KR100351673B1

KR100351673B1 - 연소가스의 혼합반응 촉진장치

Info

Publication number: KR100351673B1
Application number: KR1019990026888A
Authority: KR
Inventors: 최상민; 신동훈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2002-09-10
Also published as: KR20010008855A

Abstract

본 발명은 연소실내 연소가스의 혼합효율을 극대화하고 각종 재래 공해물질 제거방법들의 반응효율을 극대화함으로써 연소실 크기의 소형화 및 공해물질 제거효율의 증진은 물론, 배가스 처리를 위한 부대시설의 규모를 최소화할 수 있는 연소가스의 혼합반응 촉진장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스 등을 공급하는 가스공급장치(10)와, 상기 가스공급장치(10)에서 공급된 가스를 상기 연소실(50)의 양 내측면에 각각 설치된 다수의 노즐(40)에 분배하는 분배기(30)를 포함하며, 상기 연소실(50)의 양 내측면에 각각 설치된 다수의 노즐(40)이 대향면에 대하여 서로 엇갈리게 배치되어 있어, 상기 노즐(40)을 통해 분사된 가스 등이 상기 연소실(50)의 중앙에서 교차하고 대향면의 벽면까지 침투하여 난류혼합영역(60, 70)을 형성함으로써 연소가스를 효율적으로 혼합하여 반응을 촉진한다. 그리고, 분배기(30)에는 공해물질의 제거를 위한 약품이 상기 가스공급장치(10)를 통해 공급되는 가스와 혼합되어 상기 연소실(50)내에 분사될 수 있도록 공급하는 약품공급장치(20)가 부가적으로 결합되어 있다.

Description

연소가스의 혼합반응 촉진장치{Apparatus for improvement of mixing and reaction in combustors}

본 발명은 혼합반응 촉진장치에 관한 것이며, 특히, 가스 등을 연소실내에 엇갈리게 고속으로 분사하여 연소반응에 의해 발생하는 유해가스를 효과적으로 감소시킬 수 있는 연소가스의 혼합반응 촉진장치에 관한 것이다.

연료의 효율적인 연소는 에너지 효율 및 공해물질 저감 측면에서 매우 중요하지만, 현실적으로는 불완전 연소로 인하여 일산화탄소 및 각종 탄화수소 등 불완전 연소물질들이 발생한다.

또한, 연료의 연소시에는 연료 및 공기내에 포함된 황, 염소 및 질소 등의 반응에 의해 NOx, SOx, HCl 등의 산성가스들이 발생한다. 특히, 폐기물 소각로에서는 연료(폐기물)의 비균질성 및 연소반응의 난해성으로 의하여 불완전 연소물질들이 다른 연소설비에 비해 다량 배출되는 데, 이로부터 발생되는 다이옥신/퓨란을 포함한 염화 유기물질은 환경호르몬으로서 인체에 치명적인 독성을 지니고 있다.

이와 같이 독성을 지닌 공해물질을 제거하는 방법은 크게 두가지로 구분된다. 첫째는 연소제어에 의한 공해물질 생성억제방법으로서, 연소상황 개선에 의한 능동적 제거방법으로 추가설비가 소규모이므로 경제적 방법이다. 둘째는 배가스 처리설비에 의한 공해물질 제거방법으로서, 설비건설 및 운영경비가 전체설비에서 큰 비중을 차지한다. 그러므로, 효율적이고 경제적인 공해물질 제거는 연소상황 개선에 의한 공해물질 생성 최소화로 배가스 처리설비 규모를 줄이는 것이다.

그리고, 연소실내 연소제어에 의한 공해물질 제거방법으로는 다음과 같은 방식들이 이용되고 있다.

즉, 현재 소각로 등의 연소설비에 사용되고 있는 이차공기 주입은 주로 노내 온도 제어의 목적으로 사용되고 있는 데, 혼합성능이 낮아 연소로내 연소에 기여하는 바가 미미하다. 그리고, 질소 산화물 제어를 위한 암모니아/요소의 분사, 산성가스 제어를 위한 소석회/석회석 등의 분사방법들은 전통적으로 사용되는 것으로서, 연소실내 혼합성능이 상기의 공해물질 제거반응에 미치는 영향은 지대하다. 그리고, 최근에는 다이옥신/퓨란의 생성을 억제하기 위하여 상기한 방법들과 함께 황/황함유 미분탄 등을 분무하는 방법도 사용되고 있다.

그러나, 앞서 설명한 종래의 방법들은 연소실내 혼합성능이 낮아 긴 반응시간이 필요할 뿐만 아니라 설비크기가 커진다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 방법들은 적절한 반응율을 만족시키기 위해 투입되는 약품의 과잉투입이 불가피하다는 문제점이 있다.

따라서, 경제적이면서도 효과적으로 공해물질을 제거하는데 필수적인 연소실내 혼합설비의 필요성이 끊임없이 대두되어 왔다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소실내 연소가스의 혼합효율을 극대화하고 각종 재래 공해물질 제거방법들의 반응효율을 극대화함으로써 연소실 크기의 소형화 및 공해물질 제거효율의 증진은 물론, 배가스 처리를 위한 부대시설의 규모를 최소화할 수 있는 연소가스의 혼합반응 촉진장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 가스공급장치 20 : 약품공급장치

30 : 분배기 40 : 노즐

50 : 연소실 60, 70 : 난류혼합영역

80 : 유동형태

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스 등을 공급하는 가스공급장치와, 상기 가스공급장치에서 공급된 가스를 상기 연소실의 양 내측면에 각각 설치된 다수의 노즐에 분배하는 분배기를 포함하며, 상기 연소실의 양 내측면에 각각 설치된 다수의 노즐이 대향면에 대하여 서로 엇갈리게 배치되어 있어, 상기 노즐을통해 분사된 가스 등이 상기 연소실의 중앙에서 교차하고 대향면의 벽면까지 침투하여 난류혼합영역을 형성함으로써 연소가스를 효율적으로 혼합하여 반응을 촉진한다.

또한, 본 발명의 분배기에는 공해물질의 제거를 위한 약품이 상기 가스공급장치를 통해 공급되는 가스와 혼합되어 상기 연소실내에 분사될 수 있도록 공급하는 약품공급장치가 부가적으로 결합되어 있다.

아래에서, 본 발명에 따른 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1에 보이듯이, 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 가스 등을 고속으로 공급하는 가스공급장치(10)와, 공해물질을 감소시키기 위한 약품을 공급하는 약품공급장치(20)와, 상기의 가스와 약품을 혼합하여 공급하는 분배기(30) 및, 상기 분배기(30)에 결합되어 가스와 약품을 연소실(50)내에 분사하는 다수의 노즐(40)로 구성되어 있다.

여기에서, 가스공급장치(10)는 연소실(50)내 연소가스의 혼합성능을 향상시키기 위하여 상온이거나 가열된 공기 또는 재활용된 연소가스 등을 고속으로 분배기(30)에 공급하는 역할을 한다. 그리고, 약품공급장치(20)는 연료 및 공기에 포함되어 있는 황, 염소 및 질소 등의 반응에 의해 발생되는 NOx, SOx, HCl 등의 산성가스를 감소시키는 약품을 공급한다. 이 때, 약품공급장치(20)를 통해 공급되는 약품은 필요에 따라 투입되는 종류 및 그 투입량이 조절된다.상기와 같은 가스공급장치(10) 및 약품공급장치(20)는 일반적으로 산업계에서 널리 사용되는 구성요소들로 구성되어 있다. 즉, 가스공급장치(10)는 별도로 설치된 팬을 통해 가스(또는 공기)를 분배기(30)에 공급하도록 구성되어 있고, 약품공급장치(20)는 약품탱크에 저장된 약품을 일반적인 스크루 피더(screw feeder)를 통해 이송시키고 이송되는 약품에 압축공기를 부여하여 노즐을 통해 분배기(30)에 공급하도록 구성되어 있다.

그리고, 분배기(30)는 가스공급장치(10) 및 약품공급장치(20)에 연결되어 있어, 이곳에서 각각 공급되는 가스와 약품을 혼합하여 다수의 노즐(40)로 분배한다. 여기에서, 다수의 노즐(40)은 30 내지 100cm정도의 간격을 두고 일렬로 상기 분배기(30)에 결합된 것으로서, 직경이 3 내지 10cm정도인 것이 사용된다.

앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 가스 및 약품을 연소실(50)내에 엇갈리게 고속으로 분사하여 연소반응에 의해 발생하는 유해가스를 효과적으로 감소시킬 수 있도록 배치되어 있다.

즉, 분배기(30)가 연소실(50)의 양 벽면에 대향하게 각각 배치되고, 분배기(30)에 결합된 다수의 노즐(40)은 연소실(50)의 연소가스의 유동방향에 수직 또는 하향(0 내지 하향 20°)으로 가스 및 약품을 분사할 수 있도록 배치된다. 이 때, 양 내벽면에 위치하는 다수의 노즐(40)은 대향면에 위치하는 다수의 노즐에 대해 서로 엇갈리게 배치되어 있다. 즉, 한 쪽의 내측면에 위치하는 2개의 노즐의 사이에 대향면에 위치하는 1개의 노즐이 위치할 수 있도록 배치되어 있다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 배열된 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치의 작동 및 그에 따른 혼합반응과정에 대해 상세히 설명하겠다.

먼저, 가스공급장치(10) 및 약품공급장치(20)를 통해 가스 및 약품이 공급되면, 이런 가스 및 약품이 연소실(50)의 양 벽면에 위치하는 분배기(30) 및 다수의 노즐(40)을 통해 50 내지 80m/s의 균일한 속도로 연소실(50)내에 분사된다. 이때, 가스 및 약품은 서로 엇갈리게 대향하게 배치된 다수의 노즐(40)을 통해 주입되므로 연소실(50)의 중앙에서 교차하여 대향면의 벽면까지 침투하면서, 1차 연소실에서 진행되어 온 주연소가스와 혼합된다.

이렇게 주입된 가스 및 약품이 연소실(50)의 중앙에서 상호간 교차하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 강한 유동전단응력이 발생하게 되고 이는 난류의 발생을 촉진시키며, 결과적으로 난류에 의한 혼합효과가 극대화된 유동전단응력에 의한 난류혼합영역(60)이 형성된다. 이런 난류혼합영역(60)은 연소실(50)의 중앙부위에서 균일하게 분포하여 연소가스 혼합을 연소실(50)의 전영역에서 균일하게 발생시킨다.

한편, 대향벽면까지 침투된 가스 및 약품은 벽면과의 마찰에 의한 전단응력이 발생하여 벽면 전단응력에 의한 다른 난류혼합영역(70)을 발생시키는 데, 중앙의 유동전단응력에 의한 난류혼합영역(60)과 함께 작용하여 연소실(50)내의 연소가스를 효과적으로 혼합하는 역할을 한다.

그리고, 1차 연소실에서 진행되어 온 주연소가스와 혼합되는 가스 및 약품은 연소실(50)의 후류에서 벽면근처에서 흔히 생길 수 있는 연소가스 재순환 영역을 최소화하고 유동형태(80)도 균일화하여 혼합이 극대화된 상태에서 연소가스의 체류시간을 증가시키게 되며, 이는 불완전 연소물질의 파괴 및 공해물질의 제거반응을 촉진한다.

앞서 설명한 실시예에서는 가스공급장치(10)를 통해 공급되는 가스와 약품공급장치(20)를 통해 공급되는 약품이 동시에 혼합되어 연소실(50)내에 분사되는 경우에 대해서만 설명했지만, 약품은 투입되지 않고 가스만이 공급되어 사용될 수도 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 엇갈리면서 서로 대향하게 배치된 다수의 노즐을 통해 가스 및 약품이 분사되어 연소실의 중앙부위에서 강한 난류혼합영역을 형성시키면서 상대편 벽면까지 침투하게 하여 벽면마찰에 의한 난류혼합영역을 형성시켜 연소실내 혼합성능을 극대화시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 벽면에 생길 수 있는 재순환영역을 제거하여 연소가스 체류시간을 증가시키고, 유동형태를 균일하게 하여 불완전 연소물질 및 기타 공해물질의 제거반응효율을 극대화시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 공해물질의 제거를 위한 약품을 가스와 혼합하여 분사함으로써 유해가스를 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치는 연소실내의 혼합 및 반응을 극대화함으로써 연소설비의 규모를 소형화할 수 있으며 연소실의 후류에 연결되는 배가스 처리설비의 규모를 줄일 수 있는 경제적 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 연소가스의 혼합반응 촉진장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

연소실 내의 연소가스의 혼합성능을 향상시키기 위해 가스 등을 공급하는 가스공급장치(10)와, 상기 연소가스 내에 함유된 공해물질의 제거를 위한 약품을 공급하는 약품공급장치(20)와, 상기 가스공급장치(10) 및 약품공급장치(20)에서 각각 공급되는 가스 및 약품을 혼합하여 상기 연소실(50)의 양 내측면에 일렬로 서로 대향하게 각각 설치된 다수의 노즐(40)에 분배하는 분배기(30)를 포함하는 혼합반응 촉진장치에 있어서,

상기 일렬로 설치된 다수의 노즐(40)은 연소가스의 유동방향에 수직 또는 하향분사각을 갖도록 배치되고, 상기 일렬로 설치된 다수의 노즐(40)은 대향면에 위치하는 다수의 노즐에 대해 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 연소가스의 혼합반응 촉진장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 20°까지의 하향분사각을 갖는 것을 특징으로 하는 연소가스의 혼합반응 촉진장치.