KR960001768Y1 - 에너지절약형 예혼합식 촉매연소버너 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

에너지절약형 예혼합식 촉매연소버너

제1도는 본 고안의 구조단면 및 작동설명도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 버너본체 2 : 촉매층

3 : 서모스탯 4 : 전기히타

5 : 보온재층

본 고안은 에너지절약형 예혼합식 촉매연소버너에 관한 것이다.

저온촉매연소란 활성의 고체촉매층내에서 비교적 저온 또는 저농도의 연료를 무화염상태에서 산화/발열시키는 것을 말하는데 이것은 연소중 NOx 생성이 없이 하면서도 1차 에너지를 프로세스에 직접 이용하여 성에너지를 기할 수 있는 신연소기수로 각광을 받고 있다.

또한 연소 촉매물질은 복사도가 큰 요업재료에 담지시키어 결과적으로 원적외선 파장을 유도하므로 높은 열흡수율을 나타내어 에너지절약효과를 높일 수 있다 저온의 촉매연소는 유기용제의 건조공정에 예로서 자동차의 도장, 건조, 인쇄 옵세트건조 및 염색전조공정 등에 대하여 탁월한 효과가 있다.

촉매연소버너는 1973년 프랑스 석탄연구소에서 LPG 연료용 확산식버너를 상용화하였다. 이후 선진국에서 가정용 또는 산업용의 촉매연소버너들을 개발하여 실용화하고 있으며 미국의 CIS 사 (Catalytic lndustrial System Co)가 대표적이며, 일본의 경우 오사카 가스공업사가 실용화하여 사용하고 있다.

특히 일본의 오사카 가스사의 것은 도시가스의 부취제의 촉매독영향을 받지 않는 촉매를 개발하여 가장 우수한 것으로 평가받고 있다.

오사카 가스사의 촉매버너 구조는 장방형의 버너 본체내에 상개구부가 대기와 접하도록 되어 있어 통기성의 촉매층을 통하여 공급되는 연료와 확산에 의한 공기가 접촉표면에서 연소가 이루어지고 있다.

촉매층에서 발생된 열을 대기쪽으로 대류 및 저온복사에너지로 전달되며 일부분은 전도에 의하여 본체안쪽 보온재층쪽으로 열이 전달되며 그 중 일부분이 금속본체쪽으로 전도되어 열이 손실된다.

도시가스의 경우 촉매연소 개시온도가 약 2000℃ 정도로 촉매층의 예열을 위하여 전기 히타릍 사용하였으며, 촉매층의 온도가 설정온도 이하인 경우 가스공급을 차단토록 서모스탯을 설치하였다. 한편 설정온도 이상에서는 전기히타의 전원이 단전되어 이후에는 자체축적열을 이용하여 촉매반응이 지속되도록 보온재층을 사용하고 있다.

균일한 가스분사를 위하여 S자의 긴 튜브를 사용하고 있으나 가스유입구에 가까운 쪽과 먼곳의 가스공급 불균일을 초래하고 있다.

부취성분에 의한 내촉매독의 Rh 촉매를 사용하고 있어 연소효율은 우수하나 확산식 촉매버너의 단점인 열부하가 0.8Kca/㎠hr 정도로 극히 낮고, 이 경우 촉매층에서의 온도가 완전 촉매연소를 이루기 위해 충분치 못하여 부분적인 미연소 발생이 야기되기 쉽다.

또, CIS사 촉매버너의 구성은 대체로 오사카 촉매버너가 비슷하나 소용량의 경우 버너본체가 정방형으로 되어 있어 가스가 사방으로 고르게 분사토록 노즐이 구성되어 있으며, 다시 가스흐름을 좋게 하는 그물망이 추가되어 있다.

그러나 도시가스의 촉매연소용 촉매물질로 Pd를 사용하고 있어 촉매독에 의해 연소효율이 극히 낮은 상태이며, 촉매층의 겉보기 밀도가 오사카 가스사의 것보다 낮아 촉매층에서 낮은 온도를 유지하여 연소효율이 오사카 가스사 것보다 낮은 결과를 나타내고 있다. 특히 Pd의 촉매독 탈착은도 750℃ 이상을 유지키 위한 연료부하 2.0Kca/㎠hr 이상으로의 유지가 촉매층내에 확산속도가 커서 어려우며 이 때 HC 발생은 기하급수적으로 상승되는 현상을 나타내었다.

즉, 확산식 촉매버너에서는 부취성분의 촉매독 내구온도인 750℃ 이상 유지되기 어렵다.

다시말하면 일본특개소 59-200117호와 실개소 62-13672호는 확산식 촉매연소 버너이고 본 고안 기술은 예혼합식임으로 연소 방식이 다르다. 즉, 연소에 필요한 공기를 연료와 연소전에 혼합하는 예혼합식은 연료 분사후에 공기와의 확산에 의한 확산식 그것에 비해 에너지 절약을 기할 수 있습니다. 특히 일본 특개소59-200117호의 것은 자연 확산식이다.

그의 결점으로는 촉매버너 후면으로 열전도에 의해 표면의 온도가 200℃ 이상의 열이 방열되며 자연 확산방식으로 공기가 공급되므로 밀폐형 전조기에 사용이 불가하고 버너의 설치 방향에 따라 연소효율이 크게 차이가 있으므로 실제적으로 사용이 어렵다.

한편, 실개 소 62-136723호의 것은 강제 송풍확산식으로 확산연소를 위해서는 이론 공기량의 3∼5 배의 과잉공기를 공급해야 하므로 실제 공급되는 공기의 온도는 높지 않을 뿐만 아니라, 공급된 공기의 일부분만 연소에 참여되므로 연소 효율을 높이기 어렵다.

그러나 본 고안은 예혼합식으로 연소에 필요한 이론 공기량 정도의 적은량의 공기를 버너 외부를 먼저 흐르게 하여 높은 온도의 공기로 변환되여 촉매층에서 완전 연소반응에 도달할 수 있는 충분한 온도에서 반응하게 되어 연소효율까지도 높이고 에너지 절약 효과도 기할 수 있는 다른 유형의 예혼합식 촉매버너의 구조를 창출한 것이다.

예혼합식 연소의 경우 화염 전파속도가 유체의 흐르 속도(유속)보다 큰 경우 백 프로워(Back flow)에 의한 폭발을 고려하여야 합이다.

동 실용신안 신청품은 중 저온용으로 비상시 혼합기체의 온도는 높고 유속이 낮아서 역류현상이 우려되어 일본의 오사까가스사 확산식 촉매버너와 유사하게 연료 가스를 노즐로 혼합연소 전에 바로 분사하여 짧은 시간에 혼합되도록 하였습니다.

실제로 오사까 가스사 확산식 촉매버너의 노즐을 분석하여 본 결과 그림과는 다르게 S자형 파이프 분사이지만 동 고안은 T형 노즐로서 연료가 바로 공기와 촉매층 입구에서 혼합토록 설계되어 있다.

참고적으로 역류가 덜 염려되는 경우에 당소가 실험중인 중온용 예혼합식 촉매버너의 구성도는 아래와 같습니다.

본 고안은 상기 2가지 구조의 결점을 제거키 위한 것으로서 그 구조는 장방형의 버너본체(1)은 이중 자켓구조로 되어 있어 내측에는 확산식 촉매버너와 같은 구조를 갖고 있어 연소반응 시작시에는 확산연료 반응으로 개시되도록 상개부로때 촉매층(2), 서모스탯(3), 전기히타(4) 및 보온재층(5)으로 구성되어 있다.

또한 연료분사는 T자형 본사노즐(6)에 이하여 분사되는데 대부분의 도시가스가 공기와 다른 밀도를 갖고 있어 이들 연료들이 연료혼합실(7)에서 상하 균일하게 혼합되며 역화나 폭발현상이 발생되지않도록 노즐을 설계하여야 한다. 한편 연소용 공기는 저압브러워나 팬(8)에 의해 공급되어 버너 외측 자켓(9)를 통과하여 분사노즐 뒷편 공기공급구(10)으로 유입되어 연료혼합실(7)에서 연료와 균일혼합된다.

이와같이된 본 고안은 촉매연소는 무화염상태의 연소로 점화를 위한 잠화장치가 필요없다. 그러나 촉매연소반응은 화염연소 반응에 비하여 훨씬 낮은 온도에서 반응이 개시되므로 정상상태에 이르기까지는 실용신안 버너에서도 확산식 촉매연소버너와 같은 과정으로 이루어지게 하였다. 정상상태에 이르러서는 기존의 확산식 촉매버너 본체의 표면온도가 200℃ 이상으로 공정에 전연 도움이 되지 않고 방열되고 있어 이들 열에너지를 연소용공기로 회수하여 예혼합식 촉매연소 방식이 되도록 하였다. 특히 예혼합식 연소에는 연료와 공기가 폭발한계 농도범위에 존재할 우려가 있어 연소장치 설계나 운전에 주의를 요하므로 본 장치는 이를 충분히 고려하여 연료분사노즐 설계를 하였으며 촉매연소반응의 가스온도 및 농도가 촉매층 안쪽 또는 보온재층내에서 최대가 되도록 제작 및 운전도록 하는 것이며 본 고안의 효과는

가) 촉매성능 향상

기존 확산식 촉매버너의 제작비 중 촉매제작비가 전체의 절반정도를 차지한다. 이때 촉매는 도시가스의 부취성분에 내피독이 강한 고가의 촉매들을 사용하고 있다. 예를 들면 부취성분이 없는 도시가스에서는 비교적 가격이 저렴한 Pd 촉매가 가장 활성이 높으나 부취성분에 의한 피독때문에 활성도 낮고 훨씬 고가인 Rh 촉매를 사용하고 있다.

그러나 가스온도가 750℃ 이상에서는 Pd 촉매 표면에 흡착되었던 일시 피독 성분들이 탈착되면서 다시 높은 촉매활성을 갖게 된다. 따라서 이로 인하여 저렴힌 촉매를 사용할 수 있어 촉매제조비를 줄일 수 있고 높은 연소효을을 기대할 수 있다.

나) 고부하 연소로 콤팩트화

기존 확산식 촉매버너는 표면연소식 화염버너에 비해서도 지나치게 열부하를 낮추어 운전하여야 하므로 같은 열량의 연소시 장치가 지나치게 비대하다.

그러나 실용신안의 예혼합식 촉매버너는 연소부하를 높이어 운전할 수 있으므로 확산식 촉매버너에 비해 소형화 또는 콤팩트화를 기할 수 있어 버너제작비를 낮출 수 있다. (기존 확산식 촉매버너에서는 열부하를 높이어도 온도가 상승되지 않고 미연소반응의 가스가 많이 발생됨).

다) 에너지절약 기존의 확산식 촉매버너에서는 촉매본체로 전도되는 열은 후방 또는 측방으로 방열 손실되고있으나 실용신안의 촉매버너는 이를 연소용공기로 회수하여 연소온도를 높일 수 있다.

또한 저렴하면서도 활성이 높은 촉매를 사용하여 연소효율을 높일 수 있고 연료사용량을 줄일 수 있는 에너지 절약효과를 가지는 것이다

Claims (1)

1. 버너본체(1)에 분사노즐(6)이 설치되고 그 앞에 보온재층(5)와 촉매층(2)를 설치되며, 보온재층(5)에 서모스탯(3), 전기히타(4)릍 설치된 것에 있어서, 버너본체(1)를 이중자켓 구조로 하여 공기공급구(10)를 내외로 연통시킨 것을 특징으로 하는 에너지절약형 예혼합식 촉매연소버너.