KR101050511B1

KR101050511B1 - Multistep combustion apparatus using plasma

Info

Publication number: KR101050511B1
Application number: KR1020110039152A
Authority: KR
Inventors: 이대훈; 송영훈; 김관태; 이재옥; 허민
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-07-20

Abstract

PURPOSE: A multi-phase combustion device using plasma which can reduce a NOx generation rate is provided to implement the ultra lean combustion after the ultra rich combustion under the instability condition of flame. CONSTITUTION: A rich combustion part(20) is more expanded than an outlet of a plasma generator to be connected to an outlet. The rich combustion part forms a first flame by combustion the air and fuel which are mixed by the plasma. A connection pathway is connected to the rich combustion part. The connection pathway is narrowly formed than the rich combustion part. An additional supply part(40) supplies the second fuel and air to a rich combustion product, which is discharged from the connection pathway, in order for lean combustion.

Description

Multistage combustion apparatus using plasma {MULTISTEP COMBUSTION APPARATUS USING PLASMA}

본 발명은 초농후 연소에 이어 초희막 연소를 구현하여 NOx 배출량을 저감하는 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stage combustion apparatus using plasma to reduce NOx emissions by implementing ultra-thin film combustion following ultra-rich combustion.

연료 연소시, 당량비와 NOx의 상호 관계를 보면, 연료와 공기의 비가 1:1인 완전 연소 구간, 즉 이론 당량비 조건 부근에서, NOx 발생량이 최대로 나타난다.In the fuel combustion, the correlation between the equivalence ratio and the NOx shows that the amount of NOx generation is maximized in the complete combustion section where the fuel-air ratio is 1: 1, that is, near the theoretical equivalence ratio condition.

이론 당량비 보다 연료가 상대적으로 많은 농후 연소(RB, rich burn) 조건 또는 공기가 상대적으로 많은 희박 연소(LB, lean burn) 조건에서, NOx 발생량이 감소하는 것으로 나타난다.In rich burn (RB) conditions where the fuel is relatively higher than the theoretical equivalent ratio, or in lean burn (LB) conditions where the air is relatively high, the amount of NOx generated appears to decrease.

이러한 현상을 고려하여, 일반 연소장치를 적용하는 2단 연소장치가 사용되고 있다. 2단 연소장치는 초기에 연소장치로 공급되는 연료와 공기를 농후 조건으로 1차 공급하고, 연소 후, 공기만을 2차로 공급하여 희박 연소를 수행하거나 1차에서 농후 조건으로 연료와 공기를 공급하고 2차에서 희박 조건으로 연료와 공기를 공급함으로써, NOx 발생량을 감소시킨다.In consideration of this phenomenon, a two-stage combustion device employing a general combustion device has been used. The two stage combustor initially supplies fuel and air to the combustor initially in rich condition, and after combustion, supplies only air in second order to perform lean combustion or to supply fuel and air from the first to rich condition. By supplying fuel and air in secondary to lean conditions, NOx emissions are reduced.

그러나 연료가 공기와 연소 반응하기 위해서는 연료와 공기의 비가 일반 연소장치의 가연 한계의 일정 범위 내에 있어야 한다. 연료와 공기의 비가 가연 한계를 벗어나면 소염이 발생되어, 연소 반응이 진행되지 않는다.However, in order for the fuel to combust with the air, the ratio of fuel and air must be within a certain range of the flammability limits of a normal combustion device. If the fuel-air ratio is outside the flammable limits, anti-inflammatory will occur, and the combustion reaction will not proceed.

본 발명의 목적은 일반적으로 화염의 불안정성 내지는 소염이 발생하는 조건에서의 초농후 연소에 이어 초희박 연소를 구현하므로 NOx 발생량을 감소시키는 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multistage combustion apparatus using a plasma which reduces the amount of NOx generated since the ultra-thin combustion is performed following the super-rich combustion in the condition of flame instability or anti-inflammatory.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치는, 1차 공급되는 연료와 공기로 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부의 출구보다 확장되어 상기 출구에 연결되어 상기 출구로 토출되는 플라즈마에 의해 혼합된 연료와 공기를 농후 연소하여 1차 화염을 형성하는 농후 연소부, 상기 농후 연소부에 연결되어 상기 농후 연소부 보다 좁게 형성되는 연결통로, 및 상기 연결통로에서 토출되는 농후 연소 생성물에 2차 연료와 공기를 공급하여 희박 연소하도록 2차로 연료와 공기를 공급하는 추가 공급부를 포함한다.Multi-stage combustion apparatus using a plasma according to an embodiment of the present invention, the plasma generation unit for generating a plasma with fuel and air supplied first, is extended to the outlet of the plasma generating unit is discharged to the outlet A rich combustion unit rich in combustion of fuel and air mixed by plasma to form a primary flame, a connecting passage connected to the rich combustion unit to be narrower than the rich combustion unit, and a rich combustion product discharged from the connecting passage And an additional supply for supplying secondary fuel and air to the secondary to supply fuel and air to the lean burn.

상기 플라즈마 발생부는, 상기 농후 연소부의 일측에 장착되어 상기 공기를 공급하는 제1 하우징, 상기 제1 하우징의 내측에 이격 장착되어 1차 공기통로를 형성하고 접지되는 제2 하우징, 및 1차 연료를 공급하는 1차 연료통로를 내부에 형성하고 상기 제2 하우징의 내측에 이격 장착되어 상기 제2 하우징과의 사이에 방전 간극을 형성하며 전압이 인가되는 전극을 포함할 수 있다.The plasma generation unit may include a first housing mounted on one side of the rich combustion unit to supply the air, a second housing spaced apart inside the first housing to form a primary air passage, and grounded; It may include an electrode to form a primary fuel passage to be supplied therein and spaced apart inside the second housing to form a discharge gap between the second housing and a voltage applied thereto.

상기 1차 공기통로는, 상기 제2 하우징에 형성되는 제1 관통홀에 연결되며, 상기 제1 관통홀은, 상기 제2 하우징의 직경 방향에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.The primary air passage may be connected to a first through hole formed in the second housing, and the first through hole may be formed to be inclined with respect to the radial direction of the second housing.

상기 전극은, 상기 제2 하우징의 축 방향을 따라 직경이 증가하여 최대 직경부에서 직경이 감소하여 단부를 형성하며, 상기 최대 직경부에서 상기 간극을 형성하며, 상기 제1 관통홀은, 상기 축 방향에서 상기 최대 직경부의 양측에 대응하여 형성될 수 있다.The electrode may have an increase in diameter along an axial direction of the second housing to decrease an diameter at a maximum diameter portion to form an end portion, and form the gap at the maximum diameter portion, and the first through hole may be formed in the shaft. It can be formed corresponding to both sides of the maximum diameter portion in the direction.

상기 1차 연료통로는, 상기 전극에 형성되는 제2 관통홀에 연결되며, 상기 제2 관통홀은, 상기 전극의 직경 방향으로 형성될 수 있다.The primary fuel passage may be connected to a second through hole formed in the electrode, and the second through hole may be formed in a radial direction of the electrode.

상기 전극은, 상기 제2 하우징의 축 방향을 따라 직경이 증가하여 최대 직경부에서 직경이 감소하여 단부를 형성하는 유선 구조를 형성되며, 상기 최대 직경부에서 상기 간극을 형성하며, 상기 제2 관통홀은, 상기 최대 직경부에 형성될 수 있다.The electrode has a streamlined structure that increases in diameter along the axial direction of the second housing to decrease the diameter at the maximum diameter portion to form an end portion, and forms the gap at the maximum diameter portion, and the second through The hole may be formed in the maximum diameter portion.

상기 제2 하우징은, 상기 농후 연소부의 일측 내부로 돌출될 수 있다.The second housing may protrude into one side of the rich combustion unit.

상기 추가 공급부는, 상기 제1 하우징의 외측에 이격되어 2차 연료를 공급하는 2차 연료통로를 형성하고 상기 농후 연소부에 장착되는 제3 하우징, 상기 제3 하우징에 튜브로 연결되어 상기 연결통로의 측방에 개방되는 연료출구, 및 상기 제3 하우징 및 상기 농후 연소부의 외측에 이격되어 2차 공기를 공급하는 2차 공기통로를 형성하여 상기 연료출구의 일측에서 개방되는 제4 하우징을 포함할 수 있다.The additional supply unit is formed in the secondary fuel passage spaced apart from the outside of the first housing for supplying a secondary fuel and mounted to the rich combustion unit, the third housing is connected to the tube by a tube connected to the connection passage And a fourth housing opened at one side of the fuel outlet by forming a fuel outlet opened at a side of the fuel outlet, and a secondary air passage spaced outside the third housing and the rich combustion unit to supply secondary air. have.

상기 제4 하우징은, 상기 연료출구 측에서 상기 연료통로의 전방 중심을 향하여 좁아지도록 경사지게 형성되는 경사부를 포함할 수 있다.The fourth housing may include an inclined portion formed to be inclined to narrow toward the front center of the fuel passage at the fuel outlet side.

상기 전극은, 최소 직경부에서 상기 제2 하우징의 축 방향을 따라 가면서 단계적으로 직경이 증가하여 단부에서 최대 직경부를 형성하며, 상기 최대 직경부에서 상기 간극을 형성하며, 상기 제1 관통홀은, 상기 축 방향에서 상기 최소 직경부에 대응하여 형성될 수 있다.The electrode, the diameter increases in stages along the axial direction of the second housing at the minimum diameter portion to form a maximum diameter portion at the end, the gap is formed at the maximum diameter portion, the first through hole, It may be formed corresponding to the minimum diameter portion in the axial direction.

상기 제2 관통홀은, 상기 최소 직경부에 형성될 수 있다.The second through hole may be formed in the minimum diameter portion.

이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 농후 조건에서 발생하는 연소 속도의 감소로 인하여 화염이 분출하고, 화염의 분출로 인하여 다단 연소 효과가 감쇄되는 것을 방지하기 위해, 농후 연소부를 충분한 부피로 형성하고, 농후 연소부에 플라즈마 발생부를 연결하여, 농후 연소부에 1차 화염의 재순환 영역을 형성하므로 안정적인 농후 연소를 실현한다. 또한 본 발명의 일 실시예는, 농후 연소부에서 1차로 연소된 농후 연소 생성물에 2차로 연료와 공기를 공급하여, 희박 조건에서 연료와 공기 및 화염을 점화 및 안정화시킬 수 있다. 따라서 NOx 발생량이 감소될 수 있다.Thus, one embodiment of the present invention, to prevent the flame is ejected due to the reduction in the combustion rate occurring in the rich conditions, and to prevent the multi-stage combustion effect is attenuated by the ejection of the flame, the rich combustion section is formed in a sufficient volume In addition, the plasma generating unit is connected to the rich combustion unit to form a recirculation zone of the primary flame in the rich combustion unit to realize stable rich combustion. In addition, one embodiment of the present invention, by supplying the fuel and air in the secondary combustion to the rich combustion product primary combustion in the rich combustion unit, it is possible to ignite and stabilize the fuel, air and flame in lean conditions. Therefore, the amount of NOx generated can be reduced.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연소장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치의 단면도이다.1 is a conceptual diagram of a multi-stage combustion apparatus using plasma according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the combustion device shown in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 2.
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 3.
5 is a cross-sectional view of a multi-stage combustion apparatus using plasma according to a second embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치(이하에서, 편의상 "연소장치"라 한다)(100)의 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연소장치(100)의 사시도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram of a multi-stage combustion apparatus (hereinafter, referred to as a "combustion apparatus") 100 using plasma according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a combustion apparatus 100 shown in FIG. Perspective view.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예의 연소장치(100)는 복수단 연소, 예를 들면, 1차로 공기와 연료를 공급하여 플라즈마를 이용한 농후 연소에 이어, 2차로 공기와 연료를 공급하여 희박 연소를 구현하면서, NOx 발생량을 감소시킨다.1 and 2, the combustion apparatus 100 of one embodiment supplies a plurality of stages of combustion, for example, air and fuel in a first stage, followed by rich combustion using plasma, and then supplies air and fuel in a second stage. While implementing lean combustion, it reduces NOx generation.

따라서 일 실시예의 연소장치(100)는, 플라즈마에 의해 농후 조건에서 발생할 수 있는 화염 불안정성을 해소하도록 안정적인 1차 농후 화염(R1)을 농후 분위기에서 생성하므로 플라즈마를 이용하지 않는 일반 연소장치에 비하여, 초농후 및 초희박 연소를 가능케 하는 가연 한계를 더 넓게 하여, 이론 당량비를 크게 벗어난 가연 한계를 가진다.Therefore, the combustion apparatus 100 of one embodiment generates a stable primary rich flame R1 in a rich atmosphere so as to eliminate the flame instability that may occur in the rich condition by the plasma, compared to a general combustion apparatus that does not use plasma. The flammability limits that enable ultra-rich and ultra-lean burning are made wider, with flammable limits far beyond the theoretical equivalence ratio.

예를 들면, 일 실시예의 연소장치(100)는 1차로 공급되는 공기와 연료를 혼합하여 플라즈마를 발생시켜 1차 농후 화염(R1)을 형성하는 플라즈마 발생부(10), 1차 농후 화염(R1)을 이용하여 농후 연소를 구현하는 농후 연소부(20), 1차 농후 연소된 고온의 연소가스를 통과시키는 연결통로(30) 및 연소가스에 2차로 공기와 연료를 공급하여 희박 연소를 구현하는 추가 공급부(40)를 포함한다.For example, the combustion apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a plasma generating unit 10 and a primary rich flame R1 that form a primary rich flame R1 by generating plasma by mixing air and fuel supplied primarily. A rich combustion unit 20 for implementing rich combustion using a), the connection passage 30 for passing the high temperature combustion gas of the first rich combustion and the second supply of air and fuel to the combustion gas to implement lean combustion An additional supply 40.

플라즈마 발생부(10)에서 생성되는 플라즈마는 농후 연소부(20)에서 농후 연소로 형성되는 1차 화염(F1)의 소염을 방지하며 농후 연소를 안정시킨다.The plasma generated by the plasma generator 10 prevents extinction of the primary flame F1 formed by the rich combustion in the rich combustion unit 20 and stabilizes the rich combustion.

농후 연소부(20)는 플라즈마 발생부(10)의 일측에 연결되어, 1차로 공급되어 혼합된 공기와 연료를 농후 연소하여 1차 화염(F1)을 형성한다. 즉 농후 연소부(20)는 플라즈마에 의해 점화되고 1차 농후 화염(R1)에 이어 1차 화염(F1)의 안정화를 도모할 수 있으며, 플라즈마 발생부(10)와 연통되면서 직경이 확장되어 1차 화염(F1)의 재순환 영역을 확보하여 1차 화염(F1)의 안정화를 도모할 수 있게 하여, 농후 연소 구간에서의 연소를 안정적으로 유지한다.The rich combustion unit 20 is connected to one side of the plasma generating unit 10, the primary combustion (F1) is formed by rich combustion of the air and fuel supplied and mixed primarily. That is, the rich combustion unit 20 may be ignited by the plasma and may stabilize the primary flame F1 following the primary rich flame R1, and the diameter may be expanded while communicating with the plasma generating unit 10. By recirculating the primary flame F1, the primary flame F1 can be stabilized, and the combustion in the rich combustion section is stably maintained.

연결통로(30)는 농후 연소부(20)의 일측(즉 플라즈마 발생부(10)의 반대측)에 연결되어 1차 화염(F1)의 생성물을 2차로 희박 연소 공간으로 전달한다. 연결통로(30)는 농후 연소부(20)보다 좁게 형성되어 1차 화염(F1)의 추가적인 정치 및 연소를 촉진한다. 예를 들면, 희박 연소 공간은 실제로 열원을 사용하는 보일러일 수 있다.The connection passage 30 is connected to one side of the rich combustion unit 20 (that is, the opposite side of the plasma generating unit 10) to transfer the product of the primary flame F1 to the lean combustion space in the secondary. The connection passage 30 is formed narrower than the rich combustion unit 20 to promote additional stationary and combustion of the primary flame (F1). For example, the lean burn space may actually be a boiler using a heat source.

즉, 농후 연소부(20)는 플라즈마 발생부(10)와 연결통로(30) 사이에서 플라즈마 발생부(10) 및 연결통로(30)의 직경보다 확장된 직경을 가지는 실린더 형상으로 공간을 설정하여, 1차 화염(F1)이 체류할 수 있는 공간을 충분히 확보한다.That is, the rich combustion unit 20 sets a space between the plasma generating unit 10 and the connecting passage 30 in a cylindrical shape having a diameter that is larger than the diameter of the plasma generating unit 10 and the connecting passage 30. Ensure sufficient space for the primary flame (F1) to stay.

희박 연소 공간은 1차 화염(F1)의 생성물에 연결통로(30)를 통하여 2차로 공급되는 연료와 공기에 의한 희박 연소를 구현하여 2차 화염(F2)을 발생시킨다. 추가 공급부(40)는 2차 화염(F2)을 위한 연료와 공기를 공급하도록 형성된다.The lean combustion space implements lean combustion by fuel and air supplied to the product of the primary flame F1 through the connecting passage 30 in the secondary to generate the secondary flame F2. The additional supply 40 is formed to supply fuel and air for the secondary flame F2.

이와 같이 구성되는 일 실시예의 연소장치(100)는 농후 연소에서 1차 화염(F1)과 함께 발생되는 CO, H₂, 및 HC와 같은 물질들, 즉 NOx 환원제로 기능하는 물질들을 발생시켜 NOx 발생량을 줄일 수 있다.The combustion device 100 according to the embodiment configured as described above generates NOx generation by generating substances such as CO, H ₂ , and HC, which are generated together with the primary flame F1 in rich combustion, that is, functions as a NOx reducing agent. Can be reduced.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 발생부(10)는 다층의 관 구조를 형성하여 농후 연소부(20)에 연결된다. 즉 플라즈마 버너(10)는 제1 하우징(11), 제2 하우징(12) 및 제2 하우징(12) 내부에 설치되어 제2 하우징(12)의 내면과 간극(G)을 형성하는 전극(14)을 포함한다.3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 2. Referring to FIG. 3, the plasma generating unit 10 forms a multilayer tube structure and is connected to the rich combustion unit 20. That is, the plasma burner 10 is installed in the first housing 11, the second housing 12, and the second housing 12 to form an electrode G that forms a gap G with an inner surface of the second housing 12. ).

제1 하우징(11)은 농후 연소부(20)의 일측에 장착되어 내측으로 1차 공기를 공급한다. 즉 농후 연소부(20)는 플라즈마 버너(10) 측에 중앙이 관통된 측벽(21)을 형성한다. 제1 하우징(11)은 농후 연소부(20)의 측벽(21) 외면에 장착된다.The first housing 11 is mounted on one side of the rich combustion unit 20 to supply primary air to the inside. In other words, the rich combustion unit 20 forms a sidewall 21 through which the center passes through the plasma burner 10. The first housing 11 is mounted on the outer surface of the side wall 21 of the rich combustion unit 20.

제2 하우징(12)은 제1 하우징(11)의 내측에 이격 장착되어 1차 공기를 공급하는 1차 공기통로(P1)를 설정한다. 즉 제1 하우징(11)의 내면과 제2 하우징(12)의 외면은 서로 대향하는 사이로 1차 공기통로(P1)를 형성하고, 1차 공기통로(P1)는 1차 공기를 공급한다.The second housing 12 is spaced mounted inside the first housing 11 to set the primary air passage P1 for supplying primary air. In other words, the inner surface of the first housing 11 and the outer surface of the second housing 12 form a primary air passage P1 facing each other, and the primary air passage P1 supplies primary air.

전극(14)은 1차 연료를 공급하는 1차 연료통로(P2)를 내부에 형성하고, 제2 하우징(12)의 내측에 이격 장착되어 간극(G)을 설정한다. 전극(14)과 제2 하우징(12)이 플라즈마 발생부(10)에서 실질적으로 플라즈마를 발생하는 부분이다.The electrode 14 forms a primary fuel passage P2 for supplying primary fuel therein and is spaced apart from the inside of the second housing 12 to set a gap G. The electrode 14 and the second housing 12 are portions in which the plasma generating unit 10 substantially generates plasma.

또한, 제2 하우징(12)은 전기적으로 접지되고, 제2 하우징(12)의 내면과 제1 전극(14)의 외면은 서로 대향하는 간극(G)을 형성한다. 전극(14)에는 고전압(HV)이 인가된다. 따라서 접지되는 제2 하우징(12)과 전극(14) 사이에 1차 공기와 1차 연료가 공급된 상태에서 방전으로 플라즈마가 발생되고, 플라즈마에 의한 1차 농후 화염(R1)이 형성된다.In addition, the second housing 12 is electrically grounded, and the inner surface of the second housing 12 and the outer surface of the first electrode 14 form a gap G facing each other. The high voltage HV is applied to the electrode 14. Therefore, plasma is generated by discharge in a state where primary air and primary fuel are supplied between the second housing 12 and the electrode 14 which are grounded, and a primary enriched flame R1 is formed by the plasma.

예를 들면, 전극(14)은 제2 하우징(12)의 축 방향을 따라 직경이 증가하여 최대 직경부에서 직경이 감소하여 단부를 형성하는 유선형 구조로 형성될 수 있다. 따라서 간극(G)은 최대 직경부와 이에 대향하는 제2 하우징(12)의 내면 사이에 설정되고, 여기서 플라즈마를 발생시키는 방전이 시작된다.For example, the electrode 14 may be formed in a streamlined structure in which the diameter increases along the axial direction of the second housing 12 to decrease the diameter at the maximum diameter portion to form an end portion. Thus, the gap G is set between the largest diameter portion and the inner surface of the second housing 12 opposite thereto, where a discharge for generating plasma is started.

플라즈마 발생부(10)는 제2 하우징(12)을 통하여 1차 공기를 간극(G)으로 공급하고 전극(14)을 통하여 1차 연료를 간극(G)으로 공급하여, 제2 하우징(12)과 전극(14) 사이의 간극(G)에서 방전으로 플라즈마를 발생시켜 1차 농후 화염(R1)을 형성한다. 1차 농후 화염(R1)은 농후 연소부(20)로 토출되어 1차 화염(F1)으로 나타나는 농후 연소를 구현할 수 있게 한다.The plasma generator 10 supplies the primary air to the gap G through the second housing 12, and supplies the primary fuel to the gap G through the electrode 14, thereby providing the second housing 12. The plasma is generated by the discharge in the gap G between the electrode 14 and the electrode 14 to form a primary enriched flame R1. The primary rich flame R1 is discharged to the rich combustion unit 20 to implement rich combustion represented by the primary flame F1.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 1차 공기통로(P1)는 제2 하우징(12)에 형성되는 제1 관통홀(H1)에 연결되어, 제1 관통홀(H1)을 통하여 간극(G)으로 1차 공기를 공급한다.4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 3. 3 and 4, the primary air passage P1 is connected to the first through hole H1 formed in the second housing 12, and the gap G is formed through the first through hole H1. To supply primary air.

제1 관통홀(H1)은 제2 하우징(12)의 원주 방향을 따라 복수로 형성되고 또한 등간격으로 배치되어, 전극(14)과 제2 하우징(12) 사이에서 원주 방향으로 이어지는 간극(G)의 전 영역에 1차 공기를 균일하게 공급할 수 있다.The first through holes H1 are formed in plural along the circumferential direction of the second housing 12 and are arranged at equal intervals, and the gap G extending in the circumferential direction between the electrode 14 and the second housing 12. It is possible to uniformly supply the primary air to all areas of).

제1 관통홀(H1)은 제2 하우징(12)의 직경 방향에 대하여 설정된 각도(θ)로 경사지게 형성된다. 따라서 제1 관통홀(H1)로 공급되는 1차 공기는, 전극(14)과 제2 하우징(12) 사이의 간극(G)에서 원주 방향으로 회전하면서 공급된다.The first through hole H1 is formed to be inclined at an angle θ set with respect to the radial direction of the second housing 12. Therefore, the primary air supplied to the first through hole H1 is supplied while rotating in the circumferential direction at the gap G between the electrode 14 and the second housing 12.

또한, 제1 관통홀(H1)은 제2 하우징(12)의 축 방향에서 최대 직경부의 양측, 즉 최대 직경부의 전방과 후방에 대응하여 형성된다. 따라서 전극(14)의 최대 직경부 양측으로 1차 공기를 공급하여, 최대 직경부의 양측에서 플라즈마를 효과적으로 발생하고 또한 1차 농후 화염(R1)을 발생할 수 있게 한다.In addition, the first through hole H1 is formed corresponding to both sides of the largest diameter part, that is, the front and the rear of the largest diameter part in the axial direction of the second housing 12. Therefore, the primary air is supplied to both sides of the maximum diameter portion of the electrode 14, so that plasma can be effectively generated at both sides of the maximum diameter portion and the primary rich flame R1 can be generated.

제1 관통홀은 전극에 대향하여 제2 하우징 축 방향에 대하여 최대 직경부의 일측(전방 또는 후방)에만 형성될 수도 있다(미도시).The first through hole may be formed only on one side (front or rear) of the largest diameter with respect to the second housing axial direction opposite the electrode (not shown).

1차 연료통로(P2)는 제2 하우징(12)의 중심에 배치되며, 전극(14)의 중심에서 축 방향으로 벋어 형성된다. 1차 연료통로(P2)는 전극(14)에 형성되는 제2 관통홀(H2)에 연결되어 제2 관통홀(H2)을 통하여 간극(G)으로 1차 연료를 공급한다. 따라서 간극(G)에서 1차 연료와 1차 공기가 혼합되어, 방전시 플라즈마를 생성한다.The primary fuel passage P2 is disposed at the center of the second housing 12 and is formed in the axial direction at the center of the electrode 14. The primary fuel passage P2 is connected to the second through hole H2 formed in the electrode 14 to supply the primary fuel to the gap G through the second through hole H2. Therefore, the primary fuel and the primary air are mixed in the gap G to generate plasma during discharge.

제2 관통홀(H2)은 최대 직경부에서 전극(14)의 직경 방향으로 형성되며, 전극(14)의 원주 방향을 따라 복수로 형성되고, 또한 등간격으로 배치된다. 따라서 전극(14)과 제2 하우징(12) 사이에서 원주 방향으로 이어지는 간극(G)의 전 영역에서 1차 연료가 균일하게 공급되며, 또한 제2 하우징(12)의 내면에 수직하는 방향으로 공급된다.The second through holes H2 are formed in the radial direction of the electrode 14 at the largest diameter portion, are formed in plural along the circumferential direction of the electrode 14, and are arranged at equal intervals. Therefore, the primary fuel is uniformly supplied in all regions of the gap G extending in the circumferential direction between the electrode 14 and the second housing 12, and also in a direction perpendicular to the inner surface of the second housing 12. do.

또한, 제2 관통홀(H2)로 공급되는 1차 연료가 제2 하우징(12)의 내면에 수직 방향, 측 전극(14)의 직경 방향으로 공급된다. 따라서 1차 연료는 축 방향 양측에 배치되는 제1 관통홀(H1) 측으로 공급되어 회전하는 1차 공기와 효과적으로 혼합될 수 있다. 제1, 제2 관통홀(H1, H2)로 공급되는 1차 공기와 1차 연료의 양을 조절함으로써 초농후 연소의 가연 한계를 조절할 수 있다.In addition, the primary fuel supplied to the second through hole H2 is supplied to the inner surface of the second housing 12 in the vertical direction and in the radial direction of the side electrode 14. Therefore, the primary fuel may be effectively mixed with the primary air that is supplied to the first through hole H1 disposed on both sides of the axial direction and rotates. By adjusting the amounts of the primary air and the primary fuel supplied to the first and second through holes H1 and H2, the flammability limit of the super rich combustion can be adjusted.

추가 공급부(40)는 연결통로(30)로 토출되는 농후 연소의 생성물에 2차로 공기와 연료를 공급하도록 형성되며, 2차 연료를 공급하는 2차 연료통로(P3)와 2차 공기를 공급하는 2차 공기통로(P4)를 구비한다. 예를 들면, 추가 공급부(40)는 제3 하우징(13)과 연료출구(42) 및 제4 하우징(15)을 포함한다.The additional supply unit 40 is configured to supply air and fuel to the secondary combustion product discharged to the connection passage 30 in a secondary manner, and supplies a secondary fuel passage P3 and secondary air to supply secondary fuel. The secondary air passage P4 is provided. For example, the additional supply 40 includes a third housing 13, a fuel outlet 42, and a fourth housing 15.

제3 하우징(13)은 제1 하우징(11)의 외측에 이격되어 2차 연료를 공급하는 2차 연료통로(P3)를 형성하여, 농후 연소부(20)에 장착된다. 연료출구(42)는 제3 하우징(13)에 튜브(41)로 연결되어 연결통로(30)의 측방에서 개방되어 2차 연료를 분사한다. 즉 2차 연료통로(P3)로 공급되는 2차 연료는 2차 연료통로(P3)에 연결되는 튜브(41)를 통하여 연료출구(42)로 공급된다.The third housing 13 is spaced outside the first housing 11 to form a secondary fuel passage P3 for supplying secondary fuel, and is mounted to the rich combustion unit 20. The fuel outlet 42 is connected to the third housing 13 by the tube 41 and is opened at the side of the connection passage 30 to inject the secondary fuel. That is, the secondary fuel supplied to the secondary fuel passage P3 is supplied to the fuel outlet 42 through the tube 41 connected to the secondary fuel passage P3.

제4 하우징(15)은 제3 하우징(13) 및 농후 연소부(20)의 외측에 이격되어 2차 공기를 공급하는 2차 공기통로(P4)를 형성하여 연료출구(42)의 일측에서 개방된다. 제4 하우징(15)은 연료출구(42) 측에서 연결통로(20)의 전방 중심을 향하여 좁아지도록 경사지는 경사부(43)를 형성한다.The fourth housing 15 is formed at a side of the fuel outlet 42 by forming a secondary air passage P4 spaced outside the third housing 13 and the rich combustion unit 20 to supply secondary air. do. The fourth housing 15 forms an inclined portion 43 inclined so as to narrow toward the front center of the connection passage 20 at the fuel outlet 42 side.

농후 연소부(20)에서 1차 화염(F1)의 생성물은 연결통로(30)의 측방에서 공급되는 2차 연료와 공기에 의하여 희박 연소되어 2차 화염(F2)을 발생시킨다. 경사부(43)에 의한 2차 공기의 분사각은 연결통로(30)의 전방 중심을 향하여 2차 공기의 흐름을 형성하므로 2차 연료 및 1차 화염(F1)의 생성물과 급속하게 혼합되고, 또한 2차 연소 공간에서 2차 화염(F2)의 재순환 영역의 형성을 유도한다.In the rich combustion unit 20, the product of the primary flame F1 is lean burned by the secondary fuel and air supplied from the side of the connecting passage 30 to generate the secondary flame F2. The injection angle of the secondary air by the inclined portion 43 forms a flow of secondary air toward the front center of the connecting passage 30, so it is rapidly mixed with the product of the secondary fuel and the primary flame (F1), It also leads to the formation of the recycle zone of the secondary flame (F2) in the secondary combustion space.

한편, 제2 하우징(12)은 농후 연소부(20)의 측벽(21) 관통구에 삽입되어 농후 연소부(20)의 내부로 제1 거리(L1)로 돌출된다. 이때, 전극(14)이 측벽(21)과 거리(D)를 유지하면서 제2 하우징(12)의 돌출 단부에서 제2 거리(L2)만큼 후퇴하여 배치된다.On the other hand, the second housing 12 is inserted into the through hole of the side wall 21 of the rich combustion unit 20 to protrude into the rich combustion unit 20 at a first distance L1. At this time, the electrode 14 is disposed to retreat by the second distance L2 from the protruding end of the second housing 12 while maintaining the distance D with the side wall 21.

따라서 1차 농후 화염(R1)은 농후 연소부(20) 내에서 1차 연료 및 1차 공기와 접하여 초과농 연소하여 1차 화염(F1)을 형성하고, 1차 화염(F1)의 생성물은 연결통로(30)를 통하여 희박 연소 공간으로 이동하여 추가 공급부(40)에서 2차 연료 및 2차 공기와 접하여 초희박 연소되어 2차 화염(F2)을 형성한다. 이때, NOx의 발생량이 저감된다.Therefore, the primary rich flame (R1) is in excess enriched combustion in contact with the primary fuel and the primary air in the rich combustion section 20 to form a primary flame (F1), the product of the primary flame (F1) is connected It moves to the lean combustion space through the passage 30 and in the additional supply section 40 is in ultra lean combustion in contact with the secondary fuel and the secondary air to form the secondary flame F2. At this time, the amount of NOx generated is reduced.

이하 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명하며, 제1 실시예와 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described, and descriptions of the same components as those of the first embodiment will be omitted and different parts will be described.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다단계 연소장치(200)의 단면도이다. 제1 실시예의 전극(14)은 유선형 구조로 형성되어 최대 직경부를 중간부에 형성하는데 비하여, 제2 실시예의 전극(24)은 계단 구조로 형성되어 최대 직경부(24b)를 단부에 형성한다.5 is a cross-sectional view of a multi-stage combustion apparatus 200 using plasma according to a second embodiment of the present invention. The electrode 14 of the first embodiment is formed in a streamlined structure to form the maximum diameter portion in the middle portion, whereas the electrode 24 of the second embodiment is formed in a stepped structure to form the maximum diameter portion 24b at the end portion.

도 5를 참조하면, 제2 실시예의 연소장치(200)에서, 전극(24)은 최소 직경부(24a)에서 제2 하우징(12)의 축 방향을 따라 가면서 단계적으로 직경이 증가하여 단부에서 최대 직경부(24b)를 형성한다. 따라서 간극(G)은 최대 직경부(24b)에서 형성된다.Referring to FIG. 5, in the combustion apparatus 200 of the second embodiment, the electrode 24 increases in diameter in a stepwise direction along the axial direction of the second housing 12 at the minimum diameter portion 24a to the maximum at the end. The diameter part 24b is formed. Thus, the gap G is formed at the largest diameter portion 24b.

제2 하우징(12)의 제1 관통홀(H1)은 축 방향에서 전극(24)의 최소 직경부(24a)에 대응하여 형성되며, 전극(14)의 최소 직경부(24a)는 제2 하우징(12)의 축방향을 따라 설정된 길이로 뻗어 형성된다.The first through hole H1 of the second housing 12 is formed corresponding to the minimum diameter portion 24a of the electrode 24 in the axial direction, and the minimum diameter portion 24a of the electrode 14 is the second housing. It extends to the set length along the axial direction of (12).

1차 연료통로(P2)는 전극(24)의 내부에 축방향을 따라 형성되어 제2 관통홀(H2)에 연결된다. 제2 관통홀(H2)은 최소 직경부(24a)에서 전극(24)의 직경 방향으로 형성된다.The primary fuel passage P2 is formed along the axial direction inside the electrode 24 and connected to the second through hole H2. The second through hole H2 is formed in the radial direction of the electrode 24 at the minimum diameter portion 24a.

따라서 1차 연료통로(P2)로 공급되는 1차 연료는 제2 관통홀(H2)을 통하여 제2 하우징(12)의 제1 관통홀들(H1) 사이로 분사된다. 그리고 제1 관통홀(H1)을 통하여 회전하면서 공급되는 1차 공기와 혼합되어 전극(24)과 제2 하우징(12) 사이에 인가되는 전압에 의하여 플라즈마를 발생시킨다.Therefore, the primary fuel supplied to the primary fuel passage P2 is injected between the first through holes H1 of the second housing 12 through the second through hole H2. The plasma is mixed with the primary air supplied while being rotated through the first through hole H1 to generate a plasma by a voltage applied between the electrode 24 and the second housing 12.

이때, 전극(24)과 제2 하우징(12) 사이에는 전극(24)의 축방향으로 가면서 좁아지는 공간을 형성하여, 1차 공기와 1차 연료의 혼합을 촉진하고, 또한 전극(24)의 최대 직경부(24b)의 전방에서 1차 농후 화염(R1)의 재순환 영역을 형성한다.At this time, between the electrode 24 and the second housing 12 is formed a narrowing space in the axial direction of the electrode 24 to promote the mixing of the primary air and the primary fuel, and further In front of the largest diameter portion 24b, a recycle region of the primary rich flame R1 is formed.

제1 실시예에 비하여, 제2 실시예는 전극(24)의 전방에서 1차 농후 화염(R1)의 재순환 영역을 확보하므로, 농후 연소부(20)에서 1차 화염(F1)의 재순환 영역 확보와 함께 1차 화염(F1)의 안정화를 더욱 도모할 수 있다.Compared to the first embodiment, the second embodiment secures the recirculation region of the primary rich flame R1 in front of the electrode 24, thus ensuring the recirculation region of the primary flame F1 in the rich combustion section 20. In addition, it is possible to further stabilize the primary flame (F1).

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

10 : 플라즈마 발생부 11, 12, 13, 15 : 제1, 제2, 제3, 제4 하우징
14, 24 : 전극 20 : 농후 연소부
21 : 측벽 30 : 연결통로
40 : 추가 공급부 41 : 튜브
42 : 연료출구 43 : 경사부
F1, F2 : 제1, 제2 화염 G : 간극
H1, H2 : 제1, 제2 관통홀 L1, L2 : 제1, 제2 거리
R1 : 1차 농후 화염 P1 : 1차 공기통로
P2 : 1차 연료통로 P3 : 2차 연료통로
P4 : 2차 공기통로10: plasma generating unit 11, 12, 13, 15: first, second, third, fourth housing
14, 24: electrode 20: rich combustion section
21: side wall 30: connection passage
40: additional supply part 41: tube
42: fuel outlet 43: inclined portion
F1, F2: first and second flames G: gap
H1, H2: first and second through holes L1, L2: first and second distances
R1: Primary enriched flame P1: Primary air passage
P2: primary fuel passage P3: secondary fuel passage
P4: Second air passage

Claims

A plasma generator for generating plasma from fuel and air supplied first;
A rich combustion unit connected to the outlet and rich in combustion of fuel and air mixed by the plasma discharged to the outlet to form a primary flame;
A connection passage connected to the rich combustion unit and narrower than the rich combustion unit; And
Additional supply unit for supplying fuel and air in secondary to supply lean combustion by supplying secondary fuel and air to the rich combustion product discharged from the connecting passage
Multistage combustion apparatus using a plasma comprising a.

The method according to claim 1,
The plasma generation unit,
A first housing mounted at one side of the rich combustion unit to supply primary air;
A second housing spaced apart from the inside of the first housing to form a primary air passage and ground;
An electrode having a primary fuel passage for supplying primary fuel therein and spaced apart from the inside of the second housing to form a discharge gap between the second housing and a voltage applied thereto;
Multistage combustion apparatus using a plasma comprising a.

The method of claim 2,
The primary air passage,
It is connected to the first through hole formed in the second housing,
The first through hole,
It is formed to be inclined with respect to the radial direction of the second housing
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 3,
The electrode
The diameter increases along the axial direction of the second housing to reduce the diameter at the maximum diameter portion to form an end portion,
Forming the gap at the maximum diameter portion,
The first through hole,
It is formed corresponding to both sides of the maximum diameter portion in the axial direction
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 2,
The primary fuel passage,
It is connected to the second through hole formed in the electrode,
The second through hole,
Formed in the radial direction of the electrode
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 5,
The electrode
The diameter increases along the axial direction of the second housing to form a streamlined structure that forms an end by decreasing the diameter at the largest diameter portion,
Forming the gap at the maximum diameter portion,
The second through hole,
Formed in the maximum diameter portion
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 2,
The second housing,
Protruding into one side of the rich combustion unit
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 2,
The additional supply unit,
A third housing spaced apart from the outside of the first housing to form a secondary fuel passage for supplying secondary fuel and mounted to the rich combustion unit;
A fuel outlet connected to the third housing by a tube and open to the side of the connection passage;
A fourth housing opened at one side of the fuel outlet by forming a secondary air passage spaced apart from the third housing and the rich combustion unit to supply secondary air;
Multistage combustion apparatus using a plasma comprising a.

The method of claim 8,
The fourth housing,
An inclined portion inclined to narrow toward the front center of the fuel passage at the fuel outlet side
Multistage combustion apparatus using a plasma comprising a.

The method of claim 3,
The electrode
The diameter increases in stages along the axial direction of the second housing at the minimum diameter to form the maximum diameter at the end,
Forming the gap at the maximum diameter portion,
The first through hole,
Formed corresponding to the minimum diameter in the axial direction
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 10,
The primary fuel passage,
It is connected to the second through hole formed in the electrode,
The second through hole,
Formed in the radial direction of the electrode
Multistage combustion device using plasma.

The method of claim 11, wherein
The second through hole,
Formed in the minimum diameter portion
Multistage combustion device using plasma.