KR101203189B1 - 연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치는 연소로 내부로 주연료를 공급하는 1차연료 분사체; 상기 1차연료 분사체 주위로 적어도 하나 이상으로 배치되며, 그 선단이 상기 연소로의 내부에 진입하도록 배치되는 2차연료 분사체; 상기 연소로에서 발생한 연소가스를 상기 연소로에 재공급하는 재순환 유도부; 상기 1,2차연료 분사체로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이의 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부;를 포함한다.
본 발명은 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.

Description

연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치{Burner for generating reduced nitrogen oxide through forced internal recirculation of flue gas}

본 발명은 연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 적용한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것이다.

현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다. 주된 환경 오염원으로는 질소 산화물(NOx), 이산화탄소(CO₂) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.

기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2 의 화학식을 갖는 질소 산화물(NOx)의 생성이 불가피하다. 이의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다. 연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다. 특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.

질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx), 급속 질소산화물(Prompt NOx), 및 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 1600℃ 이상의 고온에서 반응하여 생성되는 것이고, 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소 초기에 생성되는 것이며, 연료 질소산화물은 연료 중에 함유된 질소 성분의 반응에 의해 생성된다. 이와 같은 질소 산화물의 대책에 있어서도 천연가스와 같은 기체연료에는 연료 중에 질소성분이 함유되어 있지 않기 때문에 Thermal NOx 및 Prompt NOx에 관련된 사항을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.

질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하였다.

이로 인해 현재 시도되고 있는 저 NOx 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR, selective catalytic reduction) 등이 있다. 최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거하는 재연소 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있다.

상기와 같이 NOx를 저감하기 위한 종래의 방법으로서, 대한민국공개특허 제10-2005-0117417호를 예로 들 수 있다. 상기 제10-2005-0117417호 상에서는 질소 산화물(NOx)의 발생량을 저감할 수 있게 하기 위하여 연소용 공기를 일반공기와 배가스를 혼합하여 3단계로 나누어 공급하되 각 단의 혼합비를 각각 다르게 함으로써, 다단 연소에 의한 국부고온역 생성을 최소화하고, 연소영역을 확장하여 보일러 내부의 균일가열을 이루기 위한, 액체 및 가스용 배가스 재순환 3단버너를 제공한다.

반면, 상기 인용문헌에서는 배기가스를 재순환시키기 위한 요소로서 복수의 배가스 공급관, 재순환덕트, 및 댐퍼 등의 별도의 장치들을 구비함으로써 배기가스를 연소로 내로 재유입되도록 하지만, 상기 연소로의 외부에 별도로 장치되어야 하므로 필요 공간이 많아진다는 단점이 있다.

대한민국공개특허 제10-2005-0117417호

이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 적용한 초저질소산화물 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 주연료를 공급하는 1차연료 분사체 및 보조 연료를 공급하는 2차연료 분사체로 이루어진 다단의 연료공급노즐구조를 통해 고효율 및 저공해 구조의 화염장을 형성하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치는 연소로 내부로 주연료를 공급하는 1차연료 분사체; 상기 1차연료 분사체 주위로 적어도 하나 이상으로 배치되며, 그 선단이 상기 연소로의 내부에 진입하도록 배치되는 2차연료 분사체; 상기 연소로에서 발생한 연소가스를 상기 연소로에 재공급하는 재순환 유도부; 상기 1,2차연료 분사체로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이의 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부;를 포함한다.

상기 재순환 유도부는 상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이에 배치되며, 상기 2차연료 분사체에 인접하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 2차연료 분사체는 상기 1차연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되며, 상기 2차연료 분사체는 그 반경 방향으로 연료를 분사하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 2차연료 분사체는 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하여 연료를 분사하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 2차연료 분사체는 교번적으로 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하여 연료를 분사하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 재순환 유도부는 상기 2차연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 분사 노즐은 상기 1차연료 분사체와 상기 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 1차연료 분사체와 상기 상기 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.

상기 1차연료 분사체는 공급되는 상기 주연료를 그 반경 방향으로 분사하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 1차 연료 분사체는 상기 연료공급부에 연결되는 균일 단면의 이송부 및 상기 이송부에 연결되는 확대부를 포함하고, 상기 확대부는 상기 연소로 방향으로 확개되는 형상인 것이 바람직할 수 있다.

상기 연소장치는, 상기 1차 연료 분사체의 선단에 배치되어 상기 1차 연료 분사체의 축방향과는 사선으로 공기가 공급될 수 있도록 하는 선회기;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 2차연료 분사체의 선단은 상기 1차연료 분사체의 선단에 비해 상기 연소로의 내부로 더 진입하여 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 1차연료 분사체는 상기 연소로 내부에 연료농후영역인 1차 공간을 형성하고, 상기 2차연료 분사체는 상기 1차 공간의 후단부에 연료희박영역인 2차 공간을 형성하여 다단 화염을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 2차연료 분사체는 6개 내지 12개가 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치는 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.

이처럼 내부 재순환 유도체의 형상을 최적화함에 의해 연소로 내의 연소가스가 외부 동력 없이 열 및 유체 역학적 유도 기술에 의해 흡입되는 산화제와 혼합되어 연소됨으로써 초저질소산화물 운전이 가능하게 한다.

또한, 별도의 동력 공급 장치를 요하지 않아 설치의 단순화를 가능하게 하는 동시에, 연소가스의 순환 효율을 증가하게 한다.

또한, 본 발명은 재순환 유도부를 거친 연소가스가 산화제와 함께 연소로 상에 재공급되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 안정된 화염을 이루도록 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성도,
도 2는 도 1의 연소장치를 연소로 내부에서 바라본 형태로서, 2차연료 분사체로부터 보조 연료가 분사되는 일 실시예를 보이는 도면,
도 3은 도 1의 연소장치를 연소로 내부에서 바라본 형태로서, 2차연료 분사체로부터 보조 연료가 분사되는 다른 실시예를 보이는 도면,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성도, 및
도 5는 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치의 내부 재순환 기술을 이용하여 질소산화물이 저감되는 정도를 보이는 그래프이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 초저질소산화물 연소장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 초저질소산화물 연소장치를 상세히 설명하기로 한다.

초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성 설명

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(100)의 전체적인 구성을 살핀다.

초저질소산화물 연소장치(100)는 연소로(1)의 전방에 형성된 개구부의 중앙에 배치되는 1차연료 분사체(10), 1차연료 분사체(10)를 둘러싸는 동시에 개구부 내측에 밀착하게 배치되는 2차연료 분사체(20), 1차연료 분사체(10)의 선단에 배치되는 선회기(30), 및 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이에 배치되는 재순환 유도부(40)를 포함한다. 상기 재순환 유도부(40)는 2차연료 분사체(20)에 인접하여 배치된다.

1차 연료 분사체(10)는 제 1 연료라인(51)에 연결되는 이송부(13) 및 상기 이송부(13)에 직접 연결되는 확대부(11)를 포함한다. 상기 이송부(13)는 주연료를 확대부(11)까지 안전하게 이송하기 위한 것으로서 내구성이 강한 재질로 제조하는 것이 바람직하고 직경이 균일하게 형성될 수 있다.

확대부(11)는 일 실시예로서 점점 그 직경이 확대되는 형상을 가질 수 있고공급된 주연료를 그 외주면을 통해 분사한다. 즉, 확대부(11)의 외주면에 형성된 분사홀(미도시)을 통해 확대부(11) 내로 진입한 연료가 연료 분사체(10,20) 사이의 내부 공간으로 방사상으로 분사된다(도 1의 도면부호 15 참조). 즉, 확대부(11) 내의 연료는 유입되는 산화제 상에 상기 확대부(11)의 반경 방향을 따라 분사된다.

2차연료 분사체(20)는 1차연료 분사체(10)를 중심으로 동일 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 구체적으로 6개 내지 12개의 2차연료 분사체(20)가 배치되고, 바람직하게는 8개의 2차연료 분사체(20)가 균등한 간격을 유지한 채 배치된다. 상기 2차연료 분사체(20)의 선단은 1차연료 분사체(10)의 선단과 비교하여 연소로(1)의 내부로 더 진입하여 배치된다. 상기 2차연료 분사체(20)의 선단 구조는 일 방향으로 기울어지게 경사각이 정해질 수 있다. 구체적으로는, 연소로(1)의 중심을 향하는 방향으로 점점 개구부(3)로부터 멀어지는 형태로 경사지게 정해질 수 있다.

2차연료 분사체(20)로부터 분사되는 연료는 상기 2차연료 분사체(20)의 반경 방향으로 분사될 수 있다. 상기 2차연료 분사체(20)는 그 축 방향이 아닌 반경 방향으로 보조 연료를 분사하게 함으로써 연소로(1) 내에 회전 유동을 발생하게 한다. 본 발명에서는 복수의 2차연료 분사체(20)가 배치되는 원주 상에서 시계 또는 반시계 방향으로 보조 연료가 방출되도록 할 수 있다(도 2의 도면 부호 25 또는 도 3의 도면 부호 25' 참조). 도면 상에서는 일례로서 시계 방향으로 분사되는 형태를 도시하고 있다.

본 발명에서 복수의 2차연료 분사체(20) 중 어느 하나로부터의 연료 분사 방향은 인접한 다른 2차연료 분사체(20)를 향하도록 설정된다(도 2 참조). 한편, 다른 실시예로서 복수의 2차연료 분사체(20) 중 어느 하나로부터의 연료 분사 방향은 교번적으로 인접한 다른 2차연료 분사체(20)를 향하도록 설정된다(도 3 참조). 도 3에서는 배열된 8개의 2차연료 분사체(20) 중 4개의 2차연료 분사체(20)에서만 연료가 분사되는 것을 도시하지만, 이는 분사 방향을 명확하게 표시하기 위한 것으로서 모든 2차연료 분사체(20)에서 연료가 분사되는 것으로 한다.

1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)는 공히 중공의 원통형 관으로서 구성된다. 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이의 공간으로는 산화제 공급부(80)로부터 산화제가 공급된다. 상기 산화제는 선회기(30)를 통해 축방향 또는 접선 방향 모멘텀이 형성된 상태로 연소로(1) 내부로 공급되거나 선회기(30)를 통함이 없이 직접적으로 연소로(1) 내로 공급된다.

상기 1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)에는 연료공급부(50)로부터 액체 연료가 1차연료(Main fuel)와 2차연료(2nd fuel)로 나뉘어져 공급된다. 연료공급부(50)로부터 필터(미도시)를 거쳐 불순물이 제거되고 펌프(미도시)에 의해 펌핑된 후에 제1라인(51)과 제2라인(52)으로 분기되어 연료 분사체(10,20)에 연결된다. 상기 라인들(51,52)에는 각각 솔레노이드 밸브(61,66)가 설치되어 1차연료(Main fuel)와 2차연료(2nd fuel)로 공급되는 액체연료를 적절히 공급 및 차단하도록 할 수 있다.

선회기(30)는 1차 연료 분사체(10)의 선단에 배치되어 1차 연료 분사체(10)의 축방향과는 사선으로 예혼합기가 공급될 수 있도록 한다. 더불어, 사선으로 공급되는 예혼합기는 선회 유동을 하며 와류의 발생을 가능하게 한다(도 2의 도면부호 32 참조). 상기의 기능을 구현하기 위하여 선회기(30)는 그 일 실시예로서 중공 원통 형상의 몸체와 상기 몸체 내부에 축 방향과는 사선으로 배치되는 날개 형상의 안내판을 구비할 수 있다. 상기 몸체의 내부로는 안내판의 일측단에 연결고정되는 중공 원통형의 삽입공(미도시)이 형성된다. 삽입공에는 1차연료 분사체(10)가 관통하여 고정됨으로써, 선회기(30)는 1차연료 분사체(10)의 선단부를 둘러싸도록 배치된다.

재순환 유도부(40)는 연소로(1)의 개구부(미도시) 상에서 2차연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41,Forced Internal recirculation sleeve), 내부 재순환 슬리브(41)로부터 연장되는 연결 가이드(43), 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45) 및 재순환 유도부(40)의 내부 하단에 경사지게 배치되는 경사부재(47)를 포함한다.

내부 재순환 슬리브(41)는 연소가스의 최초 유입부인 선단에서 후단으로 갈수록 개구부(3) 중심을 향하도록 경사지게 배치된다. 즉, 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로 갈수록 점점 내부 폭이 넓어진다. 연결 가이드(43)는 내부 재순환 슬리브(41)를 통해 유입된 연소가스의 완만한 유동을 가능하게 하는 것으로서 일정한 폭을 유지한다.

분사 노즐(45)은 내부 재순환 슬리브(41) 및 연결 가이드(43)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이의 공간으로 분사하게 한다. 분사된 연소가스는 산화제와 함께 연소로(1) 내부로 유동한다. 상기 분사 노즐(45)은 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치된다. 즉, 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시킴으로써 오리피스 형태의 구조를 구현한다. 상기와 같은 분사 노즐(45)의 배치 구조는 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이의 공간으로 공급되는 산화제의 유동 속도를 빠르게 함으로써 고속으로 연소로(1) 내로 유동하게 한다.

즉, 1차연료 분사체(10)와 분사 노즐(45) 사이의 공간이 좁아짐으로써 베르누이 정리에 의해서 산화제의 유속이 증가하게 된다. 이와 같은 구조를 통해 연소로(1) 내에서 발생하는 유동은 모멘텀의 증가를 가능하게 한다.

경사부재(47)는 연결 가이드(43)와 분사 노즐(45)의 경계선 상에 배치되는 구조체로서 연소가스가 유동할 수 있는 폭을 조절하여 결과적으로 유속을 조절하게 된다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(200)의 전체적인 구성을 살핀다.

이하에서는 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(100)와 비교하여 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고 상이한 부분에 대해서 중점적으로 설명한다.

초저질소산화물 연소장치(200)는 제 1 실시예(100)와 동일하게 연소로(1)의 전방에 형성된 개구부의 중앙에 1차연료 분사체(10')가 배치된다. 상기 1차연료 분사체(10')는 원통 형상의 구조체로서 그 상단부를 통해 연료가 분사된다(도 3의 도면부호 15 참조). 한편, 분사되는 연료는 1차연료 분사체(10')의 내부 가장자리를 따라 분사될 수 있다.

상기 제 2 실시예에 따른 저질소산화물 연소장치(200)는 1차연료 분사체(10')를 통해 공급되는 연료가 직접적으로 1차 공간(72)에 공급될 수 있다는 점에서 제 1 실시예(100)와는 다소 차이가 있을 뿐, 다단으로 연료 및 산화제를 공급한다는 점 및 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 다시 상기 연소로(40)로 재공급한다는 점에서는 그 핵심적인 기술적 특징을 공유한다.

초저질소산화물 연소장치의 다단 연소 과정 설명

다음으로는 도 1,2를 다시 참조하여, 본원 발명의 다단 연료 연소 과정에 대해서 설명한다.

먼저, 산화제 공급부(80)를 통해 산화제를 공급한다. 이와 동시에 연료공급부(50)로부터 연료가 제 1 연료라인(51)을 거쳐 1차 연료 분사체(10)로 공급된다.

1차 연료 분사체(10) 내를 유동하는 주연료는 확대부(11)의 외주면을 통해 반경 방향으로 분사되는 과정을 거치는데, 상기와 같이 분사된 주연료는 산화제와 반응하여 예혼합 영역(78)을 형성한다. 여기에서, 상기 확대부(11)는 연소로(1) 방향으로 향할수록 확개되는 형상을 가지므로 분사되는 연료가 넓은 부위에 걸친 예혼합 영역(78)을 형성할 수 있게 한다.

예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 선회기(30)를 통해 연소로(1)에 방출되어 1차 공간(72)을 형성한다. 1차 공간(72)에 공급되는 공기를 분석하면 다음과 같다. 예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 선회기(30)를 통해 축방향 모멘텀(Axial momentum) 및 접선 방향 모멘텀(Tangential momentum)을 가진 상태로 연소로(1) 내로 전달된다. 상기의 과정에서 재순환 유도부(40)를 거친 연소가스가 예혼합기와 함께 1차 공간(72)에 공급된다. 즉, 예혼합기 및 연소가스가 1차 공간(72)에 유입되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 안정된 화염을 이루도록 한다. 1차 공간(72)은 약 50% 이상의 연료가 분사되어 연소하는 주 화염 공간 영역이다.

다음으로는, 연료공급부(50)로부터 연료가 제 2 연료라인(52)을 거쳐 2차 연료 분사체(20)로 공급된다. 2차 연료 분사체(20)를 통해 1차 공간(72)의 상부 측으로 분사되는 보조연료는 1차 공간(72)에서 미반응된 산화제와 반응하는 과정을 통해 2차 공간(74)을 형성한다. 1차 공간(72)에서의 가연성 가스 중 일부는 선회기(30) 외곽으로 공급되는 예혼합기와 혼합되어 1차화염의 후류로 이동하여 연료 희박상태의 화염을 구성하게 된다. 상기 연료 희박상태의 화염이 2차 공간(74)을 형성하게 된다.

상기와 같이, 본 발명은 1차 연료 분사체(10)의 반경 방향을 따라 분사되는 주연료가 산화제와 예비 혼합되어 예혼합 영역(78)을 형성하고, 상기 예혼합 영역(78)으로부터 연소로(1) 내에 공급된 예혼합기가 1차 공간(72)을 형성하고, 1차 공간(72)의 후단으로 2차 연료 분사체(20)로부터 보조 연료를 분사하여 최종 화염의 형태를 이루도록 한다.

상기와 같이, 연소로(1) 내에는 1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)에 의해 분사되는 연료에 의해 다단 화염 공간이 형성된다. 상기 1차 공간(72)의 후단부에는 2차 공간(74)이 만들어진다. 2차 공간(74)은 연소로(1)의 내부 측으로 더 진입한 공간에 1차 공간(72)을 둘러싸는 형태로 형성된다.

한편, 상기 1,2차 공간(72,74)을 포함하는 다단 화염 공간과 별도로 연소로(1) 내에는 자기 재순환 영역(76)이 형성된다. 상기 자기 재순환 영역(76)은 연소로(1)의 내측 모서리 영역에 형성되는 것으로 와류 형태로 연소가스가 유동할 수 있다.

1차연료 분사체(10)에서 분사된 연료는 연소로(1) 내에서의 다단 공기유동에 의해 안정적인 연료농후영역인 1차 공간(72)을 형성하게 되고 2차연료 분사체(20)에서 분사된 연료는 1차연료 분사체(10)의 1차 화염에서 전달된 열에 의한 분위기 온도와 잔류 산소에 의해 부분적인 산화 반응을 하게 되어 여러 가연성 가스 종으로 전환되어 화염 후류에서 연료희박상태의 화염공간인 2차 공간(74)을 구성하게 된다. 따라서, 상기 연료농후영역과 연료희박영역을 포함한 연소로 내에서 다단으로 구성된 화염 상태가 명확히 구분되어 조성된다.

이러한 원리가 적용된 초저질소산화물 연소장치(100)의 화염은 기본적으로 연료 농후와 연료 희박영역이 명확하게 구분된 형태로서, 화염 내 국부적인 고온영역을 최소화하여 Thermal NOx 생성을 최대한 억제하게 된다. 더불어, 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)에서 발생한 연소가스가 별도의 동력을 요함이 없이 산화제와 함께 연소로(1)에 재유입되어 반응함으로써 연료 중 질소 성분의 산화에 의한 Fuel NOx 생성을 원천적으로 저감할 수 있다.

도 4는 본 발명인 초저질소산화물 연소장치(100)를 적용하여 전체 부하에 따른 질소산화물의 발생 정도를 보이는 그래프로서, 가로축 방향으로는 15MW를 최대치로 하는 부하를 나타내게 하고, 세로축 방향으로는 ppm 단위를 기준으로 한 질소산화물 발생정도를 나타낸다.

본 발명인 초저질소산화물 연소장치(100)을 적용한 실험 결과는 내부 재순환(Forced Internal recirculation) 기술을 적용한 것으로서 도 2의 그래프 상에서 하부 측에 위치하는데, 평균적으로 14.2ppm 정도의 질소산화물의 발생을 보인다. 한편, 내부 재순환 기술이 적용되지 않은 종래의 실험 결과는 도 2의 그래프 상에서 상부 측에 위치하는데, 평균적으로 45ppm 정도의 질소산화물의 발생을 보인다. 종합하면, 본 발명은 종래의 기술에 비해 약 68% 정도의 질소산화물의 발생 저감을 보이는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명인 초저질소산화물 연소장치는 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.

본 발명에서는 연소로 내에 분사되는 주연료를 연료 분사체의 축방향으로 분사하는 것이 아니라 반경 방향으로 분사하는 방식을 통하여 예혼합기를 형성하고, 형성된 상기 예혼합기를 갖고 예혼합 화염 형태의 초기화염을 형성함으로써 기존의 연료다단연소기에서 확산화염형태의 초기화염에서 형성되던 고온 반응영역을 제거할 수 있다.

더불어, 본 발명은 재순환 유도부를 거친 연소가스가 산화제와 함께 연소로 상에 재공급되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 안정된 화염을 이루도록 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

1 : 연소로
10 : 1차연료 분사체
20 : 2차연료 분사체
30 : 선회기
40 : 재순환 유도부
41 : 내부 재순환 슬리브
43 : 연결 가이드
45 : 분사 노즐
47 : 경사부재
50 : 연료 공급부
51 : 제 1 연료라인
52 : 제 2 연료라인
61,66 : 솔레노이드 밸브
72 : 1차 공간
74 : 2차 공간
76 : 재순환 영역
78 : 예혼합 영역
80 : 산화제 공급부
100: 초저질소산화물 연소장치

Claims (13)

1. 연소로 내부로 주연료를 공급하는 1차연료 분사체;
   상기 1차연료 분사체 주위로 적어도 하나 이상으로 배치되며, 그 선단이 상기 연소로의 내부에 진입하도록 배치되는 2차연료 분사체;
   상기 연소로에서 발생한 연소가스를 상기 연소로에 재공급하는 재순환 유도부;
   상기 1,2차연료 분사체로 연료를 공급하는 연료공급부; 및
   상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이의 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부;
   를 포함하며,
   상기 2차연료 분사체는 상기 1차연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되며, 상기 2차연료 분사체는 그 반경 방향으로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 재순환 유도부는 상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이에 배치되며, 상기 2차연료 분사체에 인접하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 2차연료 분사체는 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하여 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 2차연료 분사체는 교번적으로 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하여 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 재순환 유도부는 상기 2차연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 분사 노즐은 상기 1차연료 분사체와 상기 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 1차연료 분사체와 상기 상기 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 1차연료 분사체는 공급되는 상기 주연료를 그 반경 방향으로 분사하는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 1차 연료 분사체는 상기 연료공급부에 연결되는 균일 단면의 이송부 및 상기 이송부에 연결되는 확대부를 포함하고, 상기 확대부는 상기 연소로 방향으로 확개되는 형상인 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소장치는,
    상기 1차 연료 분사체의 선단에 배치되어 상기 1차 연료 분사체의 축방향과는 사선으로 공기가 공급될 수 있도록 하는 선회기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차연료 분사체의 선단은 상기 1차연료 분사체의 선단에 비해 상기 연소로의 내부로 더 진입하여 배치되는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차연료 분사체는 상기 연소로 내부에 연료농후영역인 1차 공간을 형성하고, 상기 2차연료 분사체는 상기 1차 공간의 후단부에 연료희박영역인 2차 공간을 형성하여 다단 화염을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차연료 분사체는 6개 내지 12개가 형성되는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.

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