KR100989955B1 - 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치에 관한 것이다. 본 발명은 저급 연료와 산소가 혼합된 혼합가스에 반응하는 연소촉매를 수용하는 원통부 및 상기 원통부의 일단을 폐쇄하는 콘(cone)형의 마개부가 구비된 혼합가스공급노즐; 상기 혼합가스공급노즐을 수용하고, 연소실에 고정되며, 상기 마개부를 연소실로 노출시키는 분사공이 형성된 가스분사노즐; 및 상기 가스분사노즐을 수용하고, 일측에 산소를 공급하는 산소공급관을 구비한 챔버;를 포함하고, 상기 혼합가스공급노즐에는 혼합가스가 상기 원통부의 외측으로 배출되도록 안내하는 배출공이 형성되고, 상기 가스분사노즐에는 상기 산소공급관에서 공급된 산소를 상기 가스분사노즐 내측으로 안내하는 유도공이 형성되며, 상기 혼합가스는 상기 원통부에서 상기 연소촉매와 1차 연소가 이루어지고, 상기 산소공급관에서 공급된 산소와 혼합되어 2차 연소가 이루어지는 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치를 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 저급연료를 연소시키면서 연소촉매의 고온화에 따른 열손상을 방지할 수 있다.

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Description

저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치{Catalyst-assisted oxy-fuel combustor for low heating value fuels}

본 발명은 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저급 연료를 연소시키고, 열효율이 향상된 순산소 연소장치에 관한 것이다.

특히 본 발명은 촉매연소를 이용한 순산소 연소장치에 관한 것으로, 저온형 연소인 촉매연소를 이용하여 고함수 연료(이에 상응하는 저질연료 혹은 저발열량 연료)와 순산소를 1차 촉매 반응시켜, 2차 순산소 연소의 주영역에서의 연소 반응성이 획기적으로 개선될 수 있는 활성기가 다량 함유된 연료 혼합물을 얻어낼 수 있고, 고농도 이산화탄소의 회수가 용이한 순산소 연소장치에 관한 것이다.

촉매연소는 연료가스가 확산에 의해서 촉매의 표면으로 흡착되어 촉매표면에서 산화 반응이 진행되고, 이때 생성되는 생성가스가 촉매표면에서 다시 확산되어 탈착되는 과정으로 반응이 이루어진다. 이때 전열을 위하여 빛 에너지가 아닌 촉매반응의 활성화 에너지로 화염이 없이 연소반응이 완결될 수 있다.

다시 말해서 촉매연소는 고체 촉매를 이용해서 비교적 저온 또는 저농도에서 연료를 산화시키는 것을 말하는데, 이것은 근본적으로 무화염 연소(flameless combustion)에 해당된다. 촉매연소는 저온에서 안정된 연소특성을 갖지만, 연소촉매의 재질 특성상 일반적 화염 온도까지 이용할 수 없다는 단점이 있다.

한편 촉매연소를 사용할 경우 촉매가 특정 온도 이상의 고온에 노출되는 경우에는 촉매에 열손상이 발생되고, 이후에는 촉매로 사용하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

산소를 이용한 연소기는 일반적인 공기를 산화제로 사용하는 공기연소방식에 비해 화염전파속도가 약 10 배 가량 향상된다. 산소를 이용한 연소기는 버너 중심의 연료노즐을 통해 연료를 공급하고, 별도의 산화제노즐을 통해 산화제인 산소를 공급받아, 상기 연료노즐과 산화제노즐 사이에서 확산 화염을 형성하여 연소시키는 방식을 사용하는 것이 일반적이다.

그러나 종래의 공기연소 방식은 매립장에서 발생하는 가스나 제철소 등에서 발생되는 부산물인 가스 등의 저급연료를 연소시킬 수 없다.

따라서 이러한 저급연료를 연소시킬 수 있으면서, 촉매를 이용한 촉매연소가 가능한 산소 연소장치에 대한 개발 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저급연료를 연소시키면서 연소촉매의 고온화에 따른 열손상을 방지할 수 있는 순산소 연소장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 저급연료의 주성분이 C, H, O로 구성되는 경우 고농도 CO₂를 회수할 수 있는 순산소 연소장치를 제공할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 저급 연료와 산소가 혼합된 혼합가스에 반응하는 연소촉매를 수용하는 원통부 및 상기 원통부의 일단을 폐쇄하는 콘(cone)형의 마개부가 구비된 혼합가스공급노즐; 상기 혼합가스공급노즐을 수용하고, 연소실에 고정되며, 상기 마개부를 연소실로 노출시키는 분사공이 형성된 가스분사노즐; 및 상기 가스분사노즐을 수용하고, 일측에 산소를 공급하는 산소공급관을 구비한 챔버;를 포함하고, 상기 혼합가스공급노즐에는 혼합가스가 상기 원통부의 외측으로 배출되도록 안내하는 배출공이 형성되고, 상기 가스분사노즐에는 상기 산소공급관에서 공급된 산소를 상기 가스분사노즐 내측으로 안내하는 유도공이 형성되며, 상기 혼합가스는 상기 원통부에서 상기 연소촉매와 1차 연소가 이루어지고, 상기 산소공급관에서 공급된 산소와 혼합되어 2차 연소가 이루어지는 것을 특징으로 하는 순산소 연소장치를 제공한다.

또한 상기 혼합가스는 상기 연소촉매의 고온화에 의한 열손상을 방지할 수 있을 정도의 산소량만 포함하는 것이 가능하다.

상기 산소공급관에서 공급되는 산소량은 상기 혼합가스에 포함된 산소량보다 큰 것이 바람직하다.

나아가 상기 혼합가스공급노즐의 외주면과 상기 가스분사노즐의 내주면에는 스월(swirl)부가 구비되고, 상기 스월부는 상기 유도공과 상기 배출공의 사이에 위치할 수 있다.

상기 산소공급관으로부터 공급되는 산소는 상기 유도공을 통과한 후에 상기 스월부에서 난류로 변환되어, 상기 배출공으로부터 배출된 혼합가스와 혼합될 수 있다.

한편 1차 연소가 이루어지는 상기 원통부 내부는 2차 연소가 이루어지는 상기 분사공 부근의 온도보다 낮은 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 합성가스 및 고함수 연료의 효율적인 연소가 가능하고, 통상적인 공기 연소 방법으로 연소 불가능한 저급 연료의 연소가 가능하다. 특히 연료의 조성에 따라 산소량을 조절함으로서 촉매의 온도 조절이 가능하여 촉매가 열손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 저급연료의 주성분이 C, H, O로 구성되는 경우 배가스를 응축하여 손쉽게 고농도 CO₂를 회수할 수 있다.

본 발명에 따르면 촉매연소가 이루어지는 혼합가스공급노즐의 외부에 산소가 흐르기 때문에, 산소로 혼합가스공급노즐에서 발생되는 열이 전달되어 열손실이 줄어든다. 나아가, 산소에 의해서 연소촉매가 냉각될 수 있다.

또한 미연가스와 산소가 혼합되어 2차 연소가 이루어지기 때문에 완전연소가 가능하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명은 고함수 연료 또는 저질의 합성가스와 순산소를 연소 촉매에 통과시키고, 이때 촉매의 활성 및 재질에 영향을 주지 않도록 연료과잉 조건으로 1차 연소 반응온도를 낮추도록 유도한다. 이때 1차 연소는 촉매 반응 연소를 의미한다.

1차 연소반응에 산소가 부족하게 공급되기 때문에 연소촉매의 사용 한계 온도를 넘지 않으면서 촉매반응이 이루어질 수 있다. 1차 연소반응 후 배출된 고온의 부분산화가스는 2차 연소영역에서 고온의 순산소와 믹싱(mixing)되어 반응성이 좋은 혼합기가 될 수 있다. 2차 연소영역은 주 연소영역에 해당되고, 순산소 연소를 달성하게 되면서 2차 연소까지 거친 후에 생성되는 연소생성물은 수증기와 이산화탄소만의 혼합기로 배출된다. 이렇게 배출된 혼합기 내의 수증기를 응축하게 되면 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있게 되어 친환경적 연소 시스템을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 단면도이다. 이하 도 1을 참조해서 설명한다.

본 발명에 따른 순산소 연소장치는 저급 연료와 산소가 혼합된 혼합가스가 공급되는 혼합가스공급노즐(10), 상기 혼합가스공급노즐(10)을 수용하는 가스분사노즐(20) 및 상기 가스분사노즐(20)을 수용하는 챔버(30)를 포함한다. 한편 상기 순산소 연소장치는 일단이 연소실에 고정된다.

상기 혼합가스공급노즐(10)은 연소촉매(2)를 수용하는 원통부(12) 및 상기 원통부(12)의 일단을 폐쇄하는 콘(cone)형의 마개부(14)가 구비된다.

상기 원통부(12)는 내부에 소정의 공간이 형성된 것으로, 소정의 공간을 포함하고 있는 케이스면 어떤 것이나 가능하다. 상기 원통부(12)의 일측에는 혼합가스가 상기 원통부(12)의 외측으로 배출되도록 안내하는 배출공(16)이 형성된다. 이때 상기 배출공(16)은 복수 개가 상기 원통부(12)의 외주면에 다양한 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

저급 연료란 매립장 등에서 발생되는 가스 또는 제철소에서 부산물로 발생되는 가스 등을 포함하고, 저발열량 연료라고 지칭하기도 한다. 이때 저급 연료는 일반적인 공기 연소 방법에 의해서는 연소가 불가능한 가스를 포함한다.

상기 혼합가스는 상기 연소촉매(2)의 고온화에 의한 열손상을 방지할 수 있을 정도의 산소량만 포함하는 것이 바람직하다. 상기 연소촉매(2)는 800 ~ 900℃ 정도까지에서 내열성을 가지기 때문에 그 이상의 열이 발생하도록 산소가 초과 공급되면 연소촉매(2)에 열손상이 발생할 수 있다.

상기 연소촉매(2)는 당업자에게 촉매 반응에 연소가 이루어질 때에 사용되는 물질을 의미한다. 상기 연소촉매(2)는 상기 원통부(12) 내에 복수 개가 채워져 있 으며 대략 800 ~ 900℃정도까지의 열은 견딜 수 있다.

상기 마개부(14)는 상기 원통부(12)의 일측에 설치되어, 상기 원통부(12)의 개방된 일측으로 유입된 혼합가스가 상기 원통부(12)의 타측으로 그대로 배출되는 것을 방지한다.

상기 가스분사노즐(20)은 상기 가스분사노즐(20)을 연소실에 고정하는 고정면(22), 상기 고정면(22)에 형성된 분사공(24) 및 상기 고정면(22)의 반대편에 형성된 유도공(26)을 포함한다.

상기 분사공(24)은 상기 마개부(14)를 연소실로 노출시키는데, 상기 분사공(24)을 통해서 상기 마개부(14) 즉 상기 혼합가스공급노즐(10)과 연소실이 서로 연통될 수 있다. 즉 2차 연소가 이루어지는 2차 연소 영역은 상기 분사공(24) 주변 영역을 포함한다. 상기 분사공(24)은 상기 고정면(22)의 중간에 형성되는 것이 가능하다.

상기 유도공(26)은 상기 가스분사노즐(20)에서 상기 분사공(24)이 형성된 위치와 정반대의 위치에 형성된다. 상기 유도공(26)은 전체적인 형상이 링(ring)과 같이 이루어지는 것이 가능하다.

상기 챔버(30)는 상기 가스분사노즐(20)이 연소실의 외부로 노출되지 않도록 상기 가스분사노즐(20)을 전체적으로 밀폐한다. 상기 챔버(30)의 일측에는 관형상의 산소공급관(40)이 형성되어 상기 챔버(30) 내부로 산소를 공급할 수 있다.

상기 챔버(30)는 상기 가스분사노즐(20)의 고정면(22)에 상기 챔버(30)를 고정시킬 수 있도록 고정판(32)를 구비하는 것이 가능하다. 상기 고정면(22)과 상기 고정판(32)은 서로 결합되어 연소실의 일면에 장착되는 것이 가능하다.

상기 산소공급관(40)에서 공급되는 산소량은 상기 혼합가스에 포함된 산소량보다 큰 것이 바람직하다. 혼합가스에 공급되는 산소량이 전체적으로 1이라고 보았을 때에 1차 연소 즉, 혼합가스에 혼합되는 산소량은 0.2 ~ 0.5이고, 2차 연소 즉, 산소공급관(40)을 통해서 공급되는 산소량을 0.5 ~ 0.8정도로 조절하는 것이 바람직하다. 만약 전체 산소량인 1을 1차 연소시에 혼합한다면 연소촉매(2)가 과열되어 열손상이 발생한다는 문제가 있기 때문이다.

다시 말해서 상기 혼합가스는 상기 원통부(12)에서 상기 연소촉매(2)와 1차 연소가 이루어지고, 상기 산소공급관(40)에서 공급된 산소와 혼합되어 2차 연소가 이루어진다.

한편 본 발명에 따른 순산소 연소장치는 상기 혼합가스공급노즐(10)의 외주면과 상기 가스분사노즐(20)의 내주면에 구비된 스월(swirl)부(50)를 포함하는 것이 가능하다. 상기 스월부(50)는 상기 유도공(26)과 상기 배출공(16)의 사이에 위치한다.

상기 스월부(50)는 통과하는 공기에 난류(turbulent flow)를 발생시킬 수 있는 것이면 어떠한 내부형상을 갖는 것도 가능하다. 상기 스월부(50)의 전체적인 형상은 상기 혼합가스공급노즐(10)의 외주면을 둘러싸는 링(ring) 형상으로 이루어지는 것이 가능하다.

상기 산소공급관(40)으로부터 공급되는 산소는 상기 유도공(26)을 통과한 후에 상기 스월부(50)에서 난류로 변환된다. 그리고 상기 배출공(16)으로부터 배출된 혼합가스와 혼합되어 2차 연소가 이루어질 수 있다. 즉 2차 연소영역에서 난류 순산소 연소가 이루어질 수 있다. 다시 말해서 상기 스월부(50)에 의해서 순산소와 1단 연소 후에 배출되는 배가스의 난류강도를 증가시켜 두 기체간의 혼합을 촉진하여, 2차 연소영역에서의 난류 순산소 연소를 실행할 수 있다.

한편 1차 연소가 이루어지는 상기 원통부(12) 내부는 2차 연소가 이루어지는 상기 분사공(24) 부근의 온도보다 낮다. 즉, 1차 연소의 온도는 대략 800 ~ 900℃정도일 수 있고, 2차 연소의 온도는 대략 1300 ~ 2000℃ 정도일 수 있다.

도 2는 도 1의 A-A의 단면도이다. A-A단면은 스월부(50)가 장착된 부분의 단면이다. 이하 도 2를 참조해서 설명한다.

상기 원통부(12)의 내부에는 상기 연소촉매(2)가 다수 개 분포하고, 상기 원통부(12)의 외주면을 상기 스월부(50)가 감싼다.

그리고 상기 스월부(50)의 외주면을 상기 가스분사노즐(20)이 둘러싸고, 상기 가스분사노즐(20)을 상기 챔버(30)가 수용한다. 이때 상기 가스분사노즐(20)과 상기 챔버(30) 사이에는 소정 공간이 형성되어 상기 산소공급관(40)으로부터 공급된 산소가 이동할 수 있다.

특히, 상기 산소공급관(40)으로부터 공급된 산소는 상기 가스분사노즐(20)을 전체적으로 둘러싸면서 이동하기 때문에 상기 가스분사노즐(20) 내에서 발생되는 열이 외부로 유출되지 않고 산소를 가열하는 데에 사용되어, 본 발명은 열효율이 향상될 수 있다.

도 3은 도 2의 B-B의 단면도이다. B-B단면은 배출공(16)이 형성된 부분의 단 면이다. 이하 도 3을 참조해서 설명한다.

상기 원통부(12)에는 복수 개의 배출공(16)이 형성되어, 상기 원통부(12) 내에 수용된 혼합가스가 상기 원통부(12)의 외부로 배출될 수 있다. 배출된 혼합가스는 상기 산소공급관(40)으로부터 공급되어 상기 스월부(50)를 통과한 산소와 혼합되어 상기 분사공(24)을 향해서 분사된다. 이때 상기 분사공은 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 도 1을 참조하면 도 3의 도면의 법선방향에 위치하는 것을 알 수 있다.

상술한 순산소 연소장치의 작동방식을 도 1 내지 도 3을 참조해서 설명한다.

저급 연료와 산소가 혼합된 혼합가스가 상기 혼합가스공급노즐(10)에 공급된다. 이때 혼합가스에는 산소를 저급 연료의 양이나 종류에 따라 다르게 공급하는 것이 가능하고, 산소를 공급하기 위한 별도의 산소공급장치를 구비하는 것이 가능하다. 이 경우 산소공급량을 제어할 수 있는 제어장치를 구비하는 것도 가능하다. 혼합가스 내에 포함된 산소량은 상기 연소촉매(2)에 열손상이 발생될 수 있도록 하는 양보다 작게 공급되는 것이 바람직하다. 즉 저급 연료에 혼합되는 산소량을 조절하여 1차 연소가 이루어지는 온도를 조절할 수 있다.

상기 원통부(12) 내로 공급된 혼합가스는 상기 연소촉매(2)와 1차 연소 즉, 촉매연소 반응이 이루어지며, 대략 800 ~ 900℃ 이하의 온도를 발생시키면서 반응이 이루어지기 때문에 연소촉매(2)가 열손상되지 않는다. 즉 상기 원통부(12)에 저질 연료와 산소를 공급하여 1차 반응시킬 때, 산소의 공급량을 조절하여 반응을 억제함으로서 연소촉매의 고온화되지 않게 된다.

이어서 1차 연소가 이루어진 혼합가스는 상기 배출공(16)으로 배출되어 상기 원통부(12)의 외측으로 배출된다.

이때 상기 산소공급관(40)으로부터 공급된 산소는 상기 챔버(30) 내부로 유입되면서 상기 유도공(26)을 통과한다. 상기 산소공급관(40)으로부터 공급되는 산소량은 혼합가스 내에 포함된 산소량보다 많다. 상기 산소공급관(40)으로 산소를 공급하기 위한 산소공급장치를 별도로 구비하고, 공급되는 산소량을 조절하는 것도 가능하다.

그리고 상기 스월부(50)를 거치면서 난류로 변화되어 상기 배출공(16)으로부터 배출된 혼합가스와 혼합된다. 산소와 혼합가스가 혼합되어 상기 분사공(24)으로 배출되면서 2차 연소가 이루어진다. 2차 연소는 화염을 동반한 연소로 대략 1300 ~ 2000 ℃의 범위를 가질 수 있다.

상기 산소공급관(40)으로부터 공급되는 산소는 상기 가스분사노즐(20)의 외주면을 따라 흐른뒤에 상기 유도공(26)을 통해서 상기 가스분사노즐(20)의 내주면을 따라 최종적으로 상기 분사공(24)으로 분사된다. 즉 산소가 상기 가스분사노즐(20)과 직접 접촉하면서 열교환이 이루어져 상기 가스분사노즐(20)은 냉각되고, 상대적으로 온도가 낮은 산소는 가열된다. 이 경우 산소는 온도가 높아져서 2차 연소시에 반응성이 향상될 수 있고, 상기 가스분사노즐(20)은 냉각되어 상기 연소촉매(2)가 과열되는 것을 방지할 수 있다.

나아가 1차 연소가 이루어지는 상기 혼합가스공급노즐(10)을 상기 가스분사노즐(20)이 감싸고, 다시 상기 가스분사노즐(20)을 상기 챔버(30)가 둘러싸기 때문 에 1차 연소에서 발생된 열 중 누출량을 줄일 수 있다. 특히 상기 챔버(30)로 산소가 공급되어 예열된 후에 2차 연소에 사용되기 때문에 열효율이 향상될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 본 발명의 단면도.

도 2는 도 1의 A-A의 단면도.

도 3은 도 2의 B-B의 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

2: 연소촉매 10: 혼합가스공급노즐

12: 원통부 14: 마개부

16: 배출공 20: 가스분사노즐

24: 분사공 30: 챔버

40:산소공급관 50: 스월부

Claims (6)

1. 저급 연료와 산소가 혼합된 혼합가스에 반응하는 연소촉매를 수용하는 원통부 및 상기 원통부의 일단을 폐쇄하여 혼합가스가 상기 원통부의 길이방향으로 진행하는 것을 방지하는 콘(cone)형의 마개부가 구비된 혼합가스공급노즐;

   상기 혼합가스공급노즐을 수용하고, 연소실에 고정되며, 상기 마개부를 연소실로 노출시키는 분사공이 형성된 가스분사노즐; 및

   상기 가스분사노즐을 수용하고, 일측에 산소를 공급하는 산소공급관을 구비한 챔버;를 포함하고,

   상기 혼합가스공급노즐에는 혼합가스가 상기 원통부의 수직방향 외측으로 배출되도록 안내하는 배출공이 상기 원통부의 외측면 둘레에 형성되고,

   상기 가스분사노즐에는 상기 산소공급관에서 공급된 산소를 상기 가스분사노즐 내측으로 안내하는 유도공이 형성되며,

   상기 혼합가스는 상기 원통부에서 상기 연소촉매와 1차 연소가 이루어지고, 상기 산소공급관에서 공급된 산소와 혼합되어 2차 연소가 이루어지며,

   상기 혼합가스공급노즐의 외주면과 상기 가스분사노즐의 내주면에는 스월(swirl)부가 구비되고,

   상기 스월부는 상기 유도공과 상기 배출공의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 혼합가스는 상기 연소촉매의 고온화에 의한 열손상을 방지할 수 있을 정도의 산소량만 포함하는 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 산소공급관에서 공급되는 산소량은 상기 혼합가스에 포함된 산소량보다 큰 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 산소공급관으로부터 공급되는 산소는 상기 유도공을 통과한 후에 상기 스월부에서 난류로 변환되어, 상기 배출공으로부터 배출된 혼합가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치.
6. 제1항에 있어서,

   1차 연소가 이루어지는 상기 원통부 내부는 2차 연소가 이루어지는 상기 분사공 부근의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 저급연료 연소용 촉매보조 순산소 연소장치.

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