KR101751984B1 - 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기 - Google Patents

화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소기의 화염을 안정화하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기가 어려운 종래기술의 연소기들의 문제점 및 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머(streamer)를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 고전압 인가형 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성을 강화하고, 그것에 의해, 희박연소 조건의 운전이 가능해져 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있는 동시에, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 것에 더하여, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되어 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공된다.

Description

화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기{Streamer induction type combustor for improving flame stability}
본 발명은 연소기의 화염을 안정화하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기가 어려운 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머(streamer)를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성을 강화하고, 그것에 의해, 희박연소 조건의 운전이 가능해짐으로써 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 상기한 바와 같이 연소실 내에 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머 발생 특성이 향상되고 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 것에 더하여, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되고, 그것에 의해, 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
종래, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 연료전지용 개질기와 가열기 및 가스터빈(Gas Turbine) 등과 같은 여러 분야에 걸쳐 액체 또는 기체 연료와 공기의 연소 반응을 통해 연료가 가진 화학에너지를 열에너지로 변환하는 연소기(Combustor)가 널리 사용되고 있다,
이러한 연소기는, 일반적으로, 연료가 분사되는 연료공급부, 공기나 산화제가 공급되는 급기부 및 버너를 구비하여, 연소실 내부에 연료가 분사되면서 점화되어 화염이 형성되고, 연료와 산화제의 급격한 반응을 통해 지속적으로 고온의 열에너지를 발생하도록 구성된다.
즉, 연소기는, 상기한 바와 같이 연료를 연소시켜 동력을 얻는 구조적인 특징상 연비, 즉, 열효율과 같은 연소효율의 개선을 통하여 전체적인 성능을 향상시키는 것이 요구되며, 이와 함께, 최근에는, 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
여기서, 연소기의 연소로 인해 발생하는 공해물질의 저감을 위하여는, 연소 화염을 안정시켜 불안정 연소가 발생하지 않고 안정된 연소가 이루어지도록 하는 연소제어가 요구된다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이 화염을 안정화시키고 안정연소를 유도하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1238301호에 따르면, 연료공급관을 통해 분사되는 연료와 1차 분할 분사되는 산소가 연료과농상태로 혼합되는 1차 부분예혼합관과, 1차 부분 예혼합관보다 큰 직경으로 그 출구측에 확장연결되어 1차 부분예혼합관에서 형성된 연료과농 혼합가스 일부가 공급되고 2차 분할 분사되는 산소와 혼합되어 연료희박 상태로 분사되는 2차 혼합 분사관과, 1차 부분예혼합관의 출구측 중앙으로부터 2차 혼합 분사관의 출구단 측으로 연장 형성되어 1차 부분예혼합 가스의 일부가 2차 혼합 분사관의 출구단으로부터 연료과잉 상태로 직접 분사되도록 하는 1차 혼합가스 분리 분사노즐과, 1차 부분예혼합관과 2차 혼합 분사관으로 산소를 각각 분할 공급하는 산소공급실을 포함하여, 저순도의 산소를 산화제로 이용하고 2단 부분예혼합 분리 분사 및 연소배가스 재순환을 통해 화염온도 및 연소실 분위기 온도제어가 가능하면서 질소산화물의 발생을 최소화할 수 있는 보일러 및 공업로 겸용 가스연료용 저질소산화물 산소연소기가 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같이 화염을 안정화시키고 안정연소를 유도하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 국제공개특허 WO 2009/084587호에 따르면, 연소화염을 생성하는 내측 예혼합기 생성부 및 외측 예혼합기 생성부와, 이들 예혼합기 생성부를 내부에 갖는 내통과, 내통과 터빈의 입구부를 접속하는 미통을 구비하고, 외측 예혼합기 생성부는 내측 예혼합기 생성부의 외주를 둘러싸고 배치되며, 내측 예혼합기 생성부와 외측 예혼합기 생성부는 원통 형상의 스월러 링을 사이에 두고 배치되어, 예혼합기 생성부 출구의 내벽면 중 연소기의 직경 방향 외측의 내벽면이 직경 방향 내측의 내벽면보다도 연소화염의 축 방향으로 연장되도록 구성됨으로써, 예혼합기 생성부의 연소화염이 연장된 직경 방향 외측의 내벽면을 따라 매끄럽게 신장되고 미통의 축 방향으로 분산되어 안정화되는 것에 의해 연소진동의 발생이 억제되도록 구성되는 가스 터빈의 연소기가 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 화염을 안정화시키고 안정연소를 유도하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 일본 공표특허공보 특표 2007-524065호에 따르면, 연료특성, 연소특성 또는 다른 장치특성 등의 관련 정보를 감지하여 그 정보에 따라 연소장치의 성능을 제어하는 장치를 포함하고, 연소특성을 조정하도록 연료에 하나 이상의 첨가제의 첨가를 통해 성능제어가 이루어지며, 이러한 감지 및 성능 제어를 통해 연료특성이 변화하여도 일정한 연소장치 성능이 유지될 수 있도록 구성되는 화염 안정 및 제어를 위한 시스템 및 방법이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같이 화염을 안정화시키고 안정연소를 유도하여 연소특성을 개선하고 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0713708호에 따르면, 연료가 공급되는 중앙연료노즐과, 중앙연료노즐을 중심으로 하여 이를 둘러싸도록 전기적 절연물질로 배치되되 하단의 마주보는 양측면에 공기주입구가 구비되고 내부는 공간을 갖도록 형성되며, 유입된 공기가 선회하는 선회실과 중앙연료노즐에서 분사된 연료와 선회실로부터 유입된 공기가 연소되는 연소실로 구분되도록 형성되어 확산화염에 적용 가능하도록 이루어진 하우징과, 중앙연료노즐의 배출구 부분에 고전압 전기장을 형성시키기 위해 고전압을 인가하는 고전압 단자와 접지 단자로 이루어지며 연소기로부터 원거리 설치되는 고전압 인가장치를 포함하여, 고전압 인가장치가 연료노즐의 배출구 부분에 고전압을 형성시킬 수 있도록 고전압 인가장치의 고전압단자가 연결되고, 접지단자는 연소기와 연결됨 없이 접지처리되도록 하여 전기적인 방전현상의 발생 없이 화염을 고전압 전기장하에 노출되도록 함으로서, 화염 내의 풍부한 각종 이온들과 전기장과의 상호작용을 통하여 궁극적으로 전력소모가 거의 없이 화염의 안정화 영역을 증대시키는 것이 가능한 화염 안정화영역 증대를 위한 교류 고전압 인가 연소시스템이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 안정연소를 유도하여 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 종래기술의 방법들은, 특히, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해서는 희박연소 조건에서 연소가 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하나, 이러한 희박연소시 화염을 안정적으로 유지하기가 어려운 단점이 있었다.
또한, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해, 예를 들면, 배가스 재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)과 같이, 기존의 연소기 구성에 별도의 장치나 수단을 추가적으로 부가하는 것은 연소기의 전체적인 구성이 복잡해지고, 전체적인 제조 및 운영 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
이에, 기존의 FGR 대신에, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 스트리머 유도형 연소기에 관한 기술내용이 제시된 바 있으나, 이러한 종래의 스트리머 유도형 연소기는, 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려움으로 인해 화염의 안정성을 유지하기 어려운 문제가 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같이, 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 스트리머 유도형 연소기들의 문제점을 해결하기 위해서는, 예를 들면, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도하여 화염의 안정성을 강화하고, 그것에 의해, 희박연소 조건의 운전이 가능하도록 함으로써, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1238301호 (2013.02.22.)
2. 국제공개특허 WO 2009/084587호 (2009.07.09.)
3. 일본 공표특허공보 특표 2007-524065호 (2007.08.23.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0713708호 (2007.04.25.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머(streamer)를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 스트리머 유도형 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성을 강화하고, 그것에 의해, 희박연소 조건의 운전이 가능하도록 하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 연소실 내에 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머 발생 특성이 향상되는 동시에, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 것에 더하여, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되고, 그것에 의해, 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 있어서, 연소가 이루어지는 연소실; 상기 연소실 내부에 전기장을 인가하기 위해 상기 연소기의 외부에 설치되는 고전압공급기; 도체로 형성되고 상기 연소기 연소실의 일측에 구비되어 연소를 위한 혼합기의 분사 및 상기 고전압공급기로부터 공급되는 전압을 상기 연소실 내부에 인가하기 위한 전극의 역할을 동시에 수행하는 노즐; 유전체 또는 부도체로 형성되어 상기 노즐의 외측에 배치되는 장벽부재; 및 상기 장벽부재의 외측면에 인접하여 상기 연소실 내부로 돌출하여 형성되는 접지부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공된다.
여기서, 상기 연소기는, 상기 연료를 공급하기 위한 연료공급부; 상기 공기를 공급하기 위한 공기공급부; 및 배기가스를 배출하기 위한 배기부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소기는, 상기 연료와 상기 공기 또는 산화제의 혼합을 촉진하고 화염을 안정시키기 위한 스월러(swirler)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전원공급기는, 상기 연소실 내부에 교류(AC) 전압이나 펄스 전압 또는 구형(square) 전압을 인가하기 위해, 교류나 펄스 또는 구형의 파형을 생성하는 파형생성부; 및 생성된 파형을 증폭하는 전압증폭부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 장벽부재는, 세라믹이나 쿼츠(Quartz)를 포함하는 유전체 또는 부도체 재질을 이용하여 전체적으로 긴 중공형의 원통 형상을 가지고, 적어도 상기 접지부의 높이보다 더 높은 크기로 형성되어 상기 노즐의 외측에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 화염 안정성 향상 및 공해물질 저감방법에 있어서, 상기에 기재된 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제작하는 단계; 및 상기 연소기를 제작하는 단계에서 제작된 연소기를 이용하여 연소를 행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 화염 안정성 향상 및 공해물질 저감방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치하여, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성이 강화됨으로 인해 희박연소 조건의 운전이 가능해지도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 스트리머 유도형 연소기들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소실 내에 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치하여 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머 발생 특성이 향상되는 것에 더하여, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 동시에, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되고, 그것에 의해, 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있다.
도 1은 종래기술의 고전압 인가형 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 종래기술의 고전압 인가형 연소기의 구체적인 연소 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 설치되는 장벽부재의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기의 구체적인 연소 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머(streamer)를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 스트리머 유도형 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성을 강화하고, 그것에 의해, 희박연소 조건의 운전이 가능하도록 하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연소실 내에 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치함으로써, 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머 발생 특성이 향상되는 동시에, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 것에 더하여, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되고, 그것에 의해, 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래기술의 고전압 인가형 연소기(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술의 고전압 인가형 연소기(10)는, 크게 나누어, 접지되어 있는 연소기 라이너(11)와, 연소기 라이너(11) 내부에서 연소가 이루어지는 연소실(12)과, 공기와 연료가 연소실에 공급되기 전에 미리 혼합되는 예혼합실(13)과, 연소기 라이너(11)의 일측에 구비되는 노즐(14) 및 도시되지는 않았으나, 연료와 공기를 공급하고 배기가스를 배출하기 위한 연료공급부, 공기공급부 및 배기부를 포함하는 일반적인 연소기의 구성에 더하여, 연소실(12) 내부에 전기장을 인가하기 위해 외부에 설치되는 고전압공급기(15)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기한 노즐(14)은, 도체로 구성되어 전극의 역할을 동시에 수행하도록 구성되며, 도 1의 부호(16)은 노즐(14)부터 발생되는 화염을 나타내고 있다.
또한, 상기한 연소기(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료와 산화제의 혼합을 촉진하고 화염을 안정시키기 위한 스월러(swirler)(17)를 필요에 따라 더 포함하여 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 고전압공급기(15)는, 연소실(12) 내부에 교류(AC) 전압이나 펄스 전압, 또는, 구형(square) 전압을 인가하기 위해, 교류나 펄스 또는 구형의 파형을 생성하는 파형생성부와, 생성된 파형을 증폭하여 고전압을 공급해 주는 전압증폭부를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 고전압공급기(15)로부터 전극(16)을 통해 연소실(12) 내부에 전기장이 인가되면, 화염(16)과 노즐(14) 사이에 스트리머(streamer)(18)가 발생하여 화염의 상대적인 위치가 끌어 당겨지는 것에 의해 화염이 안정되고 안정연소가 유도될 수 있다.
여기서, 고전압 인가형 연소기(10)에서 상기한 바와 같이 전기장의 인가에 의해 화염이 안정화되는 원리 및 구성에 대한 보다 구체적인 내용은, 종래기술의 문헌 등을 통하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용이므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명은 생략하였음에 유념해야 한다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 종래기술의 고전압 인가형 연소기의 구체적인 연소 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 2에 있어서, 부호(16)은 화염이고, 부호(18)은 노즐(14)과 화염(16) 사이에 발생하는 스트리머이며, 부호(19)는 스트리머(18)를 통과하지 않는 혼합기 흐름이고, 부호(20)은 스트리머(18)를 통과하는 혼합기 흐름을 각각 나타내고 있다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래기술의 고전압 인가형 연소기(10)는, 예혼합실(13)을 거쳐 화염(16)으로 공급되는 연료와 공기 또는 연료와 산화제의 혼합기(19, 20) 중 일부분(20)만이 노즐(14)과 화염(16) 사이에서 발생된 스트리머(18)를 통과하고, 나머지 혼합기(19)는 스트리머(18)를 통과하지 않고 화염(16)에 공급되므로, 스트리머(18)의 영향이 전체 화염(16) 중 일부분에만 국한됨으로 인해 화염 안정화 효과에 명백한 한계가 있는 것이었다.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 종래기술의 고전압 인가형 연소기(10)의 단점을 개선하여, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 기존보다 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염 안정성이 향상되고, 그것에 의해, 희박연소 조건에서 운전이 가능하게 됨으로써 NOx와 같은 공해물질의 저감이 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기 구조를 제시하였다.
더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)는, 크게 나누어, 접지되어 있는 연소기 라이너(31)와, 연소기 라이너(31) 내부에서 연소가 이루어지는 연소실(32)과, 공기와 연료가 연소실에 공급되기 전에 미리 혼합되는 예혼합실(33)과, 연소기 라이너(31)의 일측에 구비되는 노즐(34), 연소기(30)의 외부에 설치되어 교류(AC) 전원을 공급하는 것에 의해 연소실(32) 내부에 전기장을 인가하는 고전압공급기(35) 및 도시되지는 않았으나, 연료와 공기를 공급하고 배기가스를 배출하기 위한 연료공급부, 공기공급부 및 배기부에 더하여, 필요에 따라, 연료와 산화제의 혼합을 촉진하고 화염을 안정시키기 위한 스월러(swirler)(37)를 포함하여 구성되는 점은 기존의 일반적인 연소기의 구성 및 상기한 도 1에 나타낸 종래기술의 연소기(10)와 같다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)는, 유전체 또는 부도체로 이루어지는 링 형태로 형성되어 노즐(34)의 외측에 배치되는 것에 의해 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과를 유도할 수 있도록 이루어지는 장벽부재(39) 및 장벽부재(39)의 외측면에 인접하여 연소실 내부로 돌출하여 형성되는 접지부(40)를 더 포함하여 구성되는 점이 다르다.
여기서, 상기한 장벽부재(39)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 적어도 접지부(40)의 높이보다 더 높은 크기로 배치되는 것이 바람직하다.
더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)에 설치되는 장벽부재(39)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 장벽부재(39)는, 그 단면이 원형의 링 형태로 형성되고, 전체 길이는 접지부(40)의 길이보다 길게 하여, 전체적으로 전극의 길이보다 긴 원통 형상을 가지도록 형성될 수 있으며, 그 재질로는, 예를 들면, 세라믹이나 쿼츠(Quartz) 등과 같은 유전체 또는 부도체 소재를 이용하여 형성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 고전압공급기(35)를 통하여 노즐(34)에 교류 전압을 인가하면, 연소실(32) 내부에 전기장이 형성되어 화염(36)과 노즐(34) 사이에 스트리머(streamer)(38)가 발생되어 화염이 안정화될 수 있으며, 이때, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 접지부(40)보다 긴 길이를 가지는 중공형의 원통 형상을 가지는 유전체 또는 부도체로 형성되는 장벽부재(39)를 노즐(34)의 외측에 배치함으로써, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 기존보다 더욱 강한 다량의 스트리머가 발생하여 화염의 안정성이 더욱 강화될 수 있다.
여기서, 상기한 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머의 발생이 향상되는 원리에 대한 보다 상세한 내용은 종래기술의 문헌 등을 통하여 당업자에게 자명한 사항이므로, 설명을 간략히 하기 위해 여기서는 DBD 효과에 대한 더욱 구체적인 내용은 생략하였음에 유념해야 한다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)의 구체적인 연소 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 5에 있어서, 부호(36)은 화염이고, 부호(38)은 노즐(34)과 장벽부재(39) 사이에 발생하는 스트리머이며, 부호(41)은 스트리머(38)를 통과하는 혼합기 흐름을 각각 나타내고 있다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기(30)는, 고전압공급기(35)와 연결되어 고전압 전극으로 이용되는 중앙의 노즐(34)과 연소실 내부로 돌출되어 있는 접지부(40) 사이에 유전체로 이루어지는 장벽부재(39)를 설치함으로써, 노즐(34)과 연소실 내 돌출하여 설치되는 접지부(40) 사이에서 다량의 강한 스트리머(38)를 유도하여 스트리머(38) 발생영역이 확장되고, 발생빈도가 증가하여, 예혼합실(33)을 거쳐 화염(36)으로 공급되는 연료와 공기 또는 연료와 산화제의 혼합기(41)의 전체가 노즐(34)과 접지부(40) 사이에서 발생된 스트리머(38)를 통과하여 화염(36)에 공급되므로, 스트리머(38)의 영향이 전체 화염에 작용할 수 있도록 구성될 수 있다.
그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래기술의 고전압 인가형 연소기(10)에 비해 화염의 안정성이 더욱 향상되며, 이와 같이 화염의 안정성이 향상되면 연소기를 보다 희박 예혼합 조건에서 운전하는 것이 가능하게 되고, 이와 같이 하여 희박 연소를 수행하게 되면, 화염 온도를 낮게 유지할 수 있으므로 열(thermal) NOx의 발생을 억제할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 연소실 내에 전기장을 인가하는 것에 의해 스트리머(streamer)를 발생시켜 화염을 안정화시킬 수 있도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 예를 들면, 가스터빈의 연소기와 같은 연소기에 있어서, NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하기 위해 희박연소 조건에서 화염의 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치하여, 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 더욱 강한 다량의 스트리머를 유도 가능하여 화염의 안정성이 강화됨으로 인해 희박연소 조건의 운전이 가능해지도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 연소실 내에 전기장을 인가하여 화염 안정성을 향상시키기 위한 스트리머를 강하고 균일하게 발생시키는 것이 어려운 문제가 있었던 종래기술의 스트리머 유도형 연소기들의 문제점을 해결할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소실 내에 전기장을 인가하기 위한 전극의 내측에 유전체 또는 부도체 재질의 장벽을 설치하여 유전체 장벽 방전(DBD) 효과에 의해 스트리머 발생 특성이 향상되는 것에 더하여, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되는 동시에, 유전체 장벽 구조에 의해 화염 재순환영역이 확장되고, 그것에 의해, 추가적인 화염 안정성의 향상이 가능하도록 구성되는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기가 제공됨으로써, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 고전압 인가형 연소기 11. 연소기 라이너
12. 연소실 13. 예혼합실
14. 노즐 15. 고전압공급기
16. 화염 17. 스월러
18. 스트리머 19. 혼합기 흐름(스트리머 미통과)
20. 혼합기 흐름(스트리머 통과)
30. 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기
31. 연소기 라이너 32. 연소실
33. 예혼합실 34. 노즐
35. 고전압공급기 36. 화염
37. 스월러 38. 스트리머
39. 장벽부재 40. 접지부
41. 혼합기 흐름(스트리머 통과)

Claims (6)

  1. 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기에 있어서,
    연소가 이루어지는 연소실;
    상기 연소실 내부에 교류(AC) 전압이나 펄스 전압 또는 구형(square) 전압을 인가하기 위해, 교류나 펄스 또는 구형의 파형을 생성하는 파형생성부 및 생성된 파형을 증폭하는 전압증폭부를 포함하여 상기 연소기의 외부에 설치되는 고전압공급기;
    도체로 형성되고 상기 연소기 연소실의 일측에 구비되어 연소를 위한 혼합기의 분사 및 상기 고전압공급기로부터 공급되는 전압을 상기 연소실 내부에 인가하기 위한 전극의 역할을 동시에 수행하는 노즐;
    세라믹이나 쿼츠(Quartz)를 포함하는 유전체 또는 부도체 재질을 이용하여 전체적으로 긴 중공형의 원통 형상으로 형성되어 상기 노즐의 외측에 배치되는 장벽부재; 및
    상기 장벽부재의 높이보다 낮은 크기로 상기 장벽부재의 외측면에 인접하여 상기 연소실 내부로 돌출 형성되는 접지부를 포함하여 구성되고,
    상기 고전압공급기와 연결되는 상기 노즐과 상기 연소실 내부로 돌출되는 접지부 사이에 유전체로 이루어지는 상기 장벽부재가 설치되어 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge ; DBD) 효과에 의해 상기 노즐과 상기 접지부 사이에서 종래의 고전압 인가형 연소기들에 비해 더욱 강한 다량의 스트리머가 유도될 수 있으므로, 비열 플라즈마(non-thermal plasma)로 인해 전력소비량이 절감되며, 스트리머 발생영역이 확장되고 발생빈도가 증가되어 상기 스트리머의 영향이 화염 전체에 작용되는 것에 의해 화염 안정성이 향상되는 동시에, 희박연소 조건에서 운전이 가능하여 NOx를 포함하는 공해물질을 저감할 수 있도록 구성됨으로써,
    스트리머의 영향이 화염의 일부분에만 국한됨으로 인해 화염 안정화 효과에 한계가 있었던 종래기술의 고전압 인가형 연소기들의 단점을 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 개선할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연소기는,
    연료를 공급하기 위한 연료공급부;
    공기를 공급하기 위한 공기공급부; 및
    배기가스를 배출하기 위한 배기부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연소기는,
    연료와 공기 또는 산화제의 혼합을 촉진하고 화염을 안정시키기 위한 스월러(swirler)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 화염 안정성 향상 및 공해물질 저감방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 3항 중 어느 한 항에 기재된 화염 안정성 향상을 위한 스트리머 유도형 연소기를 제작하는 단계; 및
    상기 연소기를 제작하는 단계에서 제작된 연소기를 이용하여 연소를 행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 화염 안정성 향상 및 공해물질 저감방법.
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