급됨을 고려하면, 본 발명에 적용되는 전기 히터는 거의 전기 설비를 추가로 설치하지 않고서도 충분히 구축될 수 있는 정도임을 알 수 있다. 즉, 기존의 촉매연소 장치 내에 설치된 전기 배선을 이용하면 충분히 작동될 수 있는 규모이다.

예열용 가스는 역시 LPG, LNG 등과 같은 연료가스를 사용할 수 있다. 필요한 경우 VOC 등과 같은 연료를 사용하여도 무방하다. 연료가스가 공급되는 예열용 가스 공급라인(70)은 차단밸브(72)를 통해 공기 공급라인(80)의 일측에 연결되며, 연료가스는 전기 히터(82)에 의해 가열된 공기와 함께 예열용 촉매연소부(60)로 공급된다. 공기 공기라인(80) 역시 차단밸브(86)가 형성되어 있으며, 필요에 의해 공기의 공급을 차단할 수 있다.

본 발명의 예열용 촉매연소부(60)는 실질적으로 이중 실린더 형상으로 구성된 몸체를 가지며, 내부몸체(66)와 외부몸체(64) 사이의 공간 일단에 공기 공급라인(80)의 일측이 플랜지(84)를 통해 연결되고, 내측몸체(66)의 상측에 다수의 관통홀들(68)이 형성되며, 내측몸체(68) 내부에 하니컴 촉매와 같은 촉매층(62)이 구비 되어 있다. 촉매층(62)은 1 내지 5 ℓ 정도의 적은 크기로 구성될 수 있다. 또한, 내측몸체(68)의 관통홀(68)이 형성된 방향의 반대 방향으로 예열관(90)이 연결 플랜지(92)를 통해 가스 공급라인(도 1의 20 참조)으로 연결된다.

이러한 구조의 예열 수단은, 소형 전기 히터와 소형 촉매연소 장치의 결합으로 이해될 수 있으며, 중형/대형 촉매연소 장치(100)의 예열 수단(50)으로 이용되기 때문에 별도의 열교환기 구성은 제외된 구성이다. 예열 수단(50)은 초기 작동시 촉매연소부(도 1의 10 참조) 내 촉매층을 촉매연소 반응이 일어날 수 있는 소정의 온도까지 가열하는 것을 목적으로 하기 때문에, 열교환기를 통한 열 회수의 필요성은 없다.

이상과 같은 구조의 예열 수단은, 전기 히터 또는 가스버너를 이용하던 종래의 경우에 비하여 다음과 같은 이점을 갖는다.

초기 예열에 촉매연소 반응이 적용되기 때문에 종래 착화연소가 적용된 가스버너의 경우와 달리 미연탄소와 같은 공해물질이 발생되지 않으며, 공해물질로 인한 촉매의 열화속도 증가를 방지할 수 있다.

또한, 종래의 경우 가스버너의 고장을 막기 위해 예열관(예열 수단과 촉매연소부 사이에 형성된 통로)에 구성되던 고가의 내열밸브가 사용되었지만, 본 발명에 따르면 가스버너 대신 소형의 촉매연소 장치가 사용된 것이므로 고가의 내열밸브를 사용하지 않아도 된다. 본 발명에서는 예열용 가스 공급라인 및 공기 공급라인에 형성된 차단밸브들을 이용할 수 있으며, 이 차단밸브들은 단순히 연료가스 또는 공기만을 차단하면 되므로 고가의 내열밸브를 사용할 필요는 없다. 따라서, 고가의 부품을 사용하지 않게 되어 비용의 감소를 가져올 수 있다.

또한, 예열 수단에 대한 제어를 용이하게 할 수 있다. 본 발명에 따른 예열 수단은 전기 히터의 온/오프 그리고 공기 공급라인의 차단밸브와 예열용 가스 공급라인의 차단밸브의 개/폐만으로 예열 작업을 제어할 수 있다. 이러한 온/오프 작동 및 개/폐 작동만으로 예열 수단의 제어가 수행될 수 있기 때문에, 종래 가스버너를 사용하는 경우와 비교하여 작동이 용이하며, 나아가 중형/대형 촉매연소 장치의 온도 제어를 손쉽게 하는 결과를 가져올 수 있다.

또한, 종래 전기 히터를 중형/대형 촉매연소 장치의 예열 수단으로 사용하기 위해서는, 대용량의 전기 히터가 요구되었고 이를 위해 전기 설비의 증설 등이 요구되었으나, 본 발명의 경우 소형의 전기 히터를 적용할 수 있기 때문에 별도의 전기 설비의 증설 없이 전기 히터와 소형 촉매연소 장치가 결합된 예열 수단을 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 중형/대형 촉매연소 장치는 작은 용량의 전기 히터와 소형 촉매연소 장치를 이용한 예열 수단을 포함하며, 이러한 예열 수단을 이용함에 따라 촉매의 열화속도가 증가하는 것을 방지하고, 내열밸브와 같은 고가의 부품을 배제함에 의해 비용의 감소를 가져오며, 촉매연소부의 온도 제어를 용이하게 수행하며, 덧붙여 별도의 전기 설비를 증설할 필요가 없는 등 다양한 이점을 갖는다.

Claims (4)

1. 공기와 연료의 혼합가스를 공급하는 가스 공급라인;

   상기 가스 공급라인의 일단에 연결되고, 소정의 온도에서 작용하는 촉매층이 구비된 촉매연소부;

   상기 촉매연소부의 일단에 연결되며, 상기 촉매층과 혼합가스의 촉매연소 반응을 통해 생성된 열을 배출하는 배기라인;

   상기 배기라인의 도중에 형성되며, 상기 가스 공급라인 내로 상기 생성된 열의 일부를 공급하는 열교환기; 및

   작동 초기에 상기 촉매층을 소정의 온도로 예열시키기 위한 예열 수단;을 포함하는 촉매연소 장치에 있어서, 상기 예열 수단은:

   예열용 촉매층이 구비된 예열용 촉매연소부;

   상기 예열용 촉매연소부로 공기를 공급하며, 도중에 전기 히터를 통과하는 공기 공급라인;

   상기 예열용 촉매연소부로 연료가스를 공급하는 예열용 가스 공급라인; 및

   상기 예열용 촉매연소부 내 촉매연소 반응을 통해 생성된 열을 상기 촉매연소부로 공급하는 예열관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매연소 방식 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 예열 수단의 예열관은 상기 촉매연소부에 인접한 상 기 가스 공급라인 도중에 연결됨으로써 상기 예열 수단에서 생성된 열이 상기 가스 공급라인을 통하여 상기 혼합가스와 함께 상기 촉매연소부로 공급되는 것을 특징으로 하는 촉매연소 방식 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매연소 장치는 약 20,000 kcal/hr 이상의 용량을 갖는 중형/대형 장치이고, 상기 전기 히터는 약 10 kW의 용량이고 상기 예열용 촉매연소부는 1 내지 5 ℓ의 소형 크기로 형성됨을 특징으로 하는 촉매연소 방식 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 예열용 가스 공급라인 및 상기 공기 공급라인에 각각 차단밸브가 형성되며, 상기 촉매연소부에 대한 예열이 끝난 후에 상기 차단밸브들이 작동되는 것을 특징으로 하는 촉매연소 방식 예열 수단을 포함하는 촉매연소 장치.

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