KR102677816B1 - 축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템 - Google Patents

축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미리 설정된 대상가스를 공급하도록 형성된 대상가스 공급유닛과 상기 대상가스의 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기공급유닛을 포함하는, 가스공급모듈; 상기 가스공급모듈과 연결되어 상기 대상가스 공급유닛으로부터 공급된 대상가스 및 상기 공기공급유닛으로부터 공급된 공기를 균일하게 혼합시킴으로써, 혼합가스를 형성시키는, 혼합모듈; 상기 혼합모듈와 연결되어 상기 혼합가스를 공급받도록 구성되며, 축열재 형태의 연소촉매가 충진되고, 상기 연소촉매를 활성화 온도까지 가열시키는 히팅부를 통해 연소반응이 일어나는, 촉매반응모듈; 상기 촉매반응모듈로부터 배출되는 배기가스를 미리 설정된 방식으로 외부로 배출시키는, 배기모듈; 및 상기 혼합모듈 및 촉매반응모듈을 제어하는 제어모듈; 을 포함하는, 시스템을 제공할 수 있다.

Description

축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템{Air purification system using high-temperature combustion catalyst in the form of heat storage material}
본 발명은 축열재 형태의 연소촉매를 대기환경 정화시스템으로서, 보다 효과적으로 휘발성유기화합물(VOCs)와 악취가스 등을 연소시켜 제거할 수 있는 대기환경 정화시스템을 설계 및 제작할 수 있는 기술에 관한 것이다.
각종 산업현장에 배출되는 배기가스는 대기오염의 주요인이 되고 있는 휘발성 유기화합물(VOCs)과 같은 다양한 유해 화학물질이나 악취를 유발하는 가스가 포함되어 있다. 상기 휘발성 유기화합물은 그 종류가 다양하나, 벤젠(benzene) 및 페놀(phenol) 같은 방향족(Aromatic) 화합물, 알칸(Alkane), 알켄(Alkene) 등의 탄화수소(Hydrocarbon) 화합물과 염소와 같은 할로겐(halogen) 화합물, 질소, 산소 등을 포함한 비균질 탄화수소(Heterogeneous Hydrocarbon) 등이 있다. 주요 휘발성 유기화합물의 배출원으로는 도료, 도장 및 플라스틱 관련 공장, 화학공장, 정유공장, 저유소 및 세탁소 등을 들 수 있다.
이러한 휘발성 유기화합물은 그 종류 및 대기 중의 반응형태에 따라 대류권 오존오염, 성층권 파괴 및 지구 온난화 등을 유발하며, 인체나 동식물이 휘발성 유기화합물에 노출된 경우 단기적으로는 호흡기 질환, 신경 장애 등을 일으키고, 장기적으로는 발암, 유전자 변이 등을 일으킬 수 있다고 보고되어 있다. 이와 같이, 그 자체로도 건강에 매우 유해한 휘발성 유기화합물의 배출량은 산업의 발달로 인해 매년 늘고 있어 그에 따른 환경오염도 더욱 가중되고 있다.
이러한 유해 화학물질 가스와 악취물질을 제거하기 위해 종래의 방법은 크게 2가지가 사용된 바 있다. 직접 연소법의 재생식 열산화(Regenerative Thermal Oxidation: RTO) 장치, 간접 연소법의 재생식 촉매산화(Regenerative Catalytic Oxidation: RCO) 장치 등이 주로 사용되고 있었다.
RTO 장치는 배출가스를 직접 연소시켜 산화처리한 후 연소열은 회수 및 재사용하는 방식으로, 처리효율이 높고 고농도의 휘발성 유기화합물의 처리에 경제적이어서 현재 많이 사용되고 있다. 그러나 설비비가 과다한데 다가 휘발성 유기화합물의 농도가 낮으면 운전비가 많이 들어 경제성이 없으며, 배출가스의 유량변동이 심하거나 할로겐, 황화합물이 포함된 휘발성 유기화합물의 처리에는 부적합하며, 구조상 설치장소에도 제한이 따른다.
또한 RTO에 적용되는 축열재는 오로지 열만 저장하는 기능만 있어서, 버너로 열원을 주기적으로 공급해야 하고, 장기간 운전 및 처리가스 종류에 따라 축열재의 열적 팽창과 함께 기계적 강도 문제로 인해, 열파현상이 자주 일어나므로, 주기적인 점검 및 교체가 필요하다.
다만, RCO 장치는 촉매를 연소시켜 활성화한 다음, 이를 배출가스와 반응시켜 처리하고 연소열은 회수 및 재사용하는 방식으로, 운전비가 적게 들고 질소화합물(NOx)의 발생이 적으며, 소형이라는 이점이 있다. 그러나, RTO장치 보다 시설비가 과다하고, 처리대상기체의 생성에 따라 그 적용범위가 제한되며, 유량변동이 심하거나 고농도의 휘발성 유기화합물 처리에는 부적합하며, 촉매를 주기적으로 교체하여야 한다.
따라서, 효율적으로 대기환경 오염물질을 처리하기 위해서는 RTO와 RCO의 단점을 보완하는 새로운 개념의 축열재 개발 및 이를 적용한 시스템이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1929172호(2018.12.08.)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, RTO 시스템에 적용되는 축열재의 문제점을 해결하면서, 효과적으로 대기환경 오염물질을 처리하기 위한 대기환경 정화시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매는 축열재의 문제점인 압축강도 문제 해결과 함께, 고온에서의 촉매반응을 원활하게 하는 기능 추가한 대기환경 정화시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 미리 설정된 대상가스를 공급하도록 형성된 대상가스 공급유닛과 상기 대상가스의 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기공급유닛을 포함하는, 가스공급모듈; 상기 가스공급모듈과 연결되어 상기 대상가스 공급유닛으로부터 공급된 대상가스 및 상기 공기공급유닛으로부터 공급된 공기를 균일하게 혼합시킴으로써, 혼합가스를 형성시키는, 혼합모듈; 상기 혼합모듈와 연결되어 상기 혼합가스를 공급받도록 구성되며, 축열재 형태의 연소촉매가 충진되고, 상기 연소촉매를 활성화 온도까지 가열시키는 히팅부를 통해 연소반응이 일어나는, 촉매반응모듈; 상기 촉매반응모듈로부터 배출되는 배기가스를 미리 설정된 방식으로 외부로 배출시키는, 배기모듈; 및 상기 혼합모듈 및 촉매반응모듈을 제어하는 제어모듈을 포함하는 대기환경 정화시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 가스공급모듈은, 상기 대상가스 공급유닛의 공급속도를 조절하는 제1 팬유닛; 및 상기 공기공급유닛의 공급속도를 조절하는 제2 팬유닛; 을 포함하고, 상기 제어모듈은, 상기 대상가스 공급유닛의 공급속도를 기준으로, 상기 공기공급유닛의 공급속도를 연산하는 공기연산부를 통해, 상기 제2 팬유닛을 제어할 수 있다.
또한, 상기 혼합모듈은, 상기 대상가스 및 공기가 혼합되는 혼합공간을 포함하고, 상기 혼합공간에는 상기 대상가스 및 공기가 통과하는 데미스터(demister)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 촉매반응모듈은, 상기 히팅부를 통해, 내부를 800℃ 이상으로 가열시킬 수 있다.
또한, 상기 배기모듈은, 외부로 배출되는 배기가스가 순환되는 열교환기모듈과 연결되거나 또는 상기 혼합모듈과 연결되어 연소반응의 열에너지를 회수할 수 있다.
또한, 상기 혼합모듈은, 상기 대상가스 공급유닛 및 공기공급유닛으로부터 상기 촉매반응모듈로 혼합공기를 유동시키는 제1 혼합 팬유닛; 및 상기 제1 혼합 팬유닛의 역방향으로 상기 혼합공기를 유동시키는 제2 혼합 팬유닛; 을 포함하고, 상기 제어모듈은, 상기 제1 및 제2 혼합 팬유닛을 미리 설정된 방식으로 제어하여 상기 혼합공기를 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 혼합모듈은, 1차 혼합영역 및 2차 혼합영역을 포함하고, 상기 1차 혼합영역과 2차 혼합영역 사이에는 유입된 대상가스 및 공기를 강제로 통과시키는 나선형 유동관이 포함될 수 있다.
또한, 상기 촉매반응모듈은, 연소반응이 일어나는 연소반응공간을 포함하며, 상기 연소반응공간의 내주면에는 플레이트 형태의 상기 연소촉매를 고정하는 연소촉매 고정부가 형성되되, 상기 연소촉매 고정부는, 상하방향으로 이동 가능하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 연소촉매는, 제1 내지 제n 플레이트로 구성되어 상기 연소반응공간에 구비될 수 있고, 상기 연소촉매 고정부는, 제1 내지 제n 연소촉매 고정부를 포함하되, 제k 연소촉매 고정부의 높이는 조절 가능하도록 형성될 수 있다(단, k는 1 내지 n 중 어느 하나인 자연수).
본 발명은 비용이 상대적으로 저렴한 전이 금속을 사용할 수 있고, 고온에서 안정성을 확보할 수 있으며, 높은 열용량을 가짐과 동시에, 고온에서도 촉매의 고유 활성을 높게 유지하여 촉매의 안정성을 확보할 수 있는 바, 일반 축열재를 적용한 시스템 대비 VOCs 처리 효과가 우수하고 높은 유속에서도 안정적으로 VOCs를 처리할 수 있는 장점이 있어, 기존 시스템 대비 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 촉매반응모듈에서 발생되는 폐열을 회수하여 난방 및 전력 생산에 필요한 열원(열에너지)으로 활용할 수 있는 친환경적인 방식이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템(이하 '시스템'이라 함)의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 연소촉매의 연소반응 사진 및 THC 제거를 위한 연소반응시 미반응된 THC 측정 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 비교예에 대한 그래프로써, 도 3의 활성화 조건과 동일한 조건에서의 일반 축열재를 연소반응 사진 및 THC 제거를 위한 연소반응시 미반응된 THC 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 시스템에 적용된 일 예시적인 축열재 형태의 연소촉매 제품 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 혼합모듈의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 촉매반응모듈의 모식도로써, 연소촉매가 복수로 구비된 상태의 모식도이다.
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 부여하였다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템(이하 '시스템'이라 함)의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 가스공급모듈(110), 혼합모듈(120), 촉매반응모듈(130), 배기모듈(140), 제어모듈(150) 및 열교환기모듈(160)을 포함한다.
가스공급모듈(110)은 대상가스 공급유닛(111) 및 공기공급유닛(112)을 포함한다. 대상가스 공급유닛(111)은 산업현장에서 발생되는 VOCs(휘발성유기화합물, Volatile organic compound)를 포함한 유해가스를 송출하도록 구성된다. 여기서, '대상가스'는 일 예시로써, VOCs를 설명하나, 본 발명은 VOCs로 한정되지 않고, 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 모든 종류의 가스가 사용될 수 있음을 미리 명시한다.
공기공급유닛(112)은 대상가스의 연소에 필요한 산소비를 맞추기 위해 추가 공기를 투입하도록 구성된다. 일 예시로써, 공기공급유닛(112)을 통해 외기가 공급될 수 있으나, 별도의 공기저장탱크로부터 특정 기체를 공급받도록 구성될 수 있다. 대상가스 공급유닛(111) 및 공기공급유닛(112)은 각각 혼합모듈(120)과 연결되며, 그 연결유로에는 밸브수단 및 센싱수단이 구비될 수 있다.
대상가스 공급유닛(111)은 대상가스를 강제로 유동시키기 위한 제1 팬유닛(111a)이 내장되며, 공기공급유닛(112) 역시 공기를 강제로 유동시키기 위한 제2 팬유닛(112a)이 내장될 수 있다. 제1 및 제2 팬유닛(111a, 112a)은 제어모듈(150)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 특히, 제어모듈(150)의 공기연산부(151)로부터 연소에 필요한 산소비가 실시간 연산되어 제1 및 제2 팬유닛(111a, 112a)의 동작이 제어된다. 제1 및 제2 팬유닛(111a, 112a) 각각의 출력 및 동작시간 등이 제어됨을 의미한다(도 5 참고).
이 때, 제어모듈(150)은 대상가스 공급유닛(111)의 공급속도를 기준으로, 공기공급유닛(112)의 공급속도를 연산하며, 이를 기반으로, 제2 팬유닛(112a)이 제어될 수 있다. 일 예시로써, 산업현장에서 발생되는 VOCs를 포함한 대상가스 중에 연소반응에 필요한 산소량이 충분히 존재하면 공기를 추가로 공급할 필요는 없는 바, 제2 팬유닛(112a)의 동작이 중지될 수 있다.
혼합모듈(120)은 가스공급모듈(110)로부터 각각 제공된 대상가스 및 공기를 균일하게 혼합하도록 구성된다. 혼합모듈(120)은 VOCs를 포함한 대상가스와 연소반응에 필요한 추가 공기가 고르게 혼합할 수 있도록 공간을 포함하며, 이들을 보다 균일하게 혼합시키기 위하여 데미스터(Demister) 같은 혼합용 섬유물질이나 혼합판이 구비될 수 있다. 데미스터와 같이 조직이 얼기설기 얽혀있는 구조에서는 혼합가스가 불규칙한 유로를 통과하면서 효과적으로 혼합이 진행될 수 있다.
촉매반응모듈(130)은 혼합모듈(120)과 연결되어 혼합가스를 공급받도록 구성된다. 촉매반응모듈(130)은 축열재 형태의 연소촉매의 원활한 활성화를 위해서 히팅부(131)를 이용하여 800℃ 이상의 열원 공급이 필요하다. 히팅부(131)는 전기로 등이 사용될 수 있으며, 센서수단을 통해 히팅부(131)의 현재 상태는 실시간 모니터링되는 것이 바람직하다.
촉매반응모듈(130)은 내부에 축열재 형태의 연소촉매가 충진되도록 챔버 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 히팅부(131)로부터 공급된 열에너지를 통해, 연소촉매를 활성화 온도까지 가열시킴으로써, 이들의 연소반응이 일어난다. 촉매반응모듈(130)은 제어모듈(150)로 실시간 연소반응 상태정보를 전송하도록 구성된다.
배기모듈(140)은 촉매반응모듈(130)의 일 측과 연결되며, 촉매반응모듈(130)로부터 발생된 배기가스를 외부로 배출하도록 구성된다. 촉매반응모듈(130)의 연소과정에서 발생된 배기가스의 성분을 분석하여, 완전 산화반응이 일어나는지, 축열재 형태의 연소촉매가 활성화되었는지 등이 다양한 정보를 확인할 수 있다.
배기모듈(140)에서는 촉매반응모듈(130)에서 발생되는 연소반응이 완료된 배기가스를 외부로 배출시킬 수 있는 연통이 연결되어 있으며, 추가적으로 필요에 의해 연소반응 열을 효과적으로 사용할 수 있도록 열교환기모듈(160)을 사용하여 폐열을 회수하거나, 연소반응에서 발생된 열을 이용하여 혼합모듈(120)로 리사이클링 시키거나, 별도 유로를 통해 열원이 필요한 곳에 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 화염이 없는 방폭형으로 설계 및 제작이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 연소촉매의 연소반응 사진 및 THC 제거를 위한 연소반응시 미반응된 THC 측정 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 비교예에 대한 그래프로써, 도 3의 활성화 조건과 동일한 조건에서의 일반 축열재를 연소반응 사진 및 THC 제거를 위한 연소반응시 미반응된 THC 측정 그래프이다.
도 2 및 3과 함께, 아래의 표 1 및 2를 더 참고하여 설명한다. 도 2 및 표 1은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매를 사용한 결과이며, 도 3 및 표 2는 일반 축열재(뮬라이트 구조의 축열재, 촉매 코팅 전 상태의 축열재)를 사용한 결과이다.
본 발명의 일 실시예에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매를 이용하여 연소성능을 실험하였다. VOCs 가스 대신 유사한 가스인 메탄가스를 사용하여, 연소성능을 평가하였다. 연소 실험 조건은 표 1과 같으며, 일반적인 RTO 조건보다 빠른 유속을 나타나는 것이 특징이다.
상기 조건으로 이루어지는 연소성능 시험결과, 700℃ 이상에서 메탄가스의 완전 산화반응이 진행되었으며, 800℃에서는 메탄가스의 완전 산화반응이 완료됨을 알 수 있었다. 또한, 800℃ 부근에서 NOx 및 CO 발생량이 모두 40ppm 이하로 측정되어 불완전 산화반응이 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 2 및 표 1에서 미반응된 THC 또한 거의 0 내지 6ppm 수준이었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매는 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 나타내어, 본 출원인은 고온에서도 우수한 안정성과 고유활성이 유지할 수 있는 촉매임을 확인할 수 있었다.
순번 Air(LPM) CH4(LPM) CH4농도(%) 공기비 유속(m/s) NOx(ppm) CO(ppm) THC(ppm)
1 700 22 3.05 32 0.38 0.5 34 0
2 900 22 2.39 41 0.49 0.5 16 0
3 1,000 22 2.15 45 0.54 0.0 9 0
4 1,200 22 1.80 55 0.65 0.0 4 0
5 1,400 22 1.55 64 0.75 0.0 7 0
6 1,600 22 1.36 73 0.86 0.0 17 0
7 2,000 22 1.09 91 1.07 0.0 21 0
8 2,300 22 0.95 105 1.23 1.0 33 0
도 3 및 표 2를 참고하여, 일반 축열재의 경우를 설명한다. 일반 축열재를 전술한 실시예와 같은 조건에서 연소성능을 실험하였다. 연소 실험 조건은 표 2와 같으며, 연소 조건 변화에서 반응이 거의 일어나지 않을 때까지 실험을 진행하였다.
상기 조건으로 이루어지는 연소성능 시험결과, 700℃ 이상에서 메탄가스의 완전 산화반응이 진행되었으며, 유속이 약 0.38m/s 조건에서만 연소반응을 유지할 수 있었으며, 그 외 조건에서는 연소가 유지되지 못하였다. 그리고 NOx 및 CO 발생량이 모두 수백 내지 수천ppm 수준이며, 도 3 및 표 2에서 미반응된 THC 또한 거의 수천ppm 수준으로 측정되어 불완전 산화반응이 발생했음을 확인할 수 있었다.
순번 Air(LPM) CH4(LPM) CH4농도(%) 공기비 유속(m/s) NOx(ppm) CO(ppm) THC(ppm)
1 600 22 3.54 27 0.33 0.0 2,307 1,747
2 700 22 3.05 32 0.38 1.0 174 0
3 900 22 2.39 41 0.49 0.0 703 545
4 1,000 22 2.15 45 0.54 0.0 1,443 1,707
5 1,200 22 1.80 55 0.65 측정불가 측정불가 13,000 이상
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매의 제조 방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서 사용되는 축열재 형태의 연소촉매 제조방법은 크게 4개의 단계를 포함한다.
'단계 1'은 증류수에 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 전구체를 용해시켜서 금속 전구체 용액을 제조하는 단계이다.
구체적으로, 금속 전구체 용액을 제조하는 단계는 증류수 100 중량부에 대하여 금속전구체 1 내지 15 중량부가 혼합되어 이루어질 수 있다. 이와는 달리 망간염과 마그네슘염들의 수용액을 제조하고 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다.
전자의 경우, 교반기가 구비된 혼합장치에 증류수와 금속 전구체를 투입한 후, 100 내지 400rpm의 속도범위 중 선택된 특정 교반속도를 일정하게 유지한 채 30 내지 60분 동안 교반하여 혼합할 수 있다.
교반속도의 범위는 교반기 내에 증류수와 금속 전구체의 총량이 많을 수도 있고 반대로 적을 수도 있으므로 투입량이 많은 경우에는 위 규정 범위내에서 교반속도를 상대적으로 빠르게 하고, 반대로 투입량이 적은 경우에는 위 규정 범위내에서 교반속도를 상대적으로 느리게 할 수 있다.
금속 전구체는 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 질산염 전이금속과 질산염 알칼리 토금속의 몰비(molar ratio)는 (1-x)/(1-y)로 하되, x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수일 수 있다
전이금속은 망간, 코발트, 철, 크롬, 구리 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 금속 전구체 용액의 무게는 축열재 무게 대비, 20 ~ 50 wt.% 수준으로 제조하는 것이 바람직하다.
'단계 2'는 금속 전구체 용액을 축열재 표면과 내부에 뿌려주면서 코팅하는 단계이다. 코팅 단계는 축열재 표면에 코팅되도록 하는 단계로서, 축열재 표면에 금속 전구체 용액에 함유되어 있는 금속 전구체가 축열재 표면에 고르게 고착되도록 한다.
'단계 3'은 코팅된 축열재를 100℃로 10 내지 12시간 동안 1차 가열하여 수분을 제거하는 단계이다. 수분 제거 단계는 상기 코팅이 완료된 축열재에 100℃로 10 내지 12시간 동안 1차 가열하여 수분을 제거하는 단계로서, 코팅단계를 통하여 축열재의 표면에는 금속 전구체가 고착된 상태이며, 상기와 같이 금속 전구체가 고착된 축열재를 오븐에 투입하고 100℃의 온도에서 10 내지 12시간 동안 가열하면 수분이 제거된다.
'단계 4'는 건조가 완료된 축열재를 1,200℃로 2시간 동안 2차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 축열재 형태의 연소촉매로 제조하는 단계이다.
축열재 형태의 연소촉매가 제조되는 최종단계는 상기 건조가 완료된 축열재를 1,200℃로 2시간 동안 2차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 축열재가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 동시에 갖는 연소촉매를 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 적용되는 축열재 형태의 연소촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명한다.
1. 금속 전구체 용액 제조
증류수 100 중량부, 망간 질산염과 마그네슘 질산염으로 이루어진 금속 전구체 13 중량부를 교반기에 투입하고 200rpm의 속도로 10분 동안 교반하여 금속 전구체 용액을 제조하였다. 금속 전구체 용액의 무게는 축열재 무게 대비 약 30 wt.% 이내로 제조하였다.
2. 축열재의 촉매물질 코팅
제조된 금속 전구체 용액을 뮬라이트 구조의 축열재 표면 및 내부에 고르게 뿌려서, 충분히 적시고 상온에서 기다린 다음, 축열재가 충분히 마르면 잔량의 금속 전구체 용액을 다시 고르게 뿌려주는 작업을 반복하여 여러 번 진행한다.
3. 건조
축열재 표면에 금속 전구체 용액이 충분히 적셔진 상태가 되면, 이것을 건조로에 투입하고 100℃의 온도에서 12시간 동안 건조한다.
4. 소성
건조된 축열재를 5℃/min의 승온 속도로 1,200℃까지 승온시킨 후에 2시간 동안 소성하는 과정을 통해 축열재 형태의 연소촉매를 제조하였다.
도 4는 본 발명에 따른 시스템에 적용된 일 예시적인 축열재 형태의 연소촉매 제품 사진이다. 본원에 따른 방법으로 제조된 축열재 형태의 연소촉매의 압축강도는 약 35MPa 이상으로, 일반 축열재의 압축강도인 21MPa 보다 약 65% 이상의 압축강도 증가 효과를 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 혼합모듈의 모식도이다. 도 5를 참조하여, 본 발명에 적용되는 혼합모듈(120)의 일 예시적인 과정을 설명한다.
혼합모듈(120)은 챔버 형태인 1차 혼합영역(121) 및 2차 혼합영역(122)을 포함한다. 1차 혼합영역(121) 및 2차 혼합영역(122)은 나선형 유동관(123)을 통해 연통되며, 밸브수단(미도시)이 구비될 수 있다. 완전 연소반응을 위해서는, 대상가스 및 공기가 균일하게 혼합되는 것이 무엇보다 중요하므로 1차 혼합영역(121)을 통해 강제로 이들을 혼합하도록 구성된다.
이를 위해, 1차 혼합영역(121)은 제1 혼합 팬유닛(1211) 및 제2 혼합 팬유닛(1212)을 포함한다.
제1 혼합 팬유닛(1211)은 대상가스 공급유닛(111) 및 공기공급유닛(112)으로부터 촉매반응모듈(130)(또는 나선형 유동관(123))로 혼합공기를 유동시킨다. 즉, 정방향으로 혼합공기를 유동시키는 구성이다.
제2 혼합 팬유닛(1212)은 제1 혼합 팬유닛(1211)의 역방향으로 혼합공기를 유동시킨다. 즉, 대상가스 공급유닛(111) 및 공기공급유닛(112)이 위치된 측으로 혼합공기를 유동시킨다. 이 때, 대상가스 공급유닛(111) 및 공기공급유닛(112)으로 혼합공기가 출입되지 않도록 밸브수단(미도시)이 폐쇄되는 것이 필요하다.
제1 및 제2 혼합 팬유닛(1211, 1212)은 제어모듈(150)을 통해 반복하여 수행되며, 1차 혼합영역(121) 내에는 센서수단(미도시)이 구비됨으로써, 이들의 혼합 정도를 확인할 수 있다.
1차 혼합영역(121)을 거쳐 나선형 유동관(123)을 따라 유동하면서 대상가스 및 공기는 더욱 효과적으로 혼합되며, 2차 혼합영역(122)으로 진입한다. 2차 혼합영역(122)에서는 자연 혼합된 상태로, 촉매반응모듈(130)로 공급될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 적용되는 촉매반응모듈의 모식도로써, 연소촉매가 복수로 구비된 상태의 모식도이다.
도 6을 참조하여, 챔버 형태의 촉매반응모듈(130)의 내부 구조를 설명한다. 촉매반응모듈(130)은 내부에 축열재 형태의 연소촉매가 수용될 수 있다. 연소촉매의 효과적인 활성화 및 혼합가스의 완전 산화반응을 위해, 연소촉매(170)는 제1 내지 제n 플레이트(171, 172, 173)로 구성되어 연소반응공간(130A)에 구비될 수 있다.
이 때, 연소반응공간(130A)의 내주면에는 플레이트 형태의 연소촉매(171,172,173)를 고정하는 연소촉매 고정부(1301, 1302, 1303)가 형성될 수 있다. 연소촉매 고정부(1301, 1302, 1303)는 관리자에 의해 장착 가능하도록 구성될 수 있다. 또한, 연소촉매(171,172,173)의 두께는 각각 상이하게 형성될 수 있는 바, 연소촉매 고정부(1301, 1302, 1303)는, 상하방향으로 이동 가능하도록 형성될 수 있다. 모터와 같은 구동수단을 통해 상하방향으로 이동될 수도 있다.
이에 따라, 이웃하는 연소촉매 고정부(1301, 1302, 1303) 사이의 거리(h1, h2) 역시 서로 다르게 형성될 수 있는 바, 다양한 크기 내지 체적의 연소촉매(171,172,173)를 사용할 수 있는 호환성 높은 구조이다.
전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 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 개시의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 가스공급모듈
120: 혼합모듈
130: 촉매반응모듈
140: 배기모듈
150: 제어모듈
160: 열교환기모듈

Claims (9)

  1. 미리 설정된 대상가스를 공급하도록 형성된 대상가스 공급유닛과 상기 대상가스의 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기공급유닛을 포함하는, 가스공급모듈;
    상기 가스공급모듈과 연결되어 상기 대상가스 공급유닛으로부터 공급된 대상가스 및 상기 공기공급유닛으로부터 공급된 공기를 균일하게 혼합시킴으로써, 혼합가스를 형성시키는, 혼합모듈;
    상기 혼합모듈과 연결되어 상기 혼합가스를 공급받도록 구성되며, 축열재 형태의 연소촉매가 충진되고, 상기 연소촉매를 활성화 온도까지 가열시키는 히팅부를 통해 연소반응이 일어나는, 촉매반응모듈;
    상기 촉매반응모듈로부터 배출되는 배기가스를 미리 설정된 방식으로 외부로 배출시키는, 배기모듈; 및
    상기 혼합모듈 및 촉매반응모듈을 제어하는 제어모듈;
    을 포함하고,
    상기 혼합모듈은,
    챔버 형태로 구분되는 1차 혼합영역, 2차 혼합영역 및 상기 1차 혼합영역과 2차 혼합영역 사이를 연통하도록 구비되어 1차 혼합영역에서 혼합된 대상가스 및 공기를 강제로 통과시키는 나선형 유동관을 포함하고,
    상기 1차 혼합영역에는,
    상기 대상가스 공급유닛 및 공기공급유닛으로부터 나선형 유동관을 향하는 정방향으로 혼합공기를 유동시키는 제1 혼합 팬유닛 및 상기 제1 혼합 팬유닛의 역방향으로 혼합공기를 유동시키는 제2 혼합 팬유닛이 구비되고,
    상기 제어모듈은,
    상기 제1 및 제2 혼합 팬유닛을 미리 설정된 방식으로 제어하여 상기 혼합공기를 형성시키는,
    대기환경 정화시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급모듈은,
    상기 대상가스 공급유닛의 공급속도를 조절하는 제1 팬유닛; 및
    상기 공기공급유닛의 공급속도를 조절하는 제2 팬유닛;
    을 포함하고,
    상기 제어모듈은,
    상기 대상가스 공급유닛의 공급속도를 기준으로, 상기 공기공급유닛의 공급속도를 연산하는 공기연산부를 통해, 상기 제2 팬유닛을 제어하는,
    대기환경 정화시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합모듈은,
    상기 대상가스 및 공기가 혼합되는 혼합공간을 포함하고, 상기 혼합공간에는 상기 대상가스 및 공기가 통과하는 데미스터(demister)가 구비되는,
    대기환경 정화시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매반응모듈은,
    상기 히팅부를 통해, 내부를 800 ℃ 이상으로 가열시키는,
    대기환경 정화시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기모듈은,
    외부로 배출되는 배기가스가 순환되는 열교환기모듈과 연결되거나 또는 상기 혼합모듈과 연결되어 연소반응의 열에너지를 회수하는,
    대기환경 정화시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매반응모듈은,
    연소반응이 일어나는 연소반응공간을 포함하며,
    상기 연소반응공간의 내주면에는 플레이트 형태의 상기 연소촉매를 고정하는 연소촉매 고정부가 형성되되,
    상기 연소촉매 고정부는, 상하방향으로 이동 가능하도록 형성된,
    대기환경 정화시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연소촉매는,
    제1 내지 제n 플레이트로 구성되어 상기 연소반응공간에 구비될 수 있고,
    상기 연소촉매 고정부는,
    제1 내지 제n 연소촉매 고정부를 포함하되, 제k 연소촉매 고정부의 높이는 조절 가능하도록 형성되는(단, k는 1 내지 n 중 어느 하나인 자연수),
    대기환경 정화시스템.
KR1020230143611A 2023-10-25 축열재 형태의 연소촉매를 이용한 대기환경 정화시스템 KR102677816B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102412647B1 (ko) * 2021-07-19 2022-06-24 주식회사 성광이엔텍 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법 및 이에 의해 제조된 고온 연소촉매
KR102589082B1 (ko) * 2022-11-14 2023-10-13 동연환경기술㈜ 촉매 연소산화장치

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