KR101969832B1 - Boiler using micro plasma steam for eco-friendly burning of low grade fuel oil - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파 플라즈마 스팀으로 저급 연료유의 친환경 연소를 유도하여 연소효율을 높이고 대기오염 물질을 저감하는 보일러에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
보일러는 연료의 연소에 의해 발생되는 열을 밀폐된 용기 내의 물에 전달하여 소정의 압력과 용도를 갖는 스팀이나 온수를 만들어 공급하는 장치이다. 일반적으로 보일러는 연소장치, 동체, 부속장치로 구성되며, 연료로서 고체원료, 액체원료 및 기체원료가 사용되고, 발전용, 난방용, 산업용, 가정용 등의 용도에 적용되고 있다. 최근에는, 가열로를 포함하는 보일러 등에 있어서 연소효율 측면 이외에 대기오염 물질 최소화하는 데에 주력하고 있다. 특히 고체, 액체의 화석연료를 연소할 때 발생하는 질소산화물(NOx) 및 미세먼지(particle matter)에 대한 규제가 배기가스 배출기준에 따라 갈수록 엄격해 지고 있다. The boiler is a device that transfers heat generated by the combustion of fuel to water in a sealed container and supplies steam or hot water having a predetermined pressure and use. Generally, a boiler is composed of a combustion device, a fuselage, and an accessory device, and a solid raw material, a liquid raw material and a gas raw material are used as fuel and are used for power generation, heating, industrial use and home use. In recent years, it has been focused on minimizing air pollutants in addition to combustion efficiency in boilers including heating furnaces. Particularly, the regulation of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter which are generated when burning solid and liquid fossil fuels becomes more strict according to exhaust gas emission standards.
국내 산업용으로는 액체연료인 벙커C유, 재생연료유, 중유 등의 저급 연료유가 많이 사용되고 있다. 저급 연료유를 사용하는 보일러는 질소산화물(NOx) 발생량이 가스연료에 비해 다소 높고 냄새, 공해물질 배출 등을 수반한다. 원유의 상당부분을 차지하는 벙커C유는 높은 점도를 가지며 저온에서 엉김현상에 의한 무스(mousse) 형성으로 연소효율이 낮아지고 불완전 연소로 인한 매연 및 배기가스 요인이 될 수 있다. 중유의 경우 타 연료 대비 충분한 예열시간, 연소공기, 연소를 위한 추가동력 등이 필요하며 성분 자체에 질소 성분으로 인한 배기가스, 유황물질로 인한 저온 부식의 우려도 있다. Low-grade fuel oil such as bunker C oil, regenerated fuel oil, and heavy oil, which are liquid fuels, are used for domestic industrial use. Boilers using low fuel oil have a higher NOx emission than gas fuels and are accompanied by odor and pollutant emissions. Bunker C oil, which occupies a significant portion of crude oil, has a high viscosity, and the combustion efficiency is lowered due to the mousse formation due to entanglement at low temperature, and it may become a soot and exhaust gas factor due to incomplete combustion. In case of heavy oil, sufficient warm-up time relative to other fuels, combustion air, and additional power for combustion are required, and there is also concern about low temperature corrosion due to exhaust gas and sulfur substances due to nitrogen component in the component itself.
이러한 질소산화물을 저감하기 위하여, 배기가스 재순환, 2단 연소, 물/수증기 분사법, 선택적 촉매 환원법, 선택적 무촉매 환원법 등과 같이 다양한 방법이 제시되고 있다. 하지만, 저급 연료유의 경우, 위와 같은 방법은 NOx가 크게 줄지 않아서 저감효과가 크지 않다. 이를 해소하기 위하여, 국내등록특허 제10-1739651호, 국내공개특허 제2013-0041854호 등의 브라운가스를 이용하는 보일러가 제시되고 있다. 하지만, 브라운가스를 이용하더라도, 액체연료인 저급 연료유의 연소효율을 높이고, 저급 연료유로 인한 대기오염 물질 최소화하는 방법은 아직 구체화되지 않고 있다. 또한, 일본등록특허 제5,589,322호 등에서는 순산소를 제공하는 보일러를 제안하고 있지만, 연소효율을 높이고 대기오염 물질의 줄이는 효과가 미흡한 실정이다. In order to reduce such nitrogen oxides, various methods such as exhaust gas recirculation, two-stage combustion, water / steam jet method, selective catalytic reduction method, and selective non-catalytic reduction method have been proposed. However, in the case of low-grade fuel oil, the above-mentioned method does not significantly reduce the NOx, and thus the reduction effect is not large. In order to solve this problem, a boiler using brown gas such as Korean Patent No. 10-1739651 and Korean Patent Laid-Open No. 2013-0041854 is proposed. However, even if Brown gas is used, a method of increasing the combustion efficiency of low-grade fuel oil, which is a liquid fuel, and minimizing air pollutants caused by low-grade fuel oil has not been specified yet. Japanese Patent No. 5,589,322 suggests a boiler for providing pure oxygen, but the effect of increasing combustion efficiency and reducing air pollutants is insufficient.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로파 플라즈마를 이용하여 액체연료인 저급 연료유의 연소효율을 높이고, 저급 연료유로 인한 대기오염 물질을 최대한으로 줄이는 보일러를 제공하는 데 있다. The object of the present invention is to provide a boiler which uses microwave plasma to increase the combustion efficiency of a low-grade fuel oil, which is a liquid fuel, and to reduce air pollutants caused by low-grade fuel oil to a maximum extent.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 저급 연료유로 인한 대기오염 물질을 최대한으로 줄이는 보일러의 하나의 예는 스팀을 플라즈마로 변환시키기 위한 마이크로파를 제공하는 마이크로파 발생기와, 상기 마이크로파 발생기에 접속되며, 상기 마이크로파에 의해 상기 스팀을 플라즈마로 만들어서 활성화된 라디칼을 포함하는 플라즈마 스팀을 이용하여 화염을 발생시키는 플라즈마 스팀버너 및 상기 플라즈마 스팀버너에 의한 화염으로 물을 가열하는 연소부를 포함한다. 이때, 상기 플라즈마 스팀버너는 일측에는 저급 연료유가 주입되는 주입구가 있고 타측에는 상기 저급 연료유가 분출되는 토출구가 있는 버너 몸체 및 상기 버너 몸체의 외측으로부터 내측까지 관통되어 부착된 플라즈마 스팀발생기를 포함한다. One example of a boiler for minimizing the amount of air pollutants due to a low fuel flow path to achieve the object of the present invention is a microwave generator for providing a microwave for converting steam into plasma, A plasma steam burner for converting the steam into plasma and generating a flame by using a plasma steam containing an activated radical, and a combustion unit for heating water by a flame by the plasma steam burner. At this time, the plasma steam burner includes a burner body having an injection port for injecting low-grade fuel oil on one side and a discharge port through which the low-grade fuel oil is injected on the other side, and a plasma steam generator penetrating from the outside to the inside of the burner body.
본 발명의 하나의 예에 있어서, 상기 마이크로파 발생기는 도파관을 포함하고, 상기 도파관은 테이퍼진 형태일 수 있다. 상기 버너 몸체 또는 상기 플라즈마 스팀발생기 중의 적어도 하나는 상기 저급 연료유와 상기 스팀이 에멀젼화된 에멀젼 연료가 공급될 수 있다. 상기 플라즈마 스팀발생기의 입력가스는 플라즈마 스팀이다. 상기 버너 몸체로 공급되는 입력가스는 플라즈마 스팀이다.In one example of the present invention, the microwave generator includes a waveguide, and the waveguide may be tapered. At least one of the burner body or the plasma steam generator may be supplied with the emulsion fuel in which the low-grade fuel oil and the steam are emulsified. The input gas of the plasma steam generator is plasma steam. The input gas supplied to the burner body is plasma steam.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 저급 연료유로 인한 대기오염 물질을 최대한으로 줄이는 보일러의 다른 예는 스팀을 플라즈마로 변환시키기 위한 마이크로파를 제공하는 마이크로파 발생기와, 상기 마이크로파 발생기에 접속되며, 상기 마이크로파에 의해 상기 스팀을 플라즈마로 만들어서 활성화된 라디칼을 포함하는 플라즈마 스팀을 이용하여 화염을 발생시키는 플라즈마 스팀버너 및 상기 플라즈마 스팀버너에 의한 화염으로 물을 가열하는 연소부를 포함한다. 이때, 상기 플라즈마 스팀버너는 상기 스팀버너의 몸체에 배치되고 상기 플라즈마 스팀이 주입되어 분출되는 제1 주입로와, 상기 제1 주입로의 외측의 동심원에 배치되고, 저급 연료유가 주입되는 복수의 제2 주입로 및 상기 제1 주입로 및 상기 제2 주입로 사이에 위치하고 상기 플라즈마 스팀이 주입되는 복수의 혼합용 유로를 포함한다. 또한, 상기 혼합용 유로와 상기 제2 주입로 사이에는 상기 플라즈마 스팀과 상기 저급 연료유가 혼합되는 혼합영역을 제공하는 연통로가 존재한다. Another object of the present invention is to provide a microwave generator for generating microwave for converting steam into plasma, a microwave generator connected to the microwave generator, A plasma steam burner for generating the flame by using the plasma steam containing the activated radical by making the steam into plasma, and a combustion unit for heating water by the flame by the plasma steam burner. The plasma steam burner may include a first injection path disposed in the body of the steam burner and injecting and discharging the plasma steam, and a plurality of circulation pumps arranged in a concentric circle outside the first injection path, 2 injection path and a plurality of mixing flow paths located between the first injection path and the second injection path and into which the plasma steam is injected. Also, a communication path is provided between the mixing flow path and the second injection path to provide a mixing region in which the plasma steam and the fuel oil are mixed.
본 발명의 다른 예에 있어서, 상기 제1 주입로는 상기 플라즈마 스팀의 유속을 증가시키는 벤츄리 영역 및 상기 플라즈마 스팀의 분출을 발산하여 확장시키는 확장영역을 포함할 수 있다. 상기 혼합용 유로의 내측에는 상기 혼합영역에서의 혼합이 원활하게 이루어지도록 하는 마진영역을 포함할 수 있다. 상기 스팀버너는 상기 제2 주입로와 동일한 동심원에 배치되고, 상기 플라즈마 스팀과의 혼합이 없이 상기 저급 연료유가 주입되는 복수의 제3 주입로를 더 포함할 수 있다.In another example of the present invention, the first injection path may include a venturi area for increasing the flow rate of the plasma steam, and an extension area for diverging and expanding the discharge of the plasma steam. The inside of the mixing flow path may include a margin region for smooth mixing in the mixing region. The steam burner may further include a plurality of third injection paths disposed concentrically with the second injection path and injecting the low-grade fuel oil without mixing with the plasma steam.
바람직한 본 발명의 다른 예에 있어서, 상기 제2 주입로의 혼합연료는 제1 토출구에 의해 분출되고, 상기 제3 주입로의 저급 연료유는 제2 토출구에서 분출되며, 상기 제1 토출구의 길이는 상기 제2 토출구의 길이보다 작은 것이 좋다.상기 저급 연료유는 상기 스팀과 에멀젼화될 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the mixed fuel in the second injection path is sprayed by the first discharge port, the low-grade fuel oil in the third injection path is sprayed from the second discharge port, and the length of the first discharge port The lower fuel oil may be emulsified with the steam.
본 발명의 저급 연료유의 친환경 연소를 위한 마이크로파 플라즈마 스팀을 이용한 보일러에 의하면, 저급 연료유의 연소효율을 높이고, 저급 연료유로 인한 대기오염 물질을 최대한으로 줄인다. 공기의 주입을 차단하거나 최소한으로 줄임으로써, 질소산화물인 Thermal NOx, Prompt NOx를 원천적으로 배제하거나 크게 저감시킬 수 있다. 또한, 저급 연료유의 분해를 촉진하여 Fuel NOx의 생성을 최대한으로 억제한다. According to the boiler using the microwave plasma steam for eco-friendly combustion of the fuel of the present invention, the combustion efficiency of the low-grade fuel oil is increased and the air pollutant caused by the low-grade fuel oil is reduced as much as possible. By blocking or minimizing the injection of air, thermal NOx, Prompt NOx, which is nitrogen oxides, can be originally eliminated or greatly reduced. In addition, it promotes decomposition of low-grade fuel oil and suppresses the generation of Fuel NOx to the maximum.
도 1은 본 발명에 의한 보일러에 영향을 미칠 수 있는 Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx 생성과정을 도식적으로 표현한 도표이다.
도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 플라즈마 스팀을 이용한 보일러를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2의 마이크로파 발생기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 일반연료 및 에멀젼 연료의 연소과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 플라즈마 스팀버너를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 플라즈마 스팀 발생기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 다단연소를 위한 플라즈마 스팀버너를 설명하기 위하여 단면도 및 측단면도를 동시에 표현한 것이다. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a process of generating thermal NOx, Prompt NOx, and Fuel NOx, which may affect a boiler according to the present invention.
2 is a block diagram for explaining a boiler using microwave plasma steam according to the present invention.
FIG. 3 is a view schematically showing the microwave generator of FIG. 2. FIG.
4 is a conceptual view showing a combustion process of a general fuel and an emulsion fuel.
Fig. 5 is a perspective view showing the plasma steam burner of Fig. 2;
6 is a cross-sectional view illustrating the plasma steam generator of FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view and a side sectional view illustrating a plasma steam burner for multi-stage combustion according to the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 보일러는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 보일러의 방향 및 회전에 따라 변한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. On the other hand, terms pointing to positions such as top, bottom, front, and the like only relate to those shown in the drawings. In fact, the boiler can be used in any optional orientation, and the spatial orientation in actual use varies with the direction and rotation of the boiler.
본 발명의 실시예는 마이크로파 플라즈마 스팀을 활용함으로써, 저급 연료유의 연소효율을 높이고, 저급 연료유로 인한 대기오염 물질을 최대한으로 줄이는 보일러를 제시한다. 이를 위해, 이를 위해, 마이크로파 플라즈마 스팀을 활용한 보일러의 구조를 구체적으로 알아보고, 마이크로파 플라즈마 스팀에 의해 연소가 이루어지는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 여기서, 저급 연료유란 벙커C유, 재생연료유, 중유 등과 같은 액체연료이다. 이에 따라, 마이크로파 플라즈마 스팀은 저급 연료유와 혼합되어 연소된다고 볼 수도 있다. The embodiment of the present invention proposes a boiler for increasing the combustion efficiency of the low-grade fuel oil and reducing the air pollutant due to the low-grade fuel oil to the utmost by utilizing the microwave plasma steam. To this end, the structure of the boiler using the microwave plasma steam will be described in detail, and the process of burning by the microwave plasma steam will be described in detail. Here, the low-grade fuel turbulence is a liquid fuel such as bunker C oil, regenerated fuel oil, heavy oil and the like. Accordingly, it can be considered that the microwave plasma steam is mixed with the low-grade fuel oil and burned.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 보일러에 영향을 미칠 수 있는 Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx 생성과정을 도식적으로 표현한 도표이다. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a process of generating thermal NOx, Prompt NOx, and Fuel NOx, which may affect a boiler according to an embodiment of the present invention.
도 1에 의하면, 대기오염 물질인 질소산화물의 질소의 원천(nitrogen source)은 공기(air) 및 연료(fuel) 속에 포함된 질소이다. 상기 질소의 원천은 연소하는 과정에서 Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx과 같은 질소산화물을 생성한다. 상기 Fuel NOx는 연료의 화학적 성분에 포함되어 있는 질소성분이 연소영역으로 유입되기 전에 열분해를 통해서 NH3, HCN, CN과 같은 저분자량의 질소화합물로 변하고 이들 물질이 산소와 반응하여 생성된다. 중유의 경우, 질소성분 중 약 10~20%가 변환되어 생성되는 것으로 알려져 있으며, 연소할 때 산소농도, 연료 중의 질소함량, 휘발성분의 함량 등에 영향을 받는다. 한편, 반응 초기에 공기를 적게 유지하면, 질소(N2)로 변환될 확률이 높아지기 때문에 Fuel NOx의 저감에 좋은 효과가 있다. Referring to FIG. 1, the nitrogen source of nitrogen oxide, which is an air pollutant, is nitrogen contained in air and fuel. The source of nitrogen produces nitrogen oxides such as Thermal NOx, Prompt NOx, and Fuel NOx during the combustion process. The fuel NOx is converted into a low molecular weight nitrogen compound such as NH 3 , HCN, and CN through pyrolysis before the nitrogen component contained in the chemical component of the fuel is introduced into the combustion region, and these substances are generated by reacting with oxygen. In the case of heavy oil, it is known that about 10 to 20% of the nitrogen component is converted and produced, and when it is burned, it is affected by the oxygen concentration, the nitrogen content in the fuel, the volatile content. On the other hand, if air is kept at a low level at the beginning of the reaction, the probability of conversion to nitrogen (N 2 ) increases, which is effective for reducing NO x.
상기 Thermal NOx는 1,200℃ 이상에서 연소를 위한 공기 중의 질소 성분과 유리된 산소와의 반응으로 생성되는 것으로 연소실 온도 및 반응시간과 관련이 있다. 특히, 온도가 높고, 연소 영역에서 산소의 농도가 높을 때, 고온 영역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 많이 생성된다. 즉, 상기 Thermal NOx는 연소 영역에서 연소온도와 체류시간을 줄이고 산소의 농도를 낮추면 생성이 억제된다. 상기 Prompt NOx는 연소과정에서 공기 중의 질소와 화염에 의해 생성된 탄화수소 라디칼(HC radical)의 반응으로 탄화수소 중간체인 HCN, CN 등이 생성되는데, 이후 산화되어 일산화질소(NO)로 전환되면서 생성되는 질소산화물이다. The thermal NOx is generated by the reaction of the nitrogen component in the air with the free oxygen for combustion at 1,200 DEG C or higher, and is related to the combustion chamber temperature and the reaction time. Particularly, when the temperature is high and the concentration of oxygen in the combustion region is high, a large amount is generated when the residence time of the combustion gas in the high temperature region is long. That is, the thermal NOx is suppressed by reducing the combustion temperature and the residence time in the combustion region and lowering the oxygen concentration. In the combustion process, the Prompt NOx generates hydrocarbon intermediates such as HCN and CN through the reaction of nitrogen in the air and HC radicals generated by the flame. Then, the nitrogen produced by the conversion into NO is converted into nitrogen monoxide Oxide.
연소에서의 질소산화물은 Thermal NOx가 대부분을 차지한다. 상기 Thermal NOx의 생성과정이 중요하며, 대기질소로부터 NO가 생성되는 과정은 Zeldovich 메카니즘으로 설명된다. 상기 메카니즘은 O2 ↔ 2O, N2 + O ↔ NO + N, N + O2 ↔ NO + O 및 N + OH ↔ NO + H의 단계를 가진다. 연소가스 중의 산소분자는 1,700℃ 전후의 온도에서 O2의 분해반응에 의해 산소원자를 생성한다. 분리된 산소원자와 질소분자가 반응하여 NO를 생성하고, 분리된 질소원자는 산소분자와 반응하여 NO를 생성한다. 다시 분리된 산소원자가 질소분자와 반응하는 연쇄적 반응이 일어난다. Nitrogen oxides in combustion account for most of the thermal NOx. The process of generating the thermal NOx is important, and the process of generating NO from atmospheric nitrogen is explained by the Zeldovich mechanism. The mechanism has steps of O 2 ↔ 2O, N 2 + O ↔ NO + N, N + O 2 ↔ NO + O and N + OH ↔ NO + H. Oxygen molecules in the combustion gas generate oxygen atoms by the decomposition reaction of O 2 at temperatures around 1,700 ° C. The separated oxygen atoms react with the nitrogen molecules to generate NO, and the separated nitrogen atoms react with oxygen molecules to produce NO. Again, a cascade reaction occurs in which the separated oxygen atoms react with the nitrogen molecule.
저급 연료유를 연소할 때 발생하는 질소산화물을 줄이는 방법 중의 하나는 보일러에 투입되는 공기를 줄이는 것이다. 왜냐하면, 공기 중의 질소는 Thermal NOx, Prompt NOx의 원천이기 때문이다. 특히, 질소산화물의 주류를 이루는 Thermal NOx는 공기 중의 질소와 연관이 크다는 것이 주목된다. 다른 하나는 반응 초기에 공기를 최대한으로 적게 유지하면 질소(N2)로 변환될 확률이 높아지기 때문에 Fuel NOx의 저감에 유용하다. 따라서 공기를 아예 투입하지 않거나 최대한 적게 투입하면 상기 질소산화물들이 줄어드는 효과를 획득할 수 있다. One of the ways to reduce nitrogen oxides from burning low fuel oil is to reduce the amount of air entering the boiler. Because nitrogen in the air is the source of thermal NOx, Prompt NOx. In particular, it is noted that the thermal NOx, which is the mainstream of nitrogen oxides, is highly related to nitrogen in the air. The other is useful for reducing the NO x emissions because the probability of conversion to nitrogen (N 2 ) increases when the air is kept as low as possible at the beginning of the reaction. Therefore, if the air is not added at all or the amount of the air is minimized, the effect of reducing the nitrogen oxides can be obtained.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파 플라즈마 스팀을 이용한 보일러를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a boiler using a microwave plasma steam according to an embodiment of the present invention.
도 2에 의하면, 본 발명의 보일러는 마이크로파 발생기(100), 플라즈마 스팀버너(200) 및 연소부(300)를 포함하여 이루어진다. 마이크로파 발생기(100)는 스팀을 플라즈마하기 위한 에너지를 공급한다. 마이크로파는 파장이 1m 이하로부터 1mm 이하인 원적외선 부근의 서브밀리파까지를 포함하는 전자기파이다. 마이크로파는 초단파보다 주파수가 높고 파장이 짧으므로, 직진성, 반사, 굴절, 간섭 등의 성질은 빛과 거의 비슷하다. 피가열체에 마이크로파가 닿으면, 상기 피가열체를 구성하는 쌍극자가 마이크로파의 전계에 의해 그 축의 배열 방향을 급속히 변화시키는 과정에서 마찰열이 발생되어 상기 피가열체는 가열된다.Referring to FIG. 2, the boiler of the present invention includes a
플라즈마 스팀버너(200)는 마이크로파에 의해 스팀을 플라즈마로 만들어서 활성화된 H*, OH*, O* 등의 라디칼을 이용하여 화염을 발생시킨다. 플라즈마 스팀버너(200)에 대해서는 추후에 상세하게 설명하기로 한다. 연소부(300)는 연소용 챔버, 스팀 채집부 등을 구비한다. 이와 같은 연소 챔버 및 스팀 채집부 등은 이미 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. The
도 3은 도 2의 마이크로파 발생기(100)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 3 is a view schematically showing the
도 3에 의하면, 마이크로파 발생기(100)는 마그네트론(10), 아이솔레이터(11), 집속관(12), 튜너(13) 및 도파관(14)을 포함한다. 마이크로파 발생기(100)이 동작 및 제어는 모니터(15)를 통하여 관찰하고 필요한 조치를 수행할 수 있다. 마그네트론(10), 아이솔레이터(11), 집속관(12), 튜너(13) 및 모니터(15)는 공지된 것을 모두 사용할 수 있으므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도파관(14)은 테이퍼(taper)진 형태이며, 도면에서와 같이 계단형으로 구현될 수 있다. 즉, 계단의 폭이 점진적으로 줄어들어 전체적으로 테이퍼 형상을 이룬다. 도파관(14)이 경사지어 있으면, 마이크로파가 진행하는 방향성을 제공한다. 3, the
한편, 즉, 본 발명의 저급 연료유는 일반 저급 연료유를 적용할 수 있으나, 보다 바람직하게는 저급 연료유와 스팀이 에멀젼화된 에멀젼 연료가 좋다. 도 4는 일반 저급연료유에 의한 일반 연소과정 및 에멀젼 연료의 에멀젼 연소과정을 개념적으로 나타낸 도면이다. That is, the low-grade fuel oil of the present invention may be a general low-grade fuel oil, but more preferably an emulsion fuel in which low-grade fuel oil and steam are emulsified. FIG. 4 is a conceptual view showing a general combustion process by the common low-grade fuel oil and an emulsion combustion process of the emulsion fuel.
도 4에 의하면, 일반연소는 1차 미립화(①)만 일어난다. 예컨대 중유의 연소온도, 착화온도는 530℃ 가량으로 열분해온도(300℃ 이상)가 낮아 불완전연소로 인한 고체 탄화스팀(soot, smoke)이 생성된다. 이에 반해, 에멀젼 연소는 1차 미립화(①) 및 2차 미립화(②)가 일어난다. 예컨대 중유의 열분해온도(300℃이상)보다 수적의 기화폭발점(250℃ 이하)이 낮기 때문에 열분해가 일어나기 전에 2차 미립화(②)로 스팀과의 접촉이 커져 연소시간이 단축되며 완전연소로 인한 매연 등 오염물질이 감소한다. According to Fig. 4, the general combustion takes place only in the first atomization (1). For example, the combustion temperature and ignition temperature of heavy oil are about 530 ° C, and the pyrolysis temperature (300 ° C or higher) is low, resulting in solid carbonation due to incomplete combustion. On the other hand, the emulsion combustion takes place in the primary atomization (1) and the secondary atomization (2). For example, since the vaporization explosion point (250 ° C or less) of the water vapor is lower than the pyrolysis temperature (300 ° C or higher) of heavy oil, contact with steam is increased due to secondary atomization (②) before pyrolysis, Contaminants such as soot are reduced.
상기 에멀젼 연료의 연소과정은 다음과 같다. 먼저 연료 액적 내부의 스팀 입자는 비점 이상으로 과열되어 불안정한 상태가 된다. 그후, 연료와의 비등점 차이로 스팀 입자가 먼저 기화하면서 팽창한다. 스팀 입자 팽창에 의해 연료 액적이 폭발적으로 파괴되면서 연료가 미세화된다. 상기 에멀젼 연소의 특징은 연료 분무 운동량 증가로 공기의 회전이 증가하고 스팀과의 접촉이 늘어난다. 또한, 수분 증발은 착화지연에 의한 예혼합을 늘어나게 한다. 상기 에멀젼 연소에 의해, 연소 최고온도와 비효율적인 화염의 감소, 및 연소가스 몰수가 커진다. The combustion process of the emulsion fuel is as follows. First, the steam particles in the fuel droplet are overheated due to the boiling point and become unstable. Thereafter, the difference in boiling point with the fuel causes the steam particles to evaporate first and expand. The expansion of the steam particles explosively destroys the fuel droplet, which causes the fuel to become finer. The feature of the emulsion combustion is that the rotation of the air is increased and the contact with the steam is increased by the increase of the fuel spray momentum. Water evaporation also increases premixing due to ignition delay. By the above-mentioned emulsion combustion, the maximum combustion temperature, ineffective flame reduction, and the combustion gas molar number become large.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 플라즈마 스팀버너의 사례를 제시한다. 상기 사례는 공기를 플라즈마 스팀으로 완전하게 대체하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다. 또한, 공기를 플라즈마 스팀으로 완전하게 대체하는 경우는 다단연소를 위한 스팀버너도 함께 제시한다. 본 발명은 제시되는 사례에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.Hereinafter, an example of a plasma steam burner according to an embodiment of the present invention will be described. The above case will be described mainly with reference to a case where air is completely replaced with plasma steam. Also, when the air is completely replaced by plasma steam, a steam burner for multi-stage combustion is also presented. It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed examples and that various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention.
도 5는 도 2의 플라즈마 스팀버너(200)를 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 플라즈마 스팀발생기(23)를 설명하기 위한 단면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 5의 토출구(22)의 일부를 절단하여 표현하였다. 이때, 저급 연료유는 에멀젼 연료라고 가정한다. FIG. 5 is a perspective view showing the
도 5 및 도 6을 참조하면, 플라즈마 스팀버너(200)는 버너 몸체(20)의 일측은 에멀젼 연료가 주입되는 주입구(21)가 있고, 타측에는 상기 에멀젼 연료가 분출되는 토출구(22)가 있다. 토출된 에멀젼 연료는 플라즈마 점화영역(a)에 의해 점화되어 플라즈마 화염(b)을 일으킨다. 또한, 상기 에멀젼 연료의 연소를 위하여, 소용돌이를 일으키면서 진행하는 입력(swirl)가스를 주입구(21)의 내부로 공급할 수 있다. 본 발명의 실시예는 입력가스로 기존의 공기 대신에 플라즈마 스팀을 활용한다. 토출구(22)는 플라즈마 화염(b)이 확장되면서 방사되도록 외측으로 갈수록 폭이 넓어지는 깔때기 형태이다. 버너 몸체(20)의 일측에는 마이크로파(MW, Micro-Wave)에 의해 플라즈마를 발생하는 플라즈마 스팀발생기(23)가 설치된다. 플라즈마 발생기(23)는 버너 몸체(20)의 외측으로부터 내측까지 관통되어 부착된다. 5 and 6, the
플라즈마 스팀발생기(23)는 방전튜브(23a), 마이크로파 도파관(23b) 및 점화기(23c)를 포함하여 구성된다. 마이크로파 도파관(23b)은 도 3에서 설명한 바와 같이 테이퍼진 형태가 바람직하다. 도파관(23b)은 방전튜브(23a)에 부착되며, 점화기(23c)는 토출구(22)쪽에 위치한다. 방전튜브(23a)에는 에멀젼 연료가 주입되고, 플라즈마 스팀이 경로(c)의 입력가스로 활용된다. 마이크로파 도파관(23b)으로부터 전달된 마이크로파는 상기 스팀을 플라즈마로 변환시킨다. 플라즈마 스팀은 토출구(22)로부터 분출되는 에멀젼 연료와 함께 점화기(23c)에 의해 점화되어 플라즈마 점화영역(a)을 형성하고 플라즈마 화염(b)을 촉발시킨다. The
종래의 플라즈마 형성방법에는 전극을 사용하는 코로나 유도방식, 유전체 방전방식, 아크 유도방식 등이 있었다. 하지만, 본 발명의 마이크로파 유도방식 플라즈마는 전극을 사용하지 않는다. 이에 따라, 마이크로파 유도방식은 종래의 방식과는 달리 전극의 교체 및 손상을 우려하지 않아도 된다. 또한, 본 발명의 실시예에 의한 플라즈마는 입력가스(swirl gas)를 공기 대신에 플라즈마 스팀을 사용하고, 플라즈마 화염(b)에 에멀젼 연료의 연속적인 주입이 가능하다. 나아가, 기존 아크 유도방식 플라즈마에 비해 화염이 크고 전기의 효율이 개선된다. Conventional plasma forming methods include a corona induction method using electrodes, a dielectric discharge method, and an arc induction method. However, the microwave induction type plasma of the present invention does not use an electrode. Accordingly, unlike the conventional method, the microwave induction method does not need to worry about replacement or damage of the electrode. In addition, the plasma according to the embodiment of the present invention enables the continuous injection of the emulsion fuel into the plasma flame (b) by using plasma steam instead of air as the input gas (swirl gas). Furthermore, the flame is larger and the efficiency of electricity is improved as compared with the conventional arc induction type plasma.
본 발명의 실시예에 의한 플라즈마 스팀버너(200)는 플라즈마 스팀을 산화제로 활용하는 플라즈마 연소기술이다. 상기 스팀이 플라즈마 상태가 되면, 물 분자가 해리되어 O*, H* 및 OH*의 라디칼을 형성한다. 특히 상기 OH*는 강산화제로서 에멀젼 연료를 주입할 때 연소효율을 개선한다. 상기 플라즈마 연소기술은 착화 및 화염 형성과정에서 열손실이 없으므로 고전적인 연소기술에 비해 열효율이 크게 개선된다. 마이크로파 유도 플라즈마에서는 상기 스팀을 입력가스로 활용할 수 있어서, 질소산화물을 발생시키는 공기의 전부를 대체할 수 있다. 이렇게 되면, 공기의 주입량이 없으므로 질소의 함량이 극히 감소한다. 상기 플라즈마 스팀을 활용하면, 안정적 화염(b)이 형성되어 열손실이 줄어들어 열효율이 좋아진다. 나아가, 상기 플라즈마 스팀은 저급 연료유와의 혼소로 친환경 연소를 구현할 수 있다.The
도 7은 다단연소를 위한 플라즈마 스팀버너(200a)를 설명하기 위하여 단면도(a) 및 측단면도(b)를 동시에 표현한 것이다. 이때, 단면도는 측단면도의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 절단한 것이고, 측단면도는 에멀젼 연료 및 플라즈마 스팀이 주입되는 방향에서 바라본 것이다. 7 is a cross-sectional view (a) and a side sectional view (b) simultaneously illustrating the
도 7에 의하면, 플라즈마 스팀버너(200a)는 버너 몸체(30), 제1 주입로(31), 복수의 혼합용 유로(32), 복수의 제2 주입로(34) 및 복수의 제3 주입로(35)를 포함한다. 제1 주입로(31)는 중심부에 위치하고, 혼합용 유로(32), 제2 및 제3 주입로(34, 35)는 각각 직경이 다른 동심원에 위치하며, 제2 및 제3 주입로(34, 35)는 직경이 큰 동심원에 위치한다. 다시 말해, 제2 및 제3 주입로(34, 35)가 가장 외곽에 존재하고, 혼합용 유로(32)는 제1 주입로(31)와 제2 및 제3 주입로(34, 35) 사이에 배치된다. 7, the
버너 몸체(30)의 중심부에 위치하는 제1 주입로(31)는 플라즈마 스팀이 주입되어 분출되는 통로이다. 제1 주입로(31)의 내부에는 유속을 증가시키기 위한 벤츄리 영역(e)을 포함하고, 단부는 플라즈마 스팀이 확장되어 분출되도록 깔때기 모양의 확장영역(f)이 존재한다. 즉, 플라즈마 스팀은 벤츄리 영역(e)에 의해 유속이 증가하고, 확장영역(f)에서 발산하여 확장되면서 분출된다. 이를 위해, 확장영역(f)은 분출 방향으로 갈수록 직경이 점차적으로 커지는 깔때기 형상을 가진다. 확장영역(f)의 확장되는 정도(가장 끝부분의 직경)가 커질수록 측면 방향(y)으로의 확장성은 커지나, 정면 방향(x)으로의 확장성은 작아진다. 제2 주입로(34)는 에멀젼 연료가 공급되는 통로이다. The
혼합용 유로(32)는 제2 주입로(34)에 공급되는 에멀젼 연료와 혼합하기 위하여, 플라즈마 스팀이 공급되는 통로이다. 혼합용 유로(32)는 연통로(33)에 의해 제2 주입로(34)와 연통된다. 연통로(33)는 제1 토출구(36)에 인접하여 위치하는 것이 좋다. 연통로(33)의 주변은 혼합용 유로(32)의 플라즈마 스팀 및 제2 주입로(34)의 에멀젼 연료가 혼합되는 혼합영역(d)이다. 혼합영역(d)는 제1 토출구(36) 근처에 형성된다. 다시 말해, 제2 주입로(34)는 혼합용 유로(32)와 연통된 혼합영역(d)이 있는 통로를 말한다. The mixing
혼합용 유로(32)는 내측에는 혼합영역(d)에서의 에멀젼 연료 및 플라즈마 스팀의 혼합이 원활하기 일어나도록 하는 여유공간을 두진 마진영역(g)을 포함한다. 마진영역(g)의 크기는 본 발명의 플라즈마 스팀버너(200a)의 크기, 에멀젼 연료 및 플라즈마 스팀량 등을 고려하여 조절된다. 상기 플라즈마 스팀은 제1 주입로(31) 및 혼합용 유로(32)에 주입된다. 물론, 제1 주입로(31) 및 혼합용 유로(32)는 공간적으로 차단되어 있다. 혼합영역(d)에서 혼합된 혼합연료는 제1 토출구(36)를 통하여 토출된다. 상기 혼합연료는 상기 에멀젼 연료에 플라즈마 스팀이 혼합된 것이다. The mixing
제3 주입로(35)는 혼합용 유로(32)와 연통되지 않아서 혼합영역(d)이 없으며, 상기 에멀젼 연료가 주입되는 통로이다. 제3 주입로(35)의 개수가 많아지면, 플라즈마 스팀과 혼합된 혼합연료에 비해 에멀젼 연료가 많이 공급된다. 이에 따라, 제3 주입로(35)가 점유하는 정도는 전체 연료 중에서 에멀젼 연료가 차지하는 비율을 결정한다. 제3 주입로(35)의 에멀젼 연료는 제2 토출구(37)를 통하여 토출된다. 제3 주입로(35)의 직경은 다양하게 변경될 수 있다. 도면에서는 상대적으로 큰 직경의 제3 주입로(35a) 및 상대적으로 작은 직경의 제3 주입로(35b)를 사례로 제시하였다. 이러한 직경 차이는 연소에 필요한 에멀젼 연료의 양에 따라 달라질 수 있다. The
앞에서 설명하였다시피, 제1 토출구(36)는 상기 혼합연료가 분사되는 곳이고, 제2 토출구(37)는 상기 에멀젼 연료가 분사되는 곳이다. 제1 토출구(36)는 제1 길이(L1)을 가지고, 제2 토출구(37)는 제2 길이(L2)를 가지며, 제1 길이(L1)은 제2 길이(L2)보다 작다. 토출구(37, 37)의 길이(L1, L2)는 분사되는 혼합연료 또는 에멀젼 연료의 분사거리를 결정한다. 예컨대, 제2 길이(L2)의 제2 토출구(37)가 제1 길이(L1)의 제1 토출구(36)보다 더 멀리 연료를 분사할 수 있다. 즉, 상기 에멀젼 연료가 상기 혼합연료보다 멀리 분사된다. 이렇게 되면, 본 발명이 실시예에 의한 플라즈마 스팀버너(200a)는 다단연소를 구현하게 된다.As described above, the
제1 토출구(36)로부터 분사된 혼합연료는 1차 화염영역(h)에서 1차 연소(primary combustion)가 일으킨다. 제2 토출구(37)로부터 분사된 에멀젼 연료는 2차 화염영역(i)에서 재연소(reburn) 및 번아웃(burn out)을 일으킨다. 이때, 제1 주입로(31)로부터 확장되어 분출된 플라즈마 스팀은 1차 및 2차 화염영역(h, i)로 확산되어 상기 에멀젼 연료에 O*, H* 및 OH*의 라디칼, 특히 OH* 라디칼을 더 공급하여 연소효율을 높인다. 공기의 공급량이 없으면, 질소의 함량도 줄어든다. 질소의 함량이 줄어들면, 대기오염의 주범인 질소화합물의 발생량이 감소된다. 즉, 연소효율의 향상 및 질소 함량 감소를 통하여 대기오염 물질을 저감시킬 수 있다. The mixed fuel injected from the
한편, 앞에서는 공기를 플라즈마 스팀으로 완전하게 대체하는 경우를 설명하였으나, 실질적으로 연소효율을 위하여 최소한의 공기를 주입할 필요가 있다. 도시되지는 않았지만, 공기는 에어 댐퍼 등을 통하여 공급될 수 있다. 상기 공기는 본 발명의 실시예에 의한 플라즈마 스팀을 이용한 연소에 대하여 보조적인 역할을 하는 데에 국한된다. 본 발명의 실시예에 의한 보일러는 공기의 주입을 차단하거나 최소한으로 줄임으로써, 대기오염 물질의 주류를 이루는 질소산화물인 Thermal NOx, Prompt NOx를 원천적으로 배제하거나 크게 저감시킬 수 있다. Meanwhile, although the case of completely replacing the air with the plasma steam has been described above, it is necessary to inject the minimum amount of air substantially for the combustion efficiency. Although not shown, air can be supplied through an air damper or the like. The air is limited to an auxiliary role in the combustion using the plasma steam according to the embodiment of the present invention. The boiler according to the embodiment of the present invention can essentially eliminate or substantially reduce the thermal NOx, Prompt NOx, which is the mainstream of air pollutants, by blocking or minimizing the injection of air.
한편, 플라즈마는 저급 연료유의 분자결합의 파괴를 촉진하는 촉매 역할을 한다. 다시 말해, 저급 연료유는 주로 열에너지에 의해 분자결합이 해체되는 데, 플라즈마는 상기 해체를 촉진한다. 플라즈마는 고온에서 강한 전기장이나 강한 자기장의 활성을 통해 발생된다. 이때, 방출하는 자유전자는 활성 전기장으로부터 에너지를 얻고, 충돌을 통해 상기 에너지를 잃는다. 이러한 과정에서, 상기 자유전자가 저급 연료유의 분자결합을 파괴한다. 이렇게 되면, 저급 연료유의 분해가 충분하게 이루어져, Fuel NOx의 생성을 최대한으로 억제한다. 즉, Fuel NOx는 공기를 줄이거나 플라즈마에 의한 분해에 의해 감소된다.On the other hand, the plasma serves as a catalyst for promoting the destruction of the molecular bond of the fuel oil. In other words, the low-grade fuel oil mainly dissolves molecular bonds due to heat energy, and plasma accelerates the decomposition. Plasma is generated at high temperatures through the activation of intense electric fields or strong magnetic fields. At this time, the releasing free electrons get energy from the active electric field and lose the energy through collision. In this process, the free electrons destroy the molecular bond of the lower fuel oil. In this case, decomposition of the low-grade fuel oil is made sufficiently, and the generation of the fuel NOx is suppressed to the maximum. That is, the Fuel NOx is reduced by reducing the air or decomposing by the plasma.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. It is possible.
10; 마그네트론 12; 집속관
14; 도파관 20, 30; 버너 몸체
21; 주입구 22; 토출구
23; 플라즈마 스팀발생기
31, 34, 35; 제1 내지 제3 주입로
32; 혼합용 유로 33; 연통로
36, 37; 제1 및 제2 토출구
a; 점화영역 b; 플라즈마 화염
c; 입력가스 경로 d; 혼합영역
e; 벤츄리 영역 f; 확장영역
g; 마진영역 h; 1차 화염영역
i; 2차 화염영역
100; 마이크로파 발생기 200, 200a; 플라즈마 스팀버너
300; 연소부
10;
14;
21; An
23; Plasma steam generator
31, 34, 35; The first to third injection paths
32; A mixing
36, 37; The first and second discharge ports
a; Ignition zone b; Plasma flame
c; Input gas path d; Mixed region
e; Venturi area f; Extended area
g; Margin area h; Primary flame zone
i; Secondary flame zone
100;
300; Combustion part
Claims (11)
상기 마이크로파 발생기에 접속되며, 상기 마이크로파에 의해 상기 스팀을 플라즈마로 만들어서 활성화된 라디칼을 포함하는 플라즈마 스팀을 이용하여 화염을 발생시키는 플라즈마 스팀버너; 및
상기 플라즈마 스팀버너에 의한 화염으로 물을 가열하는 연소부를 포함하고,
상기 플라즈마 스팀버너는,
상기 스팀버너의 몸체에 배치되고, 상기 플라즈마 스팀이 주입되어 분출되는 제1 주입로;
상기 제1 주입로의 외측의 동심원에 배치되고, 저급 연료유가 주입되는 복수의 제2 주입로; 및
상기 제1 주입로 및 상기 제2 주입로 사이에 위치하고 상기 플라즈마 스팀이 주입되는 복수의 혼합용 유로를 포함하고,
상기 혼합용 유로와 상기 제2 주입로 사이에는 상기 플라즈마 스팀과 상기 저급 연료유가 혼합되는 혼합영역을 제공하는 연통로가 존재하고,
상기 스팀버너는 상기 제2 주입로와 동일한 동심원에 배치되고, 상기 플라즈마 스팀과의 혼합이 없이 상기 저급 연료유가 주입되는 복수의 제3 주입로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저급 연료유의 친환경 연소를 위한 마이크로파 플라즈마 스팀을 이용한 보일러.A microwave generator for providing a microwave for converting steam into plasma;
A plasma steam burner connected to the microwave generator and generating the flame by using the plasma steam containing the activated radical by making the steam into plasma by the microwave; And
And a combustion section for heating the water by the flame by the plasma steam burner,
In the plasma steam burner,
A first injection path disposed in the body of the steam burner and through which the plasma steam is injected and ejected;
A plurality of second injection paths which are arranged concentrically outside the first injection path and into which low-grade fuel oil is injected; And
And a plurality of mixing flow paths located between the first injection path and the second injection path and into which the plasma steam is injected,
Wherein a communication path is provided between the mixing flow path and the second injection path to provide a mixing region in which the plasma steam and the fuel oil are mixed,
Wherein the steam burner includes a plurality of third injection paths arranged in the same concentric circle as the second injection path and in which the low-grade fuel oil is injected without mixing with the plasma steam. Boiler using microwave plasma steam.
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- 2017-10-23 KR KR1020170137076A patent/KR101969832B1/en active IP Right Grant
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Legal Events
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GRNT | Written decision to grant |