KR100528655B1 - 복합 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율적인 연소가 가능한 연소로와 버너를 이용하여 배가스 체류시간 증가를 통한 CO저감과 NOx의 저감과 단위 체적당 열방출량 증가를 통한 연소로 규모의 최소화를 고려함으로써 완전 연소를 통한 배기가스의 저감이 가능한 혼합 연소식 연소장치를 제공하는 것으로, 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로;

상기 1차 연소실에 설치되어 불꽃을 착화시키는 보조버너;

상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및 상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실로 구성되는 선회로를 포함한다.

Description

복합 연소장치{Combustion system of combined type}

본 발명은 연소장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 수분 및 이물질 등을 함유한 폐액 및 폐슬러지를 효율적으로 완전연소시킬 수 있는 혼합 연소식 연소장치에 관한 것이다.

선박, 항공기 도는 해상시설로부터 발생하는 고상 폐기물 및 폐유 등의 해양 투기 및 해상 소각은 1972년에 채택, 1975년에 발효된 런던협약에 의해 규제가 되고 있다. 해상 오염에 관한 전 세계적인 관심사가 증가함에 따라 관련 규제의 세부적인 강화가 뒤를 잇고 있으며 이에 따른 해상 폐기물의 처리 시스템에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

또한,국내의 경우 국제 준에 의거한 해양오염 방지법에 따라 선박 내부에서 발생하는 유성혼합물, 폐유 및 기타 오염물질을 소각하고자 할 때에는 선박에 소각설비를 설치하고 이를 공해상에서 로내 산소량 6~12%, CO배출량 200mg/MJ 이하의 운전 조건하에서 소각 처리하도록 규정하고 있다.

이미 공지된 기술로서, 다중연소실 방식의 소각로는 여러 연소실을 연소가스가 차례로 통과하면서 긴 체류시간을 확보함으로써 보다 효율적인 연소가 이루어지도록 하는 장치이다. 그러나, 다중연소실 방식의 소각로는 단위 연소실의 부피가 작기 때문에 버너에서 형성되는 화염이 연소실 벽면에 충돌하여 단열재를 부식시키거나 국부적인 열응력으로 인한 피로 파괴를 초래하게 되는 문제점이 있다.

그리고, 와류연소실 방식의 소각로는 원형 소각로의 접선방향으로 연소용 공기를 공급하여 와류를 형성시켜 연소하는 방식이다.

그러나 상술한 바와 같은 소각로는 폐기물 해상 처리 시스템을 이용한 해상소각에 대한 기술적, 경제적 타당성 및 해상 조건에서 안전하게 운전될 수 있는 소각 플랜트의 설계 및 제작 기술의 확립이 아직까지 미흡한 실정이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 효율적인 연소가 가능한 연소로와 버너를 이용하여 배가스 체류시간 증가를 통한 CO저감과 NOx의 저감 및 단위 체적당 열방출량 증가를 통한 연소로 규모의 최소화를 고려함으로써 완전 연소를 통한 배기가스의 저감이 가능한 혼합 연소식 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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상기된 바와 같은 목적은, 본 발명에 따라서, 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로; 상기 1차 연소실에 설치되어 불꽃을 착화시키는 보조버너; 상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및 상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치에 의해 달성될 수 있다. 상기된 바와 같은 목적은 또한, 본 발명에 따라서, 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로; 상기 1차 연소실에 설치되어 불꽃을 착화시키는 보조버너; 상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및 상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실과, 상기 선회연소실에 접선되는 방향으로 연결되어 보조선회공기를 공급하는 보조선회공기유입라인으로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치에 의해 달성될 수도 있다. 아울러, 상기된 바와 같은 목적은 또한 본 발명에 따라서, 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로; 상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및 상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실과, 상기 선회연소실에 접선되는 방향으로 연결되어 보조선회공기를 공급하고 상기 선회연소실에 수평되는 방향으로 다수개가 설치되는 보조선회공기유입라인으로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치에 의해 달성될 수도 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 연소장치를 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 복합 연소장치를 도시한 좌측면도이다.

본 발명의 연소장치는 크게 다단 연소로(10)와 선회로(50)로 구분될 수 있으며, 다단 연소로(10)는 격벽(11)을 사이에 두고 좌측의 1차 연소실(12)과 우측의 2차 연소실(13)로 나누어지고, 2차 연소실(13)과 연결로(14)를 통해 소통하는 선회로(50)는 화염의 계속된 선회를 위한 보조선회공기유입라인(51)이 설치된다.

먼저 다단 연소로(10)에 대해 설명하면, 다단 연소로(10)는 도면에 도시된 바와 같이 박스 형태로 형성될 수 있으며, 중심부에 수직 방향으로 격벽(11)이 설치되어, 1차 연소실(12)과 2차 연소실(13)로 구획된다.

1차 연소실(12)은 일측에 폐기물을 투입하기 위한 투입구(15)가 설치되고, 1차 연소실(12)의 상부에는 폐액버너(16)와 보조버너(17)가 설치된다.

보조버너(17)는 불꽃을 착화시키기 위해 설치된 버너이고, 폐액버너(16)는 착화된 화염을 지속적으로 유지하도록 공급되는 폐액을 연소시키는 버너이다.

1차 연소실(12)과 2차 연소실(13)을 구획하는 격벽(11)은 상부에 출구공(18)이 형성되어, 1차 연소실(12)에서 발생되는 화염이 출구공(18)을 통해 2차 연소실(13)로 유입될 수 있다.

그리고, 다단 연소로(10)의 측면에는 관찰창(19)이 격벽(11)을 사이에 두고 1차 연소실(12)과 2차 연소실(13)에 동시에 걸쳐서 설치되어, 1차 연소실(12)과 2차 연소실(13)을 동시에 관찰할 수 있게 된다.

도 3에서는 폐액버너의 노즐을 단면도로 나타내고 있다.

폐액버너(16)는 버너 중심부를 관통하고 있는 관로(20)에 폐액이 공급되며, 관로(20)의 외측에는 간격을 두고 노즐(21)이 형성된 캡(22)이 설치되며, 관로 앞부분에 해당하는 관로(20)와 캡(22)의 사이에 선회기(23)가 회전 가능하도록 설치된다. 그리고, 캡(22)의 외측에는 연소에 필요한 공기를 공급하기 위한 원통형의 공기 공급관(24)이 동심으로 설치된다.

상기한 노즐(21)은 막힘현상을 방지하기 위해 노즐 직경이 5 내지 15mm 정도로 제작된다.

관로(20)와 캡(22)의 간격(t)은 폐액의 미립화를 촉진시키기 위해 변경이 가능하도록 제작되고, 그 간격은 3 내지 10mm 범위에서 조정이 가능하다.

상술한 선회기(23)는 보조공기의 분사시 회전하게 되며, 베인의 수가 8개 내지 12개 정도이고, 베인의 각도는 30°내지 60°정도이다.

이러한 선회기(23)를 통과한 미립화용 공기와 공기 공급관을 통해 공급된 연소용 공기의 공급 비율은 10:90 내지 30:70의 범위에서 설정된다.

다단 연소로(10)와 연통되는 연결로(14)는 선회로(50)와 접선되는 방향으로 연결된다.

선회로(50)는 대체로 원통형으로 형성되고, 원통 형상으로 만들어지는 선회연소실(52)이 외측의 원통형 케이스의 내부에 단열 상태로 설치된다.

선회연소실(52)의 내부에서 2차 연소실(13)로부터 공급된 연소가스 및 화염이 좀 더 원활하게 연소되어 배기가스를 저감함과 동시에 선회화염이 지속적으로 형성될 수 있도록, 선회연소실(52)의 접선되는 방향으로 보조선회공기를 공급하는 보조선회공기유입라인(51)이 설치된다.

이 보조선회공기유입라인(51)은 선회연소실(52)에 수평되는 방향으로 다수개가 설치되어, 지속적인 보조선회공기가 선회하면서 상승하는 선회화염에 유입될 수 있다.

그리고, 선회연소실(52)의 내부를 관찰할 수 있도록, 선회화염관찰창(53)이 원통형 케이스의 외측에 설치된다.

연소시에 발생되는 배기 가스를 배출시키기 위한 배출구(54)가 상기한 선회연소실(52)의 상부에 형성되며, 배기 가스의 계측을 위하여 배기 가스 계측포트(55)가 배출구(54)에설치된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 혼합 연소식 연소장치의 작용을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 폐기물이 폐기물 투입구를 통해 1차 연소실(12)의 내부로 장입되면, 보조버너가 작동되어 장입된 폐기물이 착화되고, 그런 다음 폐액버너가 작동되어 화염이 일어난다.

이렇게 발생된 연소가스와 화염은 격벽(11)의 상부 출구공을 통해 2차 연소실(13)로 보내진다.

2차 연소실(13)로 보내진 연소 가스는 연결로(14)를 통해 하부에서 상부를 향해 나선 형상으로 만들어지는 선회 연소실(52)로 보내지고, 이때 연결로(14)가 선회 연소실(52)에 접선방향으로 연결되어 있으므로 선회연소실(52)로 공급되는 연소가스는 선회되면서 공급된다.

선회연소실(52)로 공급된 연소가스는 선회연소실(52)의 형상에 따라서 하부에서 상부를 향해 나선 형태의 선회 화염을 형성하고, 최종적으로는 배출구를 통해 배출된다.

이와 같은 과정에서 선회연소실(52)에 접선방향으로 설치된 보조선회공기유입라인(51)에서 공급되는 보조공기는 선회 화염의 지속적인 형성뿐만 아니라 배가스의 배출을 저감하게 된다.

상술한 바와 같이 연소가스가 다단 연소로(10) 및 선회로(50)를 거치면서 체류시간이 증가되어, COㅇ의 발생이 저감되는 것을 배출구에 설치된 배기 가스 계측포트를 통해 계측하면, 도 5에 도시한 바와 같은 막대 그래프를 얻을 수 있게 된다.

도 5의 그래프에서 알 수 있듯이, 300000Kcal/hr의 경우, 과잉 공기비 1.2에서 CO농도가 과잉공기비 1.5의 CO농도보다 상당히 낮으며, 2차 연소실(13)에서의 선회공기량을 과잉 공기비 1.5일 때의 공기량과 1.2일 때 공기량의 차이만큼 주입하였을 경우, 즉 버너에 공급되는 과잉 공기비를 1.2로 유지하고 2차 연소실(13) 선회 공기 주입부에 각각 300 l/min의 공기를 주입하였을 경우 최저의 CO농도를 나타낸다.

이러한 결과는 1차 연소실(12)의 온도를 높게 유지하고 2차 연소실(13) 공기 공급을 위한 부가적인 동력을 최소화하면서 효과적인 CO농도를 제어한다는 측면에서 매우 효율적인 운전조건이다.

NOx의 농도는 화염의 온도에 의한 영향뿐만 아니라 폐액에 함유된 질소 성분에 의해 전체적인 NOx 생성 농도에 상당한 영향을 미친다. 따라서, 화염의 온도 뿐만 아니라 로내의 산소농도에 의해 NOx의 발생농도는 변화한다. 이에 따라, 도 6의 그래프에서 알 수 있듯이, 과잉공기비 및 2차 선회연소실의 선회공기 주입량에 따라 NOx의 농도가 변화함을 알 수 있으며, 본 장치에서는 이러한 과잉공기비 및 선회공기량을 적절히 조절함으로써 NOx의 발생을 대폭 저감이 가능함을 보여준다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 효율적인 연소가 가능한 연소로와 버너를 이용하여 배가스 체류시간 증가를 통한 CO저감과 NOx의 저감 및 단위 체적당 열방출량 증가를 통한 연소로 규모의 최소화를 고려함으로써 완전 연소를 통한 배기가스의 저감이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 연소장치를 도시한 평면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 복합 연소장치를 도시한 좌측면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 복합 연소장치에 설치된 폐액버너의 노즐을 도시한 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 복합 연소장치에서 연소가스 및 화염의 이동경로를 설명하기 위한 개략도이고,

도 5는 본 발명에 따른 복합 연소장치의 CO 배출 감소를 보여주고 있는 그래프이고,

도 6은 본 발명에 따른 복합 연소장치의 NOx 배출감소를 보여주고 있는 그래프이다.

Claims (6)

1. 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로;

   상기 1차 연소실에 설치되어 불꽃을 착화시키는 보조버너;

   상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및

   상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치.
2. 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로;

   상기 1차 연소실에 설치되어 불꽃을 착화시키는 보조버너;

   상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및

   상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실과, 상기 선회연소실에 접선되는 방향으로 연결되어 보조선회공기를 공급하는 보조선회공기유입라인으로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치.
3. 출구공이 형성된 격벽을 사이에 두고 1차 연소실과 2차 연소실로 나뉘는 다단 연소로;

   상기 1차 연소실로 유입되는 폐기물을 연소시키도록 상기 1차 연소실에 설치되며, 버너 중심부를 관통하는 관로와, 상기 관로의 외측에 간격을 두고 설치되는 노즐이 형성된 캡과, 상기 관로 앞부분에 해당하는 관로와 캡의 사이에 회전 가능하도록 설치되는 선회기를 포함하는 폐액버너; 및

   상기 2차 연소실과 연결로를 통해 연결되고 배기가스를 배출시키는 배출구가 상부에 설치되는 선회연소실과, 상기 선회연소실에 접선되는 방향으로 연결되어 보조선회공기를 공급하고 상기 선회연소실에 수평되는 방향으로 다수개가 설치되는 보조선회공기유입라인으로 구성되는 선회로를 포함하는 복합 연소장치.
4. (삭제)
5. 제 4 항에 있어서, 상기 관로와 캡의 간격으로 공급되는 보조공기는 관로를 통해 공급되는 폐액의 공급압력보다 상대적으로 높은 압력으로 공급되어 상기 노즐의 출구에서 분무된 폐액을 미립화시키는 복합 연소장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 관로와 캡의 간격은 3 내지 10mm로 형성되는 복합 연소장치.