KR100690934B1 - 가스연료연소 향상 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최적의 연소를 위하여 가스 연료와 강산화성 물질을 적당한 비율로 공급해 주는 장치에 관한 것으로, 특히 탄화수소를 포함하고 저압으로 공급되는 연료가스를 무연연소하기 위한 것이다.

본 장치는 벤튜리관을 형성하는 몸체(2)의 축에 위치되어 연료 가스가 공급되는 적어도 하나 이상의 중앙 공급 튜브(1)를 포함한다. 특히 본 발명은 복수의 보충 튜브들(6)이 상기 중앙 공급 튜브(1) 둘레에 환형으로 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스연료연소 향상 장치{DEVICE FOR IMPROVING GAS FUEL BURNING}

본 발명은 최적의 연소를 위하여 가스 연료와 강산화성 물질을 적당한 비율로 공급해 주는 장치에 관한 것으로, 특히 탄화수소를 포함하고 저압으로 공급되는 연료가스를 무연연소하기 위한 것이다.

연소기가 외부에서 보충공기의 유입없이 자율적으로 작동하기 위해서는 연소되는 가스의 양과 연소에 필요한 공기의 양 사이의 관계가 언제나 화학양론 이상이거나 같아야 한다는 점이 잘 알려져 있다. 또한 석유 정유공장이나 오일 생산지에서 탄화수소를 포함하고 있는 가스를 연소시킬 때 - 예컨대 황화수소를 내포하고 있는 찌꺼기 가스나 탄화수소를 포함하고 있는 방출가스를 태울때 - 최적의 연소를 위해서는 일반적으로 이 분야에서 "세 가지 T"로 알려진 중요한 세 가지 조건을 만족시켜야 한다는 점도 잘 알려져 있다.

실제로 연소에 필요한 공기의 양이 불충분하고 상기 세가지 T (불꽃의 온도, 연소전의 공기와 기체의 혼합 시간, 혼합시 적용되는 난류)의 조건이 지켜지지 않았을 때 상기 가스 혹은 방출가스의 불완전 연소로 인해 환경을 오염시키는 악취와 특히 비연소된 탄화수소에서 기인하는 짙은 검은 연기가 배출된다.

이러한 불완전 연소 및 특히 검은 연기 배출의 주된 원인은 원칙적으로 산소양의 부족에서 기인하는 것으로서, 이는 탄화수소가 완전히 연소되어 나타나는 완전 연소를 막을 수 있는 요인이 된다. 실제적으로, 시중에서 판매되고 있는 연소기들은, 예컨대 연소할 가스의 양이 많고, 이 가연성 가스의 공급 압력이 약할 때, 일반적으로 연소기의 공급튜브 출구부분에서 가스압력에 의해 충분히 활성화되는 불꽃의 통풍을 용이하게 해주는 효율성이 떨어지는 제품들이다. 그러므로 현 기술수준에서 가능한 모든 방법을 동원하여 연소에 필요한 외부 공기를 유입시켜주어야 한다. 수증기를 이용한 가연성 및 조연성 혼합 에너지의 공급이 그 예가 될 수 있을 것이다.

지금까지 외부유체를 이용하여 다량의 공기를 유입, 충분한 혼합 에너지를 얻게 해주는 여러 장치들이 제안되었다. 이 장치들에 사용되는 외부유체로는 공기의 유입과 연소에 필요한 난류의 유입을 위해 사용되는 인젝터를 관통하는 수증기나 "구동 유체"로 작용하는 유체들, 예를 들면 압축된 공기 자체나 강력한 통풍장치에 의존하는 공기 등이 있다. 이러한 장치들은 일반적으로 그 효율성이 떨어지며, 그 결과 효율성을 향상시키기 위하여 다량의 구동 유체를 사용하여야 하는데, 제거할 가스를 연소하는 장소에서는 그 필요한 양을 전부 획득하기가 어려운 것이 문제이다.

그럴 경우, 예를 들면, 구동 유체로서 아주 다량의 수증기를 사용하게 되는데, 사용량의 과다로 인하여 하기와 같은 단점이 야기된다 :

- 튜브와 인젝터를 통과하는 유체로 인해 큰 소음이 발생한다.

- 가스가 정확히 연소하는데 필요한 조건을 해치는 불꽃의 냉각현상이 발생한다. 예를 들어 H₂S 같은 산화가스는 완전한 산화작용을 위해 700°C의 온도가 필요한데 상기의 조건에서는 이 온도에 도달할 수 없으며, 그 결과 악취와 유해물질을 배출하게 된다.

- 처리 장소의 에너지 산출이 수증기량에 종속되어 좋지 않은 결과를 나타낼 수 있다.

일반적으로 오일 및 가스 생산 장소에서는 수증기를 획득할 수가 없다. 또한 연소할 가스의 압력이 구동 가스로 작용하기에는 그 힘이 약하므로, 즉 가스 스스로 연소에 필요한 공기의 양을 충분히 유입하여 충분한 가연성 및 조연성 혼합 에너지를 획득하기에는 그 힘이 약하므로 탄화수소를 포함하는 이 가스의 연소는 결국 불완전 연소로 되며, 그 결과 연소장소에서 짙은 검은 연기를 배출하게 된다.

그래서 연소기 제작업자들은 연소기에 장착된 일련의 고압 전기 송풍장치를 이용하여 연소를 위한 공기 유입을 행하는 연소기 불꽃 통풍 시스템을 제안하였다. 이 시스템에 따르면 연소할 총 가스량이 자동식 조절판의 도움으로 단계적으로 배분되어진다. 복잡한 도구로 조정되는 이 시스템은 치명적인 고장의 위험을 내포하고 있다. 왜냐하면 정유장소의 연소할 가스 수집 저장고에서 대단히 위험한 폐색현상이 초래될 수 있기 때문인데, 예를 들어 조정된 조절판이 닫힌 상태로 머물러 있는 동안 그러한 폐색현상이 발생할 수 있다. 게다가 이 불꽃 통풍 시스템은 높은 투자비용과 처리비용을 요구하는 반면 거의 신뢰도가 없으며, 게다가 연소할 가스가 압축된 탄화수소라고 불리기도 하며 쉽게 연소하는 특성을 지니고 있는 액체 탄화수소를 포함하고 있을 경우 이 탄화수소가 쉽게 연소기에 장착된 통풍장치 위로 떨어지는 등의 안전 문제 또한 발생할 수 있다.

프랑스 특허 FR-A- 2 095 661를 일례로 들 수 있는데, 이 발명은 공기 흡입기에 관한 것으로서 그 특성이 명시되어 있지 않은 압력하에서 가스를 구동 유체로 사용하고 있다. 이 공기 흡입기는 다수의 가스 인젝터 튜브를 내포하고 있으며, 그 튜브들은 대기중에 노출되어 있는 벤튜리관의 입구에서 두 개의 동심원 링에 배열되어 장착되어 있으며, 튜브의 축은 벤튜리관의 축과 평행하게 놓여져 있다.

또한 미국 특허 US-A- 2 403 431은 가연성 가스 연소기에 관한 것으로서, 이 연소기 또한 대기중에 노출되어 있는 벤튜리관의 입구에 장착된 다수의 인젝터 튜브를 포함하고 있다. 벤튜리관에 평행하게 놓여져 있는 이 튜브에는 가연성 가스와 공기의 선행 혼합물이 공급되어지는데, 그 선행 혼합은 상부에 장착되어 있으며 대기중에 노출되어 있거나 혹은 압력과 함께 공기의 출처에 연결되어 있는 또 다른 벤튜리관에서 행해진다.

유럽 특허 n°99 828은 공기의 유입과 함께 가연성 유체 혼합물을 연소하는 장치에 관한 것으로서, 상기의 유체는 연소기 몸체의 축에 동축으로 장착되어 있는 환형 횡단면 인젝터의 사용으로 벤튜리관을 형성하는 연소기 몸체내로 유입된다. 이러한 장치는 제작상 큰 문제점을 내포하고 있다. 왜냐하면 제작시 상당한 정확성과 엄격성이 요구되기 때문이다. 게다가 장치의 효율성을 향상시키기 위해, 특히 연소기를 형성하고 있는 벤튜리관의 분산구에 동일한 속도로 유체 분사를 행하기 위해 장치의 성능을 향상시킬 필요가 있는듯 하다.

따라서 본 출원인은 탄화수소를 포함하고 저압으로 공급되는 가스 연소시에 충분한 양의 공기를 유입시켜줄 수 있는 단순하면서 신뢰도가 높고 또한 기술적 측면에서도 만족스러운, 아울러 생산장소에서나 정유장소에서 투자비용도 적게 드는 새로운 해결책을 모색하기 위해 다양한 연구를 수행했다. 즉, 최적의 가스 연소, 특히 연기가 나지 않는 연소를 위하여 필요한 조건을 향상시키고자 하였다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 도 2a의 I-I축에 따른 단면도이다.

도 2a는 도 1에 나타난 장치의 평면도로서, 하나의 링에 환형으로 장착된 다수의 튜브들을 도식적으로 나타내고 있으며, 링의 중앙부는 벤튜리관을 형성하고 있는 몸체 축에 위치하고 있다.

도 2b는 도 1에 나타난 장치의 변이형의 평면도로서, 두 개의 링에 분산되어 있는 다수의 튜브들을 도식적으로 나타내고 있다.

본 발명은 공기와 함께 연소할 수 있는 탄화수소를 내포하고 있는 가스를 연소하는 장치를 그 대상으로 한다. 이 장치는 벤튜리관을 형성하는 몸체를 가지며, 장치 가동시 가연성 가스는 중앙 공급 튜브에 도달하게 되는데, 이 중앙 공급 튜브는 상기 몸체의 축에 위치한다. 복수의 가스 공급 튜브가 벤튜리관을 형성하는 몸체의 중앙 공급 튜브 주변에 환형으로 장착된다. 이 튜브들의 단부의 축은 상기 벤튜리관의 분산구 내벽과 평행하게 놓인다.

본 발명에 따른 장치는 특히 가연성 가스 압력이 약할 경우나 이 가스가 압축 가스일 경우에도 탄화수소를 포함하고 있는 가스의 무연 완전 연소를 용이하게끔 해주는 장점을 가지고 있다.

본 장치의 또 다른 장점과 특징들은 첨부된 도 1, 2a, 2b에 대한 설명과 함께 기술될 것이다.

도 1 및 도 2a에서 나타나듯이, 본 발명에 따른 장치는 벤튜리관을 형성하는 몸체(2)의 중앙부에 장착된 가연성 가스 중앙 공급 튜브(1)를 포함한다. 몸체(2)는 일반적으로 "수렴구"라고 불리우는 하부의 원뿔형상부(3)를 포함하며, 상기 원뿔형상부는 "목"이라고 불리우는 원통형상부(4)로 연결된다. 또한, 상기 원통형상부(4)는 "분산구"라고 불리우는 상부의 원뿔형상부(5)로 연결된다.

가스 중앙 공급 튜브(1)는 일반적으로 환형의 중앙 튜브로서 몸체(2)와 동축 상에 놓인다. 이 중앙 튜브는 외부로부터 수렴구(3)를 지나면서 몸체(2) 부위에 까지 닿아 있는데, 그 닿는 지점은 일반적으로 수렴구(3)와 목(4)의 결합지점이다.

본 발명에 따르면, 다수의 보충 튜브들(6)이 중앙 공급 튜브(1) 둘레에 놓인다. 본 발명에 적합한 장치는 환형으로 장착되는 튜브를 적어도 세 개 포함해야 하며, 최대 수는 벤튜리관을 형성하는 몸체의 크기에 따라 변하는데 그 수는 수 십개까지 될 수 있다. 일반적으로 보충 튜브들(6)의 배치는 규칙적이고 환형이어야 하며, 이는 도 2a와 도 2b에 잘 나타나 있다.

상기 보충튜브들(6)은 동일한 것이 바람직하고, 그 형태는 원형이 좋으며, 중앙 공급 튜브(1) 둘레에 환형으로 장착되어 있고, 벤튜리관을 형성하는 몸체의 축 AA에 대하여 α각을 형성하면서 상기 몸체에 가연성 가스를 분사하기 위해 몸체의 분산구(5)의 벽면과 평행하게 놓여져 있는 극단부의 축과 같은 방향으로 장착된다. 튜브의 하부 부분(8)은 원통형일 수 있으며, 몸체(2)의 축 AA와 평행하게 놓여질 수 있다. 반면, 도 1에서 볼 수 있듯이 축 AA에 대한 상부 부분(7)의 경사각 α는 같은 축 AA에 대한 분산구(5)의 경사각과 동일하다. 도면에 표시되지는 않았지만 본 발명의 다른 변이형으로서, 튜브의 축은 분산구가 상기 몸체의 축과 만들어내는 각과 같은 각을 벤튜리관을 형성하는 몸체의 축에 대해 형성할 수 있다.

도 2b에서 볼 수 있듯이, 다수의 보충 튜브는 환형으로 가연성가스 공급 중앙 튜브의 둘레에 장착될 수 있으며, 이때 벤튜리관을 형성하는 몸체(2)의 축 AA 위에 중심이 놓이는 다수의 링에 맞추어 장착된다.

보충 튜브(6)는 모두 일반적으로 같은 깊이로 몸체(2) 내부로 연장되는데, 이 경우 깊이는 중앙 공급 튜브(1)가 몸체(2) 내부로 연장되는 깊이와 같거나 적을 수 있다. 상기 중앙 튜브는 다른 직경을 가질 수 있으며, 환형으로 장착된 튜브들의 직경보다 큰 것이 바람직하다.

각각의 보충 튜브들(6)의 내부 직경은 하나의 링에 환형으로 장착된 모든 튜브들의 내부 직경과 같으며, 중앙 튜브와 보충 튜브들의 바람직한 가스 분배를 위하여 상기 내경은 1% ∼ 33%의 가연성 가스를 유동시킬 수 있는 크기로 형성된다. 선호되는 수치는 5% ∼ 33% 이다. 또한 적어도 하나 이상의 링에 장착된 튜브들의 극단부에는 분사노즐과 같은 가스분사기가 구비될 수 있다.

중앙 공급 튜브(1)와 보충 튜브들(6)은 모두 하나의 가연성 가스공급튜브(9)에 연결될 수 있다. 이 경우 이 튜브들은 상기 공급튜브(9)를 통해 탄화수소나 황화수소 H₂S 혹은 상기 두 가스의 혼합 가스로 구성된 가연성 가스 저장고에 연결된다.

연소는 튜브들(1,6)의 출구, 즉 몸체(2) 내부에서 행해진다. 하지만 중앙 공급 튜브(1)와 보충 튜브들(6)의 존재로 인해 종래 연소기에서 관찰된 것보다 더 좋은 신속한 가스의 분배 공급이 이루어진다. 즉, 중앙 공급 튜브(1)를 통해서만 가스를 분사하는 경우에는 벤튜리관 내부로 분산된 공기가 분산구 출구에서 축을 따라 그리고 좁은 범위의 집중 구역을 따라 최대속도에 도달하게 되므로 공기의 분산율이 좋지 않지만, 몸체의 분산구(5)의 벽면과 평행하는 방향으로 배치된 보충튜브들(6)에 의해 분산구의 벽면과 평행하는 방향으로의 가스가 분사가 병행됨으로써 분산구 출구에서 횡단면 전체를 따라 공기 속도와 거의 동일한 속도로 분산이 이루어질 수 있다. 아울러 이러한 보충튜브들(6)의 분사에 의해 분산구의 벽면 주변에서 일어나는 난류를 상당히 감소시킬 수 있다. 한편, 중앙 공급 튜브(1)에 의해서도 분사가 이루어지므로 보충 튜브들(6)에 의해서만 분사가 이루어질 때 발생할 수 있는 중앙부에서의 속도 저하가 방지될 수 있다. 따라서, 분산구 전체 영역에서 공기 분산율이 좋아지고 가스의 동역학적 에너지의 사용을 최적화할 수 있는 것이며, 이로 인해 구동 유체와 조연성 물질간의, 다시 말하자면 튜브에서 발산되는 가연성 가스와 유입된 유체, 즉 산소간의 혼합이 원할히 행해지며, 그들간의 난류 또한 원할하게 발생된다. 그 결과 공기 유입 성과가 높게 나타나는데, 이를 수치로 표현하면 연소가스의 공기내에서의 희석률이 40에 이르게 된다. (참고로 종래 연소기들은 3 ∼ 10 정도의 희석률을 나타내고 있다.) 아울러, 장치에 상당히 저압의 구동 유체가 공급되어질 때에도 본 발명에 따른 장치를 사용하면 공기의 유입이 원할하게 수행된다.

본 출원인은 "연소 구덩이"이라고 불리우는 땅에서 연소기 실험을 수 차례 실행하였다. 실험 결과, 하나의 가스공급튜브와 하나의 공급용 중앙 튜브만을 포함하고 있는 벤튜리관으로 구성되어 있는 종래 연소기를 사용할 경우, 가스의 불완전 연소를 나타내는 짙은 검은 연기가 배출됨을 검증하였다. 반면에 다량의 연소가스와 저압이라는 동일한 조건에서 본 발명에 따른 장치를 사용하여 실험한 결과 연기가 나지 않는 연소를 구현할 수 있었다. 게다가, 불꽃으로 유입되는 압축가스 또한 연기를 내지 않고 연소되었다. 종래 연소기를 이용하여 완전 연소를 이루려면 가스 압력을 30배 이상 높여야만 가능해 질 것이다.

또한, 본 발명에 따른 장치를 사용하면 산화질소를 감소시킬 수 있다. 이러한 산화질소의 감소는 연소시 행해지는 공기의 단계적 유입을 통해서도 가능할 수 있고, 불꽃 온도 동일화를 통해 불꽃의 대단히 뜨거운 부위를 제거함으로서 이루어질 수도 있다. 이는 상당한 하나의 효과임에 틀림없다. 왜냐하면 연소시 발생되는 산화질소가 산성화나 광화학적 오염, 오존층 감소, 온실효과 증대 등에 일조한다는 사실이 이미 밝혀졌기 때문이다.

Claims (5)

1. 벤튜리관을 형성하는 몸체(2)의 축에 위치하고 가연성 가스를 공급하는 중앙 공급 튜브(1)와, 벤튜리관을 형성하는 몸체(2)의 상기 중앙 공급 튜브(1) 둘레에 링 형상으로 장착되는 복수의 가스 공급 튜브(6)를 포함하여 구성되고, 상기 튜브들(6)의 단부는 상기 벤튜리관의 분산구(5) 벽면과 평행한 축을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공기의 유입으로 연소될 수 있는 탄화수소를 포함하는 가스연소장치.
2. 제 1 항에 있어서, 환형으로 장착되는 상기 각각의 튜브(6)는 1% ∼ 33%의 가연성 가스를 전달할 수 있을 정도의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 가스연소장치.
3. 제 2 항에 있어서, 환형으로 장착되는 상기 각각의 튜브(6)는 5% ∼ 33%의 가연성 가스를 전달할 수 있을 정도의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 가스연소장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 공급 튜브(1)의 직경은 환형으로 장착되는 다른 튜브들(6)의 직경과 다른 것을 특징으로 하는 가스 연소장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 중앙 공급 튜브(1)의 직경은 환형으로 장착되는 다른 튜브들(6)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 가스 연소장치.

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