KR100726830B1 - 질소산화물 저감 연소시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질소산화물 저감 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 연소실의 압력조건을 대기압 이하로 하고, 상기 연소실내 압력조건을 주위 공기에 의하여 조절함으로써 배출되는 오염물질, 즉 질소산화물의 양이 저감되도록 한 질소산화물 저감 연소시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 예혼합실을 통하여 소정의 비율로 공급되는 연료 및 공기가 연소실을 거쳐 대기로 방출되는 연소시스템에 있어서, 상기 연소실의 입구측에는 공기를 공급하는 블로워 및 공급되는 공기량을 제어하는 제어밸브로 이루어진 제1 압력조절부가 구비되며, 상기 연소실의 출구측에는 공기를 흡입 배출하는 흡입팬 및 배출되는 공기량을 제어하는 제어밸브로 이루어진 제2 압력조절부가 구비되고, 상기 연소실의 내부에는 연소실의 길이방향으로 상기 연료 및 공기를 공급하는 디퓨저 및 상기 디퓨저의 출구측에 장착되는 보염기가 구비되어, 상기 연소실의 압력조건을 조절가능하게 되는 것을 특징으로 한다.

연소기, 디퓨저, 보염기, 블로워, 흡입팬, 제어밸브, 보조인젝터, 질소산화물

Description

질소산화물 저감 연소시스템{Combustion system for reducing NOx}

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템의 전체적인 구성을 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 주요부인 연소실 내부 구성을 나타낸 개념도

도 3은 본 발명의 주요부인 디퓨저 및 보염기 형상을 나타낸 개념도

도 4 및 도 5는 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 화염길이를 나타낸 그래프

도 6 및 도 7은 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 질소산화물 방출량을 나타낸 그래프

도 8은 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 화염 형상을 나타낸 사진

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1...블로워 3, 7...제어밸브

5...연소실 8...흡입팬

12...디퓨저 13...보염기

14...보조인젝터 A...제1 압력조절부

B...제2 압력조절부

본 발명은 질소산화물 저감 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 연소실의 압력조건을 대기압 이하로 하고, 상기 연소실의 압력조건을 주위 공기에 의하여 조절함으로써 배출되는 오염물질, 즉 질소산화물의 양이 저감되도록 한 질소산화물 저감 연소시스템에 관한 것이다.

일반적인 연소기에서는 연소효율의 향상을 위하여 난류 화염을 이용한 연소방식을 널리 이용하고 있다.

난류 화염을 이용한 연소방식은 연소 반응이 난류 유동장에서 진행되므로 매우 불규칙하고 복잡한 형상의 화염을 제어하는 방법이 필수적이며, 특히 연소효율을 높이기 위해서는 연료 및 공기의 혼합을 제어하여 고속 난류중의 화염을 안정화시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.

그러나, 연소부하를 높이기 위하여 강난류연소 기술을 사용할 경우, 연소실 내의 국부적인 고온 현상으로 질소산화물 배출이 대폭 증가될 뿐만 아니라, 영응력에 의한 연소실 자체의 변형이 일어나게 되는 치명적인 약점에 직면하게 된다.

따라서, 고효율 및 고부하를 만족시키면서 공해물질의 방출량은 저감될 수 있는 연소시스템의 개발이 절실하다 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 연소실의 압력조건을 대기압 이하로 하여 배출되는 질소산화물의 양이 대폭 저감되도록 하는 질소산화물 저감 연소시스템을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

이를 위하여 본 발명은, 예혼합실을 통하여 소정의 비율로 공급되는 연료 및 공기가 연소실을 거쳐 대기로 방출되는 연소시스템에 있어서, 상기 연소실의 입구측에는 공기를 공급하는 블로워 및 공급되는 공기량을 제어하는 제어밸브로 이루어진 제1 압력조절부가 구비되며, 상기 연소실의 출구측에는 공기를 흡입 배출하는 흡입팬 및 배출되는 공기량을 제어하는 제어밸브로 이루어진 제2 압력조절부가 구비되고, 상기 연소실의 내부에는 연소실의 길이방향으로 상기 연료 및 공기를 공급하는 디퓨저 및 상기 디퓨저의 출구측에 장착되는 보염기가 구비되어, 상기 연소실의 압력조건을 조절가능하게 되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 연소실의 압력조건은, 대기압 이하인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 보염기는, 원주방향으로 복수 개의 보조인젝터가 구비되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본원 발명은 크게, 블로워(1) 및 제어밸브(3)로 이루어진 제1 압력조절부(A)와, 흡입팬(8) 및 제어밸브(7)로 이루어진 제2 압력조절부(B) 및 그 사이에 위치하는 연소실(5)로 구성된다.

여기서, 상기 연소실(5)의 연소는 예혼합실(10)을 통하여 소정 비율로 공급되는 공기탱크(15)의 공기와 연료탱크(16)의 연료, 즉 탄화수소계 연료로서 본원 발명에서는 메탄에 의하여 이루어지게 된다.

상기 공기 및 연료의 공급량은 각각 밸브(15', 16')에 의하여 조절되며 상기 연소실(5)로 공급되는 공기 및 연료량의 계측이 가능하도록 질량유량계(9)가 더 구비된다.

상기 예혼합실(10)은 허니콤(미도시) 구조에 다수개의 스틸볼(미도시)이 장착된 구성으로, 상기 연소실(5)로 혼합되어 공급되는 연료 및 공기의 유동을 정류하며 역화를 방지하는 역할을 담당하게 된다.

상기 제1 압력조절부(A)는 크게, 블로워(1) 및 제어밸브(3)로 이루어지는 것으로, 상기 연소실(5)의 입구측에 블로워(1)가 장착되며, 상기 블로워(1)와 연소실(5) 입구 사이에 제어밸브(3)가 장착되어 상기 블로워(1)로부터 공급되는 공기량을 제어하게 된다.

이때, 상기 블로워(1)와 제어밸브(3) 사이에는 상기 블로워(1)에 의하여 발생되는 공기를 임시저장할 수 있는 공기저장탱크(2)가 더 구비되며, 상기 제어밸브(3)와 연소실(5) 입구 사이에는 상기 연소실(5)로 공급되는 공기량의 계측이 가능하도록 층류유량계(4)가 더 구비된다.

상기 제2 압력조절부(B)는 크게, 흡입팬(8) 및 제어밸브(7)로 이루어지는 것으로, 상기 연소실(5)의 출구측에 흡입팬(8)이 장착되며, 상기 흡입팬(8)과 연소실(5) 출구 사이에 제어밸브(7)가 장착되어 상기 흡입팬(8)에 의하여 흡입 배출되는 공기량을 제어하게 된다.

이때, 상기 제어밸브(7)와 연소실(5) 출구 사이에는 제1 압력조절부(A)에 의하여 연소실(5)로 공급된 공기를 냉각시켜 대기 중으로 방출되도록 쿨링챔버(6)가 더 구비된다.

한편, 본 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템에 사용되는 제어밸브(3, 7)는 외부에서 그 개폐 정도의 판별이 용이하도록 게이트 밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

이상의 본 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템의 주요 구성을 보다 자세히 살며보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 주요부인 연소실 내부 구성을 나타낸 개념도이며, 도 3은 본 발명의 주요부인 디퓨저 및 보염기 형상을 나타낸 개념도이다.

도 2와 같이 본 발명에 따른 연소실(5)은 입구(5a)와 출구(5b)가 구비되어 유로를 형성하며, 예혼합실(10, 도 1 참고)과 연결되어 상기 예혼합실(10)에서 공급되는 연료 및 공기가 분사되도록 하는 디퓨저(12)가 연소실(5)의 길이방향을 따라 장착된 구성이다.

상기 디퓨저(12)는 연소실(5)로 혼합 공급되는 연료 및 공기의 확산 및 분사 속도를 낮춤으로써, 상기 연소실(5)에서 화염이 안정적으로 발생되는 영역, 즉 안정영역을 넓히기 위하여 사용되는 것이다.

상기 디퓨저(12) 출구측에는 도 3과 같이 보염기(13)가 구비된다.

상기 보염기(13)는 연소실(5) 내의 다양한 압력변화에 대하여 화염이 안정적 으로 형성되도록 하기 위하여, 상기 디퓨저(12) 출구와 연통되는 구멍의 주위에 원주방향으로 복수 개의 보조인젝터(14)가 구비된다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템의 작동예에 대해 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서 사용된 연료는 상술한 바와 같이 메탄(CH₄)이며, 상기 메탄과 혼합되어 연소실(5)로 공급되는 공기는 습기가 제거된 압축공기이다.

연소실(5)에서 화염이 안정적으로 생성되기 위한 변수로는 당량비(Φ)와, 상기 블로워(1) 및 흡입팬(8)의 구동에 따른 연소실(5) 내의 압력조건이 있다.

상기 당량비(Φ)는 이론 공연비에 비례하여 실제 공급되는 공연비를 나타내는 무차원수로, 본 발명에서는 상기 당량비(Φ)의 값을 1로 설정한다.

여기서, 공연비는 이론적으로 모두 연소할 수 있는 공기와 연료의 질량비로 정의한다.

본 발명에 따른 연소실(5) 내의 압력조건을 다음의 표 1과 같이 나타낸다.

(표 1)

상기 표 1과 같이 블로워(1) 및 흡입팬(8)의 구동에 따른 연소실(5) 내의 압 력조건은 도 1의 각 제어밸브(3, 7)를 통하여 -30kPa 내지 30kPa의 범위 내에서 조절되게 된다.

도 4 및 도 5는 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 화염길이를 나타낸 그래프로서, 도 4는 디퓨저(12)로부터 연소실(5, 이하 도 1 내지 도 3 참고)로 공급되는 연료 및 공기의 유속을 변화시켰을 경우의, 도 5는 상기 블로워(1)에 의하여 연소실(5)의 입구(5a)로부터 공급되는 공기의 유속을 변화시켰을 경우의 화염길이와의 관계를 각각 나타낸 것이다.

그래프에 도시된 바와 같이, 연소실(5) 내 압력조건이 0kPa 내지 30kPa의 범위에서는 화염길이의 변화가 두드러지지 않으나, 상기 연소실(5) 내 압력조건이 -30kPa 내지 0kPa의 범위에서는 상대적으로 화염길이의 변화가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

도 6 및 도 7은 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 질소산화물 방출량을 나타낸 그래프로서, 도 6은 디퓨저(12)로부터 연소실(5)로 공급되는 연료 및 공기의 유속을 변화시켰을 경우의, 도 7은 상기 블로워(1)에 의하여 연소실(5)의 입구(5a)로부터 공급되는 공기의 유속을 변화시켰을 경우의 질소산화물 방출량과의 관계를 각각 나타낸 것이다.

그래프에 도시된 바와 같이, 압력조건의 변화에 따른 측정값은 질소산화물 방출지수(g/kg fuel)로 나타낸다.

여기서, 질소산화물 방출지수(g/kg fuel)는 연소과정에 의해 연소된 연료의 질량에 대한 질소산화물의 질량을 의미한다.

도 6 및 도 7과 같이, 질소산화물의 방출량은 연소실(5) 내 압력조건이 -30kPa 내지 30kPa의 범위 내에서 감소함에 따라 전체적으로 30% 이상 감소하는 것을 확인할 수 있다.

상기 도 6 및 도 7에서 상기 연소실(5) 내 압력조건이 -10kPa 내지 0kPa의 구간에서 질소산화물의 방출량이 급격히 감소되므로, 질소산화물 방출량을 저감할 수 있는 연소실(5) 내의 바람직한 압력조건은 대기압 이하의 조건임을 알 수 있게 된다.

따라서, 화염의 안정영역이 확장되도록 하며, 질소산화물의 방출량을 줄이기 위하여는 연소실(5) 내 압력조건이 대기압 이하로 되는 것이 적합함을 알 수 있으며, 도 4 내지 도 7을 비교하여 볼 때 기체, 디퓨저(12)로부터의 연료 및 공기의 유속 변화와 연소실(5) 입구(5a)로부터 공급되는 공기의 유속 변화는 화염길이의 변화 및 질소산화물 방출량의 변화에 영향을 미치는 요인이 되지 않음을 알 수 있다.

또한, 대기압 이하의 연소실(5) 내 압력조건에서는 화염의 길이와 폭이 늘어나게 되어 전체적으로 온도분포가 균일해지며 화염의 고온 영역이 줄어들게 되므로 질소산화물의 방출량이 감소하게 되는 것이다.

도 8은 연소실 내 압력조건의 변화에 따른 화염 형상을 나타낸 사진으로, 탄화수소계 연료, 본원 발명에서는 메탄의 화학발광 강도를 가시화한 것이다.

도시된 바와 같이, 화염의 폭은 전체적으로 연소실(5)내의 압력조건이 낮을수록 넓어지며, 0kPa 이상인 압력조건에서 화염반응대가 선명하게 나타나고 0kPa 미만인 압력조건에서는 화염 반응면이 넓고 균일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 연소실(5)내 압력조건의 영향으로 화염반응대가 균일하게 되면 주위 공기, 즉 상기 연소실(5)의 입구(5a)로부터 공급되는 공기와의 반응영역이 넓어지게 되어 화염의 냉각속도와 희석으로 인한 단열 화염온도가 감소되므로 질소산화물 방출량을 줄일 수 있게 된다.

따라서, 질소산화물 방출량의 가장 중요한 제어인자로는 상기 연소실(5) 내 압력조건, 즉 대기압 이하의 압력조건임을 알 수 있다.

이상과 같이 본원 발명에 따른 질소산화물 저감 연소시스템은 연소효율은 높이고 질소산화물 방출량은 저감되도록 하기위하여 난류 화염을 이용한 희박연소를 수행하되, 고속 난류중에 화염의 안정화를 위하여, 더욱 자세히는 화염 반응면이 넓고 균일하게 나타나도록 하기 위하여 연소실 내의 압력조건을 대기압 이하로 조절함으로써 고효율 연소 및 저 질소산화물 방출의 목표를 달성하게 되는 것이다.

이상에 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연소실의 압력조건을 대기압 이하로 하고, 상기 연소실내 압력조절을 주위 공기에 의하여 행함으로써 배출되는 오염물질, 즉 질소산화물의 양이 저감되도록 한 질소산화물 저감 연소시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

그리고, 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 연소를 위하여 사용된 연료로 메탄 뿐 아니라 다양한 탄화수소계 연료로써도 시스템의 구현이 가능하게 되는 등 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 기대된다.

우선, 연소실 내의 압력조건을 대기압 이하로 함으로써 저 질소산화물 연소가 가능하게 되며, 질소산화물의 배출량을 최대 30%이상 저감할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 대기압 이하의 압력조건으로써 화염이 안정적으로 넓게 형성되도록 하여 연소실 내의 온도분포의 균등화 실현이 가능하게 되므로 연소실의 국부적인 가열 현상을 미연에 방지가능하여 시스템의 수명 연장은 물론, 연소현상의 예측이 가능하게 되므로 연소의 제어가 용이한 장점을 지니게 된다.

또한, 연소실 출구측에 구비되는 흡입팬을 통하여 배기효율의 향상은 물론 유해가스, 즉 질소산화물이 외부로 유출되는 것을 방지하여 사용자의 안전 보호에 기여할 수 있게 되는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 예혼합실을 통하여 소정의 비율로 공급되는 연료 및 공기가 연소실을 거쳐 대기로 방출되는 연소시스템에 있어서,

   상기 연소실(5)의 입구측에는 공기를 공급하는 블로워(1) 및 공급되는 공기량을 제어하는 제어밸브(3)로 이루어진 제1 압력조절부(A)가 구비되며,

   상기 연소실의 출구측에는 공기를 흡입 배출하는 흡입팬(8) 및 배출되는 공기량을 제어하는 제어밸브(7)로 이루어진 제2 압력조절부(B)가 구비되고,

   상기 연소실의 내부에는 연소실의 길이방향으로 상기 연료 및 공기를 공급하는 디퓨저(12) 및 상기 디퓨저의 출구측에 장착되는 보염기(13)가 구비되어,

   상기 연소실의 압력조건을 조절가능하게 되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 연소시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실의 압력조건은, 대기압 이하인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 연소시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 보염기(13)는, 원주방향으로 복수 개의 보조인젝터(14)가 구비되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 연소시스템.

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