KR20010027284A - 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 ＮＯｘ 연소방법과 그 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법과 그 연소기에 관한 것으로, 그 목적은 촉매연소를 이용하여 배연처리 기술과 연소처리 기술이 가지고 있는 문제점들을 동시에 극복할 수 있는 촉매연소가 지원된 화염방법과 그 화염 연소기장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서, 촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와, 가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법 및 그 장치를 발명의 요지로 한다.

Description

촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 ＮＯｘ 연소방법과 그 연소기 {Low NOx combustion method and combustor using catalytic combustion and catalyst bed with swirl}

본 발명은 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법과 그 연소기에 관한 것으로, 특히 본 발명의 고부하 연소기는 보일러, 가스터빈, 열풍발생기 등을 위한 연소기에 사용할 수 있다.

고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 기존의 기술은 배연처리 기술과 연소처리 기술로 대별할 수 있다.

상기 배연처리 기술은 연소 과정 중에서 생성된 NOx를 대기로 배출하기 전에 처리하는 기술로서, 습식법과 건식법이 있다. 배기가스를 수용액에 직접 통과시켜 NOx를 제거하는 방법을 습식법이라 하고, NOx를 촉매를 이용하여 안정화물인 질소로 직접 환원시키는 기술을 건식법이라고 한다.

현재까지는 경제성 및 공정의 간편성 등으로 인하여 건식법이 많이 사용되고 있다. 건식법에는 여러 가지의 방법이 있지만, 그 중에서 배가스와 환원제를 촉매층에 통과시켜서 배가스 중의 NOx를 질소와 수증기로 선택적으로 환원시키는 선택적 촉매환원법(SCR)이 가장 많이 사용되고 있다.

그러나 선택적 촉매환원법은 환원제로 사용되는 암모니아의 소모량이 많아 운전비가 과다해지는 문제점을 가지고 있다.

상기 연소처리 기술은 NOx를 저감하기 위하여 연소 조건을 개선하거나 연소 장치를 개선하여 NOx의 발생을 억제시키는 기술이다.

연소 조건의 개선에는 NOx 생성에 영향을 미치는 인자들인 화염온도, 산소농도 및 연소가스의 체류시간 등을 감소시킴으로써 연소 영역 내에서 NOx의 생성 반응을 억제시키는 방법이다.

연소처리 기술의 핵심은 희박연소를 통하여 화염의 온도를 감소시켜, 화염온도에 절대적으로 의존하는 thermal NOx의 발생을 억제시키는 기술이다.

그러나 희박연소는 혼합기가 희박해질수록 연소가 불안정해지는 문제점을 가지고 있다.

따라서 희박연소에 의한 질소산화물의 억제 방법은 한계점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 촉매연소를 이용하여 배연처리 기술과 연소처리 기술이 가지고 있는 문제점들을 동시에 극복할 수 있는 촉매연소가 지원된 화염방법과 그 화염 연소기장치를 제공하는데 있다.

상기 촉매연소는 촉매의 표면 반응을 활용하여 초희박 조건에서도 안정한 연소가 가능하게 한다. 화염연소만으로는 안정적인 연소가 어려운 희박조건에서도 촉매연소를 이용하면 안정적인 연소가 가능해진다.

이렇게 하여 화염의 온도를 thermal NOx 가 발생하지 않는 낮은 온도로 낮추는 것이 가능하여 NOx의 생성을 근본적으로 해결할 수 있게 된다.

촉매연소를 실제적으로 고부하 연소기에 적용하기 위해서는 몇 가지의 설계 개념이 가능하다.

첫째는 연료와 공기의 혼합기를 촉매층 내에서 전부 연소시키는 방식이 있다. 이 경우에는 촉매층의 온도가 혼합기의 단열 화염온도까지 고온으로 증가하게 되어, 1000℃ 이상의 고온에 견디는 고온 촉매의 사용이 필수적이다.

둘째는 연료의 일부만을 촉매층에 공급하여 촉매반응에 의해 완전 연소시키고, 나머지 연료는 촉매층 후단에 공급하여 화염연소로 처리하는 방식이 있다. 이 방식에서는 촉매층 온도를 촉매층으로 공급하는 연료의 양을 조절하여 적절하게 제어할 수 있다.

셋째는 연료와 공기의 혼합기의 전부를 촉매층에 공급하여 촉매층에서 혼합기의 일부만을 연소시키고, 나머지는 촉매층 후단에 설치된 화염 연소실에서 완전 연소시키는 방식이 있다. 이것은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로 불린다.

이 방법에서는 촉매층에서 혼합기의 일부만을 연소시킴으로써 촉매층의 온도를 적절히 조절할 수 있는 장점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 세 번째 방법에 의한 연소방법 및 장치를 제공함으로써 달성된다.

도 1은 촉매연소가 지원된 화염 연소기의 개략적인 구조도,

도 2는 화염연소실에 들어가는 혼합기의 온도와 화염 전파속도와의 관계를 나타낸 그래프(공기-메탄의 혼합기, 연료농도(연료/공기): 2.94%),

도 3은 금속 하니컴의 구조도,

도 4는 굴곡 박판의 경사가 없는 금속 하니컴,

도 5는 굴곡 박판의 경사가 있는 금속 하니컴,

도 6은 촉매연소의 지원을 받은 희박혼합기의 안정 연소 영역을 나타낸 그래프(혼합기 속도: 23.2m/sec; 촉매층: 2.0wt% Pd(52mm) + 2.0wt% Pt(26mm), 300cell/in²세라믹 하니컴, 직경50mm 길이 78mm),

도 7은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로부터 배출되는 NOx의 배출 농도를 나타낸 그래프이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

(1) : 혼합기 (2) : 촉매층

(3) : 화염 연소실 (4) : 배기가스

(5) : 굴곡 박판(corrugate) (6) : 평판 금속

(7) : 경사가 없는 굴곡 박판 (8) : 경사가 있는 굴곡 박판

본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서, 촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 희박 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와,

가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법이다.

또한 본 발명은 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소기에 있어서, 혼합기의 일부를 촉매 반응에 의한 연소로 온도를 상승시키는 촉매층(2)과, 상기 촉매층 후단에 온도 상승된 혼합기를 화염연소에 의하여 연소시키는 화염 연소실(3)로 구성된다.

이하 본 발명을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 촉매연소가 지원된 화염 연소기의 개략적인 구조도로서, 촉매연소가 지원된 화염연소기는 촉매층(2)과 화염연소실(3)로 구성된다.

상기 촉매층(2)에서는 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 연소시켜서, 이 때 발생하는 열로서 혼합기(1)를 가열한다. 가열된 혼합기는 촉매층 후단에 설치된 화염 연소실(3)에 들어가서 화염연소가 발생하여 완전 연소가 이루어진 후, 배기가스(4)로 배출된다. 촉매층(2)의 역할은 촉매층의 후단에서 화염연소가 안정적으로 지속될 수 있도록 혼합기의 온도를 800℃ 이상의 고온으로 유지시켜 주는 기능을 한다. 화염연소실(3)에 들어가는 혼합기의 온도가 높을수록 혼합기의 화염전파 속도(연소 속도)는 증가하게 된다.

도 2는 연료농도가 2.94%의 희박 농도일 때, 화염연소실에 들어가는 혼합기의 온도의 변화에 따른 화염전파속도를 계산한 결과이다.

도시되어 있는 바와 같이 혼합기 온도가 600℃ 이하에서는 화염전파 속도가 1m/sec 이하이지만, 875℃에서 1.9m/sec, 1023℃에서 9.0m/sec, 1106℃에서 30.8m/sec로 기하 급수적으로 증가한다. 화염 연소실에 들어가는 혼합기의 온도는 촉매층(2)에서의 혼합기의 표면 반응 정도에 따라서 결정되게 된다. 화염 연소실(3)에서 화염은 혼합기 속도와 화염 전파 속도가 평형을 이루는 지점에서 안정화된다.

보일러나 가스터빈 연소기와 같은 고부하 연소기에서는 혼합기의 속도가 보통 10∼30m/sec로 매우 높다. 그러나 상온의 혼합기의 화염 전파속도는 도 2에서 보여주듯이 1m/sec 이하이다. 따라서, 상온의 혼합기가 공급되어 안정적인 연소를 이루기 위해서는 추가적으로 보염기가 반드시 요구되고 있다. 특히 혼합기의 농도가 희박해질수록 연소속도는 급격히 감소하기 때문에 화염을 안정화시키는 것이 더욱 어려워진다.

따라서 저 NOx 기술의 하나로서 개발되는 희박연소에 있어서, 촉매연소의 지원이 없이는 안정적이 연소가 매우 어려워지게 되는 것이다.

본 발명은 촉매층(2)과 화염연소실(3)로 구성된 촉매 연소기로서 촉매층은 화염 연소가 안정적으로 이루어지도록 촉매 반응에 의하여 혼합기의 온도를 높이는 역할을 한다.

촉매층(2)에 사용되는 촉매는 일반적으로 세라믹 하니컴을 많이 사용한다.

그러나 본 발명에서는 촉매의 지지체로서 세라믹 대신에 금속을 사용한 금속 하니컴을 사용한다.

도 3은 본 발명에서 사용하는 금속 하니컴의 구조를 보여주고 있다. 금속 지지체는 고온에 견딜 수 있으며, 특히 세라믹에 비하여 열충격에 강한 장점을 가지고 있다.

금속 하니컴은 백금이나 팔라듐과 같은 촉매물질이 잘 입혀질 수 있도록 금속 성분 중에 알루미늄 성분이 존재하는 경우가 좋다.

금속을 이용하여 하니컴 모양을 만드는데 여러 가지 방법이 있을 수 있으나 가장 효과적인 방법은 도 3에서 보여준 바와 같이 평판(5)과 굴곡 박판(6)을 조합하여 조립하는 방법이다.

평판의 금속판(5) 위에 굴곡된 금속판(6)을 조합하여 이것을 원통형으로 감게 되면, 하니컴 모양이 된다.

이러한 금속 하니컴에 촉매를 입혀서 촉매층으로 사용하게 된다.

상기 촉매층에는 귀금속 혹은 금속산화물 촉매를 담지한다.

또한 본 발명에서는 도 3과 같은 금속 하니컴을 조립할 때에 혼합기가 통과하는 구멍의 방향이 연소기의 방향과 경사지게 하였다.

도 4에서는 굴곡 박판에 경사가 없는 경우를 보여주고 있고, 도 5에서는 굴곡 박판에 경사가 있는 경우를 보여주고 있다.

상기 굴곡 박판에 경사가 있는 경우에는 도 3과 같은 하니컴으로 성형하였을 때에, 혼합기 흐름의 방향이 연소기의 방향에 경사지게 꺾이게 된다. 이렇게 함으로써 금속 하니컴 후류에서 혼합기가 선회가 발생하도록 한다.

촉매체 후류에서 선회가 발생하게 되면, 선회에 의하여 화염의 보염 기능을 개선시킬 수 있다. 촉매연소와 선회에 의한 보염 기능을 추가하여 화염의 안정성을 높이게 된다.

희박 예혼합기를 안정적으로 연소하기 위하여, 촉매연소가 지원된 화염 연소를 이용하며, 이와 함께, 촉매층에서 나온 혼합기에 선회를 추가함으로써 화염의 안정성을 더욱 높일 수 있다.

이렇게 함으로써, 촉매연소의 지원 없이는 안정적인 연소가 불가능한 희박 혼합기의 연소가 가능하며, 이로써 저 NOx 연소가 가능하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

「실시예」

본 실험에 사용한 촉매지원 연소기는 도 1과 같이 전단에는 촉매층을 설치하고 촉매층 후단에는 화염 연소실을 설치하였다.

연소기의 내부 직경은 52mm이고 연소기의 단열을 위하여 외부는 세라믹 단열재(130kg/m³)를 사용하여 보온(50mm 두께)하였다.

촉매층은 앞쪽에는 길이 56mm의 Pd(2.0wt%)이 담지된 촉매를, 뒤쪽에는 길이 26mm의 Pt(2.0wt%)이 담지된 촉매를 조합하여 실험하였다. 촉매층의 전체 크기는 길이 78mm, 직경 50mm를 사용하였다.

연소용 공기의 유량은 질량유량 조절기로 조절하였으며, 연소용 공기의 예열을 위하여 전기히터를 사용하였다.

가스 연료로는 LNG(CH₄90.2%, C₂H₆6.5%, C₃H₈2.3%, 기타)를 사용하였으며 다공 노즐을 사용하여 예열된 공기와 혼합되도록 하였다.

가스의 유량은 질량 유량 조절기를 사용하여 조절하였다.

공기와 가스의 균일한 혼합을 위하여 정류 혼합기를 사용하였다.

촉매층 후단에는 길이 1300mm의 화염 연소실을 설치하였다.

본 실험에 사용할 촉매 담체로 300 cell/in²하니컴(직경 50mm, 코디어라이트 50%, 물라이트 50%)을 사용하였다.

하니컴 표면의 피막과 촉매 물질의 담지는 동시에 실시하였다.

먼저 촉매물질로서 Pd(NO₃)₂와 피막제인 γ-Al₂O₃졸을 함께 섞은 후, 12 시간 동안 교반 하였다.

촉매물질과 피막제를 하니컴 표면에 입히기 위해서 접합제로서 Al(NO₃)₃·9H₂O를 졸에 첨가하였다.

준비된 하니컴을 촉매물질과 피막제가 혼합된 졸에 담갔다가 꺼낸 후, 하니컴 셀 속에 과도하게 뭉쳐 있는 부분은 에어건으로 불어서 제거하였다.

이어서 촉매물질과 피막제가 입혀진 하니컴을 건조기에서 100℃로 12시간 건조하였다.

건조된 하니컴은 다시 소성로에서 600℃로 6시간 동안 소성하였다.

하니컴에 입혀진 피막제(알루미나)와 촉매물질(팔라듐)의 함량은 하니컴 기준으로 각각 20%와 2.0%로 하였다.

소성이 완료된 하니컴은 다시 소성로에서 1200℃로 24시간 에이징을 실시하였다.

한편, 백금 촉매의 제조는 촉매제로 H₂PtCl₆를 사용하고 그 외는 팔라듐 촉매의 제조와 동일한 방법으로 실시하였다.

백금의 함량은 하니컴 기준으로 2.0%로 하였다.

도 6은 혼합기 속도가 23.2m/sec로 공급될 때, 촉매층에서 촉매반응이 소화되는 조건과 화염 연소실에서 화염이 소화되는 조건을 측정한 결과이다.

화염연소실에서 화염의 소화는 혼합기의 연료 농도에 크게 영향을 받는 것을 보여주고 있다.

예로써, 연료농도 2.9%에서는 혼합기의 예열온도가 670℃에서 화염이 소화되었다. 혼합기의 예열온도가 670℃ 이상에서는 안정된 화염이 유지되었고, 670℃ 이하에서는 화염이 소화되었다.

연료농도가 4.2%로 증가하면, 화염의 소화온도는 320℃로 크게 감소하였다.

한편, 촉매층에서의 촉매 반응 소화는 연료농도에 그다지 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

예로써, 연료농도 2.9%에서 촉매층은 혼합기의 예열온도가 460℃에서 소화하였고, 연료농도가 4.2%로 증가하면, 400℃에서 소화하였다.

촉매연소가 지원된 연소기를 통하여 혼합기가 안정 연소되기 위해서는 촉매층에서는 촉매반응이 유지되면서, 화염연소실에서 화염연소가 유지되어야 한다.

이러한 안정 연소 조건을 도 6에서 안정 연소 영역으로 표시하였다

도시된 바와 같이 안정연소 영역(A)은 선회 작용이 없는 세라믹 하니컴을 사용하여 얻어진 결과이다.

안정연소 영역(A)은 연료농도 3.7% 이하에서는 화염이 소화되는 조건에 의하여 결정되고, 연료농도 3.7% 이상에서는 촉매반응이 소화되는 조건에 의하여 결정된다.

촉매연소가 지원된 연소기에서 가능한 한 혼합기의 예열온도가 낮은 조건에서 안정 연소가 이루어지는 것이 경제적이다.

도 6에서 연료농도 3.7% 이하의 영역에서 안정연소 영역(A)을 점선으로 표시한 안정연소 영역(B)로 개선할 수 있는 여지가 있는 것을 알 수 있다.

안정연소 영역(A)을 안정 연소 영역(B)으로 개선하기 위해서는 화염 연소실에서 화염의 소화를 억제하는 방법이 필요하다.

즉, 연료농도 3.7% 이하에서 화염 연소실에서 화염이 소화되는 예열온도가 촉매반응이 소화되는 예열온도보다 더 낮게 하는 방법이 필요하다.

이러한 방법에는 화염 연소실에서 혼합기의 연소 속도를 증가시키거나 또는 화염의 보염 기능을 향상시키는 방법이 있다.

혼합기의 연소 속도는 촉매층의 촉매반응에 의하여 충분히 상승되었으므로, 화염의 보염 기능을 개선하는 방법이 남게 된다.

본 발명에서는 촉매층에서 혼합기의 흐름에 선회를 줄 수 있는 방법으로 도5와 같은 장치를 발명하였다.

촉매층을 통과하는 혼합기는 촉매층에서 촉매반응이 일어나며, 동시에 혼합기에 선회가 발생하게 되어, 촉매층 후단에서 화염의 보염 기능이 향상되게 된다.

촉매층에서 선회에 의한 보염 기능이 추가될 때, 안정연소 영역(A)에서 안정 연소 영역(B)으로 개선이 가능하게 된다.

도 7은 촉매연소가 지원된 화염 연소기로부터 발생하는 NOx의 발생량을 측정한 결과이다. 연료의 농도를 2.0∼4.0%를 유지하였을 때에 NOx의 배출량은 2.0ppm(산소 15%기준)로 매우 낮은 결과를 보여주었다.

메탄의 연소 하한계가 약 5.0%인 것을 고려할 때, 촉매연소가 지원된 연소기는 연소 하한계 보다 낮은 2.0∼4.0% 조건에서 안정적인 운전이 가능하며, 또한 이때 발생하는 NOx의 발생량은 2.0ppm 이하로 매우 낮은 값을 보여주었다.

상기와 같은 본 발명 촉매연소가 지원된 연소기는 연소 하한계 보다 낮은 조건에서 안정적인 운전이 가능하며, 또한 이때 발생하는 NOx의 발생량이 매우 낮아 보일러, 가스터빈, 열풍발생기 등을 위한 연소기에 사용시 그 효용성이 높게 기대되는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소방법에 있어서,

   촉매층(2)에서 혼합기(1)의 일부를 촉매 표면 반응에 의하여 촉매연소시켜 이 때 발생하는 열로써 희박 혼합기(1)를 가열하여 혼합기의 연소속도를 증가시키고, 후류에서 혼합기를 선회발생시켜 보염하는 촉매연소단계와,

   가열된 나머지 희박 혼합기(1)를 촉매층(2) 후단에 설치된 화염 연소실(3)에서 증가된 혼합기의 연소속도에 의해 안정되게 연소시키는 화염연소단계를 거쳐 NOx가 저감된 배기가스를 배출하는 연소방법을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소방법.
2. 고부하 연소기로부터 발생되는 NOx를 억제하기 위한 연소기에 있어서,

   혼합기의 일부를 촉매 반응에 의한 연소로 온도를 상승시키는 촉매층(2)과,

   상기 촉매층 후단에 온도 상승된 혼합기를 화염연소에 의하여 연소시키는 화염 연소실(3)로 구성한 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.
3. 제 1항 및 2항의 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매층(2)은 금속 하니컴을 사용하며 여기에 귀금속 혹은 금속산화물 촉매를 담지한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 금속 하니컴은 굴곡 박판(5)과 평판(6)의 조합에 의해서 성형하여 촉매층 후단의 화염 연소실에서 선회를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 촉매연소와 촉매층의 선회발생을 조합한 저 NOx 연소기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 굴곡 박판(5)은 경사가 있는 굴곡 박판(8)인 것을 사용하여 촉매층 후단의 화염 연소실에서 선회를 발생시키는 것을 특징으로 하는 금속 하니컴 구조.