KR102613880B1 - 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기에 있어서, 가스 상태의 반응물질이 투입되는 투입구 상에 형성되어, 다양한 조성 물질을 가지는 상기 반응물질을 혼합하여 상기 촉매 연소 반응기의 내부로 반응물질을 통과시키는 라인 혼합기와, 상기 라인 혼합기를 통과한 반응물질의 유로를 재분배하는 가스 혼합기와, 상기 가스 혼합기를 통과한 반응물질의 연소를 촉진하는 모노리스 촉매와, 상기 모노리스 촉매의 전단과 후단에 배치되어, 상기 반응물질의 유로에 난류를 형성시키는 메쉬 레이어를 포함하되, 상기 라인 혼합기가 배치되는 상기 투입구의 구경은 상기 촉매 및 메쉬 레이어가 배치되는 상기 촉매 연소 반응기의 본체의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기를 제공한다.

Description

유동성이 개선된 촉매 연소 반응기{CATALYTIC COMBUSTION REACTOR WITH IMPROVED RHEOLOGY}
본 발명은 촉매 연소 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지로부터 배출되는 미반응 가스를 연소시키기 위한 촉매 연소 반응기에 관한 것이다.
과거 수세기 동안 에너지에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하여 왔다. 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 많은 다양한 에너지원이 탐사되고 개발되어 왔다.
탄화수소의 연소는 기초적인 에너지원 중 하나이나, 탄화수소의 연소시 생성되는 오염물질로 인해, 최근에는 청정 에너지원에 대한 요구가 증가함에 따라, 연료전지에 대한 연구가 증가하고 있다.
연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 이용한다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 전력을 공급하면서도 충전될 수 있다. 많은 경우, 연료전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 것으로 기대되고 있다.
연료전지의 한 종류인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소를 에너지원으로 하여, 양극, 전해질, 음극으로 구성된 스택(stack)에서 전기를 생산하며 고체산화물을 전해질로 사용한다. 이러한 고체산화물 연료전지는 600℃ 이상의 고온에서 작동하여 연료전지 중 가장 높은 효율을 보이고, 귀금속계 촉매의 사용을 최소화할 수 있으며 CO2의 배출도 낮출 수 있는 장점이 있다.
이때, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 양극(cathode)과 음극(anode)에서 반응 후 남은 고온의 미반응 가스(N2, CO2, O2, CO, CH4 등)를 촉매 존재 하에 있는 반응기로 공급하여 미반응 가스를 처리하여야 한다.
미반응 가스(연료) 중 일부는 가연성이지만, 조성비가 상이하여 완전 연소가 어렵고 대기환경보전법 중 일정 농도 이하의 배기가스만 배출할 수 있는 배출기준이 존재하여 촉매 연소 반응기를 이용한 미반응 가스의 완전 연소 과정이 필요하다.
그러나, 종래의 촉매 연소 반응기는 미반응 가스의 연소 과정에서 고온의 유체가 불균일하여 모노리스 촉매 표면 및 채널 부위에 급격한 온도 구배가 발생되는 문제가 있었고, 이에 따라 모노리스 촉매를 이용한 완전 연소 효율이 떨어지는 한계가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 모노리스 촉매를 사용하는 촉매 연소 반응에서 모노리스 촉매 채널의 핫스팟(Hot Spot)과 맴돌이 기류를 억제하고, 균일한 원료 공급이 가능한 유동화가 개선된 촉매 연소 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 가스 상태의 반응물질이 투입되는 투입구 상에 형성되어, 다양한 조성 물질을 가지는 상기 반응물질을 혼합하여 상기 촉매 연소 반응기의 내부로 반응물질을 통과시키는 라인 혼합기와, 상기 라인 혼합기를 통과한 반응물질의 유로를 재분배하는 가스 혼합기와, 상기 가스 혼합기를 통과한 반응물질의 연소를 촉진하는 모노리스 촉매와, 상기 모노리스 촉매의 전단과 후단에 배치되어, 상기 반응물질의 유로에 난류를 형성시키는 메쉬 레이어를 포함하되, 상기 라인 혼합기가 배치되는 상기 투입구의 구경은 상기 촉매 및 메쉬 레이어가 배치되는 상기 촉매 연소 반응기의 본체의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라인 혼합기는, 상기 반응물질이 유입되는 상기 투입구 측을 향해 배치되는 유입 영역과, 상기 가스 혼합기 측을 향해 상기 유입된 반응물질을 배출하는 배출 영역을 포함하되, 상기 유입 영역은, 상기 반응물질이 유입되는 상기 투입구 측을 향해 배치되는 일면에 복수개의 유입 홀들이 소정의 간격 거리로 이격되어 상기 라인 혼합기의 둘레를 따라 원형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 배출 영역은, 상기 일면으로부터 상기 배출 영역의 가장자리까지의 높이보다, 상기 일면으로부터 상기 배출 영역의 중심 부분까지의 높이가 더 낮도록 단차가 형성되며, 상기 가장자리와 상기 중심 부분의 단차에 의해 형성되는 상기 가장자리의 내측면에, 복수개의 배출 홀들의 소정의 간격 거리로 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라인 혼합기는, 상기 유입 홀과 상기 배출 홀 사이를 연결함에 따라 상기 유입 홀을 통해 유입되는 반응물질의 통로를 형성하는 연결 통로를 더 포함하되, 상기 연결 통로의 각도는 최소 45°이상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 배출 홀의 크기는 상기 촉매 연소 반응기의 본체의 직경의 8 내지 10%의 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스 혼합기는, 외관은 원기둥 형태로 형성되고, 내관은 양단으로부터 중앙부로 갈수록 직경 크기가 작아지는 형태로 형성되며, 상기 가스 혼합기는, 상기 중앙부에 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합하기 위하여, 축 회전하는 제1 타입 믹서와, 상기 제1 타입 믹서의 축을 형성하며, 외부의 회전 기어와 연결되어 상기 제1 타입 믹서를 회전시키는 회전 축을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 타입 믹서는, 리본 믹서(ribbon mixer) 또는 패들 믹서(paddle mixer)이며, 150 내지 200 RPM의 속도로 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스 혼합기는, 원기둥 형태로 형성되고, 중앙부에 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합하기 위하여, 축 회전하는 제2 타입 믹서와, 상기 제2 타입 믹서의 축을 형성하며, 외부의 회전 기어와 연결되어 상기 제2 타입 믹서를 회전시키는 회전 축과, 상기 제2 타입 믹서 및 상기 회전 축과 결합되어, 상기 제2 타입 믹서가 상기 회전 축에 의한 회전과 별도로 자체 회전 운동이 가능한 보조 믹서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 타입 믹서는, 100 내지 200 RPM의 속도로 회전하며, 상기 보조 믹서는, 회전 날개로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스 혼합기는, 전면에 소정의 간격으로 이격 형성되는 타공 홀들을 포함하는 타공판으로 형성되며, 상기 타공 홀들 중 중앙에 형성되는 중앙 타공 홀은 다른 타공 홀들의 크기와 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 메쉬 레이어는, 50 내지 200 개의 메쉬 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모노리스 촉매를 사용하는 촉매 연소 반응에서 모노리스 촉매 채널의 핫스팟(Hot Spot)과 맴돌이 기류를 억제하고, 균일한 원료 공급이 가능하므로 미반응 가스의 연소 반응을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 라인 혼합기의 단면을 도시한 단면도이다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 메쉬 레이어와 제2 메쉬 레이어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 연소 반응기를 3차원 입체도로 도시한 것이다.
도9는 원료가 공급됨에 따라 발생되는 압력이 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치에 가해지는 미소면적의 전단력(압력)을 비교하기 위해 도시한 도면이다.
도10은 혼합된 원료가 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치에 도달했을 때의 압력을 비교하기 위해 도시한 도면이다.
도11은 혼합된 원료가 모노리스 촉매로 공급되기 전까지의 유체의 속력을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도12는 혼합된 원료가 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치를 지날 때의 난류강도를 비교하기 위해 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 연소 반응기는, 라인 혼합기(100)와, 가스 혼합기(200)와, 제1 메쉬 레이어(300)와, 모노리스 촉매(400)와, 제2 메쉬 레이어(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
라인 혼합기(100)는 가스 상태의 반응물질이 투입되는 촉매 연소 반응기의 투입구(11) 상에 형성되어, 다양한 조성 물질을 가지는 반응물질을 혼합하여, 촉매 연소 반응기의 내부로 혼합된 반응물질을 통과시킬 수 있다.
여기서, 상기 가스 상태의 반응물질이란 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 양극(cathode)과 음극(anode)에서 반응 후 남은 고온의 미반응 가스로서, 예컨대 미반응 가스는 N2, CO2, O2, CO, CH4 등 일 수 있다.
가스 혼합기(200)는 라인 혼합기(100)를 통과한 반응물질의 유로를 재분배할 수 있다. 즉, 본 발명의 가스 혼합기(200)는 라인 혼합기(100)를 통해 촉매 연소 반응기 내부로 균일하게 1차로 분배된 반응물질을 다시 혼합하여 모노리스 촉매(400)를 향해 2차로 분배시키는 역할을 한다.
제1 메쉬 레이어(300)는 가스 혼합기(200)와 모노리스 촉매(400)의 사이에 배치되어, 가스 혼합기(200)로부터 재분배된 반응물질의 유로에 난류를 형성시킬 수 있다.
그리고, 모노리스 촉매(400)는 라인 혼합기(100) 및 가스 혼합기(200)를 지나 제1 메시 레이어(300)를 통과한 반응물질을 연소시킨다.
제2 메쉬 레이어(500)는 모노리스 촉매(400)의 후단에 배치되어, 연소된 반응물질의 유로에 난류를 형성시킬 수 있고, 제2 메쉬 레이어(500)를 통과한 반응물질은 촉매 연소 반응기의 배출구(15)로 배출될 수 있다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 연소 반응기의 투입구(11)는 본체(13)보다 좁은 구경을 가지며, 본 발명의 라인 혼합기(100)는 본체(13)보다 작은 직경을 가지는 투입구(11) 상에 배치되어, 투입구(11)를 통해 유입되는 다양한 조성 물질을 가지는 반응물질들을 혼합한 후 본체(13) 쪽으로 균일하게 분배시킬 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도2의 (a)는 라인 혼합기(100)의 사시도이고, 도2의 (b)는 라인 혼합기(100)의 저면도이다.
먼저, 도2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라인 혼합기(100)는 원기둥 형태의 구조를 가지며, 반응물질이 유입되는 방향인 촉매 연소 반응기의 투입구(11) 측을 향해 배치되는 유입 영역(110)과, 가스 혼합기(200) 측을 향해 반응물질을 배출하는 영역인 배출 영역(130)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 유입 영역(110)은 도2의 (b)에 도시된 바와 같이, 반응물질이 유입되는 투입구(11) 측을 향해 배치되는 일면에 복수개의 유입 홀들(111)이 소정의 간격 거리로 이격되어 라인 혼합기(100)의 둘레를 따라 원형으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 배출 영역(130)은 도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 유입 영역(110)의 일면으로부터 배출 영역(130)의 가장자리(131)까지의 높이보다, 상기 유입 영역(110)의 일면으로부터 배출 영역(130)의 중심 부분(133)까지의 높이가 더 낮도록 단차가 형성될 수 있다.
즉, 가장자리(131) 부분은 높게 돌출된 형태이며, 돌출된 면은 촉매 연소 반응기의 본체(13)를 바라보도록 배치되고, 중심 부분(133)은 움푹 파여져 있는 형태로 형성될 수 있다.
도2의 (a)를 참조하면, 배출 영역(130)의 가장자리(131)와 중심 부분(133)의 단차에 의해 형성되는 가장자리(131)의 내측면에, 복수개의 배출 홀들(135)이 소정의 간격 거리로 이격되어 형성될 수 있다.
도3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 라인 혼합기의 단면을 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 배출 홀들(135)은 유입 홀(111)들을 통해 라인 혼합기(100) 내부로 들어와 혼합된 반응물질을 외부로 배출시키기 위한 배출구 역할을 한다.
예컨대, 배출 홀(135)의 크기는 유체의 유량 및 라인 혼합기(100)의 전/후단의 차압을 고려할 때, 촉매 연소 반응기의 본체(13)의 크기(본체 부분의 내경)의 10% 정도의 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 배출 홀(135)의 직경이 상기 본체(13) 크기의 8~10% 보다 작은 크기로 형성되면 차압 발생이 많아지게 되므로, 배출 홀(135)을 통한 균일 분배의 효과가 떨어지게 되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 라인 혼합기(100)의 배출 영역(130)은 유입 홀(111)을 통해 유입되는 반응물질이 배출 홀(135)을 통해 배출될 수 있도록, 유입 홀(111)과 배출 홀(135) 사이를 연결하여 통로를 형성하는 연결 통로(137)를 더 포함할 수 있다.
도3의 (a)는 제1 실시예에 따른 라인 혼합기(100)의 단면도이고, 도3의 (b)는 제2 실시예에 따른 라인 혼합기(100)의 단면도이며, 도3의 (c)는 제3 실시예에 따른 라인 혼합기(100)의 단면도이다.
연결 통로(137)는 제1 실시예에 따른 도3의 (a)에 도시된 바와 같이 직각으로 형성될 수도 있고, 제2 실시예에 따른 도3의 (b) 및 도3 실시예에 따른 도3의 (c)에 도시된 바와 같이, 45° 각도로 형성되도록 경사지게 형성될 수도 있다. 이때, 연결 통로(137)가 45° 각도로 경사를 형성하는 방법으로는, 제2 실시예와 같이 연결 통로(137) 중간 부분에 구배가 형성될 수도 있고, 제3 실시예와 같이 연결 통로(137)의 전체가 기울어진 형태로 경사각을 형성하는 것으로 구현될 수도 있다.
도3에는 본 발명의 연결 통로(137)는 가장자리(131)와 중심 부분(133) 사이에 위치하여, 평행도를 이룰 수 있다. 또한, 배출 영역(130)의 중심 부분(133)을 기준으로 연결 통로(137)의 중심선은 직각을 이루지만, 이에 제한되지 않고 최소 45° 이상의 범위로 형성될 수 있다. 연결 통로(137)의 각도 크기가 작아짐에 따라 각 배출 홀(135)을 통과한 반응물질이 중심 부분(133)에서 혼합되는 혼합성이 증가한다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 라인 혼합기(100)는 고온에서 변형이나 파괴가 발생하지 않아야 하므로 내열성 재료로 구현될 수 있다. 예컨대, 라인 혼합기(100)는 스테인리스 스틸(SUS) 또는 인코넬(Inconel) 등의 재료로 제조될 수 있다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예인 도4를 참조하면, 가스 혼합기(200)는 외관(210), 내관(220), 회전 축(230), 그리고 제1 타입 믹서(251)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가스 혼합기의 외관(210)은 원기둥 형태로 형성되고, 내관(220)은 양단부터 중앙부로 갈수록 직경 크기가 작아지는 모래시계 형태의 오리피스 관 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 제1 타입 믹서(251)가 설치되는 내관(220)의 중앙 부분은 도4에 도시된 바와 같이 각진 형태로 형성되며, 중앙 부분으로부터 양단으로 갈수록 직경 크기가 커지게 되는 테이퍼 각도는 차압을 고려하여 30° ~ 45° 의 각도로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 도4에 도시된 바와 같이 가스 혼합기(200)의 중앙에는 회전 축(230)이 형성되고, 제1 타입 믹서(251)는 회전 축에 결합되어 회전 축(230)에 의해 회전할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예에 따른 회전 축(230)(shaft)은 외부의 전력 공급원(30)으로부터 전력을 공급받아 작동하는 외부의 회전 기어(20)와 연결되어 회전하고, 제1 타입 믹서(251)는 이러한 회전 축(230)을 중심 축으로 하여 결합됨에 따라, 회전 축(230)의 회전에 의해 축 회전 하여 하부로부터 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 타입 믹서(251)는 예컨대, 리본 믹서(ribbon mixer) 또는 패들 믹서(paddle mixer)로 구현될 수 있고, 150 내지 200 RPM의 속도로 회전할 수 있다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예인 도5를 참조하면, 가스 혼합기(200)는 원기둥 형태의 단독 관과, 회전 축(230), 제2 타입 믹서(253), 그리고 보조 믹서보조 믹서(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
제2 실시예인 가스 혼합기(200)의 중앙에는 회전 축(230)이 형성되고, 제2 타입 믹서(253)는 회전 축(230)에 결합되어 회전 축(230)에 의해 회전할 수 있다.
본 실시예에 따른 회전 축(230)(shaft)은 제1 실시예와 마찬가지로 외부의 전력 공급원(30)으로부터 전력을 공급받아 작동하는 외부의 회전 기어(20)와 연결되어 회전하고, 제2 타입 믹서(253)는 이러한 회전 축(230)을 중심 축으로 하여 결합됨에 따라, 회전 축(230)의 회전에 의해 축 회전하여 하부로부터 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합시킬 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 보조 믹서(260)는 제2 타입 믹서(253) 및 회전 축(230)과 결합되어, 제2 타입 믹서(253)가 회전 축(230)에 의한 회전과 별도로 자체 회전 운동이 가능하다.
즉, 본 실시예에 따른 제2 타입 믹서(253)는 회전 축(230)을 중심 축으로 하는 축 회전(제1 축 회전)을 함과 동시에, 제2 타입 믹서(253)의 하부에 형성되는 보조 믹서(260)는 제2 타입 믹서(253)보다 큰 지름으로 별도의 자체 회전(제2 축 회전)을 할 수 있다.
예컨대, 제2 실시예에 따른 제2 타입 믹서(253)는 도5에 도시된 바와 같이, 핸들 형태의 믹서(handle shape mixer)로 구현될 수 있고, 100 내지 500 RPM의 속도로 회전할 수 있고, 가장 바람직하게는 100 내지 200 RPM의 속도로 회전하는 것이 좋다.
본 실시예에 따른 보조 믹서(260)와 함께 구동되는 제2 타입 믹서(253)는 저속으로 회전하며 일측으로부터 유입되는 반응물질을 강제로 혼합시켜 타측으로 균일 분배시킬 수 있다.
제2 타입 믹서(253)가 고속으로 회전하게 되면, 와류(vortex) 현상을 동반하게 되어 중심부에 반응물질(기체)이 이동할 수 없는 빈 공간이 형성될 수 있으므로, 저속(예컨대, 100 내지 200 RPM)으로 회전하는 것이 바람직하다.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 혼합기를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 혼합기(200)는 도6에 도시된 바와 같이, 전면에 소정의 간격으로 이격 형성되는 타공 홀들을 포함하는 타공판으로 구현될 수 있다.
이때, 타공판으로 구현되는 가스 혼합기(200)의 전면에 형성되는 타공 홀들 중 중앙에 형성되는 중앙 타공 홀은 다른 타공 홀들의 크기와 상이하게 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 촉매 연소 반응기는 도6에 도시된 바와 같은 가스 혼합기(200)가 2개 이상으로 마련되는 것이 반응물질의 혼합 효과 측면에 있어서 바람직하며, 3개 이상으로 구비되는 경우, 각 가스 혼합기(200)간 간격을 적절히 조절하여 배치하여야 한다.
그리고, 본 실시예에 따른 2개 이상의 가스 혼합기(200)가 형성되는 경우, 촉매 연소 반응기 내부 중심선을 기준으로 1단 가스 혼합기와 2단 가스 혼합기의 타공 홀들이 모두 같은 동심도 및 동축도로 구성된다면, 유체에 층류 흐름이 형성되어 유체 혼합에 적절치 않게 되므로, 복수개의 가스 혼합기들 각각의 타공 홀들의 크기가 서로 상이하게 마련되는 것이 좋다.
상술한 바와 같은 제3 실시예에 따른 가스 혼합기(200)는 예컨대 스테인리스 스틸(SUS 310) 또는 인코넬(Inconel) 재료로 구현될 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 메쉬 레이어와 제2 메쉬 레이어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도7을 참조하면, 제1 메쉬 레이어(300)는 모노리스 촉매(400)의 전단에 위치하고, 제2 메쉬 레이어(500)는 모노리스 촉매(400)의 후단에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 메쉬 레이어(300) 및 제2 메쉬 레이어(500)는 도7에 도시된 바와 같이, 동일한 형태로 구현될 수 있고, 제1 및 제2 메쉬 레이어(300, 500)는 차압 발생을 최소화하기 위하여, 50 내지 200개의 메쉬 홀이 형성될 수 있다.
제1 메쉬 레이어(300)는 메쉬 홀을 이용하여 모노리스 모노리스 촉매(400)로 반응물질이 진입할 때 유체에 층류가 형성되는 것을 방지하고, 반응물질에 충분한 난류가 형성될 수 있도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 반응물질은 라인 혼합기(100), 가스 혼합기(200), 제1 메쉬 레이어(300)를 통과함에 따라 모노리스 촉매(400)의 면적에 균일하게 분배되어 접촉할 수 있어, 모노리스 촉매 채널의 핫 스팟(hot spot)과 맴돌이 기류를 억제하여 촉매 연소반응을 향상시킬 수 있다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 연소 반응기를 3차원 입체도로 도시한 것이다. 도8에 도시된 바와 같은 본 발명의 촉매 연소 반응기를 이용하여 촉매 연소 실험한 결과, 가스 혼합기(200)부터 유체에 난류 형성이 증가하여, 가스 혼합기(200)의 구성 없이 촉매 연소하였을 때 보다 약 15%의 난류 혼합도가 증가하였다.
도9는 원료가 공급됨에 따라 발생되는 압력이 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치에 가해지는 미소면적의 전단력(압력)을 비교하기 위해 도시한 도면이다. 도9의 (a)는 메쉬 레이어와 모노리스 촉매로만 구성된 촉매 연소 장치(이하, 제1 비교 실시예)로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 전단력을 나타낸 도면이고, 도9의 (b)는 라인 혼합기와, 메쉬 레이어와, 모노리스 촉매로 구성된 촉매 연소 장치(이하, 제2 비교 실시예)로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 전단력을 나타낸 도면이며, 도9의 (c)는 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 전단력을 나타낸 도면이다.
도9를 참조하면, 제1 비교 실시예에서는 메쉬 레이어를 중심으로 많은 전단력이 가해졌지만, 제2 비교 실시예 및 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기의 경우 모든 물체에 전단력이 균일하게 전달되어 내부 반응기에서 안정적으로 사용이 가능함을 알 수 있다.
도10은 혼합된 원료가 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치에 도달했을 때의 압력을 비교하기 위해 도시한 도면이다. 도10의 (a)는 제1 비교 실시예로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 압력을 나타낸 도면이고, 도10의 (b)는 제2 비교 실시예로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 압력을 나타낸 도면이며, 도10의 (c)는 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 압력을 나타낸 도면이다.
그리고, 도11은 혼합된 원료가 모노리스 촉매로 공급되기 전까지의 유체의 속력을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도11의 (a)는 제1 비교 실시예로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 속력을 나타낸 도면이고, 도11의 (b)는 제2 비교 실시예로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 속력을 나타낸 도면이며, 도11의 (c)는 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기로 혼합된 원료(반응물질)이 공급되었을 때의 속력을 나타낸 도면이다.
도10 및 도11을 참조하면, 제1 비교 실시예에서는 모노리스 촉매의 표면의 외곽부분에 유체가 공급되지 않는 dead zone이 형성되었지만, 제2 비교 실시예 및 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기의 경우 모노리스 촉매에 전체적으로 균일하게 유체가 공급되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 비교 실시예에서는 메쉬 레이어 중심에서 유체가 빠른 속도로 통과하지만, 제2 비교 실시예 및 본 발명에 따른 촉매 연소 반응기에서는 균일하게 유체의 속도가 분포된다. 또한, 제1 비교 실시예에서는 메쉬 레이어에서 제2 비교 실시예 및 본 발명보다 작은 속력으로 적절히 반응물질이 혼합되며, 본 발명의 경우 가스 혼합기(200)부터 반응물질의 속력 감소로 반응물질의 혼합이 적절히 이루어짐을 알 수 있다.
도12는 혼합된 원료가 촉매 연소 반응기 내부의 각 장치를 지날 때의 난류강도를 비교하기 위해 도시한 도면이다. 도12를 참조하면, 제1 비교 실시예에서의 난류 강도는 메쉬 레이어에서 주로 집중되며, 이후 모노리스 촉매의 전면부에서도 층류 흐름이 아닌 난류 형성이 되어지는 것을 확인할 수 있다. 제2 비교 실시예의 경우 라인 혼합기(100)에서 메쉬 레이어에서 난류 강도가 증가했다가 모노리스 촉매에 균일하게 원료가 공급되어졌다. 그리고, 본 발명의 따른 촉매 연소 반응기의 경우, 라인 혼합기(100)에서 난류 강도가 증가했고, 특히 가스 혼합기(200)에서도 난류 강도가 증가하여 메쉬 레이어 및 모노리스 촉매의 전면부에 원료가 균일하게 공급되어, 모노리스 채널에 일정한 층류 흐름이 생성되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 투입구
13: 본체
15: 배출구
100: 라인 혼합기
200: 가스 혼합기
300: 제1 메쉬 레이어
400: 모노리스 촉매
500: 제2 메쉬 레이어

Claims (11)

  1. 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기에 있어서,
    가스 상태의 반응물질이 투입되는 투입구 상에 형성되어, 다양한 조성 물질을 가지는 상기 반응물질을 혼합하여 상기 촉매 연소 반응기의 내부로 반응물질을 통과시키는 라인 혼합기와,
    상기 라인 혼합기를 통과한 반응물질의 유로를 재분배하는 가스 혼합기와,
    상기 가스 혼합기를 통과한 반응물질의 연소를 촉진하는 모노리스 촉매와,
    상기 모노리스 촉매의 전단과 후단에 배치되어, 상기 반응물질의 유로에 난류를 형성시키는 메쉬 레이어를 포함하되,
    상기 라인 혼합기는,
    상기 반응물질이 유입되며, 상기 반응물질이 유입되는 상기 투입구 측을 향해 배치되는 일면에 소정의 간격 거리로 이격되어 상기 라인 혼합기의 둘레를 따라 원형으로 형성되는 복수개의 유입홀들을 포함하는 유입 영역과,
    상기 유입되는 반응물질을 배출하며, 상기 유입 영역의 일면으로부터 가장자리까지의 높이보다 상기 유입 영역의 일면으로부터 중심 부분까지의 높이가 더 낮도록 단차가 형성되고, 상기 단차에 의해 형성되는 상기 가장자리의 내측면에 소정 간격 거리로 이격되어 형성되는 복수개의 배출 홀들을 포함하는 배출 영역과,
    상기 유입 홀과 상기 배출 홀 사이를 연결하여, 상기 유입 홀을 통해 유입되는 반응물질이 상기 배출 홀로 배출될 수 있도록 통로를 형성하는 연결 통로를 포함하며,
    상기 연결 통로의 각도는 최소 45° 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라인 혼합기가 배치되는 상기 투입구의 구경은 상기 촉매 및 메쉬 레이어가 배치되는 상기 촉매 연소 반응기의 본체의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배출 홀의 크기는 상기 촉매 연소 반응기의 본체의 직경의 8 % 내지 10 %의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 혼합기는,
    외관은 원기둥 형태로 형성되고, 내관은 양단으로부터 중앙부로 갈수록 직경 크기가 작아지는 형태로 형성되며,
    상기 가스 혼합기는,
    상기 중앙부에 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합하기 위하여, 축 회전하는 제1 타입 믹서와,
    상기 제1 타입 믹서의 축을 형성하며, 외부의 회전 기어와 연결되어 상기 제1 타입 믹서를 회전시키는 회전 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 타입 믹서는,
    리본 믹서(ribbon mixer) 또는 패들 믹서(paddle mixer)이며,
    150 내지 200 RPM의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 혼합기는,
    원기둥 형태로 형성되고,
    중앙부에 유입되는 반응물질을 강제적으로 혼합하기 위하여, 축 회전하는 제2 타입 믹서와,
    상기 제2 타입 믹서의 축을 형성하며, 외부의 회전 기어와 연결되어 상기 제2 타입 믹서를 회전시키는 회전 축과,
    상기 제2 타입 믹서 및 상기 회전 축과 결합되어, 상기 제2 타입 믹서가 상기 회전 축에 의한 회전과 별도로 자체 회전 운동이 가능하도록 동력을 전달하는 보조 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 타입 믹서는,
    100 내지 500 RPM의 속도로 회전하며,
    상기 보조 믹서는,
    회전 날개로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 혼합기는,
    전면에 소정의 간격으로 이격 형성되는 타공 홀들을 포함하는 타공판으로 형성되며,
    상기 타공 홀들 중 중앙에 형성되는 중앙 타공 홀은 다른 타공 홀들의 크기와 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 레이어는,
    50 내지 200 개의 메쉬 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 유동성이 개선된 촉매 연소 반응기.
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