KR101965428B1 - Catalytic combustion apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 촉매 연소부로 공급되는 혼합기를 보다 균일하게 공급되도록 개선하여 촉매연소 반응을 안정적으로 유도할 수 있으며, 균일한 전열면을 갖고 개질기의 개질효율을 향상시킬 수 있는 촉매연소장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치는 촉매 연소기의 입구측에 구비되며, 공기와 연료의 혼합기가 공급되는 혼합기 공급라인과 연결되어 혼합기가 유입되는 입구와, 복수의 노즐이 배치되어 혼합기가 배출되는 출구를 갖고 유입된 혼합기가 1차적으로 균일하게 분배되는 제1 분배부, 제1 분배부에 연이어 구비되며, 제1 분배부로부터 공급되는 혼합기가 미리 형성된 복수의 미세유로를 통해 2차적으로 균일하게 분배되는 제2 분배부, 그리고 제1 분배부와 제2 분배부를 통해 단계적으로 균일하게 공급되는 혼합기가 미리 설정된 공간속도로 유입되어 단계적으로 연소되는 복수의 촉매단을 포함하는 촉매 연소부를 포함하며, 복수의 촉매단은 서로 다른 함량 또는 같은 함량의 백금(Pt)이 각각 코팅된 복수의 연소 촉매체가 단계적으로 형성되며, 이전 단계의 연소 촉매체에서 연소되지 않은 혼합기가 다음 단계의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소되는 연소용 촉매단을 포함한다.An embodiment of the present invention is to improve the mixer to be supplied to the catalytic combustion unit more uniformly to induce a catalytic combustion reaction, and to provide a catalytic combustion device having a uniform heat transfer surface to improve the reforming efficiency of the reformer It is to provide. Catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention is provided at the inlet side of the catalytic combustor, is connected to the mixer supply line is supplied with a mixture of air and fuel inlet to the mixer inlet, a plurality of nozzles are arranged to discharge the mixer A first distributor having a first outlet and a first distributor having a uniformly distributed outlet, and a first distributor having a uniformly distributed outlet, and having a mixer supplied from the first distributor being secondarily uniform through a plurality of microchannels previously formed And a catalytic combustion unit including a plurality of catalyst stages which are distributed in a uniform manner, and a mixer supplied uniformly in stages through the first and second distribution units is introduced at a predetermined space velocity and burned in stages. In the plurality of catalyst stages, a plurality of combustion catalyst bodies each coated with a different content or the same amount of platinum (Pt) are formed in stages. The uncombusted mixer in the combustion catalyst body of the system includes a combustion catalyst stage which is introduced into and combusted in the next stage combustion catalyst body.
Description
본 발명은 촉매연소장치에 관한 것이다.The present invention relates to a catalytic combustion device.
촉매연소장치는 가연성 가스가 고체인 촉매와 접촉 반응되어 연소되는 장치이다. 촉매연소장치는 연소 반응이 촉매의 표면에서 이루어지고 활성화 에너지가 낮기 때문에 화염연소방식에 비해 낮은 온도에서 연소 반응이 이루어진다. 한편, 수소 공급원으로써 다양한 탄화수소계 및 알코올계 연료를 이용한 개질기가 개발되고 있다. 탄화수소계와 같은 연료의 경우, 스팀 개질(Steam Reforming) 기법을 이용하여 수소를 생성할 수 있다. 탄화수소계 연료가 개질될 때 흡열반응을 하므로 개질을 위한 열원이 필요하다. 개질 시스템에서 개질촉매에 안정적인 열원 공급은 상당히 중요하다. 현재 많이 사용하고 있는 열원은 전기히터이다. 전기에너지는 연료를 직접 사용하는 것보다 열효율이 낮다. 연료를 직접 연소시킬 경우 화염 연소는 고온의 화염에서 열적 질소산화물질(NOx)이 발생하여 공해 문제를 일으킨다. 촉매연소는 열적 질소산화물질이 발생하는 온도 영역을 피하여 초희박 영역에서 연소시킬 수 있어 질소산화물질을 발생시키지 않으면서 촉매표면에서 산화반응으로 미연물질과 불완전연소에서 생성되는 일산화탄소(CO)를 배출하지 않는 초저공해를 달성할 수 있다. 개질촉매가 넓은 면적을 가진 구조라면, 촉매연소와 같이 촉매의 표면에서 연료를 연소시키는 특성을 살려 보다 넓은 면적에서 균일한 전열면을 확보할 수 있는 촉매연소장치의 개발이 필요하다.Catalytic combustion devices are devices in which a combustible gas is brought into contact with and combusted with a solid catalyst. In the catalytic combustion device, the combustion reaction is performed at a lower temperature than the flame combustion method because the combustion reaction is performed on the surface of the catalyst and the activation energy is low. Meanwhile, reformers using various hydrocarbon-based and alcohol-based fuels have been developed as hydrogen sources. In the case of fuels such as hydrocarbons, hydrogen may be generated using a steam reforming technique. Since the endothermic reaction when the hydrocarbon-based fuel is reformed, a heat source for reforming is required. In a reforming system, a stable heat source for the reforming catalyst is of great importance. Currently used heat source is an electric heater. Electrical energy is less thermally efficient than using fuel directly. In case of direct combustion of fuel, flame combustion causes pollution problem due to thermal nitrogen oxide (NOx) in high temperature flame. Catalytic combustion can be burned in the ultra-lean region avoiding the temperature range where thermal nitrogen oxides are generated, and emits unburned materials and carbon monoxide (CO) produced by incomplete combustion by oxidation reaction on the catalyst surface without generating nitrogen oxides. We can achieve super low pollution that we do not. If the reforming catalyst has a large area, it is necessary to develop a catalytic combustion device that can ensure a uniform heat transfer surface in a larger area by utilizing the characteristics of burning fuel on the surface of the catalyst such as catalytic combustion.
본 발명의 실시예는 촉매 연소부로 공급되는 혼합기를 보다 균일하게 공급되도록 개선하여 촉매연소 반응을 안정적으로 유도할 수 있으며, 균일한 전열면을 갖고 개질기의 개질효율을 향상시킬 수 있는 촉매연소장치를 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention is to improve the mixer to be supplied to the catalytic combustion unit more uniformly to induce a catalytic combustion reaction, and to provide a catalytic combustion device having a uniform heat transfer surface to improve the reforming efficiency of the reformer It is to provide.
본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치는 촉매 연소기의 입구측에 구비되며, 공기와 연료의 혼합기가 공급되는 혼합기 공급라인과 연결되어 혼합기가 유입되는 입구와, 복수의 노즐이 배치되어 혼합기가 배출되는 출구를 갖고 유입된 혼합기가 1차적으로 균일하게 분배되는 제1 분배부, 제1 분배부에 연이어 구비되며, 제1 분배부로부터 공급되는 혼합기가 미리 형성된 복수의 미세유로를 통해 2차적으로 균일하게 분배되는 제2 분배부, 그리고 제1 분배부와 제2 분배부를 통해 단계적으로 균일하게 공급되는 혼합기가 미리 설정된 공간속도로 유입되어 단계적으로 연소되는 복수의 촉매단을 포함하는 촉매 연소부를 포함하며, 복수의 촉매단은 서로 다른 함량 또는 같은 함량의 백금(Pt)이 각각 코팅된 복수의 연소 촉매체가 단계적으로 형성되며, 이전 단계의 연소 촉매체에서 연소되지 않은 혼합기가 다음 단계의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소되는 연소용 촉매단을 포함한다.Catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention is provided at the inlet side of the catalytic combustor, is connected to the mixer supply line is supplied with a mixture of air and fuel inlet to the mixer inlet, a plurality of nozzles are arranged to discharge the mixer A first distributor having a first outlet and a first distributor having a uniformly distributed outlet, and a first distributor having a uniformly distributed outlet, and having a mixer supplied from the first distributor being secondarily uniform through a plurality of microchannels previously formed And a catalytic combustion unit including a plurality of catalyst stages which are distributed in a uniform manner, and a mixer supplied uniformly in stages through the first and second distribution units is introduced at a predetermined space velocity and burned in stages. In the plurality of catalyst stages, a plurality of combustion catalyst bodies each coated with a different content or the same amount of platinum (Pt) are formed in stages. The uncombusted mixer in the combustion catalyst body of the system includes a combustion catalyst stage which is introduced into and combusted in the next stage combustion catalyst body.
제1 분배부는 입구에 연결되는 출구와 혼합기 분배유로를 형성하도록 중공형상으로 길게 형성되며, 혼합기가 더 균일하게 분사되도록 제1 분배부의 길이방향을 따라 출구에 배치된 복수의 노즐의 직경을 다르게 형성할 수 있다.The first distribution part is elongated in a hollow shape so as to form a mixer distribution flow path and an outlet connected to the inlet, and different diameters of the plurality of nozzles disposed at the outlet along the longitudinal direction of the first distribution part so that the mixer is more uniformly sprayed. can do.
복수의 노즐은 제1 분배부의 길이방향 중심부에 미리 설정된 간격을 두고 배치된 2개의 제1 노즐, 제1 노즐을 기준으로 제1 분배부의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치되는 2개의 제2 노즐, 그리고 제2 노즐을 기준으로 제1 분배부의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치되는 2개의 제3 노즐을 포함하고, 제1 분배부의 길이방향 중심부에서부터 바깥쪽으로 갈수록 노즐의 직경크기가 점차 작아지게 형성할 수 있다. 여기서, 제1 노즐의 직경은 2mm이며, 제2 노즐의 직경은 1.8mm이고, 제3 노즐의 직경은 1.5mm로 형성할 수 있다.The plurality of nozzles may include two first nozzles disposed at a predetermined center in a longitudinal center portion of the first distribution part, and two agents disposed outwardly at both sides at intervals along the length direction of the first distribution part with respect to the first nozzle. Two nozzles, and two third nozzles disposed outwardly at both sides at intervals along the length direction of the first dispensing part with respect to the second nozzle, and the diameter size of the nozzle toward the outside from the longitudinal center of the first dispensing part; It can be formed to become smaller gradually. Herein, the diameter of the first nozzle may be 2 mm, the diameter of the second nozzle may be 1.8 mm, and the diameter of the third nozzle may be 1.5 mm.
제2 분배부는 복수의 미세유로가 불규칙하게 형성되어 제1 분배부로부터 공급되는 혼합기의 난류를 유도하는 탄화규소(SiC)계 세라믹 재질의 폼 타입 담체를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 미세 유로는 제2 분배부의 내부와 표면을 포함한 전체면에 형성될 수 있다.The second distribution part may include a foam type carrier made of silicon carbide (SiC) -based ceramic material which is irregularly formed with a plurality of microchannels to induce turbulence of the mixer supplied from the first distribution part. Here, the plurality of fine flow paths may be formed on the entire surface including the inside and the surface of the second distribution part.
한편, 혼합기의 미리 설정된 공간속도는 10,000h-1 내지 35,000h-1로 설정할 수 있다. On the other hand, pre-set the space velocity of the mixture may be set to 10,000h -1 to about 35,000h -1.
복수의 촉매단은 제2 분배부와 연소용 촉매단 사이에 배치되며, 혼합기가 점화되어 연소되는 점화용 촉매단을 더 포함하고, 연소용 촉매단은 점화용 촉매단에서 연소되지 않은 혼합기가 복수의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소될 수 있다.The plurality of catalyst stages are disposed between the second distribution section and the combustion catalyst stage, and the catalyst stage further includes an ignition catalyst stage in which the mixer is ignited and combusted. May be introduced into the combustion catalyst body in stages and combusted.
점화용 촉매단에 전기히터를 코일형태로 감아 형성되어 점화용 촉매단에 포함된 촉매의 점화에 필요한 열을 공급하는 열 공급부, 그리고 열 공급부로 미리 설정된 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다. It may further include a heat supply unit formed by winding an electric heater in the form of a coil in the ignition catalyst stage to supply heat for ignition of the catalyst included in the ignition catalyst stage, and a power supply unit supplying a predetermined power to the heat supply unit. have.
복수의 연소 촉매체는 미리 설정된 제1 설정 함량의 백금이 포함되고, 점화용 촉매단으로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제1 연소 촉매체, 제1 설정 함량의 백금보다 더 많은 제2 설정 함량의 백금이 포함되고, 제1 연소 촉매체로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제2 연소 촉매체, 그리고 제2 설정 함량의 백금과 적어도 같은 제3 설정 함량의 백금이 포함되고, 제2 연소 촉매체로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제3 연소 촉매체를 포함할 수 있다.The plurality of combustion catalyst bodies include a first predetermined amount of platinum, the first combustion catalyst body in which the unburned mixer supplied from the ignition catalyst stage is introduced and combusted, the second more than the first set amount of platinum. A set amount of platinum is included, a second combustion catalyst body in which the unburned mixer supplied from the first combustion catalyst body is introduced and combusted, and a third set content of platinum at least equal to the second set content of platinum, The unburned mixer supplied from the second combustion catalyst body may include a third combustion catalyst body which is introduced and combusted.
촉매 연소기의 출구측에 구비되며, 촉매 연소부에서 배출되는 가스를 외부로 배출하는 배출부를 더 포함하며, 배출부의 단면적은 제3 연소 촉매체의 단면적의 50%이상의 크기를 가질 수 있다.It is provided on the outlet side of the catalytic combustor, and further comprises a discharge unit for discharging the gas discharged from the catalytic combustion unit to the outside, the cross-sectional area of the discharge portion may have a size of 50% or more of the cross-sectional area of the third combustion catalyst body.
촉매 연소부로 공급되는 혼합기를 보다 균일하게 공급할 수 있으며, 촉매연소 반응시 촉매의 보다 넓은 면적에서 균일한 전열면을 확보할 수 있으므로 개질효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.It is possible to more uniformly supply the mixer supplied to the catalytic combustion unit, it is possible to ensure a uniform heat transfer surface in a larger area of the catalyst during the catalytic combustion reaction has the effect of improving the reforming efficiency.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 수치계산에 의한 제1 분내부의 유동장 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 공간속도 증가에 따른 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO) 배출량을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 제1 분배부만 가지는 촉매 연소기의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 제1 분배부만 가지는 촉매 연소기의 배출가스 농도를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 제1 분배부와 제2 분배부를 사용한 촉매 연소기의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 제1 분배부와 제2 분배부를 사용한 촉매 연소기의 배출가스 농도를 도시한 도면이다.
도 8은 분배부의 종류에 따른 표면온도 분포의 RMSE 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 촉매 연소기의 분배부 종류와 촉매단별 연소기 출구의 단면적에 따른 차압을 도시한 도면이다.
도 10은 연소용 촉매단에서 Case 1과 Case 6의 차압으로 인한 탄화수소(HC)의 발생량을 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a flow field analysis result of the first minute portion by numerical calculation.
3 is a view showing hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions with increasing space velocity.
4a to 4f show the temperature distribution of the catalytic combustor having only the first distribution.
FIG. 5 is a view illustrating exhaust gas concentration of a catalytic combustor having only a first distribution part.
6a to 6f show the temperature distribution of the catalytic combustor using the first and second distributors.
FIG. 7 is a view illustrating exhaust gas concentrations of a catalytic combustor using a first distribution unit and a second distribution unit.
FIG. 8 is a diagram illustrating an RMSE evaluation result of surface temperature distribution according to the type of distribution part. FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a differential pressure according to a distribution type of a catalytic combustor and a cross-sectional area of a combustor outlet for each catalyst stage.
10 is a view showing the amount of hydrocarbon (HC) generated by the differential pressure of
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the term "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, and / or component, and other specific characteristics, region, integer, step, operation, element, component, and / or group. It does not exclude the presence or addition of.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly defined terms used are additionally interpreted to have a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치는 촉매 연소기(10) 내부에 구비되는 제1 분배부(200), 제2 분배부(210), 촉매 연소부(220, 300)를 포함한다. 촉매 연소기(10)의 케이스(330) 재질은 열적 내구성 및 열전도도를 만족하는 SUS304를 사용할 수 있다. 촉매 연소기(10)는 주변 기기와의 설치 간섭문제와 균일한 전열면적을 얻기 위해 두께 또는 폭이 좁고 긴 사각 형상으로 형성할 수 있다. 촉매 연소기(10)는 넓은 면적의 균일한 온도를 얻을 수 있도록 60mm x 10mm x 80mm의 사각형상으로 형성할 수 있다.1 is a view schematically showing a catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention includes a
제1 분배부(200)는 공기와 연료의 혼합기가 공급되는 혼합기 공급라인과 연결되어 촉매 연소기(10)의 내부 입구측에 구비된다. 제1 분배부(200)는 다른 도면에서 T-type으로도 표기될 수 있다. 한편, 혼합기 공급라인은 공기를 공급하는 공기펌프(100), 공기펌프(100)로부터 공급된 공기의 공급량을 조절하는 공기 유량 조절부(120), 연료탱크(110)에 저장된 연료의 공급량을 조절하는 연료 유량 조절부(125), 공기 유량 조절부(120)로부터 공급되는 공기와 연료 유량 조절부(125)로부터 공급되는 연료를 균일하게 혼합하여 촉매 연소기(10)의 내부로 공급하는 혼합부(130)를 포함할 수 있다. 혼합부(130) 내부에는 연료와 공기가 잘 혼합할 수 있도록 다양한 형태로 형성되는 혼합 보조부를 더 구비할 수 있다. 예를 들면 혼합부(130) 내부에 날개형상 또는 스크류 형상의 혼합 보조부를 구비할 수 있고, 금속망을 추가할 수도 있다.The
한편, 혼합부(130) 내부에서 혼합된 연료와 공기의 혼합기를 납작한 사각형상의 촉매 연소기(10)의 내부로 균일하게 공급할 수 있도록 제1 분배부(200)를 포함한다. 여기서, 제1 분배부(200)는 스테인리스 강관으로 형성할 수 있다. 제1 분배부(200)는 노즐형 분배부로 형성할 수 있다. 제1 분배부(200)는 혼합기가 유입되는 입구(202)와, 복수의 노즐이 배치되어 혼합기가 배출되는 출구(206)를 갖고 유입된 혼합기를 1차적으로 균일하게 분배할 수 있다. 제1 분배부(200)는 입구(202)에 연결되는 출구(206)와 혼합기 분배유로(204)를 형성하도록 중공형상으로 길게 형성된다. 제1 분배부(200)는 혼합기가 더 균일하게 분사되도록 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 출구(206)에 배치된 복수의 노즐의 직경을 다르게 형성할 수 있다. 여기서, 복수의 노즐은 제1 노즐(206a), 제2 노즐(206b), 제3 노즐(206c)을 포함한다. 제1 노즐(206a), 제2 노즐(206b), 제3 노즐(206c)은 각각 2개씩 배치된다. 즉, 제1 분배부(200)는 길이방향으로 형성된 파이프 형상의 양측 개구부를 막고 길이방향을 따라 등간격으로 6개의 구멍을 뚫어 노즐 형태로 형성할 수 있다. 그리고 6개의 노즐은 혼합기가 균일하게 분사될 수 있도록 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 중심부인 안쪽에서부터 바깥쪽으로 갈수록 노즐의 직경크기가 점차 작아지도록 형성할 수 있다. 먼저, 제1 노즐(206a)은 제1 분배부(200)의 길이방향 중심부에 미리 설정된 간격을 두고 각각 배치된다. 제2 노즐(206b)은 제1 노즐(206a)을 기준으로 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치된다. 제3 노즐(206c)은 제2 노즐(206b)을 기준으로 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치된다. 제1 분배부(200)의 길이방향 중심부에서부터 바깥쪽으로 갈수록 노즐의 직경크기가 점차 작아지게 형성할 수 있다. 여기서, 제1 노즐(206a)의 직경은 2mm이며, 제2 노즐(206b)의 직경은 1.8mm이고, 제3 노즐(206c)의 직경은 1.5mm로 형성할 수 있다.On the other hand, the
제2 분배부(210)는 제1 분배부(200)에 근접된 위치에서 제1 분배부(200)에 연이어 구비된다. 제2 분배부(210)는 다른 도면에서 C-type으로도 표기될 수 있다. 제1 분배부(200)로부터 공급되는 혼합기를 더욱 균일한 혼합기로 공급하기 위하여 제1 분배부(200)와 촉매 연소부(220, 300) 사이에 제2 분배부(210)를 구비할 수 있다. 즉 제1 분배부(200) 다음에 연이어 제2 분배부(210)를 구비함으로써 혼합기의 균일한 분배효과를 얻을 수 있다. 이를 위해 제2 분배부(210)는 제1 분배부(200)로부터 공급되는 혼합기가 미리 형성된 복수의 미세유로를 통과하면서 2차적으로 균일하게 분배되는 구조로 형성될 수 있다. 제2 분배부(210)는 세라믹 분배부를 포함할 수 있다. 제2 분배부(210)는 복수의 미세유로가 불규칙하게 형성되어 제1 분배부(200)로부터 공급되는 혼합기의 난류를 유도하는 탄화규소(SiC) 등이 세라믹 재질의 폼 타입 담체를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 미세 유로는 제2 분배부(210)의 내부와 표면을 포함한 전체면에 형성될 수 있다. 제2 분배부(210)의 전체면에 작은 세공이 불규칙하게 형성됨으로써 불규칙한 미세 유로구조가 혼합기의 난류를 유도하여 재혼합 및 분배효과를 크게 할 수 있다. 따라서, 제2 분배부(210)를 통해 촉매 연소부(220, 300)로 공급되는 혼합기의 균일한 분배효율을 개선할 수 있다.The
촉매 연소부(220, 300)는 제1 분배부(200)와 제2 분배부(210)를 통해 단계적으로 균일하게 공급되는 혼합기가 유입되어 연소되는 복수의 촉매단을 포함하며, 유입된 혼합기는 미리 설정된 공간속도(SV ; Space Velocity)로 복수의 촉매단을 지나며 단계적으로 연소된다. 여기서, 혼합기의 미리 설정된 공간속도는 10,000h-1 내지 35,000h-1로 설정할 수 있다. 혼합기의 공간속도는 혼합기의 촉매내 흐르는 질량유량(L/h)/촉매 체적(L)으로 산출된다. 공간속도가 빠르게 되면 혼합기가 공급되는 유속이 빨라지게 되어 혼합기가 촉매 연소부(220, 300)의 내부에서 체류하는 시간이 짧아지게 된다. 따라서 촉매 활성화 시간을 충분히 갖지 못하기 때문에 연소되지 않은 탄화수소(HC) 계열의 배출물이 발생하고, 그로 인해 낮은 수준의 일산화탄소(CO)도 발생한다. 또한 초기에 저온의 혼합기로 인해 촉매 연소부(220, 300)의 온도 저하를 초래하여 착화가 어렵게 된다. 이와는 달리, 공간속도가 너무 느린 경우 반응물의 체류시간은 길어지게 되지만 연소안정을 위한 지속적인 열 공급이 이루지지 않기 때문에 촉매 활성화가 정상상태에 도달하는 시간이 길어진다.The
복수의 촉매단은 점화용 촉매단(220)과 연소용 촉매단(300)을 포함할 수 있다. 점화용 촉매단(220)은 제2 분배부(210)와 연소용 촉매단(300) 사이에 배치되며, 혼합기가 점화되어 연소되는 촉매단이다. 점화용 촉매단(220)은 전기히터(230)를 코일형태로 감아 형성되어 점화용 촉매단(220)에 포함된 점화용 촉매의 점화에 필요한 열을 공급하는 열 공급부(230), 그리고 열 공급부(230)로 미리 설정된 전원을 공급하는 전원 공급부(240)를 더 포함할 수 있다. 점화용 촉매는 세라믹 허니컴 담체(코디에라이트, 탄화규소(SiC) 등)에 백금(Pt) 촉매를 소량 코팅하여 점화온도를 낮추도록 형성할 수 있다.The plurality of catalyst stages may include an
연소용 촉매단(300)은 연소용 촉매를 분할한 형태로 구분하여 배치하거나, 일체의 형태로 형성할 수 있다. 연소용 촉매단(300)은 서로 다른 함량 또는 같은 함량의 백금(Pt)이 각각 코팅된 복수의 연소 촉매체가 단계적으로 조합된 형태로 형성할 수 있다. 연소용 촉매단(300)은 점화용 촉매단(220)에서 연소되지 않은 혼합기가 복수의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소되는 촉매단이다. 연소용 촉매단(300)은 이전 단계의 연소 촉매체에서 연소되지 않은 혼합기가 다음 단계의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소될 수 있다. 여기서, 복수의 연소 촉매체는 제1 연소 촉매체(300a), 제2 연소 촉매체(300b), 그리고 제3 연소 촉매체(300c)를 포함할 수 있다. 필요에 따라 복수의 연소 촉매체는 제1 연소 촉매체(300a)와 제2 연소 촉매체(300b)를 포함할 수도 있다.The
제1 연소 촉매체(300a)는 연소용 촉매단(300)의 시작 위치에 배치되며, 점화용 촉매단(220)에 연이어 구비된다. 제1 연소 촉매체(300a)는 미리 설정된 제1 설정 함량의 백금이 포함되고, 점화용 촉매단(220)으로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소된다. 제2 연소 촉매체(300b)는 제1 연소 촉매체(300a)에 연이어 구비된다. 제2 연소 촉매체(300b)는 제1 설정 함량의 백금보다 더 많은 제2 설정 함량의 백금이 포함되고, 제1 연소 촉매체(300a)로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소된다. 제3 연소 촉매체(300c)는 제2 연소 촉매체(300b)에 연이어 구비된다. 제3 연소 촉매체(300c)는 제2 설정 함량의 백금과 적어도 같은 제3 설정 함량의 백금이 포함되고, 제2 연소 촉매체(300b)로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소된다.The first
한편, 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치는 촉매 연소기(10)의 출구측에 구비되며, 촉매 연소기(10)에서 배출되는 가스를 외부로 배출하는 배출부(410)를 더 포함할 수 있다. 이때 배출부(410)의 단면적은 제3 연소 촉매체(300c)의 단면적(400)의 50%이상의 크기를 가질 수 있다. 촉매 연소기(10)에서 배출부(410)의 단면적 크기는 촉매 연소기(10) 내부압력에 영향을 주어 연소현상에 영향을 준다. 따라서 촉매 연소기(10)의 출구에 배치된 배출부(410)의 단면적 크기를 제3 연소 촉매체(300c)의 단면적(400)의 50%이상으로 설정함으로써 촉매 연소기(10)의 연소특성을 최적화할 수 있다.On the other hand, the catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention is provided on the outlet side of the
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치의 동작을 설명한다. 먼저 공기는 공기펌프(100)의 구동으로 공기 유량 조절부(120)를 통해 유량 조절된 공기가 혼합부(130) 내부로 공급될 수 있다. 공기는 압축공기 또는 블로어를 사용하여 공기 유량 조절부(120)로 공급될 수도 있다. 연료탱크(110)에 저장된 연료는 연료 유량 조절부(125)를 통해 미리 설정된 공연비에 적합한 연료유량으로 조절되어 혼합부(130) 내부로 공급된다. 여기서, 연료는 프로판(C3H8)을 사용할 수 있다. 한편, 제1 분배부(200)는 연료와 공기의 혼합기가 촉매에 균일하게 공급되도록 하기 위하여 서스(SUS)관에 6개의 노즐이 형성되도록 출구(206)를 형성할 수 있다. 제1 분배부(200)의 입구(202)와 연결되어 혼합기 분배유로(204)를 형성하는 출구(206)측에 6개의 노즐을 구비함으로써 혼합기가 좀 더 균일하게 분사될 수 있다. 제1 분배부(200)를 통해 균일하게 분사된 혼합기는 제2 분배부(210)를 통과하여 연이어 배치되는 촉매 연소부(220, 300)에서 촉매반응을 하게 된다. 그리고 6개의 노즐을 통해 혼합기가 더 균일하게 분사될 수 있도록 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 배치된 노즐의 직경을 다르게 형성한다. 도 2는 균일도에 대한 수치해석 결과를 나타내고 있다. 도 2를 참조하면, 6개의 노즐에서 제1 분배부(200)의 길이방향 중심부에 간격을 두고 배치된 2개의 제1 노즐(206a)의 직경은 2mm이다. 그리고 제1 분배부(200)의 길이방향을 따라 중심부인 안쪽에서부터 바깥쪽으로 갈수록 노즐의 직경크기가 점차 작아지도록 1.8mm, 1.5mm로 제2 노즐(206b)과 제3 노즐(206c)의 지름을 형성한다. 도 2d를 참조하면, 제1 분배부(200)의 중심에서 밖으로 갈수록 노즐의 직경이 2mm, 1.8mm, 1.5mm 순으로 작아지는 것이 혼합기의 균일도가 높은 것을 알 수 있다. 그리고 제2 분배부(210)로부터 분배된 혼합기는 점화용 촉매단(220)으로 공급된다. 이때 전원 공급부(240)는 미리 설정된 전원을 열 공급부(230)로 공급한다. 열 공급부(230)는 전기히터를 코일형태로 감아 점화용 촉매의 점화에 필요한 열을 발생한다. 점화용 촉매의 온도가 올라가면 혼합기는 착화하게 된다. 촉매연소는 일반연소와 비교하여 아주 낮은 온도에서 착화하는 특성이 있다. 이와 같이 점화용 촉매단(220)을 사용하여 보다 낮은 온도에서 혼합기가 착화할 수 있도록 안내하므로 점화의 안정성을 확보할 수 있다.Referring to Figure 1 will be described the operation of the catalytic combustion device according to an embodiment of the present invention. First, the air may be supplied to the
제2 분배부(210)로부터 공급된 혼합기가 점화용 촉매단(220)에서 점화되고 점화된 혼합기는 계속적으로 연소용 촉매단(300)을 포함하는 제1 연소 촉매체(300a), 제2 연소 촉매체(300b), 그리고 제3 연소 촉매체(300c)를 단계적으로 지나면서 반응하여 연소용 촉매단(300)의 온도를 올리게 된다.The first
상기한 바와 같이 촉매연소장치는 점화용 촉매 또는 연소용 촉매가 효율적으로 혼합기와 접촉되어 연소반응이 일어날 수 있는 구조로 만들어져야 높은 연소효율을 얻을 수 있다. 그리고 촉매연소 반응은 혼합기와 촉매의 접촉에 의해 일어나므로 촉매연소장치에서 다양한 형태로 만들어진 점화용 촉매 또는 연소용 촉매가 혼합기와 균일한 접촉이 잘 되는 구조로 형성되고 촉매연소 반응이 잘 일어나는 환경이 조성되어야 높은 연소효율을 얻을 수 있다. 따라서, 촉매연소장치는 균일한 전열면을 갖고 촉매연소반응이 원활하게 유지되는 상태에서 연소효율을 향상시키는 것이 중요하다. 이어서 본 발명의 실시예에 따른 촉매연소장치에서 좀 더 균일한 전열면을 갖기 위해 실시한 실험예를 설명한다.As described above, the catalytic combustion device must have a structure in which the ignition catalyst or the combustion catalyst is efficiently brought into contact with the mixer to cause a combustion reaction, thereby obtaining high combustion efficiency. In addition, since the catalytic combustion reaction is caused by the contact between the mixer and the catalyst, the ignition catalyst or the combustion catalyst, which is formed in various forms in the catalytic combustion device, is formed in a structure that is in good contact with the mixer. It must be formed to obtain high combustion efficiency. Therefore, it is important for the catalytic combustion device to improve the combustion efficiency in a state where the uniform combustion surface and the catalytic combustion reaction are maintained smoothly. Next, an experimental example performed to have a more uniform heat transfer surface in the catalytic combustion device according to the embodiment of the present invention will be described.
[실험예 1]Experimental Example 1
먼저, 균일한 전열면을 갖는 촉매연소장치를 제조하기 위해 사용한 촉매는 촉매 전구체를 녹인 Pt/r-Al2O3 용액을 표면적이 큰 허니컴 형태의 코티어라이트 담체(600cpsi)에 함침시켜 건조 후 500℃에서 소성 과정을 거쳐 제작하였다. 촉매인 백금(Pt)이 3.55wt%, 지지체인 알루미나(Al2O3)가 89.13wt% 함유되어 있으며 실리카도 약 6wt% 함유되어 있다. 그리고 균일 온도 분포를 얻기 위한 촉매 연소기(10)에 필요한 인자들은 (1) 제1 분배부(200)의 최적화 설계, (2) 혼합기의 공간속도, (3) 연소용 촉매단(300)과 분배부 조합의 최적화, (4) 촉매 연소기(10)의 출구 면적 최적화 등이 있다. 표 1은 촉매 연소기(10)의 연소용 촉매단(300)을 나타낸 것이다. 촉매 담체는 비교예인 일체형(Case 1~3)과 실시예인 분리형(Case 4~6)으로 나누고 각각 백금의 함량을 변화시켰다. 여기서, Case 4와 Case 6은 연소용 촉매단(300)을 3단으로 구성한 것이고 Case 5는 2단으로 연소용 촉매단을 구성한 것이다. 그리고 Case 4는 제1 연소 촉매체(300a)의 백금 함량(20g/L) 보다 많은 백금 함량(30g/L)으로 제2 연소 촉매체(300b)를 형성하고, 제3 연소 촉매체(300c)의 백금 함량(20g/L)이 제2 연소 촉매체(300b)의 백금 함량(30g/L) 보다 적게 설정한 것이다. 이와는 달리, 제1 연소 촉매체(300a)의 백금 함량(10g/L) 보다 많은 백금 함량(20g/L)으로 제2 연소 촉매체(300b)를 형성하고, Case 6은 제3 연소 촉매체(300c)의 백금 함량(20g/L)과 제2 연소 촉매체(300b)의 백금 함량(20g/L)을 동일하게 설정한 것이다.First, the catalyst used to prepare a catalytic combustion device having a uniform heat transfer surface is dried by impregnating a Pt / r-Al2O3 solution in which a catalyst precursor is dissolved in a honeycomb-type cortilite carrier (600 cpsi) having a large surface area and drying at 500 ° C. It was produced through a firing process. The catalyst contains 3.55 wt% of platinum (Pt), 89.13 wt% of alumina (Al2O3), and about 6 wt% of silica. The factors necessary for the
균일한 열원을 얻기 위해 촉매연소장치의 온도 균일도를 예측하는 것이 중요하다. 따라서 연소반응으로 인해 생성된 촉매 연소기(10)의 표면의 온도 균일도를 수학식 1의 속도제곱의 평균 제곱근 에너지(RMSE ; Root Mean Square Energy)를 이용하여 예측하였다.It is important to predict the temperature uniformity of the catalytic combustion device to obtain a uniform heat source. Therefore, the temperature uniformity of the surface of the
촉매 연소기(10)의 온도 균일도는 촉매 연소기(10) 표면온도(Ts)와 촉매 내부온도(Ti), 촉매 연소기(10) 내부 전후단의 차압 그리고 배출가스를 측정하여 판단하였다. 촉매 연소기(10) 표면온도 측정을 위해 전열면적에 측정 포인트(point)를 설정하여 k-type 열전대가 수직으로 닿게 고정하였다. 측정 포인트는 도 1에 도시된 바와 같이 각각 L(혼합기 유입방향을 기준으로 왼쪽), ML(L과 MR 사이), MR(ML과 R사이), R(오른쪽)라인(line)을 이루도록 설정하였다. 연소기 내부의 차압은 물 마노미터(manometer)를 이용하여 측정하였다. 그리고 혼합기의 점화를 위한 점화용 촉매단(220)은 전기히터(230)를 점화용 촉매에 지그재그로 감아 사용하였다. 배출가스 측정은 독일의 엠알유(MRU) 제품을 사용하였다. The temperature uniformity of the
한편, 촉매 연소기(10)의 작동 순서는 혼합기를 촉매 연소기(10) 내로 공급한 후 교류(AC) 전원 24V를 공급해 소정의 착화온도까지 가열하였다. 균일한 촉매연소장치의 온도 분포를 얻기 위해 정상상태에 도달할 때까지 촉매 연소기(10)를 작동시킨 후 정상상태에서 촉매 연소기(10) 표면온도(Ts)와 촉매 내부온도(Ti)를 측정하고, 촉매 연소기(10) 후단에서 배출가스 농도를 측정하여 촉매 연소기(10)의 성능을 지배하는 인자들의 최적치를 구하였다.On the other hand, in the operation sequence of the
(1) 제1 분배부(200)의 최적화 설계(1) Optimization design of the
도 2는 노즐의 직경을 다양하게 뚫어 혼합기를 분사한 때 분사되는 혼합기의 균일도에 대한 수치해석 결과를 도시한 것이다. 도 2d를 참조하면, 제1 분배부(200)의 길이방향 중심부에서 밖으로 갈수록 노즐 지름이 작아지도록 각각 2mm, 1.8mm, 1.5mm 순으로 설정된 것이 혼합기의 균일도가 높은 것을 알 수 있다.Figure 2 shows the numerical results of the uniformity of the mixer is sprayed when spraying the mixer by varying the diameter of the nozzle. 2D, it can be seen that the uniformity of the mixer is set in order of 2 mm, 1.8 mm, and 1.5 mm, respectively, so that the nozzle diameter becomes smaller as it goes out from the longitudinal center of the
(2) 촉매 연소기(10) 내에서 혼합기의 공간속도(2) space velocity of the mixer in the catalytic combustor (10)
도 3은 공간속도의 범위(SV=10,000h-1 내지 35,000h- 1)를 설정하고 설정된 공간속도 범위에서 촉매 연소기(10)의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 배출량을 나타낸 것이다. 공간속도가 20,000h-1 내지 30,000h-1에서는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 배출량은 0이며 35,000h-1에서 일산화탄소(CO) 42ppm, 탄화수소(HC) 2,076ppm이 배출되었다. 따라서 촉매 연소기(10)의 안정적인 연소를 위해 공간속도는 20,000h-1 내지 30,000h-1로 설정하는 것이 바람직하다.Figure 3 is a range of the spatial speed is set in the (SV = 10,000h -1 to about 35,000h 1) and set the space velocity range represented the emissions of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) of the catalyst combustor (10). At a space velocity of 20,000 h -1 to 30,000 h -1 , emissions of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) were zero, and 42 ppm of carbon monoxide (CO) and 2,076 ppm of hydrocarbons (HC) were emitted at 35,000 h -1 . Therefore, for stable combustion in the
(3) 연소용 촉매단(300)과 분배부 조합의 최적화(3) Optimization of
도 4a 내지 도 4f는 제1 분배부만 가지는 촉매 연소기의 내부온도와 촉매 연소기의 표면온도를 각각 나타낸 것이다. 도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 점화용 촉매에서 고온영역이 생긴 것으로 보아 전체적으로 점화용 촉매에 연소반응대가 존재함을 알 수 있다. 비교예인 Case 1 내지 Case3까지는 연소용 촉매단이 단일층이다. 그리고 촉매 함량의 변화에 따른 촉매 연소기 내부온도를 살펴보면 촉매 함량이 증가할수록 촉매 연소기 내부온도도 증가한다. 그러나 국부적인 고온영역의 발생은 균일한 온도 분포를 갖기에는 부적합하다.4A to 4F show the internal temperature of the catalytic combustor having only the first distribution part and the surface temperature of the catalytic combustor, respectively. 4A to 4F, it can be seen that a combustion zone exists in the ignition catalyst as a whole due to the high temperature region generated in the ignition catalyst. In
실시예인 Case 4 내지 Case 6은 연소용 촉매단(300)이 각기 다른 함량 또는 같은 함량의 백금(Pt)을 포함한 복수의 연소 촉매체로 조합된 것이다. 촉매 연소기(10)의 표면온도는 Case 6이 목표 온도인 500℃에 가장 근접한 온도 분포를 가진다. 이는 점화용 촉매에서 연소되지 않은 혼합기가 백금 함량이 적은 제1 연소 촉매체(300a)에서 연소하고, 다음으로 백금 함량이 많은 제2 연소 촉매체(300b)에서 연소하며, 마지막으로 남은 혼합기가 제3 연소 촉매체(300c)에서 연소됨으로써 단일층의 연소용 촉매단에 비해 국부적인 촉매 연소를 배제시킬 수 있다. 또한 복수의 연소 촉매체에서 촉매 연소시 미연소된 혼합기를 단계적으로 연소시킴으로 배출가스의 발생을 저하시킬 수 있다.Examples 4 to 6 are examples in which the
도 5는 제1 분배부만 가지는 촉매 연소기의 배출가스 농도를 도시한 도면이다. 촉매 연소는 화염연소와는 달리 화염이 없어 연소 온도가 낮기 때문에 질소산화물질의 발생을 낮출 수 있다. 이론적으로 프로판 λ= 3에서 이산화탄소의 농도는 4.32%로 이론치와 거의 일치하며, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)의 발생이 없다. 그러나 Case 1과 Case 5에서 4ppm의 질소산화물질이 발생하였다. 그 이유는 측정온도 포인트 범위를 벗어나는 곳에서 국부적인 고온영역이 생겼기 때문이다.FIG. 5 is a view illustrating exhaust gas concentration of a catalytic combustor having only a first distribution part. Catalytic combustion, unlike flame combustion, can reduce the generation of nitrogen oxides because there is no flame and the combustion temperature is low. Theoretically, the concentration of carbon dioxide at propane λ = 3 is 4.32%, which is almost the same as the theoretical value, and there is no carbon monoxide (CO) or hydrocarbon (HC) generation. However, 4 ppm of nitrogen oxides were generated in
도 6a 내지 도 6f는 제1 분배부와 제2 분배부를 같이 사용한 촉매 연소기의 온도 분포를 도시한 도면이다. 도 6a 내지 도 6f를 참조하면, 노즐형인 제1 분배부(200)만 장착한 촉매 연소기보다 제1 분배부(200)와 제2 분배부(210)를 같이 사용한 촉매 연소기(10)에서 더 균일한 온도 분포를 나타내고 있다. 또한 2cm 내지 4cm 영역의 국부 고온영역이 나타나지 않는 것도 알 수 있다. 그 이유는 연소반응이 발생할 때 혼합기의 온도가 높을수록 연소반응이 빠르게 진행되는데 제1 분배부(200)와 제2 분배부(210)를 연이어서 설치할 경우 촉매 연소기(10)가 가열됨에 따라 세라믹 분배부인 제2 분배부(210) 또한 가열되고, 제2 분배부(210)를 지나는 혼합기로 열전달이 되기 때문이다.6A to 6F are diagrams showing a temperature distribution of a catalytic combustor using a first distribution unit and a second distribution unit together. 6A to 6F, the
도 7은 제1 분배부와 제2 분배부를 같이 사용한 촉매 연소기의 배출가스 농도를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 질소산화물질이 발생하지 않으며, 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)도 배출되지 않는 완전연소를 하는 것을 알 수 있다.FIG. 7 is a view illustrating exhaust gas concentrations of a catalytic combustor using a first distribution unit and a second distribution unit. Referring to FIG. 7, it can be seen that nitrogen oxide is not generated, and complete combustion is performed in which hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) are not emitted.
도 8은 분배부의 종류에 따른 표면온도 분포를 RMSE 평가 결과를 도시한 도면이다. RMSE 평가시 촉매 연소기의 표면온도(Ts)는 목표 온도인 500℃로 설정하였으며, 실험결과 제1 분배부(200)와 제2 분배부(210)를 연이어서 설치한 경우 각 Case별 RMSE 값이 제2 분배부(210)가 없는 경우보다 낮았다. 그 이유는 혼합기의 고른 분포로 인한 촉매 연소기에서의 균일한 반응과 국부적인 고온 영역이 발생하지 않았기 때문이다. 따라서 온도 분포가 균일한 최적의 촉매 연소기(10)는 노즐형 분배부인 제1 분배부(200)와 제2 분배부(210)를 연이어서 사용하고 3개의 연소 촉매체로 연소용 촉매단(300)을 구비하며, 제1 연소 촉매체(300a)의 백금 함량 보다 많은 백금 함량으로 제2 연소 촉매체(300b)를 형성하고, 제2 연소 촉매체(300b)의 백금 함량과 제3 연소 촉매체(300c)의 백금 함량을 동일하게 설정한 Case 6을 구비한 것임을 알 수 있다.FIG. 8 is a diagram illustrating RMSE evaluation results of surface temperature distribution according to the type of distribution part. FIG. In the RMSE evaluation, the surface temperature (Ts) of the catalytic combustor was set to a target temperature of 500 ° C. As a result of the experiment, when the
(4) 촉매 연소기(10)의 출구 면적 최적화(4) Optimization of the exit area of the
촉매 연소기(10)에서 배출부(410)의 단면적 크기는 촉매 연소기(10) 내부압력에 영향을 주어 연소현상에 영향을 준다. 따라서 촉매 연소기(10)의 출구에 배치된 배출부(410)의 단면적 크기를 변수로 촉매 연소기(10)의 연소특성을 최적화하였다. 도 9는 촉매 연소기의 분배부 종류와 연소용 촉매단(300)별 촉매 연소기의 배출부(410)의 단면적을 100%, 50%, 30%로 설정한 경우 차압을 나타낸다. 각각의 차압은 연소 생성물과 연관이 있으며, 차압이 커지면 반응 후 생성물이 배출되지 못하고 촉매 내부에서 부유하게 공급되면 혼합기가 촉매와 반응하지 못하고 함께 부유하다가 배출되는 현상이 발생한다. 또한 차압이 높아지면 배출가스의 흐름이 원활하지 못하여 연료의 전환율을 저하시킬 수 있다.The size of the cross-sectional area of the
도 10은 연소용 촉매단에서 Case 1과 Case 6의 차압으로 인한 탄화수소(HC)의 발생량을 측정한 결과이다. 100% 내지 50%까지는 탄화수소(HC)가 발생하지 않으나 30%에서는 Case 1과 Case 6 모두 탄화수소(HC)가 발생하였다. 따라서 촉매 연소기(10)의 배출부(410) 단면적은 제3 연소 촉매체(300c)의 단면적(400)의 적어도 50%는 확보하여야 한다.10 is a result of measuring the amount of hydrocarbon (HC) generated by the differential pressure of
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it is within the scope of the present invention.
10 ; 촉매 연소기 200 ; 제1 분배부
206a ; 제1 노즐 206b ; 제2 노즐
206c ; 제3 노즐 210 ; 제2 분배부
220 ; 점화용 촉매단 300 ; 연소용 촉매단
300a ; 제1 연소 촉매체 300b ; 제2 연소 촉매체
300c ; 제3 연소 촉매체 410 ; 배출부10;
206a;
206c;
220;
300a; First
300c; Third
Claims (11)
상기 제1 분배부에 연이어 구비되며, 상기 제1 분배부로부터 공급되는 혼합기가 미리 형성된 복수의 미세유로를 통해 2차적으로 균일하게 분배되는 제2 분배부, 그리고
상기 제1 분배부와 상기 제2 분배부를 통해 단계적으로 균일하게 공급되는 혼합기가 미리 설정된 공간속도로 유입되어 단계적으로 연소되는 복수의 촉매단을 포함하는 촉매 연소부
를 포함하며,
상기 복수의 촉매단은
서로 다른 함량 또는 같은 함량의 백금(Pt)이 각각 코팅된 복수의 연소 촉매체가 단계적으로 형성되며, 이전 단계의 연소 촉매체에서 연소되지 않은 혼합기가 다음 단계의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소되는 연소용 촉매단을 포함하고,
상기 제2 분배부는 상기 복수의 미세유로가 불규칙하게 형성되어 상기 제1 분배부로부터 공급되는 혼합기의 난류를 유도하는 탄화규소(SiC)계 세라믹 재질의 폼 타입 담체를 포함하는 촉매 연소장치.It is provided on the inlet side of the catalytic combustor, is connected to the mixer supply line is supplied with a mixture of air and fuel, the inlet through which the mixer is introduced, and a plurality of nozzles are arranged to have an outlet through which the mixer is discharged A first distribution part that is uniformly distributed primarily
A second distribution part which is provided in series with the first distribution part, and wherein the mixer supplied from the first distribution part is uniformly distributed secondarily through a plurality of microchannels previously formed; and
A catalytic combustion unit including a plurality of catalyst stages in which the mixer, which is uniformly supplied stepwise through the first distribution unit and the second distribution unit, is introduced at a predetermined space velocity and burned in stages.
Including;
The plurality of catalyst stages
A plurality of combustion catalyst bodies each coated with a different content or the same amount of platinum (Pt) are formed in stages, and a combustion in which the unburned mixer in the previous stage combustion catalyst stage is introduced into the next stage combustion catalyst stage and burned Including a catalyst stage,
And the second distribution part comprises a foam type carrier of silicon carbide (SiC) -based ceramic material which irregularly forms the plurality of microchannels and induces turbulence of the mixer supplied from the first distribution part.
상기 제1 분배부는 상기 입구에 연결되는 출구와 혼합기 분배유로를 형성하도록 중공형상으로 길게 형성되며, 상기 혼합기가 더 균일하게 분사되도록 상기 제1 분배부의 길이방향을 따라 상기 출구에 배치된 복수의 노즐의 직경을 다르게 형성하는 촉매 연소장치.In claim 1,
The first distribution part is elongated in a hollow shape so as to form a mixer distribution passage with an outlet connected to the inlet, and a plurality of nozzles disposed at the outlet along the longitudinal direction of the first distribution part so that the mixer is more uniformly injected. Catalytic combustion device to form a different diameter.
상기 복수의 노즐은
상기 제1 분배부의 길이방향 중심부에 미리 설정된 간격을 두고 배치된 2개의 제1 노즐,
상기 제1 노즐을 기준으로 상기 제1 분배부의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치되는 2개의 제2 노즐, 그리고
상기 제2 노즐을 기준으로 상기 제1 분배부의 길이방향을 따라 간격을 두고 양측 바깥쪽으로 배치되는 2개의 제3 노즐을 포함하고,
상기 제1 분배부의 길이방향 중심부에서부터 바깥쪽으로 갈수록 노즐의 직경크기가 점차 작아지는 촉매 연소장치.In claim 2,
The plurality of nozzles
Two first nozzles disposed at predetermined intervals in a longitudinal center portion of the first distribution part;
Two second nozzles disposed at both sides outwardly at intervals along the longitudinal direction of the first distribution part with respect to the first nozzle, and
Comprising two third nozzles disposed at both sides outwardly at intervals along the longitudinal direction of the first distribution portion relative to the second nozzle,
And a diameter of the nozzle is gradually reduced toward the outside from the longitudinal center portion of the first distribution part.
상기 제1 노즐의 직경은 2mm이며, 상기 제2 노즐의 직경은 1.8mm이고, 상기 제3 노즐의 직경은 1.5mm인 촉매 연소장치.In claim 3,
The diameter of the first nozzle is 2mm, the diameter of the second nozzle is 1.8mm, the diameter of the third nozzle is 1.5mm catalytic combustion apparatus.
상기 복수의 미세 유로는 상기 제2 분배부의 내부와 표면을 포함한 전체면에 형성되는 촉매 연소장치.In claim 1,
The plurality of fine passages are formed on the entire surface including the inside and the surface of the second distribution portion.
상기 혼합기의 미리 설정된 공간속도는 10,000h-1 내지 35,000h-1인 촉매 연소장치.In claim 1,
A catalytic combustion system a predetermined space speed of the mixer is 10,000h -1 to about 35,000h -1.
상기 복수의 촉매단은
상기 제2 분배부와 상기 연소용 촉매단 사이에 배치되며, 상기 혼합기가 점화되어 연소되는 점화용 촉매단을 더 포함하고,
상기 연소용 촉매단은 상기 점화용 촉매단에서 연소되지 않은 혼합기가 상기 복수의 연소 촉매체로 단계적으로 유입되어 연소되는 촉매 연소장치.In claim 1,
The plurality of catalyst stages
An ignition catalyst stage disposed between the second distribution unit and the combustion catalyst stage, wherein the mixer is ignited and combusted,
The combustion catalyst stage is a catalytic combustion device in which a mixture not combusted in the ignition catalyst stage is introduced into the plurality of combustion catalyst bodies in stages to be combusted.
상기 점화용 촉매단에 전기히터를 코일형태로 감아 형성되어 상기 점화용 촉매단에 포함된 촉매의 점화에 필요한 열을 공급하는 열 공급부, 그리고
상기 열 공급부로 미리 설정된 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는 촉매 연소장치.In claim 8,
A heat supply unit formed by winding an electric heater in a coil form on the ignition catalyst stage to supply heat for ignition of the catalyst included in the ignition catalyst stage, and
Catalytic combustion device further comprising a power supply for supplying a predetermined power to the heat supply.
상기 복수의 연소 촉매체는
미리 설정된 제1 설정 함량의 백금이 포함되고, 상기 점화용 촉매단으로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제1 연소 촉매체,
상기 제1 설정 함량의 백금보다 더 많은 제2 설정 함량의 백금이 포함되고, 상기 제1 연소 촉매체로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제2 연소 촉매체, 그리고
상기 제2 설정 함량의 백금과 적어도 같은 제3 설정 함량의 백금이 포함되고, 상기 제2 연소 촉매체로부터 공급되는 미연소 혼합기가 유입되어 연소되는 제3 연소 촉매체
를 포함하는 촉매 연소장치.In claim 8,
The plurality of combustion catalyst body
A first combustion catalyst body in which platinum of a first predetermined content is set and unburned mixer supplied from the ignition catalyst stage is introduced and combusted,
A second combustion catalyst body in which a second set content of platinum is more than the first set content of platinum, and an unburned mixer supplied from the first combustion catalyst body is introduced and combusted; and
A third combustion catalyst body in which at least a third set content of platinum is equal to the second set content of platinum and unburned mixer supplied from the second combustion catalyst body is introduced and combusted
Catalytic combustion device comprising a.
상기 촉매 연소부에서 배출되는 가스를 외부로 배출하는 배출부를 더 포함하며, 상기 배출부의 단면적은 상기 제3 연소 촉매체의 단면적의 50%이상의 크기를 갖는 촉매 연소장치.In claim 10,
And a discharge unit for discharging the gas discharged from the catalytic combustion unit to the outside, wherein the cross-sectional area of the discharge unit has a size of 50% or more of the cross-sectional area of the third combustion catalyst body.
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|---|---|---|---|
| KR1020170027153A KR101965428B1 (en) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Catalytic combustion apparatus |
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|---|---|
| KR20180100840A KR20180100840A (en) | 2018-09-12 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102313682B1 (en) * | 2020-05-13 | 2021-10-18 | 전남대학교산학협력단 | A catalytic combuster with an lgniter of an induction heater and method of catalytic combustion |
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| KR20180100840A (en) | 2018-09-12 |
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