KR20020031217A - 촉매연소를 이용한 열발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매연소를 이용한 열발생 장치에 관한 것으로서, 특히 산업분야에서 다양하게 적용될 수 있고 대용량(10만 kcal/hr 이상)의 수증기, 열풍, 고온수 등을 효과적으로 공급할 수 있는 열발생 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 열발생 장치는 공기와 연료가스를 균일하게 혼합시키는 연료혼합공급부와, 혼합기체를 촉매연소반응이 가능한 온도까지 미리 예열시키는 혼합기체예열부와, 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매연소부와, 연소반응이 완료된 연소기체로부터 열을 회수하는 열회수부와, 이들 각 부분을 제어하는 제어부로 구성되어 있고, 이들은 서로 유기적으로 결합되어 있다.

본 발명에 의한 열발생 장치는 촉매연소 장치와 열교환 장치를 모듈로 결합할 수 있도록 하여, 촉매연소를 통해 발생한 고온의 연소가스를 직접 이용하거나, 수요처의 필요에 따라 열수, 열풍, 증기 등을 자유롭게 선택하여 활용할 수 있다.

Description

촉매연소를 이용한 열발생 장치{Hot air generator using catalytic combustion}

본 발명은 촉매연소를 이용한 열발생 장치에 관한 것으로서, 특히 산업분야에서 다양하게 적용될 수 있고 대용량(10만 kcal/hr 이상)의 수증기, 열풍, 고온수 등을 효과적으로 공급할 수 있는 열발생 장치에 관한 것이다.

일반적으로 온수나 열풍은 연료를 화염연소시키고, 가열된 연소가스를 매체와 열교환하여 얻는다. 그러나 일반 화염연소기에서는 화염의 온도가 1500℃이상으로 올라가기 때문에 질소산화물(NOx)이 다량으로 발생하여 대기오염의 문제를 야기시키고 있다.

한편, 제철 공장에서 발생하는 코크스 오븐 가스와 고로가스는 아래의 표1에서 보여주는 바와 같이 발열량이 각각 4982 kcal/N㎥, 697 kcal/N㎥로서 일반 연료가스인 천연가스와 프로판가스에 비하여 매우 낮다. 이로 인하여 코크스 오븐 가스와 고로가스를 직접 연료로 사용하여 연소시킬 경우, 연소가 매우 불안정하게 된다. 따라서, 이를 안정적으로 연소시키기 위해서는 특수하게 설계된 버너를 필요로 하게 되거나, 일반 연료가스인 천연가스와 프로판 가스를 일정한 비율로 미리 혼합하여 연소시켜야 하는 번거로움이 있을 뿐만아니라 이를 위한 별도의 장치를 설치해야 하는 문제점이 있다.

〔표 1〕 주요 가스의 조성 및 물성

본 발명은 연소가스 중에 질소산화물이 거의 발생하지 않는 청정연소를 구현함과 동시에, 산업현장에서 다량으로 발생하는 코크스 오븐가스 (COG, Coke Oven Gas), 고로가스 (BFG, Blast Furnace Gas), 휘발성 유기가스 (VOC, Volatile Organic Compounds) 등과 같은 부생가스를 효율적으로 연소시켜서 유용하게 이용하기 위하여 개발된 것이다.

종래의 열발생 장치는 연소가스의 온도가 1500℃ 정도에 이르러 다량의 질소산화물(NOx)이 발생되었으므로, 질소산화물의 발생을 원천적으로 방지하기 위해서는 최종 연소가스의 온도가 1000℃ 이하로 조절되어야 한다. 한편, 오늘날 산업현장 등에서 문제가 되고 있는 코크스 오븐 가스와 고로가스는 발열량이 낮은 것이 단점인 반면에 상대적으로 수소 또는 일산화탄소 성분이 각각 56.4%, 22.0%로 다량으로 포함되어 있는 특성이 있다. 따라서, 다량으로 존재하는 이들 성분을 효율적으로활용하기 위해서는 질소산화물의 발생을 고려하여 1000℃ 이하의 저온에서 연소시켜야 하지만, 그 경우 불완전연소가 진행될 가능성이 있으므로, 1000℃ 이하의 저온에서도 완전연소가 가능한 별도의 시스템을 강구할 필요가 있다. 또한, 저온에서의 연소반응 시스템이 공급가스의 농도분포와 그로 인한 연소온도에 민감한 특성이 있으므로, 공급가스의 농도분포를 균일하게 조절해주는 수단이 필요하게 된다.

따라서, 본 발명은 산업현장 등에서 다량으로 발생하는 부생가스를 효율적으로 연소시키는 반면에 질소산화물을 거의 발생시키지 않는 열발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 촉매연소를 이용한 열발생 장치의 구조도,

도 2a는 공기연료혼합기의 정면도,

도 2b는 공기연료혼합기가 설치된 상태의 개략도,

도 3a는 하니컴 타입의 촉매 지지체,

도 3b는 폼 타입의 촉매 지지체,

도 4는 1기압, 20℃ 하에서의 프로판가스의 단열화염 온도 도표이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 공기송풍기, 12 : 공기공급관,

13 : 연료공급관, 14 : 공기연료혼합기,

15 : 노즐, 16 : 가스공급 구멍,

21 : 예열용 열교환기, 22 : 점화기,

23 : 파일럿버너, 31 : 촉매층,

32 : 하니컴 타입 지지체, 33 : 폼 타입 지지체,

35 : 열전대, 41 : 열회수용 열교환기,

42 : 열회수용 송풍기, 43 : 배기구,

44 : 유출구, 51 : 콘트롤러

본 발명에 의한 열발생 장치는 공기와 연료가스를 균일하게 혼합시키는 연료혼합공급부와, 혼합기체를 촉매연소반응이 가능한 온도까지 미리 예열시키는 혼합기체예열부와, 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매연소부와, 연소반응이 완료된 연소기체로부터 열을 회수하는 열회수부와, 이들 각 부분을 제어하는 제어부로 구성되어 있다.

본 발명에 있어서, 상기의 연료혼합공급부는 대기로부터 공기를 공급하는 공기송풍기, 산업공정에서 발생한 부생가스를 공급하는 연료공급관, 상기의 공기와 상기의 부생가스를 균일하게 혼합시키는 공기연료혼합기로 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기의 혼합기체 예열부는 공기와 연료의 혼합기체를 미리 촉매반응 온도까지 예열시키는 예열용 열교환기, 최초 시동시 혼합기체를 촉매반응온도까지 예열시키는 점화기 및 파일럿버너로 구성되고, 상기의 촉매연소부는 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매층과, 촉매층의 온도를 감지하여 상기의 제어부로 신호를 보내는 열전대로 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기의 열회수부는 예열용 열교환기를 거쳐 지나온 연소가스로부터 나머지의 고온열을 회수하는 열회수용 열교환기와, 상기의 열회수용 열교환기에 공기 또는 물을 공급하는 열회수용 송풍기와, 연소가스가 대기로 방출되는 배기구와, 건조공기 또는 고온수(고온증기)가 나가는 유출구로 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기의 제어부는 본 발명의 전체 시스템을 통제하고 조절하는 콘트롤러와, 연료공급관에 형성된 다수의 솔레노이드 밸브로 구성되어 있다.

본 발명에 있어서, 상기의 촉매연소부와 혼합기체 예열부 및 열회수부를 각각의 모듈로 구성함으로써, 수요처의 조건에 따라 공기/공기 혹은 공기/물 열교환기를 사용하여 열풍 혹은 증기나 고온수를 발생할 수 있도록 모듈화로 시스템을 구성하는 것이 바람직스럽다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명을 실시하기 위하여 제시된 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 보호범위가 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니다.

제1도는 본 발명에 의한 열풍장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 본 발명에 있어서, 상기의 연료혼합공급부는 대기로부터 공기를 공급하는 공기송풍기(11)와 공기공급관(12), 연료가스 또는 산업공정에서 발생한 부생가스를 공급하는 연료공급관(13), 상기의 공기와 연료가스(또는 부생가스)를 균일하게 혼합시키는 공기연료혼합기(14)로 구성된다.

공기와 연료가스(또는 부생가스)는 적절한 비율로 혼합되어 촉매연소부에 공급된다. 이때, 공기와 연료가스의 혼합비율은 촉매층(31)의 온도를 결정하는 중요한 요소가 된다. 본 발명에 있어서, 프로판가스의 경우에 상기 공기연료혼합기(14)의 과잉 공기비는 3.1 이상으로 한다. 왜냐하면, 촉매층(31)의 표면에서 촉매연소가 일어날 때 그 연소온도는 공기연료혼합기(14)의 당량비가 결정짓는 단열화염온도까지 상승하게 되는데, 단열화염온도가 상기 촉매층의 내열온도 이하로 조절되기 위해서는 프로판 가스의 경우 3.1 이상이 적당하기 때문이다. 도 4는 프로판 가스의 경우에 과잉 공기비에 따른 연소가스의 단열화염온도를 표시하고 있다. 혼합기의 전체용량에 관계없이 단지 공기연료혼합기(14)의 농도를 조절하여 연소가스 온도를 일정한 온도이하로 유지함으로써 촉매층의 고온 내구성을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 공기연료혼합기(14)는 연료공급관의 한쪽 내부에 다수의 노즐(15)과, 그 노즐(15)위에 다수의 가스공급 구멍(16)을 형성한다. 도 2a는 본 발명에 의한 공기연료혼합기의 정면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2b는 상기의 공기연료혼합기가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 개념도이다. 이처럼 공기공급관(12) 내에 공기연료혼합기(14)를 별도로 설치한 이유는 촉매층(31)의 온도분포를 균일하게 만들어줌으로써 촉매층의 내구력을 향상시켜주기 위함이다. 즉, 촉매층(31)에 들어가는 혼합기체의 농도가 부분적으로 불균일하게 되면, 촉매층의 온도가 국부적으로 내열온도 이상으로 올라가는 경우가 있으므로, 이를 방지하기 위해 연료가스(또는 부생가스)와 공기가 공급관내의 유로를 통하여 관내에서 균일하게 혼합되도록 하기 위한 것이다. 본 발명에 있어서, 관의 전체 단면적에서 가스와 공기의 혼합이 균일하게 하기 위해서는 공기와 연료의 유속, 관의 반경, 질량유량, 공기의 밀도 등과의 상관관계를 고려하여 노즐(15)의 개수와 배치를 설계하여야 한다. 공기가 흐르는 관의 유동이 난류 유동일 경우에 유속분포와 질량유량 분포는 다음과 같이 표기할 수 있다.

------------------------- (Ⅰ)

------------------------- (Ⅱ)

여기에서, u는 공기공급관 내 r 지점에서 공기의 속도, U₀는 공기의 평균속도, r은 공기공급관 중심으로부터 반경방향의 길이, r₀는 공기공급관의 반경, dm은 공기의 미소 질량유량, ρ는 공기의 밀도, dr은 공기공급관의 미소 반경이다. 본 발명에 있어서는, 공기공급관(12)의 단면적에서 연소가스의 분출량이 공기와 같은 질량유량분포(즉, 상기의 식Ⅱ 로 표기되는 질량유량분포)를 가지도록 가스공급 구멍(16)을 설치한다. 이처럼 공기공급관(12)의 단면적에서 공기의 질량유량 분포와 연소가스의 질량유량 분포가 1:1로 대응함으로써 관의 전체 단면적에서 공기와 연소가스가 균일하게 혼합되어 균일한 혼합기체를 형성한다.

본 발명에 있어서, 상기의 혼합기체 예열부는 공기와 연료의 혼합기체를 미리 촉매반응 온도까지 예열시키는 예열용 열교환기(21)와, 초기 시동시에만 혼합기체를 촉매반응 온도까지 예열시켜주는 점화기(22) 및 파일럿버너(23)로 구성된다. 상기의 예열용 열교환기(21)는 통상의 열교환기 형태를 사용할 수 있다. 따라서, 열교환기의 관 내측으로는 상기의 혼합기체가 흐르고, 관의 외측에는 다수의 핀형 돌기가 형성되어 있으며 그 사이로 연소가스가 지나감으로써, 연소가스로부터 혼합기체로 열교환이 일어나게 된다. 열교환을 마친 혼합기체는 약 400℃ 정도의 예열온도를 가지도록 조절하는 것이 바람직스럽다. 이 온도는 촉매층(31)의 촉매의 종류에 따라 결정될 수 있다. 한편, 상기의 점화기(22) 및 파일럿버너(23)는 본 발명의 장치를 처음 시동할 경우 혼합기체를 예열시켜 촉매반응을 유도하기 위하여 설치한다. 즉, 처음 가동시엔 균일하게 혼합된 혼합기체가 실온상태에서 그대로 유입되므로, 혼합기체가 촉매층(31)에서 촉매반응을 개시할 때까지 한시적으로 가동되고, 촉매반응이 정상적으로 개시되면 제어수단에 의해 연료가스가 자동차단되어진다.

본 발명에 있어서, 상기의 촉매연소부는 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매층(31)과, 촉매층의 온도를 감지하여 상기의 제어부의 콘트롤러(51)로 신호를 보내는 열전대(35)로 구성된다. 상기의 촉매층(31)은 귀금속 촉매 혹은 복합산화물 촉매로서 그들의 내열온도가 일반적으로 최대 1000℃ 이내의 것이 바람직하다. 이는 일반적으로 1500℃ 이상의 고온영역에서 질소산화물(NOx)이 발생하므로 저온영역에서 연소시킴으로써 연소 이후에 질소산화물의 발생을 원천적으로 방지하기 위함이다. 상기의 촉매는 사용되는 연료가스에 따라 달라질 수 있는데, 귀금속 촉매로서는 백금 촉매, 팔라듐 촉매, 로듐 촉매 등을 사용하고, 복합산화물 촉매로서는 페로브스카이트 등을 사용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 천연가스의 경우 팔라듐 촉매가 적합하고, 프로판 가스의 경우 백금촉매가 적합하다. 또한 코크스 가스, 고로 가스, 휘발성유기 가스 등을 사용할 경우에는 백금 촉매와 함께 복합산화물 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 페로브스카이트와 같은 복합산화물 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속 촉매에 비하여 가격이 매우 저렴한 장점을 가지고 있다. 코크스 가스 등은 일산화탄소와 수소성분을 다량 함유하고 있으므로, 귀금속 촉매에 비해 촉매활성이 다소 떨어지더라도 복합산화물 촉매를 사용하는 것이 보다 경제적이다. 상기의 촉매를 내열온도 이상의 환경에 두게 될 경우 촉매 자체를 산화시키게 되므로 내구성을 해친다. 따라서, 혼합기의 연소온도는 사용한 촉매의 내열온도 이상으로 올라가지 않도록 조절하는 것이 필요하다. 본 발명에 있어서 상기 촉매층(31)의 온도를 조절하는 방식으로 연료와 공기의 혼합비율 및 균일한 혼합도에 둔다는 것은 이미 설명한 바와 같다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기의 촉매층(31)은 필요에 따라 하니컴 타입 또는 폼 타입을 사용할 수 있다. 도 3a는 하니컴 타입(32)을 도시하고, 도 3b는 폼 타입(33)을 간략히 도시하고 있다. 촉매 지지체의 타입에 있어서 하니컴 타입(32)은 폼 타입(33)에 비하여 압력 손실이 작게 걸리는 장점이 있으며, 본 장치에서는 하니컴과 폼 타입의 사용이 모두 가능하다. 촉매 지지체의 재질은 세라믹과 금속이 동시에 가능하다. 하니컴 타입을 사용한 경우에는 세라믹 재질이 더 적합하고, 폼 타입을 사용하는 경우에는 금속 재질을 사용하는 것이 더 적합하다. 촉매층(31)의 두께는 촉매 연소기의 공간속도 (혼합기체의 유량/ 촉매의 체적)에 의하여 결정되며, 본 장치에서는 5,000 - 50,000/시간 사이의 적절한 값을 선택하되, 혼합기체의 연소(전환)율이 100%에 이르도록 하는 것이 필요하다.

촉매층(31)에서의 촉매반응은 혼합기체의 온도가 촉매개시반응 이상으로 되었을 때, 반응이 시작된다. 최초로 유입된 혼합기체는 상기의 파일럿버너(23)에 의해 예열되어 촉매층(31)의 표면에서 반응이 개시되어지고, 이어서 본 발명에 의한 장치가 정상적으로 작동하면, 파일럿버너(23)는 연료공급을 중단하고, 그 대신 혼합기체는 예열용 열교환기(21)에 의해 최대 400℃로 예열되어진다.

또한, 본 발명에 있어서, 촉매 지지체는 그 외곽을 직육면체의 간단한 기하학적 성상으로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명에 의한 장치를 운전 또는 보수하는 도중에 촉매층(31)의 교체 작업을 극히 용이하게 할 수 있기 때문이다. 따라서, 사용연료에 따라 별도의 작업없이 단순히 촉매층을 갈아끼우는 것만으로도 교체작업이 가능하다. 본 발명의 장치는 촉매연소 방식을 도입함으로써 연소실을 제거하였으며, 또한 각 부분을 모듈타입으로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 필요에 따라 촉매층의 부착 및 탈착을 용이하게 할 수 있기 때문이다.

본 발명에 있어서는, 상기의 촉매연소부에서 연소되어 나온 고온열의 연소가스가 상기의 예열용 열교환기(21)로 유입되어진다. 예열용 열교환기(21)는 촉매층(31)의 하류 측에 설치되며, 촉매층(31)에서 연소된 연소가스의 열을 회수하여 혼합기체의 온도를 상승시키는 기능을 한다. 예열용 열교환기(21)는 열효율을 증대시키기 위하여, 핀 튜브의 사용이 적합하다. 이때, 고온의 연소가스는 상기의 예열용 열교환기(21)의 관(튜브) 바깥쪽으로 흐르는 반면에, 공기연료공급관(12)에서 유입된 실온의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)의 관(튜브) 안쪽으로 흐르면서, 서로 열교환을 하게 된다. 상온의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)를 통과하면서 최대 400℃까지 가열이 되도록 한다. 예열용 열교환기(21)를 통과한 혼합기체의 출구 온도는 촉매층에서 사용하는 촉매의 촉매반응 개시온도에 따라서 결정되어지며, 통상적으로 200 - 400℃의 범위가 된다.

한편, 본 발명에 의한 촉매연소부는 연료예열부와 서로 아무런 영향을 주지 않고 독립적으로 열을 발생시키도록 설계하는 것이 바람직하다. 촉매연소는 표면연소의 특성 때문에 표면에서의 열손실에 매우 민감하므로, 혼합기체예열부에 의한 열교환시 열손실이 연소운전에 전혀 영향을 주지 않도록 하기 위함이다. 예열용 열교환기(21)를 거쳐 나온 연소가스는 곧이어 상기의 열회수부로 유입되어진다.

본 발명에 있어서, 예열용 열교환기(21)의 하류에는 열회수부가 설치된다. 상기의 열회수부는 연료예열부를 거쳐 지나온 연소가스로부터 나머지의 고온열을 회수하는 열회수용 열교환기(41)와, 상기의 열회수용 열교환기에 공기 또는 물을 공급하는 열회수용 송풍기(42)와, 연소가스가 대기로 방출되는 배기구(43)와, 열풍 또는 증기나 고온수가 나가는 유출구(44)로 구성된다. 열회수용 열교환기(41)는 최종적으로 활용하고자 하는 열매체의 종류에 따라 선택할 수 있다. 예컨대, 고온의 열풍을 사용하고자 하는 경우에는 공기/공기의 열교환기를 설치하여 고온의 열풍을 발생시키고, 증기 또는 고온수를 사용하고자 하는 경우에는 공기/물의 열교환기를 설치한다. 열회수용 송풍기(42)는 펌프 또는 압축기를 사용할 수 있다. 열교환을 마치고 저온으로 전환된 연소가스는 배기구(43)를 통하여 대기로 방출되어지고, 열교환 후 고온으로 가열된 열풍 또는 증기 등은 유출구(44)를 통해 최종 목표지점으로 향하게 된다. 한편, 예열용 열교환기를 통과한 연소가스를 열교환이 없이 열풍으로 직접 사용하고자 할 경우에는 열회수용 열교환기(41)를 설치하지 않고 곧바로 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 제어부는 본 발명의 전체 시스템을 통제하고 조절하는 콘트롤러(51)와, 연료공급관(13)에 형성된 다수의 솔레노이드 밸브(52)(53)(54)로 구성되어 있다.

본 발명에 의한 열발생 장치는 다음과 같이 작동되어진다. 초기 시동시에는 공기 송풍기(11)로부터 연소용 공기가 공급되고, 연료공급관(13)으로부터 연료가스가 공급된다. 연료가스는 콘트롤러(51)에 의하여 솔레노이드 밸브(52)와 솔레노이드 밸브(53)가 열리고, 솔리노이드 밸브(54)는 닫히게 되어, 파일럿버너(23)로 공급된다. 이어서, 점화기(22)에 의하여 파일럿버너(23)가 점화되어 화염이 발생한다. 연소용 공기는 예열용 열교환기(21)의 튜브 안쪽을 통과하여 파일럿버너(23)에 이르고, 그 중에서 일부의 공기는 파일럿버너(23)의 산화제로 공급되고, 나머지 공기는 상기의 촉매층(31)으로 이동하게 된다. 이때, 상기의 나머지 공기는 파일럿버너(23)의 연소에 의하여 최대 400℃ 까지 예열되어 촉매층(31)에 공급된다.

촉매연소부의 촉매층(31)은 예열된 공기에 의하여 최대 400℃까지 가열되어지고, 촉매반응온도에 이르러 촉매반응이 개시된다. 이로써, 계속적이고 연속적으로 촉매반응이 진행되고, 이 과정에서 촉매층에 설치한 열전대(35)가 촉매층의 온도를 감지하게 된다. 상기의 열전대(35)는 감지온도가 미리 설정된 촉매반응 개시온도에도달하게 되면 콘트롤러(51)에 신호를 보내고, 콘트롤러(51)는 다시 전자적 신호에 의해 솔레노이드 밸브(53)를 닫게 함과 동시에 솔레노이드 밸브(54)를 열리도록 한다. 솔레노이드 밸브(53)가 닫힘에 따라, 파일럿버너(23)는 연료의 공급이 중단되어지므로 화염이 꺼지게 된다.

솔레노이드 밸브(54)를 통하여 공급된 연료가스는 공기연료혼합기(14)에서 공기송풍기(11)로부터 공급된 연소용 공기와 혼합되어지게 된다. 공기연료혼합기(14)에서 연료가스는 여러 개로 구성된 노즐(15)의 가스공급 구멍(16)을 통하여 분출되어 균일하게 혼합되어진 다음, 예열용 열교환기로 유입되어진다. 상기의 혼합기체는 예열용 열교환기(21)를 통과하여 촉매층(31)에 공급된다. 이때, 상기의 촉매층(31)은 예열된 혼합기체가 공급되면 즉시로 촉매 반응이 개시되어지고, 촉매층(31)의 온도는 미리 설정된 가스 및 공기의 혼합비에 의하여 촉매의 내열온도 이하로 유지되어진다. 백금이나 팔라듐과 같은 귀금속 촉매를 사용하는 경우, 촉매층(31)의 최고 온도는 900℃ 이내로 유지되는 것이 바람직하다.

촉매층(31)에서 촉매반응에 의하여 연소된 고열의 연소가스는 예열용 열교환기(21)의 관(튜브)의 바깥쪽 핀 측을 통과하면서 그 관(튜브)의 안쪽으로 공급되는 혼합기체의 온도를 최대 400℃ 까지 예열시킨다. 예열용 열교환기(21)를 통과한 연소가스는 이어서 열회수용 열교환기(41)를 통과한다. 열회수용 열교환기(41)는 수요처에서 고온의 공기가 필요한 경우에는 공기/공기의 열교환기를 설치하고, 증기나 고온수를 필요로 하는 경우에는 공기/물의 열교환기를 설치할 수 있다. 한편, 예열용 열교환기(21)를 통과한 연소가스의 고온열을 그대로 사용하고자 하는 경우에는 열회수용 열교환기(41)를 설치하지 않고 고온열을 곧바로 사용할 수 있다.

본 발명은 촉매연소를 이용하여 1000℃ 이하의 저온에서 연소시키므로, 연소 가스 중에 질소산화물이 거의 발생하지 않으므로, 청정연소를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 간단한 촉매교환을 통해 기존의 순수 연료 가스인 프로판 가스나 천연가스 이외에 코크스 오븐 가스, 고로가스, 휘발성 유기 가스와 같이 연소가 불안정하고 화염연소가 어려운 다양한 종류의 부생가스를 안정적이며 효과적으로 연소시킬 수 있다. 따라서, 코크스 오븐 가스와 고로 가스가 발생되는 제철 공장과 같은 산업현장에서 효과적인 폐열회수장치로서 이용이 가능하고, 이와 함께 휘발성 유기 화합물이 발생되는 다양한 수요처에서 효과적으로 활용될 수 있고, 이와 함께 발생된 열을 회수하여 활용이 가능하다. 본 장치는 촉매연소를 도입함으로써 연소실을 제거하였으며, 특수한 버너 설비나 보조 연료의 공급이 없이, 코크스 가스와 고로 가스를 안정적으로 연소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 열발생 장치는 열풍이나 고온수가 필요로 하는 다양한 산업 분야에서 활용이 가능하다. 따라서, 기존의 보일러를 이용한 열풍 건조기는 본 발명에서 고안한 장치로 모두 대체하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 열발생 장치는 촉매연소부와 열회수부를 모듈로 결합할 수 있도록 하여 손쉽게 교체할 수 있으므로, 촉매연소를 통해 발생한 고온의 연소가스를 직접 이용하거나, 열교환기를 통해서 수요처에서 필요로 하는 곳에 따라 열수, 증기, 열풍 등을 자유롭게 선택하여 활용할 수 있다.

이상에서 본 발명에 의한 열풍발생장치를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 공기와 연료가스를 균일하게 혼합시키는 연료혼합공급부와, 혼합기체를 촉매연소반응이 가능한 온도까지 미리 예열시키는 혼합기체예열부와, 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매연소부와, 연소반응이 완료된 연소기체로부터 열을 회수하는 열회수부와, 이들 각 부분을 제어하는 제어부로 구성된 열발생장치에 있어서,

   1). 상기의 연료혼합공급부는 대기로부터 공기를 공급하는 공기송풍기, 산업공정에서 발생한 부생가스를 공급하는 연료공급관, 그리고 상기의 공기와 상기의 부생가스를 균일하게 혼합시키는 공기연료혼합기를 포함하고,

   2). 상기의 혼합기체 예열부는 공기와 연료의 혼합기체를 미리 촉매반응 온도까지 예열시키는 예열용 열교환기, 최초 시동시 혼합기체를 촉매반응 온도까지 예열시키는 점화기 및 파일럿버너를 포함하며,

   3). 상기의 촉매연소부는 예열된 혼합기체를 촉매반응시키는 촉매층, 촉매층의 온도를 감지하여 상기의 제어부로 신호를 보내는 열전대를 포함하며,

   4). 상기의 열회수부는 예열용 열교환기를 거쳐 지나온 연소가스로부터 나머지의 고온열을 회수하는 열회수용 열교환기, 상기의 열회수용 열교환기에 공기 또는 물을 공급하는 열회수용 송풍기, 연소가스가 대기로 방출되는 배기구, 그리고 열풍 또는 증기나 고온수가 나가는 유출구를 포함하며,

   5). 상기의 제어부는 본 발명의 전체 시스템을 통제하고 조절하는 콘트롤러와, 연료공급관에 형성된 다수의 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매연소를 이용한 열발생 장치.
2. 제1항에 있어서,

   공기연료혼합기는 연료공급관의 단부에 다수의 노즐과, 그 노즐위에 다수의 가스공급 구멍을 형성하되, 공기공급관 내의 공기유동이 난류일 경우, 공기공급관의 단면적에서 연소가스의 분출량이 공기와 동일한 질량유량 분포(하기 식Ⅱ로 표기되는 질량유량 분포)를 가지도록 가스공급 구멍을 설치함으로써, 공기공급관의 단면적에서 공기의 질량유량 분포와 연소가스의 질량유량 분포가 1:1로 대응하도록 하는 것을 특징으로 하는 열발생 장치.

   ------------------------- (Ⅰ)

   ------------------------- (Ⅱ)

   상기 식에서, u는 공기공급관 내 r 지점에서 공기의 속도, U₀는 공기의

   평균속도, r은 공기공급관 중심으로부터 반경방향의 길이, r₀는 공기공급관의 반경, dm은 공기의 미소 질량유량, ρ는 공기의 밀도, dr은 공기공급관의 미소 반경이다.
3. 제1항에 있어서,

   촉매층의 촉매체는 하니컴 타입 또는 폼 타입을 사용하고, 재질은 세라믹 또는 금속을 사용하며, 촉매층에 담지되는 촉매제는 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속 촉매를 사용하거나, 페로브스카이트 등의 복합산화물 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 열발생 장치.
4. 제1항에 있어서,

   촉매연소부와 혼합기체 예열부 및 열회수부를 각각의 모듈로 구성함으로써, 수요처의 조건에 따라 공기/공기 혹은 공기/물 열교환기를 사용하여 열풍 혹은 증기나 고온수를 발생할 수 있도록 모듈화로 시스템을 구성한 것을 특징으로 하는 열발생 장치.