JP6466142B2

JP6466142B2 - 燃焼ガスの内部再循環による超低窒素酸化物燃焼装置およびその運転方法

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Publication number: JP6466142B2
Application number: JP2014229583A
Authority: JP
Inventors: セウォンキム; チャンヨプリ; ミンジュンクォン
Original assignee: Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Current assignee: Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-11-12
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Description

本発明は、燃焼ガスの内部再循環による超低窒素酸化物燃焼装置に関するものであって、より詳細には、燃焼室内で発生する燃焼ガスを、前記燃焼室の外部連結通路でない燃焼室の内部で別の装置なしに伝達されるようにする、内部再循環技術を適用した超低窒素酸化物燃焼装置に関するものである。

現在、人類の主なエネルギー源は、炭化水素系の化石燃料である。しかし、このような化石燃料の燃焼後の生成物による環境汚染問題が深刻に提起されている。主な環境汚染源としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）のほか、燃料の不完全燃焼によって生じる一酸化炭素（ＣＯ）やすす（ｓｏｏｔ）などがある。

既存の化石燃料を使用する燃焼器は、燃焼時の化学的反応によってＮＯおよびＮＯ_２の化学式を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が避けられない。その発生を抑制するための低ＮＯｘ燃焼技術は、燃料と空気との混合形態、空燃比などの燃焼器の構造改善により実現されるように発展している。燃焼過程で発生する窒素酸化物は、大気中の他の酸素と反応してスモッグおよび大気のオゾン増加などの環境問題を発生させる。特に、このような燃焼過程で発生する排出物（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の場合、環境および人体の健康に害を及ぼすため、各国ではますますより厳しい基準で規制を強化している。

窒素酸化物の種類には、発生原因によって、熱的窒素酸化物（ＴｈｅｒｍａｌＮＯｘ）、急速窒素酸化物（ＰｒｏｍｐｔＮＯｘ）、および燃料窒素酸化物（ＦｕｅｌＮＯｘ）に分類できる。熱的窒素酸化物は、空気中の窒素が酸素と１６００℃以上の高温で反応して生成されるものであり、急速窒素酸化物は、炭化水素系燃料の燃焼時、燃焼初期に生成されるものであり、燃料窒素酸化物は、燃料中に含有された窒素成分の反応によって生成される。このような窒素酸化物の対策においても、天然ガスのような気体燃料には、燃料中に窒素成分が含有されていないため、ＴｈｅｒｍａｌＮＯｘおよびＰｒｏｍｐｔＮＯｘに関連する事項を制御することが効果的であり得る。

窒素酸化物は、光化学スモッグおよび酸性雨の原因となり、動植物に深刻な影響を及ぼすことが知られており、長い間にわたって、多くの研究者はＮＯｘを低減させる多様な方法を研究した。

これにより、現在試みられている低ＮＯｘ方法としては、排気ガスの再循環、水またはスチーム噴射、空気および燃料の多段燃焼、選択的非触媒還元反応（ＳＮＣＲ、ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｎｏｎ−ｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）、選択的触媒還元反応（ＳＣＲ、ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）などがある。最近、先進国では、後燃焼領域でＮＯｘを除去する再燃焼方法が試みられており、ＮＯｘの低減率や経済性において効率性が高いとされている。

前記のようにＮＯｘを低減するための従来の方法として、特許文献１を例に挙げることができる。前記特許文献１上においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減できるようにするために、燃焼用空気を一般空気と排ガスとを混合して３つの段階に分けて供給するが、各段の混合比をそれぞれ異ならせることにより、多段燃焼による局所高温域の生成を最小化し、燃焼領域を拡張してボイラ内部の均一な加熱を行うための、液体およびガス用排ガス再循環３段バーナを提供する。

反面、前記引用文献では、排気ガスを再循環させるための要素として、複数の排ガス供給管、再循環ダクト、およびダンパなどの別の装置を備えることにより、排気ガスを燃焼炉内に再流入させるが、前記燃焼炉の外部に別途に装置されなければならないため、必要な空間が多くなるという欠点があった。

一方、本発明者によって先に出願された特許文献２を参照すれば、燃焼室内で発生する燃焼ガスを、燃焼室の外部連結通路でない燃焼室の内部で別の装置なしに伝達されるようにする内部再循環技術を提供するが、燃焼炉の中心部で希薄火炎を形成させるための具体的な構成や窒素酸化物の形成を低減させることができる具体的な因子に関する説明は足りないという限界があった。

韓国公開特許第１０−２００５−０１１７４１７号韓国登録特許第１０−１２０３１８９号

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、燃焼炉の中心領域に酸化剤を供給させると同時に、多重火炎場が形成された燃焼室内で発生する燃焼ガスを、前記燃焼室の外部連結通路でない燃焼室の内部で別の装置なしに伝達されるようにする、内部再循環技術を適用した超低窒素酸化物燃焼装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、主燃料を供給する一次燃料噴射体と、補助燃料を供給する二次燃料噴射体とからなる多段の燃料供給ノズル構造により、高効率および低公害構造の火炎場を形成することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明にかかる超低窒素酸化物燃焼装置は、燃焼炉の内部に主燃料を供給する一次燃料噴射体と、前記一次燃料噴射体の周囲に少なくとも１つ以上で配置され、その先端が前記燃焼炉の内部に進入するように配置される二次燃料噴射体と、前記燃焼炉で発生した燃焼ガスを流体力学的力によって前記燃焼炉に再循環させる再循環誘導部と、前記一次燃料噴射体および二次燃料噴射体に燃料を供給する燃料供給部と、前記一次燃料噴射体と前記二次燃料噴射体との間の空間に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、空気多段のために前記一次燃料噴射体を取り囲むように配置される空気多段スリーブとを含み、前記酸化剤供給部から供給される酸化剤は、前記空気多段スリーブの内外部を介して多段に供給することを特徴とする。

前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記空気多段スリーブの直径をＤ、前記再循環誘導部の内部直径をＣとして定義する時、予混合強度を示す第１性能指数η_１は、下記の式により設定されることが好ましい。

前記第１性能指数の値は、０．３〜０．５の範囲であることが好ましい。

前記超低窒素酸化物燃焼装置は、前記一次燃料噴射体の先端に配置されるスワラと、前記酸化剤供給部から供給される酸化剤を前記一次燃料噴射体の内部に沿って前記燃焼炉内に移送する中心酸化剤噴射部とをさらに含むことが好ましい。

前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記スワラの直径をＡとして定義する時、ノズル形状係数を示す第２性能指数η_２は、下記の式により設定され、前記第２性能指数の値は、１．５〜２．０の範囲であることが好ましい。

前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記スワラの直径をＡ、前記再循環誘導部の内部直径をＣとして定義する時、旋回流係数を示す第３性能指数η_３は、下記の式により設定され、前記第３性能指数の値は、０．２５〜０．５５の間の範囲であることが好ましい。

ＦＩＲポート間の距離をＥ、燃料パイプの直径をＦとして定義する時、再循環部の流速を示す第４性能指数η_４は、下記の式により設定されることが好ましい。

前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記再循環誘導部の内部直径をＣとして定義する時、燃焼器の出口の流速を示す第５性能指数η_５は、下記の式により設定されることが好ましい。

前記超低窒素酸化物燃焼装置は、前記空気多段スリーブの外面に付設される再循環促進突起部をさらに含み、前記再循環促進突起部は、前記再循環誘導部と前記空気多段スリーブとの間に流動する前記燃焼ガスの流速を増加させることが好ましい。

前記二次燃料噴射体は、前記一次燃料噴射体を中心として同一円周上に一定の間隔を維持するように複数個が配置され、前記二次燃料噴射体は、その半径方向に燃料を噴射することが好ましい。

前記二次燃料噴射体の半径方向の噴射角度は、隣接した前記二次燃料噴射体に向かう角度と、交番的に隣接した前記二次燃料噴射体に向かう角度との間で燃料を噴射することが好ましい。

前記二次燃料噴射体の軸方向の燃料噴射角度は、１０゜から８０゜の範囲であることが好ましい。

前記一次燃料噴射体の燃料噴射速度Ｖ_ｆ１は、好ましくは２０から５０の範囲に設定されることが好ましい。

二次燃料噴射体の燃料噴射速度Ｖ_ｆ２は、好ましくは下記の式の範囲に設定されることが好ましい。

前記再循環誘導部は、前記二次燃料噴射体を基準として傾斜して配置される内部再循環スリーブと、前記内部再循環スリーブの後端から延びる連結ガイドと、前記連結ガイドの後端に連結され、流動する燃焼ガスの移動方向を変更させる噴射ノズルとを含むことが好ましい。

前記噴射ノズルは、前記一次燃料噴射体と前記再循環誘導部との間で傾斜して配置されることにより、前記酸化剤の流動空間である前記一次燃料噴射体と前記再循環誘導部との間の幅を減少させることが好ましい。

前記一次燃料噴射体は、供給される前記主燃料をその半径方向および接線方向に噴射することが好ましい。

前記二次燃料噴射体の先端は、前記一次燃料噴射体の先端に比べて前記燃焼炉の内部にさらに進入して配置されることが好ましい。

前記一次燃料噴射体は、前記燃焼炉の内部に燃料濃厚領域である一次空間を形成し、前記二次燃料噴射体は、前記一次空間の後端部に燃料希薄領域である二次空間を形成することで多段火炎を形成することが好ましい。

本発明にかかる超低窒素酸化物燃焼装置は、多重火炎場が形成された燃焼室内で発生する燃焼ガスを、内部再循環技術を適用して前記燃焼室の外部連結通路でない燃焼室の内部で別の装置なしに伝達されるようにする。

このように内部再循環誘導体の形状を最適化することにより、燃焼炉内の燃焼ガスが外部動力なしに熱および流体力学的誘導技術によって吸入される酸化剤と混合されて燃焼されることにより、超低窒素酸化物の運転を可能にする。

本発明は、酸化剤を火炎中心部に供給することにより、希薄火炎を形成するための空気供給過程を可能にしたり、火炎中心部の局所的高温熱点による窒素酸化物の生成増加を防止する。これにより、スワラおよび燃料噴射体の先端の過熱現象を抑制させる。

また、本発明は、再循環誘導部および空気多段スリーブなどの構造により、燃焼炉で発生する燃焼ガスの円滑な再循環流動を可能にし、これにより、従来、保炎の役割に重要な中心部の再循環流動に反する流動による火炎の不安定現象が発生するのを防止する。

さらに、別の動力供給装置を必要とせず、設置の単純化を可能にすると同時に、燃焼ガスの循環効率を増加させる。

また、本発明は、再循環誘導部を経た燃焼ガスが酸化剤と共に燃焼炉上に再供給されて燃焼される過程を経ることにより、安定した火炎を実現させる。

本発明の第１実施例による超低窒素酸化物燃焼装置の全体的な構成図である。図１の燃焼装置を燃焼炉の内部から眺めた形態であって、二次燃料噴射体から補助燃料が噴射される一実施例を示す図である。図１の燃焼装置を燃焼炉の内部から眺めた形態であって、二次燃料噴射体から補助燃料が噴射される他の実施例を示す図である。重要性能指数を構成する記号が示された図である。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の超低窒素酸化物燃焼装置の重要性能指数を示すグラフである。本発明の第２実施例による超低窒素酸化物燃焼装置の全体的な構成図である。

本発明の上記の目的、特徴および他の利点は、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明することによってより明確になる。記述される実施例は発明の説明のために例示的に提供されるものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明の超低窒素酸化物燃焼装置を構成する各構成要素は、必要によって一体型で使用されるか、それぞれ分離されて使用される。また、使用形態によって一部の構成要素を省略して使用可能である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例による超低窒素酸化物燃焼装置を詳細に説明する。

超低窒素酸化物燃焼装置の全体的な構成の説明
まず、図１を参照して、本発明の第１実施例による超低窒素酸化物燃焼装置１００の全体的な構成を説明する。

超低窒素酸化物燃焼装置１００は、燃焼炉１の前方に形成された開口部の中央に配置される一次燃料噴射体１０と、一次燃料噴射体１０を取り囲むと同時に、開口部の内側に密着して配置される二次燃料噴射体２０と、一次燃料噴射体１０の先端に配置されるスワラ３０と、一次燃料噴射体１０と二次燃料噴射体２０との間に配置される再循環誘導部４０と、一次燃料噴射体１０およびスワラ３０を取り囲むように配置される空気多段スリーブ６０と、空気多段スリーブ６０の外面に付設される再循環促進突起部９０とを含む。前記再循環誘導部４０は、二次燃料噴射体２０に隣接して配置される。

一次燃料噴射体１０は、第１燃料ライン５１に連結される移送部１３と、前記移送部１３に直接連結される拡大部１１とを含む。前記移送部１３は、主燃料を拡大部１１まで安全に移送するためのものであり、耐久性の強い材質で製造することが好ましく、直径が均一に形成されるとよい。

拡大部１１は、一実施例として、次第にその直径が拡大する形状を有することができ、供給された主燃料をその外周面を介して噴射する。つまり、拡大部１１の外周面に形成された噴射ホール（図示せず）を介して拡大部１１内に進入した燃料が燃料噴射体１０、２０の間の内部空間に放射状に噴射される（図１の図面符号１５参照）。つまり、拡大部１１内の燃料は、流入する酸化剤上に前記拡大部１１の半径方向に沿って噴射される。

一方、一次燃料噴射体１０の内部に沿って中心酸化剤噴射部８５が配置されるとよい。ここで、中心酸化剤噴射部８５の末端にノズルが挿入可能に構成することにより、空気供給量を調節できるようにする。前記中心酸化剤噴射部８５は、酸化剤供給部８０から供給される酸化剤を一次燃料噴射体１０の中心軸に沿って流動させた後、燃焼炉１の火炎中心部である一次空間７２に供給させる。

これにより、火炎中心部の一次空間７２に火炎と酸化剤との混合効果を促進して赤炎の形成を抑制することにより、青炎の形成を誘導する。さらに、火炎中心部周辺の局所的高温領域を減少させることにより、窒素酸化物の発生を低減させる。

二次燃料噴射体２０は、一次燃料噴射体１０を中心として同一円周上に一定の間隔で配置される。具体的には、６個〜１２個の二次燃料噴射体２０が配置され、好ましくは８個の二次燃料噴射体２０が均等な間隔を維持したまま配置される。前記二次燃料噴射体２０の先端は、一次燃料噴射体１０の先端に比べて燃焼炉１の内部にさらに進入して配置される。前記二次燃料噴射体２０の先端の構造は、一方向に傾斜して傾斜角が定められるとよい。具体的には、燃焼炉１の中心に向かう方向へと、次第に開口部３から遠くなる形態で傾斜して定められるとよい。

二次燃料噴射体２０から噴射される燃料は、前記二次燃料噴射体２０の半径方向に噴射できる。前記二次燃料噴射体２０は、その軸方向でない半径方向に補助燃料を噴射させることにより、燃焼炉１内に回転流動を発生させる。本発明では、複数の二次燃料噴射体２０が配置される円周上で時計または半時計方向に補助燃料が放出されるようにすることができる（図２の図面符号２５、または図３の図面符号２５'参照）。図面上では、一例として、時計方向に噴射される形態を示している。

本発明において、複数の二次燃料噴射体２０のうちのいずれか１つからの燃料噴射方向は、隣接した他の二次燃料噴射体２０に向かうように設定される（図２参照）。一方、他の実施例として、複数の二次燃料噴射体２０のうちのいずれか１つからの燃料噴射方向は、交番的に隣接した他の二次燃料噴射体２０に向かうように設定される（図３参照）。他方、複数の二次燃料噴射体２０のうちのいずれか１つからの半径方向の噴射角度は、隣接した二次燃料噴射体に向かう角度と、交番的に隣接した他の二次燃料噴射体に向かう角度との間で燃料を噴射することができる。

図３では、配列された８個の二次燃料噴射体２０のうち、４個の二次燃料噴射体２０からのみ燃料が噴射されることを示すが、これは噴射方向を明確に表示するためのものであり、すべての二次燃料噴射体２０から燃料が噴射されることとする。

一次燃料噴射体１０および二次燃料噴射体２０は、共に中空円筒状の管として構成される。一次燃料噴射体１０と二次燃料噴射体２０との間の空間には、酸化剤供給部８０から酸化剤が供給される。前記酸化剤は、スワラ３０を介して軸方向または接線方向のモメンタムが形成された状態で燃焼炉１の内部に供給されるか、スワラ３０を介することなく直接的に燃焼炉１内に供給される。

前記一次燃料噴射体１０および二次燃料噴射体２０には、燃料供給部５０から液体燃料が一次燃料（Ｍａｉｎｆｕｅｌ）と二次燃料（２ｎｄｆｕｅｌ）に分けられて供給される。燃料供給部５０からフィルタ（図示せず）を経て不純物が除去され、ポンプ（図示せず）によってポンピングされた後に、第１ライン５１と第２ライン５２に分岐されて燃料噴射体１０、２０に連結される。前記ライン５１、５２にはそれぞれソレノイドバルブ５５、５６が設けられ、一次燃料（Ｍａｉｎｆｕｅｌ）と二次燃料（２ｎｄｆｕｅｌ）として供給される液体燃料を適切に供給および遮断させることができる。

スワラ３０は、一次燃料噴射体１０の先端に配置され、一次燃料噴射体１０の軸方向とは斜線で予混合器が供給できるようにする。さらに、斜線で供給される予混合器は、旋回流動をし、渦流の発生を可能にする（図２の図面符号３２参照）。前記機能を実現するために、スワラ３０は、その一実施例として、中空円筒状のボディと、前記ボディの内部に軸方向とは斜線で配置される翼形状の案内板とを備えることができる。前記ボディの内部には、案内板の一側端に連結固定される中空円筒状の挿入孔（図示せず）が形成される。挿入孔には、一次燃料噴射体１０が貫通して固定されることにより、スワラ３０は、一次燃料噴射体１０の先端部を取り囲むように配置される。

再循環誘導部４０は、燃焼炉１の開口部（図示せず）上で二次燃料噴射体２０を基準として傾斜して配置される内部再循環スリーブ（ＦｏｒｃｅｄＩｎｔｅｒｎａｌｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｓｌｅｅｖｅ）４１と、内部再循環スリーブ４１から延びる連結ガイド４３と、連結ガイド４３の後端に連結され、流動する燃焼ガスの移動方向を変更させる噴射ノズル４５と、再循環誘導部４０の内部下端に傾斜して配置される傾斜部材４７とを含む。

内部再循環スリーブ４１は、燃焼ガスの最初の流入部である先端から後端にいくほど、開口部３の中心に向かうように傾斜して配置される。つまり、内部再循環スリーブ４１の後端にいくほど、次第に内部の幅が広くなる。連結ガイド４３は、内部再循環スリーブ４１を介して流入した燃焼ガスの緩やかな流動を可能にするものであり、一定の幅を維持する。

噴射ノズル４５は、内部再循環スリーブ４１および連結ガイド４３を介して燃焼炉１で流動する燃焼ガスを一次燃料噴射体１０と再循環誘導部４０との間の空間に噴射させる。噴射された燃焼ガスは、酸化剤と共に燃焼炉１の内部に流動する。前記噴射ノズル４５は、一次燃料噴射体１０と再循環誘導部４０との間で傾斜して配置される。つまり、一次燃料噴射体１０と再循環誘導部４０との間の幅を減少させることにより、オリフィス形態の構造を実現する。前記のような噴射ノズル４５の配置構造は、一次燃料噴射体１０と二次燃料噴射体２０との間の空間に供給される酸化剤の流動速度を速くすることにより、高速で燃焼炉１内に流動させる。

つまり、一次燃料噴射体１０と噴射ノズル４５との間の空間が狭くなることにより、ベルヌーイの定理によって酸化剤の流速が増加する。この構造により、燃焼炉１内で発生する流動はモメンタムの増加を可能にする。

傾斜部材４７は、連結ガイド４３と噴射ノズル４５との境界線上に配置される構造体であって、燃焼ガスが流動可能な幅を調節して、結果的に流速を調節する。

空気多段スリーブ６０は、中空円筒状の構造体であって、酸化剤供給部８０から供給される酸化剤を空気多段スリーブ６０の内部および外部に分離供給するように構成することによって酸化剤の多段供給を可能にし、これにより、結果的に燃焼炉１の内部に多段火炎を容易に形成させる。

再循環促進突起部９０は、空気多段スリーブ６０の外周面上に配置される。具体的には、前記再循環促進突起部９０は、再循環誘導部４０を構成する噴射ノズル４５および空気多段スリーブ６０の間の空間を狭める機能を果たすようになる。前記のような構造により、燃焼炉１から再循環誘導部４０を介して流動する燃焼ガスの流速は、再循環促進突起部９０の付近を通りながら上昇する。これにより、再循環誘導部４０を介して燃焼炉１に再流入する燃焼ガスの剥離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を防止し、結果的に燃焼ガスの再循環を促進する。

次に、図４ないし図５Ｆを参照して、超低窒素酸化物燃焼装置１００の性能を決定できる重要性能指数について説明する。

前記重要性能指数を決定する数式に用いられる記号は次のように定義される。

Ａ：スワラ３０の直径、Ｂ：燃料ヘッドの直径、Ｃ：再循環誘導部４０の内部直径、Ｄ：空気多段スリーブ６０の直径、Ｅ：ＦＩＲポート間の距離、Ｆ：燃料パイプの直径

ここで、燃料ヘッドの直径は、一次燃料噴射体１０の吐出口の直径であると同時に、拡大部１１中のスワラ３０に結合される部分の直径であり、燃料パイプの直径は、一次燃料噴射体１０中の燃料が流入する移送部１３の直径であり、ＦＩＲポート間の距離は、再循環誘導部４０中の噴射ノズル４５間の距離を意味する。

まず、第１性能指数η_１は、予混合強度を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第１性能指数は、全体酸化剤供給面積に対する内部バーナ面積の比を指すものであり、予混合空気面積と純粋酸化剤供給面積との比を示す。

図５Ａを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第１性能指数の値を０．３〜０．５の間の範囲に存在させる。好ましくは０．４であるとよい。

次に、第２性能指数η_２は、ノズル形状係数を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第２性能指数は、スワラの直径と燃料ヘッドの直径との間の比を指すものであり、急速予混合バーナヘッドの設計指標として活用される。

図５Ｂを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第２性能指数の値は、好ましくは１．５〜２．０の間の範囲に存在する。

次に、第３性能指数η_３は、旋回流係数を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第３性能指数は、全体酸化剤供給面積に対するスワラ面積の比を指すものであり、全体酸化剤供給面積においてスワラの占める面積の比として旋回強度を示すことができる。

図５Ｃを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第３性能指数の値を０．２５〜０．５５の間の範囲に存在させる。

次に、第４性能指数η_４は、再循環部の流速を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第４性能指数は、噴射ノズル４５の端部間の面積中の、移送部１３の面積を除いた領域を通した流動速度を意味する。

図５Ｄを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第４性能指数の値を４０〜８０の間の範囲に存在させる。

次に、第５性能指数η_５は、燃焼器の出口の流速を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第５性能指数は、連結ガイド４３の内部面積中の、燃料ヘッドの面積を除いた領域を通した流動速度を意味する。

図５Ｅを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第５性能指数の値を３５〜７５の間の範囲に存在させる。

ここで、一次燃料噴射体の燃料噴射速度Ｖ_ｆ１は、好ましくは２０から５０の範囲に設定されることが好ましい。

そして、二次燃料噴射体の燃料噴射速度Ｖ_ｆ２は、好ましくは下記の式の範囲に設定されることが好ましい。

一方、図１を参照する時、二次燃料噴射体２０から噴射される燃料は、前記二次燃料噴射体２０の軸方向に垂直な平面に対してθ値が１０゜から８０゜の間の範囲で噴射されることが好ましい。

次に、第６性能指数η_６は、予混合比を示すものであり、下記の式で設定することができる。

第６性能指数は、全体燃料流量に対する予混合された燃料流量の比を意味する。

図５Ｆを参照すれば、本発明では、窒素酸化物の発生率を２０以下に維持するために、第６性能指数の値を４〜２２の間の範囲に存在させる。前記から確認できるように、予混合比は低いほど、窒素酸化物の低減効果が良いが、５％未満の条件では火炎の不安定現象が発生するという欠点がある。

一方、本発明では、追加的な性能指数として燃料の速度およびヘッドの形状などを考慮して進行可能であるが、すべての燃料ヘッドの形状を含むには限界があり得る。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施例による超低窒素酸化物燃焼装置２００の全体的な構成を説明する。

以下では、第１実施例による超低窒素酸化物燃焼装置１００と比較して同一の部分については説明を省略し、異なる部分について重点的に説明する。

超低窒素酸化物燃焼装置1００では、第１実施例において１００とは異なり、空気多段スリーブ６０は除去されるのに対し、再循環促進突起部９０'が一次燃料噴射体１０の移送部１３の外周面に配置されることを特徴とする。

つまり、一次燃料噴射体１０の外側に供給される酸化剤は、空気多段スリーブ６０を介した分離供給なしに再循環誘導部４０を経た燃焼ガスと全体的に混合され、燃焼炉１方向に流動する。

前記のように、第２実施例による低窒素酸化物燃焼装置２００は、空気多段スリーブ６０の配置の有無および再循環促進突起部９０'の配置位置に差があるだけで、多段に燃料および酸化剤を供給する点、および再循環誘導部４０を介して燃焼炉１で流動する燃焼ガスを再び前記燃焼炉４０に再供給する点では、その核心的な技術的特徴を共有する。

超低窒素酸化物燃焼装置の多段燃焼過程の説明
次に、図１を再び参照して、本願発明の多段燃料燃焼過程について説明する。

まず、酸化剤供給部８０を介して酸化剤が供給され、供給された酸化剤のうちの一部は、一次燃料噴射体１０内部の中心酸化剤噴射部８５を介して流動する。これと同時に、燃料供給部５０から燃料が第１燃料ライン５１を経て一次燃料噴射体１０に供給される。

一次燃料噴射体１０内を流動する主燃料は、拡大部１１の外周面を介して半径方向に噴射される過程を経るが、前記のように噴射された主燃料は、酸化剤と反応して予混合領域７８を形成する。ここで、前記拡大部１１は、燃焼炉１方向に向かうほど拡開する形状を有するため、噴射される燃料が広い部位にわたる予混合領域７８を形成できるようにする。

予混合領域７８に形成された予混合器は、スワラ３０を介して燃焼炉１に放出されて一次空間７２を形成する。一次空間７２に供給される空気を分析すると次の通りである。予混合領域７８に形成された予混合器は、スワラ３０を介して軸方向モメンタム（Ａｘｉａｌｍｏｍｅｎｔｕｍ）および接線方向モメンタム（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｍｏｍｅｎｔｕｍ）を有する状態で燃焼炉１内に伝達される。

前記過程で、再循環誘導部４０を経た燃焼ガスが予混合器と共に一次空間７２に供給される。再循環誘導部４０から酸化剤の流動空間に排出される燃焼ガスは、再循環促進突起部９０によってその流動速度が増加することにより、燃焼ガスおよび酸化剤の流速を上昇させると同時に、剥離を防止することができる。前記過程を経て予混合器および燃焼ガスが一次空間７２に流入して燃焼される過程を経ることにより、安定した火炎を実現させる。一次空間７２は、約4％以上の燃料が噴射されて燃焼する主火炎空間領域である。

次に、燃料供給部５０から燃料が第２燃料ライン５２を経て二次燃料噴射体２０に供給される。二次燃料噴射体２０を介して一次空間７２の上部側に噴射される補助燃料は、一次空間７２で未反応の酸化剤と反応する過程を通じて二次空間７４を形成する。一次空間７２における可燃性ガスのうちの一部は、スワラ３０の外郭に供給される予混合器と混合され、一次火炎の後流に移動して燃料希薄状態の火炎を構成する。前記燃料希薄状態の火炎が二次空間７４を形成する。

前記のように、本発明は、一次燃料噴射体１０の半径方向に沿って噴射される主燃料が酸化剤と予備混合されて予混合領域７８を形成し、前記予混合領域７８から燃焼炉１内に供給された予混合器が一次空間７２を形成し、一次空間７２の後端に二次燃料噴射体２０から補助燃料を噴射して最終的な火炎の形態をなすようにする。

前記のように、燃焼炉１内には、一次燃料噴射体１０および二次燃料噴射体２０によって噴射される燃料によって多段火炎空間が形成される。前記一次空間７２の後端部には二次空間７４が設けられる。二次空間７４は、燃焼炉１の内部側にさらに進入した空間に一次空間７２を取り囲む形態で形成される。

一方、前記一次および二次空間７２、７４を含む多段火炎空間とは別途に、燃焼炉１内には自己再循環領域７６が形成される。前記自己再循環領域７６は、燃焼炉１の内側角領域に形成されるものであり、渦流形態で燃焼ガスが流動できる。

一次燃料噴射体１０から噴射された燃料は、燃焼炉１内における多段空気流動によって安定的な燃料濃厚領域である一次空間７２を形成し、二次燃料噴射体２０から噴射された燃料は、一次燃料噴射体１０の一次火炎から伝達された熱による雰囲気温度と残留酸素によって部分的な酸化反応をして複数の可燃性ガス種に転換され、火炎の後流において燃料希薄状態の火炎空間である二次空間７４を構成するようになる。したがって、前記燃料濃厚領域と燃料希薄領域とを含む燃焼炉内において、多段に構成された火炎状態が明確に区分されて設けられる。

このような原理が適用された超低窒素酸化物燃焼装置１００の火炎は、基本的に燃料濃厚および燃料希薄領域が明確に区分された形態であって、火炎内の局所的な高温領域を最小化してＴｈｅｒｍａｌＮＯｘの生成を最大限に抑制する。さらに、再循環誘導部４０を介して燃焼炉１で発生した燃焼ガスが、別の動力を要することなく、酸化剤と共に燃焼炉１に再流入して反応することにより、燃料中の窒素成分の酸化によるＦｕｅｌＮＯｘの生成を根本的に低減することができる。

上述のように、本発明の超低窒素酸化物燃焼装置は、多重火炎場が形成された燃焼室内で発生する燃焼ガスを、内部再循環技術を適用して前記燃焼室の外部連結通路でない燃焼室の内部で別の装置なしに伝達されるようにする。

本発明では、主燃料を燃焼炉内に噴射される燃料噴射体の軸方向に火炎に直接噴射するのではなく、半径方向または接線方向に噴射する方式により予混合器を形成し、形成された前記予混合器を有して予混合火炎形態の初期火炎を形成することにより、既存の燃料多段燃焼器において拡散火炎形態の初期火炎で形成されていた高温反応領域を除去することができる。

さらに、本発明は、再循環誘導部を経た燃焼ガスが酸化剤と共に燃焼炉上に再供給されて燃焼される過程を経ることにより、火炎の熱容量を高め、安定的に火炎の温度を低下させる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されない。つまり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、添付した特許請求の範囲の思想および範疇を逸脱することなく、本発明に対する多数の変更および修正が可能であり、そのようなすべての適切な変更および修正の均等物も本発明の範囲に属すると見なすべきである。

１：燃焼炉
１０：一次燃料噴射体
２０：二次燃料噴射体
３０：スワラ
４０：再循環誘導部
４１：内部再循環スリーブ
４３：連結ガイド
４５：噴射ノズル
４７：傾斜部材
５０：燃料供給部
５１：第１燃料ライン
５２：第２燃料ライン
５５、５６：ソレノイドバルブ
６０：空気多段スリーブ
７２：一次空間
７４：二次空間
７６：再循環領域
７８：予混合領域
８０：酸化剤供給部
８５：中心酸化剤噴射部
９０：再循環促進突起部
１００：超低窒素酸化物燃焼装置

Claims

燃焼炉の内部に主燃料を供給する一次燃料噴射体と、
前記一次燃料噴射体の周囲に少なくとも１つ以上で配置され、その先端が前記燃焼炉の内部に進入するように配置される二次燃料噴射体と、
前記燃焼炉で発生した燃焼ガスを流体力学的力によって前記燃焼炉に再循環させる再循環誘導部と、
前記一次燃料噴射体および二次燃料噴射体に燃料を供給する燃料供給部と、
前記一次燃料噴射体と前記二次燃料噴射体との間の空間に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部から供給される酸化剤を前記一次燃料噴射体の内部に沿って前記燃焼炉内に移送する中心酸化剤噴射部と、
空気多段のために前記一次燃料噴射体を取り囲むように配置される空気多段スリーブとを含み、
前記酸化剤供給部から供給される酸化剤は、前記空気多段スリーブの内外部を介して多段に供給されることを特徴とする、超低窒素酸化物燃焼装置。
前記再循環誘導部は、前記燃焼ガスを前記一次燃料噴射体と前記再循環誘導部との間の空間に噴射させる噴射ノズルを含み、
前記一次燃料噴射体は、前記主燃料を前記一次燃料噴射体と前記二次燃料噴射体の間の内部空間に放射状に噴射するように構成され、
前記空気多段スリーブは、前記噴射ノズルから噴射される前記燃焼ガスと、前記一次燃料噴射体から放射状に噴射される前記主燃料とを分離することを特徴とする、請求項１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記空気多段スリーブの直径をＤ、前記再循環誘導部の内部直径をＣとして定義する時、
予混合強度を示す第１性能指数η_１は、下記の式により設定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記第１性能指数の値は、０．３〜０．５の間の範囲であることを特徴とする、請求項３に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記超低窒素酸化物燃焼装置は、
前記一次燃料噴射体の先端に配置されるスワラをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記スワラの直径をＡとして定義する時、
ノズル形状係数を示す第２性能指数η_２は、下記の式により設定され、
前記第２性能指数の値は、１．５〜２．０の間の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体の吐出口の直径をＢ、前記スワラの直径をＡ、前記再循環誘導部の内部直径をＣとして定義する時、
旋回流係数を示す第３性能指数η_３は、下記の式により設定され、
前記第３性能指数の値は、０．２５〜０．５５の間の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記再循環誘導部の前記噴射ノズル間の距離であるＦＩＲポート間の距離をＥ、前記一次燃料噴射体の移送部の直径である燃料パイプの直径をＦとして定義する時、
前記ＦＩＲポートの間に流入される空気、及び前記空気と前記一次燃料噴射体に流入される燃料が予混合され、前記燃焼炉に流入される流量の流速である再循環部の流速を示す第４性能指数η_４は、下記の式により設定され、
前記第４性能指数の値は、４０〜８０の間の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体の拡大部の直径をＢ、前記再循環誘導部の連結ガイドの内部直径をＣとして定義する時、
前記再循環誘導部の前記噴射ノズル間に流入される空気、及び前記空気と前記一次燃料噴射体に流入される燃料が予混合され、前記一次燃料噴射体先端を通じて前記燃焼炉に流入される流量の流速である燃焼器の出口の流速を示す第５性能指数η_５は、下記の式により設定され、
前記第５性能指数の値は、３５〜７５の間の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記超低窒素酸化物燃焼装置は、
前記空気多段スリーブの外面に付設される再循環促進突起部をさらに含み、
前記再循環促進突起部は、前記再循環誘導部と前記空気多段スリーブとの間に流動する前記燃焼ガスの流速を増加させることを特徴とする、請求項５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記二次燃料噴射体は、前記一次燃料噴射体を中心として同一円周上に一定の間隔を維持するように複数個が配置され、前記二次燃料噴射体は、その半径方向に燃料を噴射することを特徴とする、請求項１又は２に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記二次燃料噴射体の半径方向の噴射角度は、隣接した前記二次燃料噴射体に向かう角度と、交番的に隣接した前記二次燃料噴射体に向かう角度との間で燃料を噴射することを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記二次燃料噴射体からの燃料は、前記二次燃料噴射体の軸方向に垂直な平面に対して１０゜から８０゜の間で噴射されることを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体は、供給される前記主燃料をその半径方向および接線方向に噴射することを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体を介して噴射される燃料噴射速度Ｖ_ｆ１は、２０から５０ｍ／ｓの間で燃料を噴射することを特徴とする、請求項１４に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記二次燃料噴射体を介して噴射される燃料噴射速度Ｖ_ｆ２は、下記の式により設定されることを特徴とする、請求項１５に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記再循環誘導部は、前記二次燃料噴射体を基準として傾斜して配置される内部再循環スリーブと、前記内部再循環スリーブの後端から延びる連結ガイドと、前記連結ガイドの後端に連結され、流動する燃焼ガスの移動方向を変更させる噴射ノズルとを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記噴射ノズルは、前記一次燃料噴射体と前記再循環誘導部との間で傾斜して配置されることにより、前記酸化剤の流動空間である前記一次燃料噴射体と前記再循環誘導部との間の幅を減少させることを特徴とする、請求項１７に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記二次燃料噴射体の先端は、前記一次燃料噴射体の先端に比べて前記燃焼炉の内部にさらに進入して配置されることを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体は、前記燃焼炉の内部に燃料濃厚領域である一次空間を形成し、前記二次燃料噴射体は、前記一次空間の後端部に燃料希薄領域である二次空間を形成することで多段火炎を形成することを特徴とする、請求項１１に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
前記一次燃料噴射体に流入される燃料と前記再循環誘導部流入される空気が混合された予混合燃料の流量と、前記一次燃料噴射体と前記二次燃料噴射体に流入される全体燃料流量の比である予混合比を示す第６性能指数η _６は下記の式によって設定され、前記第６性能指数η_６が４から２２の範囲で運転することを特徴とする、請求項２０に記載の超低窒素酸化物燃焼装置。
請求項１又は２に記載の燃焼装置を運転する方法において、
（ａ）空気多段スリーブを介して酸化剤供給部から供給される酸化剤を燃焼炉の内部に供給する段階と、
（ｂ）前記酸化剤供給部からの酸化剤を中心酸化剤噴射部を介して前記燃焼炉の内部に供給する段階と、
（ｃ）前記燃料供給部からの燃料を前記一次燃料噴射体に供給する段階と、
（ｄ）再循環誘導部を介して前記燃焼炉内の燃焼ガスが流体力学的力によって前記燃焼炉に再循環される段階と、
（ｅ）前記燃料供給部からの燃料を二次燃料噴射体に供給する段階と、
（ｆ）前記一次燃料噴射体および二次燃料噴射体によって噴射される燃料によって前記燃焼炉内に多段火炎空間が形成される段階とを含むことを特徴とする、燃焼装置の運転方法。