KR19990000335A - 저 NOx 예혼합식 하니컴(Honeycomb) 촉매 연소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 연료를 촉매를 사용하여 버너에 화염이 형성되지 않고 촉매층 내에서 연소 반응이 완료되어 이때 발생되는 열을 이용하는 촉매 연소 버너에 대한 것으로, 본 발명의 촉매 연소 버너는 버너 촉매체(1)의 뒷면에 장착된 상온의 공기와 가스를 각각 공급하기 위한 공기공급관(7)과 가스 공급관(6) 및 가스와 공기의 혼합기를 균일하게 공급하도록 설치된 다공판(5)을 구비한 촉매 연소 버너에 있어서, 공급된 가스와 공기의 혼합기가 촉매 연소에 의해 화염이 없이 연소 반응이 완료되도록 버너본체 내부에 형성된 촉매층(2)을 수용하기 위한 촉매층 수용부(8)와; 촉매층 표면에서 화염 연소를 만들어 이때 발생한 열로 촉매층을 가열하여 촉매 반응이 시작되도록 촉매층 표면에 설치된 점화기(3) 및 파이롯 버너(11)와; 촉매 연소가 시작되는 초기 및 정상운전 중에 촉매층의 온도를 측정하여 촉매 연소의 정상 유무를 감시하도록 촉매층에 설치된 열전대(4)를 구비하여 이루어지며, 상온의 혼합기를 예열 없이 촉매층에 공급하여 촉매층에서 촉매 반응에 의하여 발생하는 자체 열에 의해 혼합기를 승온하여 촉매 연소를 지속하는 구성이다. 촉매체는 하니컴(Honeycomb)에 비표면적이 크고 내열성이 있는 γ-Al₂O₃을 워시코팅(Washcoating)한 후, 여기에 Pd/NiO 촉매를 담지한 것을 사용한다.

Description

저 NOx 예혼합식 하니컴(Honeycomb) 촉매 연소 버너

본 발명은 LNG 연료를 촉매를 사용하여 연소시키는 촉매 연소 버너에 대한 것으로, 보다 상세하게는 버너에 화염이 형성되지 않고 촉매층 내에서 연소 반응이 완료되어, 이때 발생되는 열을 이용하는 촉매 연소 버너에 대한 것이다.

종래 산업용 가열기나 건조기에는 복사 전열을 이용하는 가스 버너가 많이 사용되고 있는 바, 이러한 복사 전열을 이용하는 가스 버너에는 복사(Radiant) 튜브 버너와 다공판을 사용한 표면 연소 버너가 있으며, 가정용 실내 난방기로서는 다공판을 이용한 표면 연소 버너가 많이 사용되고 있다. 가정용 가스보일러에서는 세미분젠식 가스버너나 혹은 예혼합식 가스버너가 많이 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 가스 버너에서는 실내와 같이 밀폐된 공간에서 사용할 때 문제가 되는 CO와 미연 탄화수소가 발생하기 쉬우며, 또한 가스 연료의 연소시 고온의 화염이 형성되는 것에 기인하여 연소 영역에서 국부적으로 1500℃ 이상의 고온이 되어 다량의 고온의 NO_x(Thermal NO_x) 가 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 설명한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 촉매 연소에서는 촉매의 표면에 연료와 공기가 흡착되어 고체인 촉매 표면에서 산화 반응이 일어나 화염이 형성되지 않고 연소 반응이 완결되며, 촉매 연소에서는 가연성 범위가 넓어서 화염 연소로는 연소가 불가능한 희박 가스에서도 연소가 가능하며, 희박 가스를 연소시킴으로써 희박 가스에 의한 이론 단열 화염 온도가 낮아져서 고온의 NO_x가 발생하지 않는 낮은 온도에서 연소가 가능한 점에 착안하고, 화염 연소에서는 매우 좁은 화염대에서 연소가 이루어져 국부적인 고온 영역이 발생하나 촉매 연소에서는 촉매 표면 전체에서 균일하게 반응이 일어나므로 균일한 온도분포가 가능하며, 특별히 화염 연소의 경우 보다 매우 낮은 온도에서도 완전 연소가 가능하기 때문에 고온의 NO_x의 발생이 거의 없고 CO나 미연 탄화 수소의 발생도 거의 없는 점에 착안하여 이루어진 것으로, 버너에 화염이 형성되지 않고 촉매층 내에서 연소 반응이 완료되어, 이때 발생되는 열을 이용하는 촉매 연소 버너를 제공하는것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 버너본체의 뒷면에 장착된 상온의 공기와 가스를 각각 공급하기 위한 공기공급관과 가스 공급관 및 가스와 공기의 혼합기를 균일하게 공급하도록 설치된 다공판을 구비한 촉매 연소 버너에 있어서, 공급된 가스와 공기의 혼합기가 촉매 연소에 의해 화염이 없이 연소 반응이 완료되도록 버너본체 내부에 형성된 촉매층을 수용하기 위한 촉매층 수용부와; 촉매층 표면에서 화염 연소를 만들어 이때 발생한 열로 촉매층을 가열하여 촉매 반응이 시작되도록 촉매층 표면에 설치된 점화기 및 파이롯 버너와; 촉매 연소가 시작되는 초기 및 정상운전 중에 촉매층의 온도를 측정하여 촉매 연소의 정상 유무를 감시하도록 촉매층에 설치된 열전대를 구비하여 이루어지며, 상온의 혼합기를 예열 없이 촉매층에 공급하여 촉매층에서 촉매 반응에 의하여 발생하는 자체열에 의해 혼합기를 승온하여 촉매 연소를 지속하는 구성의 촉매 연소 버너를 제공한다.

촉매체는 세라믹 하니컴(Ceramic honeycomb) 혹은 금속 하니컴(Metal honeycomd)에 비표면적이 크고 내열성이 있는 γ-Al₂O₃을 워시코팅(Washcoating)한 후, 여기에 Pd/NiO 촉매를 담지한 것을 사용한다.

도 1 은 본 발명의 촉매 연소 버너를 개략적으로 도시한 도면,

도 2 는 본 발명의 연료공급관을 개략적으로 도시한 도면,

도 3 은 본 발명에 따른 촉매 연소 버너의 NO_x배출량을 나타내는 그래프도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 버너본체 2 : 촉매 3 : 점화기

4 : 열전대 5 : 다공판 6 : 연료공급관

7:공기공급관 8:촉매층 수용부 9 : 연료노즐

10 : 가스분출 슬릿 11 : 파이롯 버너

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 촉매 연소 버너를 상세하게 설명한다.

도 1 에는 본 발명의 촉매 연소 버너가 개략적으로 도시되고 있는데, 버너본체(1)의 뒷면에 공기공급관(7)에 삽입되어 내장된 가스공급관(6)을 구비하고, 이 들 공기공급관(7)과 가스공급관(6)이 설치된 버너본체(1)와 내측에 다공판(5)이 설치되며, 버너본체(1)의 공기공급관(7)이 삽입 설치되는 부위의 대향측에 촉매 수용부(8)가 구비되어 촉매체를 배치하여 촉매층(2)을 형성하도록 구성한다.

또한, 버너본체(1)의 공기공급관(7)이 설치된 부위의 아래측에는 버너의 운전중 촉매 연소 상태를 감시할 수 있도록 열전대(4)가 삽입 설치되어 열전대(4)의 단부가 촉매층(2)에 접하도록 구성되며, 버너본체(1)의 하단부에는 촉매층(2)에서 촉매의 연소를 시작하도록 촉매층 표면에 접하여 점화기(3)와 파이롯 버너(11)가 설치된다.

도 2 에는 본 발명의 연료노즐이 개략적으로 도시되고 있는데, 연료공급관(6)의 선단에 연료노즐(9)이 설치되며, 연료노즐은 LNG가 분출되어 촉매층에 균일하게 분산 공급되도록 슬릿(10)으로 만들었다. 가스분출 슬릿(10)은 공급되는 LNG가 공기보다 가벼워서 상향으로 유동하게 되므로 이것을 방지하기 위하여 하향으로 일정한 각도를 유지하도록 하였다.

촉매체는 세라믹 하니컴(Ceramic honeycomb) 혹은 금속 하니컴(Metal honeycomd)에 비표면적이 크고 내열성이 있는 γ-Al₂O₃워시코팅(Washcoating)한 후, 여기에 Pd/NiO 촉매를 담지한 것을 사용한다. 촉매의 내열 온도는 약 1000℃ 이다. 촉매층(2)의 두께는 10 - 50 mm 이며, 적절한 두께는 촉매의 내열온도, 촉매층에서의 역화(Flash back)와 비화(Blow out) 등을 고려하여 결정한다. 촉매 연소 버너의 단위면적당 열부하는 5 - 25 kcal/hㆍcm²이며, 적절한 열부하는 촉매의 내열 온도를 고려하여 결정한다.

촉매 연소 버너의 표면에 설치한 점화기(3)와 파이롯 버너(11)를 이용하여 초기 점화를 실시한다. 먼저 점화기(3)에 의해 파이롯 버너(11)를 점화하고 이어서 LNG와 공기의 혼합기를 촉매 연소 버너에 공급하여 점화함으로써 촉매층 표면에서 화염 연소를 시작한다. 이때, 화염 연소에 의해 발생한 열이 촉매층 내로 전달되어 촉매층을 가열한다. 촉매층의 온도가 촉매 반응이 시작되는 온도(400 - 450℃) 이상으로 가열되면, 촉매층 표면의 화염은 서서히 사라지고, 촉매층 내에서 완전한 촉매반응으로 전환된다. 파이롯 버너에 의한 화염 연소시에 촉매층 표면의 온도는 900℃ 이내로서 화염에 의한 촉매의 손상은 없다.

촉매 연소 버너가 정상적인 촉매 연소를 지속하면, 촉매층 뒷면에 접촉하도록 설치한 열전대(4)의 온도가 500℃ 이상으로 상승하게 된다. 만약 촉매층(2)에 문제가 발생하여 촉매 연소가 꺼지든지 혹은 초기 점화시 화염 연소에서 촉매 연소로 전환되지 못할 때에는 열전대(4)의 온도가 500℃ 이하가 되어 촉매 연소 버너에 혼합기의 공급을 중단하게 된다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 설명한다.

(실시예)

도 3 에는, 가스 연료로 LNG를 사용하고 촉매체로서는 하니컴(Honeycomb)(400셀(cells)/in², 가로 15cm × 세로 15cm × 두께 30mm)에 γ-Al₂O₃을 워시코팅(Washcoating)하고 여기에 Pd/NiO를 담지한 촉매를 사용한 촉매 연소 버너로부터 배출된 NO_x의 배출량을 측정한 결과가 도시되고 있다.

촉매 연소 버너의 NO_x배출량은 모든 조건에서 1.0 ppm 이하로 나타났으며, NO_x측정기의 측정 정밀도(±1 ppm)를 고려할 때, NO_x는 거의 배출되지 않는 것으로 나타났다. 반면에, 기존의 화염 연소에 의한 가스 버너에서의 NO_x배출량은 수 10 ppm 이상에 이르고 있다.

따라서, 상기 설명한 본 발명의 촉매 연소 버너에 의하면, 촉매의 표면에 연료와 공기가 흡착되어 고체인 촉매 표면에서 산화반응이 일어나 화염이 형성되지 않고 연소 반응이 완결되며, 고온의 NOx(Thermal NOx)가 거의 발생하지 않고, 특히 화염 연소의 경우 보다 매우 낮은 온도에서는 완전 연소가 가능하기 때문에 CO나 미연 탄화 수소의 발생도 거의 없는 유용한 효과가 얻어진다. 본 발명의 촉매 연소 버너는 가정용 난방기, 산업용 연소기, 가정용 보일러의 버너로 활용이 가능하다.

Claims (5)

1. 버너본체(1)의 뒷면에 장착된 상온의 공기와 가스를 각각 공급하기 위한 공기공급관(7)과 연료공급관(6) 및 가스와 공기의 혼합기를 균일하게 공급하도록 설치된 다공판(5)을 구비한 촉매 연소 버너에 있어서,

   공급된 가스와 공기의 혼합기가 촉매 연소에 의해 화염이 없이 연소 반응이 완료되도록 버너본체(1) 내부에 형성된 촉매층(2)을 수용하기 위한 촉매층 수용부(8)와;

   촉매층(2) 표면에서 화염 연소를 만들어 이때 발생한 열로 촉매층을 가열하여 촉매 반응이 시작되도록 촉매층(2) 표면에 설치된 점화기(3) 및 파이롯 버너(11)와;

   촉매 연소가 시작되는 초기 및 정상운전 중에 촉매층(2)의 온도를 측정하여 촉매 연소의 정상 유무를 감시하도록 촉매층(2)에 설치된 열전대(4)를 구비하여 이루어지며 상온의 혼합기를 예열 없이 촉매층에 공급하여 촉매층에서 촉매 반응에 의하여 발생하는 자체열에 의해 혼합기를 승온하여 촉매 연소를 지속하는 것을 특징으로 하는 연소 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 연료공급관(6)은 선단에 노즐(9)이 부착되며, 이 노즐은 LNG 연료과 공기보다 가벼워 촉매층(2) 입구에서 상향으로 치우치는 것을 방지하기 위하여 하향으로 일정한 각도를 가지는 슬릿(10)모양을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매 연소 버너.
3. 제 1 항에 있어서, 촉매 지지체로는 세라믹 하니컴(Ceramic honeycomd) 혹은 금속 하니컴(Metal honeycomd)을 사용하고, 여기에 비표면적이 크고 내열성이 있는 물질을 워시코팅(Washcoating)한 후, 여기에 촉매를 담지한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 촉매 연소 버너.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 비표면적이 크고 내열성이 있는 물질은 γ-Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 촉매 연소 버너.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 귀금속 촉매는 Pd/NiO 인 것을 특징으로 하는 촉매 연소 버너.