KR100491330B1 - 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차 혼합가스 중 촉매연소에 의해 연료가 미반응된 상태로 생성된 1차 연소가스와 연료와 고온 공기가 포함된 1차 혼합가스를 2차 혼합하여 안정된 초희박 고온 화염연소로 마무리토록 하여 NOx가 전연 발생치 않으면서도 고온 연소를 달성할 수 있는 단계별혼합방식의 고압 촉매, 화염 복합 연소식 버너에 관한 것으로서, 예열된 공기와 연료를 균일하게 혼합하는 1차 가스혼합부(1)와, 상기 1차 가스혼합부(1)에서 혼합된 가스를 표면 연소시키는 촉매연소부(2)와, 상기 촉매연소부(2)를 통과한 표면 연소된 반응가스와 표면 연소되지 않은 미반응가스를 혼합시키는 된 2차 가스혼합부(3)와, 상기 2차 가스혼합부(3)에서 혼합된 가스를 연소시키는 화염 연소부(4)로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공한다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 NOx 발생량(3ppm 미만)이 적은 고온/고압형 연소기 개발이 가능하여 대단위 아파트 중심에 쾌적하면서도 낮은 운전비로 운영될 수 있는 열병합 복합발전이 가능함과 동시에, 고효율 저공해 자동차용 하이브리드 가스터빈 엔진 및 기타 소형 열부하 장치, 대규모 열병합 발전 가스터빈에도 적용이 가능한 효과가 있다.

Description

단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너{HYBRID(CATALYST AND FLAME) TYPE HIGH PRESSURE COMBUSTION BURNER USING OF STAGED MIXING SYSTEMS}

본 발명은 고온, 고압의 연소 조건에 적합한 촉매연소를 이용한 복합연소 방식의 연소식 버너에 관한 것으로서, 특히 1차 혼합가스 중 촉매연소에 의해 연료가 미반응된 상태로 생성된 1차 연소가스와 연료와 고온 공기가 포함된 1차 혼합가스를 2차 혼합하여 안정된 초희박 고온 화염연소로 마무리토록 하여 NOx가 전연 발생치 않으면서도 고온 연소를 달성할 수 있는 단계별혼합방식의 고압 촉매, 화염 복합 연소식 버너에 관한 것이다.

CO₂의 배출량은 석탄, 석유, 천연가스에 대하여 10:8:6의 비율로 생성된다. 천연가스는 가장 청정한 연료이면서 동시에 CO₂ 배출을 가장 작게 하는 연료이다. 따라서 미국 Natural Gas Research에서는 향후 20년 후에는 세계 발전량의 약 50%를 가스터빈이 차지할 것으로 예상하고 있다. 이러한 예상에 맞추어 가스터빈의 수요는 갈수록 증가하고 있다.

가스터빈으로부터 발생되는 NOx를 억제 또는 제거하기 위한 기술에는 연소처리 기술과 배연처리 기술이 있다. 배연처리에는 SCR(Selective Catalytic Reduction)법이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 대부분의 환원제로 암모니아를 사용하기 때문에 운전비가 과다해지는 문제점을 가지고 있다. 연소처리 기술은 연소 조건을 개선하거나 연소 장치를 개선하여 질소산화물의 발생을 억제시키는 기술로서 대표적으로 희박혼합 연소기술이 있다. 그러나 희박연소는 화염불안정으로 인한 소음, 진동, 다량의 CO, 미연탄화수소가 발생하는 단점을 가지고 있다.

이러한 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 기술로서 촉매 연소법이 최근 활발히 연구되고 있다. 촉매연소는 촉매의 표면 반응을 활용하여 초희박 조건에서도 안정한 연소가 가능하게 한다. 화염연소만으로는 안정적인 연소가 어려운 희박조건에서도 촉매연소를 이용하면 안정적인 연소가 가능해진다. 이렇게 하여 화염의 온도를 Thermal NOx가 발생하지 않는 낮은 온도로 낮추는 것이 가능하여 질소산화물의 생성을 근본적으로 해결할 수 있는 획기적인 방법이다.

촉매연소를 이용한 가스터빈 연소기의 설계는 그 반응의 특성상 일반 가스터빈 연소기와는 다른 특징들을 갖는다. 기존의 가스터빈에 적용을 시켜야 하는 현실적인 관점에서 봤을 때, 단순히 연소기를 교체하는 것뿐만 아니라 가스터빈을 구성하는 다른 여러 요소들의 설계변경이 따를 것으로 추측된다. 특히, 가스터빈의 연소기뿐만 아니라 부수적인 장치들인 외부케이스, 내부 구멍이 있는 라이너, 연료분사계통과 시동점화시스템에 유기적으로 영향을 미친다. 따라서 기존의 가스터빈에 연소기 부분만을 모듈타입으로 적용시킬 경우, 에뉼러 타입(Annuller Type)의 연소기보다는 멀티캔 타입(Multi-Can Type)의 연소기가 적합하다.

멀티캔 타입의 경우, 앞에서 언급한 여러 가지 이유로 촉매연소의 제어가 편리하다. 세계적으로도 촉매연소기는 멀티캔 타입이 선호되고 있는 상황이다. 또한 연구의 방향도 기존의 연소기를 제외한 가스터빈의 부분에다 모듈화한 촉매연소기를 장착하는 방법이 활발히 모색되고 있는데, 그 이유는 기존의 가스터빈 연소기를 촉매를 이용한 연소기로 대체했을 때, 기대되는 효과가 다음과 같기 때문이다.우선, 초희막상태에서 기존의 가스터빈 연소기에 비해서 연소효율이 높아진다. 이는 기존의 가스유동에 의존한 연소와는 달리, 촉매 지지체 표면에서 완전 표면연소가 일어나기 때문이다. 열효율을 높이기 위해 경쟁적으로 진행되었던 고온운전 조건화가 촉매연소의 완전연소로써 많은 부분이 해결되어질 것으로 생각된다.

또한, NOx, CO, Hydrocarbon 생성물의 발생량이 감소한다. 일반 화염연소보다 온도가 낮기 때문에 NOx의 발생량이 줄어들게 되고, 완전연소이기 때문에 탄소화합물의 발생량이 줄어들게 된다. 탄소 찌꺼기의 발생량 감소는 곧 터빈 블레이드의 마모를 줄이는 효과가 있다. 가스터빈 블레이드의 수명을 결정짓는 가장 큰 문제는 연소기로부터 발생한 탄소찌꺼기가 충돌하여 손상을 일으키는 것인데, 촉매연소를 통해서 개선할 수 있다.

또한, 연소기로부터 발생한 고온가스의 최고온도가 낮아짐으로써, 기존의 가스터빈에서 복잡한 구조로 형성된 냉각장치의 개선이 예상된다. 실제 비 촉매 가스터빈 연소기의 운전시 사용되는 메탄을 이용한 연소의 경우, 연소기의 최소 온도는 약 1000℃이다. 이는 기존의 모든 소형 산업용 터빈과 대부분의 가스터빈을 통틀어서 최소부하 운전시 얻을 수 있는 최소 온도이다. 반면에 촉매 연소기에서 최고온도는 표면연소를 통한 온도와 예혼합 시스템에서의 당량비와 압력, 온도, 혼합기의 자발화 온도로 결정되어지고, 그 최고온도는 1000℃ 내외이며, 화염연소가 동반될 경우 화염의 온도를 Thermal NOx가 적게 발생되는 온도까지 낮출 수 있다. 따라서 고온으로 인해 야기될 수 있는 여러 복잡한 구조적 문제점이 덜어질 것으로 생각된다.

일본에서는 1970년대부터 전력회사를 중심으로 연구 컨소시엄을 형성하여, 1)大阪GAS, 東洋CCI, 神戶製鋼所, 2)東京電力-東芝, 3)電力中央硏究所-關西電力의 3개 그룹에 의해서 연구를 주도하여 추진하여 1400℃에서도 비표면적이 크게 줄지 않는 내고온 소재인 Hexaaluminate 소재와 CST 연소기를 개발하였으나, 세라믹 촉매체의 내열충격(Thermal Shock)에 대한 한계성을 갖고 있다.

한편, 미국에서는 1970년대부터 가스터빈용 촉매연소기를 연구해 오고 있으며, 내열충격이 우수한 금속 박판에 촉매를 입힌 메탈허니컴(Metal Honeycomb)을 대상으로 연구를 수행하고 있어서 신뢰성이 우수하다고 판단되며, Catalytica Energy Inc.의 경우에는 이러한 촉매소재를 사용하여 최초로 촉매연소기의 상용화에 성공하였으며, NOx<3ppm, CO<10ppm의 초저공해 성능을 보여주었다. 그러나 연소기의 크기에 따른 흐름조절판의 구조가 달라 촉매체 설계를 달리하는 불편성과 장치의 확대 적용성(Scale-Up)에 대한 자료가 부족하며, 화염연소 영역에서 이동화염(Lift flame)의 불안정한 화염을 이루어 정밀한 제어가 필요한 문제점이 있다.

상기와 같은 부분과열(Hot Spot)이나 불안정한 이동화염(Lift Frame) 및 역화 등의 종래 촉매연소기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 저온 복합화염을 구성토록 하여 NOx발생 저감과 연소기 운전측면에서 기술적으로 보다 향상된 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 예열된 공기와 연료를 균일하게 혼합하는 1차 가스혼합부와, 상기 1차 가스혼합부에서 혼합된 가스를 표면 연소시키는 촉매연소부와, 상기 촉매연소부를 통과한 표면 연소된 반응가스와 표면 연소되지 않은 미반응가스를 혼합시키는 된 2차 가스혼합부와, 상기 2차 가스혼합부에서 혼합된 가스를 연소시키는 화염 연소부로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공하게 된다.

또한, 본 발명을 구성하는 상기 1차 혼합부는 노즐로부터 공급되는 공기를 예열하기 위한 가스버너 및 전기히터와, 연료를 분사하기 위한 연료분사노즐과, 예열된 공기와 연료를 균일하게 혼합시키는 1차 혼합기로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공하게 되며,

상기 촉매연소부가 표면에 촉매가 코팅된 평판과 굴곡박판을 하나의 층으로 하여 4개층으로 한 다음 이를 감아서 달팽이 모양으로 한 촉매부재와, 상기 촉매부재를 지지하는 다수의 에뉼러 지지대와, 이에 의해 형성되는 에뉼러형 외부공간으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공하게 된다.

한편, 본 발명을 구성하는 상기 2차 가스혼합부는 선회식 구조로 된 2차 혼합기가 장착되어 있으며, 상기 화염 연소부는 나팔관모양의 버너타일구조의 화염연실인 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 제공하게 된다.

이하, 첨부된 도면에 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너의 구성을 도시한 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 1차 혼합부의 구성을 도시한 상세도이고, 도 3은 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 촉매연소부 및 2차 가스혼합부의 상세 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 연소촉매부의 정단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 2차 가스혼합부의 혼합기에 대한 상세도이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 연료와 공기의 혼합가스가 촉매연소 반응이 일어날 수 있도록 1차 가스혼합부(1)에서 공기를 예열시키고, 예열된 공기를 연료와 균일하게 1차 혼합하여 온도가 450℃ 정도가 되도록 유지하는데, 초기시동과 촉매 반응 개시온도 유지를 위해서 가스버너(23) 또는 전기히터(6)를 사용하여 연소용 공기를 먼저 승온시킨 후에 가스분사에 의해 확산 및 혼합되도록 한다.

이때 온도는 촉매 반응개시온도보다 약간 낮은 약 450℃ 정도가 되도록 예열한다. 연료와 고온공기는 1차 혼합기(8)에서 균일하게 혼합되며, 이때 1차 혼합기(8)는 선회식 구조된 선회기 형태나 선형구조로 된 믹서기 형태 등이 사용된다.

또한, 상기 1차 혼합기(8)의 가스배출구의 주위에는 원형의 혼합용 다공판(25)이 설치되어 가스를 혼합하면서 배출하게 된다.

상기 1차 혼합기(8)를 거친 혼합가스는 흐름조절 다공판(22)을 거치면서 가스량의 흐름이 조절되고, 적정량의 1차 혼합가스가 촉매연소부(2)로 보내진다.

상기 흐름조절 다공판(22)을 거쳐 촉매연소부(2)로 보내진 1차 혼합가스의 일부는 촉매부재(9)를 통과하게 되고, 나머지 일부는 촉매부재(9)와 연소기 본체의 내부벽 사이에 형성된 에뉼러형 외부공간(15)를 통과하게 되는데, 이때 촉매부재(9)를 통과하는 미반응 혼합가스와 촉매부재(9)의 촉매층과 담지되지 않는 미반응 혼합가스는 온도가 높여진 상태로 촉매연소 반응가스와 혼합되어진다.

상기 촉매연소부(2)는 중앙부에 촉매부재(9)가 위치하는데, 이러한 촉매부재(9)를 지지하도록 다수의 에뉼러 지지대(14)가 외주상에 일정간격으로 위치하고, 이에 의해 에뉼러형 외부공간(15)이 형성되어진다.

상기 촉매부재(9)의 후단부에는 촉매연소부(2)를 부성하는 2차 혼합기(10)가 단열재(12)의 내주면에 접촉하도록 설치하며, 설치되는 2차 혼합기(10)의 길이방향 크기는 촉매부재(9)의 직경(D1)의 1/2 크기가 되도록 제작, 설치한다.

또한, 상기 2차 혼합기(10)로부터 후미부 공간에서 화염연실(버너타일; 11)까지의 거리는 촉매부재(9)의 직경(D1)의 3/2 크기가 되도록 단열재(12) 공간을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 2차 혼합기(10)의 안쪽으로 베인각도를 형성하는 선회식 구조로 형성되어진다.

또한, 상기 2차 혼합기(10)의 안쪽으로 베인각도를 형성하는 길이는 단열재(12)의 형성된 관통구 직경(D2)의 1/2 크기로 형성되어진다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 금속 촉매기의 촉매담체에 대한 상세 구성도이다.

상기 촉매부재(9)는, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 평판(171,172,173,174)과 굴곡박판(181,182,183,184)을 각각 하나의 층으로 하여 4개층으로 한 다음 이를 감아서 달팽이 모양의 허니컴(Honeycomb)의 구조로 형성한다.

이때 평판과 굴곡박판의 표면에는 Pd나 Zr, Ti 등의 촉매물질이 코팅(24)되어 있으며, 4개층 모두를 코팅한 것으로 사용할 수도 있고 1개층을 제외한 3개층만 코팅한 박판을 사용하여 촉매부재(9)를 제조한다. 이때 1개층을 촉매코팅하지 않는 박판으로 사용하는 것은 촉매코팅하지 않은 층을 불활성 촉매층으로 형성하여 1차 혼합가스가 미반응 상태로 통과되도록 하여 활성촉매층에서 반응하는 발생열을 미반응 가스가 냉각하도록 하여 촉매층의 국부과열을 방지토록하기 위함이다.

그리고 상기한 촉매부재(9)는 연소기 본체 내면과 다수의 에뉼러 지지대(14)에 의해 지지되어 있어 연소기 본체 내부벽과 촉매부재 사이에 에뉼러형 외부공간(15)을 형성하도록 한다.

이와 같이 촉매연소부(2)를 구성하는 이유는 1차 혼합가스가 촉매부재(9)를 통과하면서 촉매연소될 때 발생되는 열을 촉매부재(9)의 불활성 촉매층을 통과하는 미반응 혼합가스와 에뉼러형 외부공간(15)를 통과하는 미반응 혼합가스가 활성 촉매층의 벽을 냉각하도록 하여 국부과열을 방지토록 한 것이 주된 이유이며,

또한, 상기 촉매부재(9)를 다층 구조로 하여 중심부에서부터 밖으로 한번 감아나가며 달팽이 모양으로 형성한 것은 촉매체가 커질수록 발생할 수 있는 국부적인 열 충격을 방지하여 촉매연소에 의한 촉매체의 손실을 최소화하도록 한 것이다.

상기 2차 가스혼합부(3)는 촉매연소된 반응가스와 에뉼러형 외부공간(15) 및 불활성 촉매층을 통해 승온된 미반응된 1차 혼합가스를 균일하게 혼합하면서도 역화나 고온 화염층으로부터 촉매체 쪽으로 열복사를 방지할 수 있도록 한 것으로서 선회식 구조로 된 2차 혼합기(10)가 장착되어 있다.

상기 2차 혼합기(10)는 1차 혼합가스와 고온 촉매연소 가스를 완전 혼합하면서도 2차 혼합기 후류에 재순환 영역이 형성치 않게 베인(Vane) 축방향각도(α)를 30∼70도 및 베인 선회각도(β)를 30∼70도의 각도로 형성하는 것이 바람직하다.

촉매연소 후의 고온가스와 1차 혼합된 연료/공기 혼합가스와의 2차 혼합은 선회식 2차 혼합기(10)에 의해 이루어진다. 선회류 강도는 중간정도로서 선회수(Swirl Number)를 0.3∼0.6 정도로 유지되도록 설계하여 약한 선회에 의한 불충분한 미혼합 흐름과 강한 선회에 의한 재순환류 생성을 방지하면서 완전혼합을 유지토록 베인각도(Vane Angle; β)를 설계한다. 베인각도가 30도 미만에서는 선회수도 0.3 이하로 완전혼합이 어렵고, 베인각도가 70도 이상에서는 선회강도도 강하여 내부 재순환류가 형성되어 오히려 역화를 촉진하게 된다.

또한 상기 2차 혼합기의 베인길이(Vane Length)는 연소실에서 발생되는 고온 화염의 복사에 의해 금속 촉매부재에 미치는 열 손상을 방지하고, 역화를 방지할 수 있게 설계한다.

특히 혼합후의 베인 출구에서 가스의 선속도가 화염전파 속도보다 크게 설계하여 운전되어야만 역화의 역작용을 방지할 수 있다.

상기 화염 연소부(4)는 2차 혼합가스가 화염 연소되는 연소구간으로서 NOx가 발생치 않으면서도 안정된 화염유지의 완전연소를 이룰 수 있도록 나팔관식 버너타일로 구성하되 나팔관식 버너타일의 퍼짐각도(γ)를 10∼45도가 되게 하는 것이 바람직하다.

지나친 퍼짐각도는 버너 타일 중앙에 재순환류를 형성하여 안정된 화염을 형성할 수 있으나 화염온도가 높아져 NOx가 생성되며, 버너타일 표면 근처에서도 외부재순환류를 형성하기 때문에 10∼45도의 각도로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연료와 공기의 단계별 혼합 방식을 이용한 촉매/화염 복합연소를 통해 화염 연소의 최대 온도를 Thermal NOx의 발생 이하로 유지하며, 화염연소 영역에서도 국부적 과열이나 농도구배가 낮게 하여 전체적으로 NOx 생성이 미미한 조건을 유지토록 하는 것이 가능하다.

즉, 도 7a에서 보는 바와 같이, 실제로 촉매연소 반응 개시를 위한 공기 예열용 가스버너에 의한 화염 연소과정에서 Thermal NOx가 2ppm 정도 발생되었고, 촉매층 출구에서도 거의 같은 농도를 유지하였으며, 연소실 출구에서 측정한 NOx 발생량은 3ppm 정도로 실제 촉매연소 과정에서는 거의 NOx가 발생되지 않았다. 그러나 도 7b에서 보는 바와 같이, 예열온도와 연공비 변화에 따라 촉매 연소기에서 질소산화물이 발생될 수 있음을 알 수 있다. 즉 연공비가 일정한 조건에서 혼합기의 예열온도를 증가시키면 화염 단열온도가 높아지면서 질소산화물의 배출량이 비례적으로 증가하고, 연공비가 증가되면 연소가스의 단열화염온도가 크게 높아지면서 질소산화물의 배출도 기하급수적으로 증가하는 경향을 보여 적정 운전이 중요함을 알 수 있다.

둘째, 촉매부재와 촉매 담지기술에 따라 촉매반응 개시온도는 차이가 있는데, 발명자가 제조한 Pd과 Zr 이원촉매의 메탄 연소반응의 결과는 도 8에서 보는 바와 같이 과잉공기비에 관계없이 약 340℃ 정도에서 일정하였다. 그러나 과잉공기비에 따라 촉매층 후단의 온도가 달라지는데, 이는 화염연소 유지에 필요한 온도 800℃ 이상을 유지할 수 있었다.

즉, 촉매연소에 의해 NOx가 비록 발생되지 않았다고 하더라도 2차 혼합과 화염연소를 위한 버너타일 설계에 의해서도 NOx 발생이 크게 달라진다. 도 9는 2차 혼합기가 없고 버너타일의 퍼짐각도도 45도로 넓은 상태에서 측정된 결과인데, 촉매연소가 이루어지는 30㎜ 지점까지의 연소가스의 온도는 1000℃ 내외로 유지하고 NOx는 전혀 발생되지 않았다. 그러나 2차 혼합이 이루어지는 60㎜ 지점과 이후 버너타일이 있는 120㎜까지는 온도가 급격히 상승하여 연소기의 최고 온도가 1320℃로 측정되고, NOx의 발생량도 4ppm 정도 발생되었는데, 이는 불충분한 혼합과 버너타일에서의 외부 재순환에 의한 국부연소로 국부온도가 크게 증가하기 때문이며, 이러한 이유로 인하여 2차 혼합기와 버너타일 각도 설계가 NOx생성에 중요함을 알 수 있다. 또한, 도 10은 60도의 선회각도를 갖는 2차 혼합기가 구비된 경우와 구비되지 않은 경우의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너의 NOx 발생량을 도시한 것으로서, 2차 혼합기가 없는 경우는 버너타일의 급작한 퍼짐각에 의하여 연소실 내 국부적인 온도도 상승되어 국부적인 NOx농도도 높게 발생되어 평균 8.2ppm 정도였으나, 2차 혼합기가 구비된 경우는 온도가 NOx농도도 비교적 균일하며, NOx의 평균농도는 4.4ppm으로 낮은 상태를 유지하였다.

결론적으로, 본 발명에 의하면 NOx 발생량(3ppm 미만)이 적은 고온/고압형 연소기 개발이 가능하여 대단위 아파트 중심에 쾌적하면서도 낮은 운전비로 운영될 수 있는 열병합 복합발전이 가능함과 동시에, 고효율 저공해 자동차용 하이브리드 가스터빈 엔진 및 기타 소형 열부하 장치, 대규모 열병합 발전 가스터빈에도 적용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너의 구성을 도시한 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 1차 혼합부의 구성을 도시한 상세도;

도 3은 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 촉매연소부 및 2차 가스혼합부의 상세 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 연소촉매부의 정단면도;

도 5는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 2차 가스혼합부의 혼합기에 대한 상세도;

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너를 구성하는 금속 촉매기의 촉매담체에 대한 구성도;

도 7a는 연소용 공기를 예열할 때 가스버너 사용한 경우 NOx 발생량을 도시한 그래프도;

도 7b는 가스터빈 촉매기에서 상압 연소할 경우 NOx 발생량을 도시한 그래프도;

도 8은 예열온도와 과잉공기비에 따른 촉매개시반응 및 전체 연소특성을 예열기온도 대비 촉매기온도를 도시한 그래프도;

도 9는 2차 혼합기가 없고 버너타일의 퍼짐각도도 45도로 넓은 상태로 제작된 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너의 안정화염 특성 및 NOx 발생량을 도시한 그래프도;도 10은 60도의 선회각도를 갖는 2차 혼합기가 구비된 경우와 구비되지 않는 경우의 고압 촉매/화염 복합연소식 버너의 NOx 발생량을 도시한 그래프도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1:1차 가스혼합부 2:촉매연소부 3: 2차 가스혼합부

4:화염연소구간 6:예열용 전기히터 7:연료 분사노즐

8:1차 혼합기 9:촉매부재 10:2차 혼합기 11:화염연실(버너타일)

12:단열재(Castable) 14:에뉼러 지지대 15:에뉼러형 외부공간

16:2차 혼합기 베인각도 22:혼합/흐름 조절다공판

23:예열용 가스버너 24:코팅층 25:혼합용 다공판

Claims (9)

1. 예열된 공기와 연료가 균일하게 혼합되도록 된 1차 가스혼합부(1)와,

   상기 1차 혼합된 가스를 표면 연소시키도록 된 촉매 연소부(2)와,

   베인 축방향 각도(α)와 베인 선회각도(β)가 각각 30-70°를 형성하여 촉매 연소부를 통과한 표면연소된 반응가스와 표면연소 되지 않은 미반응가스를 혼합시키는 선회식 구조로 된 2차혼합기(10)가 장착되어 있는 2차 가스 혼합부(3)와,

   상기 2차 혼합된 가스를 연소시키도록 나팔관 모양의 버너타일 구조를 갖고, 나팔관 모양의 버너타일 퍼짐각도(γ)가 10-45°인 화염 연소부(4)로 구성된 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너.
2. 제1항에 있어서,

   상기 1차 가스혼합부(1)는 노즐로부터 공급되는 공기를 예열하기 위한 가스버너(23) 및 전기히터(6)와, 연료를 분사하기 위한 연료분사노즐(7)과, 예열된 공기와 연료를 균일하게 혼합시키는 1차 혼합기(8)와, 혼합된 혼합가스량을 조절하는 흐름조절 다공판(22)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너.
3. 제2항에 있어서,

   상기 1차 혼합기(8)는 선회식 구조로 된 선회기 타입이거나 선형믹서 타입의 혼합기인 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너.
4. 제1항에 있어서,

   상기 촉매연소부(2)는 표면에 촉매가 코팅된 평판과 굴곡박판을 하나의 층으로 하여 4개층으로 한 다음 이를 감아서 달팽이 모양으로 한 촉매부재(9)와, 상기 촉매부재(9)를 지지하는 다수의 에뉼러 지지대(14)와, 이에 의해 형성되는 에뉼러형 외부공간(15)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너.
5. 제4항에 있어서,

   상기 촉매부재(9)의 1층은 표면에 촉매가 코팅되어 있지 않은 박판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너.
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