KR101905839B1 - 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 연료와 연소 공기의 혼합 비율을 연료 과농 상태로 하여 연소시킬 수 있는 플라즈마 버너를 활용하므로 요소수 기화기 내부의 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기는, 공급되는 연료와 연소 공기에 대한 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 연소시켜서 미연소 및 개질 연료를 생성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 토출구에 연결되어 생성된 미연소 및 개질 연료를 배기가스로 추가 연소하는 복수의 단위 모듈, 상기 단위 모듈의 측방에 연결되어 상기 단위 모듈의 내부로 배기가스를 공급하는 배기가스 공급관, 및 상기 단위 모듈의 내부에서 요소수를 증발 및 분해하여 암모니아로 전환하도록 상기 단위 모듈의 내부에 설치되어 요소수를 분사하는 요소수 분사노즐을 포함한다.

Description

플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기 {UREA CARBURETOR USING PLASMA BURNER}
본 발명은 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부의 온도 분포를 조절하여 요소수 분해 및 암모니아 수율을 향상시키는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기에 관한 것이다.
질소산화물을 저감하기 위하여, 다양한 산업 현장에서 배기가스 후처리 장치가 도입되고 있으며, 질소산화물 환원제로써 암모니아를 이용한 질소 저감 장치가 활용되고 있다.
암모니아는 폭발 및 부식의 위험성을 가진다. 따라서 암모니아를 직접 사용하는 기술을 대체하기 위하여, 암모니아가 필요한 현상에서, 요소수를 암모니아로 분해 및 전환하여 사용하는 기술이 적용되고 있다.
그러나 요소수를 암모니아로 분해 및 전환하는 데 다양한 문제점이 있다. 요소수를 분해하여 암모니아로 전환하기 위하여, 요소수 기화기의 내부가 350℃ 이상의 고온 환경을 유지하여야 한다.
그러나 요소수를 분사하는 영역에서 온도가 충분히 높지 못할 경우, 요소수가 화학반응을 통해서 고상의 암모늄염으로 변화되고, 암모늄염은 요소수 공급 노즐 및 배관에 쌓이게 된다. 이러한 현상이 지속될 경우, 요소수 공급 계통에 문제가 야기된다.
또한, 요소수 기화기의 내부가 800℃ 이상으로 높아질 경우, 요소수에서 분해된 암모니아가 열분해 되므로 요소수 분해 및 전환을 통해 얻고자 하는 암모니아의 양이 오히려 감소된다.
따라서 요소수 기화기 내부의 온도 분포를 적절하게 형성함으로써 요소수의 분해, 암모니아의 수율, 및 에너지 효율이 향상될 수 있다.
일반적인 버너를 이용하는 요소수 기화기는 연료와 연소 공기의 혼합 비율을 연소 당량비에 맞추어 작동하며, 연소 당량비에서 벗어난 혼합 비율에서는 화염을 안정적으로 유지시키는 데 한계를 가진다.
일반적인 버너를 이용하는 요소수 기화기는 연소 영역에서 발열 반응을 집중시키므로 내부의 온도 분포를 균일하게 형성 및 유지하는 데 한계를 가진다.
본 발명의 목적은 연료와 연소 공기의 혼합 비율을 연료 과농 상태로 하여 연소시킬 수 있는 플라즈마 버너를 활용하므로 요소수 기화기 내부의 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기는, 공급되는 연료와 연소 공기에 대한 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 연소시켜서 미연소 및 개질 연료를 생성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 토출구에 연결되어 생성된 미연소 및 개질 연료를 배기가스로 추가 연소하는 복수의 단위 모듈, 상기 단위 모듈의 측방에 연결되어 상기 단위 모듈의 내부로 배기가스를 공급하는 배기가스 공급관, 및 상기 단위 모듈의 내부에서 요소수를 증발 및 분해하여 암모니아로 전환하도록 상기 단위 모듈의 내부에 설치되어 요소수를 분사하는 요소수 분사노즐을 포함한다.
상기 플라즈마 버너는 플라즈마 방전으로 발생된 미연소 및 개질 연료를 포함하는 화염을 상기 토출구로 분출하는 플라즈마 하우징, 및 타공 관체로 형성되어 상기 플라즈마 하우징의 내면에 이격 설치되어, 화염을 안정시키는 플라즈마 보염기를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 구동 전압(HV)이 인가되는 전극, 및 상기 전극과의 사이에 방전갭(G)을 형성하고 전기적으로 접지되는 플라즈마 하우징을 포함하며, 상기 플라즈마 하우징은 연료와 연소 공기를 유입하는 연료 유입구와 연소 공기 유입구를 구비할 수 있다.
상기 단위 모듈은 상기 플라즈마 버너의 플라즈마 하우징에 길이 방향으로 연결되고 상기 배기가스 공급관에 배기가스 공급구로 연결되는 모듈 하우징, 및 타공 관체로 형성되어 상기 모듈 하우징의 내면에 이격 설치되어 화염을 안정시키는 모듈 보염기를 포함할 수 있다.
상기 요소수 분사노즐은 상기 모듈 하우징의 외측에서 상기 모듈 하우징 및 상기 모듈 보염기를 관통하여 상기 모듈 보염기의 내부에 요소수를 분사하도록 설치될 수 있다.
상기 배기가스 공급구는 공급되는 배기가스를 상기 모듈 하우징의 내부에서 선회 유도하기 위하여, 원통으로 형성되는 상기 모듈 하우징의 접선에 대하여 설정된 각도로 형성될 수 있다.
상기 요소수 분사노즐은 미연소 연료 및 개질 연료의 유동 방향으로 요소수를 분사하도록 상기 모듈 하우징의 중심에 설치될 수 있다.
상기 배기가스 공급관은 단위 모듈의 개수로 분지되는 복수의 분지관을 포함하고, 상기 복수의 분지관은 단위 모듈 각각의 배기가스 공급구에 연결될 수 있다.
상기 단위 모듈은 상기 플라즈마 버너의 플라즈마 하우징에 길이 방향으로 연결되고 상기 배기가스 공급관에 배기가스 공급구로 연결되는 모듈 하우징, 타공 관체로 형성되어 상기 모듈 하우징의 내면에 이격 설치되어 화염을 안정시키는 모듈 보염기, 및 상기 모듈 보염기의 내부에서 길이 방향을 따라 상기 요소수 분사노즐의 전방에 설치되어 요소수를 분해하는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 단위 모듈은 상기 모듈 보염기의 내부에서 상기 촉매의 전방에 설치되어 요소수를 배기가스 및 화염에 혼합하는 고정형 믹서를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 당량비가 1.0 내지 1.85에서 연소 가능하게 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 버너는 당량비가 1.65 내지 1.85에서 연소 가능하게 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 버너로 연료와 연소 공기의 혼합 비율을 연료 과농 상태로 하여 연소시켜 미연소 연료 및 개질 연료를 생성하고, 단위 모듈에서 배기가스를 공급하여 미연소 연료 및 개질 연료를 추가로 연소시키므로 요소수 기화기의 내부에서 길이 방향을 따라 온도 분포를 보다 균일하게 유지시킬 수 있다.
미연소 연료 및 개질 연료의 추가 연소 반응은 분사된 요소수의 증발과 분해, 및 열손실로 인한 열량 감소분을 보충하므로 요소수 기화기의 길이 방향에서 온도 감소를 최소화할 수 있다. 따라서 요소수 분해 및 암모니아 수율이 향상될 수 있다.
또한 복수의 단위 모듈과 배기가스 공급관은 요소수 기화기의 길이 증가에 따른 온도 감소를 최소화 할 수 있다. 따라서 요소수 기화기의 길이가 증가하는 경우에도 요소수의 분해 및 암모니아의 수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기의 구성도이다.
도 2는 종래기술과 본 발명의 제1실시예에 대하여, 요소수 기화기 내부의 길이 방향에서 위치별 온도 분포를 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1에 적용되는 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 4는 도 1에 적용되는 플라즈마 버너에 대하여, 당량비와 연소 및 화염의 발생 관계를 도시한 사진이다.
도 5는 종래기술의 일반적인 버너에 대하여, 당량비와 연소 및 화염의 발생 관계를 도시한 사진이다.
도 6은 도 1에 적용되는 단위 모듈의 단면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기에 적용되는 단위 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 요소수 기화기는 플라즈마 버너(10), 복수의 단위 모듈(20; 21, 22, 23, 24), 배기가스 공급관(30; 31, 32, 33, 34) 및 요소수 분사노즐(40; 41, 42, 43, 44)을 포함한다.
플라즈마 버너(10)는 공급되는 연료와 연소 공기에 대한 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 연소시켜서 미연소 연료 및 개질 연료를 생성한다. 즉 플라즈마 버너(10)는 과농 연소로 인하여, 초기에 연소 온도를 낮추고, 미연소 연료 및 개질 연료를 복수의 단위 모듈(20)로 공급할 수 있다.
복수의 단위 모듈(20)은 플라즈마 버너(10)의 토출구(114)에 순차적으로 연결되고, 배기가스 공급관(30)은 복수의 단위 모듈(20) 측방에 각각 연결되어 단위 모듈(20)의 내부로 배기가스를 각각 공급한다.
배기가스 공급관(30)은 단위 모듈(20)의 개수에 대응하도록 복수의 제1, 제2, 제3, 제4분지관(31, 32, 33, 34)으로 분지되고, 제1, 제2, 제3, 제4분지관(31, 32, 33, 34)은 단위 모듈들(20; 21, 22, 23, 24) 각각으로 배기가스를 공급한다.
따라서 단위 모듈들(20)은 플라즈마 버너(10)에서 생성된 미연소 연료 및 개질 연료를 배기가스 공급관(30)으로 공급되는 배기가스를 이용하여 순차적으로 추가 연소시킨다.
즉 미연소 연료 및 개질 연료는 복수의 단위 모듈(20)을 경유하면서 배기가스와 함께 수 차례 연소된다. 이때, 각각의 단위 모듈들(20)은 미연소 연료 및 개질 연료를 생성하면서 수 차례 연소한다. 따라서 요소수 기화기, 즉 복수의 단위 모듈들(20) 내부에서 온도 분포가 균일하게 유지될 수 있다.
요소수 분사노즐(40)은 단위 모듈들(20) 각각에 설치되어, 각 단위 모듈들(20) 내부로 설정된 양의 요소수를 공급한다. 따라서 단위 모듈들(20)은 요소수 분사노즐(40)에서 분사되는 요소수를 증발 및 분해하여 암모니아로 전환할 수 있다.
즉 제1실시예의 요소수 기화기에서, 플라즈마 버너(10)는 연료를 과농 상태로 연소시켜 화염 온도를 비교적 낮은 1000℃ 이하로 유지할 수 있다. 이때, 요소수가 암모니아로 전환되고, 미연소 연료와 고온에서 개질된 연료가 생성되어 단위 모듈들(20)로 공급되면서 완전 연소에 비하여 화염 온도를 낮추게 된다.
단위 모듈들(20)로 공급된 미연소 연료 및 개질 연료는 배기가스 공급관(30)을 통하여 추가로 공급되는 배기가스 중의 산소와 만나서 추가 연소 반응을 일으킨다. 추가 연소 반응은 길이 방향에서 단위 모듈들(20) 내부의 온도를 균일하게 유지시킨다.
추가 연소 반응은 요소수 분사노즐(40)에서 단위 모듈(20) 내부로 분사되는 요소수의 증발과 분해 및 열손실로 인한 열량 감소분을 보충할 수 있다. 이와 같이, 단위 모듈(20)과 배기가스 공급관(30)에 의한 추가 연소 반응은 요소수 기화기의 길이 증가에 따른 온도 감소를 최소화 및 온도 분포를 균일화시킬 수 있고, 요소수 기화기의 대형 설계를 가능하게 한다.
도 2는 종래기술과 본 발명의 제1실시예에 대하여, 요소수 기화기 내부의 길이 방향에서 위치별 온도 분포를 도시한 그래프이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 요소수 기화기는 하나의 플라즈마 버너(10)에 4개 이상의 단위 모듈(20)을 연결하고, 배기가스 공급관(30)을 분지하여 4개 이상의 단위 모듈(20)에 각각 연결하며, 요소수 분사노즐(40)을 4개 이상의 단위 모듈(20)에 각각 설치하여 형성된다.
플라즈마 버너(10)는 제1연소(F1)에서 연료를 과농 상태로 연소시켜 미연소 연료와 개질 연료를 생성한다. 즉 플라즈마 버너(10)를 적용하는 요소수 기화기는 종래의 완전 연소의 버너를 적용하는 요소수 기화기의 위치별 온도 분포(L1)에 비하여, 연소 초기 구간(D1)에서 낮은 온도를 가지는 위치별 온도 분포(L2)를 형성하게 된다.
미연소 연료와 개질 연료는 플라즈마 버너(10)에 연결되는 제1단위 모듈(21)로 공급되고, 배기가스 공급관(30)으로 공급되는 배기가스는 제1단위 모듈(21)에 연결되는 제1분지관(31)으로 공급된다.
따라서 제1단위 모듈(21)은 플라즈마 버너(10)에서 공급되는 미연소 연료와 개질 연료를 제1분지관(31)으로 공급되는 배기가스로 제2연소(F2)시킨다. 즉 제1단위 모듈(21)은 제2연소(F2)로 인하여, 플라즈마 버너(10)에서 멀어지면서 낮아지게 되는 온도 분포를 덜 낮아지는 온도 분포로 형성한다.
제1분사노즐(41)은 제1단위 모듈(21)에 설치되어 요소수를 분사한다. 분사된 요소수는 제1, 2연소(F1, F2)에 의하여 제1단위 모듈(21) 내부의 온도 분포에 의하여 증발 및 분해되어 암모니아로 전환된다.
제2연소(F2)에서 미연소된 연료와 개질 연료는 전환된 암모니아와 함께 제1단위 모듈(21)에 연결되는 제2단위 모듈(22)로 공급되고, 배기가스 공급관(30)으로 공급되는 배기가스는 제2단위 모듈(22)에 연결되는 제2분지관(32)으로 공급된다.
따라서 제2단위 모듈(22)은 제1단위 모듈(21)을 경유하여 공급되는 미연소 연료와 개질 연료를 제2분지관(32)으로 공급되는 배기가스로 제3연소(F3)시킨다. 즉 제2단위 모듈(22)은 제3연소(F3)로 인하여, 제1단위 모듈(21)에서 멀어지면서 낮아지게 되는 온도 분도를 덜 낮아지는 온도 분포로 형성한다.
제2분사노즐(42)은 제2단위 모듈(22)에 설치되어 요소수를 분사한다. 분사된 요소수는 제3연소(F3)에 의하여 제2단위 모듈(22) 내부의 온도 분포에 의하여 증발 및 분해되어 암모니아로 전환된다.
제3연소(F3)에서 미연소된 연료와 개질 연료는 전환된 암모니와 함께 제2단위 모듈(22)에 연결되는 제3단위 모듈(23)로 공급되고, 배기가스 공급관(30)으로 공급되는 배기가스는 제3단위 모듈(23)에 연결되는 제3분지관(33)으로 공급된다.
따라서 제3단위 모듈(23)은 제2단위 모듈(22)을 경유하여 공급되는 미연소 연료와 개질 연료를 제3분지관(33)으로 공급되는 배기가스로 제4연소(F4)시킨다. 즉 제3단위 모듈(23)은 제4연소(F4)로 인하여, 제2단위 모듈(22)에서 멀어지면서 낮아지게 되는 온도 분포를 덜 낮아지는 온도 분포로 형성한다.
제3분사노즐(43)은 제3단위 모듈(23)에 설치되어 요소수를 분사한다. 분사된 요소수는 제4연소(F4)에 의하여 제3단위 모듈(23) 내부의 온도 분포에 의하여 증발 및 분해되어 암모니아로 전환된다.
제4연소(F4)에서 미연소된 연료와 개질 연료는 전환된 암모니와 함께 제3단위 모듈(23)에 연결되는 제4단위 모듈(24)로 공급되고, 배기가스 공급관(30)으로 공급되는 배기가스는 제4단위 모듈(24)에 연결되는 제4분지관(34)으로 공급된다.
따라서 제4단위 모듈(24)은 제3단위 모듈(23)을 경유하여 공급되는 미연소 연료와 개질 연료를 배기가스로 제5연소(F5)시킨다. 즉 제4단위 모듈(24)은 제5연소(F5)로 인하여, 제3단위 모듈(23)에서 멀어지면서 낮아지게 되는 온도 분포를 덜 낮아지는 온도 분포로 형성한다.
제4분사노즐(44)은 제4단위 모듈(24)에 설치되어 요소수를 분사한다. 분사된 요소수는 제5연소(F5)에 의하여 제4단위 모듈(24) 내부의 온도 분포에 의하여 증발 및 분해되어 암모니아로 전환된다.
이와 같이, 제1실시예는 플라즈마 버너(10)로 연료와 연소 공기의 혼합 비율을 연료 과농 상태로 혼합하여 제1연소(F1)시켜 미연소 연료 및 개질 연료를 생성하고, 복수의 제1, 제2, 제3, 제4단위 모듈(21, 22, 23, 24)에서 제1, 제2, 제3, 제4분지관(31, 32, 33, 34)으로 배기가스를 공급하여 미연소 및 개질 연료를 추가로 제2, 제3, 제4, 제5연소(F2, F3, F4, F5)시킨다.
종래기술의 요소수 기화기에서, 위치별 온도 분포(L1)는 버너의 후방에 배기가스를 1회 공급하여 연소하므로 연소 초기 구간(D1)에서 높은 온도를 형성하고, 버너에서 멀어지면서 급격히 낮아지는 온도 분포를 형성한다.
이에 비하여, 제1실시예의 요소수 기화기에서, 위치별 온도 분포(L2)는 플라즈마 버너(10)에서 과농 연소, 즉 제1연소(F1)로 종래기술의 위치별 온도 분포(L1)에 비하여, 연소 초기 구간(D1)에서 낮은 온도를 형성하고, 추가적인 제2, 제3, 제4, 제5연소(F2, F3, F4, F5)를 형성하여 플라즈마 버너(10)에서 멀어지는 경우에도 서서히 완만하게 낮아지는 온도 분포를 형성한다.
즉 제1실시예에 따른 위치별 온도 분포(L2)는 요소수의 증발 및 분해, 열손실로 인한 열량 감소분을 보충하므로 요소수 기화기 내부의 길이 방향에서 종래기술의 위치별 온도 분포(L1)에 비하여 더 균일한 온도 분포를 유지할 수 있다. 따라서 제1실시예는 요소수 분해 및 암모니아 수율을 더 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 1에 적용되는 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 버너(10)는 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 제1연소(F1)시켜서 미연소 연료 및 개질 연료를 생성하도록 플라즈마 하우징(11), 플라즈마 보염기(12) 및 전극(13)을 포함한다.
플라즈마 하우징(11)은 일측에 토출구(114)를 구비하여 플라즈마 방전으로 발생된 미연소 연료 및 개질 연료를 포함하는 화염을 토출구(114)로 분출한다. 플라즈마 보염기(12)는 타공 관체로 형성되어 플라즈마 하우징(11)의 내면에 이격 설치되어, 제1연소(F1)로 미연소 연료 및 개질 연료를 포함하여 발생되는 화염을 안정시킨다.
플라즈마 하우징(11) 및 플라즈마 보염기(12)는 전극(13) 측에 좁은 통로로 형성되고, 전극(13)의 단부에 대응하여 좁은 통로(P1)에서 확장되는 확장 통로(P2)를 형성하며, 확장 통로(P2)에서 확장된 상태를 유지하는 넓은 통로(P3)를 형성한다.
전극(13)은 플라즈마 하우징(11)의 중심에서 길이 방향으로 돌출되는 구조로 배치된다. 전극(13)에는 구동 전압(HV)이 인가된다. 플라즈마 하우징(11)은 내장된 전극(13)과의 사이에 방전갭(G)을 형성하고 전기적으로 접지된다. 그리고 플라즈마 하우징(11)은 연료와 연소 공기를 각각 유입하는 연료 유입구(112)와 연소 공기 유입구(113)를 구비한다.
도 4는 도 1에 적용되는 플라즈마 버너에 대하여, 당량비와 연소 및 화염의 발생 관계를 도시한 사진이다. 도 4를 참조를 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 버너(10)는 당량비(Φ)가 1.0 내지 1.85에서 연소 가능(b, c, d, e)하게 나타난다. 또한 플라즈마 버너(10)는 당량비(Φ)가 1.65 내지 1.85에서 연소 가능(d, e)하게 나타난다.
도 5는 종래기술의 일반적인 버너에 대하여, 당량비와 연소 및 화염의 발생 관계를 도시한 사진이다. 도 5를 참조하면, 플라즈마를 사용하지 않는 종래기술의 일반적인 버너는 당량비(Φ)가 1.0 내지 1.4에서 연소 가능(b, c)하고, 당량비(Φ)가 0.55, 및 1.65 이상에서 연소가 불가능(a, d, e)하게 나타난다.
이로써, 일 실시예의 플라즈마 버너(10)는 공급되는 연료와 연소 공기에 대한 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 연소시켜서 미연소 연료 및 개질 연료를 생성하므로, 후방의 단위 모듈들(20)에서 추가 연소(F2, F3, F4, F5)를 가능하게 하는 것이 검증되었다.
도 6은 도 1에 적용되는 단위 모듈의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 단위 모듈(20)은 모듈 하우징(201)과 모듈 보염기(202)를 포함한다. 모듈 하우징(201)은 플라즈마 버너(10)의 플라즈마 하우징(11)에 길이 방향으로 연결되고, 배기가스 공급관(30)에 배기가스 공급구(211)로 연결된다.
일례로써, 모듈 하우징(201)과 플라즈마 하우징(11)은 플랜지를 구비하여 체결부재(미도시)로 연결될 수 있다. 또한, 이웃하는 모듈 하우징들(201)은 플랜지를 구비하여 체결부재(미도시)로 연결될 수 있다.
모듈 보염기(202)는 타공 관체로 형성되고 모듈 하우징(201)의 내면에 이격 설치되며, 배기가스 공급구(211)로 공급되는 배기가스를 모듈 하우징(201)의 길이 방향에서 균일하게 공급하므로 추가 연소(F2, F3, F4, F5)에 따른 화염을 안정시킨다. 따라서 모듈 보염기(202)는 단위 모듈(20)의 길이를 더 연장할 수 있게 한다.
모듈 하우징(201)과 플라즈마 하우징(11)은 동일 직경으로 형성 및 연결되어, 미연소 연료 및 개질 연료의 흐름을 안정시켜서, 추가 연소(F2, F3, F4, F5)를 더욱 안정시킬 수 있다.
이 경우, 모듈 보염기(202)와 플라즈마 보염기(12)는 동일 직경으로 형성 및 연결되어 미연소 연료 및 개질 연료의 흐름을 안정시켜서, 추가 연소(F2, F3, F4, F5)를 더욱 안정시킬 수 있다.
요소수 분사노즐(40)은 모듈 하우징(201)의 외측에서 모듈 하우징(201) 및 모듈 보염기(202)를 관통하여 모듈 보염기(202)의 내부에 요소수를 분사하도록 설치된다. 요소수는 미연소 연료 및 개질 연료의 흐름 방향으로 분사된다.
단위 모듈(20), 배기가스 공급관(30) 및 요소수 분사노즐(40)은 배기가스와 요소수를 각 단위 모듈(20)에 공급할 수 있게 하므로 요소수 기화기를 길이 방향으로 확장할 수 있게 하고, 대형 요소수 공급 설비에 적합하게 한다.
도 7은 도 6의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 7을 참조하면, 배기가스 공급구(211)는 공급되는 배기가스를 모듈 하우징(201)의 내부에서 선회 유도하기 위하여, 원통으로 형성되는 모듈 하우징(201)의 접선에 대하여 설정된 각도(θ)로 형성된다.
요소수 분사노즐(40)은 미연소 연료 및 개질 연료의 유동 방향으로 요소수를 분사하도록 모듈 하우징(201)의 중심에 설치된다. 따라서 요소수 분사노즐(40)에서 연소가스의 유동 방향으로 분사되는 요소수는 선회하는 배기가스의 추가 연소(F2, F3, F4, F5)시, 열량 보충에 의하여 효과적으로 증발 및 분해될 수 있다.
이하 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다. 편의상, 제1, 제2실시예를 비교하여, 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기에 적용되는 단위 모듈의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제2실시예의 요소수 기화기에서, 단위 모듈(50)은 모듈 하우징(201)과 모듈 보염기(202) 및 촉매(203)를 포함한다.
촉매(203)는 모듈 보염기(202)의 내부에서 길이 방향을 따라 요소수 분사노즐(40)의 전방에 설치되어 요소수를 분해한다. 촉매(203)는 촉매 작용으로 요소수의 증발 및 분해 반응을 가속화시킬 수 있다.
또한 단위 모듈(50)은 모듈 보염기(202)의 내부에서 촉매(203)의 전방에 설치되어 요소수를 배기가스 및 화염에 혼합하는 고정형 믹서(204)를 더 포함한다. 고정형 믹서(204)는 미연소 연료 및 개질 연료를 배기가스에 더 혼합하므로 촉매(203)와 함께 요소수의 증발 및 분해 반응을 더욱 가속화시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 플라즈마 버너 11: 플라즈마 하우징
12: 플라즈마 보염기 13: 전극
20, 50: 단위 모듈 30: 배기가스 공급관
40: 요소수 분사노즐 114: 토출구
21, 22, 23, 24: 제1, 제2, 제3, 제4단위 모듈
31, 32, 33, 34: 제1, 제2, 제3, 제4분지관
41, 42, 43, 44: 제1, 제2, 제3, 제4분사노즐
112: 연료 유입구 113: 연소 공기 유입구
201: 모듈 하우징 202: 모듈 보염기
203: 촉매 204: 고정형 믹서
211: 배기가스 공급구 CL: 선회 라인
G: 방전갭 θ: 각도
F1, F2, F3, F4, F5: 제1, 2, 3, 4, 5연소
L1, L2: 위치별 온도 분포

Claims (12)

  1. 공급되는 연료와 연소 공기에 대한 플라즈마 방전으로 연료를 과농 상태로 연소시켜서 미연소 및 개질 연료를 생성하는 플라즈마 버너;
    상기 플라즈마 버너의 토출구에 연결되어 생성된 미연소 및 개질 연료를 배기가스로 추가 연소하는 복수의 단위 모듈;
    상기 단위 모듈의 측방에 연결되어 상기 단위 모듈의 내부로 배기가스를 공급하는 배기가스 공급관; 및
    상기 단위 모듈의 내부에서 요소수를 증발 및 분해하여 암모니아로 전환하도록 상기 단위 모듈의 내부에 설치되어 요소수를 분사하는 요소수 분사노즐
    을 포함하는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    플라즈마 방전으로 발생된 미연소 및 개질 연료를 포함하는 화염을 상기 토출구로 분출하는 플라즈마 하우징, 및
    타공 관체로 형성되어 상기 플라즈마 하우징의 내면에 이격 설치되어, 화염을 안정시키는 플라즈마 보염기
    를 포함하는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    구동 전압(HV)이 인가되는 전극, 및
    상기 전극과의 사이에 방전갭(G)을 형성하고 전기적으로 접지되는 플라즈마 하우징을 포함하며,
    상기 플라즈마 하우징은
    연료와 연소 공기를 유입하는 연료 유입구와 연소 공기 유입구를 구비하는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 모듈은
    상기 플라즈마 버너의 플라즈마 하우징에 길이 방향으로 연결되고 상기 배기가스 공급관에 배기가스 공급구로 연결되는 모듈 하우징, 및
    타공 관체로 형성되어 상기 모듈 하우징의 내면에 이격 설치되어 화염을 안정시키는 모듈 보염기
    를 포함하는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 요소수 분사노즐은
    상기 모듈 하우징의 외측에서 상기 모듈 하우징 및 상기 모듈 보염기를 관통하여 상기 모듈 보염기의 내부에 요소수를 분사하도록 설치되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배기가스 공급구는
    공급되는 배기가스를 상기 모듈 하우징의 내부에서 선회 유도하기 위하여,
    원통으로 형성되는 상기 모듈 하우징의 접선에 대하여 설정된 각도로 형성되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요소수 분사노즐은
    미연소 연료 및 개질 연료의 유동 방향으로 요소수를 분사하도록 상기 모듈 하우징의 중심에 설치되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 공급관은
    단위 모듈의 개수로 분지되는 복수의 분지관을 포함하고,
    상기 복수의 분지관은
    단위 모듈 각각의 배기가스 공급구에 연결되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단위 모듈은
    상기 플라즈마 버너의 플라즈마 하우징에 길이 방향으로 연결되고 상기 배기가스 공급관에 배기가스 공급구로 연결되는 모듈 하우징,
    타공 관체로 형성되어 상기 모듈 하우징의 내면에 이격 설치되어 화염을 안정시키는 모듈 보염기, 및
    상기 모듈 보염기의 내부에서 길이 방향을 따라 상기 요소수 분사노즐의 전방에 설치되어 요소수를 분해하는 촉매
    를 포함하는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단위 모듈은
    상기 모듈 보염기의 내부에서 상기 촉매의 전방에 설치되어 요소수를 배기가스 및 화염에 혼합하는 고정형 믹서
    를 더 포함하는 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    당량비가 1.0 내지 1.85에서 연소 가능하게 형성되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는
    당량비가 1.65 내지 1.85에서 연소 가능하게 형성되는
    플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220041603A (ko) * 2020-09-25 2022-04-01 한국기계연구원 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101512160B1 (ko) 2013-02-21 2015-04-15 한국기계연구원 플라즈마 에스씨알 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101512160B1 (ko) 2013-02-21 2015-04-15 한국기계연구원 플라즈마 에스씨알 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220041603A (ko) * 2020-09-25 2022-04-01 한국기계연구원 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치
KR102478595B1 (ko) * 2020-09-25 2022-12-16 한국기계연구원 복합화력발전소용 질소산화물 제거장치

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