KR101974819B1 - H2용 버너 및 h2용 버너의 연소 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해, H₂ 가스를 연료로 사용하면서 안전한 점화를 행할 수 있고, 또한 촉매에서의 H₂ 가스의 연소 시간을 단축시킬 수 있는 버너를 제공한다. 본 발명의 H₂용 버너는 2개의 상이한 가스 유로(A, B)를 갖는 H₂용 버너(1)로서, 제1 유로(B)는 H₂ 가스 및 제1 지연성 가스가 흐르도록 구성되어 있고, 제2 유로(A)는 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스가 흐르도록 구성되어 있으며, 상기 제2 유로(A)의 선단은 상기 제1 유로(B)의 선단에 형성되는 화염이 옮겨 붙는 것이 가능한 위치에 배치되어 있고, 상기 제1 유로(B)에는 H₂ 가스와 제1 지연성 가스를 공급함으로써 착화 가능한 촉매(4)가 형성되어 있다.

Description

H2용 버너 및 H2용 버너의 연소 방법{H2 BURNER AND H2 BURNER COMBUSTION METHOD}

본 발명은 H₂용 버너 및 H₂용 버너의 연소 방법에 관한 것이다.

근래 심각해지고 있는 지구 온난화를 방지하기 위해, 태양, 풍력, 지열, 해양, 수력 등의 재생 가능 에너지가 주목을 모으고 있지만, 그것뿐만 아니라 연소에 의한 이산화탄소를 배출하지 않는 H₂ 가스도 이상적인 연료로서 유효한 활용이 기대되고 있다.

본원은 2011년 8월 17일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2011-178212호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

그러나, H₂ 가스는 그 물성으로 인해 연소 범위가 넓고 연소 속도도 빠르기 때문에, 지금까지 많이 사용되어 온 탄화수소계 가스, 개질 가스, 또는 도시 가스 등의 연소 기술을 적용하는 것이 곤란하고, 공업용의 가열원으로는 이용 분야가 한정되어 있었다.

또한, H₂ 가스는 다른 연료와 비교하여 연소되기 쉽기 때문에, 일반적인 수소 연소에 있어서는 역화에 대한 대책이나 NO_X 발생 억제에 대한 대책이 중요한 과제가 되어 있었다.

한편, H₂ 가스는 다른 연료에 비해 비교적 저온에서 연소가 계속되기 때문에, 촉매를 사용하여 H₂ 가스를 연소시키는 경우에는 안정적이고 효율적인 버너가 된다고 알려져 있다.

또한, H₂ 가스는 탄화수소계 가스와 비교하면 많은 금속이나 금속 산화물이 유효한 연소 촉매가 된다고 알려져 있어, 특수한 예이지만 액체 수소의 자동 착화 방법으로서 극저온 촉매 연소 방법이 소개된 경우가 있다.

또한, 일본 내에서는 1970년대에 통상산업성 공업기술원 선샤인 계획이 발족되어, 수소 저장 합금이나 수소 연소 기술에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있었다. 특히, 오사카 공업 시험소에서는 각종 금속이나 금속 산화물의 특성을 조사하고, H₂ 활성이 높은 촉매를 충전한 촉매층에 당량비의 H₂ 가스와 공기를 통기함으로써 실온에서의 연소가 가능하다는 것이 확인되어 있었다.

수소에너지 이용 기술, 오오쿠마 야스아키 저, 아그네 기술 센터 수소에너지 최첨단 기술, 수소의 연소 기술, p565∼p579, NTS

그런데, 일반적으로 공업용 연소로의 착화에는 점화 트랜스를 사용한 직접 점화식의 파일럿 버너가 사용되고 있다.

여기서, 파일럿 버너의 연료로서 탄화수소계 가스나 도시 가스와 같이 연소 속도가 수십㎝/sec 정도의 연료를 사용하는 것이면 문제가 없지만, 연료로서 H₂ 가스를 사용하는 경우에는 그 연소 속도가 2.6m/sec로 빠르기 때문에 안전성에 문제가 있었다.

특히, 연소로 내의 퍼지 불량이나 미착화시와 같이 연료와 공기의 혼합 기체가 충만한 상태로 재착화하면, 폭굉(爆轟)이 발생할 가능성이 있어 위험했다.

또한, 파일럿 버너는 점화용의 연속 파일럿으로서 사용하는 경우뿐만 아니라, 시한 파일럿으로서 사용하는 경우에도 메인 버너에 불꽃이 옮겨 붙을 때까지 일정 시간 연소시킬 필요가 있다.

여기서, 본 발명자들은 H₂ 가스를 연료로 하고, 촉매를 사용하여 연소시키는 버너를 사용하는 것에 대해 예의 검토하여, 촉매에 의해 일정 시간 연소를 계속시키면, 촉매가 소결이나 산화 등에 의해 열화되거나 담체의 고온 내성이 한계에 달하여 촉매가 열화되는 문제가 있다는 것을 밝혀내었다.

이러한 배경하에, H₂ 가스를 연료로 사용하면서 안전한 점화를 행할 수 있고, 또한 촉매에서의 H₂ 가스의 연소 시간을 단축시킬 수 있는 버너 및 버너의 연소 방법이 요망되고 있었지만, 유효 적절한 수단이 제공되지 못하고 있는 것이 실정이었다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 따른 발명은 2개의 상이한 가스 유로를 갖는 H₂용 버너로서, 제1 유로는 H₂ 가스 및 제1 지연성(支燃性) 가스가 흐르도록 구성되어 있고, 제2 유로는 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스가 흐르도록 구성되어 있으며, 상기 제2 유로의 선단은 상기 제1 유로의 선단에 형성되는 화염이 옮겨 붙는 것이 가능한 위치에 배치되어 있고, 상기 제1 유로에는 H₂ 가스와 제1 지연성 가스를 공급함으로써 착화 가능한 촉매가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너이다.

또한, 청구항 2에 따른 발명은 상기 촉매가 Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 H₂용 버너이다.

또한, 청구항 3에 따른 발명은 상기 제1 유로의 선단에 화염의 형성을 검지할 수 있는 검지 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 H₂용 버너이다.

또한, 청구항 4에 따른 발명은 2개의 상이한 가스 유로를 갖고, 제1 유로에 촉매가 형성되어 있는 H₂용 버너의 연소 방법으로서, 상기 제1 유로에 H₂ 가스 및 제1 지연성 가스를 흘리고, 상기 촉매에 의해 착화시켜 제1 유로의 선단에 화염을 형성하는 공정과, 상기 H₂용 버너의 제2 유로에 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스를 흘리는 공정과, 상기 제1 유로의 선단에 형성된 화염을 상기 제2 유로의 선단에 옮겨 붙게 하는 공정과, H₂ 가스 및 제1 지연성 가스 중 상기 제2 유로에 흘리는 가스와 동일한 종류의 가스에 대해, 상기 제1 유로에 흘리는 것을 정지하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너의 연소 방법이다.

또한, 청구항 5에 따른 발명은 상기 제1 유로의 선단에 화염을 형성한 후에, 상기 제2 유로에 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스를 흘리는 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 H₂용 버너의 연소 방법이다.

또한, 청구항 6에 따른 발명은 상기 촉매가 Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 H₂용 버너의 연소 방법이다.

본 발명의 H₂용 버너에는 제1 유로에 H₂ 가스와 지연성 가스를 공급함으로써 착화 가능한 촉매가 형성되어 있다. 이로 인해, 제1 유로에 지연성 가스와 H₂ 가스를 흘림으로써, 트랜스 등을 사용하지 않고 촉매를 사용하여 착화시키는 것이 가능해졌다. 그 결과, 트랜스를 사용하지 않고 착화하기 때문에, H₂ 가스를 연료로서 사용하고 있지만 폭굉 등이 발생하지 않아 안전성이 확보된다.

또한, 제1 유로의 선단으로부터 불꽃이 옮겨 붙는 것이 가능한 위치에 제2 유로의 선단이 형성되어 있다.

따라서, 제1 유로에 형성된 촉매에 의해 불꽃을 형성하고, 이와 동시에 또는 이와 전후해서, 제2 유로에 H₂ 가스 또는 지연성 가스를 흘리고 제2 유로의 선단에 불꽃을 옮겨 붙게 한 후, 그 후에 제2 유로에 흘리는 가스와 동일한 종류의 가스를 제1 유로에 흘리는 것을 정지시킴으로써 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 즉, 촉매에 의해 불꽃이 형성되고 그것을 옮겨 붙게 한 후에, 촉매에 공급하는 H₂ 가스 또는 지연성 가스의 다른 한쪽의 공급을 정지함으로써 촉매에서의 H₂ 가스의 연소를 정지시킬 수 있어, 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 또한, H₂ 가스 또는 지연성 가스의 다른 한쪽에 대해 제1 유로에 흘리는 것을 정지해도, 이와 동일한 가스가 제2 유로로부터 공급되기 때문에 제2 유로의 선단에 있어서 화염을 계속적으로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 H₂용 버너는 제1 유로에 형성된 촉매가 Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하고 있다. 이로 인해, 효율적으로 촉매에 있어 착화할 수 있다.

또한, 본 발명의 H₂용 버너는 제1 유로의 선단에 화염의 형성을 검지할 수 있는 검지 기구가 설치되어 있다. 이로 인해, 제1 유로의 선단에 불꽃이 형성되었는지 여부를 정확하게 검지하는 것이 가능해지고, 제1 유로에 대한 가스 공급의 정지를 정밀하게 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 H₂용 버너의 연소 방법은 제1 유로에 형성된 촉매에 H₂ 가스와 지연성 가스를 공급함으로써 착화하고 있다. 따라서, 착화시에 트랜스를 사용하지 않기 때문에 폭굉 등이 발생하지 않아 안전성이 확보된다.

또한, 본 발명의 H₂용 버너의 연소 방법에서는 촉매에 의해 착화하고, 이와 동시에 또는 이와 전후해서, 제2 유로에 H₂ 가스 또는 지연성 가스를 흘리고 불꽃을 옮겨 붙게 한 후, 제1 유로에 흘리는 가스 중 제2 유로에 흘리는 가스와 동일한 종류의 가스에 대해서는 흘리는 것을 정지하고 있다. 그 결과, 촉매에서의 H₂ 가스의 연소를 정지할 수 있어 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 제1 유로에 흘리고 있던 H₂ 가스 또는 지연성 가스의 다른 한쪽에 대해 흘리는 것을 정지해도, 이와 동일한 가스를 제2 유로에 흘리기 때문에 제2 유로의 선단에 있어서 화염을 계속적으로 형성할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 H₂용 버너의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2(a)는 본 실시형태의 H₂용 버너의 일례를 나타내는 단면도이고, 도 2(b)는 H₂용 버너의 선단측에서 본 측면도이다.
도 3은 본 실시형태의 H₂용 버너의 다른 예의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 실시형태의 H₂용 버너를 사용한 가열 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시형태의 H₂용 버너를 사용한 플레어 스택(flare stack)을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서의 촉매 상의 H₂ 농도와 착화 확인까지의 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 수소-공기 혼합 기체의 농도에 의한 최소 발화 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 사용된 H₂용 버너의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어서의 공기 유량과 최고 도달 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태인 H₂용 버너 및 H₂용 버너의 연소 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

〈H₂용 버너〉

도 1은 본 발명의 일 실시형태인 H₂용 버너(1)를 나타내는 단면도이다.

H₂용 버너(1)는 내부에 2개의 상이한 가스 유로(A, B)를 갖는 파이프 형상의 구조체이고, 도 1에 나타내는 바와 같이, 외관(2)과, 외관(2) 내에 배치된 내관(3)과, 제2 내관(3)의 선단(3a)측에 형성된 촉매(4)와, 제2 내관(3) 내에 배치된 제1 내관(5)을 갖는 구성으로 되어 있다.

외관(2)은 파이프 형상의 중공관체로서, 내측에 내관(3)이 배치되어 있고, 외관(2)의 선단(2a)에는 개구부(2c)가 형성되어 있다. 또한, 개구부(2c)의 하류측이 연소 부분(6)으로 되어 있어 화염(F)이 형성 가능하도록 구성되어 있다.

또한, 외관(2)의 선단(2a)과는 반대측의 일단(2b)(후단)측에는 지연성 가스 공급 장치(7)가 배관(8)을 개재하여 접속되어 있고, 외관(2)은 연소 부분(6)에 지연성 가스(제2 지연성 가스)를 공급하는 것이 가능하도록 형성되어 있다.

내관(3)은 파이프 형상의 중공관체로서, 외관(2)과 축선 방향을 동일하게 하여 외관(2) 내에 배치되어 있고, 내관(3)의 선단(3a)에는 화염(도시 생략)이 형성 가능하도록 구성되어 있다.

내관(3)의 선단(3a)과는 반대측의 일단(3b)(후단)측에는 H₂ 가스 공급 장치(9)가 배관(10)을 개재하여 접속되어 있고, 내관(3)은 촉매(4) 및 연소 부분(6)에 H₂ 가스를 공급하는 것이 가능하도록 형성되어 있다.

또한, 내관(3)의 선단(3a)측의 내부에는 촉매(4)(촉매층)가 충전되어 있고, 내관(3)의 선단(3a)은 복수의 분출 구멍(3c)이 형성된 노즐 형상으로 형성되어 있다. 또한, 내관(3)의 배치 위치는 내관(3)의 선단(3a)에 형성된 화염이 외관(2)의 선단(2a)에 옮겨 붙는 것이 가능한 위치이면 어떠한 위치여도 된다. 예를 들면, 내관(3)의 선단(3a) 위치를 외관(2)의 선단(2a) 위치보다 더욱 들어간 위치로 할 수도 있고, 또는 돌출된 위치로 할 수도 있다. 이 경우, 내관(3)의 선단(3a)에 의한 화염의 형성 영역이 외관(2)의 선단(2a)에 의한 화염(F)의 형성 영역과 적어도 일부라도 중첩되어 있으면, 내관(3)의 선단(3a)에 형성된 화염이 외관(2)의 선단(2a)으로 옮겨 붙는 것이 가능해지기 때문에, 이러한 위치 관계를 충족시키도록 외관(2)의 선단(2a) 위치에 대해서 내관(3)의 선단(3a) 위치를 임의로 조정할 수 있다.

촉매(4)는 H₂ 가스와 지연성 가스가 공급됨으로써 착화 가능한 것이면 어떠한 것이어도 되며, Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하는 것을 사용하면 효율적으로 착화 가능해진다.

특히, Pd 또는 PdO를 촉매로서 사용했을 경우는 공급되는 지연성 가스의 유량을 변화시켜도 H₂ 해리 촉매로서 유용하고, 또한 H₂ 가스의 유량이 과다한 상태여도 충분한 착화 성능을 갖기 때문에 보다 바람직하다.

또한, 촉매(4)는 최고로 500∼800도의 온도에 달한다.

또한, 내관(3)의 내부에는 촉매(4)보다 상류측에 있어서 추가로 내관(5)이 배치되어 있다.

내관(5)은 파이프 형상의 중공관체로서, 내관(3)이나 외관(2)과 축선 방향을 동일하게 하여 내관(3) 내에 배치되어 있다.

내관(5)의 선단(5a)과는 반대측의 일단(5b)(후단)측에는 지연성 가스 공급 장치(21)가 배관(22)을 개재하여 접속되어 있고, 내관(5)은 촉매(4) 및 연소 부분(6)에 지연성 가스(제1 지연성 가스)를 공급하는 것이 가능하도록 형성되어 있다. 또한, 내관(5)의 배치 위치는 내관(5)의 선단(5a)이 촉매(4)에 지연성 가스를 분사하는 것이 가능한 위치이면 어떠한 위치여도 된다.

이와 같이, H₂용 버너(1)에는 외관(2)과 외관(2) 내에 배치된 내관(3) 사이의 공간에 유로(A)(제2 유로)가 형성되고, 내관(3)과 내관(3) 내에 배치된 내관(5) 사이의 공간에 유로(C)가 형성되며, 내관(5) 내에는 유로(D)가 형성된다. 또한, 내관(3)의 선단(3c)측에는 유로(C)와 유로(D)가 합류하여 이루어지는 유로(B)(제1 유로)가 형성된다.

즉, 유로(A)에는 지연성 가스가, 유로(B)에는 H₂ 가스 및 지연성 가스가, 유로(C)에는 H₂ 가스가, 유로(D)에는 지연성 가스가 각각 흐르도록 구성되어 있다.

또한, H₂용 버너(1)는 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 외관(2)의 내측이면서 또한 내관(3)의 선단(3a)의 하류측에 위치하는 공간에, 화염을 검지하기 위한 검지 기구(23)를 설치해도 된다. 이로 인해, 내관(3)에 화염이 형성되었는지 여부를 신속하고 정확하게 검지할 수 있다. 검지 기구(23)로는, 예를 들면 프레임 로드, 온도계, UV 센서 등을 들 수 있다.

본 실시형태의 H₂용 버너(1)는 이상과 같은 구성으로 되어 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는 외관(2)에 지연성 가스 공급 장치(7)를, 내관(3)에 H₂ 공급 장치(9)를, 내관(5)에 지연성 가스 공급 장치(21)를 접속시켰지만, 반드시 이러한 양태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 외관(2)에 H₂ 가스 공급 장치를 접속시켜도 상관없다. 또한, 내관(3)에 지연성 가스 공급 장치를, 내관(5)에 H₂ 가스 공급 장치를 접속시켜도 상관없다.

〈H₂용 버너의 연소 방법〉

다음으로, 상기 H₂용 버너(1)를 사용한 H₂용 버너의 연소 방법에 대해 설명한다.

우선, 지연성 가스 공급 장치(21)를 사용하여 내관(5) 내의 유로(D)에 지연성 가스를 흘리고, H₂ 가스 공급 장치(9)를 사용하여 내관(3)과 내관(5) 사이의 공간에 형성된 유로(C)에 H₂ 가스를 흘린다.

또한, 지연성 가스 공급 장치(21)가 공급하는 지연성 가스는, 예를 들면 공기나 산소여도 된다.

이로 인해, 내관(3)의 선단(3a)측에 형성된 유로(B)에는 유로(C)를 흐르는 가스와 유로(D)를 흐르는 가스가 합류함으로써 H₂ 가스와 지연성 가스가 흐르게 되고, 내관(3)의 선단(3a)측에 형성된 촉매(4)에도 H₂ 가스와 지연성 가스가 공급되게 된다. 그 결과, H₂ 가스는 촉매(4)에서 연소를 개시하고(착화하고), 유로(B)의 선단인 내관(3)의 선단(3a)에 화염(도시 생략)이 형성된다.

촉매(4)에 의한 H₂ 가스의 착화 원리는 상세한 점이 불명한 경우가 많지만, Pd막에 의한 H₂ 투과 현상 등의 연구로부터 정성적으로 다음과 같이 생각되고 있다.

우선, H₂ 분자가 촉매(4) 상에 흡착되고, 이 H₂ 분자가 촉매(4) 상에서 H 원자로 해리된다. 그리고, 해리되어 만들어진 H 원자가 산소와 반응함으로써 반응열이 생긴다. 그 결과, 이 반응열을 발화 에너지로 하여 H₂가 연소 상태로 이행되는 것으로 생각되고 있다.

또한, 유로(C) 및 유로(D)에 흘리는 가스의 유량은 촉매(4)를 통과한 H₂ 및 지연성 가스의 온도가 H₂의 자연 발화 온도인 530℃를 상회하는 온도가 된다면 어떠한 유량이어도 되고, 적절히 결정하면 된다.

유로(B)의 선단에 화염이 형성되면, 이와 동시에 또는 이와 전후해서, 지연성 가스 공급 장치(7)를 사용하여 외관(2)과 내관(3) 사이에 형성된 유로(A)에 지연성 가스를 흘린다. 이로 인해, 유로(B)의 선단에 형성된 화염을 유로(A)의 선단인 외관(2)의 선단(2a)에 옮겨 붙게 하여, 유로(A)의 선단에 화염(F)을 형성한다.

또한, 지연성 가스 공급 장치(7)가 공급하는 지연성 가스는, 예를 들면 공기나 산소여도 되며, 반드시 지연성 가스 공급 장치(21)가 공급하는 지연성 가스와 동일한 가스일 필요는 없다.

유로(A)의 선단에 화염(F)이 형성되면, 지연성 가스 공급 장치(21)에 의해 유로(C)에, 나아가서는 유로(B)에 지연성 가스를 흘리는 것을 정지시키고, 유로(B)의 선단측에 형성된 촉매(4)에서의 H₂ 가스의 착화를 정지시킨다.

또한, 촉매에서의 H₂ 가스의 연소 시간이 길면 촉매의 열화가 격렬해진다는 점에서, 지연성 가스 공급의 정지는 유로(B)의 선단에 불꽃이 형성되고 난 후, 또는 유로(A)의 선단에 화염(F)이 형성되고 난 후, 지체 없이 대략 동시에 행해지는 것이 바람직하다.

또한, 외관(2) 내에 검지 기구(23)를 설치한 경우는 이 검지 기구(23)에 의해 유로(B)의 선단에 화염이 형성되었는지 여부를 정확하게 검지할 수 있기 때문에, 유로(B)에 대한 지연성 가스 공급의 정지를 정밀하게 행할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는 유로(A) 및 유로(D)에 지연성 가스를 흘리고, 유로(C)에 H₂ 가스를 흘리는 경우에 대해 설명하였으나, 반드시 이 양태로 한정되지 않는다.

유로(A)에 H₂ 가스를 흘리도록 해도 된다. 또한, 유로(B)에 H₂ 가스와 지연성 가스 양쪽 모두를 흘릴 수 있다면, 유로(C) 및 유로(D)에 흘리는 가스의 선택은 적절하게 결정하면 된다.

이러한 경우에도, 유로(A)의 선단에 화염(F)을 형성한 후에, H₂ 가스 및 지연성 가스 중 유로(A)에 흘리는 가스와 동일한 종류의 가스에 대해, 유로(B)에 대한 공급을 정지하면 된다. 여기서, 동일한 종류의 가스에 대해 공급을 정지한다는 것은, 예를 들면 유로(A)에 공급하는 지연성 가스가 공기이고, 유로(B)에 공급하는 지연성 가스가 산소인 경우에, 이 유로(B)에 공급하는 지연성 가스(이 경우는 산소)의 공급을 정지하는 것도 포함한다.

본 실시형태의 H₂용 버너(1)에는 유로(B)에 H₂ 가스와 지연성 가스를 공급함으로써 착화 가능한 촉매(4)가 형성되어 있다. 이로 인해, 유로(B)에 지연성 가스와 H₂ 가스를 공급함으로써, 트랜스 등을 사용하지 않고 촉매(4)를 사용하여 착화시키는 것이 가능해졌다. 그 결과, 트랜스를 사용하지 않고 착화하기 때문에, H₂ 가스를 연료로서 사용하고 있지만 폭굉 등이 발생하지 않아 안전성이 확보된다.

또한, 유로(B)의 선단으로부터 불꽃이 옮겨 붙는 것이 가능한 위치에 유로(A)의 선단이 형성되어 있다. 따라서, 유로(B)에 형성된 촉매(4)에 의해 불꽃을 형성하고, 이와 동시에 또는 이와 전후해서, 유로(A)에 지연성 가스를 공급하고 유로(A)의 선단에 불꽃을 옮겨 붙게 한 후, 그 후에 지연성 가스 유로(B)에 대한 공급을 정지함으로써 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 즉, 촉매에 의해 불꽃이 형성되고 그것을 옮겨 붙게 한 후에, 촉매에 공급하는 지연성 가스의 공급을 정지함으로써 H₂ 가스와 지연성 가스 양쪽 모두가 촉매를 통과하는 시간을 단축시킬 수 있고, 촉매에서의 연소를 정지함으로써 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 지연성 가스를 유로(B)에 흘리는 것을 정지해도, 이와 동일한 가스인 지연성 가스가 유로(A)로부터 공급되기 때문에 유로(A)의 선단에 있어서 화염을 계속적으로 형성할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 H₂용 버너(1)의 연소 방법은 유로(B)에 형성된 촉매(4)에 H₂ 가스와 지연성 가스를 공급함으로써 착화하고 있다. 따라서, 착화시에 트랜스를 사용하지 않기 때문에 폭굉 등이 발생하지 않아 안전성이 확보된다.

또한, 촉매(4)에 의해 착화하여 유로(B)의 선단에 불꽃을 형성한 후, 이와 동시에 또는 이와 전후해서, 유로(A)에 지연성 가스를 흘리고 유로(A)의 선단에 불꽃을 옮겨 붙게 한 후, 지연성 가스를 유로(B)에 흘리는 것을 정지하고 있다. 그 결과, 지연성 가스의 공급을 정지하고 있기 때문에 촉매에서의 H₂ 가스의 연소를 단축시킬 수 있어 촉매의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 지연성 가스를 유로(B)에 흘리는 것을 정지해도, 유로(A)에 지연성 가스를 흘리기 때문에 화염(F)을 계속적으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 H₂용 버너(1)는 외관(2)의 내부에 내관(3)이 배치된 구성으로 되어 있지만, 2개의 상이한 유로가 형성 가능하고, 제1 유로의 선단에 형성된 화염이 제2 유로의 선단으로 옮겨 붙는 것이 가능하면 버너의 구조는 어떠한 것이어도 되고, 분리된 2개의 관체로 구성되어도 된다.

2개의 관체로 구성되는 예로는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 외관(2)의 내부에 배치되어 있던 내관(3)을 외관(2) 옆에 배치해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 내관(3)의 내부에 추가로 내관(5)을 형성한 경우에 대해 설명하였으나, 내관(5)을 형성하지 않고 내관(3) 내에 H₂ 가스와 지연성 가스를 양쪽 모두 공급하는 구성을 채용해도 상관없다.

여기서, 내관(3)의 내부에 내관(5)을 형성한 경우에는 미리 H₂ 가스와 지연성 가스를 혼합하지 않고 촉매(4)에 H₂ 가스와 지연성 가스를 공급하기 때문에, 점화시에 역화가 발생할 가능성이 낮다. 이에 반해, 내관(5)을 형성하지 않고 단지 내관(3) 내에 H₂ 가스와 지연성 가스 양쪽을 공급하는 경우에는, 이들 가스가 미리 혼합되기 때문에 적절하게 역화를 방지하기 위한 조치를 취하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 실시형태의 H₂용 버너의 메리트에 대해 가열 대상 가스의 가열 처리 방법 및 플레어 스택을 예로 들어 상세히 설명한다.

〈대상 가스의 가열 처리 방법〉

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 H₂용 버너를 사용한 가열 대상 가스의 가열 처리 장치(24)는 메인 버너(25)와, 메인 버너(25)의 선단에 설치된 H₂용 버너(1)로 개략 구성되어 있다.

메인 버너(25)는 메인 버너(25)의 선단 부분의 공간인 연소 부분(26)에 대상 가스를 공급하는 배관(27)과, 배관(27)의 외주를 둘러싸도록 형성되어 연소 부분(26)에 연료를 공급하는 분출구(28a)가 형성된 메인 버너 본체(28)로 구성되어 있다. 또한, 메인 버너 본체(28)에는 메인 버너 본체(28)에 연료를 도입하기 위한 배관(29)이 접속되어 있다.

이 가열 처리 장치(24)를 사용하여 가열 대상 가스를 가열 처리하는 경우에는, 우선 파일럿 버너인 H₂용 버너(1)를 점화시킨다. 그리고, 메인 버너(25)의 배관(27)으로부터 가열 대상 가스를, 메인 버너 본체(28)로부터 연료를 각각 공급하고, H₂용 버너(1)의 화염을 이용하여 메인 버너(25)를 점화시킨다. 이와 같이 하여 메인 버너(25) 선단의 연소 부분(26)에 화염(도시 생략)을 형성하고, 대상 가스를 가열 처리한다.

일반적으로, 메인 버너의 연료로서 H₂ 가스를 사용하는 경우, 연소로 내에 있어서 H₂ 가스와 지연성 가스의 혼합에 의한 폭발을 방지하기 때문에, 상기와 같이 미리 파일럿 버너를 점화시키고 나서 메인 버너에 연료를 도입하게 된다.

여기서, 종래에는 파일럿 버너용 연료로서 H₂ 가스를 사용할 수 없었다는 점에서, 파일럿 버너에는 메인 버너의 연료와는 상이한 탄화수소계 가스 등의 연료를 도입하는 장치 및 그 누설을 검지하는 장치가 필요하였다. 이 때문에, 메인 버너의 점화 동작에 필요한 비용이 커진다는 문제가 있었다.

한편, 본 실시형태의 H₂용 버너(1)를 사용하면, H₂ 가스를 연료로서 사용하면서도 안전하게 점화시킬 수 있기 때문에, H₂ 이외의 연료 공급 장치 및 그 누설을 검지하는 장치가 불필요하여, 메인 버너(25)의 점화에 드는 비용을 억제할 수 있다.

〈플레어 스택〉

다음으로, 본 실시형태의 H₂용 버너(1)를 사용한 플레어 스택의 메리트에 대해 설명한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 플레어 스택(41)은 연소시키기를 원하는 가스의 저장 설비(42)와 접속된 방출탑(43)과, 방출탑(43)의 선단에 설치된 H₂용 버너(1)로 구성되어 있다.

이 플레어 스택(41)을 사용하여 가스를 연소시키는 경우에는, 우선 H₂용 버너(1)를 점화시킨다. 그리고, 저장 설비(42)로부터 연소시키기를 원하는 가스를 방출탑(43)으로 보내고, 방출탑(43)의 선단에 있어서 H₂용 버너(1)의 화염을 이용하여 원하는 가스를 점화시키고 연소시키면 된다.

여기서, 종래의 플레어 스택이었다면 방출탑의 선단에 설치하는 버너로는 통상의 파일럿 버너를 사용하고 있었기 때문에, 점화용 플러그 등의 전기 에너지를 이용하여 점화시킬 필요가 있었다.

이 때문에 전기를 공급하는 설비가 필요하고, 또한, 플레어 스택을 보안 설비로서도 사용하는 경우에는 정전시를 대비하여 배터리나 비상용 발전기와 같은 예비 전원을 준비할 필요가 있었다.

그러나, 본 실시형태의 H₂용 버너(1)를 사용하면 촉매(4) 상에 H₂ 가스와 지연성 가스를 통기하는 것만으로 점화가 가능하기 때문에, 전기를 공급하는 설비 및 예비 전원을 필요로 하지 않는다. 이 때문에, 전기를 공급하는 설비 및 예비 전원과 이들의 유지에 드는 비용을 억제할 수 있다.

또한, 저장 설비(42)에 저장된 연소시키는 가스가 H₂ 가스인 경우는 그 H₂ 가스를 H₂용 버너의 연료로 사용하면 되기 때문에, 버너의 연료 및 이를 공급하기 위한 설비도 필요가 없어져 비용을 억제할 수 있다.

또한, H₂ 가스를 연료로서 사용한 화염은 종래의 버너와 같이 탄화수소계 가스를 연료로서 사용했을 경우와 비교하여 바람에 꺼지기 어렵기 때문에, H₂용 버너(1)를 사용하면 방출탑(43) 내의 풍속을 크게 했을 때도 바람에 꺼지지 않고 기능한다.

이 결과, 동일한 유량의 가스를 플레어 스택(41)으로 처리하고자 하는 경우, H₂용 버너(1)를 사용하면 종래의 버너를 사용하는 경우와 비교하여 방출탑(43)의 탑 내경을 작게 하는 것이 가능해져, 플레어 스택(41) 자체의 소형화가 가능해진다.

이상으로 본 발명을 실시형태에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 하등 제한되지 않는다.

(실시예 1)

실시예 1에서는 상기 H₂용 버너(1)와 동일한 H₂용 버너를 사용하고, 외관(2)에 H₂ 가스를 10ℓ/min의 유량으로, 내관(5)에 H₂ 가스를 1.5ℓ/min의 유량으로 공급한 후, 내관(3)에 공급하는 공기의 유량을 변화시켰을 때의 착화까지 필요로 하는 시간을 측정하였다. 사용한 촉매는 Pd이고, 주위 및 초기 가스 온도는 20℃로 하였다. 결과를 도 6에 나타낸다. 또한, 착화의 확인은 외관(2) 내의 선단측에 설치된 온도계를 이용하여 행하였다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 촉매 상의 H₂ 농도는 20∼30체적％ 정도이면 착화까지 필요로 하는 시간이 짧아진다.

이는 H₂ 농도에 따른 스파크에 의한 최소 발화 에너지의 측정 결과(도 7 참조)와 잘 합치되어, 촉매 상에서 H₂의 연소가 행해지고 있다는 것을 확인할 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2에서는 실시형태에서 설명한 H₂용 버너(1)와 동일한 H₂용 버너를 사용하고, 촉매로서 각각 Pd, Pt, PdO 및 PtO₂를 사용했을 경우에 대해 착화 성능의 비교를 행하였다. 구체적으로는, 외관(2)에 H₂ 가스를 10ℓ/min의 유량으로, 내관(5)에 H₂ 가스를 2ℓ/min의 유량으로 공급하고, 내관(3) 내에 공급하는 공기의 유량을 변화시키면서 점화 동작 후 30초에 도달하는 최고 온도를 계측함으로써, 성능 비교를 행하였다. 또한, 최고 온도의 측정은 도 8에 나타내는 바와 같이, 내관(3)의 선단(3a)의 외벽에 설치한 온도 센서(44)를 사용하여 행하였다. 결과를 도 9에 나타낸다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 어느 촉매에 있어서도 촉매를 통과한 H₂와 지연성 가스가 H₂의 자연 발화점(530℃)을 상회하는 온도를 나타내는 공기 풍량의 범위가 존재하고, H₂ 가스의 착화에 필요한 성능을 갖고 있다는 것을 알 수 있었다.

또한, Pd 또는 PdO를 촉매로서 사용했을 경우에는, 공기 유량의 넓은 범위에 있어서 촉매를 통과한 H₂와 지연성 가스가 530℃ 이상의 온도에 도달한다는 점에서 H₂ 해리 촉매로서 매우 유용하다는 것을 알 수 있다.

또한, Pd 또는 PdO를 촉매로서 사용했을 경우에는, 촉매 상을 통기하는 공기 유량이 H₂ 가스량에 대해서 이론 공기비 미만이었을 경우에도 높은 온도 상승이 확인되었다. 이는 이론 공기비 미만이었을 경우, 촉매로 가열된 미연(未燃) H₂ 가스가 노즐 분출 구멍 선단에서 자연 발화하여 화염을 생성하기 때문이다. 따라서, 이들 촉매를 이용했을 경우에는 연료 과다인 공기비에 있어서도 충분한 착화 성능을 갖고 있다.

또한, 실시예 2에서는 최고로 750℃까지 온도가 상승하였지만 어느 조건에서도 역화는 확인되지 않았고, 미리 H₂ 가스와 지연성 가스를 혼합시키지 않는 구조를 채용함으로써 H₂의 온도가 상승했을 때에도 역화가 발생하지 않고 점화를 행할 수 있다는 것이 확인되었다.

본 발명에 의하면, H₂용 버너의 제1 유로에 지연성 가스와 H₂ 가스를 흘림으로써 트랜스를 사용하지 않고 착화하기 때문에, H₂ 가스를 연료로서 사용하고 있지만 폭굉 등이 발생하지 않아 안전성이 확보된다. 따라서, 본 발명은 H₂용 버너 및 그 연소 방법에 바람직하게 이용할 수 있다.

1…H₂용 버너, 2…외관, 2a…외관의 선단, 3…내관, 3a…내관의 선단, 4…촉매, 5…내관, 5a…내관의 선단, 6…연소 부분, 7, 21…지연성 가스 공급 장치, 8, 10, 22, 27, 29…배관, 9…H₂ 가스 공급 장치, 23…검지 기구, 24…가열 처리 장치, 25…메인 버너, 26…연소 부분, 28…메인 버너 본체, 41…플레어 스택, 42…저장 설비, 43…방출탑

Claims (6)

1. 내부에 제1 지연성 가스가 흐르는 제1 내관과,
   상기 제1 내관과의 사이에 H₂ 가스가 흐르는 유로가 구획되도록 상기 제1 내관의 외측에 배치되고, 상기 제1 내관의 선단의 위치보다도 선단이 돌출한 제2 내관과,
   상기 제2 내관 내의, 상기 제1 내관의 선단과 상기 제2 내관의 선단 사이에 위치하는 부분에 배치되고, 상기 H₂ 가스 및 상기 제1 지연성 가스가 공급됨으로써 착화 가능한 촉매와,
   상기 제2 내관과의 사이에 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스가 흐르는 유로가 구획되도록, 상기 제2 내관의 외측에 배치된 외관을 갖고,
   상기 외관의 선단은 상기 제2 내관의 선단에 형성되는 화염이 상기 외관의 선단에 옮겨 붙는 것이 가능한 위치에 배치한 것을 특징으로 하는 H₂용 버너.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 촉매가 Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 H₂ 가스 또는 상기 제2 지연성 가스가 흐르는 상기 유로의 선단에 화염의 형성을 검지할 수 있는 검지 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너.
4. 2개의 상이한 가스 유로를 갖고, 제1 유로에 촉매가 형성되어 있는 H₂용 버너의 연소 방법으로서,
   상기 제1 유로에 H₂ 가스 및 제1 지연성 가스를 흘리고, 상기 촉매에 의해 착화시켜 제1 유로의 선단에 화염을 형성하는 공정과,
   상기 H₂용 버너의 제2 유로에 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스를 흘리는 공정과,
   상기 제1 유로의 선단에 형성된 화염을 상기 제2 유로의 선단에 옮겨 붙게 하는 공정과,
   H₂ 가스 및 제1 지연성 가스 중 상기 제2 유로에 흘리는 가스와 동일한 종류의 가스에 대해, 상기 제1 유로에 흘리는 것을 정지하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너의 연소 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 유로의 선단에 화염을 형성한 후에, 상기 제2 유로에 H₂ 가스 또는 제2 지연성 가스를 흘리는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너의 연소 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 촉매가 Pt, Pd, PdO 또는 PtO₂ 중 어느 1종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 H₂용 버너의 연소 방법.

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