KR100231974B1 - 균등분할되어 이형분사각을 갖는 질소산화물 저감형 이단노즐 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 균등분할되어 이형분사각을 갖는 질소산화물 저감형 이단노즐에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

종래 질소산화물 저감형 버너는 설비의 추가 증설이 필요하므로 비경제적이며 보수와 유지에 있어서도 지속적인 부담이 요구되는 문제점이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

질소산화물 저감형 버너에 있어서 주화염용 연료측구멍, 보조화염용 연료측구멍, 주화염용 증기측구멍, 보조화염용 증기측구멍, 주화염용 연료분출구멍, 보조화염용 연료분출구멍 그리고, 연료노즐로 구성되어 상기 연료분출구멍은 구멍간 간격을 동일하게 하고 주화염용 연료분출구멍은 70도 이상의 분출각도를 갖도록하여 주연소공기의 흐름과 접촉되도록 하고 보조화염용 연료분출구멍은 분사각도를 60도 이하로 기울기를 줄여서 연소가스 재순환영역으로 집중 분사되도록 하여 미연물질인 분진과 질소산화물을 버너 자체에서 감소시키는 본 발명에 의해 해결됨.

4. 발명의 중요한 용도

질소산화물의 환원반응대 형성으로 질소산화물은 기존버너보다 30% 더 감소시킬 수 있으며 분진량도 20%정도 감소시킬 수 있으며 또한 화염의 과대한 증가방지와 저부하에서의 화염안정화도 동시에 달성할 수 있는 효과가 있음.

Description

균등분할되어 이형분사각을 갖는 질소산화물(NOx) 저감형 이단노즐

본 발명은 균등분할되어 이형분사각을 갖는 질소산화물(NOx) 저감형 이단노즐에 관한 것이며, 특히 화석연료 연소로 인하여 생성된 공해물질인 질소산화물을 연소과정에서 줄일 수 있는 산업용 버너의 노즐에 있어서 연료분출구멍을 주화염용과 보조화염용으로 분리하고 동일한 분출각을 갖도록함으로써 질소산화물을 저감시키고 아울러 화염길이의 과대한 증가를 방지할 수 있어 주화염용 분출구멍에서 나온 연료를 기존 노즐과 같이 주연소공기의 흐름과 접촉하게 하여 연소를 촉진시키고 보조화염용 분출구멍에서 나온 연료는 화로내에 형성되는 안쪽의 재순환영역으로 유입시킴으로써 완전연소보다는 불완전연소를 촉진하여 연소 중간생성물을 다량으로 생성하여 화염대 후류에서 주화염용 분출구의 연료에 의하여 형성된 질소산화물과 반응시켜 질소산화물을 질소로 환원시킴으로써 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 한 것이며, 이와 아울러 기존의 질소산화물 저감형 노즐이 연료분출구를 편심시킴으로해서 발생되던 화염길이의 과대증가를 방지토록 함으로써 화염안정을 향상시킨 질소산화물 저감형 노즐에 관한 것이다.

현재 화석연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량은 엄격히 규제되고 있다. 따라서 최근에는 연소에 의한 화학에너지의 열에너지로의 변환에 있어서 완전연소는 버너의 기본적인 운전조건으로 되었고, 특별한 미연분의 증가가 없는 한도내에서 질소산화물의 감소 정도가 버너의 성능을 좌우하는 매우 중요한 항목으로 부각되고 있다.

종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은 연소용공기중에 함유된 질소가 고온의 연소분위기에서 과잉산소와 반응하면서 생성되는‘열적 질소산화물(Thermal NOx)’을 감소시키기 위해 고온의 연소지역에서는 과잉산소가 부족하도록 연료과잉-공기부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고 공기부족에 의해 발생되는 불완전 연소물은 노내온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 주입되는 충분한 연소용 공기로써 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

상기 방법의 요지는, 버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기부족 상태를 유지하고, 이때 생성된 불완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 별도로 공급하는 것을 내용으로 한다.

이에 따라, 버너 앞에서 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로써 현재 실용화되어 있는 기법은, 배기가스 재순환법(연소된 배기가스의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너지역에서 불완전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 기법)등의 별도의 설비추가가 따르는 질소산화물 감소기법과, 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는‘저 질소산화물 버너’로 구분할 수 있다.

상기 전자는 질소산화물 감소효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야 하므로 경제적인 부담과 함께 설비, 보수 그리고, 유지에 이르기까지 지속적인 부담이 요구된다. 그러므로 최근에는 후자에 해당하는, 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있는 상기 저 질소산화물 버너가 선호되고 있으며 제반 문제점의 해결과 함께 성능향상이 요구되고 있다.

이와같은 요구에 능동적으로 대처하기 위해 안출된 본 발명은, 화로내에 형성되는 연소장의 기본특성을 고려하여 연료의 분출방향과 분출되는 출구를 2단계화함으로써 질소산화물을 저감시키고 아울러 기존의 불활화염형 노즐의 단점인 화염길이의 고도한 증가와 분진량의 증가를 동시에 해결하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 연소장을, 연소공기가 풍부한 상태에서 진행되는 1차 연소지역과 연소가스의 재순환에 의한 연료과잉 상태에서 진행되는 2차연소 지역 및 두 개의 연소영역이 합쳐지는 완전연소영역으로 3분할 되도록 한 본 발명에 의해서 달성될 수 있는 바, 첨부한 도면을 참고로 이하 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 노즐의 단면도 및 정면도.

제2도는 본 발명의 적용된 버너의 연소에 따른 화염형상도.

제3도는 본 발명이 적용된 버너의 화실내 온도분포도.

제4도는 본 발명의 질소산화물 및 분진배출 특성도.

제5도는 종래 노즐의 단면도 및 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주화염용 연료측구멍 2 : 보조화염용 연료측구멍

3 : 주화염용 증기측구멍 4 : 보조화염용 증기측구멍

5 : 주화염용 연료분출구멍 6 : 보조화염용 연료분출구멍

7 : 연료노즐 가 : 1차 연소지역

나 : 2차 연소지역 다 : 완전 연소지역

제1도는 본 발명의 노즐의 단면도를 나타낸 것이다.

본 발명은 미연물질인 분진과 질소산화물을 버너 자체에서 감소시킬 수 있도록 한 것으로 주화염용 연료측구멍(1), 보조화염용 연료측구멍(2), 주화염용 증기측구멍(3), 보조화염용 증기측구멍,(4), 주화염용 연료분출구멍(5), 보조화염용 연료분출구멍(6), 연료노즐(7)으로 구성되어 있으며 본 발명의 특징은 제1도와 제2도를 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 적용된 연료노즐(7)은, 제5도는 종래노즐의 연료측구멍, 증기측구멍 및 분출구멍을 각각 2개의 군으로 분리하여 각 군별로 분출방향 및 위치를 달리한 것이다.

먼저, 연료노즐(7)에 있어서 상기 연료측 구멍을 주화염용 연료측구멍(1)과 보조화염용 연료측구멍(2)으로 나누어서 동일반경내에 동일간격으로 설치하였다. 또한, 증기측 구멍도 연료측 구멍과 동일방법으로 주화염용과 보조화염용으로 나누었으며 이의 배치는 주화염용 증기측구멍(3)은 분무증기입구측에 근접하게 위치시키고, 보조화염용 증기측구멍(4)은 분무증기 입구측에서 보다 더 안쪽에 주화염용 증기측 구멍(3)보다 작은 반경을 갖도록 배치하였다. 연료의 분출구멍은 구멍간 간격을 동일하게 하였으며 주화염용 연료분출구멍(5)은 70도 이상의 분출각도를 갖도록하여 버너 선단근처로부터 형성되는 연소가스 재순환영역에 접촉되지 않도록 하였으며 보조화염용 연료분출구멍(6)은 분사각도를 60도 이하로 기울기를 줄여서 연소가스 재순환 영역으로 집중 분사되도록 하였다.

이하 본 발명의 작용에 관해 설명한다.

제2도는 본 발명이 적용된 버너의 연소에 따른 화염형상도를 나타낸 것이다. 연료노즐(7)의 연료분사 형태에 있어서의 특성을 설명하면, 먼저, 주화염용과 보조화염용 연료의 구성비는 주 화염용 연료가 총 분무연료량의 60-80% 정도가 되도록하여 연료 분할에 따른 주화염용 연료의 연소에 따른 과다한 질소산화물 생성을 방지토록 하였다. 주화염용 연료분출구멍(5)에서 분출된 연료는 1차 연소지역(가)으로 집중화시켜 대부분의 연소공기와 집중적으로 혼합되면서 화염의 안정화를 이루도록 하고 가능한 불안전 물질이 형성되지 않도록하여 질소산화물 저감에 따른 분진의 과대한 발생을 방지토록 하였다.

상기 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 분사된 연료는 2차 연소지역(나)으로 분출되어 연소공기보다는 주 화염의 연소과정에서 형성된 연소가스가, 재순환 영역의 산소농도가 극히 적은 지역에 집중 분사되도록 하여 질소산화물의 생성억제와 생성된 질소산화물을 질소로 환원시킬 수 있는 연소중의 중간생성물로 생성되도록 하였다. 즉, 상기 1차 연소지역(가)에서는 주화염용 연료분출구멍(5)에서 분출된 연료가 산소과농 상태에서 연소되며, 2차 연소지역(나)에서는 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 분사된 연료가 산소부족 상태에서 연소되도록 한 것이다.

이와 같이 상기 각각의 연료분출구멍(5),(6)에서 분사된 연료의 연소에 의하여 형성된 질소산화물과 중간생성물은 완전연소 지역(다)대에서 혼합되면서 1차 연소지역(가)에서 발생된 질소산화물은 2차 연소지역(나)에서 생성된 중간생성물과 반응하여 질소로 환원되면서 질소산화물의 발생량이 줄어든다. 또한 2차 연소지역(나)에서 형성된 미연성분은 완전 연소지역(다)에 잔존하는 잉여산소와 혼합/반응되면서 완전연소되므로 질소산화물과 분진의 저감이 가능하게 된다.

또한, 연료분출 구멍의 배열을 동일각도로 분할시킴으로써 화염길이의 과대한 증가를 방지하였으며 저부하에서도 안정된 연소가 이루어지도록 하였다.

본 발명의 효과로는 제3도에 기존 질소산화물 감소용 버너와 동일한 버너에 있어서 본 발명의 노즐을 사용한 결과를 나타냈다. 이 결과에서 보듯이 화염온도는 기존버너에서보다 완만한 분포를 보이면서 버너선단 근처에서 급격한 화염온도의 증가없는 화염의 냉각효과가 우수하다.

상기 이러한 효과와 함께 질소산화물의 환원반응대 형성으로 질소산화물은 기존버너에서보다 약 30%이상 더 감소시킬 수 있으며 분진량 또한 약 20정도 감소시킬 수 있다. 또한 화염의 과대한 증가방지와 저부하에서의 화염안정화도 동시에 달성할 수 있다.

그리고 본 발명을 유류버너에 사용하게 되면 연료중에 함유된 질소량이 0.4% 이상의 고질소 연료에서도 추가적인 질소산화물 저감설비 없이도 공해 배출 허용기준을 만족시킬 수 있다. 따라서 기존에 사용되고 있는 버너에 노즐만 교체하여 적용할 수 있으므로 설치, 유지보수가 무척 간편하고 추가적인 설비부담이 없으므로 매우 경제적인 탁월한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 연료노즐의 연료측구멍, 증기측구멍 및 분출구멍이 각각 1개인 질소산화물 저감형 버너에 있어서, 상기 연료측 구멍을 주화염용 연료측구멍(1)과 보조화염용 연료측구멍(2)으로 나누어서 동일반경내에 동일간격으로 설치하고, 상기 증기측 구멍은 주화염용과 보조화염용으로 나누어 주화염용 증기측구멍(3)은 분무증기 입구측에 근접하게 위치시키고 보조화염용 증기측구멍(4)은 분무증기 입구측보다 더 안쪽에서 주화염용 증기측구멍(3)보다 작은 반경을 갖도록 배치하며, 상기 연료분출구멍은 주화염용과 보조화염용으로 나누어 구멍간 간격을 동일하게 하고 주화염용 연료분출구멍(5)은 70도 이상의 분출각도를 갖도록하여 버너 선단근처부터 형성되는 연소가스 재순환영역에 접촉되도록 하고 보조화염용 연료분출구멍(6)은 분사각도를 60도 이하로 기울기를 줄여서 연소가스 재순환영역으로 집중 분사되도록한 것을 특징으로 하는 균등분할되어 이형분사각을 갖는 질소산화물(NOx) 저감형 이단노즐.

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