KR20060134688A - Two-step catalytic combustion apparatus, combined generation system and method thereof - Google Patents

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KR20060134688A KR1020050054575A KR20050054575A KR20060134688A KR 20060134688 A KR20060134688 A KR 20060134688A KR 1020050054575 A KR1020050054575 A KR 1020050054575A KR 20050054575 A KR20050054575 A KR 20050054575A KR 20060134688 A KR20060134688 A KR 20060134688A
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Abstract

A two-stage catalyst combustion apparatus, a combined generating system and a method thereof are provided to prevent environmental pollution by efficiently burning biomass mixed fuel containing ammonia with two-stage catalytic combustion, and to cut down management expenses by simplifying a biomass gas treatment system. A two-stage catalyst combustion apparatus(10) includes a first catalyst combustion unit(20) performing catalytic reduction combustion in reduction by mixing low calorific value fuel containing ammonia with mixed air at a rich phase of fuel, a second catalyst combustion unit(30) performing high temperature catalytic combustion by mixing a rich reaction product with air at a lean phase of fuel, and a CST(Catalytically Stabilized Thermal) combustion chamber(40) burning unreacted products from the second catalyst combustion unit at high temperature with the catalyst. The first catalyst combustion unit has a first mixing chamber(21) spraying fuel through a fuel spray nozzle(22) and flowing mixed air with a first mixed air control damper(26), a first turning mixer(23) mixing fuel with air at the excess air ratio of 0.85 5 to 1.0, and a reduction combustion catalyzing unit(25) formed of a honeycomb coated by catalyst oxidized with ammonia among fuel to burn mixed gas.

Description

2단 촉매연소 장치, 복합발전 시스템 및 그 방법{Two-step catalytic combustion apparatus, combined generation system and method thereof} Two-step catalytic combustion apparatus, combined generation system and method

도 1은 본 발명에 따른 2단 촉매연소 장치의 구성도.1 is a block diagram of a two-stage catalytic combustion device according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 복합발전 시스템에 대한 전체적인 구성 개요도.Figure 2 is a schematic diagram of the overall configuration of the combined cycle power system according to the present invention.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 복합발전 시스템의 냉시동과 정상적인 운전을 위한 연료 공급조절 방법을 설명하기 위한 개념도. 3A and 3B are conceptual views illustrating a fuel supply control method for cold start and normal operation of the combined cycle power generation system according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 2단 촉매연소 장치 20 : 1차 촉매연소부10: two stage catalytic combustion device 20: primary catalytic combustion unit

21 : 1차 혼합실 22 : 연료분무 노즐21: primary mixing chamber 22: fuel spray nozzle

23 : 1차 선회식 혼합기 25 : 환원연소용 촉매체23: primary swing mixer 25: catalyst for reducing combustion

26 : 1차 혼합공기 제어 담파 30 : 2차 촉매연소부26: primary mixed air control damping 30: secondary catalytic combustion unit

31 : 2차 혼합실 32 : 공기분사 슬롯31: 2nd mixing chamber 32: air injection slot

33 : 2차 선회식 혼합기 35 : 고온연소 촉매체 33: 2nd swing mixer 35: high temperature combustion catalyst

36 : 2차 혼합공기 제어 담파 40 : CST 연소실36: secondary mixed air control dam 40: CST combustion chamber

50 : 가스 터빈 51 : 배가스 출구50 gas turbine 51 exhaust gas outlet

52 : 배가스 조절기 60 : 공기압축기52: exhaust gas regulator 60: air compressor

본 발명은 2단 촉매연소 장치, 이를 이용한 복합발전 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 바이오메스 가스화 과정에서 생성된 혼합 연료가스와 같이 질소 성분이 함유된 저발열량 가스연료를 후처리 시설이 필요 없이 질소산화물이나 매연가스의 공해발생이 적은 청정에너지를 수득할 수 있는 2단 촉매연소 장치, 복합발전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-stage catalytic combustion device, a hybrid power generation system using the same, and a method thereof. In particular, a post-treatment facility is required for a low calorific gas fuel containing nitrogen components such as a mixed fuel gas generated during a biomass gasification process. The present invention relates to a two-stage catalytic combustion device, a combined cycle power generation system, and a method for obtaining clean energy with little pollution of nitrogen oxides or soot gas.

바이오메스의 가스화 과정에서 얻어진 가스 연료의 가스 조성은 원료물질에 따라 다르나 바이오메스 가스화에 의해 얻어진 대표적 가스 조성은 다음과 같다.The gas composition of the gaseous fuel obtained during the gasification of biomass varies depending on the raw materials, but the representative gas compositions obtained by the biomass gasification are as follows.

조성물Composition CO(%)CO (%) CO2(%)CO 2 (%) H2(%)H 2 (%) H2O(%)H 2 O (%) N2(%)N 2 (%) CH4(%)CH 4 (%) C2H4(%)C 2 H 4 (%) NH3(ppm)NH 3 (ppm) H2S(ppm)H 2 S (ppm) 함량content 1515 1414 12.612.6 1111 4444 55 1One 3,000미만Less than 3,000 100미만Less than 100

이들 바이오메스 열분해 가스연료의 발열량(2,500kcal/m3미만)은 천연가스의 발열량(≒10,000kcal/m3)에 비해 낮고, 연료 중의 암모니아가 연소되면서 다음과 같이 Fuel-NOx의 발생을 야기시킨다. The calorific value of the biomass pyrolysis gas fuel (2,500kcal / m is less than 3) is lower than the heating value (≒ 10,000kcal / m 3) for natural gas, the ammonia in the fuel as the combustion causes the generation of Fuel-NOx as follows: .

2NH3 + 7/2O2 → 2NO2 + 3H2O2NH 3 + 7 / 2O 2 → 2NO 2 + 3H 2 O

2NH3 + 5/2O2 → 2NO + 3H2O2NH 3 + 5 / 2O 2 → 2NO + 3H 2 O

2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O2NH 3 + 2O 2 → N 2 O + 3H 2 O

이 때 NH3는 약 1000℃에서 1∼4초 정도 반응시간을 유지하면 NO로의 전환과정을 거쳐 과잉의 수소 및 일산화탄소 존재 하에서 N2로 전환될 수 있다 (Oyvind Skreiberg, Pia Kilpinen, and Peter Glarborg J. Combustion and Flame v136 pp501∼518 2004).At this time, NH 3 can be converted to N 2 in the presence of excess hydrogen and carbon monoxide through conversion to NO if the reaction time is maintained at about 1000 ° C. for 1 to 4 seconds (Oyvind Skreiberg, Pia Kilpinen, and Peter Glarborg J). Combustion and Flame v136 pp 501-518 2004).

유럽공개특허 EP 0706816A1에서는 폐가스 중의 암모니아를 구리(Cu), 코발트(Co), 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 혼합물, 또는 산화물이나 황산염 촉매상에서 적당 산소 조건으로 200℃ ∼ 500℃ 범위에서 처리하여 바로 질소 분자로 전환할 수 있음을 개재하였다. EP 0706816A1 discloses that ammonia in waste gas is suitably oxygen on a mixture of copper (Cu), cobalt (Co), iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni), manganese (Mn), or an oxide or sulfate catalyst. It was interposed that it can be converted into nitrogen molecules immediately by treating in the range of 200 degreeC-500 degreeC on conditions.

2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O2NH 3 + 3 / 2O 2 → N 2 + 3H 2 O

또한, 유럽공개특허 EP 1000900A1에서는 바이오메스 열분해가스 중의 NH3가 CO와 H2 존재 하에서 로듐(Rh), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 루세듐(Ru), 은(Ag), 촉매 또는 그의 혼합물 촉매 상에서 먼저 NOx를 형성하고 다시 N2로 전환됨을 개시하였다. In addition, European Patent Publication EP 1000900A1 discloses that NH 3 in biomass pyrolysis gas is rhodium (Rh), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium (Os) and rucedium (in the presence of CO and H 2 ). Ru), silver (Ag), catalysts or mixtures thereof were first disclosed to form NOx and convert back to N 2 .

2NO + 2CO → 2CO2 + N2 2NO + 2CO → 2CO 2 + N 2

2NO + 2H2 → 2H2O + N2 2NO + 2H 2 → 2H 2 O + N 2

이러한 귀금속 촉매는 과잉 공기 상태에서 발열량이 낮은 바이오메스 분해가스 중의 CO와 H2가스 및 저분자 탄화수소에 대한 전환율이 높으며 NH3의 NO으로의 전환도 금속 산화물 촉매보다 높다(Henrik M.J. Kusar, Anders G. Ersson, Sven G. Jaras J. Applied Catalysis B v45 pp1-11 2003).These noble metal catalysts have a higher conversion of CO, H 2 gas and low molecular hydrocarbons in biomass cracking gas with lower calorific value in excess air and NH 3 conversion to NO (Henrik MJ Kusar, Anders G. Ersson, Sven G. Jaras J. Applied Catalysis B v45 pp 1-11 2003).

한편, 암모니아가 함유되지 않은 저발열량 연료의 가스터빈 연소에서 Thermal- NOx 발생을 줄이고자 온도를 낮추기 위해 질소를 재순환하거나 또는 질소원을 제거한 순산소에 의한 연소 방식을 사용하고 있다(T. Hasegawa et al. J. of Eng. for Gas Turbine and Power v125 pp1-10 2003).On the other hand, in order to reduce thermal-NOx generation in gas turbine combustion of ammonia-free low calorific fuels, a nitrogen-based combustion method is used to recycle nitrogen or remove nitrogen sources (T. Hasegawa et al.). J. of Eng. For Gas Turbine and Power v125 pp 1-10 2003).

또한, 암모니아가 함유된 연료에 대해서도 미국특허 USP 5,199,255호에서는 가스터빈 연소 과정에서 발생된 Thermal-NOx와 Fuel-NOx를 가스터빈 연소기에 요소를 분사하여 고온에서 NOx를 N2로 환원시키도록 하고 있음을 개시하였다.In addition, US Pat. No. 5,199,255 discloses thermal-NOx and Fuel-NOx generated during the gas turbine combustion process by injecting urea into the gas turbine combustor to reduce NOx to N 2 at high temperatures. Started.

그 밖에 가스터빈 연소기에서 반응개시 온도가 높은 탄화수소 연료의 완전연소에 대해서는 처음 냉시동시 촉매반응개시온도 유지의 일환으로 미국특허 USP 6,109,018호에서는 금속 하니콤(honeycomb) 지지체에 전기를 가하여 발열시키도록 하는 EHC(Electrically-Heated Catalytic converter)의 사용을 제안하였다. In addition, for the complete combustion of a hydrocarbon fuel having a high reaction start temperature in a gas turbine combustor, US Pat. No. 6,109,018, in order to maintain the start temperature of the catalytic reaction at the first cold start, generates electricity by applying electricity to a metal honeycomb support. We have proposed the use of an EHC (Electrically-Heated Catalytic Converter).

이는 공기압축기 출구의 온도가 300℃ 이상 유지가 가능한 경우에 적용되나 실제로 냉시동에서 정상운전에 도달하는 시간이 비교적 오랜 시간이 소요되고, 촉매 계의 열손실이 큰 경우는 계속적인 열공급이 필요하다.This is applied when the temperature of the air compressor outlet can be maintained above 300 ℃, but it takes a relatively long time to reach normal operation from cold start, and continuous heat supply is needed when the heat loss of the catalyst system is large. .

본 발명은 상기와 같은 배경에서 연구된 것으로, 암모니아가 함유된 저열량 바이오메스 열분해 가스와 같이 연료중에 암모니아가 함유된 저발열량 혼합 가스연료의 Fuel-NOx 발생을 최소화하면서 소량의 탄화수소까지도 완전연소하여 공해물질 발생을 최소화할 수 있는 촉매연소 장치, 복합발전 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been studied in the background as described above, such as ammonia-containing low-calorie biomass pyrolysis gas, such as ammonia in the fuel, while minimizing the generation of fuel-NOx of low-calorie mixed gas fuel containing fuel, even a small amount of hydrocarbons are completely burned and polluted It is an object of the present invention to provide a catalytic combustion device, a combined cycle power generation system and a method for minimizing material generation.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소부와; 상기 제 1 촉매연소부에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소부와; 상기 제 2 촉매연소부에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. The present invention for achieving the above object is a first catalytic combustion unit for mixing the low calorific value fuel containing ammonia component and the mixed air to the fuel and a concentrated atmosphere to reduce the catalytic combustion in a reducing atmosphere; A second catalytic combustion unit which mixes the superconcentration product discharged from the first catalytic combustion unit with the mixed air to form a fuel lean atmosphere and reacts with the high temperature combustion catalyst; And a high temperature thermal combustion unit for thermally burning the catalyst support thermal combustion of the unreacted material discharged from the second catalytic combustion unit by the high temperature.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소부는 상기 연료가 연료분무노즐을 통하여 분무되고, 상기 혼합공기가 제 1 혼합공기 제어 담파를 통하여 유입되는 제 1 혼합실과; 선회식 구조를 가지며, 상기 연료와 상기 혼합공기를 과잉공기비 0.85-1.0 범위의 연료과농으로 균일하게 혼합하는 제 1 혼합기와; 상기 연료에 포함된 암모니아와 산화반응이 가능한 촉매로 코팅된 허니컴 형상을 가지며, 상기 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 환원연소용 촉매체를 포함할 수 있다. Preferably, the first catalytic combustion unit comprises: a first mixing chamber in which the fuel is sprayed through a fuel spray nozzle and the mixed air flows through a first mixed air control dama; A first mixer having a swirling structure and uniformly mixing the fuel and the mixed air with a fuel and a concentration in an excess air ratio of 0.85-1.0; It may have a honeycomb shape coated with a catalyst capable of oxidation reaction with ammonia contained in the fuel, and may include a catalyst for reducing combustion for surface combustion of the mixed gas.

바람직하게는 상기 환원연소용 촉매체는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 티탄늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루세듐(Ru) 중에서 선택하여 조합된 다원 촉매를 지지체에 담지하여 500℃ 이상에서 소결된 것일 수 있다. Preferably, the catalyst for reducing combustion is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), titanium (Ti), chromium (Cr) , A manganese (Mn), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthedium (Ru) may be sintered at 500 ° C or more by supporting the combined multi-component catalyst on a support.

바람직하게는 상기 제 2 촉매연소부는 상기 과농반응 생성물이 상기 제 1 촉 매연소부로부터 유입되고, 상기 혼합공기가 제 2 혼합공기 제어 담파를 경유하여 공기분사 슬롯을 통해 분무되는 제 2 혼합실과; 선회식 구조를 가지며, 상기 과농반응 생성물과 상기 혼합공기를 과잉공기비 1.1-2.0 범위의 산소과잉 상태로 균일하게 혼합하는 제 2 혼합기와; 란타늄-헥사알루미네이트(La-Hexxaaluminate) 지지체에 Pd 단일촉매 또는 백금계 2원촉매로 형성되고, 상기 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 고온연소 촉매체를 포함할 수 있다. Preferably, the second catalytic combustion unit comprises: a second mixing chamber through which the super-reaction product flows from the first catalytic combustion unit, and wherein the mixed air is sprayed through an air injection slot via a second mixed air control dama; A second mixer having a swirling structure and uniformly mixing the excess reaction product and the mixed air with an excess of oxygen in an excess air ratio of 1.1-2.0; The lanthanum-hexaaluminate (La-Hexxaaluminate) support may be formed of a Pd single catalyst or a platinum-based binary catalyst, and may include a high-temperature combustion catalyst body for catalytically burning the mixed gas.

본 발명의 다른 양태에 따른 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 시스템은 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소부와; 상기 제 1 촉매연소부에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소부와; 상기 제 2 촉매연소부에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소부와; 상기 열적연소부에 연결된 가스 터빈과; 상기 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배가스의 일부와 외부에서 유입되는 공기를 혼합하여 상기 제 1 촉매연소부에 혼합공기로서 제공하는 공기압축기와; 상기 가스 터빈의 배가스 출구와 상기 공기압축기를 연결하는 배관과; 상기 배관에 설치되어 상기 공기압축기로 유입되는 배가스의 양을 조절하는 배가스 조절기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In a combined power generation system using two-stage catalytic combustion according to another aspect of the present invention, a first catalytic combustion unit that reacts with a low calorific value fuel containing ammonia and mixed air to form a concentrated atmosphere with fuel is reduced combustion catalytic reaction in a reducing atmosphere. Wow; A second catalytic combustion unit which mixes the superconcentration product discharged from the first catalytic combustion unit with the mixed air to form a fuel lean atmosphere and reacts with the high temperature combustion catalyst; A high temperature thermal combustion unit for thermally burning the catalyst support thermally burning the unreacted material discharged from the second catalytic combustion unit by a high temperature; A gas turbine connected to the thermal combustion unit; An air compressor for mixing a portion of the hot exhaust gas discharged from the gas turbine with air introduced from the outside and providing the mixed air to the first catalytic combustion unit; A pipe connecting the exhaust gas outlet of the gas turbine and the air compressor; It is characterized in that it comprises a exhaust gas regulator installed in the pipe to adjust the amount of exhaust gas flowing into the air compressor.

바람직하게는 상기 공기압축기는 상기 유입되는 공기에 대한 상기 배가스의 비를 1-3으로 조절하여 상기 제 1 촉매연소부로 배출하는 혼합공기의 온도를 상승시키고, 상기 제 1 촉매연소부의 과잉공기비를 조절할 수 있다.Preferably, the air compressor adjusts the ratio of the exhaust gas to the incoming air to 1-3 to increase the temperature of the mixed air discharged to the first catalytic combustion unit, and adjusts the excess air ratio of the first catalytic combustion unit. Can be.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소부는 상기 공기압축기로부터 유입되는 상기 혼합공기의 온도가 350℃ 미만인 경우 연료를 선택적으로 공급할 수 있다. Preferably, the first catalytic combustion unit may selectively supply fuel when the temperature of the mixed air introduced from the air compressor is less than 350 ° C.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소부는 투입되는 연료중에 일산화탄소와 수소의 총 농도가 30%미만인 경우 수소연료를 투입하여 그 내부의 온도를 상승시킬 수 있다. Preferably, when the total concentration of carbon monoxide and hydrogen is less than 30% in the injected fuel, the first catalytic combustion unit may increase the temperature therein by introducing hydrogen fuel.

본 발명의 또 다른 양태에 따른 2단 촉매연소 방법은, 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소 단계와; 상기 제 1 촉매연소 단계에서 생성된 과농반응물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소 단계와; 상기 제 2 촉매연소 단계에서의 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a two-stage catalytic combustion method comprising: a first catalytic combustion step of mixing a low calorific value fuel containing ammonia and mixed air in a concentrated atmosphere with a fuel, thereby reducing and catalytically reacting in a reducing atmosphere; A second catalytic combustion step of mixing the super-reactant produced in the first catalytic combustion step with the mixed air so as to be a fuel lean atmosphere for high temperature combustion catalytic reaction; It characterized in that it comprises a high temperature thermal combustion step of the catalyst support thermal combustion of the unreacted material in the second catalytic combustion step by the high temperature.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소 단계는, 상기 연료와 상기 혼합공기를 과잉공기비 0.85-1.0 범위의 연료과농으로 균일하게 혼합하는 제 1 연료혼합 단계를 포함할 수 있다. Preferably, the first catalytic combustion step may include a first fuel mixing step of uniformly mixing the fuel and the mixed air with a fuel and a concentration in the excess air ratio of 0.85-1.0 range.

바람직하게는 상기 제 2 촉매연소 단계는, 상기 과농반응 생성물과 상기 혼합공기를 과잉공기비 1.1-2.0 범위의 산소과잉 상태로 균일하게 혼합하는 제 2 연료혼합 단계를 포함할 수 있다. Preferably, the second catalytic combustion step may include a second fuel mixing step of uniformly mixing the excess reaction product and the mixed air in an excess of oxygen in an excess air ratio of 1.1-2.0.

본 발명의 또 다른 양태에 따른 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 방법은 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼 합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소 단계와; 상기 제 1 촉매연소 단계에서 생성된 과농반응물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소 단계와; 상기 제 2 촉매연소 단계에서의 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소 단계와; 상기 고온 열적연소 단계에서 생성되는 고온의 배가스의 일부와 외부에서 유입되는 공기를 혼합하여 상기 제 1 촉매연소 단계의 상기 혼합공기로서 제공하는 재순환 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In a combined power generation method using two-stage catalytic combustion according to another aspect of the present invention, a first catalytic combustion in which a low calorific value fuel containing ammonia and mixed air are mixed with a fuel in a concentrated atmosphere to reduce catalytic combustion in a reducing atmosphere. Steps; A second catalytic combustion step of mixing the super-reactant produced in the first catalytic combustion step with the mixed air so as to be a fuel lean atmosphere for high temperature combustion catalytic reaction; A high temperature thermal combustion step of catalytically supporting thermal combustion of the unreacted material in the second catalytic combustion step by a high temperature; And a recirculation step of mixing a portion of the high temperature exhaust gas generated in the high temperature thermal combustion step and air introduced from the outside to provide the mixed air of the first catalytic combustion step.

바람직하게는 상기 재순환 단계는 상기 유입되는 공기에 대한 상기 배가스의 비를 1-3으로 조절하여 상기 제 1 촉매연소 단계의 상기 혼합공기의 온도를 상승시키고, 상기 제 1 촉매연소 단계의 과잉공기비를 조절할 수 있다. Preferably, the recirculation step adjusts the ratio of the exhaust gas to the incoming air to 1 to 3 to increase the temperature of the mixed air of the first catalytic combustion step, and to increase the excess air ratio of the first catalytic combustion step. I can regulate it.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소 단계는 상기 재순환 단계에서 혼합되어 유입되는 상기 혼합공기의 온도가 350℃ 미만인 경우 연료를 선택적으로 공급할 수 있다. Preferably, the first catalytic combustion step may selectively supply fuel when the temperature of the mixed air mixed and introduced in the recycle step is less than 350 ° C.

바람직하게는 상기 제 1 촉매연소 단계는 투입되는 연료중에 일산화탄소와 수소의 총 농도가 30% 미만인 경우 수소연료를 투입하여 온도를 상승시킬 수 있다.Preferably, the first catalytic combustion step may increase the temperature by introducing hydrogen fuel when the total concentration of carbon monoxide and hydrogen in the injected fuel is less than 30%.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 2단 촉매연소 장치의 구성도이다. 1 is a block diagram of a two-stage catalytic combustion device according to the present invention.

2단 촉매연소 장치(10)는 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 1차 촉매연소부(20)와, 1차 촉매연소부(20)에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 2차 촉매연소부(30)와, 2차 촉매연소부(30)에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 CST(Catalytically Stabilized Thermal combustion) 연소실(40)로 구성된다. The two-stage catalytic combustion device 10 includes a primary catalytic combustion unit 20 and a primary catalyst for reducing combustion catalytic reaction in a reducing atmosphere by mixing a low calorific value fuel containing ammonia and a mixture of air in a concentrated atmosphere. The secondary catalyst combustion unit 30 and the unreacted substance discharged from the secondary catalyst combustion unit 30 which mix the superconcentration reaction product discharged from the combustion unit 20 and the mixed air so as to be a fuel lean atmosphere and react with high temperature combustion. It consists of a Catalytically Stabilized Thermal combustion (CST) combustion chamber 40 that thermally supports the catalyst by high temperature.

1차 촉매연소부(20)는 연료가 연료분무 노즐(22)을 통하여 분무되고 혼합공기가 1차 혼합공기 제어 담파(26)를 통하여 유입되는 1차 혼합실(21)과, 선회식 구조를 가지며 연료와 혼합공기를 과잉공기비 0.85-1.0 범위의 연료과농으로 균일하게 혼합하는 1차 선회식 혼합기(23)와, 연료에 포함된 암모니아와 산화반응이 가능한 촉매로 코팅된 허니컴(honeycomb) 형상을 가지며 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 환원연소용 촉매체(25)로 구성된다. The primary catalytic combustion unit 20 has a primary mixing chamber 21 in which fuel is sprayed through the fuel spray nozzle 22 and the mixed air flows through the primary mixed air control dama 26, and a swing structure. And a primary swirl mixer 23 which uniformly mixes fuel and mixed air with fuel and a concentration in the excess air ratio of 0.85-1.0, and a honeycomb shape coated with a catalyst capable of oxidizing with ammonia contained in the fuel. It is composed of a catalyst body for reducing combustion (25) for catalytically burning the mixed gas.

여기서, 환원연소용 촉매체(25)는 세라믹 또는 금속 지지체로 구성되며, 보다 바람직하게는 철-크롬 합금(FeCr-alloy) 금속 지지체로 구성되며, 이와 같은 지지체에 내고온용 알루미나로 워쉬코트(Washcoat)한 후에 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 티탄늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등 비백금계열과, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루세듐(Ru) 등 백금개열 금속을 1%이상 담지한 2원 촉매에 담지하여 500℃ 이상에서 소결한 후에 다시 환원처리하여 제조한다. Here, the catalyst for reducing combustion (25) is composed of a ceramic or metal support, more preferably, iron-chromium alloy (FeCr-alloy) metal support, such a support with a high temperature resistant alumina washcoat ( After washcoat, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), etc. Non-platinum series, platinum cracking metals such as palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh) and rucedium (Ru) are supported on a binary catalyst carrying at least 1% and sintered at 500 ° C or higher and then reduced again. It is prepared by treatment.

2차 촉매연소부(30)는 과농반응 생성물이 1차 촉매연소부(20)로부터 유입되고 혼합공기가 2차 혼합공기 제어 담파(36)를 경유하여 공기분사 블롯(32)을 통해 분무되는 2차 혼합실(31)과, 선회식 구조를 가지며 과농반응 생성물과 혼합공기를 과잉공기비 1.1-2.0 범위의 산소과잉 상태로 균일하게 혼합하는 2차 선회식 혼합기(33)와, 란타늄-헥사알루미네이트 지지체에 Pd 단일촉매 또는 백금계 2원촉매로 형성되고 상기 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 고온연소 촉매체(35)로 구성된다. The secondary catalytic combustion unit 30 is a secondary in which the super-reaction product is introduced from the primary catalytic combustion unit 20 and the mixed air is sprayed through the air injection blot 32 via the secondary mixed air control dam 36 A primary mixing chamber (31), a secondary swirl mixer (33) which has a swirling structure and uniformly mixes the supercondensation product and the mixed air with an excess of oxygen in an excess air ratio of 1.1 to 2.0, and lanthanum-hexaaluminate It is composed of a high-temperature combustion catalyst body 35 formed of a Pd single catalyst or a platinum-based binary catalyst on the support and catalytically burning the mixed gas.

이러한 구성을 갖는 2단 촉매연소 장치(10)는 바이오메스 열분해 가스와 같이 연료중에 암모니아가 함유된 저발열량 혼합 가스연료의 Fuel-NOx 발생을 최소화하면서 소량의 탄화수소까지도 완전연소할 수 있다. The two-stage catalytic combustion device 10 having such a configuration can completely burn even a small amount of hydrocarbons while minimizing Fuel-NOx generation of a low calorific value mixed gas fuel containing ammonia in the fuel, such as biomass pyrolysis gas.

2단 촉매연소 장치(10)의 동작 및 작용효과를 구체적으로 설명하면, 먼저, 1차 촉매연소부(20)에서, 연료과농의 온도 500℃ 이상 분위기에서 암모니아나 시안화수소는 질소분자 또는 질소산화물로 전환되고, 탄화수소는 일산화탄소 및 수소로 분해되는 반응이 주로 발생한다.The operation and effects of the two-stage catalytic combustion device 10 will be described in detail. First, in the primary catalytic combustion unit 20, ammonia or hydrogen cyanide is nitrogen molecules or nitrogen oxides in an atmosphere of 500 ° C. or more of fuel and concentration. Is converted into carbon monoxide, and the hydrocarbon is mainly decomposed into carbon monoxide and hydrogen.

보다 구체적으로는, 2단 촉매연소 장치(10)에 유입되는 저발열량 바이오메스 가스화연료는 1차 혼합실(21)에서 연료분무 노즐(22)을 통하여 분무되며, 1차 혼합공기 제어 담파(26)를 통하여 유입된 고온의 혼합공기와 혼합되어 1차 선회식 혼합기(23)에 의해 균일 혼합된다. More specifically, the low calorific value biomass gasification fuel flowing into the two-stage catalytic combustion device 10 is sprayed through the fuel spray nozzle 22 in the primary mixing chamber 21, and the primary mixed air control damping 26 It is mixed with the hot mixed air introduced through the) is uniformly mixed by the primary rotary mixer (23).

연료과농 상태로 연료와 공기가 균일 혼합된 혼합물은 환원연소용 촉매체(25)에서 암모니아의 전환반응과 탄화수소의 분해반응이 완료된다. 여기서, 연료과농 분위기는 과잉공기비(SR, Stochiometry Ratio)로 조절하는데 과잉공기비를 0.85 - 1.0 범위로 조절하다. The mixture of fuel and air uniformly mixed in the fuel and concentrated state completes the conversion reaction of ammonia and the decomposition reaction of hydrocarbon in the catalyst body for reduction combustion 25. Here, the fuel and the concentrated atmosphere is adjusted to the excess air ratio (SR) to adjust the excess air ratio to the range 0.85-1.0.

이때, 1차 혼합실(21)에서의 입구온도는 500℃ 이상 유지되고, 환원연소용 촉매체(25)의 출구온도는 650℃ 이상 유지되어야 한다.At this time, the inlet temperature in the primary mixing chamber 21 is maintained at 500 ℃ or more, the outlet temperature of the catalyst body for reducing combustion 25 should be maintained at 650 ℃ or more.

상술한 암모니아의 전환반응은 먼저 암모니아가 질소산화물로 전환된 다음 다시 질소분자로 전환되는 반응이 순차적으로 발생하며, 환원물질인 일산화탄소와 수소 성분이 다량 존재하는 조건하에서 체류시간 0.05초 이내의 짧은 시간 내에 환원연소용 촉매체(25)에 의해 전환반응된다. In the above-mentioned ammonia conversion reaction, ammonia is first converted into nitrogen oxides and then into nitrogen molecules, and the reaction is sequentially performed. A short time of less than 0.05 seconds in residence time under conditions in which a large amount of carbon monoxide and hydrogen, which are reducing substances, are present The conversion reaction is carried out by the catalyst body 25 for reduction combustion.

또한, 탄화수소 분해반응은 일산화탄소와 수소가 부분적으로 발생되면서 완전연소 반응이 동시에 발생된다. In addition, in the hydrocarbon decomposition reaction, partial combustion of carbon monoxide and hydrogen occurs, and a complete combustion reaction occurs simultaneously.

여기서, 일산화탄소나 수소가스에 의해 환원분위기가 유지되는데, 탄화수소도 500℃ 이상의 환원연소용 촉매체(25)에 의해 환원가스로 분해된다. Here, the reducing atmosphere is maintained by carbon monoxide or hydrogen gas, and the hydrocarbon is also decomposed into reducing gas by the catalytic combustion catalyst 25 of 500 ° C or higher.

상술한 바와 같은 환원연소 촉매반응은 550℃ 이상의 환원분위기에서 체류시간을 0.05초 이상 유지하면 되나, 이 때 선속도(Linear velocity)는 20m/s이상으로 유지되어야 환원연소 촉매체(25)의 과열이나 열화를 방지할 수 있다.In the reduction combustion catalytic reaction as described above, the residence time may be maintained at 0.05 seconds or more in a reducing atmosphere of 550 ° C. or higher, but at this time, the linear velocity should be maintained at 20 m / s or more to overheat the reduced combustion catalyst body 25. Or deterioration can be prevented.

다음, 2차 촉매연소부(30)에서, 연료희박의 500℃ 이상의 고온연소 촉매상에서 잔류되어 있는 질소산화물, 일산화탄소, 수소 및 탄화수소가 연소된다. Next, in the secondary catalytic combustion unit 30, nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrogen, and hydrocarbons remaining on the high temperature combustion catalyst of 500 ° C. or higher of fuel lean are burned.

보다 구체적으로는, 1차 촉매연소부(20)의 환원분위기 촉매연소 반응을 마친 연료과농 반응생성물에는 일산화탄소, 수소, 탄화수소, 이산화탄소, 수증기 및 일부 질소산화물이 포함되며 이는 고온 상태로 2차 혼합실(31)로 유입된다. More specifically, the fuel and the concentrated reaction product after the reduction atmosphere catalytic combustion reaction of the primary catalytic combustion unit 20 include carbon monoxide, hydrogen, hydrocarbons, carbon dioxide, water vapor, and some nitrogen oxides, which are mixed at a high temperature in a secondary mixing chamber. Flows into (31).

연소용 혼합공기는 2차 혼합공기 제어 담파(36)를 통하여 유입량이 조절된 후에 공기분사 블롯(32)을 통하여 분무되어 연료과농 반응생성물과 혼합되고, 2차 선회식 혼합기(33)에서 균일하게 혼합된 다음, 고온연소 촉매체(35)에 의해 일산화 탄소, 수소, 탄화수소가 산화반응된다.Combustion mixed air is sprayed through the air injection blot 32 after the inflow rate is controlled through the secondary mixed air control dam 36, and mixed with the fuel and the concentrated reaction product, uniformly in the secondary swing mixer 33 After mixing, the carbon monoxide, hydrogen, and hydrocarbon are oxidized by the high-temperature combustion catalyst body 35.

또한, 환원연소용 촉매체(25)에서 반응이 미완료된 일부 질소산화물은 과잉 산소 상태의 고온연소 촉매체(35) 상에서 질소분자로 전환된다. 이 때에 2차 혼합실(31)에서의 입구온도는 600℃ 이상 유지되어야 잔류 탄화수소, 일산화탄소 및 수소를 연소 반응시킬 수 있다. In addition, some nitrogen oxides in which the reaction is not completed in the reduced combustion catalyst body 25 are converted into nitrogen molecules on the high temperature combustion catalyst body 35 in the excess oxygen state. At this time, the inlet temperature in the secondary mixing chamber 31 must be maintained at 600 ° C. or higher so that the residual hydrocarbon, carbon monoxide and hydrogen can be reacted with each other.

한편, 고온연소 촉매체(35)에서의 온도가 과열되는 경우에는 잔류되는 미반응물들은 CST 연소실(40)에서 산화반응이 완료된다. On the other hand, when the temperature in the high temperature combustion catalyst body 35 is overheated, the remaining unreacted substances are completed in the CST combustion chamber 40.

여기서, 2차 혼합실(31)의 연료희박 분위기는 과잉공기비(SR)를 1.1 - 2.0 범위로 조장하여 달성할 수 있다. Here, the fuel lean atmosphere of the secondary mixing chamber 31 can be achieved by promoting the excess air ratio SR in the range of 1.1 to 2.0.

고온연소 촉매체(35)는, 1200℃에서 소성한 란타늄-헥사알루미네이트 지지체에 Pd 단일촉매 또는 백금계 2원촉매를 사용한 경우, 600℃ 이상에서 체류시간을 0.05초 이상 유지토록 하며, 선속도는 20m/s이상으로 유지한다.The high temperature combustion catalyst body 35 maintains a residence time of 0.05 seconds or more at 600 ° C or higher when a Pd single catalyst or a platinum-based binary catalyst is used for the lanthanum-hexaaluminate support calcined at 1200 ° C. Should be kept above 20m / s.

또한, CST 연소실(40)에서의 온도는 800℃ 이상 유지되어야 하며, 고온연소 촉매체(35)의 출구온도가 1000℃ 이상인 경우 고온연소 촉매체(35)의 체류시간을 줄이고 CST 연소실(40)에서 고온의 열에 의해 잔류 미반응물들의 연소 반응이 완료되도록 한다.In addition, the temperature in the CST combustion chamber 40 should be maintained at 800 ° C. or more, and when the outlet temperature of the high temperature combustion catalyst body 35 is 1000 ° C. or more, the residence time of the high temperature combustion catalyst body 35 is reduced and the CST combustion chamber 40 is used. The high temperature heat in allows the combustion reaction of the remaining unreacted materials to be completed.

한편, 기존의 촉매연소식 가스터빈에서 대기 공기만으론 연료과잉의 환원연소용 촉매체(25) 입구에서 550℃ 이상의 고온 유지와 적정한 유속의 과잉공기비를 동시에 만족시키기 어렵다. On the other hand, in the existing catalytic combustion gas turbine, it is difficult to simultaneously maintain the high temperature of 550 ° C. or higher at the inlet of the catalyst body 25 for reducing combustion of excess fuel, and the excess air ratio of the proper flow rate.

이러한 점을 고려하여 본 발명은 저발열량 바이오메스 가스화 연료를 가스터 빈 연소기에서 연료과농의 환원연소 촉매 반응 및 연료희박의 고온연소 촉매 반응을 순차적으로 달성하기 위해서 고온의 배가스를 재순환하여 온도와 혼합공기 유입속도 및 과잉공기비를 동시에 조절할 수 있는 방안을 제안하였는데 이에 대한 시스템 구성의 개요는 도 2와 같다. In view of this point, the present invention recycles low-heat biomass gasification fuel in a gas turbine combustor and recycles and mixes it with temperature to recycle hot exhaust gas in order to achieve a reduced combustion catalytic reaction of fuel and enrichment and a high temperature combustion catalytic reaction of fuel lean. A method for simultaneously adjusting the air inflow rate and the excess air ratio has been proposed, and an overview of the system configuration thereof is shown in FIG. 2.

도 2는 본 발명에 따른 복합발전 시스템에 대한 전체적인 구성 개요도이다. Figure 2 is a schematic diagram of the overall configuration of the combined cycle power system according to the present invention.

복합발전 시스템은 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 1차 촉매연소부(20)와, 1차 촉매연소부(20)에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 2차 촉매연소부(30)와, 2차 촉매연소부(30)에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 CST 연소실(40)과, CST 연소실(40)에 연결된 가스 터빈(50)과, 가스 터빈(50)에서 배출되는 고온의 배가스의 일부와 외부에서 유입되는 공기를 혼합하여 1차 촉매연소부(20)에 혼합공기로서 제공하는 공기압축기(60)와, 가스 터빈(50)의 배가스 출구(51)와 공기압축기(60)를 연결하는 배관과, 이 배관에 설치되어 공기압축기(60)로 유입되는 배가스의 양을 조절하는 배가스 조절기(52)로 구성된다. The hybrid power generation system comprises a primary catalytic combustion unit 20 and a primary catalytic combustion unit 20 for reducing and catalytically reacting in a reducing atmosphere by mixing a low calorific value fuel containing ammonia and a mixture of air in a concentrated atmosphere. The secondary catalyst combustion unit 30 and the unreacted substance discharged from the secondary catalyst combustion unit 30 are mixed at high temperature to react the high-temperature combustion catalyst reaction by mixing the super-reaction product and the mixed air discharged from the fuel mixture into a fuel lean atmosphere. The primary catalyst is a mixture of the CST combustion chamber 40 to support thermal combustion, the gas turbine 50 connected to the CST combustion chamber 40, a part of the high temperature exhaust gas discharged from the gas turbine 50 and the air introduced from the outside. An air compressor (60) provided to the combustion unit (20) as mixed air, a pipe connecting the exhaust gas outlet (51) of the gas turbine (50) and the air compressor (60), and an air compressor (60) installed in the pipe. To control the amount of flue gas It is composed of flue-gas regulator (52).

여기서, 공기압축기(60)의 흡입측은 대기 공기와 순환 배가스가 동시에 유입될 수 있는 구조로 구성하며, 대기 공기량에 대한 순환 배가스량 비는 1-3 정도로 조절하여, 공기압축기(60) 출구의 온도를 500℃ 이상 유지함으로써, 별도의 열공급을 하지 않고도 안정적인 촉매반응을 달성할 수 있다. Here, the suction side of the air compressor 60 has a structure in which the atmospheric air and the circulating exhaust gas can be introduced at the same time, the ratio of the circulating exhaust gas amount to the atmospheric air amount is adjusted to about 1-3, the temperature of the outlet of the air compressor 60 By maintaining at least 500 ℃, it is possible to achieve a stable catalytic reaction without a separate heat supply.

일반적으로 열병합발전 시스템에서 폐열보일러 또는 재생열교환기 이후 굴뚝 까지의 온도는 120 - 250℃인데 이때 배가스의 재순환을 위하여 배가스가 굴뚝으로 배출되기 직전인 배가스 출구(51)에 분지관을 설치하고, 분지관측으로의 유량은 배가스 조절기(52)에 의해 조절된다.In general, the temperature from the cogeneration system to the chimney after the waste heat boiler or the regenerative heat exchanger is 120 to 250 ° C. At this time, a branch pipe is installed at the exhaust gas outlet 51 immediately before the exhaust gas is discharged to the chimney for the recycling of the flue gas. The flow rate into the observation is controlled by the exhaust gas regulator 52.

이러한 배가스 조절기(52)는 500℃ 미만에서 사용 가능하여야 하며, 공기압축기(60)에 순환 배가스를 공급하는 역할을 한다. Such exhaust gas regulator 52 should be available below 500 ° C, and serves to supply circulating exhaust gas to the air compressor (60).

한편, 공기압축기(60)의 출구에 냉각이 없는 상태에서 배출되는 압축공기의 온도는 350℃ 미만이다. 바이오메스 가스화 연료의 주성분인 일산화탄소와 수소는 귀금속 촉매층의 선속도가 10m/s 정도에서도 200℃ 미만에서, 암모니아는 약 250℃ 이상에서, 메탄의 경우는 450℃ 이상에서 각각 산화반응이 개시된다. On the other hand, the temperature of the compressed air discharged without cooling at the outlet of the air compressor 60 is less than 350 ℃. Oxidation reactions of carbon monoxide and hydrogen, which are the main components of the biomass gasification fuel, are started at less than 200 ° C, ammonia is about 250 ° C or more, and methane is 450 ° C or more, even when the linear velocity of the noble metal catalyst layer is about 10 m / s.

그러나 1차 촉매연소부(20)와 같이 과잉공기비가 0.9 정도에서는 이들의 반응개시온도가 약 100℃ 이상 상승되어 원활할 환원연소 촉매 반응이 달설될 수 없다. However, when the excess air ratio is about 0.9, as in the primary catalytic combustion unit 20, the reaction start temperature of the reaction is increased by about 100 ° C. or more, and thus the reduced combustion catalytic reaction cannot be smoothly achieved.

또한 재순환되는 배가스의 온도가 낮은 경우나 동절기에는 환원연소용 촉매체(25)에서 온도를 550℃ 이상 유지하기 위한 정상상태 도달에 많은 시간이 소요된다. In addition, when the temperature of the exhaust gas to be recycled is low or in winter, it takes a long time to reach a steady state for maintaining the temperature of 550 ℃ or more in the catalyst body for reducing combustion (25).

본 발명은 이러한 저발열량, 촉매개시반응 온도가 높은 특성을 갖은 연료와 동절기 같이 처음 시동이 어려운 상태 또는 시동에서 정상상태 도달이 늦은 경우 조속히 정상 상태로 도달하기 위한 방안을 제안하는데, 이에 대한 시스템 구성의 개요는 도 3a 내지 도 3b와 같다. The present invention proposes a method for reaching the steady state as soon as possible when the initial state is difficult to start or late in the start state, such as fuel and fuel having a low calorific value, high catalyst initiation reaction temperature, the system configuration for this The outline of is as shown in Figures 3a to 3b.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 복합발전 시스템의 냉시동과 정상적인 운 전을 위한 연료 공급조절 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 3A and 3B are conceptual views illustrating a fuel supply control method for cold start and normal operation of the hybrid power generation system according to the present invention.

2단 촉매연소 장치(10)의 운전을 시작할 때나, 외기온도가 낮아 공기압축기(60)에 유입되는 대기 공기온도가 낮은 상태에서는 도3a에 도시된 바와 같이, 연료 유입 전에 먼저 수소연료를 주입하는데, 이때 이론공기비의 약간 과잉공기 상태로 분무하면, 쉽게 산소와 발열반응하여 온도가 상승된다. When starting the operation of the two-stage catalytic combustion device 10, or in a state where the atmospheric air temperature flowing into the air compressor 60 is low due to the low outside temperature, hydrogen fuel is first injected before fuel inflow, as shown in FIG. In this case, when sprayed in the state of slightly excess air of theoretical air ratio, the temperature is easily increased by exothermic reaction with oxygen.

이 후 환원연소 촉매체(25)의 입구온도가 550℃ 이상 높아지면, 준정상상태에 도달될 수 있어 수소연료를 도3b에 도시된 바와 같이, 사용 연료로 전환하고 연료과잉 분위기로 서서히 조절한다. After that, when the inlet temperature of the reduced combustion catalyst body 25 is increased to 550 ° C. or more, the quasi-steady state can be reached so that the hydrogen fuel is converted into the used fuel as shown in FIG. 3B and gradually adjusted to the excess fuel atmosphere. .

한편, 사용연료 중의 일산화탄소와 수소의 합이 30% 이상이면, 환원연소용 촉매체(25)에 함유된 귀금속에 의해 연료에 포함된 일산화탄소나 수소가 저온에서도 쉽게 발열 산화반응을 일으키기 때문에, 특별히 수소연료로 교체 사용하지 않아도 된다.On the other hand, if the sum of carbon monoxide and hydrogen in the used fuel is 30% or more, the carbon monoxide and hydrogen contained in the fuel easily generate exothermic oxidation reactions at low temperatures by the precious metal contained in the catalyst for reducing combustion 25. There is no need to replace it with fuel.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

[실시예 1]Example 1

2단 촉매연소 장치에서 연료과잉 분위기를 1.0으로 하고, 연료희박 분위기를 2.0으로 하여 촉매연소에 의한 연소효율을 및 Fuel-NOx의 발생 농도를 측정하였다. In the two-stage catalytic combustion apparatus, the fuel surplus atmosphere was set to 1.0 and the fuel lean atmosphere was set to 2.0 to measure the combustion efficiency and catalytic concentration of Fuel-NOx.

여기서, 비교예로서 화염연소와 1단 촉매연소에 대하여 동일한 실험을 하였다. 특히, 화염연소와 비교하여, 하단부의 열적연소실은 동일하지만 상단부 버너측은 각기 연소특성에 맞게 설계한 연소 장치에서 측정하였다. Here, as a comparative example, the same experiment was conducted for flame combustion and single stage catalytic combustion. In particular, compared with flame combustion, the thermal combustion chamber at the lower end was the same, but the burner side at the upper end was measured in a combustion device designed for combustion characteristics.

촉매연소에서 촉매층의 내열온도를 감안한 상태와 화염연소에서 연소 꺼짐을 방지한 범위에서 양자가 연료와 과잉공기비 공급이 비슷한 열부하 조건하에서 측정한 결과는 <표 2>와 같다. Table 2 shows the results of the measurement under the heat load conditions in which both the fuel and the excess air ratio supply are similar in the state of considering the heat resistance temperature of the catalyst layer in the catalytic combustion and in the combustion prevention in the flame combustion.

화염연소에서는 연소용 공기비를 버너에서 한번에 공급하였으나, 촉매연소에서는 1단의 연료과농의 상태와 2단의 연료희박의 조건으로 나누어 공급하고, 연소효율 및 NOx 측정은 모두 연소 장치의 출구에서 측정하였다.In flame combustion, the air ratio for combustion was supplied at one time by the burner, but in catalytic combustion, the fuel was supplied in two stages: the fuel and the concentration of the first stage, and the two stages of the fuel thinning. The combustion efficiency and the NOx measurement were all measured at the outlet of the combustion apparatus. .

화염연소에서는 과잉공기비가 당량비에 가까워지면서 연소효율이 높아지고 NOx발생도 증가하였다.In flame combustion, as the excess air ratio approached the equivalence ratio, combustion efficiency increased and NOx generation increased.

한편, 촉매연소에서는 1단에서 당량비로 공급하고, 2단에서 같은 량으로 공급한 2단 촉매연소가 1단에서 한번에 공급하는 1단 촉매연소에 비해 연소효율은 유사하나 NOx 발생은 현저하게 감소되었다. On the other hand, in the catalytic combustion, the combustion efficiency is similar to that of the first stage catalytic combustion, which is supplied in the same ratio in the first stage and the same amount in the second stage, but the combustion efficiency is similar, but the NOx generation is significantly reduced. .

또한 유시한 과잉공기비를 공급할 때에도 촉매연소 방식이 화염연소 시에 비해 Fuel-NOx 제어가 보다 효율적이다.In addition, even when supplying excessive excess air ratio, the catalytic combustion method is more efficient to control fuel-nox than flame combustion.

구분division 연소방법Combustion method LNG/공기LNG / air NH3/LNGNH 3 / LNG 과잉공기비Excess air cost 연소효율(%)Combustion efficiency (%) NOX(ppm)NO X (ppm) 비교예1Comparative Example 1 화염 연소Flame combustion 0.0350.035 0.0000.000 2.722.72 98.998.9 4.454.45 비교예2Comparative Example 2 0.0350.035 0.0350.035 1.471.47 99.499.4 153.3153.3 비교예3Comparative Example 3 1단촉매연소1st stage catalyst combustion 0.0300.030 0.0380.038 2.02.0 99.499.4 38.738.7 실험예1Experimental Example 1 2단촉매연소2-stage catalytic combustion 0.0300.030 0.0380.038 1단-1.0, 2단2.01st stage-1.0, 2nd stage 2.0 99.299.2 2.892.89

[실시예 2]Example 2

2단 촉매연소 장치에서, 1단촉매와 2단 촉매의 주 활성물질을 변경하면서 연소효율, 암모니아 전환율, 및 NO 발생량을 측정하였다. In the two stage catalytic combustion apparatus, combustion efficiency, ammonia conversion rate, and NO generation amount were measured while changing the main active materials of the first stage catalyst and the two stage catalyst.

암모니아 함유 탄화수소 연료는 연료과농 상태의 촉매 존재하에 탄화수소가 비교적 낮은 상태에서 분해하여 일산화탄소와 수소로 분해된다. Ammonia-containing hydrocarbon fuels are decomposed into carbon monoxide and hydrogen in a relatively low state of hydrocarbons in the presence of fuel and concentrated catalysts.

또한 바이오메스 열분해시 발생되는 일산화탄소와 수소와 일부 메탄 가스도 연료과농의 촉매연소시 일산화탄소와 수소의 전환반응은 크지 않고, 메탄 중 일부는 열분해반응이 발생되어 전체적으로 연소효율이 저조함을 <표 3>에서 알 수 있다. In addition, carbon monoxide, hydrogen, and some methane gas generated during biomass pyrolysis do not have a large conversion reaction of carbon monoxide and hydrogen during catalytic combustion of fuel and concentrates, and some of methane causes pyrolysis reaction, resulting in low overall combustion efficiency. > Can be seen.

연료과농의 조건에서 1%Pd-10%Ni 촉매의 경우는 메탄의 완전연소 또는 부분 산화연소로의 전환반응에 대한 연소효율은 낮으나, 암모니아의 전환반응은 큰 것으로 판단된다. 특히 암모니아에서 NO를 거처 N2로의 전환반응은 공간속도(SV; Space Velocity)가 크지 않은 경우가 보다 양호하였다. In the case of fuel and enriched conditions, the 1% Pd-10% Ni catalyst has low combustion efficiency for the conversion of methane to complete combustion or partial oxidation, but the conversion reaction of ammonia is large. In particular, the conversion reaction from ammonia to NO through N 2 was better when the space velocity (SV) was not large.

그러나, 1단에서 발생된 NO도 연료희박의 2단 촉매층, 즉, 고온연소 촉매체(35)에서 대부분이 N2로 전환되나 1차 촉매연소부(20)에서 미반응된 잔류 암모니아의 일부는 이 후 연료희박의 2단 촉매층, 즉, 고온연소 촉매체(35)에서 NO로 발생되었다. However, most of the NO generated in the first stage is converted to N 2 in the two-stage catalyst layer of fuel lean, that is, the high-temperature combustion catalyst body 35, but some of the unreacted residual ammonia in the primary catalytic combustion unit 20 Subsequently, NO was generated in the fuel thinning two-stage catalyst layer, that is, the high-temperature combustion catalyst body 35.

1단과 2단의 촉매층의 온도를 더욱 높이거나 촉매 체류시간을 증가시키면 반응속도와 반응시간이 증가하여 촉매연소 효율은 보다 개선할 수 있다.Increasing the temperature of the catalyst beds of the first and second stages or increasing the catalyst residence time increases the reaction speed and the reaction time, thereby improving the catalytic combustion efficiency.

다음으로, 1%Pd-1%Rh 촉매의 경우는 이론공기보다 산소가 약간 적은 상태에서도 1%Pd-10%Ni 촉매에 비해 메탄의 완전연소 반응이 양호하게 발생되며, 일산화탄소나 수소의 연소반응도 양호하였다. Next, in the case of the 1% Pd-1% Rh catalyst, even though the oxygen is slightly lower than the theoretical air, the complete combustion reaction of methane occurs better than the 1% Pd-10% Ni catalyst, and the combustion reaction of carbon monoxide or hydrogen is also good. It was good.

이에 비해 암모니아의 전환반응은 불량하였으며, 전환된 암모니아도 NO생성에 기여된 것으로 나타났다. In comparison, ammonia conversion was poor and converted ammonia also contributed to NO production.

이후 2단 촉매층, 즉, 고온연소 촉매체(35)에서는 연소효율과 암모니아 전환율은 크게 개선되었으나 1단 촉매층에서 미반응된 암모니아가 산화반응되어 많은 량의 NO가 발생되었다. Afterwards, the combustion efficiency and the ammonia conversion were greatly improved in the two-stage catalyst layer, that is, the high temperature combustion catalyst body 35, but the unreacted ammonia was oxidized in the first-stage catalyst layer to generate a large amount of NO.

한편 연료과농의 1차 촉매연소부(20)에서 2%Rh 촉매는 1%Pd-10%Ni 촉매와 1%Pd-1%Rh 촉매의 중간의 특성을 보였다.On the other hand, the 2% Rh catalyst in the primary catalytic combustion section 20 of the fuel and enrichment showed the characteristics between 1% Pd-10% Ni catalyst and 1% Pd-1% Rh catalyst.

구분   division 1단 촉매 출구(과잉공기비(SR)≒0.95)Single stage catalyst outlet (excess air ratio (SR) ≒ 0.95) 2단 촉매 출구(과잉공기비(SR)≒2.0)2-stage catalyst outlet (excess air ratio (SR) ≒ 2.0) 촉매명 Catalyst name SV(h-1)SV (h -1 ) NH3 전환율 (%)NH 3 conversion (%) NO (ppm) NO (ppm) 연소 효율 (%)Combustion efficiency (%) 촉매명 Catalyst name SV(h-1)SV (h -1 ) NH3 전환율 (%)NH 3 conversion (%) NO (ppm) NO (ppm) 연소 효율 (%)Combustion efficiency (%) 실험예2Experimental Example 2 1% Pd- 10% Ni1% Pd-10% Ni 86,00086,000 95.695.6 9.49.4 34.334.3 2% Pd   2% Pd 126,000126,000 99.599.5 11.311.3 98.198.1 실험예3Experimental Example 3 172,000172,000 89.289.2 24.424.4 28.528.5 212,000212,000 99.399.3 12.912.9 98.698.6 실험예4Experimental Example 4 1% Pd- 10% Rh1% Pd-10% Rh 86,00086,000 54.254.2 49.149.1 84.484.4 126,000126,000 99.399.3 63.563.5 99.599.5 실험예5Experimental Example 5 172,000172,000 48.648.6 65.565.5 78.378.3 212,000212,000 99.299.2 89.989.9 99.499.4 실험예6Experimental Example 6 2% Rh 2% Rh 86,00086,000 76.876.8 38.338.3 77.877.8 126,000126,000 99.699.6 24.724.7 99.599.5 실험예7Experimental Example 7 172,000172,000 67.667.6 40.240.2 71.671.6 212,000212,000 99.499.4 24.524.5 98.798.7

* 유입 가스 전체 중의 암모니아 농도 : 800ppm* Ammonia concentration in total inlet gas: 800ppm

* 1단 촉매 입구온도 : 610℃ ; 2단 촉매 입구온도 : 580℃* First stage catalyst inlet temperature: 610 ° C; 2 stage catalyst inlet temperature: 580 ℃

[실시예 3]Example 3

2단 촉매연소 장치에서, 동일 촉매에 일정한 체적속도를 유지되도록 하기 위하여 1단 촉매층의 과잉공기비만 변경하도록 질소가스와 공기비를 변경하면서, 2단 촉매층의 과잉공기비를 2.0으로 일정하게 유지하여 실시예 2와 동일하게 측정하였다. In the two-stage catalytic combustion device, in order to maintain a constant volume velocity for the same catalyst, the nitrogen-air and air ratios are changed so that only the excess air ratio of the first stage catalyst layer is changed, and the excess air ratio of the two-stage catalyst layer is kept constant at 2.0. It measured similarly to 2.

또한 일정한 SV와 SR 조건에서 1단 촉매 입구온도를 변경하였을 경우를 측정하여 표 4에 나타내었다. In addition, it is shown in Table 4 when the case of changing the temperature of the first stage catalyst inlet under constant SV and SR conditions.

먼저, 모든 실험 촉매의 경우, SR < 0.85에서는 1차 촉매층에서의 암모니아 전환율, 연소효율 및 NO 생성 농도가 극히 낮으나 SR≒0.9 정도에서는 촉매반응이 활성화되기 시작하여 2단 촉매층에서 연소반응이 완료되는 경향을 보였다. First, for all experimental catalysts, the ammonia conversion, combustion efficiency and NO production concentration in the primary catalyst bed were very low at SR <0.85, but at SR 반응 0.9, the catalytic reaction started to be activated and the combustion reaction was completed in the two stage catalyst bed. Showed a tendency.

1단 촉매층에서 1%Pd-1%Rh 촉매를 사용한 경우, 과잉공기비를 증가시킴에 따라 1단 촉매층에서 NO생성은 증가하나, 2단 촉매층에서는 NO가 N2로 전환되어 농도가 저감되는 경향을 보였다. When 1% Pd-1% Rh catalyst was used in the first stage catalyst, NO production was increased in the first stage catalyst layer as the excess air ratio was increased, but the concentration of NO was converted to N 2 in the second stage catalyst layer. Seemed.

그러나, 1%Pd-10%Ni 촉매나 2%Rh 촉매의 경우는 과잉공기비 0.9 - 0.95에서 암모니아의 전환반응이 1%Pd-1%Rh 촉매보다 높고 2단 촉매층에서의 NO 생성도 1%Pd-1%Rh 촉매보다 훨씬 낮아 1단 촉매로는 전자들이 우수한 결과를 보였다.However, in the case of 1% Pd-10% Ni catalyst or 2% Rh catalyst, the conversion reaction of ammonia was higher than that of 1% Pd-1% Rh catalyst at the excess air ratio 0.9-0.95, and the NO production was also 1% Pd in the two-stage catalyst layer. Much lower than the -1% Rh catalyst, the former showed good results with the single stage catalyst.

1%Pd-1%Rh 촉매의 경우 SR≒0.95에서 1단 촉매 입구온도가 600℃ 미만인 경우 반응이 원활치 못하였으며, 650℃ 이상에서 반응이 원활해지는 것으로 나타났다. 특히 1단 촉매층에서 NO 생성이 크게 증가하고 암모니아의 전환반응과 연소효율도 크게 높아지면서 2단 촉매 출구에서는 완전연소 반응이 이루어지고, NO 생성도 크게 저하하는 결과를 보였다. In the case of 1% Pd-1% Rh catalyst, the reaction was not smooth when the inlet temperature of the first stage catalyst was less than 600 ° C. in SR ≒ 0.95, and the reaction was smoothed above 650 ° C. In particular, as the NO production was greatly increased in the first stage catalyst bed, the conversion reaction and combustion efficiency of ammonia were greatly increased, the complete combustion reaction occurred at the outlet of the second stage catalyst, and NO production was also greatly decreased.

그러나 650℃ 이상에서는 1단 촉매층에서 일부 화염연소가 발생되어, 선속도를 높일 필요가 있다. 이러한 선속도 및 공간 속도를 높이고 입구온도를 높이며, 과잉공기비를 높이기 위해서는 배가스 재순환의 방안이 가장 이상적인 것임을 알 수 있다.However, above 650 ° C., some flame combustion occurs in the first stage catalyst layer, and the linear velocity needs to be increased. In order to increase the linear velocity and space velocity, increase the inlet temperature, and increase the excess air ratio, it can be seen that the exhaust gas recirculation method is the most ideal.

구분   division 1단 촉매측1st stage catalyst side 2단 촉매측2 stage catalyst side 변경 조건 Change condition SV(h-1)SV (h -1 ) NH3 전환율 (%)NH 3 conversion (%) NO (ppm) NO (ppm) 연소 효율 (%)Combustion efficiency (%) 변경 조건 Change condition SV(h-1)SV (h -1 ) NH3 전환율 (%)NH 3 conversion (%) NO (ppm) NO (ppm) 연소 효율 (%)Combustion efficiency (%) 실험예8Experimental Example 8 SR≒0.9SR ≒ 0.9 147,000 (입구 610℃)147,000 (entrance 610 ℃) 38.438.4 7.07.0 34.334.3 SR ≒ 2.0SR ≒ 2.0 126,000입구572~614℃126,000 Entrance572 ~ 614 ℃ 98.898.8 81.381.3 99.199.1 실험예9Experimental Example 9 SR≒1.0SR ≒ 1.0 56.656.6 54.754.7 80.980.9 99.799.7 56.756.7 99.499.4 실험예10Experimental Example 10 SR≒1.1SR ≒ 1.1 83.883.8 59.259.2 85.485.4 99.699.6 28.928.9 99.499.4 실험예11Experimental Example 11 560℃560 ℃ 186,000 (SR≒ 0.95)186,000 (SR ≒ 0.95) 19.219.2 2.72.7 3.43.4 SR ≒ 2.0SR ≒ 2.0 226,000 입구612~686℃226,000 Inlet 612 ~ 686 ℃ 97.497.4 75.775.7 97.497.4 실험예12Experimental Example 12 610℃610 ℃ 44.444.4 41.241.2 74.074.0 98.298.2 52.552.5 98.698.6 실험예13Experimental Example 13 650℃650 ℃ 68.968.9 107.3107.3 89.589.5 99.699.6 9.19.1 99.899.8

* 유입 가스 전체 중의 암모니아 농도 : 800ppm* Ammonia concentration in total inlet gas: 800ppm

* 1단 촉매 1%Pd-1%Rh(촉매)/4%La-Al2O3(워쉬코팅제) * 1st stage catalyst 1% Pd-1% Rh (catalyst) / 4% La-Al 2 O 3 (wash coating agent)

2단 촉매 2%Pd(촉매)/4%La-Al2O3(워쉬코팅제)2 stage catalyst 2% Pd (catalyst) / 4% La-Al 2 O 3 (wash coating agent)

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 2단 촉매연소 장치, 복합발전 시스템 및 그 방법은 암모니아가 함유된 바이오메스 혼합연료를 2단 촉매연소를 통하여 효율적으로 연소시킴으로써, 후처리 없이도 공해발생이 없는 청정 에너지의 수득이 가능하고, 바이오메스의 가스 연료화 처리 관련 시설을 더욱 간소화하고 효 율화할 수 있는 동시에 시설비 및 운영비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다. As described above, the two-stage catalytic combustion device, the combined cycle system, and the method according to the present invention efficiently burn biomass mixed fuel containing ammonia through two-stage catalytic combustion, so that there is no pollution without post-treatment. It is possible to obtain clean energy, and to further simplify and efficiency of biomass gas-fueled treatment facilities, and to significantly reduce facility and operating costs.

또한, 본 발명은 암모니아가 함유된 저열량의 바이오메스나 석탄 열분해 가스에 의해 대기로 배출되는 배가스를 부분 재순환하여 연소용 공기로 재사용함으로써, 추가의 열원공급이 필요없이 저열량 연료가스의 높은 촉매반응 개시온도를 제공할 수 있다. In addition, the present invention partially recycles the exhaust gas discharged to the atmosphere by a low-calorie biomass or coal pyrolysis gas containing ammonia and reuses it as combustion air, thereby starting high catalytic reaction of low-calorie fuel gas without additional heat source supply. Temperature can be provided.

또한, 본 발명은 무촉매시 고온에서 암모니아 성분이 Fuel-NOx 생성반응을 거처 질소분자로 전환되었던 것을 비교적 낮은 온도에서 촉매를 사용하고 산화분위기와 환원분위기를 잘 조절함으로써 NO발생을 최소화하면서 완전 연소하는 청정 연소기술을 달성할 수 있다.In addition, the present invention uses a catalyst at a relatively low temperature and converts ammonia component to nitrogen-molecule through a fuel-NOx formation reaction at a high temperature without a catalyst, and completely combusts while minimizing the generation of NO by controlling the oxidizing and reducing atmospheres well. Clean combustion technology can be achieved.

또한, 본 발명은 바이오메스 또는 폐기물 소각 공정에 있어서, 대기 방출 전에 공해물질에 대한 후처리 시설이 필요 없어, 종래의 연소 시스템보다 간단화 및 소형화를 달성할 수 있다. In addition, the present invention, in the biomass or waste incineration process, does not require a post-treatment facility for pollutants before the release of the atmosphere, it is possible to achieve the simplicity and miniaturization than conventional combustion systems.

Claims (15)

암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소부와;A first catalytic combustion unit for mixing the low calorific value fuel containing the ammonia component and the mixed air so as to form a fuel and a concentrated atmosphere, and reacting the reduction combustion catalyst in a reducing atmosphere; 상기 제 1 촉매연소부에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소부와;A second catalytic combustion unit which mixes the superconcentration product discharged from the first catalytic combustion unit with the mixed air to form a fuel lean atmosphere and reacts with the high temperature combustion catalyst; 상기 제 2 촉매연소부에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 장치.And a high temperature thermal combustion unit configured to thermally burn the catalyst support thermal combustion of the unreacted material discharged from the second catalytic combustion unit by a high temperature. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 촉매연소부는,The first catalytic combustion unit, 상기 연료가 연료분무노즐을 통하여 분무되고, 상기 혼합공기가 제 1 혼합공기 제어 담파를 통하여 유입되는 제 1 혼합실과;A first mixing chamber in which the fuel is sprayed through a fuel spray nozzle and the mixed air flows through a first mixed air control dama; 선회식 구조를 가지며, 상기 연료와 상기 혼합공기를 과잉공기비 0.85-1.0 범위의 연료과농으로 균일하게 혼합하는 제 1 혼합기와;A first mixer having a swirling structure and uniformly mixing the fuel and the mixed air with a fuel and a concentration in an excess air ratio of 0.85-1.0; 상기 연료에 포함된 암모니아와 산화반응이 가능한 촉매로 코팅된 허니컴(honeycomb) 형상을 가지며, 상기 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 환원연소용 촉매체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 장치.A two-stage catalytic combustion device having a honeycomb shape coated with a catalyst capable of oxidizing reaction with ammonia contained in the fuel, and including a catalyst for reducing combustion of the mixed gas on the surface of the catalyst. . 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 환원연소용 촉매체는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 티탄늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루세듐(Ru) 중에서 선택하여 조합된 다원 촉매를 지지체에 담지하여 500℃ 이상에서 소결된 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 장치.The catalyst for reducing combustion is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese ( Two-stage catalytic combustion device characterized in that the plural catalysts selected from Mn), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh) and rucedium (Ru) are supported on a support and sintered at 500 ° C. or more. . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 촉매연소부는,The second catalytic combustion unit, 상기 과농반응 생성물이 상기 제 1 촉매연소부로부터 유입되고, 상기 혼합공기가 제 2 혼합공기 제어 담파를 경유하여 공기분사 슬롯을 통해 분무되는 제 2 혼합실과;A second mixing chamber into which the concentrated reaction product flows from the first catalytic combustion unit, and the mixed air is sprayed through an air injection slot via a second mixed air control dama; 선회식 구조를 가지며, 상기 과농반응 생성물과 상기 혼합공기를 과잉공기비 1.1-2.0 범위의 산소과잉 상태로 균일하게 혼합하는 제 2 혼합기와;A second mixer having a swirling structure and uniformly mixing the excess reaction product and the mixed air with an excess of oxygen in an excess air ratio of 1.1-2.0; 란타늄-헥사알루미네이트(La-Hexxaaluminate) 지지체에 Pd 단일촉매 또는 백금계 2원촉매로 형성되고, 상기 혼합된 가스를 촉매 표면연소하는 고온연소 촉매체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 장치.Two-stage catalytic combustion, characterized in that the lanthanum-hexaaluminate (La-Hexxaaluminate) support is formed of a Pd single catalyst or a platinum-based binary catalyst and comprises a high-temperature combustion catalyst body for catalytically burning the mixed gas Device. 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소부와;A first catalytic combustion unit for mixing the low calorific value fuel containing the ammonia component and the mixed air so as to form a fuel and a concentrated atmosphere, and reacting the reduction combustion catalyst in a reducing atmosphere; 상기 제 1 촉매연소부에서 배출되는 과농반응 생성물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소부와; A second catalytic combustion unit which mixes the superconcentration product discharged from the first catalytic combustion unit with the mixed air to form a fuel lean atmosphere and reacts with the high temperature combustion catalyst; 상기 제 2 촉매연소부에서 배출되는 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소부와;A high temperature thermal combustion unit for thermally burning the catalyst support thermally burning the unreacted material discharged from the second catalytic combustion unit by a high temperature; 상기 열적연소부에 연결된 가스 터빈과;A gas turbine connected to the thermal combustion unit; 상기 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배가스의 일부와 외부에서 유입되는 공기를 혼합하여 상기 제 1 촉매연소부에 혼합공기로서 제공하는 공기압축기와;An air compressor for mixing a portion of the hot exhaust gas discharged from the gas turbine with air introduced from the outside and providing the mixed air to the first catalytic combustion unit; 상기 가스 터빈의 배가스 출구와 상기 공기압축기를 연결하는 배관과;A pipe connecting the exhaust gas outlet of the gas turbine and the air compressor; 상기 배관에 설치되어 상기 공기압축기로 유입되는 배가스의 양을 조절하는 배가스 조절기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 시스템.It is installed in the pipe complex power generation system using a two-stage catalytic combustion comprising an exhaust gas regulator for controlling the amount of exhaust gas flowing into the air compressor. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 공기압축기는 상기 유입되는 공기에 대한 상기 배가스의 비를 1-3으로 조절하여 상기 제 1 촉매연소부로 배출하는 혼합공기의 온도를 상승시키고, 상기 제 1 촉매연소부의 과잉공기비를 조절하는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 시스템.The air compressor adjusts the ratio of the exhaust gas to the introduced air to 1-3 to increase the temperature of the mixed air discharged to the first catalytic combustion unit, and adjusts the excess air ratio of the first catalytic combustion unit. Combined power generation system using two-stage catalytic combustion. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제 1 촉매연소부는 상기 공기압축기로부터 유입되는 상기 혼합공기의 온도가 350℃ 미만인 경우 연료를 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 2단 촉 매연소를 이용한 복합발전 시스템.And the first catalytic combustion unit selectively supplies fuel when the temperature of the mixed air introduced from the air compressor is less than 350 ° C. 2. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제 1 촉매연소부는 투입되는 연료중에 일산화탄소와 수소의 총 농도가 30%미만인 경우 수소연료를 투입하여 그 내부의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 시스템.The first catalytic combustion unit is a combined power generation system using a two-stage catalytic combustion, characterized in that when the total concentration of carbon monoxide and hydrogen in the injected fuel is less than 30% to increase the temperature inside the hydrogen fuel. 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소 단계와;A first catalytic combustion step of mixing the low calorific value fuel containing ammonia and the mixed air in a concentrated atmosphere with the fuel, thereby reducing and catalytically reacting in a reducing atmosphere; 상기 제 1 촉매연소 단계에서 생성된 과농반응물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소 단계와;A second catalytic combustion step of mixing the super-reactant produced in the first catalytic combustion step with the mixed air so as to be a fuel lean atmosphere for high temperature combustion catalytic reaction; 상기 제 2 촉매연소 단계에서의 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 방법.And a high temperature thermal combustion step of catalytically supporting the thermal combustion of the unreacted material in the second catalytic combustion step by the high temperature. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제 1 촉매연소 단계는,The first catalytic combustion step, 상기 연료와 상기 혼합공기를 과잉공기비 0.85-1.0 범위의 연료과농으로 균일하게 혼합하는 제 1 연료혼합 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 방법.And a first fuel mixing step of uniformly mixing the fuel and the mixed air with a fuel and a concentration in an excess air ratio of 0.85-1.0. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제 2 촉매연소 단계는,The second catalytic combustion step, 상기 과농반응 생성물과 상기 혼합공기를 과잉공기비 1.1-2.0 범위의 산소과잉 상태로 균일하게 혼합하는 제 2 연료혼합 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소 방법.And a second fuel mixing step of uniformly mixing the excess reaction product and the mixed air in an excess of oxygen in an excess air ratio of 1.1 to 2.0. 암모니아 성분이 함유된 저발열량의 연료와 혼합공기를 연료과농 분위기가 되도록 혼합하여 환원분위기에서 환원연소 촉매 반응하는 제 1 촉매연소 단계와;A first catalytic combustion step of mixing the low calorific value fuel containing ammonia and the mixed air in a concentrated atmosphere with the fuel, thereby reducing and catalytically reacting in a reducing atmosphere; 상기 제 1 촉매연소 단계에서 생성된 과농반응물과 혼합공기를 연료희박 분위기가 되도록 혼합하여 고온연소 촉매 반응하는 제 2 촉매연소 단계와;A second catalytic combustion step of mixing the super-reactant produced in the first catalytic combustion step with the mixed air so as to be a fuel lean atmosphere for high temperature combustion catalytic reaction; 상기 제 2 촉매연소 단계에서의 미반응물을 고온에 의해 촉매지원 열적연소하는 고온 열적연소 단계와;A high temperature thermal combustion step of catalytically supporting thermal combustion of the unreacted material in the second catalytic combustion step by a high temperature; 상기 고온 열적연소 단계에서 생성되는 고온의 배가스의 일부와 외부에서 유입되는 공기를 혼합하여 상기 제 1 촉매연소 단계의 상기 혼합공기로서 제공하는 재순환 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 방법.And a recirculation step of mixing a portion of the high temperature flue gas generated in the high temperature thermal combustion step and air introduced from the outside to provide the mixed air of the first catalytic combustion step. Combined power generation method used. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 재순환 단계는 상기 유입되는 공기에 대한 상기 배가스의 비를 1-3으로 조절하여 상기 제 1 촉매연소 단계의 상기 혼합공기의 온도를 상승시키고, 상기 제 1 촉매연소 단계의 과잉공기비를 조절하는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 방법.The recycling step is to adjust the ratio of the exhaust gas to the incoming air to 1-3 to increase the temperature of the mixed air of the first catalytic combustion step, to adjust the excess air ratio of the first catalytic combustion step Combined power generation method using two-stage catalytic combustion characterized in that. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 제 1 촉매연소 단계는 상기 재순환 단계에서 혼합되어 유입되는 상기 혼합공기의 온도가 350℃ 미만인 경우 연료를 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 복합발전 방법.The first catalytic combustion step is a two-stage catalytic combustion method characterized in that for selectively supplying fuel when the temperature of the mixed air mixed and introduced in the recirculation step is less than 350 ℃. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 제 1 촉매연소 단계는 투입되는 연료중에 일산화탄소와 수소의 총 농도가 30% 미만인 경우 수소연료를 투입하여 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 2단 촉매연소를 이용한 복합발전 방법.The first catalytic combustion step is a combined power generation method using a two-stage catalytic combustion, characterized in that the temperature is increased by adding hydrogen fuel when the total concentration of carbon monoxide and hydrogen in the injected fuel is less than 30%.
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