WO2017135714A1 - 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈 - Google Patents

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fixing
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김명수
김통복
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주식회사 아모그린텍
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    • F01N2510/00—Surface coverings
    • F01N2510/06—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction

Definitions

  • the present invention relates to a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor, and more particularly, it is possible to assemble in a large-capacity structure and can be manufactured at low cost by a simple process by fixing the plate and the wave plate constituting the cell-forming body without brazing bonding.
  • the present invention relates to a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor.
  • Pollutants such as nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon monoxide and hydrocarbons in the exhaust gas pose a great threat to the human environment, and countries are also developing technologies to strengthen or reduce the regulation of harmful emissions.
  • the automobile sector which has the highest emissions, has a high regulatory demand and has advanced processing technology since exhaust gas has a direct impact on the land environment where humans live.
  • the regulation of ship's exhaust gas has been relatively recent and active countermeasures have been actively taken by the International Maritime Organization (IMO) and developed countries.
  • IMO International Maritime Organization
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • the SCR system includes a reactor equipped with a honeycomb catalyst carrier, and the catalyst carrier induces nitrogen and water to be generated through the reduction reaction of the exhaust gas containing NOx and ammonia (NH 3 ).
  • a ceramic extrusion material having low cost and easy to mass production has been devised, but the use of a metal carrier which can be manufactured in a thin thickness and excellent in mechanical properties is also increasing.
  • Patent Document 1 Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0117426 (Patent Document 1) and the like have a structure in which a large-capacity catalyst carrier is formed in a unit catalyst carrier block and assembled therewith, or an assembly member is coupled between adjacent unit catalyst carrier blocks. It is centered on the elements, and there are many fastening points and has a complicated structure.
  • a cell-forming body in which a plurality of hollow cells are formed by a wave-plate / plate assembly manufactured from a plate and a plate made of a thin metal plate material coated with a catalyst corresponds to the shape of the cell-forming body.
  • a polygonal structure includes a support for accommodating and inserting a cell-forming body.
  • Metal carrier modules used in automobile or home catalyzed reactors are difficult to apply when stacking and fixing them without bonding the breaker and the flat plate, as they cause noise by resonating with vibrations generated by the engine or motor in operation. In the case of large ships or power plants, this noise is not a problem.
  • Patent Document 2 Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0064358 is a wound-type metal carrier for forming a large-capacity catalyst carrier is formed in a form wound around one axis so that the flat plate and the corrugated plate are alternately arranged,
  • the flat plate and the corrugated plate include a polygonal winding portion formed to have a polygonal cross section at every winding, and a core portion inserted into a center of the polygonal winding portion and formed in a wound shape.
  • the wound-type metal carrier of the said patent document 2 saves weight of a carrier, reduces welding cost, and improves workability by fixing a flat plate and a corrugated board in the state wound by the polygon, omitting an outer can or a housing.
  • the metal carrier of patent document 2 has a winding structure, and since the core part is separately manufactured and assembled, there exists a limit to productivity improvement.
  • the exhaust gas emitted from a large plant such as automobiles, home appliances or power plants, incinerators contain pollutants such as sulfur oxides, carbon monoxide, hydrocarbons in addition to nitrogen oxides.
  • SCR selective catalytic reduction
  • NOx nitrogen oxides
  • Pt / Rh, Pd / Rh or Pt / Pd / Rh-based three-way catalyst If a three way catalyst is used, it can be applied to an exhaust gas catalytic converter to simultaneously remove carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NOx), and hydrocarbon (HC) based compounds contained in exhaust gas in automobiles.
  • CO carbon monoxide
  • NOx nitrogen oxide
  • HC hydrocarbon
  • it may be used in a catalytic reactor which is used in a reformer of a fuel cell to induce a chemical reaction of hydrocarbons.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the purpose of which is a unit carrier module so that it can be applied to a catalytic reactor requiring a large amount of exhaust gas treatment, such as large vessels, power plants, large plants such as incinerators
  • An object of the present invention is to provide a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor that can be efficiently assembled at a low cost (block).
  • Another object of the present invention is to simplify the manufacturing process by brazing a wave plate and a plate made of a thin metal plate and assembling the wave plate and the plate in an alternately stacked state without forming an integrated wave plate / plate assembly. And to provide a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor that can reduce the manufacturing cost.
  • one side of the can is integrally formed with the first and second extension portions that prevent the detachment of the cell formation, and the other side of the can is inserted with the cell formation into the can, and then a fixed bar is formed in the overhang area. It is to provide a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor with high productivity by installing and fixing the cell-forming body is simple.
  • the catalyst carrier block of the present invention can be formed in a rectangular cylinder shape having an inlet and an outlet; A cell-formed body in which a wave plate and a plate coated with a catalyst are alternately stacked on a surface thereof to form a plurality of hollow cells and inserted into the can; And a fixed unit installed at an inlet and an outlet of the can to prevent the cell formation from being separated from the can.
  • the fixing unit may include a plurality of fixing bars installed at the inlet and the outlet of the can to prevent the cell forming body from being separated from the can.
  • the fixing bar may be fixed by using fastening members on both sides of the can, or may be bonded to the can by one of brazing, welding, soldering, and diffusion bonding.
  • the fixing unit may include a first to a fourth fixing portion which is bent 180 degrees after the both sides extending from the inlet and the outlet of the can to prevent the separation of the cell formation.
  • the fixing unit may include first and second extension bends that are bent at right angles after the two sides of the can extend from the inlet of the can to prevent the cell formation from being separated; And third and fourth extension bent portions which are bent at right angles after the both sides extend from the outlet of the can to prevent the cell formation from being separated.
  • the fixing unit is a fixing slot formed to penetrate the side of the can; And a wedge member which is fitted to the fixing slot and fixes between the first and second cans arranged adjacent to each other and prevents the detachment of the cell-forms inserted into the first and second cans.
  • the fixing unit may include first and second extension bent portions that are bent at right angles after both sides of the fixing unit are extended from the inlet or the outlet of the can to prevent the cell formation from being separated; And first and second fixing parts which are bent by 180 degrees after the two sides are extended from the outlet or the inlet of the can, respectively, to prevent detachment of the cell body.
  • the fixing unit may include first and second extension bends that are bent at right angles after the both sides extend from the outlet of the can to prevent the cell formation from being separated; And first and second fixing bars installed at an inlet of the can to prevent the cell formation from being separated from the can.
  • the fixing unit may include first and second extension bent portions which are bent at right angles after the two sides of the fixing unit are extended from the inlet or the outlet of the can to prevent separation of the cell body; A fixed slot formed through the outlet or the inlet side of the can; And a wedge member which is fitted to the fixing slot and fixes between the first and second cans arranged adjacent to each other and prevents the detachment of the cell-forms inserted into the first and second cans. Can be.
  • the fixing unit may include a spacer member inserted between an inner surface of the can and a cell forming body to fix the cell forming body.
  • the fixing unit may include a welding part for fixing the end of the plate and the wave plate by welding with the inner surface of the can.
  • the cell forming body may be set to be shorter than the length of the can so that an overhang area is provided at each of the inlet and the outlet of the can, and the fixing unit may be installed in the overhang area.
  • the wedge member may include a fitting groove in which side surfaces of the first can and the second can are fitted; A first fixing protrusion protruding from one side of the fitting groove to fix the flat plate and the wave plate stacked on the first can; And a second fixing protrusion protruding from the other side of the fitting groove to fix the flat plate and the wave plate stacked on the second can.
  • the slab and the plate of the cell molded body may include at least one metal or vanadium (V 2 O 5 ) selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium, silver, cobalt, nickel, copper, manganese and cerium in a metal thin plate,
  • the metal oxide of titanium dioxide (TiO 2 ) or tungsten oxide may be coated.
  • a plurality of unit carrier modules can be effectively applied to a large capacity structure such as a large vessel, a large plant water (incinerator, etc.), and a catalytic reactor requiring a large amount of exhaust gas treatment such as a power generation facility. It can be assembled and can be manufactured at a lower cost.
  • the brazing process of the plate and the plate made of metal thin plate brazing (brazing bonding) without forming an integrated wave plate / plate assembly is assembled by alternately laminating the plate and the plate in a state in which the manufacturing process is simple and the manufacturing cost of Savings are possible.
  • one side of the can is integrally formed with the first and second extension parts for preventing the cell formation from being separated, and the other side of the can is formed by inserting the cell body into the can and then fixing bars in the overhang area to form the cell.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a large capacity catalyst carrier assembled using a catalyst carrier module according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a partially exploded perspective view of the catalyst carrier module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a process diagram illustrating a method for producing a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exploded view of a can for a catalyst carrier module according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to a fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 8.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to a fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a perspective view of a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 10.
  • FIG. 12 is a perspective view of a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the large-capacity catalytic reactor is installed at the rear of an engine or furnace in a large plant such as a large vessel, power plant, or incinerator, and the exhaust gas containing nitrogen oxides (NOx) and ammonia (NH 3 ) is reduced to reduce nitrogen and water. It is configured to be created.
  • a large plant such as a large vessel, power plant, or incinerator
  • a large capacity catalyst carrier is constructed by stacking a plurality of catalyst carrier modules (blocks) 1 to 6 in left and right directions.
  • the plurality of catalyst carrier modules 1-6 may be fixed using an assembly structure (not shown) and an adjacent catalyst carrier module during system assembly to construct a large capacity catalytic reactor.
  • the plurality of catalyst carrier modules (blocks) 1 to 6 are manufactured in a polygonal shape, preferably square or rectangular in cross section, so that the plurality of catalyst carrier modules 1 to 6 can be easily assembled into a multi-stage structure. Assembly to construct a large-capacity catalytic reactor.
  • the catalyst carrier modules 1 to 6 are disposed between the exhaust pipes, and the catalyst carrier supporting the catalyst therein may be arranged in a multistage or one end form.
  • the catalyst carrier module 10 for a large-capacity catalyst reactor according to the first embodiment of the present invention is alternately stacked in the can or the housing 11 having a rectangular cylinder shape with both ends open.
  • a plurality of flat plates 14 and wave plates 15 constituting the cell forming body 16 are inserted.
  • the plate 14 and the wave plate 15 are alternately stacked to form a plurality of hollow cells 17 that are parallel in the longitudinal direction through which the exhaust gas passes.
  • the length of the flat plate 14 and the wave plate 15, that is, the cell forming body 16 is formed to be smaller than the length of the can 11, and as a result, as shown in FIG. Has 18.
  • the overhang zone 18 is set so that it can be used when assembling the catalyst carrier module 10.
  • An overhang section 18 provided at the inlet and the outlet of the can 11 is a fixing member or fixing unit for fixing the cell forming body 16 inserted into the can 11. It is fixed to the can 11 in a state in which the pair of fixing bars 12 and 13 are in close contact with the inner side walls of both sides.
  • the cross section may have a rectangular or square cross section to prevent the flow of the cell forming body 16, and may be configured as a rectangular bar having a predetermined length.
  • the inner surfaces of the fixing bars 12 and 13 are in close contact with the cell forming body 16 to bond the fixing bars 12 and 13 to the contact portion of the can 11 to fix them.
  • the joining method for example, one of brazing, welding, soldering, and diffusion bonding may be selected.
  • a pair of fixing bars 12 and 13 are fixed to the overhang area 18 provided at the inlet and the outlet of the can 11 to form a cell inserted into the can 11.
  • the sieve 16 is fixed, it is possible to omit the brazing joining process for joining and integrating the flat plate 14 and the wave plate 15 in the related art, thereby improving productivity and reducing manufacturing cost.
  • Figure 4 shows a catalyst carrier module for a large capacity catalytic reactor according to a second embodiment of the present invention.
  • the catalyst carrier module 10a of the second embodiment is different in the method of fixing the pair of fixing bars 12 and 13 to the vertical walls on both sides of the can 11, and the other parts are the same as in the first embodiment. Therefore, the same parts are assigned to the same parts as the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the upper and lower portions of the fixing bars 12 and 13 instead of brazing or welding.
  • it is fixed to both sides of the can 11 by using a physical fastening member 19, such as bolts and nuts, rivets, fixing screws.
  • Through-holes are formed at both sides of the pair of fixing bars 12 and 13 and the can 11 to allow the fastening member 21 to pass therethrough.
  • the same as the first embodiment is inserted into the can 11.
  • the cell formation 16 can be fixed simply.
  • a pair of fixing bars 12 and 13 are fixed to the overhang area 18 provided at the inlet and the outlet of the can 11 to form a cell inside the can 11.
  • a plurality of plates 14 and a wave plate 15 are alternately stacked to form a cell forming body 16, and a plurality of plates between the plate 14 and the wave plate 15 are formed.
  • the hollow cell 17 is formed in the longitudinal direction.
  • Wave plate 15 is formed in the form of a wave or irregularities, the plate 14 is formed in a flat plate shape, a plurality of hollow cells that are passages through which exhaust gas passes when alternately stacked in the can 11 ( 17) is formed.
  • the hollow cell 17 is made of one of various shapes such as a wave shape, a hemispherical shape, a honeycomb, a triangle, and a rectangle according to the shape of the wave plate 15.
  • the flat plate 14 and the wave plate 15 may be formed of, for example, a heat resistant metal sheet such as FeCrAl or a metal material such as stainless steel.
  • the wave plate 15 is formed by corrugating the flat plate 14, and a through hole may be formed to allow the flow of exhaust gas between the cells 17 as necessary.
  • the waveplate 112 and the flat plate 113 are catalyst metals in a metal sheet having a thickness of 20 to 100 ⁇ m, for example, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, silver (including silver nano), cobalt, nickel, copper, manganese and cerium. At least one metal selected from the group consisting of or metal oxides such as vanadia (V 2 O 5 ), titanium dioxide (TiO 2 ), and tungsten oxide may be used.
  • the cell forming body 16 of the catalyst carrier module is set to have a catalytic activity temperature of, for example, 200 to 600 ° C. depending on the type of catalyst metal.
  • FIG. 5 is a process chart for explaining a method of manufacturing a metal carrier according to the present invention.
  • the plate 14 and the wave plate 15 made of a thin metal plate and coated with a catalyst are cut to a predetermined length by a continuous process, and then the plate 14 and the wave plate 15 are set by a predetermined number.
  • the cell forming bodies 16 are formed by alternately stacking (S11).
  • the flat plate 14 and the wave plate 15 are set shorter than the length of the can 11.
  • the cell forming body 16 is inserted into the can 11 having a rectangular tube shape (S12).
  • the can 11 has a rectangular or square cross-sectional shape, which is advantageous to be laminated and assembled in a multi-stage structure while accommodating the cell forming body 16, but may also be configured in a trapezoidal shape.
  • the can 11 may be configured in a polygonal shape such as a pentagon, a hexagon, and an octagon.
  • the pair of fixing bars 12 and 13 are fixed to the overhang area 18 formed at both ends of the can 11 into which the cell forming body 16 is inserted, such as by welding, or fastened like a bolt / nut.
  • the fixing bars 12 and 13 are fixed to the inner wall surface of the can 11 by using the member 19 (S13).
  • the fixing bars 12 and 13 may be provided not only at the inlet 35 of the can 11 but also at the outlet 36 in the same manner to fix the cell forming body 16 inside the can 11.
  • one inlet of the can 31 is provided with fixing bars 12 and 13 and an outlet 36.
  • a pair of extension bent portions (33, 34) is also possible to extend from the left / right side of the can 31 to act as a stopper.
  • FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of a catalyst carrier module for a large-capacity catalytic reactor according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an exploded view of a can used in the catalyst carrier module of the third embodiment.
  • the can 31 into which the cell-forming body 6 is inserted is formed with an overhang region 18 at one inlet 35, but on the opposite side.
  • first and second extension bends 33, 34 extending from the can on both sides are bent at right angles.
  • the can 31 according to the third embodiment has the first and second extended bent portions 33 extending at right angles from the side portions 32a-32d and the two side portions forming four sides of the rectangular tube, as shown in the development of FIG. 7. 34). Therefore, when assembling the exploded view to form a rectangular tube, the two opposite sides of the first and second extended bent portions 33 and 34 protrude, and the first and second extended bent portions 33 and 34. Is bent at right angles to the side portions 32b and 32d.
  • the process of fixing the fixing bars 12 and 13 to one side may be omitted. As a result, the assembly process can be shortened.
  • the can 31 of the third embodiment can be prevented from leaving the cell forming body 16 inserted into the first and second extended bent portions 33 and 34 by the outlet side.
  • the process of inserting the cell forming body 16 can be easily processed and automation can be easily applied.
  • the fixing bars 12 and 13 are installed using two at one side inlet, but all three sides or four sides may be installed.
  • FIGS. 9A and 9B are longitudinal cross-sectional views of the catalyst carrier module according to the fourth embodiment of the present invention, respectively.
  • the catalyst carrier module 10c according to the fourth embodiment of the present invention has a cylindrical can 11 penetrated at both sides thereof, and is inserted into the can 11 and has a flat plate ( 14) and the wave plate 15 includes a cell forming body 16 alternately stacked.
  • the can 11 has a rectangular tube shape in which both ends thereof are opened to accommodate the cell-forming body 16 having a rectangular cross section, and both ends thereof are connected to the exhaust pipe.
  • the flat plate 14 and the wave plate 15 of the present invention do not undergo a separate brazing bonding process, they are alternately stacked inside the can 11 without being bonded to each other. Accordingly, the can 11 is provided with a fixing unit which allows the flat plate 14 and the wave plate 15 which are not bonded to each other to be kept in a fixed state without being separated from the can 11.
  • the fixing unit according to the fourth embodiment is formed to extend from the can 11 having a rectangular tube shape as shown in FIG. 9A, and is bent at an angle of 180 degrees toward the inside of the can 11 so that the ends thereof are the flat plate 14 and the wave plate ( 15 includes an extension fixing part 20 which is in contact with the edge of 15 and maintains the state accommodated in the can 11 while keeping the flat plate 14 and the wave plate 15 stacked.
  • the extension fixing portion 20 is formed integrally with the can 11, and the plate 14 and the wave plate 15 are alternately stacked on the can 11, and then the extension fixing portion 20 is bent at an angle of 180 degrees. An end portion (ie, a tip end portion) of the fixing portion 20 is caught by the edges of the flat plate 14 and the wave plate 15 to fix the flat plate 14 and the wave plate 15.
  • the extension fixing part 20 may be disposed to face the first fixing part 22 and the first side surface 11a that are bent 180 degrees after extending from the front first side 11a of the can 11.
  • the fixing part 26 and the fourth fixing part 28 extending from the rear second side 11b of the can 11 and then bent 180 degrees may be included.
  • the deformed fixing unit according to the fourth embodiment is integrally formed in the can 11 and bent at an angle of 90 degrees on both sides of the can 11, as shown in FIG. 14) and first to fourth extension bent portions 21, 23, 25, and 27 contacting edges of the wave plate 15.
  • extension fixing part 20 and the extension bending parts 21, 23, 25, and 27 according to the fourth embodiment are integrally formed with the can 11 when the can 11 is manufactured, and thus need to be manufactured separately. There is no.
  • the third and fourth fixing parts 26 and 28 or the third and fourth extending bends 25 and 27 are formed at one side of the can 11.
  • the cell-forming body 16 in which the flat plate 14 and the wave plate 15 are alternately stacked is inserted into the can 11, and the first and second fixing portions are formed on the other side of the can 11.
  • the 22, 24 or the first and second extension bent portions 21, 23 are formed, the fixing of the cell forming body 16 is completed, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the fixing unit according to the fifth embodiment includes a fixing slot 40 formed to penetrate through the sides of the first can 50 and the second can 52, respectively, and the fixing slot 40.
  • the cell forming body 16 is not detached from the first can 50 and the second can 52 at the same time by being fitted to the 40 to fix the first can 50 and the second can 52 to each other. It includes a wedge member 60 to be fixed.
  • the fixed slot 40 when the cell forming bodies 16 are stacked in the vertical direction in the first can 50 and the second can 52, the fixed slot 40 also has side surfaces of the first can 50 and the second can 52. It is formed long in the vertical direction. That is, the fixed slot 40 is formed long in the same direction as the stacking direction of the cell forming body 16.
  • a plurality of catalyst carrier modules are used in combination in the vertical direction or the left and right directions.
  • first catalyst carrier module 50 and the second catalyst carrier module 52 are arranged in the horizontal direction
  • first can 50 and the second can 52 are arranged in the horizontal direction
  • first can The first side 42 of the 50 and the second side 44 of the second can 52 are arranged in contact with each other.
  • the wedge member 60 is the first It passes through the fixed slot 46 and the second fixed slot 48 to fix between the first can 50 and the second can 52.
  • the wedge member 60 is a fitting groove 62 to be fitted in a state where the first can 50 and the second can 52 are in contact with each other, and the first can 50 protrudes from one side of the fitting groove 62.
  • the first can 50 may be fixed while the catalyst carrier modules are fixed.
  • the flat plate 14 and the wave plate 15 stacked on the second can 52 are fixed, so that the assembly process can be greatly reduced.
  • the fixing unit of the catalyst carrier module according to the sixth exemplary embodiment includes a spacer member 70 fitted to both sides of the can 11 to fix the flat plate 14 and the wave plate 15. It may include.
  • the spacer member 70 is formed of a heat resistant material such as a ceramic or a metal material, and when inserted into the can 11 in the longitudinal direction, the ends of the flat plate 14 and the wave plate 15 are pressed by the spacer member 70 to allow the can ( Keep it fixed at 11).
  • the spacer member 70 may be inserted into both top and bottom surfaces as well as both sides of the can 11.
  • the fixed unit of the catalyst carrier module according to the seventh embodiment alternately stacks the flat plate 14 and the wave plate 15 to form a cell-forming body in the can 11, and then the can 11.
  • the first welding part 80 which welded between the inner surface of the ()) and the flat plate 14, and the 2nd welding part 82 which welded between the inner surface of the can 11 and the wave plate 15 are included.
  • the fixing unit of the fourth embodiment prevents detachment of the cell body in the same way at both the inlet and the outlet, but similarly to the second embodiment of FIG.
  • the governments 26 and 28 or the third and fourth extension bent portions 25 and 27 are formed, and the fixing bars 12 and 13 are installed at the inlet, the assembly time of the cell forming body can be shortened.
  • the outlet is provided with the third and fourth fixing parts 26 and 28 or the third and fourth extending bends 25 and 27, and the wedge member 60 is formed at the inlet to the fixing slot 46. 48) It is also possible to prevent the detachment of the cell formation by welding to the inner surface of the can or by joining the end of the plate and the waveplate to the inner surface of the can.
  • the fixing units according to the first to seventh embodiments may be combined with each other so as to prevent the cell formation from being separated from each other.
  • the catalyst carrier module is used for a large-capacity catalyst reactor, but the present invention alternates the wave plate and the plate without forming the integrated wave plate / plate assembly by brazing the plate and the plate made of metal thin plates. If the catalyst carrier module is constructed by assembling inside the can in a stacked state, it is not limited to a large-capacity catalyst reactor and can be applied to any reactor.
  • the present invention can be applied to a catalyst carrier module of a large-capacity catalytic reactor used for a large vessel such as a large vessel, a power plant, an incinerator, and the like.

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Abstract

본 발명은 대용량 배기가스 처리가 요구되는 촉매 반응기에 적용할 수 있도록 대용량 구조로 조립 가능하면서 셀형성체를 구성하는 평판과 파판을 브레이징 접합하지 않고 적층하여 캔 내부에 고정시킴에 의해 보다 저렴하게 제조할 수 있는 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈에 관한 것이다. 상기 촉매 담체 블록은 촉매 담체 블록은 입구와 출구를 갖는 사각통 형상으로 이루어진 캔; 표면에 촉매가 코팅된 파판 및 평판이 교대로 적층되어 다수의 중공형 셀이 형성되고 상기 캔에 삽입된 셀형성체; 및 상기 캔으로부터 셀형성체가 이탈하는 것을 방지하기 위해 캔의 입구 및 출구에 설치된 고정유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈
본 발명은 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 구조로 조립 가능하면서 셀형성체를 구성하는 평판과 파판을 브레이징 접합하지 않고 고정시킴에 의해 간단한 공정으로 저렴하게 제조할 수 있는 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈에 관한 것이다.
배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 일산화탄소, 탄화수소 등 공해물질은 인류환경에 커다란 위협이 되고 있으며, 각국은 유해 배출가스의 규제를 강화하거나 이를 줄이기 위한 기술의 개발도 가속되고 있다.
배출량이 가장 많은 자동차분야는 배기가스가 인간이 생활하는 육상환경에 직접적인 영향을 미치므로 규제요청도 높고 처리기술도 일찍부터 진척되어 왔다. 그에 비해, 선박의 배기가스 규제는 비교적 최근에 이르러서 국제해사기구(IMO) 및 선진국을 중심으로 실질적인 대책마련이 활발한 편이다.
국제해사기구(IMO)에서는, 1973년에 선박으로부터의 해양오염방지에 관한 국제협약으로서, 국제해양오염방지협약(the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships: MARPOL)을 채택하였다. 여기서는 질소 산화물(NOx)을 2011년부터 시작되는 부속서 Ⅱ(Tier Ⅱ)에서 현행 대비 20%를 저감하고, 2016년부터 시작되는 부속서 Ⅲ(Tier Ⅲ)에서 80%를 저감하는 선박 엔진 배출 질소 산화물 규제 프로그램에 대해 언급하고 있다. 이로 인해, 대형 엔진을 사용하는 대형 선박 업계에서는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물 등을 정화하기 위한 대용량 촉매 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
국제해사기구의 조선·해운산업 관련 환경규제에 대응하기 위한 녹색선박 배기가스 후처리 기술 중 질소산화물(NOx) 저감 분야에서는 성능, 안전성 및 경제성이 검증된 선택적 촉매환원(SCR; Selective Catalytic Reduction)시스템이 각광받고 있다.
SCR시스템은 허니콤 구조의 촉매 담체가 장착된 반응기를 포함하고 있으며, 촉매 담체는 NOx와 암모니아(NH3)가 섞인 배기가스가 환원반응을 통하여 질소와 물이 생성되도록 유도한다. 촉매 담체의 재료로서는 저비용의 대량 생산이 용이한 세라믹 압출재가 고안되기도 하였으나, 얇은 두께로 제작이 가능하면서도 기계적 특성이 우수한 금속 담체의 사용도 증가되고 있다.
자동차와 달리, 선박 또는 플랜트 등 초대형 엔진은 배기가스의 배출량도 급증하므로, 선택적 촉매환원 시스템의 규모도 그만큼 증가하게 되어 더욱 큰 사이즈의 담체가 필요하다. 제조 측면에서, 단순히 크기만을 크게 하여 대형화시킨 일체형의 촉매 담체는 이를 제작하기 위한 설비의 부족 등 제작 가능성에 문제가 있으며 촉매의 코팅도 어렵다.
이를 해결하기 위해, 촉매 담체를 모듈 형태로 제작하고 이들을 조립하는 방식이 제시되기도 하였다. 이러한 모듈 형태의 제작 및 조립구조는 생산뿐 아니라 유지 관리나 담체의 교체면에서도 중요하게 인식된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0117426호(특허문헌 1) 등은 대용량의 촉매 담체를 단위 촉매 담체 블럭 형태로 제작하고 이를 조립하는 구조이나, 조립부재가 인접된 단위 촉매 담체 블럭 사이를 체결하기 위한 요소 중심으로 되어 있으며, 체결의 개소가 많고 복잡한 구조를 가지고 있다.
또한, 특허문헌 1의 단위 촉매 담체 블록에는 표면에 촉매가 코팅된 금속 박판 재질의 파판 및 평판으로부터 제작된 파판/평판 조립체에 의해 다수의 중공형 셀이 형성된 셀형성체가 셀형성체의 형상에 대응하는 다각형 구조로서 셀형성체를 수용하여 삽입하기 위한 지지체를 포함하고 있다.
더욱이, 표면에 촉매가 코팅된 금속 박판 재질의 파판 및 평판으로부터 제작된 파판/평판 조립체를 사용하여 구현되는 종래의 금속 담체는 파탄과 평판을 브레이징(brazing), 웰딩(welding), 솔더링(soldering), 확산접합(diffusion bonding) 등의 접합(joining) 방법으로 일체화한 파판/평판 조립체를 사용하기 때문에 생산성이 떨어지고, 가격 경쟁력 확보가 어려운 문제가 있다.
자동차나 가전용 촉매 반응기에 사용되는 금속 담체 모듈은 파탄과 평판을 접합시키지 않고 이를 적층하여 고정시키는 경우, 작동 중인 엔진이나 모터 등에서 발생된 진동에 공명하여 소음을 발생시키는 요인이 되므로 적용하기 어려우나, 대형 선박이나 발전설비 등인 경우는 이러한 소음이 문제가 되지 않는다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0064358호(특허문헌 2)에는 대용량 촉매 담체를 형성하기 위한 권취형 금속 담체는, 평판과 파형판이 교대로 배치되도록 일 축을 중심으로 권취시킨 형태로 형성되며, 상기 평판과 파형판은 매 권취마다 다각형 단면을 갖도록 형성된 다각 권취부 및 상기 다각 권취부의 중심에 삽입되며, 권취된 형태로 형성된 심부를 포함한다.
상기 특허문헌 2의 권취형 금속 담체는 외부 캔이나 하우징을 생략하고 평판과 파형판을 다각형으로 권취한 상태로 고정시킴에 의해 담체 무게 절감, 용접 비용 절감, 작업성 향상을 도모하고 있다.
그러나, 특허문헌 2의 금속 담체는 권취형 구조를 가지며, 심부를 별도로 제작하여 조립하는 방식이므로 생산성 향상에 한계가 있다.
한편, 상기 자동차나 가전 또는 발전소, 소각장과 같은 대형 플랜트에서 배출되는 배기가스는 질소산화물 이외에 황산화물, 일산화탄소, 탄화수소 등 공해물질을 포함하고 있다.
대용량 촉매 반응기는 금속 담체에 코팅되는 촉매에 따라 질소산화물(NOx)을 저감하기 위한 선택적 촉매환원(SCR)시스템에 적용될 수 있고, Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계의 삼원 촉매(three way catalyst)를 사용하는 경우 자동차에서 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 및 탄화수소(HC)계 화합물과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거하기 위한 배기가스 촉매 컨버터에 적용될 수 있으며, 연료전지의 개질기에 사용되어 탄화수소의 화학적 반응(chemical reaction)을 유도하는 촉매 반응기(Catalytic Reactor) 등에도 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 대형 선박, 발전소, 소각장과 같은 대형 플랜트 등과 같은 대용량 배기가스 처리가 요구되는 촉매 반응기에 적용할 수 있도록 단위 담체 모듈(블록)을 효과적으로 대용량 구조로 조립 가능하면서 보다 저렴하게 제조할 수 있는 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 금속 박판으로 이루어진 파판과 평판을 브레이징(brazing) 접합하여 일체화된 파판/평판 조립체를 형성하지 않고 파판과 평판을 교대로 적층한 상태로 캔 내부에 조립함에 의해 제조 공정이 단순하며 제조비용의 절감이 가능한 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 캔의 일측은 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장부를 일체로 형성하고, 캔의 타측은 셀형성체를 캔 내부에 삽입한 후 오버행 영역에 고정바를 설치하여 셀형성체를 고정함에 의해 조립 공정이 단순하여 생산성이 높은 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명의 촉매 담체 블록은 입구와 출구를 갖는 사각통 형상으로 이루어진 캔; 표면에 촉매가 코팅된 파판 및 평판이 교대로 적층되어 다수의 중공형 셀이 형성되고 상기 캔에 삽입된 셀형성체; 및 상기 캔으로부터 셀형성체가 이탈하는 것을 방지하기 위해 캔의 입구 및 출구에 설치된 고정유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고정유닛은 상기 캔의 입구와 출구에 설치되어 셀형성체가 캔으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 복수의 고정바;를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 고정바는 캔의 양측면에 체결부재를 사용하여 고정되거나, 브레이징, 웰딩, 솔더링, 확산접합 중 하나의 방법으로 캔에 접합될 수 있다.
또한, 상기 고정유닛은 상기 캔의 입구와 출구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 내지 제4 고정부;를 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 고정유닛은 상기 캔의 입구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및 상기 캔의 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제3 및 제4 연장절곡부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고정유닛은 상기 캔의 측면에 관통되게 형성되는 고정슬롯; 및 상기 고정슬롯에 끼움 결합되어 서로 이웃하여 정렬되는 제1캔과 제2캔 사이를 고정함과 동시에 제1캔과 제2캔에 삽입된 셀형성체의 이탈을 방지하는 쐐기부재;를 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 고정유닛은 상기 캔의 입구 또는 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및 상기 캔의 출구 또는 입구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 고정부;를 포함할 수 있다.
상기 고정유닛은 상기 캔의 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및 상기 캔의 입구에 설치되어 셀형성체가 캔으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 제1 및 제2 고정바;를 포함할 수 있다.
상기 고정유닛은 상기 캔의 입구 또는 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 상기 캔의 출구 또는 입구 측면에 관통되게 형성되는 고정슬롯; 및 상기 고정슬롯에 끼움 결합되어 서로 이웃하여 정렬되는 제1캔과 제2캔 사이를 고정함과 동시에 제1캔과 제2캔에 삽입된 셀형성체의 이탈을 방지하는 쐐기부재;를 포함할 수 있다.
상기 고정유닛은 상기 캔의 내면과 셀형성체 사이에 삽입되어 셀형성체를 고정하는 스페이서 부재를 포함할 수 있다.
상기 고정유닛은 상기 평판 및 파판의 끝부분을 캔의 내면과 용접하여 고정하는 용접부를 포함할 수 있다.
상기 캔의 입구와 출구에는 각각 오버행 영역이 마련되도록 상기 셀형성체는 캔의 길이보다 짧게 설정되며, 상기 고정유닛은 상기 오버행 영역에 설치될 수 있다.
상기 쐐기부재는 제1캔과 제2캔의 측면이 끼움 결합되는 끼움 홈부; 상기 끼움 홈부의 일측에서 돌출되어 상기 제1캔에 적층된 평판과 파판을 고정하는 제1고정돌기; 및 상기 끼움 홈부의 타측에서 돌출되어 상기 제2캔에 적층된 평판과 파판을 고정하는 제2고정돌기를 포함할 수 있다.
상기 셀성형체의 파판과 평판은, 금속 박판에 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 은, 코발트, 니켈, 구리, 망간 및 세륨으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 또는 바나디아(V2O5), 이산화티탄(TiO2), 산화텅스텐 중 하나의 금속 산화물이 코팅될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 대형 선박, 대형 플랜트 물(소각장 등), 발전설비 등과 같은 대용량 배기가스 처리가 요구되는 촉매 반응기에 적용할 수 있도록 다수의 단위 담체 모듈(블록)을 효과적으로 대용량 구조로 조립 가능하면서 보다 저렴하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 금속 박판으로 이루어진 파판과 평판을 브레이징(brazing) 접합하여 일체화된 파판/평판 조립체를 형성하지 않고 파판과 평판을 교대로 적층한 상태로 조립함에 의해 제조 공정이 단순하며 제조비용의 절감이 가능하다.
본 발명에서는 캔의 일측은 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장부를 일체로 형성하고, 캔의 타측은 셀형성체를 캔 내부에 삽입한 후 오버행 영역에 고정바를 설치하여 셀형성체를 고정함에 의해 조립 공정이 단순하여 생산성이 높은 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 담체 모듈을 이용하여 조립된 대용량 촉매 담체를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촉매 담체 모듈에 대한 일부 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈을 제조하는 방법을 설명하는 공정도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 길이방향 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 촉매 담체 모듈용 캔의 전개도이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 사시도이다.
도 9a는 도 8에 도시된 본 발명의 제4실시에에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 단면도이다.
도 9b는 도 8에 도시된 본 발명의 제4실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 본 발명의 제5실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용촉매 담체 모듈의 확대 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용촉매 담체 모듈의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제7실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용촉매 담체 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
대용량 촉매 반응기는 대형 선박이나 발전소, 소각장과 같은 대형 플랜트 등의 엔진이나 로(furnace)의 후단에 장착되어 질소 산화물(NOx)과 암모니아(NH3)가 섞인 배기가스가 환원반응을 통하여 질소와 물이 생성되도록 구성된다.
도 1을 참조하면, 대용량 촉매 담체는 다수의 촉매 담체 모듈(블록)(1~6)을 좌우 및 상하 방향으로 적층하여 구성된다. 다수의 촉매 담체 모듈(1~6)은 대용량 촉매 반응기를 구성하기 위해 시스템 조립시에 인접한 촉매 담체 모듈과 도시되지 않은 조립 구조물을 이용하여 고정될 수 있다.
다수의 촉매 담체 모듈(블록)(1~6)은 다단 구조로 쉽게 조립 가능하도록 단면이 다각형 형상, 바람직하게는 정사각형 또는 직사각형으로 제작한 후, 다수의 촉매 담체 모듈(1~6)을 용이하게 조립하여 대용량 촉매 반응기를 구성한다.
촉매 담체 모듈(1~6)은 배기관 사이에 배치되는 것으로서, 내부에 촉매를 지지하는 촉매 담체가 다단 또는 일단의 형태로 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈(10)은 양단부가 개방된 사각통 형상으로 이루어진 캔 또는 하우징(11)의 내부에 교대로 적층되어 셀형성체(16)를 구성하는 다수의 평판(14)과 파판(15)이 삽입되어 있다.
상기 평판(14)과 파판(15)은 교대로 적층되면서 배기가스가 통과하는 길이방향으로 평행한 다수의 중공형 셀(17)을 형성한다.
상기 평판(14)과 파판(15), 즉 셀형성체(16)의 길이는 캔(11)의 길이보다 작게 형성되며, 그 결과 도 3과 같이 캔(11)의 입구와 출구에 각각 오버행 구역(18)을 갖는다. 상기 오버행 구역(18)은 촉매 담체 모듈(10)을 상호 조립할 때 이용될 수 있도록 설정한 것이다.
캔(11)의 입구와 출구에 구비된 오버행 구역(18)에는 캔(11)의 내부에 삽입된 셀형성체(16)를 고정시키기 위한 고정부재 또는 고정유닛으로서 제1실시예에서는 각각 캔(11)의 양측면 내측벽에 한쌍의 고정바(12,13)를 밀착시킨 상태로 캔(11)에 고정된다.
상기 고정바(12,13)는 오버행 구역(18)에 삽입되어 조립될 때 캔(11)의 양측 내측벽에 일측면이 밀착되고, 내측면은 평판(14)과 파판(15)과 접촉되어 셀형성체(16)의 유동을 저지하도록 단면이 직사각형 또는 정사각형으로 이루어지고, 일정한 길이를 가지는 사각형 바(bar)로 구성될 수 있다.
즉, 제1실시예에서는 고정바(12,13)의 내측면이 셀형성체(16)와 밀착된 상태에서 고정바(12,13)와 캔(11)의 접촉부에 접합을 실시하여 고정시킨다. 상기 접합(joining) 방법으로는 예를 들어, 브레이징(brazing), 웰딩(welding), 솔더링(soldering), 확산접합(diffusion bonding) 중 하나의 방법을 선택할 수 있다.
상기한 제1실시예와 같이, 캔(11)의 입구와 출구에 구비된 오버행 구역(18)에 각각 한쌍의 고정바(12,13)가 고정설치되어 캔(11) 내부에 삽입된 셀형성체(16)를 고정하게 되면, 종래에 평판(14)과 파판(15)을 접합하여 일체화시키기 위한 브레이징 접합공정을 생략할 수 있게 되어 생산성 향상과 제조비용 절감이 가능하다.
도 4에는 본 발명의 제2실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈이 도시되어 있다.
제2실시예의 촉매 담체 모듈(10a)은 한쌍의 고정바(12,13)를 캔(11)의 양측면 수직벽에 고정시키는 방법에서 차이가 있고 다른 부분은 제1실시예와 동일하다. 따라서, 제1실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
제2실시예에서는 한쌍의 고정바(12,13)를 캔(11)의 양측면 내측벽에 고정시킬 때, 브레이징(brazing)이나 용접(welding) 대신에 고정바(12,13)의 상부와 하부에 예를 들어, 볼트와 너트, 리벳, 고정 스크류 등의 물리적인 체결부재(19)를 사용하여 캔(11)의 양측면에 고정시킨다.
한쌍의 고정바(12,13)와 캔(11)의 양측면에는 체결부재(21)가 통과하도록 관통구멍이 형성되어 있다.
제2실시예와 같이 한쌍의 고정바(12,13)를 체결부재(19)를 사용하여 캔(11)의 양측 내측면에 고정시키면 제1실시예와 동일하게 캔(11) 내부에 삽입된 셀형성체(16)를 간단하게 고정할 수 있게 된다.
제2실시예는 제1실시예와 동일하게 캔(11)의 입구와 출구에 구비된 오버행 구역(18)에 한쌍의 고정바(12,13)가 고정설치되어 캔(11) 내부의 셀형성체(16)를 고정함에 따라, 종래에 평판(14)과 파판(15)을 일체화시키기 위한 브레이징 접합공정을 생략할 수 있게 되어 생산성 향상과 제조비용 절감이 가능하다.
상기 제1 및 제2 실시예의 촉매 담체 모듈은 다수의 평판(14)과 파판(15)이 교대로 적층되어 셀형성체(16)를 형성하면서 평판(14)과 파판(15) 사이에 다수의 중공형 셀(17)이 길이방향으로 형성된다.
파판(15)은 물결 형태 또는 요철 형태로 형성되고, 평판(14)은 평평한 판 형태로 형성되며, 캔(11) 내부에 상호 교대로 적층되면 배기가스가 통과하는 통로인 다수의 중공형 셀(17)이 형성된다. 중공형 셀(17)은 파판(15)의 형상에 따라 파형, 반구형, 허니컴, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형태 중의 하나로 이루어지게 된다.
평판(14)과 파판(15)은 예를 들어, FeCrAl와 같은 내열성 금속 박판 또는 스테인리스 스틸 등과 같은 금속 재질에 의해 형성될 수 있다.
파판(15)은 평판(14)을 코로게이션(corrugation) 처리하여 성형되며, 필요에 따라 셀(17) 사이에 배기가스의 유동이 이루어질 수 있도록 관통구멍이 형성될 수도 있다.
파판(15)과 평판(14)의 표면에는 촉매층이 코팅되어 유입된 배기가스에 포함된 질소 산화물 등을 저감시킨다. 파판(112)과 평판(113)은 20~100㎛ 두께의 금속 박판에 촉매금속으로서, 예를 들면, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 은(은나노 포함), 코발트, 니켈, 구리, 망간 및 세륨으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 또는 바나디아(Vanadia)(V2O5), 이산화티탄(TiO2), 산화텅스텐과 같이 금속 산화물을 사용할 수 있다.
촉매 담체 모듈의 셀형성체(16)는 촉매금속의 종류에 따라 예를 들어, 200~600℃로 촉매 활성온도가 설정된다.
도 5는 본 발명에 따른 금속담체의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
먼저, 금속 박판으로 이루어지고 표면에는 촉매가 코팅되어 있는 평판(14)과 파판(15)을 연속공정에 의해 일정한 길이로 컷팅한 후, 미리 설정한 수만큼 평판(14)과 파판(15)을 교대로 적층하여 셀형성체(16)를 형성한다(S11). 평판(14)과 파판(15)은 캔(11)의 길이보다 짧게 설정된다.
이어서, 셀형성체(16)를 사각형 튜브 형태의 캔(11)에 삽입한다(S12). 캔(11)은 단면 형상이 직사각형 또는 정사각형인 것이 셀형성체(16)를 수용하면서 다단 구조로 적층 조립되는 데 유리하나, 사다리꼴 형태로 구성되는 것도 가능하다. 또한, 캔(11)은 5각형, 6각형, 8각형 등의 다각형 형태로 구성되는 것도 가능하다.
그 후, 셀형성체(16)가 삽입된 캔(11)의 양단부에 형성된 오버행 영역(18)에 한쌍의 고정바(12,13)를 용접 등의 방법으로 고정하거나, 볼트/너트와 같은 체결부재(19)를 사용하여 고정바(12,13)를 캔(11)의 내벽면에 고정시킨다(S13).
이 경우, 고정바(12,13)를 캔(11)의 입구(35) 뿐 아니라 출구(36)에도 동일한 방식으로 설치하여 셀형성체(16)를 캔(11) 내부에 고정시킬 수 있다.
또한, 후술하는 도 6에 도시된 제3실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈(10b)과 같이, 캔(31)의 일측 입구는 고정바(12,13)를 설치하고, 출구(36)에는 스토퍼 역할을 하도록 캔(31)의 좌/우 측면으로부터 한쌍의 연장절곡부(33,34)를 연장 형성하는 것도 가능하다.
도 6에는 본 발명의 제3실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 길이방향 단면도, 도 7에는 제3실시예의 촉매 담체 모듈에 사용되는 캔의 전개도가 도시되어 있다.
본 발명의 제3실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈(10b)은 셀형성체(6)가 삽입되는 캔(31)이 일측 입구(35)에는 오버행 영역(18)이 형성되나, 반대측 출구(36)에는 양측면에 캔으로부터 연장된 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)가 직각으로 절곡되어 있다.
제3실시예에 따른 캔(31)은 도 7의 전개도와 같이, 사각형 튜브의 4면을 이루는 측면부(32a-32d)와 2측면부로부터 직각으로 연장된 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)를 포함하고 있다. 따라서, 전개도를 조립하여 사각형 튜브를 형성하는 경우, 마주보는 2개 측면은 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)가 돌출되어 있으며, 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)를 측면부(32b,32d)에 대하여 직각으로 절곡한다.
촉매 담체 모듈(10b)을 조립할 때, 먼저 오버행 영역(18)이 형성된 입구(35)로부터 평판(14)과 파판(15)이 교대로 적층된 셀형성체(16)의 선단부가 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)와 접촉이 이루어질 때까지 삽입하고, 입구(35)의 양측면에 고정바(12,13)를 캔(31)의 내측면 벽에 고정시키면 간단하게 조립이 완성된다.
상기한 제3실시예는 캔(31)을 형성하는 공정에서 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)를 함께 성형하면 일측에 고정바(12,13)를 고정시키는 공정을 생략할 수 있어 조립공정을 단축할 수 있게 된다.
또한, 상기 제3실시예의 캔(31)은 출구측이 제1 및 제2 연장절곡부(33,34)에 의해 삽입되는 셀형성체(16)의 이탈을 방지할 수 있으므로 캔(31)에 셀형성체(16)를 삽입하는 공정이 쉽게 처리될 수 있고 자동화도 용이하게 적용될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실시예에서 고정바(12,13)가 일측 입구에 2개를 사용하여 설치하는 것을 예시하였으나, 3측면 또는 4개 측면에 모두 설치하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 대용량 촉매 반응기용 촉매 담체 모듈의 사시도이고, 도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제4실시예에 따른 촉매 담체 모듈의 길이방향 단면도이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 촉매 담체 모듈(10c)은 도 8 및 도 9a에 도시된 바와 같이, 양쪽이 관통된 통형상의 캔(11)과, 상기 캔(11)에 삽입되며 평판(14)과 파판(15)이 교대로 적층된 셀형성체(16)를 포함한다.
캔(11)은 단면이 사각형 형태의 셀형성체(16)가 수용될 수 있도록 양단이 개구된 사각통 형태이고, 그 양단은 배기관에 연결된다.
본 발명의 평판(14)과 파판(15)은 별도의 브레이징 접합공정을 거치지 않기 때문에 상호 접합되지 않고 캔(11) 내부에 교대로 적층된다. 따라서, 캔(11)에는 상호 접합되지 않은 평판(14)과 파판(15)이 캔(11)에서 이탈되지 않고 고정된 상태를 유지할 수 있도록 하는 고정유닛이 부가된다.
제4실시예에 따른 고정유닛은 도 9a와 같이 사각통 형태의 캔(11)에서 연장되게 형성되고 캔(11) 내측방향으로 180도 각도로 절곡되어 그 끝부분이 평판(14)과 파판(15)의 가장자리에 접촉되어 평판(14)과 파판(15)이 적층된 상태를 유지하면서 캔(11)에 수납된 상태를 유지하는 연장고정부(20)를 포함한다.
연장고정부(20)는 캔(11)과 일체로 형성되어 캔(11)에 평판(14)과 파판(15)을 교대로 적층한 후 연장고정부(20)를 180도의 각도로 절곡하면 연장고정부(20)의 끝부분(즉, 선단부)이 평판(14)과 파판(15)의 가장자리에 걸림되어 평판(14)과 파판(15)을 고정한다.
연장고정부(20)는 구체적으로 캔(11)의 전방 제1측면(11a)에서 연장된 후 180도 절곡되는 제1고정부(22)와, 제1측면(11a)과 마주보게 배치되는 캔(11)의 전방 제2측면(11b)에서 연장된 후 180도 절곡되는 제2고정부(24)와, 캔(11)의 후방 제1측면(11a)에서 연장된 후 180도 절곡되는 제3고정부(26)와, 캔(11)의 후방 제2측면(11b)에서 연장된 후 180도 절곡되는 제4고정부(28)를 포함할 수 있다.
또한, 제4실시예에 따른 변형된 고정유닛은 도 9b에 도시된 바와 같이, 캔(11)에 일체로 형성되고 캔(11)의 양측면에서 각각 90도 각도로 절곡되어, 그 내면이 평판(14)과 파판(15)의 가장자리에 접촉되는 제1 내지 제4 연장절곡부(21,23,25,27)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제4실시예에 따른 연장고정부(20) 및 연장절곡부(21,23,25,27)는 캔(11)을 제조할 때 캔(11)과 일체로 형성되므로 별도로 제조할 필요가 없다.
캔(11)에 셀형성체(16)를 조립하는 경우, 먼저 캔(11)의 일측에 제3 및 제4 고정부(26,28) 또는 제3 및 제4 연장절곡부(25,27)를 형성한 후, 평판(14)과 파판(15)을 교대로 적층한 셀형성체(16)를 캔(11) 내부에 삽입하고, 캔(11)의 타측에 제1 및 제2 고정부(22,24) 또는 제1 및 제2 연장절곡부(21,23)를 형성하면 셀형성체(16)의 고정이 완료되므로 제조공정을 단순화할 수 있다.
제5실시예에 따른 고정유닛은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1캔(50) 및 제2캔(52)의 측면에 각각 관통되게 형성되는 고정슬롯(40)과, 고정슬롯(40)에 끼움 결합되어 제1캔(50) 및 제2캔(52) 사이를 상호 고정함과 동시에 셀형성체(16)가 제1캔(50) 및 제2캔(52)에서 이탈되지 않도록 고정하는 쐐기부재(60)를 포함한다.
제1캔(50) 및 제2캔(52)에 일 예로, 셀형성체(16)가 상하방향으로 적층되면 고정슬롯(40) 역시 제1캔(50) 및 제2캔(52)의 측면에 상하방향으로 길게 형성된다. 즉, 고정슬롯(40)은 셀형성체(16)의 적층되는 방향과 동일한 방향으로 길게 형성된다.
촉매 담체 모듈은 대용량 촉매 반응기에 사용될 경우 복수의 촉매 담체 모듈이 상하 또는 좌우 방향으로 조합되어 사용된다.
일 예로, 제1 촉매 담체 모듈(50)과 제2 촉매 담체 모듈(52)이 좌우방향으로 배열될 경우 제1캔(50)과 제2캔(52)이 수평방향으로 배열되고, 제1캔(50)의 제1측면(42)과 제2캔(52)의 제2측면(44)이 서로 접촉된 상태로 배열된다.
이때, 제1캔(50)에 형성되는 제1고정슬롯(46)과 제2캔(52)에 형성되는 제2고정슬롯(48)은 서로 연통되게 배열되고, 쐐기부재(60)는 제1고정슬롯(46)과, 제2고정슬롯(48)을 통과하여 제1캔(50)과 제2캔(52) 사이를 고정한다.
쐐기부재(60)는 제1캔(50)과 제2캔(52)이 접촉된 상태로 끼움 결합되는 끼움 홈부(62)와, 끼움 홈부(62)의 일측에서 돌출되어 제1캔(50)에 적층된 셀형성체(16)를 고정하는 제1고정돌기(64)와, 끼움 홈부(62)의 타측에서 돌출되어 제2캔(52)에 적층된 셀형성체(16)를 고정하는 제2고정돌기(66)를 포함한다.
이와 같이, 대용량 촉매 반응기를 구현하기 위해 복수의 촉매 담체 모듈이 조합될 경우 쐐기부재(60)를 고정슬롯(40)에 끼움 결합하면 촉매 담체 모듈들 사이의 고정이 이루어짐과 동시에 제1캔(50) 및 제2캔(52)에 적층되는 평판(14)과 파판(15)이 고정되므로 조립 공정을 대폭 축소할 수 있다.
제6실시예에 따른 촉매 담체 모듈의 고정유닛은 도 12에 도시된 바와 같이, 캔(11)의 양쪽 측면에 끼움 결합되어 평판(14)과 파판(15)을 고정하는 스페이서 부재(70)를 포함할 수 있다.
스페이서 부재(70)는 세라믹이나 금속재질 등 내열성 재질로 형성되고 캔(11)에 길이방향으로 삽입하면 평판(14)과 파판(15)의 끝부분이 스페이서 부재(70)에 의해 가압되어 캔(11)에 고정된 상태를 유지한다.
이러한 스페이서 부재(70)는 캔(11)의 양쪽 측면뿐만 아니라 상면 및 하면에도 삽입될 수 있다.
제7실시예에 따른 촉매 담체 모듈의 고정유닛은 도 13에 도시된 바와 같이, 캔(11)에 셀형성체를 구성하도록 평판(14)과 파판(15)을 교대로 적층한 후 캔(11)의 내면과 평판(14) 사이를 용접한 제1용접부(80)와, 캔(11)의 내면과 파판(15) 사이를 용접한 제2용접부(82)를 포함한다.
이와 같이, 평판(14)과 캔(11) 내면 사이 및 파판(15)과 캔(11) 내면 사이에만 용접하면 되므로 평판(14)과 파판(15) 사이의 모든 접점을 용접할 때에 비해 용접부의 개수를 대폭 줄일 수 있어 제조공정을 단순화할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 제4실시예의 고정유닛은 입구와 출구에 모두 동일한 방법으로 셀형성체의 이탈을 방지하고 있으나, 도 6의 제2실시예와 유사하게, 출구에는 제3 및 제4 고정부(26,28) 또는 제3 및 제4 연장절곡부(25,27)를 형성하고, 입구에 고정바(12,13)를 설치하는 경우 셀형성체의 조립시간을 단축할 수 있다.
또한, 필요에 따라 출구에는 제3 및 제4 고정부(26,28) 또는 제3 및 제4 연장절곡부(25,27)를 형성하고, 입구에 쐐기부재(60)를 고정슬롯(46,48)에 결합하거나 평판과 파판의 끝부분을 캔의 내면에 용접하여 셀형성체의 이탈을 방지하는 것도 가능하다.
본 발명에서는 셀형성체의 이탈을 방지하도록 제1 내지 제7 실시예에 따른 고정유닛을 상호 조합하여 캔의 입구와 출구에 설치할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 촉매 담체 모듈이 대용량 촉매 반응기에 사용하는 것을 예시하였으나, 본원발명은 금속 박판으로 이루어진 파판과 평판을 브레이징 접합하여 일체화된 파판/평판 조립체를 형성하지 않고 파판과 평판을 교대로 적층한 상태로 캔 내부에 조립하여 구성되는 촉매 담체 모듈을 사용하는 것이라면 대용량 촉매 반응기에 한정되지 않고 어떤 반응기에도 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 대형 선박, 발전소, 소각장과 같은 대형 플랜트 등에 사용되는 대용량 촉매 반응기의 촉매 담체 모듈에 적용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 입구와 출구를 갖는 사각통 형상으로 이루어진 캔;
    표면에 촉매가 코팅된 파판 및 평판이 교대로 적층되어 다수의 중공형 셀이 형성되고 상기 캔에 삽입된 셀형성체; 및
    상기 캔으로부터 셀형성체가 이탈하는 것을 방지하기 위해 캔의 입구 및 출구에 설치된 고정유닛;을 포함하는 촉매 담체 블록.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은 상기 캔의 입구와 출구에 설치되어 셀형성체가 캔으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 복수의 고정바;를 포함하는 촉매 담체 블록.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정바는 캔의 양측면에 체결부재를 사용하여 고정되는 촉매 담체 블록.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고정바는 캔에 브레이징, 웰딩, 솔더링, 확산접합 중 하나의 방법으로 접합되는 촉매 담체 블록.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은 상기 캔의 입구와 출구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 내지 제4 고정부;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 입구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및
    상기 캔의 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제3 및 제4 연장절곡부;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 측면에 관통되게 형성되는 고정슬롯; 및
    상기 고정슬롯에 끼움 결합되어 서로 이웃하여 정렬되는 제1캔과 제2캔 사이를 고정함과 동시에 제1캔과 제2캔에 삽입된 셀형성체의 이탈을 방지하는 쐐기부재;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 입구 또는 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및
    상기 캔의 출구 또는 입구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 고정부;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부; 및
    상기 캔의 입구에 설치되어 셀형성체가 캔으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 제1 및 제2 고정바;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 입구 또는 출구에 설치되어 셀형성체가 캔으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 제1 및 제2 고정바; 및
    상기 캔의 출구 또는 입구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 고정부;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 입구 또는 출구로부터 양측면이 연장된 후 직각 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 연장절곡부;
    상기 캔의 출구 또는 입구 측면에 관통되게 형성되는 고정슬롯; 및
    상기 고정슬롯에 끼움 결합되어 서로 이웃하여 정렬되는 제1캔과 제2캔 사이를 고정함과 동시에 제1캔과 제2캔에 삽입된 셀형성체의 이탈을 방지하는 쐐기부재;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은
    상기 캔의 입구 또는 출구로부터 각각 양측면이 연장된 후 180도 절곡되어 셀형성체의 이탈을 방지하는 제1 및 제2 고정부;
    상기 캔의 출구 또는 입구 측면에 관통되게 형성되는 고정슬롯; 및
    상기 고정슬롯에 끼움 결합되어 서로 이웃하여 정렬되는 제1캔과 제2캔 사이를 고정함과 동시에 제1캔과 제2캔에 삽입된 셀형성체의 이탈을 방지하는 쐐기부재;를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은 상기 캔의 내면과 셀형성체 사이에 삽입되어 셀형성체를 고정하는 스페이서 부재를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고정유닛은 상기 평판 및 파판의 끝부분을 캔의 내면과 용접하여 고정하는 용접부를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 캔의 입구와 출구에는 각각 오버행 영역이 마련되도록 상기 셀형성체는 캔의 길이보다 짧게 설정되며,
    상기 고정유닛은 상기 오버행 영역에 설치되는 촉매 담체 모듈.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 쐐기부재는 제1캔과 제2캔의 측면이 끼움 결합되는 끼움 홈부;
    상기 끼움 홈부의 일측에서 돌출되어 상기 제1캔에 적층된 평판과 파판을 고정하는 제1고정돌기; 및
    상기 끼움 홈부의 타측에서 돌출되어 상기 제2캔에 적층된 평판과 파판을 고정하는 제2고정돌기를 포함하는 촉매 담체 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 셀성형체의 파판과 평판은, 금속 박판에 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 은, 코발트, 니켈, 구리, 망간 및 세륨으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 또는 바나디아(V2O5), 이산화티탄(TiO2), 산화텅스텐 중 하나의 금속 산화물이 코팅된 촉매 담체 모듈.
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