KR101174091B1 - 플라즈마를 이용한 연소장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 종래에 비하여 초농후 및 초희박 연소 조건을 구현하여 NOx 발생량을 감소시키는 플라즈마를 이용한 연소장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치는, 파일럿 버너부의 방전 개시로 상기 파일럿 버너부를 통과하는 연료와 산화제를 플라즈마로 반응시켜 파일럿 화염을 형성하여, 상기 파일럿 버너부의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 일측에 연결되어 상기 파일럿 버너부를 수용하여, 상기 플라즈마 버너 반대측에 개방부를 형성하는 반응로, 및 상기 반응로 상에 관통 설치되어 상기 주 화염의 일측에 산화제를 보조로 공급하여 보조 화염을 형성하는 보조 산화제 공급부를 포함한다.

Description

플라즈마를 이용한 연소장치 {COMBUSTION APPARATUS USING PLASMA}
본 발명은 복수단 연소를 통하여 NOx 배출량을 저감하는 플라즈마를 이용한 연소장치에 관한 것이다.
도 14를 참조하면, 연료 연소시, 당량비와 NOx의 상호 관계를 보면, 연료와 산화제(예를 들면, 공기 또는 산소)의 비가 1:1인 완전 연소 구간, 즉 이론 당량비 조건 부근에서, NOx 발생량이 최대로 나타난다.
이론 당량비 보다 연료가 상대적으로 많은 농후 연소(RB, rich burn) 조건 또는 산화제가 상대적으로 많은 희박 연소(LB, lean burn) 조건에서, NOx 발생량이 감소한다.
이러한 현상을 고려하여, 일반 버너를 적용하는 2단 연소장치가 사용된다. 2단 연소장치는 초기에 연소장치로 공급되는 연료와 산화제를 농후 조건으로 1차 공급하고, 연소 후, 산화제만을 2차로 공급하여 희박 연소를 수행함으로써, NOx 발생량을 감소시킨다.
그러나 연료가 산화제와 연소 반응하기 위해서는 연료와 산화제의 비가 일반 버너의 가연 한계(L1)의 일정 범위 내에 있어야 한다. 연료와 산화제의 비가 가연 한계를 벗어나면 소염이 발생되어, 연소 반응이 진행되지 않는다.
본 발명의 목적은 종래에 비하여 초농후 및 초희박 연소 조건을 구현하여 NOx 발생량을 감소시키는 플라즈마를 이용한 연소장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치는, 파일럿 버너부의 방전 개시로 상기 파일럿 버너부를 통과하는 연료와 산화제를 플라즈마로 반응시켜 파일럿 화염을 형성하여, 상기 파일럿 버너부의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 일측에 연결되어 상기 파일럿 버너부를 수용하여, 상기 플라즈마 버너 반대측에 개방부를 형성하는 반응로, 및 상기 반응로 상에 관통 설치되어 상기 주 화염의 일측에 산화제를 보조로 공급하여 보조 화염을 형성하는 보조 산화제 공급부를 포함한다.
상기 플라즈마 버너는, 상기 반응로의 일측에 장착되는 하우징, 및 상기 하우징에 결합되어 상기 반응로에 연통되는 주 산화제통로 및 연료통로를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 장착하는 바디를 포함할 수 있다.
상기 바디는, 상기 하우징과 상기 반응로를 구획하는 판부, 상기 판부의 중앙에 연결되어 내부에 상기 연료통로를 형성하는 제1 중공축, 및 상기 제1 중공축에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로를 형성하는 제2 중공축을 포함할 수 있다.
상기 파일럿 버너부는, 상기 파일럿 산화제통로에 연결되는 파일럿 산화제 출구를 형성하고, 고전압에 연결되는 전극, 상기 전극의 외주에 이격 배치되어 상기 연료통로에 연결되고, 상기 파일럿 산화제통로의 출구에 연결되는 혼합기통로를 형성하여 접지되는 접지부를 포함할 수 있다.
상기 혼합기통로는, 상기 판부로부터 멀어질수록 상기 전극의 축 방향 중심선에 대하여, 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다.
상기 혼합기통로는, 상기 전극의 축 방향 중심선에 직교하는 직경 방향에 대하여 곡선으로 형성되고, 상기 전극의 축 방향 중심선에서 멀어질 수 있다.
상기 혼합기통로는, 상기 판부로부터 멀어질수록 직경이 커질 수 있다.
상기 파일럿 산화제 출구는, 상기 전극의 축 방향 중심선에 대하여 직교하는 방향으로 형성되어 상기 혼합기통로에 연결될 수 있다.
상기 혼합기통로는, 상기 전극 및 상기 접지부 사이에 원주 방향을 따라 복수로 형성될 수 있다.
상기 연료통로는, 상기 판부와 상기 접지부 사이에서, 상기 판부의 중심에서 직경 방향 외곽으로 가면서 곡선으로 형성될 수 있다.
상기 주 산화제통로는, 상기 판부와 상기 하우징 사이에 형성되는 제1 산화제통로, 및 상기 제1 산화제 통로의 내측 상기 판부에 복수로 형성되는 제2 산화제통로를 포함할 수 있다.
상기 제2 산화제 통로는, 상기 판부에 직경 방향을 따라 복수로 배치되고, 상기 판부에 원주 방향을 따라 복수로 배치될 수 있다.
상기 판부는, 상기 파일럿 버너 측에서, 상기 판부에 직경 방향으로 형성되고 원주 방향을 따라 상기 제2 산화제 통로와 교호적으로 설치되는 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 산화제통로는, 상기 판부의 두께 방향으로 관통 형성되며, 상기 판부의 원주 방향을 따라 곡선으로 형성될 수 있다.
상기 전극은, 상기 판부로부터 멀어질수록 상기 전극의 축 방향 중심선에 가까워지는 경사면으로 형성되고, 상기 접지부는 상기 전극을 수용하는 관체로 형성되며, 상기 혼합기통로는, 상기 판부로부터 멀어질수록 커질 수 있다.
상기 파일럿 산화제 출구는, 상기 경사면에 법선 방향으로 형성되어 상기 혼합기통로에 연결될 수 있다.
상기 파일럿 산화제 출구는, 상기 전극에 원주 방향을 따라 복수로 형성되고, 상기 경사면을 따라 복수로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 상기 반응로의 일측 중앙에 1개로 연결될 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 상기 반응로의 일측에 복수로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치는, 상기 반응로의 중앙에 연결되는 공정가스 관로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치는, 상기 공정가스 관로와 상기 반응로 사이에 설치되는 선회기를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은, 상기 반응로에 연결되는 추가 산화제통로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치는, 파일럿 버너부의 방전 개시로 상기 파일럿 버너부를 통과하는 산화제로 플라즈마를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 통과하는 연료와 산화제로 상기 플라즈마의 전방에서 파일럿 화염을 형성하여, 상기 파일럿 버너부의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 일측에 연결되어 상기 플라즈마 버너 반대측에 개방부를 형성하는 반응로, 및 상기 반응로 상에 관통 설치되어 상기 주 화염의 일측에 산화제를 보조로 공급하여 보조 화염을 형성하는 보조 산화제 공급부를 포함한다.
상기 플라즈마 버너는, 상기 반응로의 일측에 장착되는 하우징, 및 상기 하우징에 결합되어 상기 반응로에 연통되는 주 산화제통로 및 연료통로를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 장착하는 바디를 포함하며, 상기 바디는, 상기 하우징과 상기 반응로를 구획하는 판부, 상기 판부의 중앙에 연결되어 내부에 상기 연료통로를 형성하는 제1 중공축, 및 상기 제1 중공축에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로를 형성하여 접지되는 제2 중공축을 포함하며, 상기 파일럿 버너부는, 상기 제2 중공축 내에 삽입 배치되어 외표면을 상기 파일럿 산화제통로에 노출하여 고전압에 연결되는 전극을 포함한다.
상기 전극은, 상기 제2 중공축의 상기 파일럿 산화제통로의 출구와 제1 거리로 이격되고, 상기 제2 중공축의 출구는, 상기 제1 중공축의 출구와 제2 거리로 이격될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 버너로 주 화염을 형성하여 1차 농후 연소를 구현하고, 보조 산화제를 더 공급하여 2차 희박 연소를 더 구현하므로, NOx 발생량을 줄이는 효과가 있다.
본 실시예의 연소장치는 플라즈마 버너에 파일럿 버너부를 구비하고 파일럿 버너부에서 농후 분위기로 운전하여 수소를 발생하므로 수소로 1차 농후 연소의 안정을 구현할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연소장치에서, 플라즈마 발생을 위한 연속적인 방전 상태는 화염의 소염을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
본 실시예의 연소장치는 파일럿 버너부에서 농후 분위기로 운전하므로 1차 농후 연소를 보다 희박 분위기로 운전할 수 있으므로 NOx 발생량을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 개념도이다.
도 2은 도 1에 도시된 연소장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 연소장치의 우측면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 연소장치에서 파일럿 버너부의 상세도이다.
도 6은 도 5에 도시된 파일럿 버너부에서 혼합기통로의 배치도이다.
도 7은 도 4에 도시된 연소장치에서 주 산화제통로 및 연료통로의 배치도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 개념도이다.
도 10은 도 9의 좌측면도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 개념도이다.
도 12은 도 11의 좌측면도이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 단면도이다.
도 14는 연소장치에서 당량비와 NOx의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치(100, 이하에서 "연소장치"라 한다)의 개념도이고, 도 2은 도 1에 도시된 연소장치의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예의 연소장치(100)는 복수단, 예를 들면, 2단 연소, 즉 1차 농후 연소 후에 2차 희박 연소를 구현하며, 종래기술에 비하여, 초농후 및 초희박 연소를 가능케 하는 가연 한계(L2)를 가지고, NOx 발생량을 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 연소장치(100)는 공급되는 산화제(예를 들면, 공기 또는 산소)와 연료로 플라즈마를 발생시켜 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너(10), 플라즈마 버너(10)의 일측에 연결되어 주 화염에 의하여 1차 농후 연소(RB) 공간을 제공하는 반응로(20), 및 반응로(20)에 관통 설치되어 보조 산화제(산화제와 동일할 수 있음)를 공급하여 반응로(20) 내에서 보조 화염에 의하여 2차 희박 연소(LB)를 구현하는 보조 산화제 공급부(30)를 포함한다.
이와 같이 구성되는 연소장치(100)는 주 화염의 1차 농후 연소(RB)에서 발생되는 CO, H2, 및 HC와 같은 물질들, 즉 NOx로 환원될 물질들을 농후 연소(RB)에 이어지는 보조 화염의 희박 연소(LB)에서 2차로 연소시킴으로써, NOx 발생량을 줄일 수 있다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 버너(10)는 반응로(20)의 내측에 배치되어, 인가되는 고전압(HV)으로 방전을 개시하는 파일럿 버너부(PB)를 포함한다. 플라즈마 버너(10)는 파일럿 버너부(PB)의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여, 파일럿 화염(PF)를 형성하여, 반응로(20) 내에서 주 화염, 즉 1차 농후 연소(RB)를 구현하도록 형성된다.
파일럿 버너부(PB)의 방전에 의하여, 파일럿 버너부(PB)를 통과하는 연료 및 산화제는 플라즈마로 변화되어, 파일럿 버너부(PB)의 끝에 파일럿 화염(PF)을 형성한다. 파일럿 버너부(PB)를 통과하는 연료와 산화제의 비를 조절함으로써 농후 분위기에서 파일럿 화염(PF)이 형성될 수 있다. 주 산화제와 연료가 혼합되어 파일럿 화염(PF)에 접하면서 반응로(20) 내에서 주 화염, 즉 1차 농후 연소(RB)를 형성한다. 파일럿 화염(PF)은 1차 농후 연소(RB)의 소염을 방지하고 안정화를 구현한다.
이와 같이, 플라즈마 버너(10)는 플라즈마에 의한 파일럿 화염(PF)을 농후 분위기에서 형성할 수 있으므로 종래의 일반 버너를 사용하는 경우 화염이 안정화되지 않는 당량비에서도 1차 농후 연소(RB)를 안정적으로 유지할 수 있다. 즉 도 14에 도시된 바와 같이, 플라즈마 버너(10)에서 연료와 산화제의 비에 따른 가연 한계(L2)는 종래의 일반 버너에서 연료와 산화제의 비에 따른 가연 한계(L1)보다 더 넓게 형성된다.
반응로(20)는 연료와 산화제의 실질적인 연소 공간을 형성한다. 예를 들면, 반응로(20)는 원형 관체로 형성될 수 있다. 반응로(20)는 일측에 파일럿 버너부(PB)를 수용한 상태로 플라즈마 버너(10)에 연결되도록 장착구(22)를 형성하는 측벽(23), 및 측벽(23)의 반대측에 개방부(21)를 형성한다. 즉 반응로(20)는 플라즈마 버너(10) 측에 주 화염의 1차 농후 연소(RB)를 위한 공간을 형성하고, 개방부(21) 측에 보조 화염의 2차 희박 연소(LB)를 위한 공간을 형성한다.
보조 산화제 공급부(30)는 반응로(20) 내에서 주 화염의 1차 농후 연소(RB)의 일측에 산화제를 보조로 공급함으로써, 1차 농후 연소(RB)에 이어서, 보조 화염의 2차 희박 연소(LB)를 가능하게 한다. 보조 산화제 공급부(30)는 보조 산화제를 분사하는 인젝터로 형성될 수 있다.
또한, 보조 산화제 공급부(30)는 1개 또는 복수로 구비될 수 있으며, 예시된 바와 같이 2개로 구비될 수 있다. 복수로 구비되는 경우, 보조 산화제 공급부(30)는 반응로(20)의 둘레를 따라 등간격으로 배치되어, 반응로(20) 내에서 2차 희박 연소(LB)를 균일하게 형성할 수 있다.
보조 산화제 공급부(30)는 반응로(20)의 길이 방향(x축 방향)에 대하여 경사각(θ)를 가지고 경사지게 설치된다. 따라서 보조 산화제 공급부(30)에서 분사되는 보조 산화제는 보조 산화제 공급부(30)의 연장선 방향으로 분사되어 주 화염의 1차 농후 연소(RB)를 방해하지 않으면서 보조 화염의 2차 희박 연소(LB)를 개방부(21) 측으로 유도한다.
연소장치(100)에서, 플라즈마를 이용한 1차 농후 연소(RB) 및 2차 희박 연소(LB)를 거친 연소가스는 반응로(20)의 개방부(21)를 통하여 배출되며, 이때, NOx가 감소된 상태이다.
도 4는 도 2에 도시된 연소장치(100)의 우측면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하여, 플라즈마 버너(10)에 대하여 구체적으로 설명한다. 예를 들면, 플라즈마 버너(10)는 반응로(20)의 일측에 장착되는 하우징(11) 및 하우징(11)에 결합되는 바디(14)를 포함한다.
하우징(11)은 측벽(23)의 장착구(22)에 삽입되는 삽입부(111)와 하우징(11)의 외주에 연장 형성되는 플랜지(112)를 구비한다. 삽입부(111)가 장착구(22)에 삽입된 상태에서, 플랜지(112)는 측벽(23)의 외면에 밀착된다. 플랜지(112)와 측벽(23)은 체결볼트(113)에 의하여 체결된다. 따라서 플라즈마 버너(10)와 반응로(20)가 서로 연결된다.
바디(14)는 반응로(20)에 연통되는 주 산화제통로(12) 및 연료통로(13)를 형성하고, 파일럿 버너부(PB)를 장착하고 있다(도 3 참조).
도 5는 도 3에 도시된 연소장치(100)에서 파일럿 버너부(PB)의 상세도이다. 도 5를 참조하면, 바디(14)는 삽입부(111)의 내측에 위치하여 하우징(11)과 반응로(20)를 구획하는 판부(143), 판부(143)의 중앙에 연결되어 내부에 연료통로(13)를 형성하는 제1 중공축(141), 및 제1 중공축(141)에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로(41)를 형성하는 제2 중공축(142)을 포함한다.
즉 연료통로(13)는 산화제통로(12)와 파일럿 산화제통로(41) 사이에 구비된다. 따라서 연료통로(13)로 공급되는 연료는 파일럿 버너부(PB)에서 파일럿 산화제통로(41)로 공급되는 파일럿 산화제와 반응하여 파일럿 화염(PF)을 형성하고, 산화제통로(12)로 공급되는 산화제와 반응하여 1차 농후 연소(RB)를 형성할 수 있다. 파일럿 버너부(PB)로 공급되는 연료와 산화제의 비를 조절함으로써 파일럿 화염(PF)을 형성하는 연소 분위기가 농후로 조절될 수 있다.
파일럿 버너부(PB)는 파일럿 산화제통로(41)에 연결되는 파일럿 산화제 출구(42)를 형성하고 고전압(HV)에 연결되는 전극(43), 전극(43)의 외주에 이격 배치되어 전극(43)과의 사이에 혼합기통로(44)를 형성하는 접지부(45)를 포함한다. 혼합기통로(44)는 연료통로(13)와 파일럿 산화제통로(41)에 연결되며, 접지부(45)는 전기적으로 접지된다.
따라서 연료통로(13)에서 혼합기통로(44)로 연료가 공급되고, 파일럿 산화제통로(41)를 통하여 산화제가 공급되는 상황에서, 전극(43)에 고전압이 인가되면, 전극(43)과 접지부(45) 사이에서 방전이 개시된다. 이 방전에 의하여, 혼합기통로(44)를 진행하는 연료 및 산화제는 플라즈마로 변화되어, 전극(43)의 전방에 파일럿 화염(PF)을 형성한다.
혼합기통로(44)는 판부(143)로부터 멀어질수록 전극(43)의 축 방향(x 축 방향) 중심선(CL)에서 멀어져서 경사지게 형성된다. 즉 혼합기통로들(44)은 전극(43)의 중심선(CL)에서 확산되는 구조를 형성하여, 반응로(20) 내의 전극(43)의 전방에서 파일럿 화염(PF)의 확산을 가능하게 한다.
도 6은 도 5에 도시된 파일럿 버너부(PB)에서 혼합기통로(44)의 배치도이다. 도 6을 참조하면, 혼합기통로(44)는 전극(43)의 축 방향 중심선(CL)에 대하여 직교하는 직경 방향에 대하여 곡선으로 형성되고, 동시에 전극(43)의 중심선(CL)에서 멀어지는 구조로 형성된다. 즉 혼합기통로(44)는 전극(43)에서 중심선(CL)에 대하여 경사지고 전극(43)의 원주 방향에 접근하려는 곡선으로 형성된다. 따라서 혼합기통로(44)로 배출되는 플라즈마 및 파일럿 화염(PF)은 전극(43)의 전방에서 와류를 형성한다.
또한, 혼합기통로(44)는 판부(143)로부터 멀어질수록 직경이 커지는 구조로 형성된다. 따라서 혼합기통로(44) 내에서 변환 및 생성되는 플라즈마 및 파일럿 화염(PF)은 팽창하면서 넓어지는 혼합기통로(44)를 따라 배출되면서 주 화염의 1차 농후 연소(RB) 효율을 향상시킬 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 파일럿 산화제 출구(42)는 전극(43)의 축 방향(x축 방향) 중심선(CL)에 대하여 직교하는 직경 방향(y축 방향)으로 형성되어 혼합기통로(44)에 연결된다. 따라서 파일럿 산화제 출구(42)로 분사되는 파일럿 산화제는 혼합기통로(44)의 경사진 원주 방향을 따라 곡선으로 공급되면서, 방전 개시에 의하여 연료와 함께 플라즈마로 변화되며, 전극(43)의 전방에서 파일럿 화염(PF)을 형성한다. 이때, 파일럿 산화제 출구(42)는 파일럿 산화제의 배출력을 연료의 공급력에 더하여(연료의 공급력에 저항으로 작용하지 않고) 혼합기통로(44)를 통한 플라즈마 및 파일럿 화염(PF)의 효과적인 배출을 가능하게 한다.
도 4를 참조하면, 혼합기통로(44)는 전극(43)과 접지부(45) 사이에서 원주 방향을 따라 복수로 형성된다. 따라서 전극(43)의 전방에서 파일럿 화염(PF)이 균일하게 형성될 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 연소장치(100)에서 주 산화제통로(12) 및 연료통로(13)의 배치도이다. 도 7을 참조하면, 연료통로(13)는 판부(143)와 접지부(45) 사이에서, 판부(143)의 중심에서 직경 방향 외곽으로 가면서 곡선으로 형성된다. 따라서 연료통로(13)로 공급되는 연료는 판부(143)와의 사이에서 와류를 일으키면서 산화제와 함께 반응로(20) 내에서 접지부(45)의 외곽으로 공급된다.
산화제통로(12)는 판부(143)와 하우징(11) 사이에 원형으로 형성되는 제1 산화제통로(121), 및 제1 산화제통로(121)의 내측에서 판부(143)에 복수로 형성되는 제2 산화제통로들(122)을 포함한다. 제1 산화제통로(121)는 대량의 주 산화제를 공급한다. 제2 산화제통로(122)는 연료통로(13)의 인접측에 보조적으로 주 산화제를 공급하여, 연료통로(13)로 공급되는 연료와 1차로 혼합되고, 이어서 제1 산화제통로(121)로 공급되는 주 산화제에 혼합된다. 따라서 제1, 제2 산화제통로(121)로 공급되는 주 산화제는 연료통로(13)로 공급되는 연료와 혼합되어, 파일럿 화염(PF)에 접하면서 주 화염의 1차 농후 연소(RB)를 형성한다.
제2 산화제통로(122)는 판부(143)에 직경 방향을 따라 복수로 배치되고, 또한 판부(143)에 원주 방향을 따라 복수로 배치될 수 있다. 또한 제2 산화제통로(122)는 판부(143)의 두께 방향(도 3 및 도 5 참조)으로 관통 형성되며, 판부(143)의 원주 방향을 따라 곡선으로 형성된다(도7 참조). 따라서 제2 산화제통로(122)로 공급되는 보조 산화제는 와류를 일으키면서 연료와 혼합된다.
다시 도 4를 참조하면, 판부(143)는 파일럿 버너부(PB) 측에서, 판부(143)에 직경 방향으로 형성되고 원주 방향을 따라 제2 산화제통로(122)와 교호적으로 설치되는 격벽(145)을 포함한다. 격벽(145)은 제2 산화제통로(122)로 공급되는 산화제의 확산 범위를 제한함으로써 접지부(45)의 일측에 산화제 및 연료의 혼합기가 집중되거나 부족하게 되는 것을 방지하여, 파일럿 버너부(PB) 즉, 접지부(45)의 주변에 혼합기를 균일하게 안내할 수 있다.
파일럿 버너부(PB)는 연료와 파일럿 산화제의 비를 조절하여, 농후한 분위기로 운전할 수 있고, 농후 분위기로 운전하여 발생되는 수소는 주 화염의 1차 농후 연소(RB)의 안정화를 구현한다. 파일럿 버너부(PB)에서 농후 분위기로 운전하므로 반응로(20) 내의 주 1차 농후 연소(RB)는, 파일럿 버너부(PB)에서 희박 분위기로 운전하는 경우에 비하여, 상대적으로 더 희박 분위기로 운전할 수 있다. 따라서 NOx 발생이 저감될 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하며, 이하의 설명에서, 제1 실시예 및 기설명된 실시예의 구성과 동일한 부분에 대한 설명은 생략된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치(200)의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제2 실시예에 따른 연소장치(200)의 플라즈마 버너(210)에서, 전극(243)은 판부(143)로부터 멀어질수록 전극(243)의 중심선(CL)에 가까워지는 경사면(246)을 형성한다. 파일럿 산화제 출구(242)는 경사면(246)에 법선 방향으로 형성되어 혼합기통로(44)에 연결된다. 접지부(245)는 전극(243)을 수용하는 직선 관체로 형성되며, 혼합기통로(244)는 판부(143)로부터 멀어질수록 커지는 구조로 형성된다.
따라서 파일럿 산화제 출구(242)로 분사되는 파일럿 산화제는 혼합기통로(244)를 형성하는 접지부(245)의 내벽에 부딪히면서 와류를 일으키면서 연료통로(13)로 공급되는 연료와 혼합된다. 이때, 접지부(245)와 전극(243) 사이에서 방전이 개시되어 혼합기통로(244)의 전방으로 파일럿 화염(PF2)이 형성된다.
파일럿 산화제 출구(242)는 전극(243)에 원주 방향을 따라 복수로 형성되고, 경사면(246)의 경사 방향을 따라 복수로 형성될 수 있다. 복수의 파일럿 산화제 출구(242)는 경사면(246)에서의 위치에 따라 접지부(245)의 내면에 이르는 거리의 차이로 인하여, 혼합기통로(244)를 통하여 접지부(245)의 내면에 충돌되면서 다양한 와류를 형성할 수 있다.
제1, 제2 실시예에 따른 연소장치(100, 200)는 플라즈마 버너(10, 210)를 1개로 구비하여, 반응로(20)의 측벽(23) 중앙에 형성되는 장착구(22)에 장착한다. 따라서 파일럿 화염(PF, PF2)이 반응로(20)의 단면적 중심에 집중된다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치(300)의 개념도이고, 도 10은 도 9의 좌측면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제3 실시예에 따른 연소장치(300)에서, 플라즈마 버너(310)는 반응로(20)의 일측에 복수로 연결된다. 즉 플라즈마 버너(310)는 측벽(323)의 중심에 배치되고, 중심에서 이격된 위치에서 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다.
따라서 제3 실시예에 따른 연소장치(300)는 복수의 플라즈마 버너들(310)을 반응로(20)의 단면적에 대하여 등간격으로 배치한다. 따라서 파일럿 화염(PF)이 반응로(20)의 단면적 전체에 대하여 균일하게 형성된다.
즉 주 화염의 1차 농후 연소(RB)가 제1, 제2 실시예에 비하여 반응로(20)에서 더 균일한 분포를 형성할 수 있고, 이에 따라 보조 화염의 2차 희박 연소(LB)가 또한 효과적으로 진행될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치(400)의 개념도이고, 도 12은 도 11의 좌측면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제4 실시예에 따른 연소장치(400)는 반응로(20)의 일측 중앙에 연결되는 공정가스 관로(61)를 더 포함한다. 따라서 연소장치(400)는 공정가스 관로(61)로 공급되는 공정가스를 연소시킬 수 있다. 또한, 공정가스에 와류를 형성하도록 공정가스 관로(61)와 반응로(20) 사이에 선회기(62)가 설치된다.
플라즈마 버너(410)는 측벽(423)의 중심에서 이격된 위치에서 원주 방향을 따라 등간격으로 배치된다. 따라서 공정가스 관로(61)로 공급되는 공정가스를 둘러싸고 플라즈마 버너들(410)이 파일럿 화염을 형성하므로 공정가스를 효과적으로 처리할 수 있다. 선회기(62)는 공정가스를 주 화염의 1차 농후 연소(RB)에 강제로 혼합함으로써 공정가스의 처리 효과를 더 높일 수 있다.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치(500)의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제5 실시예에 따른 연소장치(500)에서, 플라즈마 버너(510)의 하우징(511)은 반응로(20)에 연결되는 추가 산화제통로(512)를 더 포함한다.
제1 실시예의 연소장치(100)는 플라즈마 버너(10)를 이용하여 1회의 농후 연소(RB)를 형성하고, 이어지는 희박 연소(LB)로 NOx 생성물을 줄인다.
제5 실시예의 연소장치(500)는 플라즈마 버너(510)를 이용하여 2회의 농후 연소(RB)를 형성하고, 이어지는 희박 연소(LB)로 NOx 생성물을 줄인다. 주 화염의 농후 연소(RB)는 2번의 제1, 제2 농후 연소(RB1, RB2)로 형성된다.
제1 농후 연소(RB1)는 제1 실시예에서와 같이, 파일럿 버너부(PB)의 파일럿 화염(PF)과 주 산화제통로(12) 및 연료통로(13)로 공급되는 산화제와 연료에 의하여 형성된다.
제2 농후 연소(RB2)는 추가 산화제통로(512)로 공급되는 추가 산화제를 제1 농후 연소(RB1)에 분사하여, 제1 농후 연소(RB1)에 포함된 연료 및 산화제를 추가로 연소시킨다.
따라서 플라즈마 버너(510)는 파일럿 화염(PF)을 이용하여 제1 농후 연소(RB1)를 농후 분위기로 운전하고, 추가 산화제통로(512)로 공급되는 추가 산화제를 통하여 제2 농후 연소(RB2)를 희박 분위기로 운전할 수 있다. 즉 플라즈마 버너(510)는 대용량의 연소장치(500)에 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 연소장치의 단면도이다.
도 15를를 참조하면, 제6 실시예에 따른 연소장치(600)는 플라즈마 버너(610) 및 파일럿 버너부(PB6)를 단순하게 구성한다.
제1 실시예의 파일럿 버너부(PB)는 방전 개시시, 파일럿 산화제 통로(41)로 공급되는 파일럿 산화제와 연료통로(13)로 공급되어 연료를 혼합기통로(44)에서 혼합하여, 즉 혼합된 연료와 파일럿 산화제로 플라즈마를 형성하고, 파일럿 프레임(PF)을 형성한다.
제6 실시예의 파일럿 버너부(PB6)는 방전 개시시, 파일럿 산화제 통로(641)로 공급되는 파일럿 산화제로 플라즈마를 형성하고, 연료통로(613)와 파일럿 산화제 통로(641)로 공급되는 파일럿 산화제로 플라즈마의 전방에서 파일럿 화염(PF6)을 형성한다.
따라서 플라즈마 버너(610)는 하우징(611)과 바디(614)를 포함하고, 바디(614)는 판주(743)와 제1, 제2 중공축(741, 742)를 포함한다. 판부(743)은 하우징(611)과 반응로(20)를 구획하하고, 제1 중공축(741)은 판부(743)의 중앙에 연결되어 내부에 연료통로(613)를 형성하며, 제2 중공축(742)는 제1 중공축(741)에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로(641)를 형성하고 전기적으로 접지된다.
파일럿 버너부(PB6)는 접지된 제2 중공축(742)과 제2 중공축(742) 내에 배치되는 전극(643)을 포함한다. 전극(643)은 파일럿 산화제통로(641)에 표면으로 노출되어 고전압(HV)에 연결된다.
전극(643)은 제2 중공축(742)의 파일럿 산화제통로(641)의 출구와 제1 거리(L61)로 이격되고, 제2 중공축(742)의 출구는 제1 중공축(741)의 출구와 제2 거리(L62)로 이격된다.
따라서 제2 중공축(742)을 접지하고 전극(643)에 고전압을 인가하면, 제2 중공축(742) 내부의 제1 거리(L61)에 해당하는 영역에서 파일럿 산화제에 의하여 플라즈마가 생성된다.
제2 중공축(742)에서 파일럿 산화제에 의하여 발생되는 플라즈마는 제1 중공축(741) 내부의 제2 거리(L62)에 해당하는 영역에서, 일반 연소기의 가연 한계를 벗어나는 과농 조건 및 과희박 조건인 경우에도, 파일럿 화염(PF6)의 소염을 방지한다. 따라서 파일럿 화염(PF6)은 반응로(20) 내에서 2차 화염(F2)의 과희박 연소를 가능하게 한다.
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.
10, 210, 310, 410, 510, 610 : 플라즈마 버너 11, 511, 611 : 하우징
12 : 주 산화제통로 13, 613 : 연료통로
14, 614 : 바디 20 : 반응로
21 : 개방부 22 : 장착구
23, 323, 423 : 측벽 30 : 보조 산화제 공급부
41, 641 : 파일럿 산화제통로 42, 242 : 파일럿 산화제 출구
43, 243, 643 : 전극 44, 244 : 혼합기통로
45, 245 : 접지부 61 : 공정가스 관로
62 : 선회기 100, 200, 300, 400, 500, 600 : 연소장치
111 : 삽입부 112 : 플랜지
121, 122 : 제1, 제2 산화제통로 141(741), 142(742) : 제1, 제2 중공축
143, 643 : 판부 145 : 격벽
246 : 경사면 512 : 추가 산화제통로
LB : 희박 연소 L1, L2 : 가연 한계
PB, PB6 : 파일럿 버너부 PF, PF2, PF6 : 파일럿 화염
RB : 농후 연소 RB1, RB2 : 제1, 제2 농후 연소
CL : 중심선 θ : 경사각

Claims (25)

  1. 파일럿 버너부의 방전 개시로 상기 파일럿 버너부를 통과하는 연료와 산화제로 플라즈마를 형성하고 상기 플라즈마로 파일럿 화염을 형성하여, 상기 파일럿 버너부의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너;
    상기 플라즈마 버너의 일측에 연결되어 상기 파일럿 버너부를 수용하여, 상기 플라즈마 버너 반대측에 개방부를 형성하는 반응로; 및
    상기 반응로 상에 관통 설치되어 상기 주 화염의 일측에 산화제를 보조로 공급하여 보조 화염을 형성하는 보조 산화제 공급부
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 버너는,
    상기 반응로의 일측에 장착되는 하우징, 및
    상기 하우징에 결합되어 상기 반응로에 연통되는 주 산화제통로 및 연료통로를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 장착하는 바디
    를 포함하며,
    상기 파일럿 버너부는,
    상기 파일럿 산화제통로에 연결되는 파일럿 산화제 출구를 형성하고, 고전압에 연결되는 전극, 및
    상기 전극의 외주에 이격 배치되어 상기 연료통로에 연결되고, 상기 파일럿 산화제통로의 출구에 연결되는 혼합기통로를 형성하여 접지되는 접지부
    는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 하우징과 상기 반응로를 구획하는 판부,
    상기 판부의 중앙에 연결되어 내부에 상기 연료통로를 형성하는 제1 중공축, 및
    상기 제1 중공축에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로를 형성하는 제2 중공축
    을 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  4. 삭제
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 혼합기통로는,
    상기 판부로부터 멀어질수록 상기 전극의 축 방향 중심선에 대하여, 멀어지도록 경사지게 형성되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 혼합기통로는,
    상기 전극의 축 방향 중심선에 직교하는 직경 방향에 대하여 곡선으로 형성되고, 상기 전극의 축 방향 중심선에서 멀어지는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 혼합기통로는,
    상기 판부로부터 멀어질수록 직경이 커지는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 파일럿 산화제 출구는,
    상기 전극의 축 방향 중심선에 대하여 직교하는 방향으로 형성되어 상기 혼합기통로에 연결되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 혼합기통로는,
    상기 전극 및 상기 접지부 사이에 원주 방향을 따라 복수로 형성되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 연료통로는,
    상기 판부와 상기 접지부 사이에서, 상기 판부의 중심에서 직경 방향 외곽으로 가면서 곡선으로 형성되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  11. 제3 항에 있어서,
    상기 주 산화제통로는,
    상기 판부와 상기 하우징 사이에 형성되는 제1 산화제통로, 및
    상기 제1 산화제 통로의 내측 상기 판부에 복수로 형성되는 제2 산화제통로
    를 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 산화제 통로는,
    상기 판부에 직경 방향을 따라 복수로 배치되고,
    상기 판부에 원주 방향을 따라 복수로 배치되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 판부는,
    상기 파일럿 버너 측에서, 상기 판부에 직경 방향으로 형성되고 원주 방향을 따라 상기 제2 산화제 통로와 교호적으로 설치되는 격벽
    을 더 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 산화제통로는,
    상기 판부의 두께 방향으로 관통 형성되며,
    상기 판부의 원주 방향을 따라 곡선으로 형성되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  15. 제3 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 판부로부터 멀어질수록 상기 전극의 축 방향 중심선에 가까워지는 경사면으로 형성되고,
    상기 접지부는 상기 전극을 수용하는 관체로 형성되며,
    상기 혼합기통로는,
    상기 판부로부터 멀어질수록 커지는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 파일럿 산화제 출구는,
    상기 경사면에 법선 방향으로 형성되어 상기 혼합기통로에 연결되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 파일럿 산화제 출구는,
    상기 전극에 원주 방향을 따라 복수로 형성되고,
    상기 경사면을 따라 복수로 형성되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    상기 반응로의 일측 중앙에 1개로 연결되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    상기 반응로의 일측에 복수로 연결되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 반응로의 중앙에 연결되는 공정가스 관로
    를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 공정가스 관로와 상기 반응로 사이에 설치되는 선회기
    를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 반응로에 연결되는 추가 산화제통로
    를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  23. 파일럿 버너부의 방전 개시로 상기 파일럿 버너부를 통과하는 산화제로 플라즈마를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 통과하는 연료와 산화제로 상기 플라즈마의 전방에서 파일럿 화염을 형성하여, 상기 파일럿 버너부의 외측으로 연료와 산화제를 공급하여 주 화염을 형성하는 플라즈마 버너;
    상기 플라즈마 버너의 일측에 연결되어 상기 플라즈마 버너 반대측에 개방부를 형성하는 반응로; 및
    상기 반응로 상에 관통 설치되어 상기 주 화염의 일측에 산화제를 보조로 공급하여 보조 화염을 형성하는 보조 산화제 공급부
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 버너는,
    상기 반응로의 일측에 장착되는 하우징, 및
    상기 하우징에 결합되어 상기 반응로에 연통되는 주 산화제통로 및 연료통로를 형성하고, 상기 파일럿 버너부를 장착하는 바디를 포함하며,
    상기 바디는,
    상기 하우징과 상기 반응로를 구획하는 판부,
    상기 판부의 중앙에 연결되어 내부에 상기 연료통로를 형성하는 제1 중공축, 및
    상기 제1 중공축에 삽입되어 내부에 파일럿 산화제통로를 형성하여 접지되는 제2 중공축을 포함하며,
    상기 파일럿 버너부는,
    상기 제2 중공축 내에 삽입 배치되어 외표면을 상기 파일럿 산화제통로에 노출하여 고전압에 연결되는 전극
    을 포함하는 플라즈마를 이용한 연소장치.
  24. 삭제
  25. 제23 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 제2 중공축의 상기 파일럿 산화제통로의 출구와 제1 거리로 이격되고,
    상기 제2 중공축의 출구는,
    상기 제1 중공축의 출구와 제2 거리로 이격되는
    플라즈마를 이용한 연소장치.
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