KR20180133456A - 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치 및 연소방법 - Google Patents
오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치 및 연소방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 연소장치에 관한 것으로서, 특히 오염물의 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치에 관한 것이다.
본 발명의 연소장치는 연료입구, 조연 가스 입구, 가스 예혼합장치, 연소판, 점화기, 가스 디플렉터, 무화염 연소 캐비티 및 그 안에 충전되는 촉매, 가스충전실 및 배기구를 포함한다.
본 발명은 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치를 가동하는 방법을 개시하며, 이 방법에는 먼저 소공률의 화염연소방법으로 무화염 연소 캐비티 및 그안에 충전되는 촉매를 가열한 후, 유속을 증가시켜 대공률 촉매 무화염 연소로 전환시키는 방법이 포함된다. 본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 각종 비고체연료의 연소에 의한 열취득 과정에 사용 할 수 있으며, 연료의 연소가 충분하고, 연소 배기가스중의 탄화수소 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물의 배출량이 모두 1ppm미만이며, 고효율, 에너지 절감, 친환경, 안전, 콤팩트, 연소 안정성이 좋은 등 유익한 효과를 가진다.
본 발명의 연소장치는 연료입구, 조연 가스 입구, 가스 예혼합장치, 연소판, 점화기, 가스 디플렉터, 무화염 연소 캐비티 및 그 안에 충전되는 촉매, 가스충전실 및 배기구를 포함한다.
본 발명은 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치를 가동하는 방법을 개시하며, 이 방법에는 먼저 소공률의 화염연소방법으로 무화염 연소 캐비티 및 그안에 충전되는 촉매를 가열한 후, 유속을 증가시켜 대공률 촉매 무화염 연소로 전환시키는 방법이 포함된다. 본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 각종 비고체연료의 연소에 의한 열취득 과정에 사용 할 수 있으며, 연료의 연소가 충분하고, 연소 배기가스중의 탄화수소 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물의 배출량이 모두 1ppm미만이며, 고효율, 에너지 절감, 친환경, 안전, 콤팩트, 연소 안정성이 좋은 등 유익한 효과를 가진다.
Description
본 발명은 연료 연소장치 및 연소방법에 관한 것으로서, 특히 질소 산화물의 배출이 최소화된 연료 무화염 연소장치 및 연소방법에 관한 것이다.
최근 몇년간 대기오염은 중국의 주요한 환경문제의 하나로 되고 있다. 대기오염은 주로 각종 화석연료의 연소로부터 유발된다. 석탄과 연료 오일에 비해, 천연가스는 연소과정중 분진과 이산화 유황 등 오염물이 현저히 적게 생기므로, 더욱 친환경적인 연료라 할 수 있지만, 일산화 탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소 산화물(NOx)의 배출량은 여전히 동일한 범주에 속한다. 베이징을 예로 들면, 기존 천연가스 보일러에 설치된 것은 모두가 전통적인 연소장치인 바, 관련부문의 샘플링 조사에 따르면, 그중 85%이상의 가스 보일러의 NOx치는 150mg/m3이상에 달하였다. 이러한 심각한 대기오염 방제 형세에 직면하여, 중국 환경보호법 및 규제는 오염물의 배출표준에 대해 더욱 높은 기준이 요구되고 있다. 예를 들어, 2015년에 "베이징시 보일러 대기오염 오염물 배출기준" (DB11/139-2015) 을 발표하여, 2017년 4월 1일까지 베이징 지역 신규건설 가스보일러의 질소산화물 배출농도는 30mg/m3이하로 낮추어야 하고, 기존 가스보일러는 80mg/m3이하로 낮추어야 한다고 규정하였다. 현재 일반적으로 연소기술을 개량하여 오염물의 생성을 줄이거나 배기가스 정화기술을 통해 오염물을 제거하고 있다. CO와 HC는 연료에 대한 공기의 비율을 증가시켜 희박 연료 연소를 형성하여 그 발생을 대폭 줄일 수 있으며, 배기가스중에 산화 촉매제를 넣어 산화 제거할 수도 있다. 그러나 상기 저 NOx 배출 기술은 환경보호법의 배출 요구를 만족하지 못하고 있어, 요소 또는 암모늄을 촉매로 선택적으로 환원시키는 탈질장치를 설치해야 하기에, 원가가 높고 보급율이 낮다. 따라서, 대량의 보급형 또는 소형 연소장치에 대한 연소기술에 있어서의 발전이 여전히 요구되는 시점이다.
연소는 가시적인 화염이 있는가 없는가에 따라 화염 연소와 무화염 연소 두가지로 나뉜다. 화염 연소는 기본적으로 자유 라디칼에 의한 가스의 산화반응으로서, 이 연소방식은 본질적으로 아래 두가지 문제를 가지고 있다. 1) 불완전 연소에 의해 포름알데히드, 일산화탄소(CO) 등 유독 유해가스가 발생할 뿐만 아니라, 연료의 이용률이 낮다. 2) 고온 부산소(oxygen-rich) 조건하에서의 연소는 열역학적 NOx를 대량으로 생성하게 된다. 화염연소 기술로는 주로 전통적인 확산 연소기술, 다단 연소기술(staged combustion technology)(농담 연소기술(dense-lean combustion technology)이라고도 함), 연도가스(flue gas) 재순환기술, 희박 예혼합 연소기술(lean combustion premixed combustion technology) 등이 포함된다. 전통적인 확산연소는 뚜렷한 화염면을 가지며, 온도가 너무 높아, 대량의 NOx를 생기게 하며, 온도구배가 크고, 연소가 불균일하며, 불완전연소 산물이 많다. 다단 연소는 연료 다단과 공기 다단으로 나뉘는 바, 온도가 비교적 낮은 농담 화염면을 형성하여, NOx의 생성을 낮추고, 온도구배가 작으며, 불완전연소 산물이 적다. 연도가스 재순환은 외부 또는 내부의 연도가스를 다시 연소 공간으로 들여보내어 연도가스로 열을 흡수함과 동시에 산소농도를 낮추어, 연소속도와 로내 온도를 낮춤으로써, NOx의 생성을 낮출 수 있지만, 연도가스량이 너무 많으면 연기배출 열손실이 커진다. 희박 예혼합 연소는 대량의 공기와 소량의 가스를 불이 붙기 전에 분자수준에서 완전히 혼합시킴과 동시에, 와류(cyclone) 연소를 형성시켜 화염온도를 상대적으로 낮게 하여, NOx의 생성량을 적게 하는 바, 산소가 충분하고 연료와 산소의 혼합이 균일하여, 탄소연기와 CO의 생성이 비교적 적으나, 연기배출로 인한 열손실과 송풍기로 인한 에너지 소모가 너무 큰 문제가 존재한다. 무화염 연소에는 촉매 연소기술과 고온공기 연소기술이 포함된다. 촉매 연소란 연소장치 입구에 촉매를 첨가하여 연료분자와 산화제분자가 촉매의 표면에서 반응하게 하는 것으로서, 고농도 가스의 연소에 의해 열을 얻는 것이 아니라, 연료의 점화농도보다 낮은 상황하에서 가연물의 연소정화 과정중에 흔히 쓰인다. 고온공기 연소란 공기예열을 통해 반응물의 온도가 자연발화온도를 초과하게 하여, 연소반응이 넓은 공간에 분산되어 국부적인 고온 영역을 없앰으로써, NOx배출을 저하시킬 수 있다.
현재 촉매 연소장치는 보편적으로 병류식(downstream) 구조를 사용하고 있는 바, 즉 연료가스와 연소 촉진기류가 촉매층을 지나갈 때 촉매 연소반응이 발생되어, 촉매층을 지나간 후 다시 돌아오지 않는다. 고온공기 연소기술에 사용되는 무화염 연소장치도 모두 병류식 구조를 사용하고 있으며, 고온 예혼합 가스는 넓은 중공 연소실내에서 자연 발화되어, 연소된 후의 가스는 기류에 따라 배출된다. 이러한 병류식 구조는 가스분자의 가로방향의 확산이 가스의 예혼합정도 및 가스유속에 의해 제한을 받아, 연소 산물중에는 여전히 고농도의 각종 오염물이 존재한다.
현재 각종 용량의 연소장치들은 대체로 상기 기술중의 하나를 사용하나, 질소 배출 저감효과가 한계가 있고 나날이 엄격해지는 환경보호 기준을 만족시킬 수 없을 뿐만 아니라, CO배출 증가와 열효율 저하 문제를 수반하고 있다.
본 발명은 다양한 연료가스 또는 기화 연료의 촉매 무화염 연소를 킬로와트 및 메가와트급 용량으로 실현하며, 연소효율을 높이고 오염물의 배출농도를 1ppm 이하로 낮출 수 있는 촉매 무화염 연소장치 및 연소방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음의 기술적 해결책을 제공한다.
본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 상부 개구 단부와 하부 밀폐단부를 가지는 중공 실린더로 이루어지되, 상기 실린더의 하부 단부 또는 바닥 단부에는 적어도 하나의 조연가스 입구과 적어도 하나의 연료입구가 설치되며, 상기 실린더 중하부의 조연가스 입구와 연료입구의 상부에는 가스 예혼합장치가 설치되고, 상기 가스 예혼합장치 상부에는 연소판이 설치되며, 상기 실린더의 바닥 단부와 연소판 사이에는 갭이 형성되어 가스 예혼합 캐비티를 형성하며, 상기 가스 예혼합장치는 상기 가스 예혼합 캐비티안에 위치하며, 연소판 상부에는 점화기가 설치되며, 상기 실린더의 상부 개구단부에는 가스 디플렉터가 설치되고, 상기 가스 디플렉터는 상부 및 하부 개구단부를 가지는 실린더형 덕트로서, 상기 실린더형 덕트의 하부 개구 단부와 상기 중공 실린더의 상부 개구 단부는 밀폐연결되며, 상기 가스 디플렉터의 상부에는 무화염 연소 캐비티가 설치되고, 상기 무화염 연소 캐비티는 하부 개구 단부와 상부 밀폐단부를 가지는 중공 용기로서, 상기 가스 디플렉터의 상부 개구 단부는 상기 무화염 연소 캐비티의 하부 개구 단부와 서로 대향되게 설치되어, 상기 가스 디플렉터의 상부 개구 단부가 상기 무화염 연소 캐비티의 하부 개구 단부의 아래쪽에 위치하고, 동일한 평면내에 위치하거나, 상기 무화염 연소 캐비티의 하부 개구 단부로부터 상기 무화염 연소 캐비티안으로 확장되어 들어가며, 상기 무화염 연소 캐비티내의 중상부에는 촉매가 충전된다.
상기 가스 예혼합장치는 시트상, 막대상, 벌집상 또는 기타 모양 중 1종 또는 2종 이상의 장치로 이루어지며, 상기 가스 예혼합 캐비티 내부벽에 고정 연결된다. 상기 장치들의 내부 또는 장치들 사이에는 갭이 형성되어 상기 예혼합 캐비티 내부의 가스가 조연가스 입구와 연료입구로부터 연소판으로 흘러가게 하는 한편, 상기 가스 예혼합장치는 내부의 일부 부분에서 조연 가스와 연료가스 유체의 제트 방향을 개변시켜, 난류(turbulence)를 형성하여, 가스가 예혼합장치에서 균일하게 혼합되게 한다.
상기 연소판은 판상 구조로서, 예혼합 가스를 판체의 상하표면을 관통하여 통과하게 하는 틈새 또는 관통구멍이 설치된다.
상기 틈새 또는 관통구멍은 원형, 사각형, 슬릿형 또는 기타 임의적 모양중의 하나 또는 두가지 이상으로 구성되며, 관통구멍의 직경 또는 슬릿의 폭은 0.01-10mm, 연소판의 두께는 0.1-1000mm이다.
상기 점화기는 연소판을 통과하는 예혼합 가스에 불을 붙이는 역할을 하며, 점화침 및/또는 전열선일 수 있다. 상기 가스 예혼합장치와 상기 연소판은 모두 중공 실린더의 내벽면에 고정되고, 상기 촉매는 상기 무화염 연소 캐비티내에 수용되며, 상기 무화염 연소 캐비티 내벽상에 브라켓에 의해 고정 지지된다.
촉매는 무화염 연소 캐비티 내부의 일부분 또는 전부에 충전할 수 있으며, 가스 디플렉터의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티 내부로 완전히 들어온 가스와 효과적으로 접촉될 수 있다.
가스 디플렉터의 하부개구단부는 가스 예혼합장치의 상부개구단부와 연결되고, 가스 디플렉터의 상부개구단부를 출구로 하는 면적은 가스 예혼합 캐비티를 출구로 하는 상부개구단부의 면적보다 크거나, 같거나, 또는 작다. 가스 디플렉터의 출구는 원형, 사각형 또는 기타 모양중의 하나 또는 두가지 이상으로 구성되며, 가스 디플렉터의 출구는 하나 또는 두개 이상의 관통구멍으로 구성되고, 입구로서의 무화염 연소 캐비티 하부개구단부와 서로 대향되게 설치되어 있다. 가스 디플렉터의 출구 사이즈는 임의 방향에서 모두 무화염 연소 캐비티 입구의 사이즈 보다 작다. 가스 디플렉터의 출구와 무화염 연소 캐비티의 입구는 기류방향을 따라 임의 평면에 투영(projection)되며, 가스 디플렉터의 출구의 투영은 무화염 연소 캐비티 입구의 투영(projection) 영역내에 위치하며, 무화염 연소 캐비티 입구의 횡단면적(입구의 기류방향과 수직되는 횡단면적)은 디플렉터 출구 횡단면적(출구의 기류방향과 수직되는 횡단면적)의 1.01-20배이다. 가스 디플렉터의 출구는 무화염 연소 캐비티 입구내로 확장될 수 있으며, 무화염 연소 캐비티 입구와 일치하거나 일정한 거리를 둘 수 있으며, 이 떨어진 거리는 가스 디플렉터 출구로부터 유출되는 가스가 무화염 연소 캐비티 내부로 완전히 들어가게끔 해야 한다.
가스 디플렉터 출구의 횡단면은 평면 또는 비평면으로 할 수 있으며, 무화염 연소 캐비티는 하나의 개구단부를 가지는 캐비티 몸체로서, 상기 캐비티 몸체는 반구형 또는 임의 모양의 단지 하나의 개구단부를 가지는 중공 캐비티이다.
입구로서의 무화염 연소 캐비티 하부 개구 단부는 원형 또는 기타 모양 중 하나 또는 둘 이상으로 모양을 가지며, 무화염 연소 캐비티 입구는 하나 또는 두개 이상의 관통구멍을 가진다.
상기 개구단부의 임의 방향의 구경 사이즈는 모두 가스 디플렉터 출구의 같은 방향의 사이즈보다 크다. 즉, 무화염 연소 캐비티 입구의 기류방향에서의 투영은 가스 디플렉터 출구의 이 방향에서의 투영을 완전히 커버하며, 무화염 연소 캐비티 입구의 횡단면은 평면 또는 비평면일 수 있다.
상기 촉매 무화염 연소장치는 가스 충전실을 구비하며, 상기 가스충전실은 배기구를 구비한 중공 용기로서, 그 중공 캐비티내로 무화염 연소 캐비티의 하부 개구 단부를 감싸는 형태이다.
또한, 상기 촉매 무화염 연소장치는 고정 브라켓을 구비하고 있는데, 상기 고정 브라켓은 무화염 연소 캐비티를 가스 디플렉터 출구 부근위치에 고정시키며, 가스충전실 또는 가스 디플렉터 또는 가스 예혼합 캐비티가 들어있는 중공용기와 고정 연결된다.
가스충전실의 하부단부에는 개구부가 구비되고, 상기 개구부의 원주는 가스 디플렉터 또는 가스 예혼합 캐비티가 들어있는 중공용기의 외부 벽면과 밀폐연결된다. 무화염 연소 캐비티는 가스충전실내에 위치하고, 가스충전실의 내부벽면과 무화염 연소 캐비티의 외부벽면간에는 일정한 갭이 유지되며, 상기 갭의 횡단면적은 가스 디플렉터 출구 횡단면적의 1배 이상이다.
연소배기가스를 수집하여, 배기구를 통해 배출하며, 상기 배기구는 가스충전실의 임의의 위치에 설치할 수 있고, 가스충전실의 둘이상의 위치에 두개 이상의 배기구가 설치될 수 있다. 배기구 횡단면적의 합은 가스 디플렉터 출구 횡단면적(상기 출구의 기류방향과 수직되는 횡단면적)의 1배 이상이다.
무화염 연소 캐비티 내부, 무화염 연소 캐비티 외부벽면, 가스충전실내부, 가스충전실 외부벽면중의 하나 또는 둘이상의 위치에 열교환장치를 설치할 수 있으며, 상기 열교환장치는 관형(shell-and-tube) 또는 핀형 또는 판형 열교환기 중의 하나 또는 둘 이상으로 할 수 있다.
본 발명의 연소방법은 각각 연료입구와 조연 가스 입구를 통해 가스 예혼합 캐비티내로 들어간 연료가스와 조연가스가 예혼합된 후의 과도공기계수(excess air coefficient)를 1.01-2.5로 제어하는 단계; 당해업계에서 통상의 기술을 가진자에게 이미 알려져 있는 사용 연료의 역화(tempering) 선속도와 탈화(flame blowoff) 선속도에 근거하여, 상기 예혼합 가스의 선속도를 역화 선속도와 탈화 선속도 사이로 조절하는 단계, 점화기를 열어 점화시킨 후, 무화염 연소 캐비티 및 그 안에 충전되는 촉매를 빨갛게(red hot) 또는 600℃이상으로 가열하는 단계; 상기 예혼합 가스의 선속도를 탈화 선속도 이상으로 증가시켜, 화염이 꺼지게 하는 단계, 상기 예혼합 가스가 계속하여 무화염 연소 캐비티 및 그안에 충전되는 촉매상에서 무화염 연소하도록 하는 단계; 기류가 상기 연소 캐비티 바닥에 닿은 후 다시 돌아오면서 대부분의 열량을 회수하여 가져가는 단계: 고온 배기가스가 가스충전실에 수집되는 단계; 배기가스가 열교환기에 의해 열교환 된 후, 배기구로 배출되되, 연소산물은 이산화탄소 및/또는 수증기이고, 유해물질 일산화탄소(CO), 탄화수소 화합물(HC) 및 질소 산화물(NOx)의 배출 농도를 1ppm미만으로 하는 단계;로 이루어진다.
조연가스 입구로 들어가는 가스는 공기, 산소 및 기타 공기외의 산소함량이 1-99.9vol%인 산소함유 혼합가스이다.
연료입구(2)로 들어가는 가스는 가스상태 연료, 증기화 액체 연료, 및 공기, 질소 등 비가연가스중의 하나 또는 두가지 이상을 최종농도 0.1-99.9vol%로 희석하여 형성된 가스상태 연료와 증기화 액체연료 중 하나 또는 둘 이상이다.
가스상태 연료는 천연가스, 석탄가스, 액화석유가스 중의 하나 또는 둘 이상이며, 증기화 액체연료는 가솔린, 디젤유, 케로센, 알코올, 메탄올 등 중의 하나 또는 둘 이상이며, 촉매는 다공질의 내화재료와 금속산화물 활성성분으로 이루어진다.
상기 다공질의 내화재료는 섬유형, 과립형, 벌집형 또는 기타 환기성이 좋은 모양중의 하나 또는 둘이상의 세라믹, 석영, 첨정석(spinel), 탄화규소(carborundum) 및 스테인리스 스틸 중의 하나 또는 둘 이상이며, 상기 금속산화물 활성성분은 산화알루미늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 산화란타늄, 산화티타늄, 산화철, 산화망간, 산화규소, 산화나트륨, 산화동, 산화니켈, 산화코발트(power blue), 백금 산화물, 산화팔라듐, 산화루테늄, 산화로듐, 산화은 중의 하나 또는 둘 이상이며, 상기 금속산화물 활성성분의 질량비는 0.1%-85%이다.
본 발명은 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치를 가동하는 방법에 관한 것으로서, 초기에 무화염 연소 캐비티 및 그 내부에 충전되는 촉매를 소공률(low power flame)로 연소시키고 가열한 후, 유속을 증가시켜 대공률(high power flame)로 전환시켜 촉매 무화염 연소를 달성하는 것이다.
본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 각종 가스상태 및 증기화 액체 등 다양한 비고체연료의 연소 및 열추출 공정을 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 연소 방법에 따르면, 킬로와트 및 메가와트급 공률의 촉매 무화염 연소를 실행할 수 있다.
본 발명의 효과로서는, 연료가 완전히 연소되고, 연소 효율이 높으며, 연소 배기가스중의 탄화수소 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물의 배출량이 모두 1ppm미만이다.
본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 고효율, 에너지 절감, 친환경, 안전, 콤팩트, 양호한 안정성 등의 효과를 가진다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 무화염 연소장치의 개략도이다.
도면 중 점선 화살표는 공기의 흐름방향을 가리키고, 실선 화살표는 가스의 흐름방향을 가리키며, 이중점선 화살표는 예혼합 가스의 흐름방향을 가리키고, 이중실선 화살표는 연도가스의 흐름방향을 가리킨다.
도2는 본 발명 일실시예에 따른 열교환기를 구비한 촉매 무화염 연소장치의 개략도이다.
도면 중 점선 화살표는 공기의 흐름방향을 가리키고, 실선 화살표는 가스의 흐름방향을 가리키며, 이중점선 화살표는 예혼합 가스의 흐름방향을 가리키고, 이중실선 화살표는 연도가스의 흐름방향을 가리킨다.
도면 중 점선 화살표는 공기의 흐름방향을 가리키고, 실선 화살표는 가스의 흐름방향을 가리키며, 이중점선 화살표는 예혼합 가스의 흐름방향을 가리키고, 이중실선 화살표는 연도가스의 흐름방향을 가리킨다.
도2는 본 발명 일실시예에 따른 열교환기를 구비한 촉매 무화염 연소장치의 개략도이다.
도면 중 점선 화살표는 공기의 흐름방향을 가리키고, 실선 화살표는 가스의 흐름방향을 가리키며, 이중점선 화살표는 예혼합 가스의 흐름방향을 가리키고, 이중실선 화살표는 연도가스의 흐름방향을 가리킨다.
이하에서 본 발명의 실시예들이 상세히 기술될 것이다.
본 발명의 일 실시예가 도면에 도시되어 있다. 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명된 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명을 설명하기 위한 것이지 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어서는 안될 것이다,
이하에서 첨부 도1 및 도2를 참조하여, 본 발명의 무화염 연소장치의 실시예들이 구체적으로 설명될 것이다.
실시예1
도 1에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 촉매 무화염 연소장치는 상부 개구단부와 하부 밀폐단부를 가진 중공 실린더를 포함한다.
상기 실린더의 바닥 단부상에는 하나의 조연가스 입구(1)와 하나의 연료입구(2)가 설치되어 있으며, 상기 실린더 중하부의 조연가스 입구(1)와 연료입구(2)의 상부에는 가스 예혼합장치(3)가 설치되고, 상기 예혼합장치(3) 상부에는 연소판(5)이 설치되며, 상기 실린더의 바닥 단부와 연소판(5) 사이에는 갭을 두어 가스 예혼합 캐비티(4)를 형성하고있다.
상기 가스 예혼합장치(3)는 가스 예혼합 캐비티(4)안에 위치하며, 연소판(5) 상부에는 점화기(6)가 설치된다. 상기 실린더의 상부 개구 단부상에는 가스 디플렉터(7)가 설치되고, 상기 가스 디플렉터(7)는 상부 및 하부 개구단부를 가지는 중공 실린더 덕트로서, 상기 실린더 덕트의 하부 개구 단부와 중공 실린더의 상부 개구 단부는 밀폐연결된다.
상기 가스 디플렉터(7) 상부에는 무화염 연소 캐비티(8)가 설치되고, 상기 무화염 연소 캐비티(8)는 하부 개구 단부와 상부 밀폐단부를 가지는 중공 용기로서, 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부와 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부는 서로 대향되게 설치된다. 즉, 상기 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부는 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부로부터 상기 무화염 연소 캐비티(8)내로 확장되며, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 내의 중상부에는 촉매(9)가 충전된다.
상기 무화염 연소 캐비티(8)는 고정브라켓(10)을 통해, 가스충전실(11)이 위치하는 중공 용기에 연결되며, 가스충전실(11)은 배기구(12)가 구비된 중공 용기로서, 상기 가스충전실(11)은 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부를 그 중공 캐비티 내부로 감싸준다.
바람직하게 중공 실린더의 직경은 100mm이고, 조연가스 입구(1)로 공기가 들어가고, 연료입구(2)로 천연가스가 들어가며, 가스 예혼합장치(3)은 200메쉬 근청석(cordierite) 세라믹으로 구성되고, 두께는 25.4mm이다. 가스가 예혼합 캐비티(4)에서 균일하게 혼합되며, 연소판(5)은 400메쉬 근청석 세라믹으로 구성되고, 연소판의 두께는 25.4mm이다. 점화기(6)는 연소판(5)을 통과하는 예혼합 가스에 불을 붙이며, 가스 디플렉터(7)의 출구는 원형으로서, 가스 디플렉터(7)의 출구방향은 무화염 연소 캐비티(8)의 입구와 대향되게 설치되며, 가스 디플렉터(7)의 출구직경은 60mm이고, 무화염 연소 캐비티(8)의 입구의 횡단면적은 가스 디플렉터(7) 출구 횡단면적의 1.8배이며, 가스 디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구안으로 10mm 확장되어 들어간다.
가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면이고, 무화염 연소 캐비티(8)는 개구단부를 가지는 실린더형 캐비티로서, 깊이는 60mm 이다. 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 직경이 80mm인 원형이고, 촉매(9)는 무화염 연소 캐비티(8)내부에 위치하며, 무화염 연소 캐비티(8)내부 벽면에 브라켓에 의해 고정 지지된다. 촉매는 무화염 연소 캐비티 체적의 70%로 충전되며, 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티(8)에 완전히 들어가는 가스와 충분히 접촉한다. 촉매(9)는 다공질의 세라믹 재료와 질량비 40%의 금속산화물 활성성분으로 구성된다. 무화염 연소 캐비티(8)는 고정브라켓(10)에 의해 가스 디플렉터(7)의 출구 부근위치에 고정되며, 가스충전실(11) 또는 디플렉터 또는 예혼합 캐비티와 연결될 수 있다. 가스충전실(11)은 연소된 후의 배기가스를 수집하여 배기구(12)를 통해 배출한다. 배기구(12)는 가스충전실(11)의 상부에 설치되며, 배기구의 횡단면적은 가스 디플렉터(7) 출구 횡단면적의 2배이다.
바람직하게는, 조연가스 입구(1)를 거쳐 들어간 조연가스는 연료입구(2)를 거쳐 들어간 연료가스와 예혼합장치(3)의 예혼합캐비티(4)내에서 서로 오프셋되어, 조연 가스와 연료기류의 혼합효과를 증가시킨다.
연소판(5)의 기공은 1mm이며, 점화기(6)는 핀형 점화기이며, 디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8) 내부로 15mm 확장되어 들어가며, 디플렉터(7)와 무화염 연소 캐비티(8) 사이의 갭의 면적은 디플렉터(7) 횡단면적의 2.2배이고, 가스충전실과 무화염 연소 캐비티(8) 사이의 갭의 면적은 디플렉터(7) 횡단면적의 2.5배이다.
실시예2
도 2에서와 같이, 열교환기를 가지는 촉매 무화염 연소장치는 상부 개구 단부와 하부 밀폐단부를 가지는 중공 실린더를 포함한다.
상기 실린더의 바닥 단부상에는 하나의 조연가스 입구(1)와 하나의 연료입구(2)가 설치되며, 상기 실린더 중하부의 조연가스 입구(1)과 연료입구(2)의 위쪽에는 가스 예혼합장치(3)가 설치되고, 상기 예혼합장치(3) 위쪽에는 연소판(5)이 설치되며, 상기 실린더의 바닥 단부와 연소판(5) 사이에는 갭이 형성되어 가스 예혼합 캐비티(4)를 형성한다.
가스 예혼합장치(3)는 가스 예혼합 캐비티(4)안에 수용되며, 연소판(5) 위쪽에는 점화기(6)이 설치되며, 상기 실린더의 상부 개구단부상에는 가스 디플렉터(7)가 설치되고 가스 디플렉터(7)는 상부 및 하부 개구단부를 가지는 중공 실린더형 덕트로서, 상기 실린더형 덕트의 하부 개구 단부와 상기 중공 실린더의 상부 개구 단부는 밀폐연결된다.
가스 디플렉터(7)의 상부에는 무화염 연소 캐비티(8)가 설치되고, 무화염 연소 캐비티(8)는 하부 개구 단부와 상부 밀폐단부를 가지는 중공 반구형 용기로서, 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부와 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부는 서로 대향되게 설치되며, 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부는 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부로부터 무화염 연소 캐비티(8) 안으로 확장되어 들어간다.
무화염 연소 캐비티(8)내의 중상부에는 촉매(9)가 충전되고, 무화염 연소 캐비티(8)는 고정브라켓(10)을 통해, 가스충전실(11)이 위치하는 상기 중공 용기에 연결되며, 가스충전실(11)은 배기구(12)를 구비한 중공용기이며, 가스충전실(11)은 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부를 그 중공 캐비티 내부로 감싼다.
가스충전실(11)내부의 무화염 연소 캐비티(8) 상부 및 가스충전실(11) 외부벽면에는 핀형 열교환장치가 설치되며, 물을 열전도 유체로, 물이 열전도 유체 입구(14)로 들어가게 하며, 핀형 열교환기에서 열교환을 한 후, 열전도 유체 출구(15)로 유출되게 한다.
선택적으로, 상기 중공 실린더의 직경은 80mm이다. 조연가스 입구(1)로 공기가 들어가고, 연료입구(2)로 천연가스가 들어가며, 가스 예혼합장치(3)는 200메쉬 근청석(cordierite) 세라믹으로 이루어지고, 두께는 12mm이다. 가스는 예혼합 캐비티(4)에서 균일하게 혼합되며, 연소판(5)은 300메쉬 근청석 세라믹으로 이루어지고, 연소판의 두께는 20mm이며, 점화기(6)는 연소판(5)을 통과하는 예혼합 가스에 불을 붙인다. 가스 디플렉터(7)의 출구는 원형으로서, 가스 디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구와 대향되게 설치되며, 가스 디플렉터(7)의 출구직경은 50mm이고, 무화염 연소 캐비티(8)의 입구의 횡단면적은 디플렉터(7) 출구 횡단면적의 1.5배이다.
디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구안으로 5mm 확장되어 들어가고, 가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면이고, 무화염 연소 캐비티(8)는 개구단부를 가지는 반구형 캐비티로서, 깊이는 40mm이며, 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 직경이 70mm인 원형이다.
촉매(9)는 무화염 연소 캐비티(8)내부에 위치하며, 무화염 연소 캐비티(8)내부 벽면에 브라켓에 의해 고정 지지되고, 촉매는 무화염 연소 캐비티 체적의 60%만큼 충전하며, 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티(8)에 완전히 들어가는 가스와 효과적으로 접촉하며, 촉매(9)는 다공질의 세라믹 재료와 질량비로 30%의 금속산화물 활성 성분으로 이루어진다.
무화염 연소 캐비티(8)는 고정브라켓(10)에 의해 디플렉터(7)의 출구 부근위치에 고정되며, 가스충전실(11) 또는 디플렉터 또는 예혼합 캐비티와 연결될 수 있다. 가스충전실(11)은 연소된 후의 배기가스를 수집하여 핀형 열교환기(13)에 들여 보내어, 열전도 유체 입구(14)와 출구(15)를 경유하는 열전도 유체와 열교환한 후, 배기구(12)를 통해 배출된다. 배기구(12)는 가스충전실(11)의 상부에 설치되며, 배기구의 횡단면적은 가스 디플렉터(7) 출구 횡단면적의 2배이다.
실시예3
정격 열공률이 20KW인 킬로와트급 천연가스 무화염 연소장치가 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 가진다.
중공 실린더의 직경은 70mm이다. 조연 가스 입구(1)은 40mm의 내경을 가진 스테인리스 스틸 파이프이다. 조연가스는 무단 변속 송풍기에 의해 제공되는 풍량조절가능한 공기이다. 연료입구(2)는 내경이 9mm인 스테인리스 스틸 파이프이며, 연료가스는 전자밸브에 의해 컨트롤 되는 유량조절이 가능한 천연가스(메탄)이며, 가스 예혼합장치(3)는 200메쉬 근청석 세라믹으로 구성되고, 두께는 12mm이다. 가스는 예혼합 캐비티(4)에서 균일하게 혼합되고 연소판(5)은 300메쉬 근청석 세라믹으로 이루어지고, 연소판의 두께는 20mm이다.
예혼합 캐비티(4)는 내경이 65mm인 스테인리스스틸파이프이며, 가스 디플렉터(7)는 예혼합 캐비티(4)의 내벽에 연결되는 원형 링으로서, 위쪽으로 75도 경사지며, 출구의 직경은 50mm이다.
디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구안으로 5mm 확장되어 들어가며, 가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면이고, 무화염 연소 캐비티(8)는 개구부를 가지는 반구형 캐비티로서, 깊이는 40mm이다. 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 직경이 70mm인 원형이고, 촉매(9)는 무화염 연소 캐비티(8)내부에 위치하고, 무화염 연소 캐비티(8)내벽에 브라켓에 의해 고정 지지된다. 촉매는 무화염 연소 캐비티 체적의 60%충전하며, 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티(8)에 완전히 들어가는 가스와 효과적으로 접촉하며, 촉매(9)는 다공질의 세라믹 재료와 질량비 30%인 금속산화물 활성 성분으로 이루어진다.
열교환기(13)는 가스충전실(11)의 상부 반부에 위치하며, 열전도 유체는 물이며, 배기구는 내경이 70mm인 스테인리스스틸 파이프이다.
조작방법: 점화시 메탄의 유속을 7L/min, 공기 유속을 80L/min, 즉 공기 계수를 1.20, 선속도를 0.5m/s로 조절하며, 열공률을 약 4.6KW로 한다. 이러한 소공률 화염 연소 상황하에서, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0(검지기의 분해능은 1ppm)이며, 20s 연소 후 연소 캐비티와 촉매는 빨갛게 달아오르고, 이때 공기계수는 1.20로 유지된다. 1분내에 메탄의 유속을 30L/min로, 공기 유속을 345L/min로 증가시켜, 즉 선속도를 2.0m/s로 하여, 열공률을 20KW에 달하게 하는데, 이러한 유량증가 과정중 및 유량에 도달한 후, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0(검지기의 분해능은 1ppm)이다. 연속 3시간 연소시킨 후, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0이었다.
이 실시예의 정격 열공률 20KW인 멀티킬로와트급 천연가스 촉매 무화염 연소장치 및 상기 사용방법을 이용함으로써, 연료가 완전 연소되고, 열교환 효율이 95%이상에 달하며, 오염물 CO, HC 및 NOx의 배출량이 0(1ppm이하)인 유익한 효과를 실현할 수 있다.
실시예4
정격 열공률이 80KW인 멀티킬로와트급 천연가스 무화염 연소장치로서 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 가진다.
중공 실린더의 직경은 150mm이다. 조연 가스 입구(1)은 100mm의 내경을 가진 스테인리스 스틸 파이프이다. 조연가스는 무단 변속 송풍기에 의해 제공되는 풍량조절가능한 공기이다. 연료입구(2)는 내경이 30mm인 스테인리스 스틸 파이프이며, 연료가스는 전자밸브에 의해 컨트롤 되는 유량조절이 가능한 천연가스(메탄)이며, 가스 예혼합장치(3)는 200메쉬 근청석 세라믹으로 구성되고, 두께는 25.4mm이다. 가스는 예혼합 캐비티(4)에서 균일하게 혼합되고 연소판(5)은 300메쉬 근청석 세라믹으로 이루어지고, 연소판의 두께는 40mm이다.
예혼합 캐비티(4)는 내경이 150mm인 스테인리스스틸파이프이며, 가스 디플렉터(7)는 예혼합 캐비티(4)의 내벽에 연결되는 원형 링으로서, 위쪽으로 75도 경사지며, 출구의 직경은 100mm이다.
디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구안으로 20mm 확장되어 들어가며, 가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면이고, 무화염 연소 캐비티(8)는 개구부를 가지는 반구형 캐비티로서, 깊이는 60mm이다. 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 직경이 160mm인 원형이고, 촉매(9)는 무화염 연소 캐비티(8)내부에 위치하고, 무화염 연소 캐비티(8)내벽에 브라켓에 의해 고정 지지된다. 촉매는 무화염 연소 캐비티 체적의 70%충전하며, 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티(8)에 완전히 들어가는 가스와 효과적으로 접촉하며, 촉매(9)는 다공질의 세라믹 재료와 질량비 50%인 금속산화물 활성 성분으로 이루어진다.
열교환기(13)는 가스충전실(11)의 상부 반부에 위치하며, 열전도 유체는 물이며, 배기구는 내경이 120mm인 스테인리스스틸 파이프이다.
조작방법: 점화시 메탄의 유속을 14L/min, 공기 유속을 160L/min, 즉 공기 계수를 1.20, 선속도를 0.35m/s로 조절하며, 열공률을 약 9.3KW로 한다. 이러한 소공률 화염 연소 상황하에서, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0(검지기의 분해능은 1ppm)이며, 15s 연소후 연소 캐비티와 촉매는 빨갛게 달아오르고, 이때 공기계수는 1.20로 유지된다. 1분 내에 메탄의 유속을 120L/min로, 공기 유속을 1380L/min로 증가시켜, 즉 선속도를 3.2m/s로 하여, 열공률을 80KW에 달하게 하는데, 이러한 유량증가 과정중 및 유량에 도달한 후, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0(검지기의 분해능은 1ppm)이다. 연속 2시간 연소시킨 후, CO, HC 및 NOx의 배출량은 모두 0이었다.
이 실시예의 정격공률 80KW인 멀티킬로와트급 천연가스 촉매 무화염 연소장치 및 상기 사용방법을 이용함으로써, 연료가 완전 연소되고, 열교환 효율이 95%이상에 달하며, 오염물 CO, HC 및 NOx의 배출량이 0(1ppm이하)인 유익한 효과를 실현할 수 있다.
실시예5
정격 열공률이 1.2MW인 메가와트급 천연가스 촉매 무화염 연소장치는 15세트의 실시예4 중의 상기 80KW의 촉매 무화염 연소장치를 함께 조합하여 구성된다.
실시예6
정격 열공률이 1.2MW인 멀티킬로와트급 천연가스 무화염 연소장치로서 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 가진다.
중공 실린더의 직경은 400mm이다. 조연 가스 입구(1)은 200mm의 내경을 가진 스테인리스 스틸 파이프이다. 조연가스는 무단 변속 송풍기에 의해 제공되는 풍량조절가능한 공기이다. 연료입구(2)는 내경이 60mm인 스테인리스 스틸 파이프이며, 연료가스는 전자밸브에 의해 컨트롤 되는 유량조절이 가능한 천연가스(메탄)이며, 가스 예혼합장치(3)는 200메쉬 근청석 세라믹으로 구성되고, 두께는 50mm이다. 가스는 예혼합 캐비티(4)에서 균일하게 혼합되고 연소판(5)은 400메쉬 근청석 세라믹으로 이루어지고, 연소판의 두께는 60mm이다.
예혼합 캐비티(4)는 내경이 400mm인 스테인리스스틸파이프이며, 가스 디플렉터(7)는 예혼합 캐비티(4)의 내벽에 연결되는 원형 링으로서, 위쪽으로 75도 경사지며, 출구의 직경은 350mm이다.
디플렉터(7)의 출구는 무화염 연소 캐비티(8)의 입구안으로 100mm 확장되어 들어가며, 가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면이고, 무화염 연소 캐비티(8)는 개구부를 가지는 반구형 캐비티로서, 깊이는 360mm 이다. 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 직경이 550mm인 원형이고, 촉매(9)는 무화염 연소 캐비티(8)내부에 위치하고, 무화염 연소 캐비티(8)내벽에 브라켓에 의해 고정 지지된다. 촉매는 무화염 연소 캐비티 체적의 60%충전하며, 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 무화염 연소 캐비티(8)에 완전히 들어가는 가스와 효과적으로 접촉하며, 촉매(9)는 다공질의 세라믹 재료와 질량비 50%인 금속산화물 활성 성분으로 이루어진다.
열교환기(13)는 가스충전실(11)의 상부 반부에 위치하며, 열전도 유체는 물이며, 배기구는 내경이 240mm인 스테인리스스틸 파이프이다.
본 발명의 설명에 있어서, 용어 "길이" , "폭" , "두께", "상부", "하부", "상면", "바닥", "내부", "외부", "흐름 방향" 등은 첨부 도면을 기준으로 한 방향 및 위치관계를 가리키는 것이며, 단지 본 발명을 간단하고 편리하게 설명하고자 하는 것이지, 관련 장치 또는 소자가 특정된 방향을 가지거나 특정된 방향으로 동작됨을 지시 또는 암시하는 것이 아니며, 본발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
본 명세서에서 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 특허 청구범위 및 그 등가물 범위를 벗어나지 않는 본발명의 범주 내에서 본 발명에 대해 변경 또는 수정이 가능할 것이다.
1: 조연가스 입구 2: 연료입구
3: 가스 예혼합장치 4: 가스 예혼합 캐비티
5: 연소판 6: 점화기
7: 가스 디플렉터 8: 무화염연소 캐비티
9: 촉매 10: 고정브라켓
11: 가스충전실 12: 배기구
13: 핀형 열교환기 14: 열전도유체 입구
15: 열전도 유체 출구
3: 가스 예혼합장치 4: 가스 예혼합 캐비티
5: 연소판 6: 점화기
7: 가스 디플렉터 8: 무화염연소 캐비티
9: 촉매 10: 고정브라켓
11: 가스충전실 12: 배기구
13: 핀형 열교환기 14: 열전도유체 입구
15: 열전도 유체 출구
Claims (10)
- 상부 개구 단부와 하부 밀폐단부를 가지는 중공 실린더로 이루어지되, 상기 실린더의 하부 단부 또는 바닥 단부에는 적어도 하나의 조연가스 입구(1)과 적어도 하나의 연료입구(2)가 설치되며, 상기 실린더 중하부의, 조연가스 입구(1)와 연료입구(2)의 상부에는 가스 예혼합장치(3)가 설치되고, 상기 가스 예혼합장치(3) 상부에는 연소판(5)이 설치되며, 상기 실린더의 바닥 단부와 연소판(5) 사이에는 갭이 형성되어 가스 예혼합 캐비티(4)를 형성하며, 상기 가스 예혼합장치(3)는 상기 가스 예혼합 캐비티(4)안에 위치하며, 연소판(5) 상부에는 점화기(6)가 설치되며, 상기 실린더의 상부 개구단부에는 가스 디플렉터(7)가 설치되고, 상기 가스 디플렉터(7)는 상부 및 하부 개구단부를 가지는 실린더형 덕트로서, 상기 실린더형 덕트의 하부 개구 단부와 상기 중공 실린더의 상부 개구 단부는 밀폐연결되며, 상기 가스 디플렉터(7)의 상부에는 무화염 연소 캐비티(8)가 설치되고, 상기 무화염 연소 캐비티(8)는 하부 개구 단부와 상부 밀폐단부를 가지는 중공 용기로서, 상기 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부는 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부와 서로 대향되게 설치되어, 상기 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부가 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부의 아래쪽에 위치하고, 동일한 평면내에 위치하거나, 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부로부터 상기 무화염 연소 캐비티(8)안으로 확장되어 들어가며, 상기 무화염 연소 캐비티(8)내의 중상부에는 촉매(9)가 충전되는 것을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가스 예혼합장치(3)는 시트상, 막대상, 벌집상 또는 기타 모양중의 하나 또는 둘이상으로 이루어진 하나 이상의 장치로서 상기 가스 예혼합 캐비티(4) 내부벽에 고착되고, 상기 장치들 내부 또는 상기 장치들 사이에는 갭이 형성되어 상기 예혼합 캐비티(4) 내부의 가스가 상기 조연가스 입구(1)과 상기 연료입구(2)로부터 상기 연소판(5)에로 흘러가게 함과 동시에, 상기 가스 예혼합장치(3)는 내부의 일부 영역에서 조연 가스와 연료가스의 제트 방향을 변화시켜 난류(turbulence)를 형성하여, 가스가 상기 예혼합캐비티(4)에서 균일하게 혼합되게 하며,
연소판(5)는 판상 구조로서, 예혼합 가스를 판 몸체의 상하표면을 관통하게 하는 틈새 또는 관통구멍을 구비하고, 상기 틈새 또는 관통구멍은 원형, 사각형, 슬릿 또는 기타 임의적 모양중의 하나 또는 둘 이상으로 이루어지며, 상기 관통구멍의 직경 또는 슬릿의 폭은 0.01-10mm이고, 상기 연소판의 두께는 0.1-1000mm임을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제1항에 있어서,
상기 점화기(6)는 상기 연소판(5)를 통과하는 예혼합 가스에 불을 붙이는 역할을 하며, 상기 점화기는 핀 점화기 및/또는 전열선으로 이루어지며, 상기 가스 예혼합장치(3)와 상기 연소판(5)은 모두 중공 실린더의 내벽면에 고정 연결되고,
상기 촉매(9)는 상기 무화염 연소 캐비티(8)내에 설치되되, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 내벽면의 브라켓에 의해 고정 지지되고, 상기 촉매는 상기 무화염 연소 캐비티 내부의 일부분 또는 전부에 충전할 수 있으며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구를 통해 상기 무화염 연소 캐비티(8) 내부로 완전히 들어온 가스와 효과적으로 접촉할 수 있게 됨을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제1항에 있어서,
상기 가스 디플렉터(7)의 하부 개구 단부는 상기 가스 예혼합캐비티(4)의 상부 개구 단부와 연결되고, 상기 가스 디플렉터(7)의 상부 개구 단부의 출구 면적은 상기 예혼합 캐비티(4)의 상부개구단부 출구 면적보다 크거나, 같거나, 또는 작으며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구는 원형, 사각형 또는 기타 모양중의 하나 또는 둘 이상으로 모양을 가지며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구는 하나 또는 두개 이상의 관통구멍으로 이루어지고, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구는 입구로서의 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부개구단부와 서로 대향되게 설치되며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구 사이즈는 임의 방향에서 모두 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구의 사이즈 보다 작으며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구와 무화염 연소 캐비티(8)의 입구는 기류방향을 따라 임의 평면에 투영되며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구의 투영은 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구의 투영 영역내에 위치하며, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구의 횡단면적(입구의 기류방향과 수직되는 횡단면적)은 디플렉터(7) 출구 횡단면적(출구의 기류방향과 수직되는 횡단면적)의 1.01-20배이며, 상기 가스 디플렉터(7)의 출구는 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구내로 확장되어 들어가, 일치하거나 일정한 거리로 이격되며, 이 이격된 거리는 상기 가스 디플렉터(7) 출구로 부터 유출되는 가스가 상기 무화염 연소 캐비티(8)내부로 완전히 들어가게 하는 역할을 하며, 상기 가스 디플렉터(7) 출구의 횡단면은 평면 또는 비평면이며,
상기 무화염 연소 캐비티(8)는 하나의 개구단부를 가지는 캐비티 몸체로서, 상기 캐비티 몸체는 반구형 또는 임의 모양을 가지고 하나의 개구단부를 가지는 중공 캐비티로 할 수 있으며, 입구로서의 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부는 원형 또는 기타 모양중의 하나 또는 둘 이상으로 할 수 있으며, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구는 하나 또는 두개 이상의 관통구멍일 수 있고, 상기 개구단부의 임의 방향의 구경 사이즈는 모두 가스 디플렉터(7) 출구의 같은 방향의 사이즈보다 커서 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구 횡단면의 기류방향에서의 투영은 상기 가스 디플렉터(7) 출구의 기류 방향에서의 투영을 완전히 커버할 수 있으며, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 입구의 횡단면은 평면 또는 비평면일 수 있음을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제1항에 있어서,
가스충전실(11)을 더 포함하여 이루어지고, 상기 가스충전실(11)은 중공 용기로서, 그 상부에는 배기구(12)가 설치되며, 상기 가스충전실(11)은 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 하부 개구 단부를 중공 캐비티의 내부로 감싸줌을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제1항 또는 제5항에 있어서,
고정브라켓(10)을 더 포함하여 이루어지고, 상기 고정브라켓(10)은 상기 무화염 연소 캐비티(8)를 상기 가스 디플렉터(7) 출구 부근위치에 고정시키며, 상기 고정브라켓(10)은 상기 가스충전실(11) 또는 상기 가스 디플렉터(7) 또는 상기 가스 예혼합 캐비티(4)가 들어있는 중공용기와 고정 연결됨을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제5항에 있어서,
상기 가스충전실(11)의 하부단부에는 개구부가 설치되고, 상기개구부의 원주는 상기 가스 디플렉터(7) 또는 상기 가스 예혼합 캐비티(4)가 들어있는 중공용기 외부벽면과 밀폐연결되며, 상기 무화염 연소 캐비티(8)가 가스충전실(11)내에 위치하고, 상기 가스충전실(11)의 내부벽면과 상기 무화염 연소 캐비티(8)의 외부벽면간에는 갭이 형성되고, 상기 갭의 횡단면적은 가스 디플렉터(7) 출구 횡단면적의 1배 이상이며, 연소된 후의 배기가스를 수집하여, 배기구(12)를 통해 배출하며, 상기 배기구(12)는 상기 가스충전실(11)의 임의의 위치에 설치 할 수 있고, 상기 가스충전실(11)의 두개이상의 위치에 두개이상의 배기구가 설치되며, 배기구 횡단면적의 합은 상기 가스 디플렉터(7) 출구 횡단면적(출구 기류방향과 수직되는 횡단면적)의 1배이상으로 함을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 제5항에 있어서,
상기 무화염 연소 캐비티(8) 내부, 상기 무화염 연소 캐비티(8) 외벽면, 상기 가스충전실(11) 내부, 및 상기 가스충전실(11) 외벽면중의 하나 또는 둘이상의 위치에 열교환장치가 설치되고, 상기 열교환장치는 관형, 핀형, 및 판형 열교환기 중 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 오염물 배출이 최소화된 촉매 무화염 연소장치. - 각각 연료입구(2)와 조연 가스 입구(1)를 통해 가스 예혼합 캐비티(4)내로 들어간 연료가스와 조연가스가 예혼합된 후의 과도공기계수(excess air coefficient)를 1.01-2.5로 제어하는 단계; 당해업계에서 통상의 기술을 가진자에게 이미 알려져 있는 사용 연료의 역화(tempering) 선속도와 탈화(flame blowoff) 선속도에 근거하여, 상기 예혼합 가스의 선속도를 역화 선속도와 탈화 선속도 사이로 조절하는 단계; 점화기(6)를 열어 점화시킨 후, 무화염 연소 캐비티(8) 및 그 안에 충전되는 촉매(9)를 빨갛게(red hot) 또는 600℃이상으로 가열하는 단계; 상기 예혼합 가스의 선속도를 탈화 선속도 이상으로 증가시켜, 화염이 꺼지게 하는 단계; 상기 예혼합 가스가 계속하여 상기 무화염 연소 캐비티(8) 및 그안에 충전되는 촉매(9)상에서 무화염 연소하도록 하는 단계; 기류가 상기 연소 캐비티 바닥에 닿은후 다시 돌아오면서 대부분의 열량을 회수하여 가져가는 단계: 고온 배기가스가 가스충전실(11)에 수집되는 단계; 배기가스가 열교환기에 의해 열교환된 후, 배기구(12)로 배출되되, 연소산물은 이산화탄소 및/또는 수증기이고, 유해물질 일산화탄소(CO), 탄화수소 화합물(HC) 및 질소 산화물(NOx)의 배출 농도를 1ppm미만으로 하는 단계;로 이루어지는 제1항 내지 제8항중 어느하나의 촉매 무화염 연소장치의 가동 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 조연가스 입구(1)로 들어가는 가스는 공기, 산소 및 기타 공기외의 산소함량이 1-99.9vol%인 산소함유 혼합가스이며;
상기 연료입구(2)로 들어가는 가스는 가스상태 연료, 증기화 액체 연료, 및, 공기, 질소 등 비가연가스중의 하나 또는 두가지 이상을 최종농도 0.1-99.9 vol%로 희석하여 형성된 가스상태 연료와 증기화 액체연료중 하나 또는 둘 이상이고;
가스상태 연료는 천연가스, 석탄가스, 액화석유가스 중의 하나 또는 둘 이상이며, 증기화 액체연료는 가솔린, 디젤유, 케로센, 알코올 및 메탄올 중 하나 또는 둘 이상이며;
상기 촉매(9)는 다공질의 내화재료와 금속산화물 활성성분으로 이루어지고;
상기 다공질의 내화재료는 섬유형, 과립형, 벌집형 또는 기타 환기성이 좋은 모양중의 하나 또는 둘이상의 세라믹, 석영, 첨정석(spinel), 탄화규소(carborundum) 및 스테인리스 스틸 중의 하나 또는 둘 이상이며, 상기 금속산화물 활성성분은 산화알루미늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 산화란타늄, 산화티타늄, 산화철, 산화망간, 산화규소, 산화나트륨, 산화동, 산화니켈, 산화코발트(power blue), 백금 산화물, 산화팔라듐, 산화루테늄, 산화로듐, 산화은 중의 하나 또는 둘 이상이며, 상기 금속산화물 활성성분의 질량비는 0.1%-85%인 것을 특징으로 하는 촉매 무화염 연소장치의 가동 방법.
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