KR101518609B1 - 연소 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

연소 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치는 산화제 공급부와 연료 공급부가 연계되는 노즐 본체; 상기 노즐 본체에 제공되는 복수의 산화제 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 분사하도록 구비되는 산화제 분사부; 상기 노즐 본체에 상기 산화제 분사노즐과 대응되게 제공되는 복수의 연료 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 연료 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 분사하도록 구비되는 연료 분사부; 및 상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 산화제 공급부 및 상기 복수의 연료 분사노즐과 상기 연료 공급부 사이에 각각 제공되어 산화제 또는 연료의 공급을 단속하는 밸브유닛;을 포함한다.

Description

연소 장치 및 방법 {COMBUSTION APPARATUS AND METHOD OF THE SAME}

본 발명은 연소시 산화재로 순산소를 사용하는 연소 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소시 발생하는 질소산화물(NOx)의 발생을 최소화하고, 화염 길이방향으로의 온도를 균일화시킬 수 있도록 한 연소 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연소로 등에서 소재를 가열하기 위해 연료를 연소하여 열을 발생시키고 있으며, 이 과정에서 연료의 연소를 위해 산소를 포함하고 있는 공기를 산화제로 혼합하여 연소하고 있다.

이와 같이, 통상의 연소 장치에서 산화제로 공기가 사용되는 이유로는 별도의 비용없이 활용이 가능하다는 장점이 있기 때문이다. 그러나, 공기 중에서 산소가 차지하는 비율은 약 20% 정도이며 대부분은 약 79%를 차지하는 질소로, 연소시 공기중에 포함된 질소로 인해 대기오염물질인 질소산화물(NOx) 발생과 배가스량이 증가하며, 전체적인 배가스 손실열량을 증가시키는 요인이 되고 있다.

이에 따라 최근의 연소 장치에는 대기오염물질 발생량 저감과 에너지 사용 효율 증대를 위해 공기를 이용하는 대신에 산화제로서 산소만을 이용하는 순산소 연소를 적용하는 기술이 사용되고 있으며, 이러한 기술의 사용으로 인해 공기 중에 함유된 질소를 배제하여 질소산화물(NOx) 발생량 및 배가스량을 감소시켜 환경 오염을 낮추는 그린 환경 구현을 위한 기술로 중요성이 증가하고 있다.

이와 같이, 순산소를 산화제로 이용하는 연소 장치는 연소에 관계하는 물질이 산소와 연료뿐으로, 화염의 구성물질이 통상 공기 연소에 비해 약 79%가 적어 배가스량의 발생이 작으면서도 화염의 온도를 고온으로 유지할 수 있으며, 이로 인해 고온의 화염 연소를 필요로 하는 산업분야에서 적극적으로 활용되고 있다.

한편, 연소시, 산화제로 질소가 없는 순산소를 사용하고, 연료 중에도 질소 성분이 없는 경우라면 이론상으론 질소산화물(NOx)의 발생이 전혀 없어야 한다.

하지만, 실제 연소시에는 질소산화물(NOx)이 발생하게 되는데, 이는 순산소 연소를 실시하는 연소로 등에서 완전한 기밀이 유지되지 못하여 외부로부터 공기가 유입 확산됨에 따라 연소시 반응하여 발생할 수 있다.

한편, 질소가 존재하는 경우에, 질소산화물(NOx)의 발생량은 화염의 온도가 높을수록 더 증가되므로, 공기연소에 비해 화염온도가 더 높은 순산소 연소방식에서는 공기 연소방식에 비해 더 많은 질소산화물(NOx)이 발생할 수 있다.

따라서, 순산소 연소 방식은 화염온도의 관리와 함께 질소산화물(NOx) 발생량의 관리가 중요하다.

이와 같이, 순산소 연소 방식에서 화염의 온도가 높아지는 것은 화염에 손실열량의 인자인 질소가 없음으로 인한 것으로, 연소반응 또한 질소가 없음으로 인해 급속하게 이루어지므로 기존과는 상이한 연소방법의 적용이 요구되고 있다.

즉, 종래에는 급속한 연소반응으로 인해 기존과 같이 연료와 공기의 계면에서의 연소반응을 제어하기가 어려우므로 기존과는 다른 방법을 적용하게 되는데, 산화제와 연료의 분사속도를 기존보다 3~5배 정도로 증가시켜 집중적으로 연소반응이 발생하는 부위가 없도록 하여 전체적으로 화염온도의 분포를 균일하게 유지하여 질소산화물(NOx)의 발생량을 최소화시키는 방법이 적용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연소 장치를 도시한 사시도이다.

도 1을 참고하면 종래의 연소 장치(10)는 노즐 본체(12)에 연료 분사노즐(14)과 산화제 분사노즐(16)이 분리되어 제공된 것으로, 연료 분사노즐(14)과 산화제 분사노즐(16)이 분할되어 폭방향으로 배치되어 연료와 산화제를 분할하여 분사한다.

이러한 종래의 연소 장치(10)는 순산소 연소시 집중적인 연소반응에 의해 국부적인 화염온도를 증가를 방지하기 위해 연료와 산소의 분사속도를 증가시켜 화염이 전체적으로 균일하게 형성되게 한다.

또한, 도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 연소 장치의 연소특성을 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 종래의 다른 연소 장치(20)는 노즐 본체(22)에 제공된 연료 분사노즐(24)과 산화제 분사노즐(26)로부터 연소실내로 분사되는 연료와 산화제(산소)의 분사 방향을 불일치시키고, 연소실내에서 자체적인 온도와 연료 및 산화제(산소)의 유동에 의해 연소가 확산되도록 제공된다.

이러한 종래의 연소 장치(10, 20)들은 연소실벽에 고정되어 일정한 방향으로 투입되는 연료량과 산소량에 의해 화염길이가 일정하게 유지되고, 투입되는 연료량을 기준으로 가열용량이 결정되고 있다.

그러나, 동일한 연소 조건시 연소실 내에 형성되는 가열온도는 동일한 화염온도를 구현함으로써 동일한 온도패턴을 구현해야 하나, 연소실내의 열부하도에 따라 국부적으로 온도가 높거나 낮은 편차가 발생되고 있으며, 이에 따라 연소실 내의 온도를 균일하게 가열할 수 없는 현상이 발생하고 있다.

또한, 종래의 연소 장치(10, 20)는 연소실 내의 온도를 균일하게 가열할 수 있어야 하며, 필요시 가열소재의 일부분을 국부적으로 가열하기 위해 연소실내의 가열온도를 차별화하여 유지하기 위한 기술이 요구되고 있으나 아직까지는 이에 대한 기술의 구현에 어려움이 있다.

본 발명의 일 실시예는 연료와 산소의 분사속도를 증가시켜 연소실 내에 전체적으로 화염 온도를 균일하게 유지하며, 연소가스의 유동을 촉진시켜 연소실 내부온도 균일화를 도모하고 필요시 가열소재를 국부적으로 가열할 수 있도록 연소실 내부 온도를 차별화가 가능하도록 하여 가열 효율을 증대시키는 연소 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치는 산화제 공급부와 연료 공급부가 연계되는 노즐 본체; 상기 노즐 본체에 제공되는 복수의 산화제 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 분사하도록 구비되는 산화제 분사부; 상기 노즐 본체에 상기 산화제 분사노즐과 대응되게 제공되는 복수의 연료 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 연료 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 분사하도록 구비되는 연료 분사부; 및 상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 산화제 공급부 및 상기 복수의 연료 분사노즐과 상기 연료 공급부 사이에 각각 제공되어 산화제 또는 연료의 공급을 단속하는 밸브유닛;을 포함하고, 상기 산화제 분사부는 상기 연료 분사노즐과 상기 산화제 분사노즐 사이에서 상기 산화제 분사노즐에 비해 상기 연료 분사노즐과 인접하여 산화제를 분사하도록 제공되는 보조 산화제 분사노즐을 포함한다.

또한, 상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 복수의 연료 분사노즐은 단면적이 삼각형 형상으로 마련되며, 각각의 단면적의 크기와 형태가 상이하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 복수의 연료 분사노즐은 동일한 개수로 마련되어 상호 대응되는 위치에 배치될 수 있다.

또한, 상기 산화제 공급부와 상기 연료 공급부는 상기 산화제 분사부와 상기 연료 분사부로 일정량의 산화제와 연료를 각각 공급하고, 상기 산화제 분사부에 구비된 각각의 산화제 분사노즐과 상기 연료 분사부에 구비된 각각의 연료 분사노즐은 상기 밸브유닛에 의해 산화제와 연료의 분사량 및 분사속도가 개별적으로 제어될 수 있다.

삭제

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 방법은 소재의 가열을 위해 전술된 연소 장치를 이용하여 산화제와 연료를 연소시키는 연소 방법으로, 상기 산화제 분사부로 산화제를 공급하고, 상기 연료 분사부로 연료를 공급하는 연소준비단계; 상기 산화제 분사부의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나로 산화제를 분사하고, 상기 산화제 분사부의 산화제 분사에 대응하여 상기 연료 분사부의 연료 분사노즐 중 적어도 하나로 연료를 분사하는 분사단계; 및 상기 산화제 분사노즐 및 상기 연료 분사노즐로부터 분사되어 혼합되는 산화제와 연료의 혼합가스를 점화시켜 연소시키는 연소단계;를 포함하고, 상기 분사단계는 상기 연소준비단계에서 상기 산화제 분사부와 상기 연료 분사부로 일정량의 산화제와 연료가 공급되고, 상기 소재의 가열조건에 따라 화염의 연소 패턴을 가변하기 위해 상기 산화제 분사노즐 중 적어도 하나와 상기 연료 분사노즐 중 적어도 하나에서 분사되는 산화제와 연료의 분사량, 분사위치, 분사속도를 가변하고, 상기 분사단계는 연소초기에 초기 연소를 안정적으로 유지하기 위해 상기 연료 분사노즐과 인접하는 상기 보조 산화제 분사노즐로부터 산화제를 공급한다.

삭제

본 발명의 일 실시예에 따르면 동일한 열부하도를 요구하는 경우, 동일한 연료와 산소량을 투입함에 의해 연소실내의 온도패턴을 일정하게 유지할 수 있고, 투입연료량이 적은 경우 연소실내 연소가스 유동량 저하로 인한 연소실내 온도패턴의 불균일성을 개선할 수 있다.

또한, 본 실시예는 연료 또는 산화제의 공급량이나, 공급위치 등을 가변하여 연소실 내의 유동성을 향상시킬 수 있어 연소실 내부를 전체적으로 고르게 가열할 수 있고, 연료와 산화제의 공급량이나 공급위치의 가변을 통해 화염 방향이나 온도를 변동시킬 수 있어 연소실 내의 가열소재를 국부적으로 가열할 수 있어 연소실 내부 온도를 차별화하는 것도 가능하다. 이와 같이, 본 실시예는 필요에 따라 연소실 내를 균일 가열하거나 연소실 내의 화염 온도나 형태, 가열면적 등의 가변이 가능하여 가열 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연소 장치를 도시한 사시도.
도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 연소 장치의 연소특성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치를 도시한 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 연소 장치에 의한 연소시 질소산화물(NOx)량의 변화를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 연소 장치에 의한 연소시 노즐간 거리에 따른 노내 온도분포를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시에 따른 연소 방법을 도시한 순서도.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치를 도시한 정면도이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치(100)는 노즐 본체(110)와, 산화제 분사부(200), 연료 분사부(300) 및 밸브유닛을 포함할 수 있다.

여기서, 노즐 본체(110)는 산화제 공급부와 연료 공급부가 연계되어 산화제와 연료를 공급받게 된다. 본 실시예에서 산화제 공급부와 연료 공급부는 외부에 설치될 수 있으며, 산화제로는 순산소가 사용될 수 있다. 또한, 연료로는 LNG가 사용될 수 있다.

이러한 노즐 본체(110)에는 산화제 공급부로부터 공급된 산화제를 분사하기 위한 산화제 분사부(200)가 구비될 수 있다.

산화제 분사부(200)는 복수의 산화제 분사노즐(210)을 포함하며, 노즐 본체(110)의 내부에 제공된 유로를 통해 산화제 공급부와 연계될 수 있다. 또한, 복수의 산화제 분사노즐(210) 중 적어도 하나는 산화제 공급부로부터 공급된 산화제를 분사하도록 연계될 수 있다.

일례로, 본 실시예에서 산화제 분사부(200)는 2개의 산화제 분사노즐(210)을 포함할 수 있다. 즉, 산화제 분사노즐(210)은 제1산화제 분사노즐(A1)과 제2산화제 분사노즐(A2)로 구비될 수 있다.

바람직하게는 제1산화제 분사노즐(A1)과 제2산화제 분사노즐(A2)은 각각 상이한 크기를 갖도록 제공될 수 있다.

즉, 도 1에서는 제1산화제 분사노즐(A1)의 단면적은 제2산화제 분사노즐(A2)의 단면적 보다 크게 형성될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 산화제 분사노즐(210)의 단면적 크기는 이에 한정되는 것은 아니며, 제1산화제 분사노즐(A1)과 제2산화제 분사노즐(A2)의 단면적 크기는 같으나 형태가 다르게 형성될 수 있고, 필요에 따라 다양하게 단면적의 크기 또는 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서 산화제 분사노즐(210)은 단면의 형태가 삼각형으로 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 형태로 형성되는 것도 가능하다.

또한, 노즐 본체(110)에는 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료 분사부(300)가 제공될 수 있다.

연료 분사부(300)에서 분사되는 연료는 산화제 분사부(200)에서 분사되는 산화제와 혼합될 수 있다. 이때 연료와 산화제의 혼합가스는 노즐 본체(110)의 일측에 제공되는 점화부에 의해 착화될 수 있으며, 연소공간의 압력 증가 등에 의해 착화되는 것도 가능하다.

이 연료 분사부(300)는 산화제 분사노즐과 대응되도록 제공된 복수의 연료 분사노즐(310)을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 연료 분사노즐(310)은 노즐 본체(110)의 내부에 제공된 유로를 통해 연료 공급부와 연계될 수 있다. 또한, 복수의 연료 분사노즐(310) 중 적어도 하나는 연료 공급부로부터 공급된 연료를 분사하도록 연계될 수 있다.

일례로, 본 실시예에서 연료 분사부(300)는 2개의 연료 분사노즐(310)을 포함할 수 있다. 즉, 연료 분사노즐(310)은 제1연료 분사노즐(F1)과 제2연료 분사노즐(F2)로 구비될 수 있다.

바람직하게는 제1연료 분사노즐(F1)과 제2연료 분사노즐(F2)은 각각 상이한 형태로 형성될 수 있으나, 단면적의 크기는 동일하게 형성될 수 있다(즉, F1 단면적 = F2 단면적).

또한, 산화제 분사노즐(210)도 각각의 형태는 다르게 형성될 수 있으나, 제1산화제 분사노즐(A1)과 제2산화제 분사노즐(A2)의 단면적은 동일하게 형성될 수 있다(즉, A1 단면적 = A2 단면적).

다만, 본 실시예에서 연료 분사노즐(310) 및 산화제 분사노즐(210)은 이에 한정되는 것은 아니며, 연료 분사노즐(310) 및 산화제 분사노즐(210)은 필요에 따라 다양한 단면적 크기나 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대 본 실시예에서 연료 분사노즐(310)과 산화제 분사노즐(210)은 단면의 형태가 삼각형으로 형성될 수 있으며, 서로 마주보는 방향으로 경사면이 배치될 수 있다. 또한, 연료 분사노즐(310)과 산화제 분사노즐(210)의 형태는 한정되지 않으며 이외에도 원형, 타원형, 오각형, 마름모형 등의 다양한 형태로 형성되는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예에서 각각의 산화제 분사노즐(210)과 연료 분사노즐(310)은 동일한 개수로 제공되어 서로 대응하는 위치에 제공될 수 있다.

또한, 산화제 분사노즐(210)과 연료 분사노즐(310)은 서로 대응하는 위치에서는 기본이 되는 분사속도를 기본적으로 확보하는 것이 바람직하다. 또한, 각각 대응되는 연료와 산소노즐의 간격은 서로 동일하지 않게 유지되는 것이 바람직하다.

즉, 제1연료 분사노즐(F1)과 제1산화제 분사노즐(A1) 또는 제2연료 분사노즐(F2)과 제2산화제 분사노즐(A2)을 통해 분사되는 연료와 산화제는 일정한 분사속도를 확보토록 제공될 수 있다. 또한, 제1연료 분사노즐(F1)과 제1산화제 분사노즐(A1)의 간격은 제2연료 분사노즐(F2)과 제2산화제 분사노즐(A2)의 간격과는 동일하지 않게 제공될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 산화제 분사부(200)와 연료 분사부(300)는 각각에 제공된 복수의 산화제 분사노즐(210)과 복수의 연료 분사노즐(310)의 분사특성을 가변하기 위해 산화제와 연료의 공급을 제한할 수 있다.

이를 위해, 복수의 산화제 분사노즐(210)과 산화제 공급부 및 복수의 연료 분사노즐(310)과 연료 공급부 사이에는 산화제 또는 연료의 공급을 단속하기 위한 (도시되지 않은) 밸브유닛이 제공될 수 있다.

산화제 공급부와 연료 공급부는 산화제 분사부(200)와 연료 분사부(300)로 각각 산화제와 연료를 일정량으로 공급하게 됩니다.

이때, 밸브유닛은 산화제 공급부와 복수의 산화제 분사노즐(210) 사이를 개별적으로 단속할 수 있으며, 이에 따라 복수의 산화제 분사노즐(210)의 전체 단면적으로 통해 분사되는 산화제량은 동일하나 각각의 산화제 분사노즐(210)을 통해 분사되는 산화제량은 다르게 조절할 수 있다.

즉, 밸브유닛은 산화제가 제1산화제 분사노즐(A1)로만 분사되도록 하고, 제2산화제 분사노즐(A2)은 차단할 수 있다. 또한, 밸브유닛은 제1산화제 분사노즐(A1)을 통해 약 80%의 산화제를 분사하고, 제2산화제 분사노즐(A2)을 통해 나머지의 산화제를 분사하도록 조절하는 것도 가능하다.

또한, 밸브유닛은 산화제와 함께 연료의 공급을 단속할 수 있다. 이때 밸브유닛은 연료 공급부와 복수의 연료 분사노즐(310) 사이를 개별적으로 단속할 수 있으며, 전체적으로 분사되는 연료량은 동일하나 각각의 연료 분사노즐(310)을 통해 분사되는 연료량을 다르게 조절할 수 있다.

즉, 밸브유닛은 연료가 제1연료 분사노즐(F1)로만 분사되도록 하고, 제2연료 분사노즐(F2)은 연료가 분사되지 않도록 차단할 수 있다. 또한, 밸브유닛은 제1연료 분사노즐(F1)을 통해 약 80%의 연료를 분사하고, 제2연료 분사노즐(F2)을 통해 나머지의 연료를 분사하도록 조절하는 것도 가능하다.

이와 같이, 본 실시예에서 연소 장치(100)는 노즐 본체(110)에 제공된 하나의 연료 분사노즐(310)(예컨대, 제1연료 분사노즐(F1))과 산화제 분사노즐(210)(예컨대, 제1산화제 분사노즐(A1))을 통해 연료와 산화제를 공급하는 것이 가능하므로, 기본적으로는 하나의 연료 분사노즐(310)과 산화제 분사노즐(210)을 갖는 운전조건에 대응하여 작동이 가능하며, 추가적으로 다른 노즐(예컨대, 제2연료 분사노즐(F2)과 제2산화제 분사노즐(A2))의 동시 작동으로 인한 연소량 증대를 기할 수 있어서 광범위한 가열용량에 대한 적용이 가능하다.

예를 들어 100만 kcal/hr 가열용량의 순산소 방식의 연소장치는 1개의 노즐당 100만 kcal/hr의 공급이 가능하고, 추가로 설치되는 노즐을 이용해 가열용량의 한계로 인해 가열속도 증대의 문제가 있는 경우 대응이 가능하다.

또한, 밸브유닛은 일례로 제1연료 분사노즐(F1)로만 연료가 분사될 때, 제2산화제 분사노즐(A2)로만 산화제를 분사하거나, 또는 제2산화제 분사노즐(A2)로 약 80%의 산화제를 분사하고 나머지는 제1산화제 분사노즐(A1)로 분사하도록 조절할 수 있다.

이와 같이, 밸브유닛은 제1연료 분사노즐(F1) 또는 제2연료 분사노즐(F2)을 통해 분사되는 연료의 분사위치가 제1산화제 분사노즐(A1) 또는 제2산화제 분사노즐(A2)의 산화제 분사 위치에 대응되어 서로 마주 보는 위치에서 연료와 산화제가 분사되도록 하거나, 서로 엇갈리는 위치에서 연료와 산화제가 교차로 분사되도록 하여 화염방향을 변동시키는 것이 가능하고, 노즐간의 간격 변동으로 인해 연소 반응율의 변화를 주는 것이 가능하여 노내 희박연소의 정도를 증대시켜 연소로 인한 고온부위의 발생과 질소발생 정도를 극소화시킬 수 있다.

또한, 연소실내의 가열온도 균일성을 더욱 증대시키기 위해서는 연소실내의 연소가스 유동을 더욱 촉진시키기 위해 각각 제1연료 분사노즐(F1)과 제2연료 분사노즐(F2)을 단독으로 구동시키고, 이를 서로 교차로 작동시키는 과정을 통해 연소가스의 운동량(momentum) 변동을 유발시킬 수 있다.

즉, 동일한 유속으로 연료와 산화제를 분사하는 경우에는 연소에 의한 연소가스의 발생량과 유동속도가 변화되어서 연소가스의 혼합과 유동패턴이 변화되며 연소실내의 가열온도가 더욱 균일화될 수 있다.

일례로, 100만 kcal/hr의 가열용량을 갖는 순산소 방식의 연소 장치(100)에서 2개의 연료 분사노즐(310)과 2개의 산화제 분사노즐(210)을 통해 연료와 산화제를 공급할 때, 연료와 산화제의 공급량은 항상 일정하지만 운전조건의 가변에 따라 ① 2개의 연료 분사노즐(310)과 2개의 산화제 분사노즐(210)로 연료와 산화제를 분사하는 방식, ② 1개의 연료 분사노즐(310)과 1개의 산화제 분사노즐(210)로 연료와 산화제를 분사하는 방식, ③ 2개의 연료 분사노즐(310)과 2개의 산화제 분사노즐(210)로 연료와 산화제를 공급하나 각각에서 분사되는 연료와 산화제 투입량을 다르게 하여 분사하는 방식, ④ 1개의 연료 분사노즐(310)과 1개의 산화제 분사노즐(210)을 통해 연료와 산화제를 분사하나 연료와 산화제가 분사되는 위치를 변경하여 분사하는 방식 등과 같이, 연료와 산화제를 분사하는 방식을 다변화하여 연료와 산소의 분사속도의 변화, 분사방향의 변화, 연료와 산소 노즐 간격의 변화로 인한 반응율의 변화를 부여할 수 있고, 이에 따라 노내 열유동성을 촉진시킴에 의해 노내 가열온도의 균일화와 희박연소를 통한 질소산화물(NOx)의 발생 정도를 극소화할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 산화제 분사부(200)는 연료 분사노즐(310)(즉, 제1연료 분사노즐(F1)과 제2연료 분사노즐(F2))과 산화제 분사노즐(210)(즉, 제1산화제 분사노즐(A1)과 제2산화제 분사노즐(A2)) 사이에 제공되는 보조 산화제 분사노즐(A0)을 더 포함하는 것도 가능하다.

보조 산화제 분사노즐(A0)은 연료 분사노즐(310)과 산화제 분사노즐(210) 사이에서 추가로 산화제를 분사하게 되며, 이에 따라 더욱 희박한 연료로도 연소가 가능하며, 이에 따라 완전연소가 가능하도록 산화제를 공급할 수 있으며, 이에 따라 질소산화물(NOx)의 발생율을 더욱 낮출 수 있고, 연소 효율의 향상 및 연소가스의 운동량(momentum) 변동을 더욱 크게 유발시키는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 연소 장치에 의한 연소시 질소산화물(NOx)량의 변화를 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 연소 장치에 의한 연소시 노즐간 거리에 따른 노내 온도분포를 도시한 그래프이다.

도 4와 도 5를 참고하면, 연료는 제1연료 분사노즐(F1)과 제2연료 분사노즐(F2)을 통해 동일한 연료량이 분사되고, 산화제(일례로 순산소)는 제1산화제 분사노즐(A1), 제2산화제 분사노즐(A2) 및 보조 산화제 분사노즐(A0)을 통해 완전 연소가 가능한 산소량을 분사된다.

연소 초기에는 5개의 분사노즐을 통해 연료와 산화제를 공급하면서 발생되는 질소산화물(NOx) 발생량과 온도분포를 측정하다가 일정 시간이 경과된 후 보조 산화제 분사노즐(A0)을 통해 분사되는 산화제 공급을 차단하고, 제1산화제 분사노즐(A1), 제2산화제 분사노즐(A2)로만 초기와 동일한 산화제를 분사한다.

이러한 연소조건에 따라 연료의 분사속도는 일정하였으나, 산화제의 분사속도는 변화가 발생한다. 즉, 산화제의 공급량은 동일하나 보조 산화제 분사노즐(A0)을 통한 산화제의 분사가 이루어지지 않음에 따라 산화제의 분사속도가 변화되고 연료 분사노즐(310)과의 거리가 증가함에 따라 연소 반응율의 변화가 발생하여 연소실내에 질소산화물(NOx)의 발생량에 변화가 발생되고, 이와 동시에 노내 온도분포의 변화가 발생된다.

이와 같이, 본 발명에 의한 연소 장치(100)를 이용하여 다양한 방식으로 연소 패턴을 변경할 수 있고, 이에 따라 다양한 연료와 산화제의 분사조건 변화를 통해 가열로내의 요구되는 다양한 운전조건에 대한 대응이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시에 따른 연소 방법을 도시한 순서도로서, 도 6을 참고하여 전술된 바와 같이 구성된 본 실시예의 연소 장치(100)를 이용한 연소 방법을 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예의 연소 방법은 소재의 가열을 위해 전술된 연소 장치(100)를 이용하여 산화제와 연료를 연소시키는 연소방법이다.

이러한 연소 방법은 먼저 산화제 공급부와 연료 공급부를 노즐 본체(110)에 연계하여 산화제와 연료가 공급될 수 있도록 연결한다.

그리고, 산화제 분사부(200)로 산화제를 공급하고, 연료 분사부(300)로 연료를 공급하는 연소준비단계가 진행된다(S11 참조).

연소준비단계가 완료되면, 산화제와 연료를 분사하는 분사단계가 진행된다(S12 참조).

분사단계는 산화제를 분사하는 과정과 연료를 분사하는 과정으로 나누어진다. 산화제는 산화제 분사부(200)의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나로 분사할 수 있다. 또한, 연료는 연료 분사부(300)의 연료 분사노즐 중 적어도 하나로 분사할 수 있다. 연료는 산화제의 분사에 대응하여 분사할 수 있다.

즉, 산화제는 산화제 분사노즐 중 하나로부터 분사될 수 있으며, 필요에 따라 다른 산화제 분사노즐을 통해 분사되는 것도 가능하다. 이때 하나의 산화제 분사노즐 또는 복수의 산화제 분사노즐을 통해 분사되는 산화제의 총량은 동일하게 유지될 수 있다.

또한, 연료는 연료 분사노즐 중 하나로부터 분사될 수 있으며, 필요에 따라 다른 연료 분사노즐을 통해 분사되는 것도 가능하다. 이때 하나의 연료 분사노즐 또는 복수의 연료 분사노즐을 통해 분사되는 연료의 총량은 동일하게 유지될 수 있다.

더불어, 연소초기에는 연료 분사노즐과 인접하는 보조 산화제 분사노즐(A0)로부터 산화제가 공급될 수 있으며, 이에 따라 초기 연소를 안정적으로 유지할 수 있다. 이때, 보조 산화제 분사노즐(A0)로부터 산화제가 공급되더라도, 전체적으로 산화제 분사부(200)로부터 공급되는 산화제량은 동일하게 유지한다.

이와 같이 분사단계에서 분사된 연료와 산화제는 연소실 내 공간에 서로 혼합된 가스 상태로 존재하며, 이러한 점화부로부터 불꽃을 발생시켜 혼합된 가스를 점화시켜 연소시키는 연소단계가 진행된다(S14 참조).

한편, 분사단계는 산화제와 연료의 분사특징을 가변함에 따라 연소단계의 연소 특성을 가변할 수 있다. 이를 이용하여 연소실내 산화제와 연료가 공급되는 위치에 따라 연료와 산화제의 공급량을 차별화하여 각각의 분사노즐을 통한 분사속도를 차별화할 수 있으며, 이에 따라 연소가스의 운동량(momentum) 변동을 유발시킬 수 있다(S13 참조).

즉, 연료 및 산화제는 서로 마주보는 위치에서 분사될 수 있으며, 필요에 따라 서로 엇갈리는 위치에서 연료와 산화제가 교차하도록 분사할 수 있다. 이때, 연료와 산화제는 각각의 연료 분사노즐과 산화제 분사노즐 사이의 간격 변동으로 인해 연소 반응율의 변화를 주는 것이 가능하여 노내 희박연소의 정도를 증대시켜 연소로 인한 고온부위의 발생과 질소발생 정도를 극소화시킬 수 있다.

본 발명의 명세서, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

100: 연소 장치 110: 노즐 본체
200: 산화제 분사부 210: 산화제 분사노즐
300: 연료 분사부 310: 연료 분사노즐

Claims (7)

1. 산화제 공급부와 연료 공급부가 연계되는 노즐 본체; 상기 노즐 본체에 제공되는 복수의 산화제 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 분사하도록 구비되는 산화제 분사부; 상기 노즐 본체에 상기 산화제 분사노즐과 대응되게 제공되는 복수의 연료 분사노즐을 포함하며, 상기 복수의 연료 분사노즐 중 적어도 하나는 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 분사하도록 구비되는 연료 분사부; 및 상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 산화제 공급부 및 상기 복수의 연료 분사노즐과 상기 연료 공급부 사이에 각각 제공되어 산화제 또는 연료의 공급을 단속하는 밸브유닛;을 포함하고,
   상기 산화제 분사부는 상기 연료 분사노즐과 상기 산화제 분사노즐 사이에서 상기 산화제 분사노즐에 비해 상기 연료 분사노즐과 인접하여 산화제를 분사하도록 제공되는 보조 산화제 분사노즐을 포함하는 연소 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 복수의 연료 분사노즐은 단면적이 삼각형 형상으로 마련되며, 서로 마주보는 방향으로 경사면이 배치되고, 각각의 단면적의 크기와 형태가 상이하게 형성되는 연소 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 산화제 분사노즐과 상기 복수의 연료 분사노즐은 동일한 개수로 마련되어 상호 대응되는 위치에 배치되는 연소 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 산화제 공급부와 상기 연료 공급부는 상기 산화제 분사부와 상기 연료 분사부로 일정량의 산화제와 연료를 각각 공급하고,
   상기 산화제 분사부에 구비된 각각의 산화제 분사노즐과 상기 연료 분사부에 구비된 각각의 연료 분사노즐은 상기 밸브유닛에 의해 산화제와 연료의 분사량 및 분사속도가 개별적으로 제어되는 연소 장치.
5. 삭제
6. 소재의 가열을 위해 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 연소 장치를 이용하여 산화제와 연료를 연소시키는 연소 방법으로,
   상기 산화제 분사부로 산화제를 공급하고, 상기 연료 분사부로 연료를 공급하는 연소준비단계; 상기 산화제 분사부의 산화제 분사노즐 중 적어도 하나로 산화제를 분사하고, 상기 산화제 분사부의 산화제 분사에 대응하여 상기 연료 분사부의 연료 분사노즐 중 적어도 하나로 연료를 분사하는 분사단계; 및 상기 산화제 분사노즐 및 상기 연료 분사노즐로부터 분사되어 혼합되는 산화제와 연료의 혼합가스를 점화시켜 연소시키는 연소단계;를 포함하고,
   상기 분사단계는 상기 연소준비단계에서 상기 산화제 분사부와 상기 연료 분사부로 일정량의 산화제와 연료가 공급되고, 상기 소재의 가열조건에 따라 화염의 연소 패턴을 가변하기 위해 상기 산화제 분사노즐 중 적어도 하나와 상기 연료 분사노즐 중 적어도 하나에서 분사되는 산화제와 연료의 분사량, 분사위치, 분사속도를 가변하고,
   상기 분사단계는 연소초기에 초기 연소를 안정적으로 유지하기 위해 상기 연료 분사노즐과 인접하는 상기 보조 산화제 분사노즐로부터 산화제를 공급하는 연소 방법.
7. 삭제

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