KR100919737B1 - 수소연소장치 - Google Patents

Abstract

안전하게 수소를 연소처리함과 동시에, 구조가 간단하고 소형으로 처리효율이 뛰어난 수소연소장치를 제공하는 것에 있다.

이중관구조의 바깥쪽을 구성하는 외통(1)과, 상기 이중관구조의 안쪽을 구성하고 다공 금속판에 의해 형성된 내통(2)과, 귀금속을 구형의 세라믹 담체 표면에 담지시키고 펠릿형상으로 형성하여 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와, 상기 내통(2)의 중심에 삽입되며 다공 금속판에 의해 형성된 인서트관(3)과, 상기 인서트관(3)과 상기 내통(2)과의 사이에 설치되며 상기 수소연소촉매(4)를 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열하기 위한 예열용 히터(5)와, 상기 인서트관(3)에 접속된 수소 도입구(8)와, 상기 외통(1)과 상기 내통(2)과의 사이의 상기 외통(1)의 하부에 설치한 공기 도입구(9)로 이루어지고, 수소 연소용의 공기를 열대류에 의하여 수소연소촉매의 충전층과 외부와의 사이에서 생성되는 차압(differential pressure)에 의한 드리프트 효과(drift effect)에 의해 공급하여, 수소를 연소처리한다.

Description

수소연소장치{HYDROGEN COMBUSTION SYSTEM}

본 발명은, 수소연소촉매에 의해 수소를 연소처리하는 수소연소장치에 관한 것이다. 연소하는 공급수소가스의 종류에 제한은 없지만, 예를 들면, 연료전지 가동시에 발생하는 과잉수소나, 반도체 프로세스에 있어서의 성막시의 분위기 수소, 수전해장치에 의한 전기분해에 의해 부생(副生)하는 수소, 및 화학반응 등의 프로세스로부터 부생하는 수소 등의 여분의 수소를 안전하게 반응시켜, 수증기로서 프로세스로부터 배출하는데 적합한 수소연소장치에 관한 것이다.

종래, 각종 프로세스에서 부생되는 수소는 높은 폭발 위험성 및 누설성을 갖는 것보다, 전용의 배기배관을 설치하여 대기 방출하는 것, 또는 블로어(blower) 등으로 연소범위 하한 이하까지 공기와 혼합하는 것에 의해 희석시켜 공통 배기라인으로 방출하는 것이 일반적이다.

그러나, 이러한 방법에서는 별도 수소 배기용 배관의 부설 및 블로어 등의 기기의 설치 및 안전성을 확보하기 위한 배기 시스템의 도입 등, 별도 설치공간 및 설비투자가 필요하게 된다. 대규모의 플랜트 설비에서는, 상기 설비 및 시스템의 설치는 어쩔 수 없지만, 소규모의 프로세스에서는 수소를 안전하고 간편하게 처리하는 것이 요구되고 있었다.

이것을 해결하기 위해, 종래, 각종의 수소연소장치가 제안되고 있다.

이 종래 장치로서는, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 블로어(10)로 공기를 보내, 이 공기중에 수소를 불어넣어 혼합시켜, 이 혼합가스를 펠릿형상, 입자형상, 하니컴형상 등의 촉매 담지체의 충전된 처리층(11)을 통과시켜, 그 사이에 수소를 연소시키도록 한 장치가 알려져 있다(특허문헌 1).

또한, 종래의 다른 수소연소처리장치로서는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 촉매를 담지하여 거의 균일하게 개구한 미소 다공질의 막형상체(12), 그 양면에 형성된 수소실(13) 및 덕트부(14)를 갖고, 수소실(13)내에는, 수소분배노즐(15)을 가지고 있고, 막형상체(12)는, 10∼100㎛ 정도의 가는 메쉬의 스테인리스제 필터의 표면에 백금 등의 촉매를 담지한 구조의 것이 이용되고 있다. 이 장치에 있어서는, 노즐(15)에는 수소가 도입되고, 한편, 덕트부(14)에는, 팬(16)에 의해서 공기가 강제적으로 흘려지고 있다. 수소는, 노즐(15)과 수소실(13)에 분산 공급되어, 막형상체(12)와 미소한 같은 유량으로 분류되어, 통과시에 촉매와 접촉함과 동시에, 덕트부(14)를 흐르는 공기와 혼합되어, 연소처리되고 있다(특허문헌 2).

[특허문헌 1] 일본 실용공개공보 평성3 -38523호

[특허문헌 2] 일본 특허공개공보 2000-291917호

그러나, 특허문헌 1의 장치에서는, 수소와 공기를 미리 혼합하여, 수소가 희박하고 수소에 대해서 유량이 큰 폭으로 증가한 혼합기체를 처리층(11)에 공급하도록 하고 있기 때문에, 혼합기체가 촉매층을 통과할 때에 큰 통과저항이 생겨 높은 압력의 터보식 블로어를 사용하지 않으면 안되는 것과 함께, 촉매량도 많아지고, 장치가 대형화되어 비용이 높아진다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 2의 장치에서는, 수소연소촉매로서 펠릿형상의 촉매가 아니라, 10∼100㎛ 정도의 가는 메쉬의 스테인리스제 필터의 표면에 백금 등의 촉매를 담지한 구조의 막상태의 촉매를 이용하고 있지만, 수소연소장치내의 공기의 대류가 나빠, 수소연소장치내의 온도가 수소 연소에 필요한 온도까지 오르지 않는다. 이 때문에, 수소의 연소반응을 효율적으로 실시하기 위해서는, 수소연소장치의 덕트부(14)에, 팬(16)을 이용하여, 수소 연소용의 공기를 강제적으로 보낼 필요가 있어, 큰 동력과 설비를 필요로 하고 있었다.

따라서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 상기의 종래 방법의 결점을 해소하고, 수소를 수소연소장치에 공급할 때, 도입하는 수소를 연소범위 하한까지 공기와 희석 혼합시키는 프리믹싱(premixing)하는 일 없이, 순(純)수소의 상태로 장치에 공급하는 것과 동시에, 반응에 필요한 공기는, 열대류에 의하여 수소연소촉매의 충전층과 외부와의 사이에서 생성되는 차압(differential pressure)에 의한 드리프트 효과(drift effect)에 의해 공급되므로, 반응 공기를 강제적으로 공급하는 블로어 및 팬을 불필요로 하여, 안전하게 수소를 연소처리할 수 있는 것과 함께, 또한, 인서트관(3)의 상부 측면으로부터 내통(2)내로 분출되는 수소의 유출량을 억제하여, 인서트관(3)의 전체면으로부터 비교적 균일하게 수소가 분출되도록 하며, 아울러, 내통(2)에 충전하는 촉매와 외통(1)과 내통(2)의 간극(間隙):gap)내에 흘러드는 공기의 밸런스의 최적화를 도모하는 것에 의해, 최대의 수소처리능력을 얻을 수 있는, 구조가 간단하고 소형으로 처리효율이 뛰어난 수소연소장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 이중관구조의 바깥쪽을 구성하는 외통(1)과, 상기 이중관구조의 안쪽을 구성하고 다공 금속판에 의해 형성된 내통(2)과, 귀금속을 구형의 세라믹 담체 표면에 담지시켜 펠릿형상으로 형성하여 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와, 상기 내통(2)의 중심에 삽입되어 다공 금속판에 의해 형성된 인서트관(3)과, 상기 인서트관(3)과 상기 내통(2)과의 사이에 설치되며 상기 수소연소촉매(4)를 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열하기 위한 예열용 히터(5)와, 상기 인서트관(3)에 접속된 수소 도입구(8)와, 상기 외통(1)과 상기 내통(2)과의 사이의 상기 외통(1)의 하부에 설치된 공기 도입구(9)로 이루어지고, 상기 수소 도입구(8)로부터 상기 인서트관(3)을 통하여 상기 내통(2)내에 공급된 수소가, 상기 공기 도입구(9)로부터 상기 외통(1)과 상기 내통(2)과의 공간을 통하여 상기 내통(2)내에 도입된 공기와, 상기 예열용 히터(5)에 의해 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열된 수소연소촉매(4)의 촉매작용에 의해 연소되어, 안전한 수증기로서 배출되는 것을 특징으로 하는 수소연소장치를 구성한 것에 있다.

또한, 제 2 의 과제 해결수단은, 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부의 위치를 상기 내통(2) 높이의 50∼90%의 높이에 위치시킨 것에 있다.

또한, 제 3 의 과제 해결수단은, 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부에 구멍이 없는 금속판으로 이루어지는 덮개(10)를 설치하고, 관내 상부에, 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와 동종의 촉매(11)를 인서트관(3)의 관 꼭대기부로부터 인서트관(3)의 관길이의 10∼54%에 상당하는 부분까지 충전한 것에 있다.

또한, 제 4 의 과제 해결수단은, 상기 수소연소장치에 있어서, 상기 외통(1)의 중앙에 상기 내통(2)이 설치되며, 상기 외통(1)과 내통(2) 사이에 존재하는 양측 간극 중 일측의 간극이 상기 외통(1)의 통지름의 5∼17%가 되도록 상기 내통(2)의 통지름을 설정한 것에 있다.

또한, 제 5 의 과제 해결수단은, 상기 수소연소장치에 있어서, 상기 예열용 히터(5)의 높이를 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 한 것에 있다.

본 발명은, 수소연소촉매에 의해 수소를 연소처리하는 수소연소장치에 관한 것으로, 연소하는 공급수소가스의 종류에 제한은 없지만, 연료전지 가동시에 발생하는 과잉 수소나, 반도체 프로세스에 있어서의 성막시의 분위기 수소, 수전해장치에 의한 전기분해에 의해 부생하는 수소, 및 화학반응 등의 프로세스 등으로 부생되는 불필요한 수소의 연소에 적용할 수 있는, 특히, 비교적 부생수소 유량이 적은 전해 오존가스 및 전해 오존수 제조장치의 수소의 연소에 적합하다.

또한, 본 발명에 의하면, 수소를 수소연소장치에 공급할 때, 도입하는 수소를 연소범위 하한까지 공기와 희석 혼합시키는 프리믹싱을 하는 일 없이, 순수소의 상태로 장치에 공급하는 것과 동시에, 반응에 필요한 공기를, 열대류에 의하여 수소연소촉매의 충전층과 외부와의 사이에서 생성되는 차압에 의한 드리프트 효과에 의해 공급하는 것에 의해, 반응공기를 강제적으로 공급하는 블로어 및 팬을 불필요로 하고, 또한, 인서트관(3) 상부 측면으로부터 내통(2)내에 분출되는 수소의 유출량을 억제하여, 인서트관(3)의 측면 전면으로부터 비교적 균일하게 수소가 분출되도록 하며, 아울러, 내통(2)에 충전하는 촉매와 외통(1)과 내통(2)의 간극내에 흘러드는 공기의 밸런스의 최적화를 도모하는 것에 의해, 최대의 수소처리능력을 얻을 수 있는, 구조가 간단하고 소형으로 처리효율이 뛰어난 수소연소장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 수소연소장치의 전체도면.

도 2는 본 발명에 의한 수소연소장치의 상부의 구조를 나타내는 도면.

도 3은 인서트관(3)의 관길이와 수소연소장치의 수소처리능력과의 관계를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명에 의한 수소연소장치의 다른 예의 전체도면.

도 5는 본 발명에 의한 수소연소장치의 수소처리능력과 인서트관의 촉매 충전위치와의 관계를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 의한 수소연소장치의 수소처리능력과 내통지름과의 관계를 나타내는 도면.

도 7은 종래의 수소연소장치를 나타내는 도면.

도 8은 다른 종래 장치의 수소연소장치를 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 외통 2 : 내통

3 : 인서트관 4 : 수소연소촉매

5 : 예열용 히터 6 : 온도 조절용 열전대

7 : 내통(2)의 뚜껑 8 : 수소 도입구

9 : 공기 도입구

10 : 구멍이 없는 금속판으로 이루어진 덮개

1 : 수소연소촉매 12 : 평직(平織)메쉬

이하에, 본 발명의 실시의 형태를 도 1에 기초하여 설명한다.

도 1은, 본 발명에 의한 수소연소장치의 전체도, 도 2는, 그 상부의 구조의 상세도를 나타낸 것이고, 1은, 이중관구조의 바깥쪽을 구성하는 외통, 2는, 상기 이중관구조의 안쪽을 구성하고 다공 금속판에 의해 형성된 내통, 3은, 상기 내통(2)의 중심에 삽입되며 다공 금속판에 의해 형성된 인서트관, 4는, 백금, 팔라듐 등의 귀금속의 1종 또는 2종 이상의 합금, 혼합물 등을 구형의 알루미나 등의 세라믹 담체 표면에 담지시키고 펠릿형상으로 형성하여 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매, 5는, 상기 인서트관(3)과 내통(2)의 안쪽에 장착되고 수소연소촉매(4)를 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열하기 위한 예열용 히터, 6은, 온도 조정용 열전대, 7은, 내통(2)의 상부에 설치된 다공 금속판으로 형성된 덮개, 8은, 인서트관(3)에 접속한 수소 도입구, 9는, 외통(1)과 내통(2)과의 사이에 수소 연소용의 공기를 도입하기 위해, 외통(1)의 하부에 설치한 공기 도입구이다.

본 발명에 의하면, 전기분해 또는 화학반응 등의 프로세스에 의해 부생되는 수소는, 블로어 등으로 농축 또는 가압되는 일 없이, 순수소상태로, 수소 도입구(8)로부터 다공 금속판에 의해 형성된 인서트관(3)으로부터 다공 금속판에 의해 형성된 내통(2)내에 공급되며, 수소의 연소반응에 필요한 공기는, 공기 도입구(9)로부터, 외통(1)과 내통(2)과의 공간을 통하여 내통(2)내에 도입된다. 또한, 수소연소촉매(4)는, 예열용 히터(5)에 의해 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열되며, 내통(2)내에 도입된 수소와 공기는, 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열된 수소연소촉매(4)의 촉매작용에 의해 반응하여, 안전한 수증기로서 배출된다. 이 경우, 수소는, 희석되어 있지 않은 순수소이기 때문에, 수소농도를 폭발 하한 이하로 희석시킨 상태에서의 촉매연소처리방법과는 달리, 내통(2)에 수소와 반응시키는데 충분한 양의 산소를 포함한 공기를 도입하는 것이 필요하다.

수소연소촉매를 충전하고 있는 내통(2)은, 다공 금속판으로 형성되어 있고, 내통(2)내의 수소의 기류에 의해서 생기는 부압효과에 의해, 공기는, 드리프트 효과에 의해 내통(2)내에 공급된다. 수소연소장치의 외통(1)과 내통(2)의 사이에는, 내통(2)의 측면으로부터 내통(2)내에 공기를 도입하기 위한 적당한 간극이 설치되어 있다. 수소연소장치의 소형화 및 외통으로의 열복사열을 감안하여, 외통(1)과 내통(2) 사이의 일측 간극은, 외통(1)의 지름의 5∼17% 의 크기가 바람직하다.

또한, 공기가 공급된 상태이더라도 촉매반응온도 이상의 분위기가 아니면 촉매연소는 일어나지 않기 때문에, 내통(2)에 충전하고 있는 촉매를 상기 온도 이상까지 예열할 필요가 생긴다. 그 때문에, 내통(2)의 바닥면에 설치된 부착시트를 통하여, 막대형상의 예열용 히터(5) 및 온도조절용 열전대(6)가 내통(2)내에 삽입되어 있다. 막대형상의 예열용 히터(5)의 개수, 열용량 및 히터길이에 따라 충전촉매를 상기 온도까지 승온시키는 시간이 변동하기 때문에, 타당한 히터 개수, 열용량 및 히터길이를 선정한다. 그 경우, 장치의 전력 소비량 및 히터 수명 등이 고려될 수 있다.

충전하는 수소연소촉매(4)는, 구형의 세라믹 담체 표면에 귀금속을 담지시킨 펠릿형상 촉매를 사용한다. 이것은 다방향으로부터의 공기의 확산을 촉진시키기 위해서이다. 한편, 일반적으로 입자지름이 작을수록, 처리가스와 촉매와의 접촉면적이 커지는 것이지만, 상기 장치에 있어서는 내통내에 공기를 공급하기 위해, 적정한 입자지름을 선택할 필요가 있어 시판품의 입자지름 종류의 관계상, 평균 입자지름은 6밀리미터가 바람직하다. 또한, 세라믹에 담지시키는 귀금속의 종류는, 일반적인 산화촉매에 사용되는 것으로 충분하고, 예를 들면 백금 및 팔라듐 혹은 양쪽 모두를 혼합한 것이 바람직하다.

또한, 내통(2)내로의 수소의 공급은, 수소를 내통(2)내에 균일하게 확산시키는 목적으로 내통(2)과 같이 다공 금속판으로 형성한 인서트관(3)에 의해서 실시된다. 이 인서트관(3)의 관길이, 관지름 등에 따라서 수소 처리량이 변동하므로, 최적인 형상을 선정할 필요가 있다. 이 인서트관(3)의 관길이에 대해서는, 관길이가 짧고 관 꼭대기부 위치가 낮은 경우, 인서트관(3)의 수소 분출 표면적이 작아져, 인서트관(3)으로부터 내통(2)내에 분출되는 수소의 유속이 빨라지기 때문에, 수소가 촉매와 충분히 접촉하지 못하고, 미반응인 채 내통(2) 측면으로부터 누설되어 버리는 현상이 생긴다. 게다가, 이 경우, 인서트관(3)의 상부에 위치하는 촉매도 반응 이용율이 낮은 상황이 되어버린다.

반대로, 인서트관(3)의 관길이가, 필요이상으로 길고, 관 꼭대기부 위치가 높은 경우, 수소의 인서트관(3)의 수소 분출 표면적이 커져, 인서트관(3)으로부터 내통(2)내에 분출되는 수소의 유속을 작게 억제할 수 있고, 또한 내통(2)의 높이 방향으로도 수소 분출의 균일화를 도모할 수 있지만, 인서트관(3)의 수소 분출위치와 내통출구와의 거리가 가까워져서, 수소가 미반응인 채 내통(2) 출구로부터 누설되어 버릴 우려가 있다.

따라서, 최대한의 수소처리능력을 얻기 위해서는, 인서트관(3)으로부터 내통(2)내에 분출되는 수소의 유속, 인서트관(3)으로부터의 수소 분출위치, 인서트관(3)의 관 꼭대기부와 내통(2) 출구와의 거리 등의 밸런스를 고려하는 것이 중요하고, 최대의 수소처리능력을 얻기 위해서는, 많은 실험의 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이, 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치가, 내통(2)의 높이의 50∼90%의 위치에 해당하는 높이에 있는 것이 판명되었다. 이 영역은, 많은 실험 결과로부터 얻어진 것이다.

또한, 본 발명에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기 인서트관(3) 의 관내 상부에, 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와 동종의 수소연소촉매(11)를 충전할 수도 있다. 상기 수소연소촉매(11)는, 백금, 팔라듐 등의 귀금속의 1종 또는 2종 이상의 합금, 혼합물 등을 구형의 알루미나 등의 세라믹 담체 표면에 담지시키고, 펠릿형상으로 형성한 수소연소촉매로서, 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부로부터 충전하여, 평직메쉬(12)에 의해서, 인서트관(3)내에 유지하고 있다. 이 촉매(11)는, 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매와 동일 또는 유사한 촉매이다.

본 발명에 의하면, 인서트관(3)의 상부에는 구멍이 없는 금속판으로 이루어지는 덮개(10)를 하고, 인서트관(3) 측면으로부터 수소가 분출되도록 구성되어 있으므로, 수소처리능력 향상에 효과가 있는 것과 동시에, 본 발명에 의하면, 또한 인서트관(3)의 관내 상부에 상기 내통에 충전하고 있는 촉매와 같은 촉매(11)를 상기 인서트관(3)내의 상부에 충전하고, SUS304제의 평직메쉬(12)를 이용하여, 충전한 촉매(11)가 관내에서 이동이나 낙하하지 않는 형태로 촉매를 고정하고 있다. 평직메쉬(12)로 촉매(11)를 고정하는 것은, 촉매 충전부에도 수소가 유입되어야 하기 때문으로, 평직메쉬에 한정하는 것은 아니다.

인서트관(3)내에서는, 수소는 가스 비중과 굴뚝 효과로부터 상승직선이동성이 높아, 수소는 인서트관(3) 상부로부터 유출하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 인서트관(3)내에 촉매(11)를 충전하는 것에 의해서, 촉매 충전부에서는 미충전시와 비교하여 관내의 압력손실이 증가하여, 그 결과 미충전시보다, 수소의 인서트관(3)의 측면으로부터 분출되는 범위가 높이 방향에서 광범위하게 되어, 내통(2)내에 분출되는 수소의 양이 인서트관(3) 측면에서 균일화하게 된다.

다만, 인서트관(3)의 관길이에 차지하는 촉매 충전범위가 작은 경우는, 그 효과를 충분히 얻지 못하고, 반대로 큰 경우는 관내 압력손실이 과잉으로 증가하여, 인서트관으로부터의 수소 분출위치가 최적 위치보다 낮은 위치로 이행되어 버리는 것에 의해, 성능 저하를 일으킨다.

따라서, 최대한의 수소처리능력을 얻기 위해서는, 많은 실험의 결과, 인서트관(3)내의 상부로부터 인서트관(3)의 관길이의 10∼54%에 해당되는 개소까지 촉매(11)를 충전하면 좋은 것이 판명되었다. 이 영역은, 많은 실험 결과로부터 얻어진 것으로, 그 결과는, 후술하는 실시예에 기재된 바와 같이, 10% 이하 및54% 이상에서는, 수소의 연소 효율이 불충분하였다.

한편, 당연히 촉매량을 증량함으로써 처리할 수 있는 수소량도 증가하지만, 상기 수소연소장치는 외통과 내통과의 간극에 유입하는 공기를 내통측면으로부터 내통내로 집어넣어지고 있기 때문에, 상기 간극이 과도하게 좁은 경우, 유입 공기량이 감소하여 수소와 반응하기에 충분한 공기량을 확보할 수 없게 되어 버린다. 따라서, 유입 공기량이 결핍되지 않는 범위에서 내통지름을 크게 하여, 내통내에 충전하는 촉매량을 증량하는 방법은 수소처리능력의 향상에 유효하다.

또한, 장치에 유입하는 수소량이 많아지면, 인서트관(3)으로부터 내통(2)내로 분출하는 수소의 유속이 상승하여, 분출한 수소가 촉매와 충분히 접촉하지 못하고, 미반응인 채 내통측면으로부터 누설되어 버리는 현상이 생긴다. 상기 현상을 방지하기 위해서는, 내통(2)의 지름을 크게 하여, 인서트관(3)과 내통(2) 측면까지의 거리를 연장하는 것은 유효하다.

본 발명자에 의한 많은 실험에 의한 검토의 결과, 최대의 수소 처리량을 얻기 위해서는, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 내통(2)의 통지름을 외통(1)과 내통(2)과의 일측 간극이 상기 외통(1)의 통지름의 5∼17%가 되도록 하면 좋은 것이 판명되었다.

또한, 삽입한 예열용 히터(5)의 높이는 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높은 것이 바람직하다. 만약, 삽입한 예열용 히터(5)의 높이가 낮으면, 수소처리 개시 직후의 장치 작동시에는, 수소 분출위치 근방의 촉매온도가 반응하기에 충분한 온도가 아니면, 수소처리 개시시에 다량의 수소 누설이 발생한다. 즉, 예열용 히터(5)의 높이가 인서트관(3)의 관 꼭대기부보다 낮은 경우, 예열용 히터(5)의 높이보다 상부에 충전하고 있는 촉매는, 예열에 의한 승온을 기대할 수 없기 때문에, 수소처리 개시 직후에 인서트관(3)으로부터 내통(2)내에 분출하는 수소 가스중, 예열용 히터(5)의 높이보다 상부의 위치에서 분출되는 수소는, 상기 위치의 촉매 온도가 저온이기 때문에, 미반응인 채 누설을 허락하게 된다.

또한, 인서트관(3)을 형성하는 다공 금속판의 구멍지름은, 인서트관(3)을 형성하는 다공 금속판의 구멍이 수소연소촉매(4)에 의해 폐색되지 않도록, 수소연소촉매(4)의 촉매지름보다 작게 해야 한다. 수소연소촉매(4)로서는, 직경 4mm 내지 6mm의 것이 바람직하고, 인서트관(3)을 형성하는 다공 금속판의 구멍은, 그 구멍지름을 당연히 수소연소촉매(4)보다 작게 하는 것과 동시에, 구멍의 피치가 충전촉매와 어긋나도록 비정수배의 피치로 하거나, 랜덤하게 구멍을 뚫거나 하는 것이 바람직하다. 한편, 이러한 조건을 만족한다면, 인서트관(3)을 형성하는 다공 금속판은, 펀칭 메탈, 평직판 및 금속섬유 소결체 등을 이용할 수 있고, 특히 형상을 한정하는 것이 아니라, 타원형, 직사각형, 혹은 망형으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 수소연소장치를 구성하는 부품의 재질은, 장치내가 연소반응에 의해서 고온분위기가 되는 것, 수소분위기가 되는 것 및 수증기가 발생하는 분위기가 되는 것으로부터, 내열성, 내수소취성 및 내부식성이 풍부한 것에 의해서 구성되어 있다. 이러한 요구되는 내구성에 더하여, 비용면 및 가공성 등을 감안하면, 그 재질은, SUS304 등이 바람직하다.

수소연소촉매(4)를 충전한 내통(2)내에 수소를 유입하는 것에 의해, 촉매 연소에 의해서 수소는 외부로부터 도입된 공기중의 산소와 반응하여, 수증기가 되며어, 발생한 수증기는 대류에 의해, 장치상부의 출구로부터 배기된다. 한편, 배기 수증기는 처리하는 수소량 및 운전시간에 따라서는 고온이 되기 때문에, 화상 및 열손실 대책을 강구할 필요가 있다. 또한, 수소처리 반응에 의한 내통의 외통으로의 열복사열로, 외통 표면온도도 고온이 되기 때문에, 단열재에 의한 피복도 필요하다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명은, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

＜실시예 1＞

도 1 및 도 2에 나타내는 본 발명장치에 있어서, 통지름 100밀리미터, 통길이 450밀리미터의 내통(2)내에, 백금 및 팔라듐을 담지한 평균 구지름 6밀리미터의 구형상의 수소연소촉매(4)를 약 3리터 충전하였다. 인서트관(3)의 관길이 및 관지름은, 각각 260밀리미터, 45밀리미터로 하였다. 이 조건에서 본 발명장치를 운전한 결과, 유입수소 유량을 4.2NL/분으로 한 경우, 장치 출구의 수소 농도는, 0ppm이 되고, 수소는, 완전하게 연소되어, 수증기로서 안전하게 배출되었다.

＜실시예 2＞

도 1 및 도 2에 나타내는 본 발명장치에 있어서, 펀칭 메탈로 형성한 통지름 100mm, 통길이 450mm의 내통(2)내에, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 수소연소촉매(4)를 약 3리터 충전하였다. 이 때, 인서트관(3)은, 내통(2)과 같이 펀칭 메탈로 형성하였다. 이 인서트관(3)의 구멍의 형상은, 둥근 형으로 하고, 그 구멍지름은, 3mm로 하였다. 이 인서트관(3)의 관지름을 45mm로 하고, 관길이가 각각 80mm, 225mm, 260mm, 300mm, 350mm, 405mm, 420mm의 합계 7종류의 인서트관(3)으로 각각 내통내 촉매를 예열용 히터(5)로 소정온도까지 승온하여, 승온 후에 전해오존수 제조장치로부터 부생된 수소를 인서트관(3)으로부터 내통내에 유입하였다. 또한, 예열용 히터(5)의 높이는, 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같은 높이로 하였다.

한편, 수소연소장치에 유입하는 수소의 유량은, 전해오존수 제조장치의 전해 전류치를 설정함으로써 제어하였다.

인서트관(3)의 관길이와 수소연소장치의 수소처리능력과의 관계를, 표 1및 도 3에 나타낸다.

[표 1]

인서트관의 길이(mm)	내통의 높이에 대한 인서트관 꼭대기 부 위치의 비율(%)	장치의 수소처리능력(NL/분)
80	18	4.2
225	50	6.4
260	58	7.0
300	67	7.6
350	78	7.5
405	90	5.9
420	93	5.1

여기서 세로축의 장치의 수소처리능력이란, 장치출구 직후에서의 수소센서에 의한 측정에서 수소의 검출 없이, 완전하게 수소를 수증기로서 처리할 수 있는 최대의 수소 유량이지만, 표 1 및 도 3으로부터 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치가 내통(2)높이의 50%에 해당되는 관길이 225mm로부터 마찬가지로 내통(2)의 높이의 90%에 해당되는 관길이 405mm의 사이에서 수소처리능력이 피크가 되는 것을 확인할 수 있었다.

＜실시예 3＞

도 4에 나타내는 본 발명장치를 이용하여 본 발명을 실시하였다.

펀칭 메탈로 형성한 통지름 100mm, 통길이 450mm의 내통(2)내에, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 수소연소촉매(4)를 약 3리터 충전하였다. 이 때, 인서트관(3)은, 내통(2)과 같이 펀칭 메탈로 형성하였다. 이 인서트관(3)의 구멍의 형상은, 둥근 형으로 하고, 그 구멍지름은, 3mm로 하였다. 이 인서트관(3)의 관지름을 45mm로 하고, 관길이를 420mm로 하고, 내통내 촉매를 예열용 히터(5)로 소정온도까지 승온하고, 승온 후에 전해오존수 제조장치로부터 부생된 수소를 인서트관(3)으로부터 내통내에 유입하였다. 또한, 예열용 히터(5)의 높이는, 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같은 높이로 하였다. 또한, 외통(1)은, SUS304 금속판에 의해 형성하고, 그 통지름을 150mm로 하였다.

이 때, 인서트관(3)의 관 꼭대기부에 구멍이 없는 금속판으로 이루어지는 덮개(10)를 하고, 인서트관(3)내에 관 꼭대기부로부터 각각, 42mm, 70mm, 120mm, 150mm, 225mm, 420mm까지, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 수소연소촉매(11)를 충전하였다. 이러한 촉매(11) 및 내통(2)내의 촉매(4)를 예열용 히터(5)로 120℃까지 승온하여, 승온 후에 전해 오존수 제조장치로부터 부생된 수소를 상기 인서트관으로부터 내통내에 유입하였다. 인서트관(3)의 길이를 420mm로 했을 때, 인서트관(3)내에 관 꼭대기부로부터 42mm, 70mm, 120mm, 150mm, 225mm, 420mm의 위치는, 인서트관(3)의 관 꼭대기부로부터 인서트관(3)의 관길이의 각각, 10%, 17%, 29%, 36%, 54%, 100%에 상당한다. 한편, 장치에 유입하는 수소의 유량은, 전해오존수 제조장치의 전해 전류치를 설정함으로써 제어하였다.

인서트관(3)내의 촉매 충전위치와 본 발명에 의한 장치의 수소처리능력과의 관계를, 표 2 및 도 5에 나타낸다. 여기서 세로축의 장치의 수소처리능력이란, 장치출구 직후에서의 수소센서에 의한 측정에서 수소의 검출 없이, 완전하게 수소를 수증기로서 처리할 수 있는 최대의 수소 유량이지만, 표 2 및 도 5로부터 인서트관(3)내에 관 꼭대기부로부터 인서트관(3)의 관길이의 각각 10%에 상당하는 42mm로부터 54%에 상당하는 225mm의 사이에서 수소처리능력이 6.8NL/분 이상이 되어, 가장 효율이 좋아지는 것이 판명되었다.

[표 2]

인서트 관내의 촉매 충전위치와 장치의 수소처리능력과의 관계

관꼭대기부로부터의 촉매충전위치까지의 길이(mm)	관 길이에 대한 관 꼭대기부로터 촉매충전위치까지의 비율(%)	장치의 수소처리능력(NL/분)
42	10	6.8
70	17	7.55
120	29	7.48
150	36	7.25
225	54	6.8
420	100	5.04

<실시예 4>

도 4에 나타내는 본 발명장치에 있어서, 펀칭 메탈로 형성한 통지름 100mm, 통길이 450mm의 내통(2)내에, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 촉매(11)를 약 3L 충전하고, 마찬가지로 펀칭 메탈로 형성하여, 관 꼭대기부를 금속판으로 뚜껑을 한 인서트관(3)의 관길이 및 관지름을 각각 350mm, 38mm로 하였다. 이 때, 인서트관(3)의 관 꼭대기부에 구멍이 없는 금속판으로 이루어지는 덮개(10)를 하고, 인서트관(3)내에 관 꼭대기부로부터 42mm까지, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 수소연소촉매(11)를 충전하였다. 그리고, 인서트관(3)내의 촉매(11) 및 내통(2)내 촉매(4)를 예열용 히터(5)로 120℃까지 승온하여, 승온 후에 전해 오존수 제조장치로부터 부생된 수소를 상기 인서트관으로부터 내통내에 유입하였다. 외통(1)은 SUS304 금속판으로 형성한 것으로, 그 통지름을 150mm로 하였다. 이 조건에서의 외통(1)과 내통(2)과의 (일측) 간극은, 상기 외통지름의 약 15%가 되어 있다. 이것은, 이하의 계산식으로 구할 수 있다. 150mm-100mm= 50mm, 50mm÷2= 25mm, 25mm÷15Omm×100= 17%

또한, 똑같이 펀칭 메탈로 형성한 통지름 133mm, 통길이 450mm의 내통(2)내에, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 촉매(11)를 약 5.4L 충전하고, 관 꼭대기부를 금속판으로 뚜껑을 한 인서트관(3)의 관길이 및 관지름을 각각 350mm, 38mm로 하였다. 인서트관(3)에는, 인서트관(3)내에 관 꼭대기부로부터 42mm까지, 백금 및 팔라듐을 세라믹 담체 표면에 담지한 평균 구지름 6mm의 구형상 수소연소촉매(11)를 충전하였다. 그리고, 인서트관(3)내의 촉매(11) 및 내통(2)내의 촉매(4)를 예열용 히터(5)로 120℃까지 승온하고, 승온 후에 전해오존수 제조장치로부터 부생된 수소를 상기 인서트관으로부터 내통내에 유입하였다.

한편, 외통(1)은 상기와 같이, 이 조건에서의 외통(1)과 내통(2)과의 간극은, 상기 외통지름의 약 5%가 되어 있다. 이것은, 이하의 계산식으로 구할 수 있다. 150mm-133mm= 17mm, 17mm÷2= 8.5mm, 8.5mm÷150mm×100= 5%

한편, 장치에 유입하는 수소의 유량은, 전해오존수 제조장치의 전해 전류치를 설정함으로써 제어하고 있다.

내통(2)의 통지름과 본 발명에 의한 장치의 수소처리능력과의 관계를, 표 3 및 도 6에 나타낸다. 여기서 세로축의 장치의 수소처리능력이란, 장치출구 직후에서의 수소센서에 의한 측정에서 수소의 검출 없이, 완전하게 수소를 수증기로서 처리할 수 있는 최대의 수소 유량이지만, 표 3 및 도 6으로부터 내통(2)의 통지름을 외통(1)과 내통과의 간극이 상기 외통(1)의 통지름의 17%가 되는 내통지름인 100mm로부터, 상기 간극이 상기 외통지름의 5%가 되는 내통지름인 133mm 사이에서, 수소처리능력이 피크가 되는 것이 판명되었다.

[표 3]

내통지름과 장치의 수소처리능력과의 관계

내통지름(mm)	외통과 내통 사이의 간극의 외통지름에 대한 비율(%)	장치의 수소처리능력(NL/분)
100	17	5.33
127	7.7	6.26
133	5	5.33

본 발명은, 수소연소촉매에 의해 수소를 연소처리하는 수소연소장치에 관한 것으로, 연소하는 공급수소가스의 종류에 제한은 없지만, 연료전지 가동시에 발생하는 과잉수소나, 반도체 프로세스에 있어서의 성막시의 분위기 수소, 수전해장치에 의한 전기분해에 의해 부생하는 수소, 및 화학반응 등의 프로세스 등으로 부생되는 불필요한 수소의 연소에 적용할 수 있지만, 특히, 비교적 부생수소 유량이 적은 전해오존가스 및 전해오존수 제조장치의 수소의 연소에 적합하다.

본 발명에 의하면, 수소를 수소연소장치에 공급할 때, 도입하는 수소를 연소범위 하한까지 공기와 희석 혼합시키는 프리믹싱을 하는 일 없이, 각 프로세스에서 폐기물이 된 수소를 그대로 장치에 공급한다. 수소와의 반응에 필요한 공기는, 농도확산과 열대류에 의하여 수소연소촉매의 충전층과 외부와의 사이에서 생성되는 차압에 의한 드리프트 효과에 의해 공급되므로, 반응공기를 강제적으로 공급하는 블로어 및 팬을 불필요로 하여, 안전하게 수소를 연소처리할 수 있는 것과 함께, 구조가 간단하고 소형으로 처리효율이 뛰어난 수소연소장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 인서트관(3)내의 상부로부터 인서트관(3)의 관길이의 10∼54%에 해당되는 개소까지 촉매(11)를 충전하는 것에 의해, 최대한의 수소처리능력을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 인서트관(3)의 관내 상부에 내통(2)에 충전하고 있는 촉매와 같은 촉매를 인서트관(3)내의 관 꼭대기부로부터 인서트관(3)의 관길이의 10∼54%에 해당되는 개소까지 충전하는 것에 의해, 인서트관(3) 상부 측면으로부터 내통내에 분출되는 수소의 유출량을 억제하여, 인서트관(3) 측면 전면으로부터 비교적 균일하게 수소가 분출되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 내통의 통지름을 외통과 내통 사이의 일측 간극이 상기 외통지름의 5∼17%로 하는 것에 의해, 내통(2)에 충전하는 촉매량과 간극에 흘러드는 공기량과의 밸런스를 최적화함으로써 수소처리능력을 향상시킬 수 있고, 구조가 간단하고 소형으로 처리효율이 뛰어난 수소연소장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 삽입한 예열용 히터(5)의 높이를 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 하는 것에 의해, 수소를 효율적으로 연소시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 이중관구조의 바깥쪽을 구성하는 외통(1)과, 상기 이중관구조의 안쪽을 구성하며 다공 금속판에 의해 형성된 내통(2)과, 귀금속을 구형의 세라믹 담체 표면에 담지시키고 펠릿형상으로 형성하여 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와, 상기 내통(2)의 중심에 삽입되며 다공 금속판에 의해 형성된 인서트관(3)과, 상기 인서트관(3)과 상기 내통(2)과의 사이에 설치되며 상기 수소연소촉매(4)를 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열하기 위한 예열용 히터(5)와, 상기 인서트관(3)에 접속된 수소 도입구(8)와, 상기 외통(1)과, 상기 내통(2)과의 사이의 상기 외통(1)의 하부에 설치한 공기 도입구(9)로 이루어지고, 상기 수소 도입구(8)로부터 상기 인서트관(3)을 통하여 상기 내통(2)내에 공급된 수소가, 상기 공기 도입구(9)로부터 상기 외통(1)과 상기 내통(2)과의 공간을 통하여 상기 내통(2)내에 도입된 공기와, 상기 예열용 히터(5)에 의해 촉매반응온도 이상의 분위기로 예열된 수소연소촉매(4)의 촉매작용에 의해 연소되어, 안전한 수증기로서 배출되는 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부의 위치를 상기 내통(2)의 높이의 50∼90%에 해당하는 높이에 위치시킨 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부에 구멍이 없는 금속판으로 이루어지는 덮개(10)를 설치하고, 관내 상부에, 상기 내통(2)내에 충전한 수소연소촉매(4)와 동종의 촉매(11)를, 인서트관(3)의 관 꼭대기부로부터 인서트관(3)의 관길이의 10∼54%에 상당하는 부분까지 충전한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 외통(1)의 중앙에 상기 내통(2)이 설치되며, 상기 외통(1)과 내통(2) 사이에 존재하는 양측 간극 중 일측의 간극이 상기 외통(1)의 통지름의 5∼17%가 되도록 상기 내통(2)의 통지름을 설정한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 예열용 히터(5)의 높이를 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 외통(1)의 중앙에 상기 내통(2)이 설치되며, 상기 외통(1)과 내통(2) 사이에 존재하는 양측 간극 중 일측의 간극이 상기 외통(1)의 통지름의 5∼17%가 되도록 상기 내통(2)의 통지름을 설정한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 예열용 히터(5)의 높이를 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 예열용 히터(5)의 높이를 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 예열용 히터(5)의 높이를 상기 인서트관(3)의 관 꼭대기부 위치와 같거나 더 높게 한 것을 특징으로 하는 수소연소장치.