JP2021501863A - 有害物質を最小化することができる燃焼装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】有害物質を最小化することができる燃焼装置を提供すること。【解決手段】ガス燃料が供給されるガスノズル部と前記ガスノズル部と連通されて空間を形成するガス燃料分配部と前記ガス燃料分配部と第１貫通ホールによって連通され、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第１混合室と前記ガス燃料分配部と第２貫通ホールによって連通され、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第２混合室と前記第１混合室と第２混合室との間に具備され、前記第１混合室で予混合されたガス燃料が乱流流動するようにする乱流生成ノズル部と空気ノズル部と連通されて前記第１混合室と第２混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部を含んで、前記旋回ノズル部は前記第１混合室と連通されて前記第１貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直に接触されて混合するようにする第１流路と前記第２混合室と連通されて前記第２貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が前記第１流路に比べて旋回度が低い空気と垂直に接触されて混合するようにする第２流路を含んで、前記第１混合室を通じて予混合されたガス燃料が前記乱流生成ノズル部を通過して前記第２混合室を通じて予混合されたガス燃料と混合しながら、前記第２混合室を通じて予混合されたガス燃料によって乱流流動を維持した状態に火点しされることで、火炎内に内部再循環領域の形成を抑制し、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させる。【選択図】図１
Description
本発明は、有害物質を最小化することができる燃焼装置であり、より詳しくは、二重流路系改善を通じて燃焼場内に高温の内部再循環領域(Inner Recirculation Zone)が形成されないながらも乱流強度(turbulence intensity)が強化され、燃焼時高温の燃焼生成物が火炎内で滞留する滞留時間を縮めさせ、燃焼生成物の滞留時間に敏感な窒素酸化物などのような有害物質の発生を抑制させる有害物質を最小化することができる燃焼装置に関するものである。
窒素酸化物(NOx)は窒素と酸素の結合物質として、NO、NO２、NO３、N２０、N２O３、N２O４及びN２O５を言う。この中、NOとNO２が燃焼用空気を使って化石燃料を燃消させる時多量排出されるため一番深刻な大気汚染物質で分類される。NOxはすべての窒素酸化物を通称するが、大気汚染分野では一般に、NOとNO２を意味する。窒素酸化物は化石燃料の燃焼過程で主に排出されるが、燃焼時ガス状態で大気に排出された後光化学反応を通じて凝縮されて社会的問題で大きくイシュー化されている超微細ほこり(PM２．５)に変換される凝縮性微細ほこり(CPM)の主犯として知られており、最近政府から大気排出賦課金適用対象汚染物質に加えられた物質でもある。超微細ほこりは直径が１０μｍ程度である一般微細ほこり(PM１０)とは異なり髪の毛１/３０水準である直径が２．５μｍ程度の大きさで私らの身で濾過されることができずにそのまま肺や血管に侵透して狭心症、脳卒中、心血管疾患を起こしたりし、世界保健機関(WHO)傘下国際ガン研究所が指定した１群発ガン物質でもある。
窒素酸化物放出基準は大部分NOがNO２に酸化されることを前提にする数値を根拠にしているが、化石燃料燃焼時不可避に発生される窒素酸化物であるNOxは凝縮性超微細ほこりの一種である硝酸塩の前駆物質(precursor)で知られているし、燃焼装置からガス状態で発生されて大気に放出された後水蒸気、オゾン、アンモニアなどと光化学スモッグ反応を通じて凝縮されて固体状態の微細ほこりに発展するようになる代表的な大気環境汚染物質である。よって、燃焼時に発生する窒素酸化物などのような有害物質の発生量を減少させる方法は非常に重要なことであると言えるだろう。
一例で、特許文献１は、燃焼ガス類での窒素酸化物減少調節方法に関する技術が開示されている。前記燃焼ガス類での窒素酸化物減少調節方法の技術的特徴をよく見れば、段階別に窒素含有処理製剤または選択的触媒還元処理(SCR)で窒素酸化物をとり除くようにしている。しかし、燃焼が終わって発生した有害ガスを別途の装置に移動させなければならないし、窒素酸化物処理のための別途の処理材料が必要であるという短所があるなど、大部分の技術が燃焼以後に後処理に関する考案らであり、燃焼過程で根源的に窒素酸化物を低減させることができないという問題点がある。
本発明は、前述したような先行技術の問題点を解決するために案出されたものであり、燃焼後処理技術ではない燃焼過程で燃焼装置の完全燃焼を通じた燃焼時有害ガスの発生量を減少させるのにその目的がある。
また、本発明はフラクタル(Fractal)形状の乱流生成部を利用して乱流強度を増加させることで、乱流火炎の保炎機能(flame stabilizing)のための火炎場内の内部再循環領域(Inner Recirculation Zone)の発生を抑制し、高温である燃焼生成物の滞留時間を縮めさせて窒素酸化物のような燃焼有害物質を効果的に抑制させるのにその目的がある。
また、本発明は、窒素酸化物の有害ガスが燃焼前に空気と燃料間の混合性能に依存する性質があって、二重旋回構造と直交流動構造を通じてガス燃料の予混合性能を向上させることにその目的がある。
本発明が解決しようとする課題らは以上で言及した課題に制限されないし、ここに言及されない本発明が解決しようとするまた他の課題らは下の記載から本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者に明確に理解されることができる。
本発明の望ましい一実施例による有害物質を最小化することができる燃焼装置において、ガス燃料が供給されるガスノズル部と前記ガスノズル部と連通されて空間を形成するガス燃料分配部と前記ガス燃料分配部と第１貫通ホールによって連通されてガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第１混合室と前記ガス燃料分配部と第２貫通ホールによって連通されてガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第２混合室と前記第１混合室と第２混合室の間に具備され、前記第１混合室で予混合されたガス燃料が乱流流動するようにする乱流生成ノズル部と空気ノズル部と連通されて前記第１混合室と第２混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部を含んで、前記旋回ノズル部は前記第１混合室と連通されて前記第１貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触されて混合されるようにする第１流路と前記第２混合室と連通されて前記第２貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が前記第１流路に比べて旋回度が低い空気と垂直に接触されて混合されるようにする第２流路を含んで、前記第１混合室を通じて予混合されたガス燃料が前記乱流生成ノズル部を通過して前記第２混合室を通じて予混合されたガス燃料と混合されながら、前記第２混合室を通じて弱く旋回されたガス燃料によって乱流流動を維持した状態に火点しされることで、火炎内に内部再循環領域の形成を抑制し、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させることを特徴とする。
また、本発明の望ましい一実施例による前記乱流生成ノズル部は、多数個の放射形ホールが具備され、前記第１混合室で予混合されたガス燃料の乱流流動を誘導する乱流生成部と前記乱流生成部を通過したガス燃料が燃焼室に流動するようにする内側ノズル部を含むことを特徴とする。
また、本発明の望ましい一実施例による前記乱流生成部はフラクタル構造で形成されることを特徴とする。
また、本発明の望ましい一実施例による前記第１貫通ホールと第２貫通ホールは、多数個でそれぞれ前記乱流生成ノズル部の中央部を中心に放射形で配列されることを特徴とする。
また、本発明の望ましい一実施例による前記第２流路の旋回強度は、０．４乃至０．５５で形成されることを特徴とする。
前記課題の解決手段によって、本発明の有害物質を最小化することができる燃焼装置は、燃焼装置内の内部再循環領域の形成を抑制し、燃焼時熱的NOx(窒素酸化物)のように高温である燃焼生成物の滞留時間と密接な関係がある有害ガスの発生量を減少させるのにその効果がある。
また、窒素酸化物が燃料と燃焼用空気との混合性能に密接な関係があるので、混合構造が本発明は、二重旋回構造と直交流動構造でなされていて、ガス燃料の予混合性能を向上させるのに卓越な効果がある。
本明細書で使用される用語に対して簡略に説明し、本発明に対して具体的に説明することにする。
本発明で使用される用語は、本発明での機能を考慮しながら可能な現在広く使用される一般な用語らを選択したが、これは当分野に携わる技術者の意図または判例、新しい技術の出現などによって変わることがある。したがって、本発明で使用される用語は単純な用語の名称ではない、その用語が有する意味と本発明の全般にわたった内容を土台に定義されなければならない。
明細書全体でどのような部分がどのような構成要素を“含む”とする時、これは特別に反対される記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
明細書全体でどのような部分がどのような構成要素を“含む”とする時、これは特別に反対される記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
下では添付した図面を参考して本発明の実施例に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明はいろいろ相異な形態で具現されることができるし、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明に対する解決しようとする課題、課題の解決手段、発明の効果を含んだ具体的な事項は次に記載する実施例及び図面らに含まれている。本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は添付される図面と共に詳細に後述されている実施例らを参照すれば明確になる。
以下、添付された図面を参照して本発明をより詳しく説明することにする。
本発明に対する解決しようとする課題、課題の解決手段、発明の効果を含んだ具体的な事項は次に記載する実施例及び図面らに含まれている。本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は添付される図面と共に詳細に後述されている実施例らを参照すれば明確になる。
以下、添付された図面を参照して本発明をより詳しく説明することにする。
本発明の望ましい一実施例による有害物質を最小化することができる燃焼装置は図１に示されたように、ガス燃料が供給されるガスノズル部１０と前記ガスノズル部１０と連通されて空間を形成するガス燃料分配部２０と前記ガス燃料分配部２０と第１貫通ホール２１によって連通されてガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第１混合室２２と前記ガス燃料分配部２０と第２貫通ホール２３によって連通され、ガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第２混合室２４と前記第１混合室２２と第２混合室２４との間に具備され、前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が乱流流動するようにする乱流生成ノズル部３０と空気ノズル部５０と連通され、前記第１混合室２２と第２混合室２４にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部４０を含む。
そして、前記旋回ノズル部４０は前記第１混合室２２と連通されて前記第１貫通ホール２１を通じて噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触されて混合するようにする第１流路４１と前記第２混合室２４と連通され、前記第２貫通ホール２３を通じて噴射されたガス燃料が前記第１流路４１に比べて旋回度が低い空気と垂直に接触されて混合するようにする第２流路４２を含む。
したがって、前記第１混合室２２を通じて予混合されたガス燃料が前記乱流生成ノズル部３０を通過して前記第２混合室２４を通じて予混合されたガス燃料と混合しながら、前記第２混合室２４を通じて弱く旋回されたガス燃料によって乱流流動を維持した状態に火点しされることで、火炎内に内部再循環領域の形成が抑制され、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させて有害物質の発生を最小化する。
すなわち、前記ガス燃料分配部２０で前記第１貫通ホール２１を通じて噴射されたガス燃料が空気流入部５１と連通された前記旋回ノズル部４０の末端の部分に設けられた前記第１流路４１を通じて強く旋回された燃焼用空気と直角でぶつかりながら混合される。また、前記ガス燃料分配部２０と前記第２貫通ホール２３によって連通され、ガス燃料が前記空気流入部５１から流入された燃焼用空気一部が前記旋回ノズル部４０の中央部に設けられた前記第２流路４２での前記第１流路４１に比べて比較的弱い旋回流動と会って混合される。これを通じて前記予混合されたガス燃料が前記旋回ノズル部４０出口で別途に火点し装置(図示せず)によって発生した前記火炎内に前記予混合されたガス燃料が内部再循環領域(ＩＲＺ、Inner Recirculation Zone)がない燃焼場を作って高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させ、滞留時間に比例して発生する熱的窒素酸化物のような有害物質の発生を最小化するものである。
先ず、本発明による有害物質を最小化することができる燃焼装置は前記ガスノズル部１０が設けられる。前記ガスノズル部１０は外部のガス燃料が前記ガス燃料分配部２０に供給されるように案内する役割をする。
前記ガスノズル部１０の末端には前記ガス燃料分配部２０が設けられる。前記ガス燃料分配部２０は内部に所定の空間が設けられ、前記ガスノズル部１０から流入されるガス燃料を分配する役割をする。より詳細には、前記ガス燃料分配部２０は円筒状に具備され、断面を基準で前記ガス燃料分配部２０の端部一側には前記第１貫通ホール２１が多数個で具備される。前記第１貫通ホール２１は前記ガス燃料分配部２０と前記第１混合室２２を連通して前記ガスノズル部１０から供給されたガス燃料が前記第１混合室２２に移動されることができるようにする。この時、前記ガス燃料分配部２０で前記第１貫通ホール２１を通じて噴射されたガス燃料は前記第１流路４１を通じて流入された燃焼用空気の強い旋回運動と共に前記第１流路４１の出口真前で直角の流動形態(Jet in cross)でぶつかりながら燃焼用空気と混合されて前記第１混合室２２内に移動するようになる。
次に、前記第１貫通ホールと第２貫通ホールは、多数個でそれぞれ前記乱流生成ノズル部の中央部を中心に放射形で配列される。また、前記第１貫通ホール２１は前記ガス燃料分配部２０の断面を基準に中心から等しい距離に位置する。より詳細には、前記第２貫通ホール２３は前記第１流路４１と干渉されないし、前記旋回ノズル部４０の中央部に設けられた前記第２流路４２と連通されるように形成される。この時、前記第２流路４２は前記第１流路４２と比べて弱い旋回運動ができる旋回角度で構成される。よって、前記第２貫通ホール２３は前記ガス燃料分配部２０と前記第２混合室２４を連通して前記ガスノズル部１０から供給されたガス燃料が前記第２流路４２を通過した燃焼用空気と予混合されながら前記第２混合室２４に移動されることができるようにする。また、前記第２貫通ホール２３は前記ガス燃料分配部２０の断面を基準に中心から等しい距離に位置する。すなわち、前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３は、それぞれ前記乱流生成ノズル部３０の中央部を中心に一定間隔離れた円形で配列されるものである。
次に、前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３は前記ガス燃料分配部２０の中心を基準にジグザグ形式で具備される。すなわち、前記ガスノズル部２０から供給されたガス燃料が前記ガス燃料分配部２０でそれぞれ前記第１混合室２２と第２混合室２４に均一に分配されることができるようにするものである。そして、前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３の個数は等しく具備されることが望ましい。これもまた、前記ガスノズル１０から供給されたガス燃料が前記ガス燃料分配部２０で前記第１混合室２２と第２混合室２４で均一に分配されることができるようにするためのものである。また、ガス燃料と空気の量によって前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３の断面の直径を調節して前記第１混合室２２と第２混合室２４に供給されるガス燃料の流量を調節することができるようにする。そして、燃焼時前記燃焼室５２内の圧力変動と無関係にいつも一定な量のガス燃料を供給してくれることで、ガスタービン燃焼器のような希薄燃焼(lean combustion)で重要な燃焼安定化をはかることができるようにする。
具体的に、前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３の直径は、ガス燃料がチョーキング(choking)流動になるための条件で前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３それぞれの前後端の圧力差が一例で、LNG燃料である場合１．６ａｔｍ以上で維持されるように製作される。この時、１．６ａｔｍ以上の圧力差になることができるように前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３の直径が設定されれば、それぞれの前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３から噴射されるガス燃料はマッハ(Mach)数が１．０になるチョーキング流動が形成される。よって、前記旋回ノズル部４０から噴出される予混合器の流動が前記旋回ノズル部４０出口から火点しされて燃焼された後にも、前記燃焼室５２内部の圧力変化に影響を受けない状態になって安定的で均一な混合器を形成することができるようになる。
次に、図３を参照すれば、前記第１混合室２２と第２混合室２４が設けられる。前記第１混合室２２は内部に空間が設けられ、前記第１貫通ホール２１によって前記ガス燃料分配部２０と連通される。よって、前記空気ノズル部５０を通じて流入された燃焼用空気が前記第１流路４１を通じて流入されて前記第１混合室２２内部の前記第１流路４１の出口と隣接した支点で前記ガス燃料と直角でぶつかりながら強く旋回されて予混合される。
また、前記第２混合室２４は内部に空間が設けられ、前記第２貫通ホール２３によって前記ガス燃料分配部２０と連通される。これまた前記空気ノズル部５０を通じて流入された燃焼用空気が前記第２流路４２を通じて流入されて前記第２混合室２４内部の前記第２流路４２の出口と隣接した支点で前記ガス燃料と直角でぶつかりながら旋回される。
この時、前記第１流路４１の旋回強度とは異なり前記第２流路４２は０．４乃至０．５５の弱い旋回強度を有する。より詳細には、前記第２流路４２の旋回強度が０．５５を超過する強い旋回強度になれば、前記旋回ノズル部４０末端出口で火点しされて燃焼された後生成された前記燃焼室５２内部火炎場で内部再循環領域(ＩＲＺ)が生成され、高温の燃焼生成物が火炎場のうちで再循環されながら滞留される時間が長くなるようになって、熱的窒素酸化物生成が多くなるようになる問題点が発生するようになる。また、前記第２流路４２の旋回強度が０．４未満で形成されれば、前記第１混合室２２を通じて予混合されたガス燃料が前記燃焼室５２で流動する過程で、前記ガス燃料が前記乱流生成部３１の中央部を基準で外方向に広がるようになって、火炎場の内部再循環領域が生成されるようになる。よって、前記第２流路４２の旋回強度は必ず０．４乃至０．５５に形成されることが望ましい。
次に、前記第１混合室２２と第２混合室２４との間に前記乱流生成ノズル部３０が設けられる。より詳細には、前記乱流生成ノズル部３０は多数個の放射形ホールが具備され、前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料の乱流流動を誘導する乱流生成部３１と前記乱流生成部３１を通過したガス燃料が燃焼室５２で流動できるようにする内側ノズル部３２を含む。前記乱流生成ノズル部３０はパイプノズル形態であり、内部に円形の薄い乱流生成部３１が具備される。前記乱流生成部３１は前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料を乱流化させる機能をする。すなわち、前記ガス燃料が前記乱流生成部３１のホールを通過しながら乱流性が増加するようになるものである。また、前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が前記乱流生成部３１に流動されることができるように案内する案内部６０が設けられることが望ましい。
また、前記乱流生成部３１はフラクタル構造で形成されることができる。フラクタル構造は乱流強度を効果的に増加させる構造で小さな形状が全体形状と似ている形態で果てしなく繰り返されて繰り返されながら全体形状をなす構造である。フラクタル構造は一定な規則に従って幾何学的に同じ形状であるが、大きさと配列がお互いに異なる形態で配置されることによって、このようなフラクタル構造を通過する流体は多様な乱流長さ(turbulence length)とエネルギーが生成され、乱流強度(turbulence intensity)を効果的に増加させることができる構造である。このようなフラクタル構造は一定な割合法則でフラクタル格子(grid)太さが減少するようになる。前記乱流生成部３１がフラクタル構造で形成され、前記フラクタル格子の太さが減少する割合が０．６以下である時、前記放射形ホールを具備した乱流生成部３１に比べて乱流強度が２倍乃至３倍増加するようになる。したがって、このようなフラクタル構造で前記乱流生成部３１を構成する場合、乱流強度を効果的に増加させることができるものである。
図７乃至図１０は、前記乱流生成部３１がフラクタル構造の格子減少割合が０．６以下になるように構成される場合、乱流強度を増加させることができるという実験結果を示す。より詳細には、図７は実験条件を整理したものである。流体は圧縮空気を使ったし、補正された質量流量計(ＭＦＣ)を通じて制御する。実験の目的である非反応場の乱流強度を把握するために接触式計測装備である熱線流速計(Hot-wire anemometer)を使って、流速計はＴＳＩ社のＩＦＡ３００を使って、１kHzのサンプリング率で１分間取得し、２チャンネルプロブを使用する。次に、図８は管流動で前記乱流生成部３１の中央軸方向の速度データを示したものである。前記フラクタル構造で１０mm乃至３５mmまで最小値の速度を有することを確認することができる。また、図９はノズル出口以前の最高値がＲＲＢＴ(Reduce Ratio Bar Thickness)が小くなることによって徐徐に前記乱流生成部３１から遠くなることを確認することができるし、ノズル出口でＲＲＢＴが小くなることによって速度変動が大きいことを確認可能であり、これはＲＲＢＴが小くなることによって乱流強度が強まるというものである。次に、図１０で前記した放射形ホールを具備した乱流生成部３１のtype-２がフラクタル形態の乱流生成部３１であるＲＲＢＴより乱流強度が小さなことを確認することができる。
次に、前記燃焼室５２と連通された前記旋回ノズル部４０出口には前記火点し装置が具備され、別途の電源で駆動されることができる。すなわち、前記火点し装置は前記旋回ノズル部４０出口から噴射される未然予混合器を火点しさせ、前記燃焼室５２内部で内部再循環領域(ＩＲＺ)がない火炎場を形成するようにする。
次に、図４を参照すれば、前記第１混合室２２及び第２混合室２４に燃焼用空気が供給されることができるように前記空気流入部５１と連通された前記空気ノズル部５０と前記旋回ノズル部４０が設けられる。より詳細には、前記空気ノズル部５０は前記第１混合室２２と第２混合室２４の外周面を囲む形態で具備される。また、前記空気ノズル部５０と旋回ノズル部４０との間は前記第１混合室２２及び第２混合室２４と連通されて空気が流動することができる空間が設けられる。よって、前記空気流入部５１は前記第１混合室２２及び第２混合室２４でガス燃料と前記旋回ノズル部４０一側にそれぞれ設けられている第１流路４１と第２流路４２を通じて流入された燃焼用空気と混合されるように空気を供給する役割をする。
すなわち、前記旋回ノズル部４０は前記第１混合室２２と連通されて前記第１混合室２２に強い旋回流動の空気を供給する第１流路４１と前記第２混合室２４と連通されて前記第２混合室２４に旋回強度０．４乃至０．５５の弱い旋回流動で空気を供給する第２流路４２に具備されることが望ましい。
また、前記第１流路４１の出口真前には前記第１貫通ホール２１が位置され、前記第２流路４２の内壁一側には前記第２貫通ホール２３が位置される。よって、前記第１貫通ホール２１を通じて供給されたガス燃料と前記第１流路４１を通じて強い旋回流動で供給された燃焼用空気が混合に有利な直交ジェット流動(Jet in cross)でぶつかるようになりながら効率的に予混合されることができるようにするものである。同じく、前記第２貫通ホール２３を通じて供給されたガス燃料は前記第２流路４２を通じて供給された弱い旋回強度の燃焼用空気と効率的に予混合されることができるようにするものである。
以下では、本発明による有害物質を最小化することができる燃焼装置に対する作用を説明する。
先ず、燃焼装置を可動させれば、前記ガスノズル部１０からガス燃料が前記ガス燃料分配部２０に流入され、供給されたガス燃料は前記ガス燃料分配部２０から前記第１貫通ホール２１及び第２貫通ホール２３によって前記第１混合室２２及び第２混合室２４に分けられて移動するようになる。この時、前記第１混合室２２と第２混合室２４では前記空気ノズル部５０と前記旋回ノズル部４０を通じて供給された燃焼用空気と前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３を通じて供給されたガス燃料が予混合される。以後、前記第２混合室２４で弱い旋回強度状態である混合器は前記第１混合室２２で強い旋回強度に予混合された混合器周りに弱い旋回運動を維持しながら前記燃焼室５２に移動する。この状態で、前記火点し装置によって火点しされ、前記燃焼室５２内で高温の乱流予混合火炎を形成するようになる。
先ず、燃焼装置を可動させれば、前記ガスノズル部１０からガス燃料が前記ガス燃料分配部２０に流入され、供給されたガス燃料は前記ガス燃料分配部２０から前記第１貫通ホール２１及び第２貫通ホール２３によって前記第１混合室２２及び第２混合室２４に分けられて移動するようになる。この時、前記第１混合室２２と第２混合室２４では前記空気ノズル部５０と前記旋回ノズル部４０を通じて供給された燃焼用空気と前記第１貫通ホール２１と第２貫通ホール２３を通じて供給されたガス燃料が予混合される。以後、前記第２混合室２４で弱い旋回強度状態である混合器は前記第１混合室２２で強い旋回強度に予混合された混合器周りに弱い旋回運動を維持しながら前記燃焼室５２に移動する。この状態で、前記火点し装置によって火点しされ、前記燃焼室５２内で高温の乱流予混合火炎を形成するようになる。
この時、前記高温の火炎によって多量の熱的NOxのような有害物質が発生する。前記熱的NOxのような有害物質の発生を減少させる方法としては火炎の温度を低めるか、または火炎内の高温の燃焼生成物が反応場である火炎場内で滞留する滞留時間を減少させるものである。ところで、ガスタービンのような場合、システムの熱效率を向上させるためにはタービン入口温度(ＴＩＴ、Turbine Inlet Temperature)を高めることが一番有効である。最近、すべてのガスタービン用燃焼器の必須要求条件であるので、前記した方法のうちで火炎の温度を低める方法の場合、ガスタービン全体システムの熱效率が低くなるようになるので、火炎の温度を低めないながらも、火炎内の高温である燃焼生成物の滞留時間を減らすことが一番望ましい方法である。
したがって、前記第１混合室２２で前記第１流路４１の強い旋回流動が前記第１貫通ホール２１から噴射されたガス燃料と垂直なジェット形態(Jet in cross)で会って予混合される。以後、前記第１混合室２２と連通された前記乱流生成ノズル部３０内側に装着された前記乱流生成部３１を経りながら乱流化される。以後、前記乱流生成ノズル部３０末端で第２混合室２２を通して弱い旋回流動で予混合された混合器と会う。以後、前記燃焼室５２と連通された旋回ノズル部４０出口で予混合火炎を形成するようになる。すなわち、前記火炎の中央部に再循環領域が発生しなくなるで、前記火炎が完全燃焼に近くなるようになるものである。図６を参照すれば、前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が前記乱流生成部３１を通過しながら強く乱流化される。この時、前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が前記燃焼室５２で急激な拡大流動で発展しないようにする。すなわち、前記第２混合室２４で予混合されたガス燃料が前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が外方向に広がらないようにするものである。すなわち、前記燃焼室５２に噴射される前記第１混合室２２で予混合されたガス燃料が前記第２流路４２から弱い旋回運動の保護を受けながら強い乱流流動を維持したまま前記燃焼室５２に移動されるものである。これによって、前記燃焼室５２に生成される火炎場の内部再循環領域の形成を最小化し、前記火炎場内に前記高温である燃焼生成物が滞留する時間を減少させて滞留時間と密接な関係がある熱的窒素酸化物のような有害物質の発生を最小化できるものである。
このように、前述した本発明の技術的構成は、本発明が属する技術分野の当業者が本発明のその技術的思想や必須特徴を変更しなくても他の具体的な形態で実施されることができるということを理解することができる。
それで、以上で記述した実施例らはすべての面で例示的なことであり、限定的なものではないこととして理解されなければならないし、本発明の範囲は前記詳細な説明よりは後述する特許請求範囲によって現われて、特許請求範囲の意味及び範囲、そして、その等価概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものとして解釈されなければならない。
１ 燃焼装置
１０ ガスノズル部
２０ ガス燃料分配部
２１ 第１貫通ホール
２２ 第１混合室
２３ 第２貫通ホール
２４ 第２混合室
３０ 乱流生成ノズル部
３１ 乱流生成部
３２ 内側ノズル部
４０ 旋回ノズル部
４１ 第１流路
４２ 第２流路
４３ 外側ノズル部
５０ 空気ノズル部
５１ 空気流入部
５２ 燃焼室
６０ 案内部
１０ ガスノズル部
２０ ガス燃料分配部
２１ 第１貫通ホール
２２ 第１混合室
２３ 第２貫通ホール
２４ 第２混合室
３０ 乱流生成ノズル部
３１ 乱流生成部
３２ 内側ノズル部
４０ 旋回ノズル部
４１ 第１流路
４２ 第２流路
４３ 外側ノズル部
５０ 空気ノズル部
５１ 空気流入部
５２ 燃焼室
６０ 案内部
Claims (1)
- ガス燃料が供給されるガスノズル部と、
前記ガスノズル部と連通されて空間を形成するガス燃料分配部と、
前記ガス燃料分配部と第１貫通ホール、によって連通されてガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第１混合室と、
前記ガス燃料分配部と第２貫通ホール、によって連通されてガス燃料が空気と予混合される空間を形成する第２混合室と、
前記第１混合室と第２混合室との間に具備され、前記第１混合室で予混合されたガス燃料が乱流流動するようにする乱流生成ノズル部と、
空気ノズル部と、連通されて前記第１混合室と第２混合室にそれぞれ燃焼用空気を供給する旋回ノズル部と、を含んで、
前記旋回ノズル部は、
前記第１混合室と連通されて前記第１貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が旋回された空気と垂直で接触されて混合されるようにする第１流路と、
前記第２混合室と連通されて前記第２貫通ホールを通じて噴射されたガス燃料が前記第１流路に比べて旋回度が低い空気と垂直で接触されて混合されるようにする第２流路と、を含んで、
前記第１混合室を通じて予混合されたガス燃料が前記乱流生成ノズル部を通過し、前記第２混合室を通じて予混合されたガス燃料と混合しながら、前記第２混合室を通じて予混合されたガス燃料によって乱流流動を維持した状態に火点しされることで、火炎内に内部再循環領域の形成を抑制し、高温で燃焼生成物が滞留する時間を減少させ、
前記乱流生成ノズル部は、
多数個の放射形ホールが具備され、前記第１混合室で予混合されたガス燃料の乱流流動を誘導する乱流生成部と、
前記乱流生成部を通過したガス燃料が燃焼室に流動できるようにする内側ノズル部と、を含んで、
前記第２流路の旋回強度は、前記第１流路の旋回強度に０．４倍乃至０．５５倍であり、
前記乱流生成部は、格子の太さが減少する割合が０．６以下であるフラクタル構造で形成され、
前記第１貫通ホールと第２貫通ホールは、ガス燃料と空気の量によって前記第１貫通ホールと第２貫通ホールとの断面の直径が調節されることができるように形成されて選択的にチョーキング流動を形成させることができ、
前記第１貫通ホールと第２貫通ホールは前記ガス燃料分配部の中心を基準にジグザグ形式で具備される
ことを特徴とする有害物質を最小化することができる燃焼装置。
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