KR101753347B1 - 액체연료의 저녹스화 연소시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체연료의 연소 시 질소산화물인 녹스(NOx)의 발생을 억제하고 이산화탄소의 발생을 저감하는 연소시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연소효율이 저조한 액체연료를 완전연소시킴과 동시에 물의 열분해 방법을 통한 과잉산소를 수소의 산화제로 유도함으로써, 질소산화물 발생을 저감시키고 이산화탄소 발생을 억제하는 연소시스템으로서, 물 속의 산소가 과포화 상태의 열에너지 흡수를 도모하여 최상의 열분해를 일으키도록 함으로써, 과잉공급된 산소를 소모시켜 질소산화물인 녹스(NOx)의 발생을 억제할 수 있고 이산화탄소의 발생을 저감할 수 있는 액체연료의 저녹스화 연소시스템을 제공한다.

Description

액체연료의 저녹스화 연소시스템{LOW NOx COMBUSTION SYSTEM FOR LIQUID FUEL}

본 발명은 액체연료의 저녹스화 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체연료의 연소 시 질소산화물인 녹스(NOx)의 발생을 억제하고 이산화탄소의 발생을 저감하는 연소시스템에 관한 것이다.

최근 지구의 온난화 및 각종 산화물질로 인하여 공기의 질은 날이 갈수록 나빠지고 있다.

특히, 오염된 산소발생을 방지하기 위하여 저녹스 버너 개발이 진행되고 있으며, 이러한 저녹스 버너의 기본은 완전연소이다.

하지만, 액체연료의 연소효율은 가스연료의 연소효율보다 매우 낮은 실정이다.

그 결과, 주에너지원을 액체연료에서 기체연료로 대체하고 있는 실정이다.

이로 인해, 미세먼지가 발생되고 공기질을 저하시키는 치명적인 대기오염 요소가 되고 있다.

이러한 환경오염의 요소를 막기 위해서는 액체연료의 완전연소를 겸비한 저녹스화 기술은 필수적이다.

현재 저녹스 버너의 기술은 액체연료보다 기체연료, 즉 가스 버너에 많이 적용되고 있다.

그 이유는 저녹스화 방법과 완전연소방법은 정반대의 기술이기 때문이다.

즉, 화염온도가 높을수록 질소산화의 발생이 왕성하다.

특히, 액체연료는 기화하는 과정에서 충분한 산소가 공급되어야 하기 때문에 과잉공기 공급이 이루어질 수 밖에 없다.

하지만, 가스 버너에서는 이미 가스화된 연료를 사용하기 때문에 과잉 산소공급을 막을 수 있으며, 높은 산소의 영역을 억제하여 화염의 집중을 막을 수 있다.

또한, 가스연료의 공급을 분할하여 화염온도를 분할함으로써 화염온도를 낮추고, 연소에 필요한 필요공기와 과잉공기를 분리하여 연소에 필요한 연소공기의 부족한 공기를 공급함과 더불어 과잉산소공급을 억제하는 방식으로 낮추거나, 과잉공기공급을 억제하여 과열된 산소와 질소의 반응을 억제함으로써 질소와 암모니아화를 방지하여 질소 산화물의 발생을 억제하고 있다.

이와 같은 저녹스 버너의 원리 및 방법에 대해 예를 들면 다음과 같다.

1. 분할 화염방식(화염의 온도를 낮추는 방식)

저녹스 버너는 가스 디퓨저 디스크에서 가스 노즐의 분출방향이 연소용 공기의 흐름에 직각으로 분출되며, 그 중 일부분의 가스는 단독으로 화염의 중심을 향해 분출되어 중앙과 외곽 화염을 다르게 하는 분할 화염 기술을 적용함으로써 화염의 온도를 낮추는 기술이다.

2. 베이스 재순환방식

저녹스 버너 헤드에서의 연소헤드와 디퓨저 디스크의 간격에 의한 공기와 연료의 연소속도가 빨라져 연소된 가스를 재순환시키며, 연료와 공기를 단계적으로 공급하여 높은 산소 영역대에서 화염이 집중되는 것을 방지하는 기술이다.

3. 단계적 연소방식

주 공기는 전체공기의 15∼20% 이고, 2차 공기는 화염에 점진적으로 혼합되도록 설계된다.

주 공기를 2차 공기로부터 분리하고 혼합을 늦추기 위해 재순환 공기 혹은 차가운 공기가 주 공기 노즐 주위에 공급되도록 하는 기술이다.

이렇게 연소효율은 저녹스화 방법을 구현하는데 있어서 매우 중요하며, 위의 3가지 방식은 연소 시 일산화탄소 발생이 적은 가스 버너에 적용되는 기술로써 이러한 연소방식은 기체연료를 사용하는 버너에서 적용이 가능한 방식이다.

하지만, 화석연료의 90% 이상을 차지하는 액체상태의 연료를 저녹스화하는데는 상당한 어려움이 있으며, 저녹스화의 기본은 완전연소가 진행되어야 저녹스화 기술적용이 가능하기 때문이다.

그 이유는 유해가스인 일산화탄소 발생을 억제해야 하기 때문이다.

즉, 액체연료 사용을 위한 저녹스 버너는 완전연소를 진행한 다음, 저녹스화를 실현해야 하는 어려움이 있다.

특히, 완전연소 과정에서 높은 화염에 의하여 질소성분은 과열되기 마련이고, 액체연료가 기화하는 과정에서 진행된 과잉공기공급에 의한 산소가 질소와 반응하여 질소가 암모니아화 되는 현상이 일어날 수 밖에 없게 된다.

그러므로, 가스 버너에 적용된 방법을 포함하여 과잉공기공급에 의한 산소 소멸을 위한 새로운 방법이 추가되어야 한다.

한국 등록특허 10-1019516호 한국 공개특허 10-2012-0046881호

따라서, 본 발명은 연소효율이 저조한 액체연료를 완전연소시킴과 동시에 물의 열분해 방법을 통한 과잉산소를 수소의 산화제로 유도함으로써, 질소산화물 발생을 저감시키고 이산화탄소 발생을 억제하는 연소시스템을 제공한다.

예를 들면, 과잉공급된 연소용 공기의 산소와 질소가 고열 속에서 반응하여 질소산화물이 발생되고 질소산화물이 환원될 때 분리되는 산소는 오염될 수 밖에 없다.

이렇게 오염된 산소의 발생을 억제하기 위하여 본 발명은 물을 열분해하여 수소의 산화제로 과잉공기의 산소를 반응시켜서 질소산화물 발생을 방지할 수 있도록 한 기술이다.

보통 물은 소화기능과 발화기능이 있는데, 즉 물 속의 산소가 열에너지 포화 이하 상태로 에너지 흡수를 중단하면 소화기능이 되고, 과포화 상태로 열에너지를 흡수하여 기폭현상을 일으키면 발화기능으로 바뀌게 되는 등 물의 소화기능과 발화기능은 동시에 일어나게 된다.

예를 들면, 각종 화재현장에서 화재를 진압할 때 살수된 물이 양에 따라 불이 꺼지거나 아니면 더 커지는 것을 볼 수 있다.

또한, 유류의 화재는 물을 살수하면 기폭현상을 일으키면서 더 큰 불이 발생하게 되며, 이러한 현상을 토대로 화석연료의 연소 시 수증기를 분사하여 기폭현상을 일으킴으로써, 화석연료의 기화효율을 높일 수 있고, 결국 완전연소가 가능하게 된다.

그러므로, 본 발명은 물 속의 산소가 과포화 상태의 열에너지 흡수를 도모하여 최상의 열분해를 일으키도록 함으로써, 과잉공급된 산소를 소모시켜 질소산화물인 녹스(NOx)의 발생을 억제할 수 있고 이산화탄소의 발생을 저감할 수 있는 액체연료의 저녹스화 연소시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 압축공기를 포함하는 물을 공급하는 물 공급 파이프와, 상기 물 공급 파이프의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되어 연소를 위한 공기를 공급하는 공기 공급관과, 상기 공기 공급관의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되어 가스 점화를 위한 가스를 공급하는 가스 공급관과, 상기 가스 공급관과 축선을 나란히 하면서 가스 공급관의 둘레를 따라 배치되는 적어도 1개로 이루어져 압축공기를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급 파이프와, 상기 물 공급 파이프, 공기 공급관, 가스 공급관 및 연료 공급 파이프를 내측으로 수용함과 더불어 상기 물 공급 파이프, 공기 공급관, 가스 공급관 및 연료 공급 파이프의 앞쪽으로 조성되는 연소실(14) 및 선단의 토출구를 가지는 연소 챔버를 포함하는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 물 공급 파이프는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프 및 외측 파이프를 포함하며, 상기 내측 파이프의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프의 외주면에 있는 토출 캡을 통해 연소실측으로 분사되는 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 물 공급 파이프는 입구단에 설치되는 것으로서, 파이프 축선을 따라 형성되는 압축공기 통로와 파이프 축선에 대해 교차하는 방향으로 형성되는 물 입구홀을 가지는 압축공기 공급 블럭과, 상기 물 입구홀과 통하는 물 통로를 가지면서 압축공기 공급 블럭에 대해 교차하는 방향으로 결합되는 물 공급 블럭을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 공급 파이프는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프 및 외측 파이프를 포함하며, 상기 내측 파이프의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프의 외주면에 있는 토출 블럭을 통해 연소실측으로 분사되는 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 연료 공급 파이프는 입구단에 설치되는 것으로서, 파이프 축선을 따라 형성되는 압축공기 통로와 파이프 축선에 대해 교차하는 방향으로 형성되는 연료 입구홀을 가지는 압축공기 공급 블럭과, 상기 연료 입구홀과 통하는 연료 통로를 가지면서 압축공기 공급 블럭에 대해 교차하는 방향으로 결합되는 연료 공급 블럭을 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 물 공급 파이프의 선단부와 상기 연료 공급 파이프의 선단부는 불꽃 점화를 통해 가스 연소가 일어나는 가스 공급관의 선단부 영역보다 상대적으로 앞쪽으로 더 연장 배치되도록 하여, 가스 연소에 의해 파이프 내의 물과 연료가 예열될 수 있도록 하는 것이 좋다.

그리고, 상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 연소 챔버의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되는 연소기 본체를 더 포함할 수 있으며, 이때의 연소기 본체의 내부에는 연소를 위한 공기를 본체 선단부의 연소 챔버의 연소실 앞쪽 영역으로 공급하는 공기 공급 채널과, 상기 공기 공급 채널 내에 나란하게 배치되면서 물과 압축공기를 본체 선단부의 연소 챔버의 연소실 앞쪽 영역으로 공급하는 복수 개의 서브 물 공급 파이프가 설치될 수 있다.

여기서, 상기 서브 물 공급 파이프는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프 및 외측 파이프를 포함할 수 있으며, 이때의 내측 파이프의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프의 선단부에 있는 토출구를 통해 연소실 앞쪽 영역으로 분사되는 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연소기 본체의 내측 선단부에서 공기 공급 채널과 접하는 동시에 연소 챔버의 앞쪽으로 배치되고, 그 후단부의 원추부를 통해 연소 챔버에 있는 연소실을 마주 대하면서 연소실의 토출구와의 사이에 갭을 형성하는 압축유도용 관을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 에멀젼 연소시스템의 구현 시 부피변화를 이용한 압축열 생산에 있어서 지속적인 연소열 증폭을 안정화시키기 위하여, 증폭열을 물의 열분해를 위한 열량으로 전환시키고, 이 과정에서 1,300℃의 고열 속에서 수소가 산화되도록 하는 시스템을 제공하며, 따라서 연소효율이 낮아 저녹스화가 어려운 기타 연료를 대상으로 저녹스화가 가능한 연소기술과 더불어 지구의 온난화를 방지하기 위한 이산화탄소 발생을 줄이는 연소기술이다.

따라서, 본 발명은 저질유 사용 시 질소산화물 발생을 억제하고, 열분해에 사용된 물의 양만큼 화석연료 대체효과에 따른 이산화탄소 발생을 억제하여 지구의 온난화를 방지할 수 있는 연소시스템으로서, 환경시대의 환경분단금에 따른 경제적 비용절감 및 새로운 이익창출이 예상되고, 환경개선에 따른 가치가 매우 큰 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템을 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템에서 연소 유니트를 나타내는 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템에서 연소 유니트를 나타내는 정면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템에서 연소 유니트의 압축공기 공급 블럭과 물 공급 블럭의 결합구조를 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템의 작동상태를 나타내는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템에서 연소 유니트를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템에서 연소 유니트를 나타내는 정면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 액체연료의 완전연소로 인한 1,300℃에 이르는 높은 화염온도를 물의 열분해 열량으로 사용하여 수소를 생산하고, 이렇게 생산한 수소를 연소시키는데 과잉공급된 공기의 산소를 이용함으로써, 질소가 산소와 반응하지 않고 단지 열을 전달하는 매체로 작용하도록 할 수 있고, 결국 질소산화물을 억제하는 동시에 이산화탄소 발생을 저감하는 연소시스템이다.

이를 위하여, 상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 물 공급 파이프(10), 공기 공급관(11), 가스 공급관(12), 연료 공급 파이프(13) 등을 수용하는 연소 챔버(16)와, 공기 공급 채널(18) 및 서브 물 공급 파이프(19)를 가지면서 연소 챔버(16)를 내측으로 수용하는 연소기 본체(17)를 일체식으로 결합한 구조로 이루어지게 된다.

그리고, 상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 가스 버너 등에 사용되는 일반 점화장치(미도시)를 포함할 수 있다.

이러한 점화장치는 가스 공급관(12)의 외주면에 있는 점화장치장착용 블럭(23)에 체결 고정되는 구조로 설치될 수 있으며, 이렇게 설치되는 점화장치의 스파크 발생부분(미도시)이 가스 공급관(12)의 선단부에 있는 U자형 홈부분까지 연장된 후에 그 곳에서 분출되는 가스에 불꽃을 튕겨줌으로써 가스 점화가 이루어질 수 있게 된다.

상기 물 공급 파이프(10)는 압축공기와 함께 물을 연소 챔버(16)의 연소실(14) 내로 공급하는 수단으로서, 원통형으로 되어 있는 연소 챔버(16)의 센터 라인, 즉 중심축선을 따라 배치되고, 공기 공급관(11)의 내벽에 형성되어 있는 다수 개의 스페이서(24)에 의해 지지되는 구조로 설치된다.

특히, 상기 물 공급 파이프(10)는 연소실측으로 공급되는 물을 충분히 예열하여 기체화시킨 상태(예를 들면 수증기 형태로 무화시킨 상태)로 공급할 수 있는 구조를 갖게 된다.

이를 위하여, 상기 물 공급 파이프(10)는 직경 차로 인해 일정 간격을 두고 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(10a) 및 외측 파이프(10b)를 포함한다.

그리고, 상기 내측 파이프(10a)의 선단부에는 물 배출홀(10i)이 형성되고, 내측 파이프(10a)와 외측 파이프(10b) 사이에는 물 배출홀(10i)의 뒷쪽으로 격벽(10j)이 형성되며, 상기 외측 파이프(10b)에는 물 배출홀(10i)과 격벽(10j) 사이 위치에 물 분사홀(10k)이 형성되는 동시에 외측 파이프(10b)의 외주면에는 물 분사홀(10k)의 둘레에 위치되는 토출 캡(10c)이 형성된다.

이때의 물 공급 파이프(10)의 선단부는 불꽃 점화를 통해 가스 연소가 일어나는 가스 공급관(12)의 선단부 영역보다 상대적으로 앞쪽으로 더 연장 배치된다.

이에 따라, 상기 내측 파이프(10a)의 후단부를 통해 압축공기와 함께 들어온 물은 내측 파이프(10a)의 선단부 물 배출홀(10i)을 통해 배출되고, 계속해서 외측 파이프(10b)의 내부에서 역방향으로(후단부쪽으로) 진행된 후, 재차 물 분사홀(10k)과 토출 캡(10c)을 통해 빠져나가 연소실측으로 공급된다.

결국, 물은 내외측 파이프(10a,10b)의 선단구간을 거치는 동안에 가스 연소열에 의해 충분히 예열되면서 충분히 기화되어 무화된 수증기 상태로 연소실측에 공급될 수 있게 된다.

또한, 상기 물 공급 파이프(10)의 입구단(물 공급 파이프 후단부)에 설치되어 압축공기와 물을 함께 공급하는 수단으로 압축공기 공급 블럭(10f)과 물 공급 블럭(10h)이 마련된다.

예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 압축공기 공급 블럭(10f)의 선단부는 물 공급 파이프(10)의 후단부에 용접 등으로 연결되고, 파이프 축선을 따라 나란하게 형성되는 압축공기 통로(10d)를 갖는 동시에 이 압축공기 통로(10d)와 통하면서 파이프 축선에 대해 교차하는 방향, 예를 들면 90°방향으로 교차하는 방향으로 관통 형성되는 물 입구홀(10e)을 갖는다.

그리고, 상기 물 공급 블럭(10h)은 압축공기 공급 블럭(10f)에 대해 90°방향으로 교차하는 방향으로 용접 등에 의해 연결되고, 내부에는 블럭 축선을 따라 형성되는 물 통로(10g)가 형성되며, 이때의 물 통로(10g)는 물 입구홀(10g)과 연결된다.

이에 따라, 상기 압축공기 공급 블럭(10f)의 압축공기 통로(10d)를 통해 압축공기가 공급되고, 이와 더불어 물 공급 블럭(10h)의 물 통로(10g)를 통해 공급되는 물은 물 입구홀(10e)을 통해 압축공기 통로(10d)로 빠르게 빨려들어가면서(압축공기 유속에 의해) 함께 혼합된 상태로 내측 파이프(10a)로 들어갈 수 있게 된다.

여기서, 상기 물 입구홀(10e)과 접하는 위치의 물 통로(10g) 내에 노즐(미도시)을 설치하여 물이 강하게 토출되는 형태로 압축공기 통로(10d) 내로 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 공기 공급관(11)은 연소에 필요한 공기를 연소실 내에 공급하는 수단으로서, 원통형으로 이루어져 그 후단부 일측에 공기 주입구(25)을 가지면서 물 공급 파이프(10)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 가스 공급관(12)의 내에 스페이서 등에 의해 지지되면서 용접 등으로 고정되는 구조로 설치된다.

이에 따라, 상기 공기 주입구(25)를 통해 주입되는 공기는 물 공급 파이프(10)의 둘레부 공간을 통해 진행된 후에 연소실(14)측을 바라보고 있는 공기 공급관(11)의 선단부를 통해 연소실 내로 공급될 수 있게 된다.

상기 가스 공급관(12)은 연소 시스템 초기 가동 시 가스 점화를 위한 가스를 공급하는 수단으로서, 원통형으로 이루어져 그 후단부 일측에 가스 주입구(26)를 가지면서 공기 공급관(11)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 그 후단부를 통해 연소 챔버(16)의 후단부에 있는 플랜지(27)에 끼워져 용접 등으로 고정되는 구조로 설치된다.

이때, 상기 가스 공급관(12)의 가스 주입구(26)에는 가스 주입관(28)이 연결 설치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 가스 공급관(12)의 선단부 내측에는 다수 개의 가스 배출홀(29)을 가지는 가스 배출판(30)이 설치되어 있어서, 각 가스 배출홀(29)을 통해 가스가 원주 둘레방향으로 골고루 분사될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 가스 주입구(26)를 통해 주입되는 가스는 공기 공급관(11)의 둘레부 공간을 통해 진행된 후에 연소실(14)측을 바라보고 있는 가스 공급관(12)의 선단부 가스 배출홀(29)을 통해 토출되며, 이렇게 토출되는 가스는 점화장치에 의해 점화되어 연소될 수 있게 된다.

상기 연료 공급 파이프(13)는 압축공기와 함께 액체연료를 공급하는 수단으로서, 가스 공급관(12)과 축선을 나란히 하면서 가스 공급관(12)의 둘레를 따라 가면서 일정간격으로 배치되는 복수 개로 구성된다.

예를 들면, 상기 연료 공급 파이프(13)는 물 공급 파이프(10)를 가운데 두고 가스 공급관(12)의 둘레를 따라 120°간격으로 배치되는 3개로 이루어질 수 있게 된다.

이러한 연료 공급 파이프(13)는 후단부를 통해 플랜지(27)측에 관통 지지됨과 더불어 선단부를 통해 브라켓 등을 매개로 연소 챔버(16)의 내벽에 지지되는 구조로 설치된다.

특히, 상기 연료 공급 파이프(13)는 연소실측으로 공급되는 연료를 충분히 예열하여 기체화시킨 무화 상태로 공급할 수 있는 구조를 갖게 된다.

이를 위하여, 상기 연료 공급 파이프(13)는 직경 차로 인해 일정 간격을 두고 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(13a) 및 외측 파이프(13b)를 포함한다.

그리고, 상기 내측 파이프(13a)의 선단부에는 연료 배출홀(13i)이 형성되고, 내측 파이프(13a)와 외측 파이프(13b) 사이에는 연료 배출홀(13i)의 뒷쪽으로 격벽(13j)이 형성되며, 상기 외측 파이프(13b)에는 연료 배출홀(13i)과 격벽(13j) 사이 위치에 연료 분사홀(13k)이 형성되는 동시에 외측 파이프(13b)의 외주면에는 연료 분사홀(13k)의 주변에 위치되는 토출 블럭(13c)이 형성된다.

이때의 연료 공급 파이프(13)의 선단부는 불꽃 점화를 통해 가스 연소가 일어나는 가스 공급관(12)의 선단부 영역보다 상대적으로 앞쪽으로 더 연장 배치된다.

이에 따라, 상기 내측 파이프(13a)의 후단부를 통해 압축공기와 함께 들어온 액체연료는 내측 파이프(13a)의 선단부 연료 배출홀(13i)을 통해 배출되고, 계속해서 외측 파이프(13b)의 내부에서 역방향으로(후단부쪽으로) 진행된 후, 재차 연료 분사홀(13k)과 토출 블럭(13c)을 통해 빠져나가 연소실측으로 공급된다.

결국, 액체연료는 내외측 파이프(13a,13b)의 선단구간을 거치는 동안에 가스 연소열에 의해 충분히 예열되면서 충분히 기화된 상태로 연소실측에 공급될 수 있게 된다.

또한, 상기 연료 공급 파이프(13)의 입구단(연료 공급 파이프 후단부)에 설치되어 압축공기와 연료를 함께 공급하는 수단으로 압축공기 공급 블럭(13f)과 연료 공급 블럭(13h)이 마련된다.

여기서, 상기 압축공기 공급 블럭 및 연료 공급 블럭은 물 공급 파이프에 있는 압축공기 공급 블럭 및 물 공급 블럭과 동일한 구조를 가질 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 압축공기 공급 블럭(13f)의 선단부는 연료 공급 파이프(13)의 후단부에 용접 등으로 연결되고, 파이프 축선을 따라 나란하게 형성되는 압축공기 통로(미도시)를 갖는 동시에 이 압축공기 통로와 통하면서 파이프 축선에 대해 교차하는 방향, 예를 들면 90°방향으로 교차하는 방향으로 관통 형성되는 연료 입구홀(미도시)을 갖는다.

그리고, 상기 연료 공급 블럭(13h)은 압축공기 공급 블럭(13f)에 대해 90°방향으로 교차하는 방향으로 용접 등에 의해 연결되고, 내부에는 블럭 축선을 따라 형성되는 연료 통로(미도시)가 형성되며, 이때의 연료 통로는 연료 입구홀과 연결된다.

이에 따라, 상기 압축공기 공급 블럭(13f)의 압축공기 통로를 통해 압축공기가 공급되고, 이와 더불어 연료 공급 블럭(13h)의 연료 통로를 통해 공급되는 액체연료는 연료 입구홀을 통해 압축공기 통로로 빠르게 빨려들어가면서(압축공기 유속에 의해) 함께 혼합된 상태로 내측 파이프(13a)로 들어갈 수 있게 된다.

여기서, 상기 연료 입구홀과 접하는 위치의 연료 통로 내에 노즐(미도시)을 설치하여 연료가 강하게 토출되는 형태로 압축공기 통로 내로 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 연소 챔버(16)는 후단부의 플랜지(27)와 선단부의 토출구(15)를 가지는 원통형의 하우징 형태로 이루어지게 된다.

이러한 연소 챔버(16)의 내부에는 물 공급 파이프(10), 공기 공급관(11), 가스 공급관(12) 및 연료 공급 파이프(13)가 수용되며, 이렇게 수용되는 물 공급 파이프(10), 공기 공급관(11), 가스 공급관(12) 및 연료 공급 파이프(13)의 앞쪽으로는 연소실(14)이 조성된다.

이에 따라, 가스 점화 및 연소로 인해 발화 온도로 조성되어 있는 연소실(14) 내에 연료 공급 파이프(13)로부터 공급되는 연료, 공기 공급관(11)으로부터 공급되는 공기, 물 공급 파이프(10)로부터 공급되는 물이 함께 공급되면서 연소될 수 있게 된다.

또한, 상기 연소 챔버(16)에는 연소실(14)의 후단측에 상응하는 위치에 다수의 홀(35)이 형성되어 있어서, 이곳을 통해 빠져나가는 연소열이나 화염 등이 후술하는 공기 공급 채널(18)을 흐르는 연소용 공기와 합류할 수 있게 된다.

한편, 상기 액체연료의 저녹스화 연소시스템은 연소 챔버(16)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되는 연소기 본체(17)를 포함한다.

상기 연소기 본체(17)는 후단의 본체 플랜지(31)를 가지면서 선단부는 개방되어 있는 원통형의 하우징 형태로 이루어지게 되고, 그 중심축선 영역에는 물 공급 파이프(10), 공기 공급관(11), 가스 공급관(12) 및 연료 공급 파이프(13)를 수용하고 있는 연소 챔버(16)가 배치된다.

여기서, 상기 연소 챔버(16)의 플랜지(27)와 연소기 본체(17)의 본체 플랜지(31)는 하나의 단일 플랜지로 이루어질 수 있게 된다.

이러한 연소기 본체(17)의 내부에 내주벽면 둘레를 따라 가면서 공기 공급 채널(18)이 형성되며, 이때의 공기 공급 채널(18)은 연소에 필요한 공기를 추가로 공급하는 역할을 하게 된다.

예를 들면, 상기 공기 공급 채널(18)은 연소기 본체(17)의 내벽을 따라 나란하게 배치되는 원통형 보조관(32)의 내주벽과 상기 연소 챔버(16)의 외주벽 및 후술하는 압축유도용 관(22)의 외주벽 사이에 조성되는 원형 단면의 채널형 구조로 이루어지게 되고, 이러한 공기 공급 채널(18)의 후단측에는 공기 유입구(33)가 형성되는 동시에 채널 선단측 구간에 해당하는 압축유도용 관(22)의 둘레부에는 다수 개의 공기 배출구(34)가 형성된다.

이에 따라, 상기 공기 유입구(33)를 통해 유입된 공기는 공기 공급 채널(18)을 따라 흐른 후에 압축유도용 관(22)의 공기 배출구(34)를 통해 빠져나가 압축유도용 관(22)의 내측 영역으로 분사될 수 있게 된다.

이러한 공기 공급 채널(18)의 일부 구간, 예를 들면 채널 길이의 중간쯤 되는 구간은 연소 챔버(16)의 토출구(15)측과 통하게 되고, 따라서 토출구(15)를 통해 배출되는 연소열이나 화염 등이 공기 공급 채널(18)을 흐르는 연소용 공기와 합류한 후에 공기 배출구(34)를 통해 빠져나가게 되고, 계속해서 연소기 본체(17)의 앞쪽(선단쪽)으로 토출되어 보일러 등의 열원으로 사용될 수 있게 된다.

또한, 상기 연소기 본체(17)는 추가의 물과 압축공기를 공급하기 위한 수단으로 서브 물 공급 파이프(19)를 포함하며, 이때의 서브 물 공급 파이프(19)는 공기 공급 채널(18)의 내부에 채널과 나란하게 배치되면서 후단부를 통해 본체 플랜지(31)측에 지지되는 동시에 선단부를 통해 연소기 본체(17)의 내벽에 동심원 구조로 장착되어 있는 내부 플랜지(36)측에 지지되는 구조로 설치된다.

이때의 서브 물 공급 파이프(19)의 선단부는 내부 플랜지(36)를 관통하여 그 앞쪽으로 좀더 연장 위치되며, 이러한 선단부에는 중심쪽을 향해 토출구(19c)가 형성되어 있어서, 이곳을 통해 수증기 형태의 물이 연소기 본체(17)의 선단부 내측 영역으로 분사될 수 있게 된다.

여기서, 상기 토출구(19c)로부터 분사되는 수증기는 연소 화염 속에 포함되어 있는 고온 상태의 질소 온도를 낮추어 보일러 수명을 연장시키는 역할은 물론, 미연소된 잔여 산소를 흡수하는 역할을 하게 된다.

이러한 서브 물 공급 파이프(19)는 연소기 본체(17)의 내부 둘레를 따라 가면서 일정간격으로 배치되는 복수 개로 구성된다.

예를 들면, 상기 서브 물 공급 파이프(19)는 연소 챔버(16) 및 이것의 앞쪽으로 나란하게 배치되는 압축유도용 관(22)을 가운데 두고 120°간격으로 배치되는 3개로 이루어질 수 있게 된다.

이와 같은 서브 물 공급 파이프(19)의 경우에도 연소기 본체(17)측으로 공급되는 물을 충분히 예열하여 기체화시킨 상태(예를 들면 수증기 형태로 무화시킨 상태)로 공급할 수 있는 구조를 갖게 된다.

이를 위하여, 상기 서브 물 공급 파이프(19)는 직경 차로 인해 일정 간격을 두고 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(19a) 및 외측 파이프(19b)를 포함한다.

그리고, 상기 내측 파이프(19a)의 선단부에는 물 배출홀(19d)이 형성되고, 내측 파이프(19a)와 외측 파이프(19b) 사이에는 물 배출홀(19d)의 뒷쪽으로 격벽(19e)이 형성되며, 상기 외측 파이프(19b)의 선단에는 토출구(19c)가 형성된다.

이에 따라, 상기 내측 파이프(19a)의 후단부를 통해 압축공기와 함께 들어온 물은 내측 파이프(19a)의 선단부 물 배출홀(19d)을 통해 배출되고, 계속해서 외측 파이프(19b)의 내부를 따라 진행된 후, 그 선단의 토출구(19c)를 통해 빠져나가게 된다. 결국, 물은 연소실로부터 토출되는 연소열이 흐르는 구간과 접해 있는 외측 파이프(19b)의 구간을 거치는 동안에 연소열에 의해 충분히 예열되면서 충분히 기화되어 무화된 수증기 상태로 공급될 수 있게 된다.

또한, 상기 서브 물 공급 파이프(19)의 경우 도시하지는 않았지만 서브 물 공급 파이프(19)의 입구단(서브 물 공급 파이프 후단부)에 설치되어 압축공기와 물을 함께 공급하는 수단으로 압축공기 공급 블럭(미도시)과 물 공급 블럭(미도시)이 마련된다.

예를 들면, 상기 압축공기 공급 블럭의 선단부는 서브 물 공급 파이프(19)의 후단부에 용접 등으로 연결되고, 파이프 축선을 따라 나란하게 형성되는 압축공기 통로(미도시)를 갖는 동시에 이 압축공기 통로와 통하면서 파이프 축선에 대해 교차하는 방향, 예를 들면 90°방향으로 교차하는 방향으로 관통 형성되는 물 입구홀(미도시)을 갖는다.

그리고, 상기 물 공급 블럭은 압축공기 공급 블럭에 대해 90°방향으로 교차하는 방향으로 용접 등에 의해 연결되고, 내부에는 블럭 축선을 따라 형성되는 물 통로(미도시)가 형성되며, 이때의 물 통로는 물 입구홀과 연결된다.

이에 따라, 상기 압축공기 공급 블럭의 압축공기 통로를 통해 압축공기가 공급되고, 이와 더불어 물 공급 블럭의 물 통로를 통해 공급되는 물은 물 입구홀을 통해 압축공기 통로로 빠르게 빨려들어가면서(압축공기 유속에 의해) 함께 혼합된 상태로 내측 파이프(19a)로 들어갈 수 있게 된다.

한편, 상기 연소기 본체(17)의 내측 선단부에서 연소 챔버(16)의 연소실(14)로부터 토출되는 연소열이나 화염이 상대적으로 압축되도록 해주는 구조물인 압축유도용 관(22)이 설치된다.

이러한 압축유도용 관(22)은 연소 챔버(16)의 직경과 동일하거나 이보다 다소 큰 직경을 갖는 원통형 구조물로 이루어지게 되고, 후단부는 원추부(20)로 되어 있는 동시에 선단부는 개방형을 이루게 되며, 후단 둘레부를 통해 내측 플랜지(36) 상에 지지되는 구조로 설치된다.

이렇게 설치되는 압축유도용 관(22)의 외주부 둘레는 공기 공급 채널(18)과 접하게 되는 동시에 연소 챔버(16)의 앞쪽으로 배치되고, 이때의 후단부의 원추부(20)는 연소 챔버(16)에 있는 연소실(14)을 마주 대하게 되며(원추부 끝부분이 연소실 내로 약간 진입해 있는 상태로 마주 대하게 되며), 이에 따라 연소실(14)의 토출구(15)와 원추부(20) 사이에는 갭(21)이 조성된다.

따라서, 상기 연소실(14)의 토출구(15)를 통해 빠져나가려는 연소열이나 화염 등은 갭(21)이 가지는 좁은 틈새로 인해 압축된 상태가 되고, 이때의 연소실 토출구 주변의 온도가 대략 1,300℃ 정도까지 올라가면서 물이 열분해됨과 더불어 이때의 분해되는 수소가 타게 되며(수소의 자연발화온도는 800℃ 정도임), 이렇게 수소를 사전에 소모시킴으로써 수소와 다른 화합물로 생성되는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 연소실의 토출구를 통해 빠져 나가려는 연소열이나 화염 등은 갭이 가지는 틈새를 지날 때 부피 변화에 따른 열이 압축되어 순간 1,300℃의 열이 발생된다.

이 원리는 자동차 엔진의 피스톤이 하사점에서는 1기압이지만 피스톤이 압축되어 상사점에 이르면 약 25∼28%의 비율로 부피 변화가 일어나면서 1,980℃의 연소열을 얻게 되고, 그 팽창열에 의하여 크랭크 샤프트를 회전시키는 강력한 힘이 발생되는 것과 같은 원리이다.

이때, 예열된 물 공급 파이프 내부에 압축공기 통로(10d)로 물과 압축공기를 통과시키면 액체상태의 물은 기체상태의 수증기로 변화되면서 연소실로 분사된다.

이러한 수증기(H₂O)는 수소와 산소 분자로 결합된 상태이며, 물 속의 산소는 음이온의 산소로서 열을 흡수하여 냉각작용을 하고, 공기 중의 산소는 양이온의 산소로서 액체 또는 고체 연료를 열에너지로 전환시키는 연소작용에 도움을 준다.

이점을 고려하여, 물을 열분해시키려면 물 속의 음이온의 산소가 과부하 상태로 열을 흡수해야 산소와 수소로 분리된다.

이때, 수증기 양이 많으면 분해된 수소의 자연발화 온도 800℃ 이상 유지가 어려워져 수소가 불연소된다.

이때, 황화수소와 같은 새로운 수소화합물이 생성되어 악취발생의 근원이 된다.

이러한 점을 고려하여, 연소실에서 발화된 연소열 800℃가 토출구를 통해 갭이 가지는 틈새를 지날 때 연소열이 압축되어 1,300℃가 생산될 때 물 속의 음이온의 산소는 최대의 열을 흡수하여 에너지 과포화 상태에서 물 분해가 이루어지고, 수소가 자연발화될 수 있는 온도 800℃ 이상의 온도가 보존되어 수소는 연소용 과잉공기 중의 산소에 의해 자연발화되며, 따라서 음이온의 산소가 흡수한 열량이 보충되면서 과잉 공급된 산소를 소멸시키게 된다.

액체연료의 완전 연소를 위해서는 연소열의 압축공정은 필수적이다.

또한, 액체연료의 100% 연소를 위해서 충분한 산소가 공급되어야 한다.

이러한 과정을 거쳐 생산된 1,300℃의 온도 속에서 질소와 산소가 반응하면 질솨산화물이 다량 생성된다.

질소산화물은 냉각될 때 질소와 산소는 분리되고 이때의 산소는 오염되어 호흡기 질환의 원인이 될 수 있다.

완전연소 과정에서 발생된 1,300℃의 연소열을 이용하여 물을 열분해시켜 수소를 에너지화 함으로써, 과열된 질소의 온도를 냉각시켜 안정화시키고, 질소와 반응할 산소를 소멸시킴으로써, 질소산화물을 억제하게 된다.

이때, 물의 사용량은 연소 연료량의 약 30% 정도가 적당하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체연료의 저녹스화 연소시스템의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 저녹스화 연소시스템의 예열 과정으로서, 가스 공급관(12)을 통해 가스를 공급하고 점화장치를 통해 가스를 연소시키는 예열 과정을 실시한다.

이때의 예열 과정은 약 2∼5분 정도가 적당하며, 이러한 예열 시간은 연소시스템 용량, 액체 연료의 종류 등에 따라 적절히 조절하여 설정할 수 있다.

이와 같은 예열 과정에 의해 물 공급 파이프(10), 연료 공급 파이프(13) 등이 예열될 수 있다.

이렇게 예열이 끝나면 이때부터 연료 공급 파이프(13)를 통해 액체연료와 압축공기의 혼합기를 공급함과 더불어 공기 공급관(11)을 통해 연소를 위한 공기를 공급한다.

이때, 예열된 상태의 연료 공급 파이프(13)를 거치면서 압축공기와 함께 공급되는 액체연료는 무화 상태로 연소 챔버(16)의 연소실(14) 내로 분사되고, 이와 동시에 연소실(14) 내에서 무화 상태의 액체 연료가 연소된다.

물론, 액체 연료의 연소와 더불어 가스의 공급은 중단할 수 있다.

이러한 액체 연료의 연소가 이루어지는 과정 중 2∼5분 정도의 시간이 경과되면 이때부터 물 공급 파이프(10)를 통해 물과 압축공기의 혼합기를 공급한다.

이때의 공급되는 물과 압축공기의 혼합기는 가열된 상태의 물 공급 파이프(10)를 거치면서 수증기 형태로 공급될 수 있다.

이와 같은 연소과정 중에 수증기가 분사되면 물이 열분해되고, 분해된 수소가 연소용 공기 중의 산소와 반응을 일으키면 반응속도가 너무 빨라 연소가 진행되기 전 폭발현상이 먼저 일어난다.

이때, 내부 압력이 증가하면서 같은 분자끼리 뭉치려는 응력이 부서짐과 더불어 분사된 연료와 연소용 공기의 혼합이 이루어져 완전연소가 이루어진다.

이러한 현상을 흔히 기폭현상이라 한다.

그리고, 연소실의 토출구를 빠져나가는 연소열의 경우 압축구간 통과 시(갭 구간 통과 시) 약 1,300℃의 온도에서 수증기가 고열을 흡수하면서 연소열은 1,000℃ 정도로 떨어지게 되고, 열을 흡수한 음이온의 산소는 1,000℃의 온도를 전달하는 매개체로 전환되며, 수소는 잔여 온도 1,000℃에 의해 연소용 공기의 산소와 결합되어 기폭현상을 일으키면서 연소가 일어나게 된다.

이때, 음이온의 산소가 흡수한 열량을 보충하게 되어 1,300℃의 연소열이 회복된다.

결국, 수소의 연소 시, 공기 공급 채널(18)을 통해 과잉 공급된 공기 중의 산소를 수소를 연소시키는데 사용함으로써, 질소와 결합될 수 있는 산소가 그 만큼 줄어들게 되고, 따라서 질소산화물 발생을 줄일 수 있게 된다.

따라서, 연소실(14)로부터의 연소열은 압축유도용 관(22)의 내측으로 유입된 후에 연소기 본체(17)의 앞쪽으로 공급되어 보일러 등의 열원으로 사용될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 물을 열분해하여 발생된 수소를 산화시켜 과잉공급된 산소를 산화제로 유도함으로써 질소산화물 발생이 억제된다.

열분해에 사용된 물의 양만큼 화석연료를 대체함으로써 이산화탄소(Co₂)발생이 줄어든다.

액체연료의 완전연소를 위해서는 과잉공기가 공급되며, 그 양은 약 30% 정도이다.

그러므로, 열분해에 사용될 물의 양 또한 30% 정도가 적당하다.

물의 열분해에 필요한 열량은 열분해된 수소의 산화에 필요한 기초 열량은 자연발화온도 800℃와 증기 엔탈피(기화열량) 657,93Kcal/kg으로서 기본 877℃ 이상의 온도가 필요하다.

기초열량을 보존하지 못하면 불완전 연소의 요인이 된다.

1kg의 화석연료의 열랑을 11,000kcal/kg, 최대 생산 가능온도를 1,300℃로 했을때 1℃의 열량은 8.46kcal/kg이라고 가정하여 설명하면, 수소자연발화 열량 800℃와 증기엔탈피(기화열량) 657.93kcal/kg(657.93/8.46 = 77℃)의 합산 열량은 877℃이고, 화석연료의 기화열량 400℃와 자연발화열량 800℃ 소모되며, 연료의 완전연소와 물의 열분해를 통한 에너지화까지 소모된 총열량은 2,277℃이다.

이를 기능별 소모열량을 설명하면, 화석연료 1kg과 물 1kg을 열에너지로 전화하기 위한 열량은 화석연료의 기화잠열(기화열량) - 600℃, 화석연료의 발화열량 -800℃, 물의 열분해 되어 수소의 산화를 위한 열량 -800℃, 물을 열분해하는데 필요한 열량, 즉 기화열량 657.93/8.46 = 77℃로서 총합산 열량 2277℃가 필요하다.

물은 약 900℃에서부터 기폭현상은 일으키기 시작한다.

수소는 산화 시 폭발음을 발생시키므로 소음이 발생된다.

특히, 1,000℃에서 부터는 기폭현상이 활발히 일어난다.

이때, 열분해를 위한 투입된 물의 양이 많으면 기폭현상이 없어지면서 물속의 산소는 열에너지의 과포화 상태를 유지할 수 없어 열분해가 이루어지지 않는다.

또한, 화석연료의 불완전연소의 원인이 된다.

하지만, 화석연료의 연소 시 1,300℃의 연소율은 얻을 수 있기 때문에 2,277℃를 기준하여 1,300℃의 열량 비율만큼 물을 열분해할 수 있다.

1-1300/2277 = 0.43의 비율로서 1,300℃를 얻는데 사용된 화석연료 43%만큼 물로 대체할 수 있게 된다.

물의 열분해를 위한 조건은 화석연료의 완전연소이며, 100% 일률로 바뀌어야 1,300℃의 열량을 얻을 수 있다.

이는 화석연료의 기화에 필요한 기화열량을 자체 확보하여야 하는데 열의 압축 기술을 응용하면 가능하다.

본 발명은 1,300℃의 연소열 생산은 공기의 압축원리를 적용하여 그 목표를 달성할 수 있다.

본 발명의 기술구성에 있어서 적용원리는 에너지 제2법칙- 부피변화에 대한 질량불변의 법칙을 응용하여 부피변화를 이용한 열량을 압축하여 1,300℃의 화염을 생산하는 원리이다.

이를 구현하기 위하여, 첫째 부피변화를 이용한 압축열량 1,600℃ 생산을 위한 초기열량 공급라인(가스 공급관)와 이를 점화할 수 있는 미도시된 점화장치 및 연소용주공기 공급라인(공기 공급관), 화석연료의 부피변화를 위한 미립화실(연료 공급 파이프), 공급된 액체연료가 기화 및 자연발화를 위한 부피변화에 의한 연소열 압축부(갭 구간), 미집화된 연료의 응력을 없애고 원활한 혼합기 형성을 위한 기폭현상 유도를 위한 증기발생기(물 공급 파이프)를 포함하는 한편, 화석연료의 기화효율을 높이기위한 연료의 분활 분사가 가능한 구조(복수의 여료 공급 파이프)와 분할 분사된 액체연료 중앙부로 증기분사가 가능한 구조(물 공급 파이프)를 이루어 원활한 기폭현상을 일으키는 구조를 형성함으로써, 기화효율을 높이고 동시 완전연소를 일으켜 1,300∼1,600℃의 화염생산이 가능하고 그 화염을 이용하여 물의 열분해가 이루어진다.

그리고, 본 발명은 가압방법에 있어서 압축공기를 이용한 열량 압축 시스템(서브 물 공급 파이프), 물의 열분해를 위해 분사된 증기와 압출된 연소열과 혼합을 일으키는 구조(연소실 구조)를 포함하며, 특히 본 발명은 압축된 연소열을 화석연료의 기화에 필요한 기화열량을 공급하기 위하여 팽창압력의 작용과 반작용을 적용하는 기화열량을 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 과잉 공급된 산소를 소멸시키기 위해 물을 열분해하여 수소를 생산하고, 수소를 연소하기 위한 산화제로 과잉공급된 산소를 활용함으로써, 질소산화물이 억제되는 것이다.

본 발명의 구성을 질소산화물의 억제를 위한 수단으로 물의 열분해를 이용한것과, 1,300℃의 화염과 기화된 수증기가 혼합될 수 있는 구조와, 2차 연소공기에 의하여 재연소가 이루어질 수 있는 구조(공기 공급 채널와 연소실측 간의 연통구간 구조)와, 재연소된 화염 속의 질소 온도를 낮추기 위한 2차 수증기 혼합구조(토출구를 통한 수증기 분사구조)를 두어 2차물의 열분해를 일으켜 잔여 산소를 수소의 산화제로 활용할 수 있다.

특히, 본 발명은 풍압에 의하여 각 기능의 상실되는 것을 방지하기 위하여 압축열을 분배하여 이동시킬 수 있다.

이를 위하여, 연소 1차 공기주입구(공기 공급관), 연소용 2차 공기주입구(공기 공급 채널), 기폭현상을 일으키기 위한 스팀 또는 물과 압축공기와의 혼합투입구(물 공급 파이프), 가스연료주입구(가스 공급관), 압축공기주입구(공기 공급관), 압축공기와 혼합된 화석연료투입구(연료 공급 파이프), 열분해를 위한 압축공기혼합물의 주입구(서브 물 공급 파이프)가 제공된다.

또한, 본 발명은 화석연료의 완전연소를 위한 연료의 분산공급을 특징으로 하며, 분산공급된 연료가 미립화 시 연료의 부피 변화를 위한 공간확보를 위해 압축공기와 혼합되어 투입되고, 미립화된 연료는 열량 압축구간(갭 구간)으로 이동되면서 기화 및 자연발화가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하다.

또한, 본 발명에서는 압축공기와 혼합된 물이 기화분사되어 연소실의 갭 부근에서 기폭현상을 일으켜 화석연료가 갖고 있는 응력을 분쇄시킴으로써, 화석연료의 기화효율을 높여 완전연소의 조건이 형성되게 된다.

또한, 본 발명은 1,300℃의 연소열과 기폭현상을 일으키기 위해 기화된 수증기와 연소열 혼합이 원활히 이루어지도록 연소열 흐름 방향에서 연소열이 수직방향으로 전환할 수 있도록 하고, 이때 미연소된 기체의 재연소를 위한 연소용 2차 공기와 미연소 기체와 혼합되어 2차 혼합기체 형성구(공기 배출구)를 두어 반대방향에서 분출되는 연소열끼리 충돌을 일으켜 충돌에 의한 와류구간(압축유도용 관 내부 공간)이 형성되면서 연소열끼리 충돌에 의한 완전연소가 이루어져 열량이 재압축이 이루어지게 된다.

그리고, 재압축 열량과 과잉공기 중의 산소를 소멸시키기 위한 물의 열 분해가 진행되고, 증기 분출구(토출구)를 두어 증기가 공급된다.

이때, 생산된 수소는 과잉공급된 산소에 의하여 산화되어 질소산화물이 없는 청정한 1,300℃의 연소열이 생산되게 된다.

10 : 물 공급 파이프 10a : 내측 파이프
10b : 외측 파이프 10c : 토출 캡
10d : 압축공기 통로 10e : 물 입구홀
10f : 압축공기 공급 블럭 10g : 물 통로
10h : 물 공급 블럭 10i : 물 배출홀
10j : 격벽 10k : 물 분사홀
11 : 공기 공급관 12 : 가스 공급관
13 : 연료 공급 파이프 13a : 내측 파이프
13b : 외측 파이프 13c : 토출 블럭
13f : 압축공기 블럭 13h : 연료 공급 블럭
13i : 연료 배출홀 13j : 격벽
13k : 연료 분사홀
14 : 연소실 15 : 토출구
16 : 연소 챔버 17 : 연소기 본체
18 : 공기 공급 채널 19 : 서브 물 공급 파이프
19a : 내측 파이프 19b : 외측 파이프
19c : 토출구 19d : 물 배출홀
19e : 격벽
20 : 원추부 21 : 갭
22 : 압축유도용 관 23 : 점화장치장착용 블럭
24 : 스페이서 25 : 공기 주입구
26 : 가스 주입구 27 : 플랜지
28 : 가스 주입관 29 : 가스 배출홀
30 : 가스 배출판 31 : 본체 플랜지
32 : 보조관 33 : 공기 유입구
34 : 공기 배출구 35 : 홀
36 : 내부 플랜지

Claims (9)

1. 압축공기를 포함하는 물을 공급하는 물 공급 파이프(10);
   상기 물 공급 파이프(10)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되어 연소를 위한 공기를 공급하는 공기 공급관(11);
   상기 공기 공급관(11)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되어 가스 점화를 위한 가스를 공급하는 가스 공급관(12);
   상기 가스 공급관(12)과 축선을 나란히 하면서 가스 공급관(12)의 둘레를 따라 배치되는 적어도 1개로 이루어져 압축공기를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급 파이프(13);
   상기 물 공급 파이프(10), 공기 공급관(11), 가스 공급관(12) 및 연료 공급 파이프(13)를 내측으로 수용함과 더불어 이들의 앞쪽으로 조성되는 연소실(14) 및 선단의 토출구(15)를 가지는 연소 챔버(16);
   를 포함하고,
   상기 연료 공급 파이프(13)는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(13a) 및 외측 파이프(13b)를 포함하며, 상기 내측 파이프(13a)의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프(13b)의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프(13b)의 외주면에 있는 토출 블럭(13c)을 통해 연소실측으로 분사되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 물 공급 파이프(10)는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(10a) 및 외측 파이프(10b)를 포함하며, 상기 내측 파이프(10a)의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프(10b)의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프(10b)의 외주면에 있는 토출 캡(10c)을 통해 연소실측으로 분사되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 물 공급 파이프(10)는 입구단에 설치되는 것으로서, 파이프 축선을 따라 형성되는 압축공기 통로(10d)와 파이프 축선에 대해 교차하는 방향으로 형성되는 물 입구홀(10e)을 가지는 압축공기 공급 블럭(10f)과, 상기 물 입구홀(10e)과 통하는 물 통로(10g)를 가지면서 압축공기 공급 블럭(10f)에 대해 교차하는 방향으로 결합되는 물 공급 블럭(10h)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료 공급 파이프(13)는 입구단에 설치되는 것으로서, 파이프 축선을 따라 형성되는 압축공기 통로(13d)와 파이프 축선에 대해 교차하는 방향으로 형성되는 연료 입구홀(13e)을 가지는 압축공기 공급 블럭(13f)과, 상기 연료 입구홀(13e)과 통하는 연료 통로(13g)를 가지면서 압축공기 공급 블럭(13f)에 대해 교차하는 방향으로 결합되는 연료 공급 블럭(13h)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 물 공급 파이프(10)의 선단부와 상기 연료 공급 파이프(13)의 선단부는 불꽃 점화를 통해 가스 연소가 일어나는 가스 공급관(12)의 선단부 영역보다 상대적으로 앞쪽으로 더 연장 배치되므로서, 가스 연소에 의해 파이프 내의 물과 연료가 예열될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소 챔버(16)의 둘레에 동축구조로 나란하게 배치되는 연소기 본체(17)를 더 포함하며, 상기 연소기 본체(17)의 내부에는 연소를 위한 공기를 본체 선단부의 연소 챔버(16)의 연소실 앞쪽 영역으로 공급하는 공기 공급 채널(18)과, 상기 공기 공급 채널(18) 내에 나란하게 배치되면서 물과 압축공기를 본체 선단부의 연소 챔버(16)의 연소실 앞쪽 영역으로 공급하는 복수 개의 서브 물 공급 파이프(19)가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 서브 물 공급 파이프(19)는 서로 동축구조로 내외측에 배치되는 내측 파이프(19a) 및 외측 파이프(19b)를 포함하며, 상기 내측 파이프(19a)의 선단부를 통해 배출되는 물과 압축공기가 외측 파이프(19b)의 내부에서 역방향으로 진행된 후에 외측 파이프(19b)의 선단부에 있는 토출구(19c)를 통해 연소실 앞쪽 영역으로 분사되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 연소기 본체(17)의 내측 선단부에서 공기 공급 채널(18)과 접하는 동시에 연소 챔버(16)의 앞쪽으로 배치되고, 그 후단부의 원추부(20)를 통해 연소 챔버(16)에 있는 연소실(14)을 마주 대하면서 연소실(14)의 토출구(15)와의 사이에 갭(21)을 형성하는 압축유도용 관(22)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료의 저녹스화 연소시스템.

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