촉매연소는 ‘촉매’라는 물질을 가연성 기체(천연가스, 도시가스 등) 연료와 공기중의 산소가 접촉·반응시켜 열을 발생하는 연소를 말한다. 촉매 물질은 연소할 때 ‘자기자신은 변하지 않고 연소에 참여하여 반응을 촉진시켜 주는 조력자의 역할’을 하는데, 연소기에 공급되는 연료와 산소를 촉매에 순간적으로 흡착·반응시킨 후 열이 발생되고, 이 때 생성된 이산화탄소와 물은 순간적으로 촉매에서 탈착된다. 이러한 반응물과 생성물의 흡착·탈착을 반복하는 과정에서 연소가 일어나는 것을 말한다. 따라서 촉매에 의한 연소 반응이 일어나기 때문에 저온·저농도의 연소로부터 질소산화물(NOx) 생성을 크게 줄이고, 에너지이용 효과를 크게 제고 할 수 있는 신연소 기술이다.


　■ 기술 특징

촉매에 의해 연소는 일반연소(화염연소)에 비해 활성화에너지 (연소에 필요한 에너지)가 낮기 때문에 연소반응이 낮은 온도에서도 일어난다. 다시 말해서 메탄 연소 반응할 때 일반연소는 약 100kcal/mole의 활성화에너지가 필요한 것에 비해 촉매연소는 약 20∼30kcal/mol이 필요하다. 그러므로 질소산화물이 거의 배출되지 않으며, 완전산화반응으로 미반응 물질이 거의 없기 때문에 환경 친화적인 기술이다. 또한 연료·공기의 양으로 연소기내의 온도를 자유롭게 조절 가능하고 저농도에서도 추가 연료 없이 연소가 가능하므로 에너지절약 기술이기도 하다. 특히 저온 촉매연소의 경우에는 불꽃 없는 연소로 피가열체의 근접 가열이 가능하고, 원적외선이 많이 방출되어 피가열체의 높은 에너지 흡수력을 보여 고효율 에너지 기술로서 에너지 이용 효과를 크게 제고할 수 있는 신연소기술이다.

　■ 저온 연소기술

촉매연소의 연소개시온도(Light-off temperature)가 화염연소 보다 훨씬 낮아 촉매연소는 저온 연소기술이다. 즉 수소(H₂)의 경우 화염연소 착화온도는 510℃에 비해 백금 촉매연소는 상온에서도 연소가 가능하다. 메탄(CH₄)의 경우는 화염연소의 착화온도가 약 615℃에 비해 370∼380 ℃에서 연소가 개시될 수 있고 450℃ 이상이 되면 완전 연소될 수 있다.
따라서 촉매연소기는 피가열체의 건조온도가 낮거나 화재 위험성으로 인해 수증기나 열매체를 이용한 간접 가열 방식의 건조기에 매우 적합하다. 촉매연소기는 무화염 연소로 피가열체에 근접 가열하여 직접 1차 에너지를 이용하여 건조할 수 있기 때문에 열 이용율이 높고, 연소기 온도를 자유로이 조절하여 저온의 피가열체에도 적용할 수 있는 저온 연소기술이다.

　■ 저공해 연소기술

촉매 연소는 연료와 공기의 혼합이 완전하게 이루어져 국부적인 과열 현상이 없는 균일 연소로 미반응 연료가 거의 발생되지 않으며, 저부하 연소나 초희박 가스연소 시에도 검뎅이, 미연소 물질 등이 거의 배출되지 않아 매우 뛰어난 저공해 연소기술이다. 가스터빈, 가스엔진, 보일러 등과 같은 고온 화염연소에서는 국부적으로 화염온도가 2,000℃이상이 되므로 열적인 질소산화물(Thermal NOx)이 다량 배출되지만, 고온 촉매연소는 1,500℃ 이하에서 균일한 연소가 이루어지므로 질소산화물의 발생이 거의 없다. 특히 600℃ 이하에서 연소되는 저온 촉매연소의 경우엔 열적인 질소산화물 발생이 없다. 이러한 질소산화물의 생성 경로는 크게 연료의 질소 화합물에 의한 경우(Fuel NOx)와 연소 반응 중 중간 생성물들의 반응에 의한 경우(Prompt NOx) 및 연소 생성물을 생성할 때 고온에 의해 질소가 불안정해 생성되는 경우(Thermal NOx) 등이 있다.

　■ 에너지 절약형 연소기술

건조 공정에서 동일한 연소 효율과 입열량 조건에서 촉매연소에 의한 에너지 절약효과가 매우 크다. 촉매연소기를 구성하고 있는 촉매체는 세라믹 재료로서 원적외선이 피가열체에 방사되어 좋은 흡수 효과를 나타내고 있다. 특히 저온 촉매연소기의 경우 발생되는 에너지의 대부분이 원적외선의 영역에 속하며, 사용되는 가스의 70% 정도가 원적외선 복사 에너지의 형태로 전환되어 피가열체에 효과적으로 흡수되는 것으로 알려져 있다.
기존 화염 연소기는 화염 온도 1,000℃ 이상의 불꽃연소로 이루어지지 때문에 섬유나 정밀 화학 제품 제조 공정에서의 직접^근접 가열이 재질의 특성이외에 화재 위험성 때문에 곤란하다. 촉매연소 버너는 표면온도가 600℃ 이하로 온도조절이 가능하고, 불꽃이 없기 때문에 피가열체에 근접가열이 가능하고, 이로 인해 가열원과 피가열체와의 거리는 피가열체의 표면온도에 지수 함수적인 영향을 줌으로 근접 가열 효과는 매우 큰 에너지를 절약할 수 있다.

　■ 촉매 재료

촉매연소기는 촉매와 담체(Substrate & Washcoat)로 이루어진 촉매체로서 연소반응에서 핵심적인 역할을 하고 있어 재료 선정이 매우 중요하다. 촉매는 연소활성을 일으키는 주된 역할이며, 담체는 지지체의 역할(substrate)과 연소를 잘 할 수 있도록 표면적을 넓혀주는 역할(washcoat)을 한다. 그러므로 이러한 촉매체는 내열성과 내충격성에 강한 세라믹이나 금속 담체에 연소활성 특성을 지닌 금속과 금속산화물 촉매를 담지 하여 사용되고 있다. 특히 촉매는 낮은 온도에서 연료와 공기의 혼합물을 점화시킬 수 있어야 하며, 적은 공기의 예열로 많은 양을 완전 연소시킬 수 있는 고활성을 지녀야 한다. 담체는 넓은 비표면적과 낮은 압력 강하와 내(열)충격을 지녀야 하며, 고온연소 조건(∼1,500℃)에서도 높은 표면적과 장시간의 고활성을 유지해야 한다.

　■ 촉 매 (Catalysts)

연소촉매는 금속과 금속산화물로 대별되는데, 귀금속 촉매가 비금속에 비해 활성이 우수하여 완전산화 온도가 낮으며, 금속산화물의 촉매는 흔히 기상산화에 의한 촉매 산화와 연료에 의한 환원에 따라서 진행되고 있다. 특히 수소와 프로필렌의 연소 활성과 산화물의 생성열 관계로부터 귀금속 촉매를 정점으로 화산형 서열 그림을 얻을 수 있었다.

　■ 금속촉매

귀금속 촉매 중에서 연소 활성은 Ru, Pd, Os, Ir, Pt 등으로 우수하게 나타났으며, Pt와 Pd 금속 이외의 귀금속 촉매는 높은 휘발성과 낮은 연소활성으로 사용상 제약이 따른다. 그러나 대부분의 귀금속 촉매들은 H2, O2, C-H와 O-H로 결합된 화합물에 높은 활성을 보이며, 특히 Pd 촉매와 Pt 촉매의 비교 실험에서 일산화탄소, 올렌핀과 메탄 등을 산화하는 경우 Pd 촉매의 활성이 우수하고, 방향족 화합물의 경우는 거의 비슷하며, 파라핀계 탄화수소와 C3 이상의 탄화수소의 경우는 Pt 촉매의 활성이 좋았다. 더불어 탄화수소를 산화시킬 경우 고활성을 나타내며, 500℃ 이하의 온도에서 황 피독이 없다. 이외도 Pt와 Pd 촉매는 많은 담체 물질에 분산 제조하기가 쉽기 때문에 0.1∼0.5wt%의 적은 양으로 사용된다.
　그러나 Pt와 Pd 촉매는 500∼900℃의 온도에서 급속히 소결하는 현상으로 인하여 촉매활성을 저하시키게 된다. 이외에도 산화 분위기에서의 귀금속은 산화물 분해 이하의 온도에서 알루미나 표면에 산화물로써 분산할 수 있다. 만일 귀금속 산화물과 담체 표면 사이의 복합체가 충분한 안정성을 지닌다면 더 높은 온도에서도 존재할 수 있다.
PdO와 γ-Al2O3 표면사이에 이런 상호작용이 산화분위기에서 Pd-Al203 촉매에 상당한 열적 안정성을 주기에 충분하다. 그러나 PtO2는 γ-Al2O3 표면에 덜 강하게 작용해서 600℃이상 산화분위기에서 Pt 분산은 감소하고 큰 금속 결정을 형성한다. 이런 문제에도 불구하고 1,250℃ 온도에서 장시간 운전을 할 수 있는 안정된 귀금속 촉매 개발이 실현될 것으로 보인다.
　Kesselring는 연소 응용을 위한 촉매 개발에 관한 연구 결과에 의하면 촉매의 소결 현상은 1,250℃ 부근에서 심하지만 피독 성분인 황과 납은 고온에서 분해나 휘발됨으로서 문제가 거의 없다. 최근까지 대부분의 연구는 귀금속을 사용하여 수행하였으나, 많은 경우 사용한 촉매들이 지닌 성질로 촉매가 귀금속이외의 활성물질(즉 산화물)이 포함되는지는 분명치 않다. 촉매의 활성이 promoters의 존재, 표면의 분산도, 함침시 사용한 기술, 다른 상세한 제조공정 등과 같은 요인으로 대단히 큰 영향을 받는다.

〈자료제공 한국가스공사연구개발원〉