KR100253994B1 - 동일 분사각을 갖는 질소산화물 저감형 이단노즐 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술 분야

본 발명은 동일 분사각을 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 미연물질인 분진과 질소산화물을 버너 자체에서 감소시키는 본 발명에 의해 해결됨.

4. 발명의 중요한 용도

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

Description

동일 분사각을 갖는 질소산화물(NOx) 저감형 이단 노즐

본 발명은 직선분사 구멍을 갖는 질소산화물(NOx) 저감형 이단노즐에 관한 것이며, 구체적으로 화석 연료의 연소로 인하여 생성된 공해물질인 질소 산화물을 연소과정에서 줄일 수 있는 산업용 버너의 노즐에 있어서, 연료 분출구멍을 주화염용과 보조화염용으로 분리하고 동일한 분출각을 갖도록 함으로써 질소산화물을 저감시키고 아울러 화염 길이의 과대한 증가를 방지할 수 있는데, 즉 주 화염용 분출구멍에서 나온 연료는 기존 노즐과 같이 주 연소공기의 흐름과 접촉하게 하여 연소를 촉진시키고 보조화염용 분출구멍에서 나온 연료는 화로내에 형성되는 안쪽의 재순환영역으로 유입시킴으로써 완전연소보다는 불완전연소를 촉진하여 연소중간 생성물을 다량으로 생성하여 화염대 후류에서 주 화염용 분출구의 연료에 의하여 형성된 질소 산화물과 반응시켜 질소산화물을 질소로 환원시킴으로써 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 하며, 이와 아울러 기존의 질소산화물 저감형 노즐이 연료분출구를 편심시킴으로써 화염길이의 과대증가를 방지토록 함으로써 화염안정을 향상시킨 질소산화물 저감형 이단노즐에 관한 것이다.

현재 화석연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량은 엄격히 규제되고 있다. 따라서 연소에 의한 화학에너지의 열에너지로의 변환에 있어서 완전연소는 버너의 기본적인, 특별한 미연분의 증가없이 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 노내 온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기부족 상태를 유지하고, 이 때 생성된 불완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 공급한다. 즉, 버너 앞아세 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되어 있는 기법에는 배기가스 재순환법이 있는데 상기 배기가스 재순환법은, 연소된 배기가스의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너지역에서 불안전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 방법으로 설비추가가 동반되는 질소산화물 감소기법이며, 이와는 달리 버너에서 연소공기를 분할공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 저 질소산화물 버너에 의한 감소기법도 있다.

전자의 배기가스 재순환법은 질소산화물 감소효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물저감용 설비를 추가 설치해야 하므로 경제적인 부담 및 설비, 보수, 유지에 지속적인 부담이 요구된다. 이에 반해, 후자의 저 질소산화물 버너에 의한 감소기법은 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있으므로 최근에는 후자의 방법을 선호하는 추세이다.

상기와 같은 요구에 능동적으로 대처하기 위하여 안출된 본 발명은, 상기 질소산화물 버너에 의한 감소기법의 하나로써 하도록 하며 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치할 필요가 없으므로 설비, 보수 그리고, 유지의 부담이 없는 질소산화물 저감형 버너의 제공을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 질소산화물 저감형 버너에 있어서 주 화염용 연료측 구멍, 보조 화염용 연료측 구멍, 주 화염용 연료분출 구멍 그리고, 연료노즐로 구성되어 미연물질인 분진과 질소산화물을 버너 자체에서 감소시키는 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바, 첨부된 도면을 참고로 이하에 상세히 설명한다.

제 1도 (a)는 본 발명의 노즐에서 주 연료배출구 및 주 증기배출구와 보조 연료배출구 및 보조 증기배출구 간의 상호 위치관계를 도시한 개략도

(b)는 본 발명의 노즐의 선단에서 주 연료배출구, 주 증기배출구 및 연료증기 혼합물 주분사구 간의 위치관계를 도시한 (a)의 A-A선에 따른 반단면도

(c)는 본 발명의 노즐의 선단에서 보조 연료배출구, 보조 증기배출구 및 연료증기 혼합물 보조분사구 간의 위치관계를 도시한 (a)의 B-B선에 따른 반단면도

(d)는 연료 증기 혼합물 주분사구와 연료증기 혼합물 보조분사구 간의 위치관계를 도시한 본 발명에 따른 노즐 선단의 정면도

제 2도는 본 발명이 적용된 버너의 연소에 따른 화염형상도

제 3도는 본 발명이 적용된 버너의 화실내 온도분포도

제 4도는 본 발명의 질소산화물 및 분진배출 특성도

제 5도는 종래 노즐의 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주화염용 연료측구멍 2 : 보조화염용 연료측구멍

3 : 주화염용 증기측구멍 4 : 보조화염용 증기측구멍

5 : 주화염용 연료분출구멍 6 : 보조화염용 연료분출구멍

가 : 1차 연소지역 나 : 2차 연소지역

다 : 완전 연소지역

제 1도를 참조하면, 본 발명에 따른 질소저감형 이단노즐은 (a)에 도시된 바와 같이 주화염용 연료측구멍(1;0로 표시됨)사이에 보조 화염용 연료측구멍(2;0로 표시됨)이 위치하고, 상기 주화염용 연료측구멍(1)과 보조화염용 연료측구멍(2)이 형성된 반경보다 작은 반경에 주화염용 증기측구멍(3)이 주화염용 연료측구멍(1)과 동일한 대각선상에 형성되고, 상기 주화염용 증기측구멍(3)이 형성된 반경보다 작은 반경에 보조화염용 증기측구멍(4)이 보조화염용 연료측구멍(2)과 동일한 대각선상에 형성되므로서, (b)에 도시된 바와 같이, 보조화염용 연료측구멍(2)과 보조화염용 증기측구멍(4)이 연결되며 중심축에 대해 일정한 각도(θ₁)로 방사상으로 경사진 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 연료와 증기가 혼합되고, 혼합된 연료증기 혼합물이 상기 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 화로(도시하지 않음)내부로 분출되며, (c)에 도시된 바와 같이, 주화염용 연료측구멍(1)과 주화염용 증기측구멍(3)이 연결되며 중심축에 대해 일정한 각도(θ₂)로 방사상으로 경사진 주화염용 연료분출구멍(5)에서 화로(도시하지 않음)내부로 분출된다.

또한, 본 발명에 따른 질소저감형 이단노즐은 (d)에 도시된 바와 같이 주화염용 연료분출구멍(5)이 방사상으로 보조화염용 연료분출구멍(6)의 반경보다 큰 반경에 위치하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 연료노즐은 주화염용 연료분출구멍(5)과 보조 화염용 연료분출구멍(6)이 2개군으로 분리되어 각 군별로 분출각도(θ)가 동일하게 하고 분출위치가 다르며, 구멍간 간격이 동일하게 형성된다.

또한, 주화염용 연료분출구멍(5)의 연료분출량이 총 분무연료량의 60%∼80% 정도가 되도록, 주화염용 연료분출구멍(5)와 보조화염용 연료분출구멍(6)의 연료분출을 분할하므로서, 주화염용 연료의 연소에 따른 과다한 질소산화물 생성이 방지된다.

도 3을 참조하면, 상기와 같은 구성에 의해, 주화염용 연료분출구멍(5)이 보조화염용 연료분출구멍(6) 보다 외측에 위치되어, 주화염용 연료분출구멍(5)에서 분출되는 혼합물의 화염이 버너로 유입되는 연소공기와 주로 접촉하게 되고, 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 분출되는 혼합물이 연소가스 재순환 영역으로 분사된다.

이와같은 연료노즐의 연료분사 특성으로 인해, 상기 주화염용 연료분출구멍(5)에서 분출되 연료가 1차 연소지역(a)으로 집중되어 대부분의 연소공기와 혼합되므로서, 화염이 안정되어 불안전 물질의 형성이 억제되고, 질소산화물 저감에 따른 분진의 과대한 발생이 방지된다. 또한, 상기 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 분사된 연료가 2차 연소지역(b)로 분출되어 희박연소되므로서, 질소산화물을 질소로 환원시킬 수 있는 중간생성물을 주로 생성된다. 이와같이 생성된 질소산화물과 중간 생성물은 완전연소 지역(c)에서 혼합되면서 화학반응하므로서, 인체에 무해한 질소로 환원되어 외부로 배출된다.

또한, 2차 연소지역(b)에서 형성된 미연성분은 완전 연소지역(c)에 잔존하는 잉여산소와 혼합/반응되면서 완전연소되므로 질소산화물과 분진의 발생을 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 효과를 도식화한 제 3도에서 기존 질소산화물 감소형 버너를 사용한 결과와 본 발명의 노즐을 사용한 결과를 비교하여 나타냈다. 이 결과에서 보듯이 본 발명에 있어서 화염온도는 기존버너에서 보다 완만한 분포를 보이면서 버너선단 근처에서 급격한 화염온도의 증가가 없으므로 화염의 냉각효과가 우수하다. 이러한 효과와 질소산화물의 환원반응대 형성으로 질소산화물은 기존버너보다 약 30% 더 감소시킬 수 있으며 분진량 또한 약 20% 정도 감소시킬 수 있다. 또한 화염의 과대한 증가방지와 저부하에서의 화염안정화도 동시에 달성할 수 있다.

이와같은 본 발명은 유류버너에 사용하게 되면 연료중에 함유된 질소량이 0.4%이상인 고질소 연료를 사용하게 되더라도 추가적인 질소산화물 저감 설비없이 공해배출 허용기준을 만족시킬 수 있다. 따라서 기존에 사용되고 있는 버너에 노즐만 교체하여 적용할 수 있으므로, 설치 및 유지보수가 상당히 용이하고 추가적인 설비부담이 없으므로 매우 경제적인 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 주화염용 연료측구멍(1) 사이에 보조화염용 연료측구멍(2)이 위치하고, 상기 주화염용 연료측구멍(1)과 보조화염용 연료측구멍(2)이 형성된 반경보다 작은 반경에 주화염용 증기측구멍(3)이 주화염용 연료측구멍(1)과 동일한 대각선상에 형성되고, 상기 주화염용 증기측구멍(3)이 형성된 반경보다 작은 반경에 보조화염용 증기측구멍(4)이 보조화염용 연료측구멍(2)과 동일한 대각선상에 형성되므로서, 주화염용 연료분출구멍(5)이 방사상으로 보조화염용 연료분출구멍(6)의 반경보다 큰 반경에 위치하게 되고,

   보조화염용 연료측구멍(2)과 보조화염용 증기측구멍(4)이 연결되며 중심축에 대해 일정한 각도(θ₁)로 방사상으로 경사진 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 연료와 증기가 혼합되고, 혼합된 연료증기 혼합물이 상기 보조화염용 연료분출구멍(6)에서 화로내부로 분출되며, 주화염용 연료측구멍(1)과 주화염용 증기측구멍(3)이 연결되며 중심축에 대해 일정한 각도(θ₂)로 방사상으로 경사진 주화염용 연료분출구멍(5)에서 연료와 증기가 혼합되고, 혼합된 연료증기 혼합물이 상기 주화염용 연료분출구멍(5)에서 화로내부로 분출되도록, 주화염용 연료분출구멍(5)과 보조화염용 연료분출구멍(6)이 2개군으로 분리되어 각 군별로 분출각도(θ)가 동일하게 하고 분출위치가 다르며, 구멍간 간격이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 동일 분사각을 갖는 질소산화물(NOx)저감형 이단노즐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주화염용 연료측구멍(1)으로 유입되는 연료량은 총 분사연료량의 60∼80%인 것을 특징으로 하는 동일 분사각을 갖는 질소산화물(NOx)저감형 이단 노즐.

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