KR101414738B1 - 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 연소실을 이중으로 구성하여 충분한 공기와 연료를 공급하여 줌으로써, 배기가스를 안정적으로 연소시켜 원하는 연소온도에 도달할 수 있게 하여 재생 효과를 더욱 더 높일 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 및 이를 이용한 복합재생 방식의 배출가스 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제1연소실과 제2연소실 사이로 외기를 공급하여 줌으로써, 화염이 3차에 걸쳐 화염이 유지되면서 배기가스의 연소가 이루어질 수 있게 함으로써, 보다 안정적인 화염을 얻을 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 및 이를 이용한 복합재생 방식의 배출가스 저감장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 고안은 제1연소실을 메탈 와이어 메쉬 형태로 제작함으로써, 불연소된 연료가 제1연소실에 집유되는 연료가 제2연소실로 배출될 수 있게 함으로써, 불꽃 점화시 연소되지 않은 연료가 화염에 노출되는 것을 방지하여 화재 발생 및 장치 훼손을 미연에 방지할 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 및 이를 이용한 복합재생 방식의 배출가스 저감장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

Description

고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치{BUNNER FOR COMBUSTING HIGH TEMPERATURE}
본 발명은 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버너 내부에 2중으로 연소실을 구성하여 연소 효과를 높일 수 있게 함으로써, 고온 고압 상태의 배기가스의 재생을 위한 화염의 안정화와 화염을 개선하여 배기가스의 재생 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 고온과 고압 그리고 고속으로 구동되는 엔진, 예를 들어서 디젤 엔진의 경우, 배기가스는 고온과 고압 상태로 유동되기 때문에, 매연 저감을 위해서는 배기가스가 일정한 온도를 유지해야 하는데 실질적으로는 온도 유지에 어려움이 있다. 이 때문에 배기가스의 온도를 촉매 작용이 원활하게 이루어지는 온도(약 500~600℃)를 유지하기 위하여 버너장치를 이용한다.
여기서, 이러한 고온과 고압의 배기가스를 배출하는 장치로는 시험장치로는 유동 그리고 연소 해석용으로 많이 이용되는 연소시험기와 재료 시험기 그리고 디젤 엔진용 매연저감장치를 예로 들 수 있다.
배기가스 연소용 버너장치는, 일반적으로, 배기가스가 길이방향으로 유동될 수 있도록 유도하는 하우징 내부에 점화 플러그를 장착하고, 하우징의 외부에서 연료와 외기를 공급하여 이들을 점화시켜 촉매 등의 온도를 미리 정해진 온도까지 승온시켜 주게 된다.
하지만, 이러한 종래의 버너장치는 다음과 같은 문제가 발생하였다.
(1) 연료가 분사되는 연소실이 단층으로 구성되어 있기 때문에 분사된 연료가 완전하게 연소되지 않는 경우 연소실 내부의 바닥에 축적되는 경우가 발생하였다.
(2) 이처럼 축적된 연료는 그 다음에 점화 플러그를 통해 연소시 이미 누출되어 있던 연료에 화염이 옮겨 붙으면서 화재 발생 및 장비를 훼손시키는 요인으로 작용하였다.
(3) 또한, 점화 플러그가 이와 같이 고온 상태에서 장시간 노출되기 때문에 플러그의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하였다.
(4) 점화 플러그에서 착화된 화염이 배기가스와 직접적으로 닿기 때문에 화염을 일정하게 유지하기가 어려울 뿐만 아니라 일정한 온도(500~600℃)를 유지하는데 어려움이 있다. 이는 배기가스를 완전하게 연소시키지 못하여 그 뒤에 이루어지는 촉매의 재생효과를 저하시키게 되었다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 연소실을 이중으로 구성하여 충분한 공기와 연료를 공급하여 줌으로써, 배기가스를 안정적으로 연소시켜 원하는 연소온도에 도달할 수 있게 하여 재생 효과를 더욱 더 높일 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제1연소실과 제2연소실 사이로 외기를 공급하여 줌으로써, 화염이 3차에 걸쳐 화염이 유지되면서 배기가스의 연소가 이루어질 수 있게 함으로써, 보다 안정적인 화염을 얻을 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 를 제공하는데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 고안은 제1연소실을 메탈 와이어 메쉬 형태로 제작함으로써, 불연소된 연료가 제1연소실에 집유되는 연료가 제2연소실로 배출될 수 있게 함으로써, 불꽃 점화시 연소되지 않은 연료가 화염에 노출되는 것을 방지하여 화재 발생 및 장치 훼손을 미연에 방지할 수 있게 한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치는, 배기가스가 유입되어 유출되도록 안내하는 하우징; 내부에, 상기 하우징 외부로부터 외기와 연료를 공급받아 점화되는 플러그를 포함하는 점화기 및 외부로부터 외기와 연료를 함께 공급하여 무화시켜 주는 무화기를 포함하며, 상기 플러그의 불꽃이 배기가스의 배출방향으로 형성시켜 주는 제1연소실; 및 상기 제1연소실을 감싸 상기 화염을 안정화시켜 주며, 내부면과 제1연소실 사이로 상기 하우징 외부로부터 외기를 공급해 주는 외기관을 포함하는 제2연소실;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제1연소실은 메탈 와이어 메쉬로 제작된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1연소실 및 제2연소실의 개구부에는 각각 안쪽으로 리브가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기가스는, 유동압력이 0.1~0.8Bar이고, 유동속도가 50~100m/s인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 상술한 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치, 이 버너장치의 후부에 배기가스의 배출방향을 따라서 DOC(산화 촉매장치)와 DPF(디젤 입자 필터)가 연속적으로 배치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재생 방식의 배출가스 저감장치를 포함한다.
이러한 복합재생 방식의 배출가스 저감장치는, 상기 DOC(산화 촉매장치)로 스테인레스(SUS310S)로 이루어진 것을 이용하고, 상기 DPF(디젤 입자 필터)로 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 것을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 및 이를 이용한 복합재생 방식의 배출가스 저감장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 화염이 제1연소실과 제2연소실 그리고 하우징으로 3회에 걸쳐 커지면서 화염이 안정화되기 때문에 유해물질의 연소 및 촉매 등이 반응에 필요한 충분한 온도를 안정적으로 얻을 수 있다.
(2) 제1연소실에 분사되어 완전연소되지 않은 연료가 제2연소실로 빠져나가기 때문에 제1연소실에서 초기에 화염이 발생하더라도 이 화염에 의하여 잔여 연료가 연소됨에 따라 발생될 우려가 있는 화재 및 장치의 소손을 미연에 방지할 수 있다.
(3) 또한, 이러한 잔여 연료가 제1연소실에 남아있지 않기 때문에 실제 화염 생성시의 미스 파이어(Miss Fire) 형상을 방지하여 안정적으로 배기가스를 연소시킬 수 있게 된다.
(4) 제1연소실 및 제2연소실의 테두리 부분에 리브를 형성하여 둠으로써, 각 연소실에서 생성된 화염이 배기가스와 직접적으로 닿는 것을 방지하여 보염 효과를 통해 화염의 안정화 및 연소실의 소손 등을 미연에 방지할 수 있게 된다.
(5) 제1연소실과 제2연소실 사이에 외기관을 통해 외기를 공급할 수 있게 함으로써, 공급된 외기가 스월(Swirl) 현상을 일으켜 연료와 공기의 혼합 효과를 높여 화염이 잘 유지될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 버너장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 버너장치를 배출가스 저감장치에 적용하여 그 후단부에서의 온도 변화를 검출하기 위하여 검출센서를 장착한 위치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 상기 도 2에서의 검출센서로부터 검출된 온도 변화 및 검출 위치를 보여주기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 배출가스 저감장치를 통해 얻어진 시간변화에 따른 온도 변화를 보여주기 위한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(연소용 버너장치 )
본 발명에 따른 연소용 버너장치는, 도 1과 같이, 배기가스를 공급받아 연소후 배출시키기 위한 하우징(100), 외부로부터 외기와 연료를 공급받아 연소시켜 주는 제1연소실(200), 그리고 이 제1연소실(200)을 감싸주며 이로부터 형성된 화염을 안정화시켜 주기 위한 제2연소실(300)을 포함하여 구성된다.
특히, 상기 제1연소실(200)은 점화후 잔여 연료가 남지 않도록 메탈 와이어 메쉬로 제작하여 화재나 장치의 소손을 방지할 수 있도록 한 것이다.
그리고, 상기 제1연소실(200 및 제2연소실(300)의 테두리에는 리브(230,320)를 형성하여 이들 연소실의 바깥쪽으로 흐르는 고온 고압의 배기가스가 화염과의 직접적인 접촉이 이루어지지 않게 하여 화염을 보호할 수 있도록 한 것이다.
이하, 이러한 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
하우징(100)은 배기가스를 공급받아 다시 머플러나 촉매장치 등으로 배출하기 위한 것으로 양단에 각각 입구부(110)와 출구부(120)가 구비된다. 그리고, 그 내부는 중공으로 이루어지며, 내부에는 후술하는 제1연소실(200)과 제2연소실(300)이 장착된다.
제1연소실(200)은 하우징(100) 내부에서 화염을 만들어내게 된다. 이러한 제1연소실(200)에는 화염 생성을 위한 불꽃을 만들어주기 위하여 점화기(210)가 구비된다. 점화기(210)는 하우징(100)의 외부로부터 외기와 연료를 공급받으며, 그 단부에는 플러그(211)가 구비된다. 플러그(211)는 제1연소실(200)의 중심, 가장 바람직하기로는 하우징(100)의 중심에 위치하도록 설치된다. 이러한 플러그(211)로는 전류로 적열화(赤熱化)시켜 연료의 착화(着化)시켜 불꽃을 일으키는 점화용 글로우 플러그(Glow Plug)를 이용할 수 있다.
또한, 상기 제1연소실(200)에는 별도로 무화기(220)가 더 구비된다. 무화기(220)는 하우징(100)의 외부로부터 제1연소실(200) 안으로 연료와 공기를 주입하면서 무화시켜 화염 생성 및 유지시켜 주게 된다. 이러한 무화기로(220)로는 무화용 글로우 플러그(Glow Plug)를 이용할 수 있다.
이와 같이 이루어진 제1연소실(200)은 생성된 화염이 배기가스의 배출방향으로 나란하게 형성되도록 하우징(100) 내부, 바람직하기로는 그 중심에 위치하도록 장착된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1연소실(200)은 메탈 와이어 메쉬로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 제1연소실(200) 내로 유입된 연료가 전량 연소가 되지 않는 경우가 발생하는데, 이때 잔여 연료가 제1연소실(200)에 남아있는 경우 그 다음 화염 발생시 이 잔여연료에 불꽃이 전이되어 화재로 이어질 우려가 있다. 이에, 잔여 연료가 제1연소실(200)에 남아있지 않고 중력에 의해 아래로 배출될 수 있게 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1연소실(200)에는 화염이 방열되는 테두리 부분이 안쪽으로 굽어지게 리브(230)를 더 형성하는 것이 바람직하다. 이는 연소실 주변을 따라서 고온 고압의 배기가스가 흐르게 되는데, 화염이 이 배기가스에 직접적으로 닿지 않게 하여 화염을 보호할 수 있게 하기 위함이다.
제2연소실(300)은 제1연소실(200)을 감싸주는 형태로서 전체적으로 동일한 형태로 형성되나 그 크기에서 차이가 있다. 즉, 제2연소실(300)은 제1연소실(200)을 감싸면서 미리 정해진 만큼의 간격을 갖도록 한 것이다. 이에, 제1연소실(200)에서 생성된 화염이 제2연소실(300)에서 안정화시켜 줄 수 있도록 한 것이다.
특히, 상기 제2연소실(300)도 제1연소실(200)과 마찬가지로 화염이 직접적으로 배기가스와 접촉하는 것을 최소화하도록 화염이 토출되는 개구부에는 안쪽으로 리브(320)가 형성된다.
한편, 상기 제2연소실(300)에는 잔여 연료의 연소와 화염 보호 등을 위하여 외기관(300)이 구비된다. 외기관(300)은 하우징(100)의 외부로부터 외기를 제1연소실(200)과 제2연소실(300) 사이로 공급해 주게 된다. 주입된 외기는 제1연소실(200)에서 생성된 화염에 충분한 공기공급과 스월(Swirl) 작용을 통해 화염의 안정화와 함께 연소실 내에서의 잔여 연료가 남지 않도록 연소시켜 주는 역할을 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 연소용 버너장치는, 제1연소실(200)에서 생성된 화염이 제2연소실(300) 및 제2연소실(300)과 하우징(100) 사이에서 지속적으로 형성되어 마치 3회에 걸쳐 화염이 안정적으로 유지되어 연소용 버너 장치의 후부에 설치되는 DOC 및 DPF의 온도를 재생에 필요한 온도(약 500~600℃)를 유지시켜 최적의 촉매 재생 효과를 얻을 수 있게 한다.
또한, 본 발명에서, 상기 배기가스는 유동압력이 0.1~0.8Bar이고 유동속도가 50~100m/s인 것을 이용함으로써, 연소시험기나 재료 시험기 뿐만 아니라 디젤 엔진으로부터 발생되는 고온 고압의 배기가스를 정화시켜 주는 저감장치에 활용할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
(배출가스 저감장치)
본 발명은 상술한 본 발명에 따른 연소용 버너장치를 이용한 배출가스 저감장치를 포함한다. 이러한 배출가스 저감장치는, 본 발명의 연소용 버너장치, DOC(산화 촉매장치) 그리고 DPF(디젤 입자 필터)를 포함하여 구성된다.
이러한 배출가스 저감장치는 배출가스의 유동 흐름을 기준으로 연소용 버너장치가 가장 앞에 위치하도록 설치하고, 그 뒤로 DOC와 DPF가 위치하도록 구성된다. 물론, DOC와 DPF는 그 장착 위치가 뒤바뀔 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 DOC는 스테인레스(SUS310S)로 이루어지고, 상기 DPF는 실리콘카바이드(SiC)로 제작된 것을 이용하는 것이 바람직하다.
(배출가스 저감장치의 실시예 )
이와 같이 이루어진 배출가스 저감장치를 이용하여 재생온도를 측정한 결과는 다음과 같다.
우선, 배출가스 저감장치가 장착된 엔진의 제원과 DOC와 DPF의 제원은 각각 다음의 [표 1]과 [표 2]와 같다.

분류
제원

엔진 형식
RX290

연료
디젤

배기량(cc)
2874

최고출력( hp / rpm )

132/4000

최대 토크(kg·m/rpm)
29.5/2400

분류
제원

DOC
(Metal)
Size : 5.66”×3.5”
Density:200

DPF
(SIC)
Size : 5.66” ×10”
Density:300
그리고, 본 발명에 따른 연소용 버너장치의 후부, 즉 연소후 배기가스가 배출되는 후부에는 그 배기온도를 측정하기 위하여 도 2와 같이 온도 센서(T1~T8)를 장착하였다. 도 2에서, 왼쪽 그림은 실제 온도센서(T1~T8)가 장착된 상태를 보여주고, 오른쪽 그림은 장착 상태를 쉽게 이해할 수 있도록 도식화한 것이다. T1으로 표시된 온도센서는 하우징의 중앙에 위치하도록 설치되었으며, 나머지 온도센서는 하우징으로부터 25㎜만큼 삽입하여 온도를 측정하였다.
이와 같이 장착한 후 엔진 시동후 아이들 상태에서 도 2의 온도센서로부터 검출된 온도 변화는 도 3과 같다. 도 3과 같이, 각 센서로부터 검출된 온도는 다음의 [표 3]과 같다.

T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
평균
표준편차

464
451
462
477
476
477
471
480
470
9.3
단위는 온도(℃)
이처럼 아이들 상태에서, 본 발명에 따른 연소용 버너장치의 후부에서 측정한 온도는 상기 표와 같이, 평균 470℃이고, 온도편차는 최대 26℃이었다.
한편, 본 발명에 따른 연소용 버너장치를 통과한 다음 배기가스 저감장치를 통과하는 동안의 온도를 시간 변화에 따라 검출한 결과는 도 4와 같다.
도 4에서, "T4"는 DOC 후단의 온도를 검출한 것으로서, 본 발명에서 목표로 하는 재생에 필요로 하는 온도인 600℃에 근접하였음을 보여주고 있으며, 이때의 배기가스의 온도는 "T1"으로 표시되어 있다.
여기서, 미설명 부호 "T2"는 DOC와 DPF 사이에 설치된 센서로부터 얻은 온도를, "T3"는 화염의 온도이며, "Off msec. 1"과 "Off msec. 2"는 각각 인젝터 펌프를 오프시켰을 때의 온도 변화를 각각 나타낸다.
이상과 같이 본 발명에 따른 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치 및 이를 이용한 배기가스 저감장치는, 촉매 등에서 재생에 필요한 충분한 온도인 500~600℃를 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.
100 : 하우징
110 : 입구부
120 : 출구부
200 : 제1연소실
210 : 점화기
211 : 플러그
220 : 무화기
230, 320 : 리브
300 : 제2연소실
310 : 외기관

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 배기가스가 유입되어 유출되도록 안내하는 하우징(100);
    내부에, 상기 하우징(100) 외부로부터 외기와 연료를 공급받아 점화되는 플러그(211)를 갖는 점화기(210) 및 외부로부터 외기와 연료를 함께 공급하여 무화시켜 주는 무화기(220)를 포함하며, 상기 플러그(211)로부터 형성된 화염이 배기가스의 배출방향으로 형성시켜 주는 제1연소실(200); 및
    상기 제1연소실(200)을 감싸 상기 화염을 안정화시켜 주며, 내부면과 제1연소실(200) 사이로 상기 하우징(100) 외부로부터 외기를 공급해 주는 외기관(310)을 포함하는 제2연소실(300);을 포함하여 구성된 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치에 있어서,
    상기 제1연소실(200)은 메탈 와이어 메쉬로 제작된 것을 특징으로 하는 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1연소실(200) 및 제2연소실(300)의 개구부에는 각각 안쪽으로 리브(230,320)가 형성된 것을 특징으로 하는 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기가스는,
    유동압력이 0.1~0.8Bar이고,
    유동속도가 50~100m/s인 것을 특징으로 하는 고온 고압의 배기가스 연소용 버너장치.
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