KR101411623B1

KR101411623B1 - 버너의 연소 방법

Info

Publication number: KR101411623B1
Application number: KR1020127025310A
Authority: KR
Inventors: 토모유키 하네지; 키미오 이이노; 야스유키 야마모토; 요시유키 하기하라
Original assignee: 타이요 닛폰 산소 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2014-06-25
Also published as: EP2543929A1; TWI484124B; CN102834667A; US20120328994A1; US9157631B2; WO2011108351A1; TW201144701A; EP2543929A4; KR20130025378A; EP2543929B1; JP2011179751A; MY156615A; JP5451455B2; CN102834667B

Abstract

NOx의 절감 효과를 발휘하는 실용적으로 가치 있는 버너의 연소 방법 및 장치를 제공한다. 가열로에서의 버너의 연소 방법이며, 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시킴과 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주는 것에 의해서, 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율에 주기적 변화를 발생시켜 상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화에 차이를 두는 것에 의해, 연소 상태가 주기적인 진동 상태로 되는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법을 채용한다.

Description

버너의 연소 방법{Method for Burning Burner}

본 발명은 버너의 연소 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2010 년 3 월 1일 일본에 출원된 특허출원 2010-044262 호에 근거하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.

지구 환경 문제가 크게 크로즈 업(close-up) 되는 현재로서, 질소 산화물(NOx) 절감은 중요 과제의 하나이며 시급하다. NOx 절감 방법으로는 발생 억제에 관한 기술이 중요하며, 배기 가스 재순환, 희박(希簿)연소, 농담(濃淡)연소, 다단 연소 등을 들 수 있고, 산업용에서 민생용에 이르기까지 널리 응용되고 있다. 이러한 기술을 적용한 저(低)NOx 연소기에 의해 어느 정도 NOx 대책은 진전되어 왔지만, 보다 효과적인 NOx 절감 방법이 더욱 요구되고 있다.

종래부터 연구개발이 진행되어 오고 있던 NOx 절감 방법의 하나로 연료, 산화제로 되는 공기 등의 유량을 주기적으로 변화시켜 일종의 시간적인 농담(濃淡)연소를 하는 방법(이하, 강제 진동 연소라 한다)이 있으며, 제안되어 왔다(특허문헌1 ~ 6 참조).

이들은 연료 유체 또는 산화제 유체 중의 한쪽 또는 연료 유체 및 산화제 유체 양쪽의 공급 유량을 변화시키는 것으로, 연소 화염의 화학 량론(量論) 비율을 변화시켜 연료 과농(過濃)연소 및 연료 희박 연소를 교대로 형성하는 것으로 연소 가스 중의 NOx의 절감을 실현하고 있다.

또한, 특허문헌 7에는 산화제로서 순수산소를 이용하는 것으로, 고농도인 경우의 맥동(脈動)연소, 이른바, 강제 진동 연소를 이용한 질소 산화물의 절감 방법 및 그 방법을 실현하기 위한 장치에 대해 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 유럽특허 제 0046898 호 명세서 특허문헌 2 : 미국특허 제 4846665 호 명세서 특허문헌 3 : 일본특허공개 평 6-213411 호 공보 특허문헌 4 : 일본특허공개 2000-171005 호 공보 특허문헌 5 : 일본특허공개 2000-1710032 호 공보 특허문헌 6 : 일본특허공개 2001-311505 호 공보 특허문헌 7 : 일본특허공개 평 5-215311 호 공보

그러나, 발명자들이 이러한 선행기술에 의한 NOx 절감 효과를 확인하기 위해 추가 시험을 실시한 결과, 상기 선행기술의 어딘가에는 NOx 절감 효과가 인정되었지만, 실용적으로 가치(價値) 있는 절감 효과는 얻을 수 없는 것을 알았다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래와 비교하여 대폭적인 NOx 절감 효과를 발휘하는 실용적으로 가치 있는 버너의 연소 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본원 발명자들은 실용적으로 가치 있는 NOx 절감 방법의 개발에 열심히 노력한 결과, 버너에 공급되는 연료 유체의 유량 또는 산화제 유체의 유량 중, 적어도 한쪽에 주기적인 변화를 일으키는 동시에, 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의해 강제 진동 연소하는 것으로, 종래보다도 대폭적으로 NOx 절감 효과가 발현되는 것을 목격했다.

즉, 청구항 1에 관한 발명은, 가열로에서의 버너의 연소 방법이며, 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시킴과 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주는 것에 의해서, 공급 산소량을 이론상 필요 산소량으로 나눈 산소 비율로 주기적인 변화를 발생시켜 상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적인 변화에 차이를 두는 것에 의해, 연소 상태가 주기적인 진동 상태로 되는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법이다.

청구항 2에 관한 발명은, 상기 연료 유체의 유량의 주기적 변화와, 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 두는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 3에 관한 발명은, 상기 산소 비율의 주기적인 변화의 주파수가 20㎐ 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 버너의 연소 방법.

청구항 4에 관한 발명은, 상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 O.02㎐ 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 3 중의 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.

청구항 5에 관한 발명은, 주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차가 O.2 이상이고, 1 주기에서의 상기 산소 비율의 평균치가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 6에 관한 발명은, 상기 산소 비율 및 상기 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 7에 관한 발명은, 상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 8에 관한 발명은, 상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화의 위상차가 π인 것을 특징으로 하는 청구항 7에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 9에 관한 발명은, 상기 연료 유체의 유량 및 상기 산소 비율의 주기적인 변화가 동일한 주파수이고, 상기 연료 유체의 유량의 주기적 변화와 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 10에 관한 발명은, 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상차가 π인 것을 특징으로 하는 청구항 9에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 11에 관한 발명은, 상기 산화제 유체가 산소와 공기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 12에 관한 발명은, 상기 산화제 유체가 산소와 연소 배기 가스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 10중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법이다.

청구항 13에 관한 발명은, 산소가 실질적으로 순수 산소인 것을 특징으로 하는 청구항 11 또는 청구항 12에 기재된 버너의 연소 방법이다.

본 발명에 의해 NOx를 대폭적이면서 확실하게 절감할 수 있는 연소 방법을 얻을 수 있다. 본 발명은 새로운 가열로를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존에 설치된 가열로에서의 연소 버너에도 적용하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시형태인 연소 장치를 나타내는 도면의 일례이다.
도 2는 본 발명의 실시형태의 산소 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 나타내는 도면의 일례이다.
도 3은 본 발명의 실시형태의 산소 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 나타내는 도면의 일례이다.
도 4는 본 발명의 실시형태의 연료 유량, 산소유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 나타내는 도면의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 NOx 농도의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 CO 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 비율과 NOx 농도의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 비율과 CO 농도의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 농도의 상한치와 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에서의 연료 유량과 NOx 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 비율과 산소 농도의 위상 차와 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 적용한 일 실시형태인 버너의 연소 방법에 대하여 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 사용하는 도면은 특징을 알기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 표시하는 경우가 있고, 각 구성요소의 치수비율이 실제와 같다고는 할 수 없다.

<연소 장치>

본 발명의 실시 형태에 이용된 연소 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 가열로(2) 내에 연소 화염(3)을 형성하는 버너(4)와, 버너(4)와 연결된 연료 유체를 공급하는 연료 공급 배관(5)과, 버너(4)와 연결된 산화제 유체를 공급하는 산화제 공급 배관(6)과를 구비하고 있다. 또한, 산화제 공급 배관(6)은 상류에서 산소 공급배관(7)과 공기 공급 배관(8)과로 분기한 구성으로 되어 있다.

또한, 연료 공급 배관(5), 산소 공급 관(7) 및 공기 공급 배관(8)에는 각각 공급되는 유체의 흐름에 강제적으로 진동을 가하는 강제 진동 수단(50, 70, 8O)이 설치되어 있다.

여기서, 유체의 흐름에 강제적으로 진동을 가한다는 것은, 유체의 유량을 주기적으로 조정하는 것을 가리키고, 강제 진동수단이란 구체적으로는 각 공급 배관(5, 7, 8)에 설치된 개폐 밸브(51, 71, 81) 및 개폐 밸브를 제어하는 제어 기구(52, 72, 82)로 이루어지는 컨트롤 유니트를 가리킨다.

연료 공급 배관(5)에 의해 공급되는 연료는, 버너(4)의 연료로 적합한 것이라면 어떤 것이라도 상관없으며, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)등을 들 수 있다.

산소 공급 배관(7)에서는 산소가 공급되지만, 이 산소는 반드시 순수 산소일 필요는 없고, 후술하는 산소 농도와의 관계에서 적절히 원하는 것을 사용하면 좋다.

공기 공급 배관(8)에서는 공기가 공급되지만, 공기로서 대기 중에서 채취한 공기 이외에, 연소 배기 가스를 사용할 수도 있다. 연소 배기 가스를 사용한 경우는, 산소 농도를 21%(공기 중의 산소 농도) 미만으로 낮출 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 연소 장치(1)는, 가열로(2) 내의 상황에 적시에 대응하기 위해 가열로(2) 내에는 각종의 감지기(미 도시)가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 더우기, 해당 감지기에 의해서 검출된 데이터를 바탕으로 가열로(2) 내의 분위기 상황을 파악하여 자동적으로 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량, 강제 진동의 주기 등을 적절히 변경하는 시퀀스 프로그램을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

<산화제 유체의 유량 및 산화제 유체 내의 산소 농도>

이어서, 산화제 유체의 유량 및 산화제 유체 중의 산소 농도에 대해 설명한다.

또한, 이하의 설명에서는 편의상 산소 공급 배관(7), 공기 공급 배관(8) 및 연료 공급 배관(5)에서는 각각 순수산소, 공기(산소 농도는 약 21 %) 및 액화 천연 가스(LNG)가 공급되는 것으로 하여 설명한다.

본 실시 형태에서는, 산화제 유체는 순수 산소 및 공기로 구성되어 있다. 그리고, 강제 진동 수단(7O, 80)에 의해 산소 공급 배관(7)에서 공급되는 순수 산소의 유량과 공기 공급 배관(8)에서 공급되는 공기의 유량의 일방 또는 쌍방이 시간의 흐름에서 보아, 주기적으로 변화하도록 제어되고 있다.

순수 산소의 유량 및 공기의 유량은, 산화제 유체 중의 산소 농도가 주기적으로 변화하고 있는 것이면, 어떻게 제어되고 있어도 상관없다. 또한, 순수 산소의 유량 및 공기의 유량의 합(즉, 산화제 유체의 유량)은, 일정하거나, 주기적으로 변화하고 있어도 상관없다.

산화제 유체의 유량을 일정하게 하는 경우는, 예를 들어, 도 2에 나타낸 바와 같이, 순수 산소의 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 동일 파형, 동일 변동폭으로 하여 위상 차를 π로 하면 좋다. 이렇게 구성하면 순수 산소의 유량과 공기의 유량의 증감은 상쇄되므로 버너(4)에 공급되는 산화제 유체의 유량은 일정하게 제어되게 된다.

또한, 이 경우는 순수 산소 및 공기 유량의 최소값은 모두 O이 되도록 제어되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제어함에 따라서 산화제 유체 중의 산소 농도를 약 21% ~ 100%의 범위에서 변화시키는 것이 가능하게 된다.

즉, 산화제 유체 중에 차지하는 순수 산소의 유량이 0인 경우, 산화제 유체의 산소 농도는 공기의 산소 농도와 동일하게 되고, 산소 농도는 약 21%로 된다. 반대로 산화제 유체 중에 차지하는 공기의 유량이 O인 경우는 산화제 유체는 순수 산소만으로 구성되는 것으로 되고, 산소 농도는 100%로 된다.

또한, 산화제 유체의 유량을 일정하게 하는 경우는 연료 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 것으로 된다.

한편, 산화제 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 경우는, 예를 들어 도 3에 나타낸 바와 같이, 공기를 일정량으로 공급하면서 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키면 좋다. 이 경우는, 순수 산소의 유량이 최대가 될 때에 산화제 유체 중의 산소 농도는 최대로 되고, 순수 산소의 유량이 최소가 될 때에 산화제 유체 중의 산소 농도는 최소로 된다.

예를 들어, 순수 산소 유량의 최대값을 공기의 유량과 같게 되도록 하고, 최소값을 O이 되도록 제어하면 산화제 유체 중의 산소 농도는 약 21% ~ 약 61%의 범위에서 주기적으로 변화하게 된다. 즉, 순수 산소의 유량이 최대 일 때는 순수 산소와 공기의 유량 비율이 1 대 1이 되고, 산화제 유체 중의 산소 농도는 약 61%로 된다. 또한, 순수 산소의 유량이 최소로 될 때는 산화제 유체는 공기만으로 구성되는 것으로 되고, 산소 농도는 약 21%로 된다.

또한, 산화제 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 방법으로서, 공기의 유량을 일정하게 하고, 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키는 방법에 대해 설명했지만, 순수 산소의 유량을 일정하게 하여 공기의 유량을 주기적으로 변화시켜도 좋고, 또한, 양쪽의 유량을 주기적으로 변화시켜도 상관없다.

<연료 유체의 유량>

또한, 본 실시 형태의 연료 유체의 유량은, 산화제 유체의 유량을 획기적으로 변화시키고 있는 경우에는 일정하거나 주기적으로 변화하고 있어도 상관없다.

<산소 비율>

이어서, 산소 비율에 대해 설명한다. 여기서 산소 비율이란, 산화제 유체로서 버너(4)에 공급되는 공급 산소량을 버너(4)에 공급되는 연료 유체를 연소시키는 데 필요한 이론 필요 산소량으로 나눈 값을 말한다. 따라서, 이론적으로는 산소 비율 1.0 상태가 산소를 과부족 없이 사용하여 완전 연소하는 것이 가능한 상태라고 할 수 있다.

또한, LNG의 연소에서의 이론상 필요 산소량은, LNG 조성에도 의존하지만, 몰(mol) 비율로 하여, 대략 LNG의 2.3배이다.

본 실시 형태에서는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽이 주기적으로 변화하고 있고, 또한, 산화제 유체 중의 산소 농도도 주기적으로 변화하고 있기 때문에 산소 비율도 주기적으로 변화하고 있다.

예를 들어, 산화제 유체의 유량을 일정하게 하고, 도 2에 나타낸 바와 같이 순수 산소 유량 및 공기 유량에 주기적 변화(산소 농도 : 약 21% ~ 100%)를 둔 경우, 연료 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 것으로 된다. 이 경우는, 산화제 유체의 유량을 1이라 하고, 연료 유체(LNG)의 유량을 0.05 ~ 0.65의 범위에서 주기적으로 변화시키면 산소 비율은 0.14 ~ 8.7의 범위에서 주기적으로 변화한다.

또한, 산화제 유체의 유량이 주기적으로 변화하고 있는 경우는 연료 유체의 유량을 일정하게 하는 것이 가능하게 된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 공기 유량이 일정하고, 순수 산소 유량이 주기적으로 변화하고 있는 경우(산소 농도: 약 21% ~ 61%), 예를 들면, 산화제 유체의 유량을 1 ~ 2 범위로 변화시켜 연료 유체(LNG)의 유량을 0.3으로 공급하면 산소 비율은 0.3 ~ 1.75 범위에서 주기적으로 변화한다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 산화제 유체의 유량과 연료 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 것에 의해, 산화제 중의 산소 농도와 산소 비율을 주기적으로 변화시키는 동시에, 연소 부하(로 내로 투입하는 열량)를 변화시키는 것이 가능하게 된다.

예를 들어, 연료 유체의 유량을 0.5 ~ 1.5의 범위에서 변화시켜 산소의 유량을 1.2 ~ 1.7, 공기의 유량을 0 ~ 9.2 범위에서 변화시켜서 공급하면 산소 비율은 0.5 ~ 2.7의 범위에서 주기적으로 변화하고, 산소 농도는 30 ~ 100%의 범위에서 주기적으로 변화한다.

또한, 산소 비율의 주기적 변화와 산소 농도의 주기적 변화에 차이가 발생하도록 연료 유체, 순수 산소 및 공기의 유량은 강제 진동 수단에 의해 적절히 제어되고 있다.

여기서, 산소 비율의 주기적 변화와 산소 농도의 주기적인 변화의 차이를 둔다는 것은, 파형, 주파수, 위상이 완전히 일치하는 경우 이외라는 의미이다. 즉, 산소 비율 및 산소 농도의 파형이 모두 정현파이고, 동일 주파수라고 하더라도 위상에 차이가 발생하고 있는 것이라면 주기적인 변화에 차이를 둔 것으로 된다.

또한, 산소 비율의 주기적 변화의 주파수는 크면, NOx의 절감 효과가 충분하게 인지(認知)할 수 없게 되기 때문에 20㎐ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 반대로 너무 작으면, CO의 발생량이 증대하기 때문에 0.02㎐ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 산소 비율의 상한과 하한의 차가 작으면, NOx의 절감 효과가 충분하게 인지할 수 없게 되기 때문에 산소 비율의 상한과 하한의 차는, 0.2 이상인 것이 바람직하다. 또한, 산소 비율의 상한과 하한의 차는 5.5 이하인 것이 바람직하다.

또한, 산소 비율의 1주기에서의 시간 평균값은, 작으면 연료 유체가 불완전 연소 되기 때문에 1.0 이상인 것이 바람직하고, 1.05 이상인 것이 더 바람직하다. 또한, 평균값은 1.5 이하인 것이 바람직하다.

또한, 산소 비율의 주기적인 변화와 산화제 유체 중의 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것이 바람직하다. 그리고, 동일 주파수라면 양자의 위상 차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위인 것이 바람직하고, π인 것이 더 바람직하다. 더욱이, 연료 유체의 유량과 산소 비율 및 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것이 바람직하다. 그리고, 동일 주파수라면 연료 유체의 유량의 주기적 변화와 산소 비율의 주기적 변화의 위상 차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위인 것이 바람직하고, π인 것이 더 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 실시 형태의 버너의 연소 방법에 의하면, NOx의 발생량을 대폭적이면서 확실하게 절감할 수 있다. 또한, 새로운 가열로를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존의 가열로에서의 버너에도 적용할 수 있다.

이상, 본 발명을 실시 형태에 근거하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다 .

예를 들어, 연료 유체나 산화제 유체의 공급량은, 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같은 정현파를 나타내는 주기적인 변화뿐만 아니라, 유량 변화가 구형파나 삼각파로 되는 것과 같은 공급 패턴이어도 상관없다.

이하, 연료 유체를 LNG로 하고, 산소 농도 99.6%의 산소와 공기와로 산화제 유체를 형성하고, 산소 비율과 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시켜 강제 진동 연소를 시킨 경우의 NOx 절감 효과에 대해, 실시 예를 통해 설명한다. 본 발명은 다음의 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

(실시 예 1)

먼저, 실시 예 1에서는 도 1에서와 같은 연소 장치에서, LNG의 유량을 고정하고, 산소 및 공기의 유량을 변화시켜서 산소 비율과 산소 농도를 주기적으로 변화시키면서 연소 시험을 실시했다.

산화제 유체 중의 산소 농도는, 33 ~ 100%의 범위에서 산소 비율은 O.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화시키도록 했다. 이때, 산화제 유체 중의 산소 농도 및 산소 비율은 시간 평균값에서 각각 40%, 1.05가 되도록 하였다.

시험 결과의 해석에 맞게, 동일한 장치를 사용하여 종래의 산소 부화 연소 (정상 연소)를 실시한 경우의 연소 배기 가스 중의 NOx 농도를 측정하고, 이 값을 기준치 NOx(ref)로 하였다.

산화제 유체 중의 산소 농도와 산소 비율의 주기적 변화의 주파수를 모두 O.033㎐로 하고, 위상을 π 늦춰서 연소시킨 결과, NOx(ref)와 비교하여 NOx 농도는 약 83% 감소했다.

(비교 예 1)

실시 예 1과 동일조건에서 산소 비율만을 주기적으로 변화시킨 경우의 NOx 절감에 대하여 연소 시험을 실시했다. 산화제 유체 중의 산소 농도를 40%로 일정하게 하고, 산소 비율만을 O.5 ~ 1.6의 범위에서 주파수 O.033㎐로 변화시킨 결과, NOx(ref)와 비교하여 NOx 농도는 약 58% 감소에 그쳤다.

(실시 예 2)

이어서, 실시 예 2에서는 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시킨 경우의 NOx 절감 효과에 대하여 주파수의 영향을 조사했다.

산화제 유체 중의 산소 농도 및 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 O.017, O.02, O.025, O.033, O.067, O.2, 1, 5, 10, 20, 25, 50, 100㎐의 각각의 경우에 서, 배기가스 중의 NOx 농도를 측정했다. 또한, 산소 농도와 산소 비율의 위상 차를 π로 설정하고 산소 농도 및 산소 비율의 주파수 이외는, 실시 예 1과 같은 조건으로 하고, 산화제 유체 중의 산소 농도의 시간 평균값은 40%, 산소 비율의 시간 평균은 1.05가 되도록 했다. 결과를 표 1 및 도 5에 나타낸다.

또한 도 5에서, 횡축은 산소 농도 및 산소 비율의 주파수를 나타내고, 종축은 기준값 NOx(ref)를 사용하여 규격화한 NOx 농도(NOx/NOx (ref))을 나타내고 있다.

(비교 예 2)

또한, 실시 예 2의 비교를 위해, 비교 예 2로서 산소 농도를 40%로 고정하고 산소 비율만을 O.5 ~ 1.6의 범위에서 강제 진동 연소시킨 경우의 NOx의 절감 효과를 조사했다. 결과를 같은 표 1 및 도 5에 나타낸다.

		NO_X/NO_X ref	NO_X/NO_X ref
주 기	㎐	실시 예 2	비교 예 2
60	0.017	0.128	0.383
50	0.02	0.138	0.396
40	0.025	0.154	0.409
30	0.033	0.168	0.419
15	0.067	0.190	0.455
5	0.2	0.264	0.528
1	1	0.324	0.584
0.2	5	0.541	0.757
0.1	10	0.757	0.872
0.05	20	0.973	0.983
0.04	25	0.982	0.993
0.02	50	0.986	0.996
0.01	100	0.995	0.999

도 5에서 산화제 유체 중의 산소 농도 및 산소 비율의 주기적인 변화의 주파수가 작은 쪽이 NOx절감 효과가 높은 것을 알 수 있다. 또한, 산소 농도와 산소 비율을 동시에 변화시킴에 의해서, NOx를 대폭적으로 절감할 수 있다는 것을 알았다. 또한, 시험한 범위 내에서는 주파수는 작은 쪽이 효과는 높고, 특히 20㎐ 근처에서 급격히 NOx 감소 효과가 나타나는 것을 알았다. 또한, 어떤 경우에도 본 발명은 산소 비율만을 주기적으로 변화시키는 경우에 비해 높은 NOx 절감 효과가 있는 것을 알았다.

(실시 예 3)

이어서, 실시 예 3에서는 산소 농도 및 산소 비율을 주기적으로 변화시킨 경우의 배기 가스 중의 CO 농도에 대해서 주파수의 영향을 조사했다. 구체적으로는, 산소 농도 및 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 0.017, O.02, O.025, O.033, O.067, O.2, 1, 5, 10, 20, 25, 50, 100㎐의 각각의 경우에서 배기 가스 중의 CO 농도를 측정했다. 또한, 산소 농도와 산소 비율의 위상 차를 π로 설정하고, 산소 농도 및 산소 비율의 주파수 이외는 실시 예 1과 동일 조건으로 하고, 산화제 유체 중의 산소 농도의 시간 평균값은 40%, 산소 비율의 시간 평균은 1.05가 되도록 했다. 결과를 표 2 및 도 6에 나타낸다.

또한, 시험 결과의 해석에 맞게 같은 장치를 사용하여 종래의 산소 부화 연소(정상 연소)를 실시한 경우의 연소 배기 가스 중의 CO 농도를 측정하고, 이 값을 기준치 CO(ref)로 했다. 그리고, 도 6에서 횡축은 산소 농도 및 산소 비율의 주파수를 나타내고, 종축은 기준값 CO(ref)를 사용하여 규격화한 CO 농도(CO/CO (ref))를 표시하고 있다.

		CO/CO ref
주기	㎐	실시 예 3
60	0.017	9.80
50	0.02	7.91
40	0.025	4.88
30	0.033	1.98
15	0.067	1.44
5	0.2	0.48
1	1	0.44
0.2	5	0.32
0.1	10	0.20
0.05	20	0.10
0.04	25	0.08
0.02	50	0.06
0.01	100	0.06

도 6에서 주파수가 O.02보다 작아지면, CO 농도가 급격하게 상승하는 것을 인지했다.

이상에서 주파수가 작은 쪽이 NOx 절감 효과는 높지만, 배기 가스 중의 CO 농도도 떨어뜨리고 싶은 경우에는 주파수가 O.02 이상인 것이 바람직하다.

(실시 예 4)

다음으로, 실시 예 4에서는 연료 유량을 일정하게 하여 산소 비율의 변동폭이 NOx 절감에 미치는 영향을 조사했다. 산소 농도를 30 ~ 100%의 범위에서 주기적으로 변화시켜 산소 비율을 변동시키는 범위를 바꾸어 NOx 농도를 측정했다. 산소 비율의 하한을 O.1, O.2, O.3, O.4, O.5로 한 각각의 경우에 대해서, 산소 비율의 상한을 1.1 ~ 7의 범위에서 변화시켜 배기 가스 중의 NOx 농도를 측정했다. 결과를 표 3과 도 7에 나타낸다.

또한, 산소 비율의 시간 평균값을 1.05, 산화제 유체 중의 산소 농도를 40%로 했다. 예를 들어, 산소 비율(m)이 O.5 ~ 5의 경우, m < 1.05가 되는 연소시간을 m > 1.05의 시간보다 길게 하도록 하고, 반대로 산소 비율(m)이 O.2 ~ 1.2의 경우, m < 1.05로 되는 연소 시간을 m > 1.05의 시간보다 짧게 하도록 조정했다.

산소 비율, 산소 농도의 평균은 일정하기 때문에 어느 일정 시간에 사용되는 산소량은 같게 된다.

또한, 도 7의 횡축은 산소 비율의 상한값(m_max ₎이며, 종축은 규격화된 Nox 농도이다. 도 7의 보는 방법을 설명하면, 예를 들어, 산소 비율(m)을 O.5 ~ 2의 범위(하한값(m_min ₎은 O.5)에서 주기적으로 변화시킨 경우의 NOx 농도는, m_min = 2의 그래프에서의 횡축 m_max = 2 일때의 값(0.3)이 된다.

m _max	m _min
	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
1.1	0.4	0.45	0.5	0.55	0.6
2	0.184	0.216	0.24	0.264	0.296
3	0.128	0.144	0.16	0.176	0.192
4	0.11	0.12	0.13	0.14	0.15
5	0.1	0.1	0.1	0.11	0.11
6	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
7	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1

도 7에서, m_min = O.5의 그래프는 m_max 가 크게 됨(산소 비율의 진폭이 커진다)에 따라서 NOx가 감소해 가지만, m_max > 5에서는 NOx 농도는 일정하게 된다.

또한, m_min = O.3으로 하면 m_min = O.5보다 NOx 농도는 떨어지지만, m_min = O.2에서는 m_min = O.3과 거의 변하지 않는다.

(실시 예 5)

다음으로, 실시 예 5에서는 연료 유량을 일정하게 하여 산소 비율의 변동폭이 CO 농도에 미치는 영향을 조사했다. 구체적으로는 실시 예 4와 동일한 조건에서 CO 농도를 조사했다. 결과를 표 4 및 도 8에 나타낸다.

m _max	m _min
	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
1.1	3.6	0.98	0.44	0.42	0.42
2	4	1.02	0.47	0.44	0.43
3	4.5	1.15	0.54	0.5	0.48
4	5.2	1.58	0.66	0.58	0.54
5	6	1.96	0.86	0.78	0.72
6	7	3.12	1.24	1.08	0.99
7	9	4.8	3.84	3.32	1.96

도 8에서 m_max > 6이 되면, CO 농도가 급격히 상승하는 것을 알았다. 따라서, 본 발명에서 배기 가스 중의 NOx 농도와 함께 CO 농도를 낮추려면, 산소 비율을 O.2 이상 6 이하의 범위에서 변동시키는 것이 바람직하다.

(실시 예 6)

실시 예 6에서는 연료 유량을 일정하게 하고, 산소 비율을 O.5 ~ 1.6의 범위에서 변화시켜 산소 농도의 변동폭을 바꾸어 NOx 배출량으로의 영향을 조사했다. 시험에서는 산소 농도 하한을 33%로 하고, 산소 농도의 상한을 50 ~ 100%의 범위에서 변화시켰다. 평균 산소 비율은 1.05, 산화제 중 산소 농도는 40%로 했다. 또한, 산소 비율 및 산소 농도의 주파수를 0.067㎐로 하고, 위상 차를 π로 했다. 결과를 표 5 및 도 9에 나타낸다.

또한, 도 9의 횡축은 산화제 중의 산소 농도의 상한치 c_max이고, 종축은 규격화된 NOx 농도이다. 도 9의 보는 방법을 설명하면, 예를 들어, 산소 농도 33 ~ 70%의 범위에서 주기적으로 변화시킨 경우의 NOx 농도는, 횡축 c_max = 70인 때의 값(0.38)이 된다.

c max	c min = 33
50	0.6
60	0.45
70	0.38
80	0.31
90	0.28
100	0.27

도 9에서 산소 농도의 변동폭을 크게 하면, NOx 농도의 절감 효과가 더 커지는 것을 알았다.

(실시 예 7)

다음으로, 실시 예 7에서는 LNG, 산소, 공기의 유량을 변화시켜 산소 비율과 산소 농도를 주기적으로 변화시키면서 연소 시험을 실시하여 NOx 농도를 측정했다. LNG 유량의 주기, 산소 비율의 주기 및 산소 농도의 주기는 모두 주파수가 0.2㎐가 되도록 설정했다. 또한, LNG 유량과 산소 비율의 위상 차를 π로 하고, LNG 유량이 많을 때에 산소 비율이 낮아지도록 했다. 또한, 산소 비율과 산소 농도의 위상 차를 π로 했다.

산화제 중의 산소 농도는 30 ~ 100%의 범위에서 산소 비율은 O.5 ~ 2.7의 범위에서 주기적으로 변화하도록 했다. 이때의 산화제 중의 산소 농도 및 산소 비율은 시간 평균에서 각각 40%, 1.05가 되도록 했다. 결과를 도 10에 나타낸다.

(비교 예 3)

또한, 비교 예 3으로서 LNG 유량을 일정하게 하고, 산소와 공기의 유량만을 변화시켜 산소 비율과 산소 농도를 주기적으로 변화시켜 연소하여 NOx 농도를 측정했다. 산소 비율과 산소 농도의 위상 차는 π로 했다. 산소 농도 및 산소 비율의 범위는 실시 예 7과 동일하게 되도록 했다. 결과를 같은 도 10에 나타낸다..

도 10에서 LNG 유량을 변화시킨 경우의 쪽이, NOx 농도가 낮아지는 것을 알았다.

(실시 예 8)

다음으로, 실시 예 8에서는 LNG 유량을 일정하게 하고, 산소 및 공기의 유량을 변화시켜 산소 비율과 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 시험에서, 산소 비율과 산소 농도의 위상 차를 O, π/2, π, 3π/2로 변화시켜 NOx 농도로의 영향을 조사했다. 또한, 산소 비율과 산소 농도의 주파수는 O.067㎐로 하고, 산화제 중의 산소 농도는 33 ~ 100%의 범위에서, 산소 비율은 O.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화하도록 했다. 이때의 산화제 중의 산소 농도 및 산소 비율은 시간 평균에서 각각 40%, 1.05가 되도록 했다. 결과를 도 11에 나타낸다.

도 11에서, 산소 비율과 산소 농도의 주기적 변화의 위상 차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위에 있으면 NOx 농도가 낮아지고, 위상 차가 π라면 가장 낮게 되는 것을 알았다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명에 의해 NOx를 대폭적이면서 확실하게 절감할 수 있는 연소 방법을 얻을 수 있다. 본 발명은 새로운 가열로를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존의 가열로에서의 연소 버너에도 적용하는 것이 가능하다.

1 : 연소 장치 2 : 가열로
3 : 연소 화염 4 : 버너
5 : 연료 공급 배관 6 : 산화제 공급 배관
7 : 산소 공급 배관 8 : 공기 공급 배관
50, 70, 80 : 강제 진동 수단 51, 71, 81 : 개폐 밸브
52,72, 82 : 제어 기구

Claims

가열로에서의 버너의 연소 방법이며,
버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시킴과 동시에,
상기 산화제 유체 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주는 것에 의해서 공급산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율로 주기적 변화를 발생시키고,
상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화에 차이를 두는 것에 의해, 연소 상태가 주기적인 진동 상태로 되는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1항에 있어서,
상기 연료 유체 유량의 주기적 변화와, 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 20㎐ 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 O.02㎐ 이상인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차이가 O.2 이상이고, 1 주기에서의 상기 산소 비율의 평균값이 1.0 이상, 동시에 1.5 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산소 비율 및 상기 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화의 위상 차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 산소 비율과 상기 산소 농도의 주기적 변화의 위상 차가 π인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 유체의 유량 및 상기 산소 비율의 주기적 변화가 동일 주파수이고, 상기 연료 유체의 유량의 주기적 변화와 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상 차가 π/2 이상 3π/2 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상 차가 π인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산화제 유체가 산소와 공기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산화제 유체가 산소와 연소 배기 가스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 산소가 실질적으로 순수 산소인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 산소 비율 및 상기 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것을 특징으로 하는 버너의 연소방법.
제 5항에 있어서,
상기 산소 비율 및 상기 산소 농도의 주기적 변화가 동일 주파수인 것을 특징으로 하는 버너의 연소방법.