KR101154558B1

KR101154558B1 - 확산 연소 장치

Info

Publication number: KR101154558B1
Application number: KR1020090095535A
Authority: KR
Inventors: 유사쿠 가와모토
Original assignee: 쥬가이로 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2012-06-11
Also published as: TW201020475A; JP2010127525A; KR20100061322A; TWI384184B; CN101749701A; CN101749701B; JP4750174B2

Abstract

액체 연료를 사용할 수 있는 확산(擴散) 연소 장치를 제공한다. 주 연소실(2)에 개구하는 1차 연소실(4)과, 1차 연소실(4)에 설치된 파일럿 버너(5)와, 1차 연소실(4)에 연료를 분사하는 연료 노즐(6)과, 연료 노즐(6)의 주위에, 연료 노즐(6)을 따라 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로(7)와, 1차 연소실(4)의 근방으로부터, 주 연소실(2) 내에 2차 공기를 분사하는 2차 공기 공급로(8)를 갖는 확산 연소 장치(1)에, 1차 공기 및 2차 공기의 전체 양에 대한 1차 공기의 비율인 1차 공기비(比)를, 주 연소실의 온도가 낮을 때에는 높게 하고, 주 연소실의 온도가 높을 때에는 낮게 하는 1차 공기비 조절 수단을 설치한다.

Description

확산 연소 장치{DIFFUSION COMBUSTION BURNER}

본 발명은, 확산 연소 장치에 관한 것이다.

특허 문헌 1에는, 연소실 내에 연료 및 공기를 직접 분사해서 연소시키는 확산 연소 장치에 있어서, 주 연소실에 개구하고, 파일럿 버너가 설치된 1차 연소실에, 연료 및 1차 공기를 분사하여, 1차 연소실의 근방으로부터 주 연소실에 2차 공기를 분사하는 확산 연소 장치가 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에는, 2차 공기의 공급로와, 배기 가스의 배출로(排出路)를 교번식(交番式; alternating operation)으로 하여, 각각에 축열체(蓄熱體)를 배치한 확산 연소 장치가 기재되어 있다.

이러한 축열 교번식 확산 연소 장치는, 가스를 연료로 하는 것에 대해서는 실용화되어 있지만, 액체 연료에 대해서는 아직 실용적이지 않다. 특히, 연소 용량이 큰 연소 장치는, 중유를 연료로서 사용하는 것에 대한 요구가 크다. 그러나, 액체 연료는, 분무(噴霧)된 연료를 일단 기화(氣化)할 필요가 있기 때문에, 특히 저온일 때에, 착화 지연이나 급격한 연소가 발생하여, 불완전 연소나 노벽(爐壁; furnace wall)(특히 1차 연소실 내벽)에의 카본(carbon) 부착 등의 불편이 발생한다고 하는 문제가 있다.

(특허 문헌 1)

일본국 특공평 8-26970호 공보

(특허 문헌 2)

일본국 특개 2007-24335호 공보

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 액체 연료를 사용할 수 있는 확산 연소 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 확산 연소 장치는, 주 연소실에 개구하는 1차 연소실과, 상기 1차 연소실에 설치된 파일럿 버너와, 상기 1차 연소실에 액체 연료와 상기 액체 연료를 분무하기 위한 분무 공기를 분사하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 주위에, 상기 연료 노즐을 따라 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로와, 상기 1차 연소실의 근방으로부터, 상기 주 연소실 내에 2차 공기를 분사하는 2차 공기 공급로와, 상기 1차 공기를 상기 연료 노즐 주위로 선회시켜서, 상기 연료 노즐로부터 분무된 상기 액체 연료를 감싸는 에어 커튼(air curtain)을 형성하는 기류 선회 수단과, 상기 1차 공기 및 상기 2차 공기의 전체 양에 대한 상기 1차 공기의 비율인 1차 공기비(比)를, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 낮을 때에는 높게 하고, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 높을 때에는 낮게 하는 1차 공기비 조절 수단을 갖는 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 저온일 때에 1차 공기비를 높게 해서, 분무된 연료를 1차 공기로 둘러쌈으로써, 연소 불완전 연료가 노벽에 부착되는 것을 방지하고, 특히 1차 연소실의 내벽에 카본이 부착되는 것을 방지한다. 그리고, 연료의 기화(氣化) 및 연소가 용이한 고온일 때에는, 1차 공기비를 낮게 함으로써, NOx를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명의 확산 연소 장치는 상기 1차 공기를 상기 연료 노즐 주위로 선회시키는 기류 선회 수단을 추가로 구비하므로, 선회 기류가 에어 커튼이 되어서 연료를 감싸기 때문에, 상기 1차 연소실의 내벽에 카본이 부착되는 것을 방지하는 효과를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 낮을 때의 상기 1차 공기비를 5% 이상, 바람직하게는 10% 이상으로 하면, 상기 1차 연소실 내벽에의 카본 부착을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 1차 공기비를 40% 이하로 함으로써, NOx의 발생을 공업로(工業爐)에 대한 법령의 규제 범위 내로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 높을 때의 상기 1차 공기비를 10% 이하로 하면, 충분한 NOx 억제 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 2차 공기 공급로를, 번갈아서 연소 가스의 배기를 위한 유로를 겸하기 위해서 복수 마련하여, 각각 축열체를 통해서 상기 2차 공기가 도입되도록 하면, 축열체로 배기 가스로부터 회수한 열에 의해 상기 2차 공기를 예열할 수 있기 때문에, 열효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 주 연소실의 온도가 높을 때는, 상기 1차 공기비를 낮게 해서 2차 공기의 비율을 높이므로, 더욱 열효율이 높아진다.

이상과 같이, 본 발명의 확산 연소 장치에서는, 주 연소실의 온도가 낮을 때는 1차 공기비를 높게 함으로써, 1차 공기가 에어 커튼으로 되어서 분무된 연료가 1차 연소실의 내벽에 부착되는 것을 방지할 수 있고, 주 연소실의 온도가 높을 때는 1차 공기비를 내려서 NOx를 억제함과 더불어, 축열체에 의한 열 회수의 효율을 향상시킬 수 있다.

지금부터, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 하나의 실시형태인 확산 연소 장치(1)를 나타낸다. 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2)을 획정(劃定)하는 노벽(3)에 형성되어 있다. 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2)에 개구하도록 노벽(3)에 형성된 오목부로 이루어지는 1차 연소실(4)과, 1차 연소실(4) 내에서 점화원(点火源)으로 되는 화염을 형성하는 파일럿 버너(5)와, 1차 연소실(4)을 통해서 주 연소실(2) 내에 연료를 분사하는 연료 노즐(6)과, 연료 노즐(6)의 외측(外側)에 끼워 장착된 관(管)에 의해 형성되어, 연료 노즐(6)의 주위에 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로(7)와, 1차 연소실(4)의 근방으로부터 주 연소실(2) 내에 2차 공기를 분사할 수 있는 복수의 2차 공기 공급로(8)(1개만 도시)와, 각각, 축열체(9)를 구비하고, 2차 공기 공급로(8)와 연통하여, 축열체(9)를 통해서 2차 공기 공급로(8)에 2차 공기를 공급할 수 있는 복수의 축열기(10)(1개만 도시)를 갖는다.

1개의 2차 공기 공급로(8) 및 1개의 축열기(10)를 1세트로 해서, 차례로 적어도 1세트가 2차 공기의 흡기로(吸氣路)로서 사용되고, 다른 적어도 1세트가 연소 배기 가스의 배기로(排氣路)로서 사용된다. 축열체(9)가 배기로로서 사용될 때에 연소 배기 가스의 열 에너지를 회수하고, 2차 공기의 흡기로로서 사용될 때는 2차 공기를 예열하는 역할을 담당한다.

본 실시형태에서, 연료 노즐(6)에는, 액체 연료(예를 들면 중유)와, 액체 연 료를 분무하기 위한 분무 공기가 공급되지만, 분무 공기를 이용하지 않고 액체 연료를 고압 분무해도 좋다. 또한, 1차 공기 공급로(7)는, 1차 공기를 연료 노즐(6) 주위로 선회시키기 위한, 선회 블레이드(blade)(11)를 구비한다.

확산 연소 장치(1)에서는, 송풍기(12)에 의해 연료 노즐(6)로부터 분사되는 연료의 양에 따라서 최적의 공연비(空燃比)를 실현하는 유량의 연소용 공기가 공급되어, 1차 공기 공급로(7)와 축열실(10)에 분배된다. 1차 공기를 공급하는 유로에는, 주 공급 댐퍼(damper)(13)와, 증량(增量) 공급 댐퍼(14)가 병렬로 설치되어 있다. 확산 연소 장치(1)에서는, 주 공급 댐퍼(13)만을 개방하면, 연소용 공기 전량의 5%를 1차 공기로서 1차 공기 공급로(7)에 도입하고, 주 공급 댐퍼(13) 및 증량 공급 댐퍼(14)를 함께 개방하면, 연소용 공기 전량의 10%를 1차 공기로서 1차 공기 공급로(7)에 도입하도록 설계되어 있다.

또한, 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2) 내의 온도를 계측하는 온도 검출기(15)를 갖추고, 연소 운전 중에 있어서, 온도 검출기(15)의 검출 온도가 소정의 설정값, 예를 들면 800℃ 이상일 경우에, 증량 공급 댐퍼(14)를 폐쇄하는 제어 장치가 되어 있다. 환언하면, 확산 연소 장치(1)에서는, 1차 공기 및 2차 공기의 전체 양에 대한 1차 공기의 비율인 1차 공기비를, 주 연소실(2)의 온도가 800℃ 미만의 저온인 경우에는 10%로 높게 설정하고, 주 연소실(2)의 온도가 800℃ 이상의 경우에는 5%로 낮게 설정한다(1차 공기비 조절 수단).

도 2에, 확산 연소 장치(1)의 1차 공기비와 연소 배기 가스 중의 NOx 농도와의 관계를 나타낸다. 도시하는 바와 같이, 1차 공기비가 높아질수록, NOx 농도가 높아지지만, 이 관계는, 액체 연료를 이용하는 연소 장치에 있어서 일반적으로 알려져 있는 것이다. 또한, NOx 농도는, 1차 공기비가 40%를 초과하면 급격하게 증가한다. 또한, 일반적으로 배기 가스의 NOx 농도는 법령에 의해서 제한되어 있으며, 공업로에 대해서는 산소 농도 11% 환산값으로 120～150ppm이 상한(上限)이므로, 공업로의 제품 규격으로서는, 100ppm 정도를 상한으로 하는 것이 적절하다. 이 때문에, 본 발명의 확산 연소 장치(1)에서는, 1차 공기비를 40% 이하로 해야 한다. 또한, 1차 공기비를 10% 이하로 할 수 있다면, 배기 가스의 NOx 농도를 충분히 낮게 할 수 있어, NOx 농도의 관점에서는 대단히 안전하게 된다.

계속해서, 표 1에 상온에서의 1차 공기비의 차이에 의한 확산 연소 장치(1)의 1차 연소실(4) 내벽에의 카본 부착 상태 변화를 확인한 결과를 나타낸다. 표에 있어서, 1차 연소실(4)의 내벽에, 분명한 카본의 부착이 있을 경우를 ×, 약간 거무스름한 것을 확인할 수 있을 경우를 △, 전혀 더러움이 없을 경우를 ○로 나타낸다. 또한, 이 실험을 위해서, 주 공급 댐퍼(13) 및 증량 공급 댐퍼(14)는 적당한 용량의 것으로 적의(適宜) 교환하였다.

(표 1)

1차 공기비(%)	3	5	7	10	15	20
카본 부착 상태	×	△	△	○	○	○

이렇게, 확산 연소 장치(1)에서는, 상온에서의 1차 공기비가 10% 이상이면, 카본의 발생이 없는, 양호한 연소 상태를 얻을 수 있었다. 또한, 1차 공기비가 10%에 미치지 못할 경우라도, 주 연소실(2) 내의 온도나 외기(外氣)(연소용 공기) 온도에 따라서는, 양호한 연소를 얻을 수 있으며, 1차 공기비가 5% 이상이면, 분명하게 흑연을 발생시키는 불완전 연소를 방지할 수 있는 것이 확인되었다. 따라서, 확산 연소 장치(1)에서는, 상온(常溫)인 경우, 1차 공기비가 5% 이상, 40% 이하라면, 법령에 대하여도 문제가 없고, 불완전 연소에 대하여도 문제가 없다.

또한, 표 2에 주 연소실(2)의 온도가 800℃일 때의, 1차 공기비의 차이에 의한 카본의 부착 상태의 변화를 나타낸다.

(표 2)

1차 공기비(%)	3	4	5	6	7
카본 부착 상태	×	△	○	○	○

이렇게, 확산 연소 장치(1)에서는, 주 연소실(2)의 온도가 높을 때는, 1차 공기비를 5%까지 저하시켜도, 카본의 발생이 보이지 않았다.

이상의 연소 조건을 고려하여, 확산 연소 장치(1)에서는, NOx 농도를 될 수 있는 한 낮게 하고, 또한, 이상적인 연소를 얻기 위해서, 먼저 설명한 바와 같이, 1차 공기비를 저온일 때에는 10%로, 고온일 때에는 5%로 하도록 하였다. 이에 따라, 확산 연소 장치(1)는 액체 연료를 이용해도 연기 발생이나 노벽에의 카본 부착이 없는 양호한 연소를 얻을 수 있어, NOx의 발생도 최저 한도로 제한시킬 수 있다.

이는 저온일 때에 다량 발생하는 미연소 연료 및 그 불완전 연소물(CO)을 1차 연소실(4)의 내부에서, 1차 공기에 의해 감싸서, 주 연소실(2)에 형성되는 화염의 내부로 인도함으로써, 노벽(3)의 내면, 특히, 1차 연소실(4)의 내면에 카본으로서 부착되거나, 연소 배기 가스 중의 연기로 되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 이 에어 커튼으로서의 효과를 갖게 하기 위해서, 본 발명에서는, 특히 저온일 때에 본 실시형태의 선회 블레이드(11) 등에 의해 1차 연소 공기를 연료 노즐(6)의 주위로 선회시켜서 공급하는 것이 효과적이다.

또한, 1차 공기비를 저하시키는 것은, 연소용 공기 전량에 대하여, 축열체(9)를 통해서 공급되는 2차 공기의 비율을 높이게 된다. 이 때문에, 1차 공기비를 될 수 있는 한 낮게 함으로써 열효율도 높아지게 된다. 예를 들면, 1차 공기비를 40% 이하로 하면, 축열식 버너 장치로서 폐열회수기(recuperator)를 구비하는 버너 등에 비해서도 유리한, 높은 열효율을 얻을 수 있다.

또한, 확산 연소 장치(1)에서는, 연료 노즐(6) 또는 그 선단 팁(tip)을 LNG 등의 기체 연료에 적합한 것으로 교환함으로써, 기체 연료를 사용 가능하게 해도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 주 연소실(2)의 온도가 800℃ 이상인가 아닌가의 여부에 따라 1차 공기비를 5% 및 10%로 설정하고 있지만, 개도(開度) 조절 가능한 댐퍼를 사용하여, 주 연소실(2)의 온도 상승에 따라서 서서히 1차 공기비를 상승시켜도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 1차 공기비를 조정할 때의 주 연소실(2)의 온도의 역치(threshold)를 800℃로 하고 있지만, 이 온도 설정값은 보통, 분무된 액체 연료가 자연 착화하는 온도로 하면 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 1차 공기비를 저온일 때에는 10%, 고온일 때에는 5%로 설정하였지만, 이것은 일례이며, 다른 실시형태에서는, 그 연소 장치에 따라 최적의 1차 공기비가 상이할 수 있다. 따라서, 본 발명은 고온일 때의 1차 공기비를 저온일 때보다도 낮은 값으로 하는 것을 도모하고, 그 값은 상기 실시형태와 상이해도 좋다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시형태의 확산 연소 장치의 구성을 나타내는 단면도.

도 2는 도 1의 확산 연소 장치에 있어서의 1차 공기비와 NOx 농도와의 관계를 나타내는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 확산 연소 장치

2: 주 연소실

3: 노벽

4: 1차 연소실

5: 파일럿 노즐

6: 연료 노즐

7: 1차 공기 공급로

8: 2차 공기 공급로

9: 축열체

10: 축열기

11: 선회 블레이드(기류 선회 수단)

12: 송풍기

13: 주 공급 댐퍼

14: 증량 공급 댐퍼

15: 온도 검출기

Claims

주(主) 연소실에 개구하는 1차 연소실과,

상기 1차 연소실에 설치된 파일럿 버너와,

상기 1차 연소실에 액체 연료와 상기 액체 연료를 분무하기 위한 분무 공기를 분사하는 연료 노즐과,

상기 연료 노즐의 주위에, 상기 연료 노즐을 따라 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로와,

상기 1차 연소실의 근방으로부터, 상기 주 연소실 내에 2차 공기를 분사하는 2차 공기 공급로와,

상기 1차 공기를 상기 연료 노즐 주위로 선회시켜서, 상기 연료 노즐로부터 분무된 상기 액체 연료를 감싸는 에어 커튼을 형성하는 기류 선회 수단과,

상기 1차 공기 및 상기 2차 공기의 전체 양에 대한 상기 1차 공기의 비율인 1차 공기비(比)를, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 낮을 때에는 높게 하고, 상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 높을 때에는 낮게 하는 1차 공기비 조절 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 확산 연소 장치.
제1항에 있어서,

상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 낮을 때의 상기 1차 공기비는 5% 이상, 40% 이하인 것을 특징으로 하는 확산 연소 장치.
제2항에 있어서,

상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 낮을 때의 상기 1차 공기비는 10% 이상인 것을 특징으로 하는 확산 연소 장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 주 연소실의 온도가 상기 액체 연료의 자연 착화 온도보다도 높을 때의 상기 1차 공기비는 10% 이하인 것을 특징으로 하는 확산 연소 장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 2차 공기 공급로는, 번갈아서 연소 가스의 배기(排氣)를 위한 유로(流路)를 겸하기 위해서 복수 설치되고, 각각 축열체를 통해서 상기 2차 공기가 도입되는 것을 특징으로 하는 확산 연소 장치.
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