KR950011463B1

KR950011463B1 - 촉매연소장치

Info

Publication number: KR950011463B1
Application number: KR1019900700704A
Authority: KR
Inventors: 요시다까 기와사끼; 아쓰시 니시노; 지로오 스즈기; 마사또 호사까
Original assignee: 마쓰시다 덴끼 산교오 가부시기가이샤; 다니이 아끼오
Priority date: 1988-08-04
Filing date: 1989-08-02
Publication date: 1995-10-04
Also published as: EP0380705A1; US5158448A; EP0380705A4; DE68925890T2; WO1990001656A1; EP0380705B1; JPH06103092B2; JPH0244121A; KR900702302A; DE68925890D1

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

촉매연소장치

[도면의 간단한 설명]

제1도는 종래 촉매연소장치의 구조도.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매연소장치의 구조도.

제3, 4, 5 및 6도는 각기 본 발명의 제2, 제3, 제4 및 제5실시예에 따른 촉매연소장치의 구조도.

제7도는 귀금속들의 혼합으로 인한 등유 또는 일산화탄소에서의 산화반응의 변환율의 변동을 나타내는 성능도표.

제8도는 촉매층체적에 대한 보조촉매층 체적의 비가 등유 또는 일산화탄소에서의 산화반응의 변환율에 미치는 영향을 나타내는 성능도표. 그리고

제9도는 보조촉매층의 셀갯수가 일산화탄소에서의 산화반응의 변환율에 미치는 영향을 나타내는 성능도표이다.

＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 랭크 2 : 펌프

3 : 팬 4 : 혼합실

5 : 화염구 6 : 점화플러그

7 : 화염봉 8 : 촉매층

8a, 13a : 소통구멍 9 : 투명창

10 : 제어기 11, 14 : 열전대

12 : 제어회로 13 : 보조촉매층

15 : 송풍용 팬 16 : 2차 공기튜브

17 : 2차 공기구멍 18 : 유동제어기

101 : 연료튜브 102 : 분사구

103 : 절연체 104 : 전기히터

105 : 촉매층 106 : 덮개

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 고체산화촉매상에서 연료의 산화반응을 일으키는 촉매연소장치에 관한 것이다.

[배경기술]

지금까지 고체산화촉매상에서 액체 또는 기체연료의 산화반응을 일으키는 장치는 여러가지가 제안되어 있으며, 예를 들어 제1도에 나타낸 장치[1987년도판 캐털리스트(Catalyst), 제29권, 제4호]가 있다. 제1도에서 부호 101은 연료파이프, 부호 102는 방출구, 부호 103은 절연층, 부호 104는 전기히터, 부호 105는 촉매층, 그리고 부호 106은 덮개를 나타낸다.

연료는 연료튜브(101)에 형성된 방출구(102)를 통해 분배되도록 공극되고, 다공성 절연층(103)을 지나 전기히터(104)에 의해 예열된 촉매층(105)으로 전달된다. 한편 덮개(106)의 밑으로부터는 공기가 대류작용으로 공급된다. 촉매층(105)의 표면근처에는 연료와 공기가 확산에 의해 서로 혼합되고, 섬유질의 다공성 촉매층(105)상에서 촉매연소가 일어난다.

그러나, 이러한 유형의 촉매연소장치에는 다음과 같은 문제점들이 있다. 우선, 촉매층(105)을 촉매반응이 시작하는 온도까지 가열하여야 하고, 대용량의 히터를 사용하지 않으면 전기히터(104)로 촉매층을 소정온도까지 가열하는데 오랜시간이 걸린다. 둘째로, 표면에서 열이 방사되어 나오는 촉매층(105)은 다공성 금속같은 것으로 만들어진 덮개(106)에 의해 절반이 노출되게 덮여있을 뿐이므로 연소가 돌풍이나 불분무에 의해 중단되어 자주 불완전 연소를 일으키고 악취와 해로운 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있다. 세번째로, 장치가 사용되고 촉매층의 활성도가 떨어지면 촉매층의 질저하를 검출하는 검출수단이 없으므로 불완전연소된 연료가 흘러나와서 불완전연소에 기인한 악취와 대량의 해로운 일산화탄소가 계속 발생될 우려가 있다. 네번째로, 연료가 실내에서와 같이 밀폐된 공간에서 연소되는 경우에는 산소밀도가 사람의 건강에 나쁜 영향을 주는 수준까지 감소되어도 연소는 촉매층의 온도가 소정범위에 유지되는 한 정지되지 않아서 계속적인 산소 결핍과 불완전연소를 일으킨다.

[발명의 개시]

본 발명은 상기한 문제들을 해결할 수 있고 연소제어성능과 안전성이 우수한 촉매연소장치를 제공한다. 본 발명의 특징은 점화수단과 이온 전류검출수단이 부착된 화염구가 촉매층의 상류에 배치되고, 비정상적인 연소환경 또는 연소장치가 이온전류값에 초기하여 검출된다는 것이다.

[발명의 최선 실시 형태]

이하, 본 발명의 실시예들을 설명하면 다음과 같다.

제2도 내지 제6도는 본 발명의 실시예에 관한 것들이고, 이들 도면에서 동일한 구성부분들은 동일한 부호로 표시된다. 제7도 내지 제9도는 촉매층이나 보조촉매층의 구조와 귀금속들의 혼합이 석유 또는 일산화 탄소에서의 산화반응에 미치는 영향등을 나타내는 촉매성능들에 관련된다.

제2도에서 부호1은 액체연료탱크, 부호2는 연료펌프, 부호3은 송풍용 팬, 부호 4는 혼합실을 나타낸다.

혼합실(4)의 출구에는 다수의 화염구(5)가 마련되고, 화염구(5)의 근처에는 점화플러그(6)와 화염내의 이온 전류를 측정하는 전극, 즉 화염봉(7)이 마련되어 잇다.

화염구(5)위에 수직으로 배열되어 있는 촉매층(8)은, 주로 실리카 알루미나로 구성된 벌집형 세라믹평판을 이루고 다수의 소통구멍(8a)이 형성된 백금속의 활성성분을 포함한다. 촉매층(8)의 상류(앞쪽)에는 유리로 되고 촉매층(8)과 마주한 투명창(9)이 배열되어 있다. 부호10은 펌프(2)를 위한 제어부, 부호11은 촉매층(8)의 온도를 검출하는 열전대, 그리고 부호12는 연소제어회로를 나타낸다.

다음, 이러한 촉매연소장치의 작동을 상세히 설명한다.

연료펌프(2)로부터 공급된 연료(등유)는 혼합실(4)에서 기화되고, 팬(3)에서 공급된 공기와 충분히 예비혼합된후 위에 있는 화염구(5)로 전달된다. 처음에, 이 혼합기체는 점화플러그(6)에 의해 화염구(5)에서 점화되어 불꽃연소를 시작한다. 고온의 배기가스는 위쪽으로 흐르고 소통구멍들(8a)을 통과하여 하류측으로 흐르며 그동안 촉매층의 온도는 상승된다.

소정시간동안의 연소후 열전대(11)에서 촉매층(8)의 온도가 충분히 높아진것을 검출하며 펌프(2)는 일시정지되어 화염을 끄고 다시 시작된다. 이 과정에서 혼합실(4)에서 나오는 예비혼합기체는 상부에 수직으로 배치된 촉매층(8)으로 흐른다.

촉매층(8)의 충분히 가열되어 있으므로, 혼합기체는 주로 상류층(전면)표면에서 촉매연소를 일으키고, 연소된 배기가스는, 소통구멍들(8a)을 통해 하류측(배면)으로 흘러간다.

촉매층(8)이 표면에 발생된 반응열의 일부는, 투명창(9)을 투과하고, 반응열의 다른 부분은 투명창(8)을 가열하고, 2차 방사선으로 창에서 방사되는데, 이러한 열등은 전면으로 방사되고 난방등에 이용된다.

화염구(5)에 화염이 형성되는 점화시점에서, 화염봉(7)은 소정속도의 이온전류가 화염내에 흐르는 것을 확인함으로써 불점화를 검출한다.

한편, 화염구(5)에서의 화염이 소화되고 촉매층(8)에서의 촉매연소가 개시된 시점에서는 화염봉(7)이 위에서와는 반대로 화염구(5)에 화염이 존재하지 않는다는 것, 즉 이온 전류가 흐르지 않는다는 것을 확인함으로써, 연소가 촉매연소로 완전히 전환되었고 불완전소화 또는 촉매층(8)에서 화염구(5)로의 역화에 기인한 어떠한 화염도 화염구(5)에 존재하지 않음을 검출하다.

화염구(5)에서 발생된 화염열을 촉매층(8)의 예열에 이용함으로써 고온 배기가스의 전량이 촉매층(8)의 소통구멍(8a)을 통과하고 따라서 촉매층(8)의 전지역을 균일하게 가열한다.

그 결과, 효율적인 예열이 이루어 질 수 있다.

예를 들면, 촉매층(8)은 소정온도가 예열하는데 필요한 시간은 1.5KW의 전기히터를 사용하는 경우에 약 3 내지 5분인 반면 1200Kcal/h의 불꽃 연소를 이용하는 경우에는 1분 이상 걸리지 않는다. 또한, 전기히터의 경우에 온도는 히터근처에서는 쉽게 올라가지만 히터에서 멀리 떨어진 지역에서는 매우 느리게 올라가는 반면, 불꽃 연소의 경우에는 온도가 어떤 지역적 불균일이 없이 단시간내에 균일하게 상승된다. 또한, 계속적으로 고온 및 산화상태에 있는 촉매층(8) 근처에서 전기히터가 산화부식이나 열손상을 받을 염려도 전혀없다. 게다가 연소개시나 촉매연소에서의 이상이 화염봉(7)에 의해 항상 검출되므로 연소의 수명 또는 안정성과 안전성에 대하여 양호한 결과를 얻을 수 있다.

상기 배열에서는 연소공기가 전적으로 혼합실(4)에 공급되지만, 공기의 일부를 화염구(5)근처로 공급하여 부분적으로 예비혼합된 기체의 확산 불꽃연소를 일으킬 수도 있다. 이 경우에 이온전류의 변동은 상당하므로, 촉매층(8)의 완전한 연소특성을 저하시키지 않고 화염봉(7)의 검출정밀도를 향상시켜 화염의 보다 확실한 검출을 가능하게 한다.

촉매층(8)을 예열하는데 필요한 불꽃연소의 시간은 전체 촉매층(8)의 온도를 충분히 상승시킬만큼 큰 소정값으로 사전설정하므로써 조절될 수 있다.

그러나, 촉매층(8)의 온도를 열전대(11)로 검출하고 그 온도상태를 확인하는것이 보다 확실하다. 이 후자의 배열에서는 불을 끈 직후 다시 점화하는 경우에 촉매층의온도가 비교적 높으면 과도한 예열이 생략될 수 있고 촉매연소로의 신속한 전환이 이루어질 수 있다는 장점이 얻어진다.

더우기, 상기 예열온도를 검출하도록 촉매층(8)에 제공된 열전대(11)는 촉매연소를 위한 온도제어기능을 수행할 수도 있다.

예를 들면, 촉매층(8)의 활성도가 떨어졌거나 촉매층이 부분적으로 손상되어 반응이 불완전하게 됐을 때 촉매층(8)의 온도강하로 인한 비정상적인 연소를 검출할 수도 있다.

상세하게 설명하면, 촉매의 활성도가 떨어진 경우에 촉매연소의 중심위치는 촉매층(8)의 상류측(앞쪽)에서 하류측(뒤쪽)으로 이동하여 상류측의 온도가 낮아지고 하류측의 온도가 높아지든지 하류배기가스의 온도가 높아지는 온도분포의 변화가 일어난다. 이러한 온도분포변화를 제어회로(12)에서 미리 계산되어 기억된 연료 공급속도와 온도분포사이의 관계가 비교하므로서 이상연소는 확실히 검출될 수 있고, 그 연소는 검출된 이상에 근거하여 정지될 수 있다.

촉매층(8)이 부분적으로 손상된 경우에 연류는 손상된 부분에 모이면서 흘러서 촉매층(8)의 온도가 낮아져서 이상을 검출할 수 있게 해준다.

한편, 촉매층(8)의 표면온도가 펌프(2)나 팸(3)의 이상때문에 상당히 높아지는 경우에 그 온도변화는 열전대(11)에 의해 검출되고, 이상신호를 나타내거나 연소를 정지시키는 것과 같은 적절한 제어활동이 수행되어 안전하고 안정한 연소를 보장할 수 있다.

위의 배열에서는 열전대가 온도검출수단으로 이용되지만 어떤 다른 온도검출수단도 선택될 수 있는데, 예를 들어 더어미스터(thermistor) 같은 저항형의 온도계나 빛을 이용하는 방사형의 온도계가 선택될 수 있다. 온도계의 위치에 관하여는 온도계를 항상 촉매층(8)의 근처에 위치시킬 필요는 없고 배기가스의 온도를 측정하기 위해서 상기 배기가스통로에 온도계를 위치시키거나 방사된 열량을 측정하기 위해서 그것을 투명창(9)의 밖에 위치시킬 수도 있다.

촉매층(8)이 화염구(5)의 하류로 뻗은 폐쇄통로에 위치되어 있으므로, 여러의란인자, 가령 돌풍의 침입이나 물분무는 촉매층(8)에 직접적인 영향을 주지 않아서 불완전연소나 지역적 불연소가 전혀 발생되지 않고 안정하고 완전한 연소가 유지될 수 있다.

약 1.5의 공기비를 가진 등유 촉매연소의 경우에 산소의 총량은 산소밀도가 15％만큼 낮아지더라도 충분하다. 다시 말해서, 산소초과비율, 즉 이론적으로 필요한 산소량에 대한 실제산소량의 비가 약 1.1만큼이나 높게 유지된다. 그러나 실내에서 16％ 아래의 산소밀도는 인체에 해로운 영향을 주는 위험 범위에 든다.

여기에서, 촉매연소중 점화플러그(6)에 전류를 인가함으로써 화염구(5)에 화염이 형성되고 화염봉(7)이 예열공정에서 보여준것처럼 화염검출모드(mode)로 전환되면, 화염의 상태와 화염의 이온밀도는 산소밀도에 따라 변하기 때문에 산소결핍상태는 화염을 통해 흐르는 이온전류의 변화를 화염봉(7)으로 측정함으로써 검출될 수 있다. 이온전류값이 소정값을 넘는경우에 산소결핍으로 추정되어 연소를 중지시키기 위해 펌프(2)가 제어부(10)를 통해 정지된다.

어떤화염구들에서는 산소가 결핍되었을때 안정한 화염의 형성이 어려워지고 화염이 꺼지는 특징이 있다. 이 경우에 산소결핍을 보다 확실하게 검출될 수 있다. 전류값을 적당하게 설정하므로써 산소밀도가 18％나 16％에 이르면 연소가 정지될 수 있어, 어떤 위험한 동작도 방지한다. 이 경우에 이온전류값이 소정값을 넘지 않으면 화염구(5)에서의 화염을 소화하기위해 점화단계와 마찬가지로 연료공급이 일시 중단되고 그후 연료공급이 재개되어 촉매층(8)에서의 촉매연소가 계속되게 한다.

상기작동을 짧게, 가령 1 내지 2분씩, 가령 30분이나 1시간의 간격으로 실행하므로써 산소 결핍이 검출될 수 있다.

또한, 이 작동의 제어가 촉매층(8)의 예열과정에서 보통 이용되는 점화플러그(6)와 불점화의 검출에 보통 이용되는 화염봉(7)에 의해 이루어지므로 안전성이 쉽고 확실하게 보장된다.

다음으로 제2실시예를 설명한다. 제3도를 참조하면 촉매층(8)의 하류에는 보조촉매층(13)이 추가로 배열되어 있고 이 보조촉매층에도 열전대(14)가 설치되어 있다. 보조촉매층(13)은 귀금속들의 활성합성물을 내포하고 다수의 소통구멍(13a)이 형성된 벌집형 세라믹판이다.

상술한 실시예와 마찬가지로, 연소의 개시는 화염구(5)에 화염을 형성하는 단계와, 촉매층(8)과 보조촉매층(13)을 연소배기가스를 이용하여 예열하는 단계와, 펌프(2)를 일시중지시켜 화염을 소화하는 단계와, 펌프(2)를 다시 작동시킴으로써 촉매층(8)에서의 촉매연소를 개시하는 단계를 통해 이루어진다. 연소배기가스는 더욱위로 하류측으로 흘러가서 보조촉매층(13)과 접촉하고 거기에서 연소되지 않은 연료가 있다면 완전히 산화된후 소통구멍(13a)을 통해 위쪽으로 깨끗한 배기가스로서 배기된다. 따라서, 불균일한 예열이나 불균일한 온도분포로 인하여 연료가 촉매층(8)에서 완전히 연소되지 않을때에도 혼합이 다시 이루어지고 혼합기체는 하루에 위치된 보조촉매층(13)과 접촉하여 반응을 완료하고 불완전연소에 의한 어떠한 불연소가스도 배출되지 않게한다. 또한, 촉매층(8)의 활성도가 장시간 사용으로 낮아지는 경우에도 활성도는 촉매층(13)에 의해 보상되고 안전한 성능이 오랜동안 유지될 수 있다.

촉매층(8)의 활성도가 떨어지는 경우에는, 반응위가 상류측표면근처에서 하류측으로 점차 이동하고 결국 연료는 완전히 연소될 수 없어서 연료의 일부가 그곳을 불연소상태로 통과하게 하거나 중간용해화합물이나 반응중간화합물로 생각되는 일산화탄소가 배기가스에 혼합되게 한다.

따라서, 열전대(11)에 의해 검출되는 촉매층(8)의 온도는 낮아진다. 한편, 하류측에 있는 보조촉매층(13)에서는 불연소연료의 연소반응이 일어나고 이 반응열때문에 열전대(14)에 의해 검출되는 보조 촉매층(13)의 온도는 높아진다. 따라서, 초기단계에서 보조촉매층(13)의 온도보다 훨씬 높은 촉매층(8)의 온도는 보조촉매층(13)의 온도에 비해 점차 낮아지고 결국 두 촉매층 사이의 온도관계는 역전된다. 이 온도역전상태에서도 보조촉매층(13)에서는 충분한 활성도가 유지되므로 최종배기가스에는 불완전연료나 일산화탄소가 함유되지 않아서 배기가스를 청정상태로 유지한다.

또한, 열전대(11)와 열전대(14)에 의해 검출된 온도간의 차이가 소정값 보다 작아지는 경우 이 차이는 촉매층(8)의 수명한계를 나타내는 것으로 판단되고 연소를 정지시키는 신호로 이용될 수 있다.

따라서, 촉매층의 질저하는 확실하게 검출될 수 있고 어떠한 불완전연소도 방지될 수 있다. 촉매층(8)은 제3도에 나타낸것과 같이 수직으로 배열될 수 있고 방사열을 이용하기 위해 상류측에 있는 투명창을 가질 수 있고 또는 제4도 나타낸 제3실시예에서 볼수 있듯이 난방을 위해서 연소열을 온풍으로 변환하는 송풍용 팬(15)을 가질 수 있다.

따라서, 촉매층(8)의 배열이나 반응열의 이용형태에 대해서 제한은 없다.

다음으로 제4실시예를 설명한다. 제5도를 참조하면, 팬(3)의 출구에서 분기되어 있으며 보조촉매층(13)의 상류측에서 열린 2차 공기구(17)에 연결되어 있는 2차공기튜브(16)가 설치되어 있다.

촉매층(8)과 보조촉매층(13)이 화염구(5)에서의 연료연소에 의해 예열된 후 그 연소가 촉매층(8)에서 공기비 1.8 내지 2.0의 등유촉매연소로 전환되는 동작예를 참고하면 촉매층(8)과 보조촉매층(13)의 표면온도는 산소밀도의 변화에 따라 변한다. 이 경우에 연소반응은 촉매층(8)의 상류측표면에서 거의 완료되고, 표면온도는 약 860℃에 이른다.

이때, 보조촉매층(13)은 촉매층(8)에서 방출된 배기 가스에 의해서만 가열되고 그 표면온도는 약 550℃만큼이나 낮다. 산소밀도가 더 낮아지더라도 산소량은 여전히 충분하기 때문에 촉매층(8)과 보조촉매층(13)사이의 온도차는 거의 일정하게 유지된다(산소밀도가 15％로 되는 경우 실제산소초과율은 약 1.3 내지 1.4이다).

혼합실(4)에 공급되는 공기량이 약 30％만큼 감소되면 촉매층(8)에서의 공기비는 1.3 내지 1.4로 된다. 이 상태에서 완전연소를 얻기 위해서는 20％이상의 산소밀도가 필요하고, 산소밀도가 18％로 낮아지면 실제 산소초과율은 1.1 내지 1.2로 되어 일산화탄소나 불연소가스를 발생시킬 우려가 있다. 이들 가연혼합물은 2차공기구(17)에서 공급된 공기와 혼합되어 보조촉매층(13)으로 흘러가고 거기에서 연소반응이 일어난다.

그결과, 촉매층(8)에서는 연소반응이 약해져서 온도가 낮아지고 반면에 보조촉매층(13)에서는 연소반응이 강해져서 온도가 높아진다.

산소밀도가 더욱 낮아지면, 연소반응은 촉매층(8)에서 더욱 약해지고 보조촉매층(13)에서 더욱 강해진다. 따라서 이들 2개층의 온도들은 점차 서로 접근하고 결국 역전된다. 이제, 적당한 온도차 값을 미리 설정하고 온도차가 사전설정치보다 낮아지면 연료공급을 중단하도록 펌프(2)를 제어함으로써 산소결핍상태에서의 연소가 방지될 수 있고, 사람과 동물에 나쁜 영향이 가지않게 된다.

상기 온도차를 설정하는 요구조건은 산소한계밀도, 연소의 총량, 보조촉매층(13)에 대한 촉매층(8)의 면적비, 및 소정공기비에 따라 달라지며 이는 제어회로(12)내에 설정될 수 있다.

소정온도차가 제어회로(12)에 미리 기억되어 있으면 총 연소량의 변화에 응답하여 쉽게 적절한 조치가 취해질 수 있다.

혼합실(4)로의 공기공급속도가 상기 한계치로 유지되면, 작동은 연료 공급량이나 공기공급량이 변할때 불안정하게 되는 경향이 있다.

촉매층(8)에서 완전연소를 이루기 위해서는 기본적으로 충분한 공기를 공급하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 공기유통변경과정을 일정한 간격, 가령 30분이나 1시간간격으로 단시간, 가령 2 내지 3분동안 실시하는 것이 적당하다.

제6도는 제5실시예를 나타내는데, 여기에서는 2차 공기튜브(16)의 중간에 위치되어 유동튜브를 일정한 간격으로 단시간동안 개방하는 개폐밸브를 포함하는 유동제어기(18)가 설치되어 있다. 유동제어기(18)가 개방되면 혼합실(4)에 공급될 공기의 일부가 2차공기튜브(16)를 통해 2차공기구(17)로 공급된다. 그 결과 혼합실(4)에 공급되는 공기는 감소되고 그와 동시에 보조촉매층(13)의 상류측으로 공기공급이 시작되어 제4실시예에서와 같은 효과를 발생한다. 이 실시예에서는, 팬(3)의 특별한 동작이 필요없고, 정상연소작동상태에서 초과공기가 2차공기구(17)로 부터 공급되지 않으므로, 보조촉매층(13)은 냉각되지 않고 충분히 높은 온도로 유지될 수 있어서, 불연소화합물 또는 일산화탄소에 대하여 완전한 정화력을 보장한다.

다음으로 제6실시예를 설명한다. 제3도에 나타낸 배열에서는 백금(pt)이 촉매층(8)에 의해 지지되고 팔라듐(pd)과 백금을 2 : 1의 중량비로 혼합하여 제조된 혼합물이 보조촉매층(13)에 의해 지지된다. 보조촉매층(13)의 두께는 촉매층(8)두께의 약 80％이고 전자의 면적은 후자의 면적의 약 30％이고 전자의 바깥체적은 후자의 바깥체적의 24％이다. 지지체를 구성하는 벌집의 셀밀도[소통구멍(8a,13a)의 단위 면적당 갯수]는 촉매층(8)에 대해서 300셀/인치²인 반면 보조촉매층(13)에 대해서는 400셀/인치²이고, 따라서 소통구멍(8a)의 직경은 소통구멍(13a)의 직경보다 약 30％만큼 크다.

위에서 말한대로, 촉매층(8)과 보조촉매층(13)은 상이한 귀금속들을 지지하고 제7도에 나타낸 바와 같이 CO와 등유에 대한 pt와 pd의 반응특성들사이의 차이도 있다. 즉, pd는 CO(여기서는 400ppmCO가 공기에 함유됨)의 산화에 있어서 높은 활성도, 특히 저온에서 우수한 활성도를 갖는다. 한편, pt는 등유(여기서는 2％의 등유 증기가 공기에 함유됨)의 산화에 있어서 높은 활성도를 가지며, pd와는 상당히 다르게 완전한 반응특성(100％ 가까운 변환율의 상태에서의 활성도)을 가진다.

따라서, 제3의 배열에서, pt는 촉매층(8)에서 등유와의 우수한 연소반응을 얻는데 이용되고, CO는 저온에서 효율적으로 주요반응성분을 구성하는 CO를 정화시키기 위해 낮은 온도를 갖는 보조촉매층(13)에 주로 이용된다. 촉매층(8)에서의 반응개시특성은 pd를 혼합하므로써 향상될 것으로 예상되지만 연소반응을 더욱 완전하게 하기 위해서는 pt만 이용하든지 pt를 주성분으로 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 보조촉매층(13)에서는 pd만이 CO를 정화시키는데 이용될 수는 있지만 촉매층(8)의 활성도의 저하 또는 지역적으로 낮아진 온도에 기인한 연료의 빠짐(slip)을 감안하여 pt를 혼합하는 것이 바람직하다. 연료의 반응성에 대하여, 상기 활성도 차이는 상기 등유와 유사하게 프로판이나 부탄 같은 가스연료에서 볼수 있고, 메탄을 제외한 어떤 가스연료도 이와 같은 특징을 가진다.

보조촉매층(13)의 체적이 촉매층(8)의 체적과 같더라도 성능에 대해서 문제는 없다. 그러나, 보조촉매층(13)을 크게하면 비용이 높아지므로 너무 큰것은 실시의 관점에서 바람직하지 않다. 보조촉매층(13)의 부하는 대개 적고, 공간속도가 상당히 증가되더라도 완전한 반응이 얻어질 수 있다.

제8도는 촉매층(8)에 대한 보조촉매층(13)의 체적비와 반응물질들의 변환을 사이의 관계를 나타낸다. 밀도가 100ppm 아래인 초기단계에서는 촉매층(8)에 대한 보조촉매층(13)의 체적비가 10％로 낮아지고 공간가스속도가 약 10배만큼 증가되더라도 완전한 정화를 얻을 수 있다.

촉매층(8)에서 반응이 전혀 일어나지 않은 상태[모든 연료가 빠져나와 보조촉매층(13)에 도달하는 상태]에서도 보조촉매층(13)의 체적비가 50％만큼 크다면 거의 정상인 연소가 발생되어 대량의 악취 또는 CO가 배출되는 것을 방지하고 역화같은 어떠한 이상 상태도 방지한다. 촉매층(8)의 이상은 열전대(14)로 보조촉매층(13)의 온도상승을 측정하므로써 검출될 수 있고, 이렇게 검출된 이상에 응답하여 연소가 정지될 수 있다.

그 결과 비용의 요구조건을 감안하여 보조촉매층(13)의 크기를 최소로 하여야하고, 따라서 촉매층(8)에 대한 보조촉매층(13)의 체적비는 온도검출의 정밀도와 촉매층(8)의 저하에 허용된 값에 따라 바람직하게 10 내지 50％로 선택될 수 있다.

보조촉매층(13)을 통과하는 불연소성분의 밀도는 촉매층(8)을 통과하는 것에 비해 훨씬 희박하고 그 결과 산화반응을 위한 반응물질의 확산은 중요하게 된다. 보조촉매층(13)의 소통구멍(13a)의 직경이 작게되면, 즉 벌집셀 밀도가 높게되면, 불연소성분의 확산시간이 단축될 수 있고 반응도가 향상되어 제9도에 나타낸 바와 같이 저온에서도 높은 변환율을 얻게된다. 촉매층(8)의 경우에 과도한 셀 밀도는 반응열집중과 과도한 온도상승을 일으켜서 촉매활성도를 저하시킨다. 그러나, 보조촉매층(13)의 경우에는 발생된 열이 가스의 낮은 밀도 때문에 작아서 그러한 저하는 없다. 제9도는, 셀미도가 증가되면 보조촉매층(13)이 작은 경우(공간속도가큼)에도 반응도가 향상되고 정화가 완전해지는 것을 나타낸다.

이 구조는 낮은온도와 낮은 밀도의 가스가 통과하는 보조촉매층(13)의 크기를 감소시키는데 도움이 된다. 셀의 높은 밀도에는 큰 유동저항이 수반되고, 셀밀도에는 제조의 제한때문에 상한선이 있다. 그러나, 보조촉매층(13)의 소통구멍(13a)의 직경을 촉매층(8)의 소통구멍(8a)의 직경보다 작게함으로써 작은 체적과 낮은 비용으로도 배기가스를 효율적으로 정화할 수 있다.

위에서 설명한 모든 경우에서 촉매층(8)이나 보조촉매층(13)의 지지체는 상기 실시예들에서 나타낸것처럼 세라믹벌집으로 제한되지 않고 세라믹 거품(ceramic foam), 방열섬유들을 땋은것, 또는 금속벌집을 사용하여도 같은 장점을 얻을 수 있다. 상기 장점은 촉매층(8)이나 보조촉매층(13)의 지지체의 종류나 모양에 의해 영향을 받지 않는다.

[산업상의 이용가능성]

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매연소장치에서는, 촉매층이 고온 배기가스를 발생하는 불꽃연소를 이용하여 예열되기 때문에 균일한 촉매 예열이 단시간내에 이루어질 수 있다.

또한, 안정한 화염이 불꽃연소단계에서 형성되는 것과 화염의 촉매연소단계에서 형성되지 않은것이 이온전류검출수단에 의해 확인되므로 불점화로 인한 불연소가스의 어떠한 유출도 방지될 수 있다.

게다가, 촉매연소시에는, 펌프나 팬의 이상으로 인한 촉매층의 과열에 의해 발생될수 있고 화염구에 화염을 형성할 수 있는 역화현상이 일체없다는 것이 확인될 수 있다. 또한, 촉매층에 온도검출수단을 제공함으로써 촉매층의 예열온도는 알맞게 조절될 수 있고 완전한 반응을 실현하는 촉매연소가 초기단계에서부터 시작될 수 있다. 촉매층의 이상구조나 이상활동의 경우에는 그 이상이 신속하게 검출될 수 있고 불완전연소로 인한 어떤 악취나 일산화탄소도 발생되지 않게 할 수 있다. 불꽃연소를 일정간격으로 수행하고 이온전류검출수단에 의해 소정전류가 흐르는 것을 확인함으로써 산소밀도의 어떤 이상도 검출될 수 있고, 인체에 해로운 영향을 주는 어떠한 산소결핍도 방지될 수 있다. 2단계 촉매층을 제공하고 이들 두 촉매층 사이의 온도차를 검출하므로써 촉매층들의 어떠한 활성도 저하나 손상도 검출될 수 있고, 또한 하류측에 위치된 촉매층(보조촉매층)의 상류측에 2차 공기를 공급하므로써 어떤 산소결핍도 검출될 수 있다. pt를 상류측 촉매층의 주성분으로 하고 pd를 하류측 촉매층의 주성분으로 함으로써 연소될 성분 또는 그 밀도에 적합한 최적의 반응이 성취될 수 있어 완전한 반응을 할 수 있는 연소장치를 제공한다.

작은 부하를 가지는 하류측 촉매층의 체적을 더 작게 만들거나 낮은 가연성 밀도를 가진 하류측 촉매층의 셀직경을 더 작게 함으로써 적은 비용으로 효율적인 연소와 효율적인 배기가스정화가 이루어질 수 있다.

Claims

연료와 공기를 혼합하는 혼합실과; 상기 혼합실의 하류에 배치되고 화염구를 형성하는 수단과; 상기 화염구의 하류에 배치되고, 다수의 소통구멍이 형성된 제1촉매층을 포함하는 수단과; 상기 화염구부근에 배치되고 상기 화염구를 탈출하는 화염의 이온전류를 측정하는 이온전류 검출수단과; 상기 화염구에서 공기와 혼합된 연료를 점화시키는 점화수단과; 연료를 상기 혼합실에 공급하는 연료공급수단과; 상기 이온전류 검출수단과 상기 연료공급수단이 작동할 수 있게 관련되어 있고, 상기 이온전류 검출수단이 소정의 크기 이상 또는 이하의 크기를 한 상기 화염의 이온전류를 검출할때 상기 연료공급수단을 제어하여 연료공급을 중단시키고, 소정 시간동안 화염을 화염구에서 형성하도록 소정의 간격으로 점화수단을 작동시키고, 이온전류 검출수단이 소정 크기의 이온전류가 존재하는 상태를 검출하지 못할때 연료공급을 정지시키고, 이온전류 검출수단이 소정 크기의 이온전류가 존재하는 상태를 검출할때 연료공급을 일시 정지시키는 단계를 통해 촉매연소를 재개시키는 제어수단을 구비하는 촉매연소장치.
연료와 공기를 혼합하는 혼합실과; 상기 혼합실의 하류에 베치되고, 화염구를 형성하는 수단과; 상기 화염구의 하류에 배치되고 다수의 소통구멍이 형성된 제1촉매층을 포함하는 수단과; 상기 화염구 부근에 배치되고, 상기 화염구를 탈출하는 화염의 이온전류를 측정하는 검출수단과; 상기 화염구에서 공기와 혼합된 연료를 점화시키는 점화수단과; 연료를 상기 혼합실에 공급하는 연료공급수단과; 상기 이온전류 검출수단과 상기 연료공급수단이 작동상 관련이 있고, 상기 이온전류 검출수단이 소정의 크기 이상 또는 이하의 크기로 한 상기 화염의 이온전류를 검출할때 연료공급을 정지하도록 상기 연료공급수단을 제어하는 제어수단과; 제1촉매층의 하류에 배치되고 다수의 소통구멍이 형성된 보조촉매층을 포함하는 수단과; 상기 제1촉매용과 상기 보조촉매층의 온도를 검출하는 온도검출수단과; 상기 보조촉매의 상류측에 개방부를 지닌 이차공기 공급부와; 를 구비하였으며, 상기 제어수단은 상기 온도검출수단과 상호 연결되어 있고, 혼합실로의 공기공급을 소정의 비까지 소정의 간격으로 감소시키고, 상기 제1촉매측과 상기 보조촉매층간의 온도차가 소정의 값 이하일때 연료공급을 정지시키는 촉매연소장치.
제2항에 있어서, 혼합실과 2차 공기공급부 모두와 소통하는 공기공급 수단과; 상기 2차 공기공급부와의 소통을 소정의 간격으로 소정의 시간동안 하는 유동제어수단을 구비하는 촉매연소장치.
제2항에 있어서, 제1촉매층은 백금 및 주로 백금을 구성된 혼합된 귀금속중 하나를 포함하고 상기 보조촉매층은 팔라듐 및 주로 팔라듐으로 구성된 혼합된 귀금속을 포함하는 촉매연소장치.
연료와 공기를 혼합하는 혼합실과; 상기 혼합실의 하류에 배치되고 화염구를 형성하는 수단과; 상기 화염구의 하류에 배치되고, 다수의 소통구멍이 형성된 제1촉매층을 포함하는 수단과; 상기 화염구 부근에 배치되고, 상기 화염구를 탈출하는 화염의 이온전류를 측정하는 이온전류 검출수단과; 상기 화염구에서 공기와 혼합된 연료를 점화하는 점화수단과; 연료를 상기 혼합실에 공급하는 연료공급수단과; 상기 이온전류 검출수단과 상기 연료공급수단이 작동상 관련이 있고, 상기 이온전류 검출수단이 소정의크기 이상 또는 이하의크기를 한 상기 화염의 이온전류를 검출할때, 연료공급을 정지시키도록 상기 연료공급수단을 제어하는 제어수단과; 상기 촉매층의 하류에 배치되고 다수의 소통구멍이 형성된 보조촉매층을 포함하는 수단을 구비하고, 상기 제1촉매층은 백금 또는 주로 백금으로 구성된 귀금속을 함유하고, 상기 보조촉매층은 팔라듐 또는 주로 팔라듐으로 구성된 귀금속을 함유하되, 보조촉매층의 체적은 제1촉매층의 체적의 10∼50％로 하는 촉매연소장치.
연료와 공기를 혼합하는 혼합실과; 상기 혼합실의 하류에 배치되고 화염구를 형성하는 수단과; 상기 화염구의 하류에 배치되고 다수의 소통구멍이 형성된 제1촉매층을 포함하는 수단과; 상기 화염구 부근에 배치되고, 상기 화염구를 탈출하는 화염의 이온전류를 측정하는 이온전류 측정수단과; 상기 화염구에서 공기와 혼합된 상기 연료를 점화하는 점화수단과; 연료를 상기 혼합실에 공급하는 연료공급수단과; 상기 이온전류 검출수단과 상기 연료공급수단과 작동상 관련이 있고, 상기 이온전류 검출수단이 소정의 크기 이상 또는 이하인 크기로 한 상기 화염의 이온전류를 검출할때 연료공급을 중단하도록 상기 연료 공급수단을 제어하는 제어수단과; 제1촉매층의 하류에 배열되고 다수의 소통구멍이 형성된 보조촉매층을 포함하는 수단을 구비하고, 상기 제1촉매층은 백금 또는 주로 백금으로 구성된 혼합된 귀금속을 함유하고, 상기 보조촉매층은 팔라듐 또는 주로 팔라듐으로 구성된 혼합된 귀금속을 함유하되, 상기 보조촉매층의 소통구멍의 직경은 제1촉매층의 직경보다 작게 하는 촉매연소장치.
제5항에 있어서, 보조촉매층의 소통구멍의 직경은 제1촉매층의 직경 보다 작게 하는 촉매연소장치.