KR101984952B1 - Combustion device to minimise hazardous materials - Google Patents

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KR101984952B1
KR101984952B1 KR1020180159161A KR20180159161A KR101984952B1 KR 101984952 B1 KR101984952 B1 KR 101984952B1 KR 1020180159161 A KR1020180159161 A KR 1020180159161A KR 20180159161 A KR20180159161 A KR 20180159161A KR 101984952 B1 KR101984952 B1 KR 101984952B1
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gas
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이기만
한민석
김주한
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순천대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a combustion device capable of minimizing harmful substances. More specifically, the present invention comprises: a gas nozzle part to which gas fuel is supplied; a gas fuel distribution part communicating with the gas nozzle part to form a space; a first mixing chamber communicating with the gas fuel distribution part and a first through hole to form a space where the gas fuel is premixed with air; a second mixing chamber communicating with the gas fuel distribution part and a second through hole to form a space where the gas fuel is premixed with air; a turbulence generating nozzle part provided between the first mixing chamber and the second mixing chamber to allow a turbulent flow of the gas fuel premixed in the first mixing chamber; and a swirling nozzle part communicating with an air nozzle part to supply combustion air to the first mixing chamber and second mixing chamber, respectively. The swirling nozzle part comprises: a first flow path communicating with the first mixing chamber to allow the gas fuel injected through the first through hole to be vertically in contact with and mixed with the pivoted air; and a second flow path communicating with the second mixing chamber to allow the gas fuel injected through the second through hole to be vertically in contact with and mixed with air having a lower degree of rotation than the first flow path. The gas fuel premixed through the first mixing chamber is mixed with the gas fuel premixed through the second mixing chamber bypassing the turbulence generating nozzle part, and ignition is performed while maintaining turbulent flow due to the gas fuel premixed through the second mixing chamber. Therefore, the formation of an internal recirculation zone in the flame is suppressed, thereby reducing the time for combustion products to stay at a high temperature.

Description

유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치{Combustion device to minimise hazardous materials}[0001] Combustion device to minimize harmful materials [

본 발명은 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치로써 더욱 자세하게는, 이중 유로계 개선을 통해 연소장 내에 고온의 내부재순환영역(Inner Recirculation Zone)이 형성되지 않으면서 난류강도(turbulence intensity)가 강화되어, 연소 시 고온의 연소생성물이 화염 내에서 체류하는 체류시간을 단축시켜 연소생성물의 체류시간에 민감한 질소산화물 등과 같은 유해물질의 발생을 억제시키는 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치에 관한 것이다.The present invention relates to a combustion apparatus capable of minimizing harmful substances, and more particularly, to an apparatus and a method for improving the turbulence intensity without improving the internal recirculation zone at a high temperature in a combustion furnace The present invention relates to a combustion apparatus capable of minimizing the harmful substances which are generated by reducing the residence time of the high temperature combustion products in the flame during combustion and thereby suppressing the generation of harmful substances such as nitrogen oxides which are sensitive to the residence time of the combustion products.

질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 결합물질로 NO, NO2, NO3, N20, N2O3, N2O4 및 N2O5를 말한다. 이중 NO와 NO2가 연소용 공기를 사용하여 화석연료를 연소시킬 때 다량 배출되기 때문에 가장 심각한 대기오염물질로 분류된다. NOx는 모든 질소산화물을 통칭하지만, 대기오염분야에서는 일반적으로 NO와 NO2를 의미한다. 질소산화물은 화석연료의 연소과정에서 주로 배출되는데 연소 시 가스 상태에서 대기로 배출된 후 광화학 반응을 통해 응축되어 사회적 문제로 크게 이슈화되고 있는 초미세먼지(PM 2.5)로 변환되는 응축성 미세먼지(CPM)의 주범으로 알려져 있어 최근 정부로부터 대기배출 부과금 적용 대상 오염물질로 추가된 물질이기도 하다. 초미세 먼지는 지름이 10㎛ 정도인 일반 미세먼지(PM 10)와는 달리 머리카락 1/30 수준인 지름이 2.5㎛ 정도 크기로 우리 몸에서 걸러지지 못하고 그대로 폐나 혈관에 침투해 협심증, 뇌졸중, 심혈관 질환을 일으키기도 하여 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소가 지정한 1군 발암물질이기도 하다.Nitrogen oxides (NOx) are substances that bind nitrogen and oxygen and refer to NO, NO2, NO3, N20, N2O3, N2O4 and N2O5. Among them, NO and NO2 are classified as the most serious air pollutants because they are emitted in large quantities when burning fossil fuels using combustion air. NOx refers to all nitrogen oxides, but generally refers to NO and NO2 in air pollution. Nitrogen oxides are mainly emitted in the combustion process of fossil fuels. Condensation fine dust (PM 2.5), which is converted into ultrafine dust (PM 2.5), which is discharged from the gas to the atmosphere during combustion and condensed through photochemical reaction, CPM), and it is also added as a pollutant to be applied to the air emission charge recently from the government. Unlike general fine dust (PM 10), which has a diameter of about 10 μm, ultra-fine dust has a diameter of about 2.5 μm, which is 1/30 of the diameter of a hair. It penetrates into the lungs and blood vessels as it is not filtered by our body. It causes angina, stroke, And it is also a Group 1 carcinogen designated by the International Cancer Institute under the World Health Organization (WHO).

질소산화물 방출 기준은 대부분 NO가 NO2로 산화되는 것을 전제로 하는 수치를 근거로 하고 있는데, 화석연료 연소 시 불가피하게 발생되는 질소산화물인 NOx는 응축성 초미세먼지의 일종인 질산염의 전구물질(precursor)로 알려져 있으며, 연소장치로부터 가스 상태로 발생되어 대기로 방출된 후 수증기, 오존, 암모니아 등과 광화학 스모그 반응을 통해 응축되어 고체상태의 미세 먼지로 발전하게 되는 대표적인 대기환경 오염물질이다. 따라서, 연소 시 발생하는 질소산화물 등과 같은 유해물질의 발생량을 감소시키는 방법은 매우 중요한 일이라 할 수 있겠다.The NOx emission standard is based on the assumption that NO is oxidized to NO2. NOx, which is inevitably generated in fossil fuel combustion, is a precursor of nitrate, which is a kind of condensable ultrafine dust. ), And is a typical atmospheric pollutant that is generated in a gaseous state from a combustion apparatus and discharged to the atmosphere, and then condensed through a photochemical smog reaction with water vapor, ozone, ammonia, etc., and is developed into solid fine dust. Therefore, it is very important to reduce the amount of harmful substances such as nitrogen oxides generated during combustion.

일례로, 대한민국등록특허공보 제10-0016168호는 연도가스류에서의 질소산화물 감소 조절방법에 관한 기술이 개시되어 있다. 상기 연도가스류에서의 질소산화물 감소 조절방법의 기술적 특징을 살펴보면, 단계별로 질소함유 처리제제 또는 선택적 촉매환원처리(SCR)로 질소산화물을 제거하도록 하고 있다. 하지만, 연소가 끝나고 발생한 유해가스를 별도의 장치로 이동시켜야하고, 질소산화물 처리를 위한 별도의 처리재료가 필요하다는 단점이 있는 등 대부분 기술이 연소이후 후처리에 관한 고안들이며 연소과정에서 근원적으로 질소산화물을 저감시킬 수 없다는 문제점이 있다.For example, Korean Patent Registration No. 10-0016168 discloses a technique for controlling the reduction of nitrogen oxides in a flue gas stream. Technical features of the method for controlling the reduction of nitrogen oxides in the flue gas stream are as follows: nitrogen oxides are removed by a nitrogen-containing treatment agent or selective catalytic reduction (SCR) stepwise. However, there is a disadvantage in that a separate treatment material is required for the treatment of nitrogen oxides, since the noxious gas generated after combustion is transferred to a separate device, and most of the techniques are devised for post-combustion post-combustion. In the combustion process, There is a problem that the oxide can not be reduced.

대한민국 등록특허공보 제10-0016168호(1997.02.06.)Korean Registered Patent No. 10-0016168 (Feb.

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연소 후처리 기술이 아닌 연소과정에서 연소장치의 완전연소를 통한 연소 시 유해가스의 발생량을 감소시키는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to reduce the amount of noxious gas generated during combustion through complete combustion of a combustion apparatus in a combustion process,

또한, 본 발명은 프렉탈(Fractal) 형상의 난류생성부를 이용하여 난류강도를 증가시킴으로써 난류화염의 보염기능(flame stabilizing)을 위한 화염장 내 내부재순환영역(Inner Recirculation Zone)의 발생을 억제하여 고온인 연소생성물의 체류시간을 단축시켜 질소산화물과 같은 연소 유해물질을 효과적으로 억제시키는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention increases the turbulence intensity by using a fractal shaped turbulence generator, thereby suppressing the occurrence of an inner recirculation zone in the flame for flame stabilizing of the turbulent flame, The object of the present invention is to effectively suppress the combustion harmful substances such as nitrogen oxides by shortening the residence time of the combustion products.

또한, 본 발명은 질소산화물의 유해가스가 연소 전에 공기와 연료 간 혼합성능에 의존하는 성질이 있어 이중 선회구조와 직교 유동구조를 통해 가스연료의 예혼합 성능을 향상시키는데 그 목적이 있다.The present invention also aims to improve the pre-mixing performance of the gaseous fuel through the double swirl structure and the orthogonal flow structure because the noxious gas of the nitrogen oxide depends on the mixing performance between the air and the fuel before the combustion.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems to be solved by the present invention, which are not mentioned here, can be understood by referring to the following description to those skilled in the art It will be understood clearly.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치에 있어서, 가스연료가 공급되는 가스노즐부와 상기 가스노즐부와 연통되어 공간을 형성하는 가스연료분배부와 상기 가스연료분배부와 제1관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실과 상기 가스연료분배부와 제2관통홀에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실과 상기 제1혼합실과 제2혼합실 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료가 난류 유동하도록 하는 난류생성노즐부와 공기노즐부와 연통되어 상기 제1혼합실과 제2혼합실에 각각 연소용 공기를 공급하는 선회노즐부를 포함하고, 상기 선회노즐부는 상기 제1혼합실과 연통되어 상기 제1관통홀을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로와 상기 제2혼합실과 연통되어 상기 제2관통홀을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로를 포함하여, 상기 제1혼합실을 통해 예혼합된 가스연료가 상기 난류생성노즐부를 통과하여 상기 제2혼합실을 통해 예혼합된 가스연료와 혼합되면서, 상기 제2혼합실을 통해 약하게 선회된 가스연료로 인해 난류유동을 유지한 상태로 점화됨으로서, 화염 내에 내부재순환영역의 형성을 억제하여, 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시키는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to a preferred embodiment of the present invention. The combustion apparatus includes a gas nozzle unit to which a gas fuel is supplied, a gas fuel distribution unit that communicates with the gas nozzle unit to form a space, A first mixing chamber communicating with the distribution portion and the first through hole to form a space where the gaseous fuel is premixed with the air, and a space communicated with the gaseous fuel distribution portion and the second through hole to mix the gaseous fuel with the air A turbulent flow generating nozzle unit which is provided between the first mixing chamber and the second mixing chamber for allowing turbulent flow of premixed gaseous fuel in the first mixing chamber, And a swirling nozzle unit for supplying combustion air to the mixing chamber and the second mixing chamber, respectively, wherein the swirling nozzle unit is in communication with the first mixing chamber and the gaseous fuel injected through the first through- Wherein the gas fuel injected through the second through hole communicates with the second mixing chamber so that the gaseous fuel injected through the second through hole is vertically contacted with air having a lower degree of rotation than the first flow passage, Wherein the gas fuel mixed through the first mixing chamber is mixed with the gaseous fuel pre-mixed in the second mixing chamber through the turbulator generating nozzle portion, And is ignited while maintaining the turbulent flow due to the gaseous fuel slightly circulated through the second mixing chamber, thereby suppressing the formation of the internal recirculation zone in the flame, thereby reducing the residence time of the combustion products at high temperature.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 난류생성노즐부는, 다수개의 방사형 홀이 구비되어 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료의 난류유동을 유도하는 난류생성부와 상기 난류생성부를 통과한 가스연료가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 내측노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The turbulator generating nozzle unit according to the preferred embodiment of the present invention may include a turbulent flow generator having a plurality of radial holes to induce a turbulent flow of premixed gaseous fuel in the first mixing chamber, And an inner nozzle part for allowing a gas fuel to flow into the combustion chamber.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 난류생성부는 프렉탈 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.Further, the turbulence generator according to the preferred embodiment of the present invention is formed of a flectal structure.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 제1관통홀과 제2관통홀은, 다수개로 각각 상기 난류생성노즐부의 중앙부를 중심으로 방사형으로 배열되는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first through holes and the second through holes are arranged in a radial manner about a central portion of the turbulent flow generating nozzle portion, respectively.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 제2유로의 선회강도는, 0.4 내지 0.55로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the swirling strength of the second flow path according to a preferred embodiment of the present invention is 0.4 to 0.55.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치는, 연소장치 내 내부재순환영역의 형성을 억제하여 연소 시 열적 NOx(질소산화물)와 같이 고온인 연소생성물의 체류시간과 밀접한 관계가 있는 유해가스의 발생량을 감소시키는데 그 효과가 있다.The combustion device capable of minimizing the harmful substances of the present invention by the solution means of the present invention is capable of suppressing the formation of the internal recirculation zone in the combustion device and suppressing the residence time of the combustion products at high temperature such as thermal NOx It is effective to reduce the amount of harmful gas which is closely related to the amount of harmful gas.

또한, 질소산화물이 연료와 연소용공기와의 혼합성능에 밀접한 관계가 있으므로 혼합구조가 본 발명은 이중 선회구조와 직교 유동구조로 되어 있어 가스연료의 예혼합 성능을 향상시키는데 탁월한 효과가 있다.Further, since the nitrogen oxide is closely related to the mixing performance of the fuel and the combustion air, the mixing structure of the present invention has an excellent double-swirl structure and an orthogonal flow structure to improve the pre-mixing performance of the gaseous fuel.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 난류생성부의 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 가스연료의 유동을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 연소용공기의 유동을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 연소용공기 및 가스연료의 유동을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 연소용공기 및 가스연료의 유동을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 프렉탈 구조의 난류생성부의 난류강도 측정 실험조건을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 프렉탈 구조의 난류생성부의 난류강도 측정 실험결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 프렉탈 구조의 난류생성부의 난류강도 측정 실험결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치의 프렉탈 구조의 난류생성부의 난류강도 측정 실험결과를 나타낸 것이다.1 is a sectional view of a combustion device capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an embodiment of a turbulence generating unit of a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates the flow of gaseous fuel in a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the flow of combustion air in a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates the flow of combustion air and gaseous fuel in a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows the flow of combustion air and gaseous fuel in a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows experimental conditions for measuring the turbulence intensity of a turbulent flow generating unit of a fracal structure of a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the experimental results of the turbulence intensity measurement of the turbulence generation unit of the fracal structure of the combustion apparatus capable of minimizing the toxic substances according to the embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a result of a turbulent intensity measurement experiment of a turbulence generating unit of a fracal structure of a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a result of a turbulent intensity measurement experiment of a turbulent flow generating unit of a fracal structure of a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly described and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When an element is referred to as " including " an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 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. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.The specific matters including the problems to be solved, the solution of the problems, and the effects of the invention are included in the embodiments and drawings to be described next. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 가스연료가 공급되는 가스노즐부(10)와 상기 가스노즐부(10)와 연통되어 공간을 형성하는 가스연료분배부(20)와 상기 가스연료분배부(20)와 제1관통홀(21)에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실(22)과 상기 가스연료분배부(20)와 제2관통홀(23)에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실(24)과 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24) 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 난류 유동하도록 하는 난류생성노즐부(30)와 공기노즐부(50)와 연통되어 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)에 각각 연소용 공기를 공급하는 선회노즐부(40)를 포함한다.As shown in FIG. 1, a combustion apparatus capable of minimizing toxic substances according to a preferred embodiment of the present invention includes a gas nozzle unit 10 to which a gaseous fuel is supplied, and a gas nozzle unit 10 communicating with the gas nozzle unit 10, A first mixing chamber 22 communicating with the gas fuel distribution portion 20 and the first through hole 21 to form a space where the gaseous fuel is premixed with the air, A second mixing chamber 24 communicating with the gas fuel distribution portion 20 and the second through hole 23 to form a space where the gaseous fuel is premixed with the air, The turbulence generating nozzle unit 30 provided between the second mixing chamber 24 and allowing turbulent flow of the premixed gaseous fuel in the first mixing chamber 22 and the air nozzle unit 50, And a swirling nozzle unit 40 for supplying combustion air to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24, respectively.

그리고, 상기 선회노즐부(40)는 상기 제1혼합실(22)과 연통되어 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로(41)와 상기 제2혼합실(24)과 연통되어 상기 제2관통홀(23)을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로(41)에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로(42)를 포함한다.The swirling nozzle unit 40 is connected to the first mixing chamber 22 so that the gaseous fuel injected through the first through hole 21 can be vertically contacted with and mixed with the swirled air, The gaseous fuel injected through the second through hole (23) in communication with the first flow path (41) and the second mixing chamber (24) is vertically contacted with air having a lower turning degree than the first flow path (41) And a second flow path 42 for allowing the second flow path 42 to be mixed.

따라서, 상기 제1혼합실(22)을 통해 예혼합된 가스연료가 상기 난류생성노즐부(30)를 통과하여 상기 제2혼합실(24)을 통해 예혼합된 가스연료와 혼합되면서, 상기 제2혼합실(24)을 통해 약하게 선회된 가스연료로 인해 난류유동을 유지한 상태로 점화됨으로서, 화염 내에 내부재순환영역의 형성이 억제되어, 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 유해물질의 발생을 최소화한다.Therefore, the gaseous fuel pre-mixed through the first mixing chamber 22 is mixed with the gaseous fuel pre-mixed through the turbulent-generation nozzle unit 30 and through the second mixing chamber 24, 2 mixture chamber 24, the formation of the internal recirculation zone in the flame is suppressed, thereby reducing the time for the combustion products to stay at high temperature, Minimize the occurrence.

즉, 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료가 공기유입부(51)와 연통된 상기 선회노즐부(40)의 끝부분에 마련된 상기 제1유로(41)를 통해 강하게 선회된 연소용 공기와 직각으로 부딪치면서 혼합된다. 또한, 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제2관통홀(23)에 의해 연통되어 가스연료가 상기 공기유입부(51)로부터 유입된 연소용 공기 일부가 상기 선회노즐부(40)의 중앙부에 마련된 상기 제2유로(42)에서의 상기 제1유로(41)에 비해 비교적 약한 선회유동과 만나 혼합된다. 이를 통하여 상기 예혼합된 가스연료가 상기 선회노즐부(40) 출구에서 별도의 점화장치(도면 미도시)에 의해 발생한 상기 화염 내에 상기 예혼합된 가스연료가 내부재순환영역(IRZ, Inner Recirculation Zone)이 없는 연소장을 만들어 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 체류시간에 비례하여 발생하는 열적 질소산화물과 같은 유해물질의 발생을 최소화 하는 것이다.The gaseous fuel injected through the first through hole 21 in the gas fuel distribution portion 20 is supplied to the first inlet portion 51 of the first nozzle portion 40, which is provided at the end portion of the orbiting nozzle portion 40, And is mixed at a right angle with the combustion air strongly vortexed through the oil passage 41. The portion of the combustion air that is communicated by the gas fuel distribution portion 20 and the second through hole 23 and the gaseous fuel introduced from the air inflow portion 51 flows into the center portion of the orbiting nozzle portion 40 (41) in the second flow path (42) provided in the first flow path (42). The premixed gaseous fuel is injected into the inner recirculation zone (IRZ) in the flame generated by a separate ignition device (not shown) at the exit of the swirling nozzle unit 40, To minimize the generation of harmful substances such as thermal nitrogen oxides which are generated in proportion to the residence time.

먼저, 본 발명에 의한 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치는 상기 가스노즐부(10)가 마련된다. 상기 가스노즐부(10)는 외부의 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)로 공급되도록 안내하는 역할을 한다.First, the gas nozzle unit 10 is provided in a combustion apparatus capable of minimizing the harmful substances according to the present invention. The gas nozzle unit 10 serves to guide the external gaseous fuel to be supplied to the gaseous fuel distribution unit 20.

상기 가스노즐부(10)의 말단에는 상기 가스연료분배부(20)가 마련된다. 상기 가스연료분배부(20)는 내부에 소정의 공간이 마련되며, 상기 가스노즐부(10)로부터 유입되는 가스연료를 분배하는 역할을 한다. 보다 상세하게, 상기 가스연료분배부(20)는 원통형으로 구비되며, 단면을 기준으로 상기 가스연료분배부(20)의 단부 일측에는 상기 제1관통홀(21)이 다수개로 구비된다. 상기 제1관통홀(21)은 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제1혼합실(22)을 연통하여 상기 가스노즐부(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 제1혼합실(22)로 이동될 수 있도록 한다. 이때 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21)을 통해 분사된 가스연료는 상기 제1유로(41)를 통해 유입된 연소용 공기의 강한 선회운동과 함께 상기 제1유로(41)의 출구 바로 앞에서 직각의 유동형태(Jet in cross)로 부딪치면서 연소용 공기와 혼합되어 상기 제1혼합실(22) 내로 이동하게 된다. The gas-fuel distribution portion 20 is provided at the end of the gas nozzle portion 10. The gas fuel distribution unit 20 is provided with a predetermined space therein and serves to distribute the gaseous fuel flowing from the gas nozzle unit 10. More specifically, the gaseous fuel distribution part 20 is provided in a cylindrical shape, and a plurality of the first through holes 21 are provided at one end of the end portion of the gaseous fuel distribution part 20 with respect to a cross section. The first through hole 21 communicates the gaseous fuel supplied from the gas nozzle unit 10 with the first mixing chamber 22 through the gas fuel distribution unit 20 and the first mixing chamber 22, As shown in FIG. At this time, the gaseous fuel injected through the first through-hole 21 from the gas fuel distributor 20 flows along with the strong swirling motion of the combustion air introduced through the first flow path 41, 41), and is mixed with the combustion air and moved into the first mixing chamber (22).

다음으로, 상기 제1관통홀과 제2관통홀은, 다수개로 각각 상기 난류생성노즐부의 중앙부를 중심으로 방사형으로 배열된다. 또한, 상기 제1관통홀(21)은 상기 가스연료분배부(20)의 단면을 기준으로 중심으로부터 동일한 거리에 위치한다. 보다 상세하게, 상기 제2관통홀(23)은 상기 제1유로(41)와 간섭되지 않으며, 상기 선회노즐부(40)의 중앙부에 마련된 상기 제2유로(42)와 연통되게 형성된다. 이때 상기 제2유로(42)는 상기 제1유로(42)와 비교하여 약한 선회운동을 할 수 있는 선회각도로 구성된다. 따라서, 상기 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)와 상기 제2혼합실(24)을 연통하여 상기 가스노즐부(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 제2유로(42)를 통과한 연소용 공기와 예혼합되면서 상기 제2혼합실(24)로 이동될 수 있도록 한다. 또한, 상기 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)의 단면을 기준으로 중심으로부터 동일한 거리에 위치한다. 즉, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)은, 각각 상기 난류생성노즐부(30)의 중앙부를 중심으로 일정간격 떨어진 원형으로 배열되는 것이다.Next, a plurality of the first through-holes and the second through-holes are radially arranged around the center of the turbulator-generating nozzle portion. The first through holes 21 are located at the same distance from the center of the cross section of the gas fuel distributor 20. The second through hole 23 is formed so as not to interfere with the first flow path 41 and communicate with the second flow path 42 provided at the center of the swirl nozzle part 40. [ At this time, the second flow path 42 is formed at a swivel angle that allows a slight swing motion as compared with the first flow path 42. Therefore, the second through-hole 23 communicates with the gas-fuel distribution portion 20 and the second mixing chamber 24 so that the gas fuel supplied from the gas nozzle portion 10 flows into the second flow path 42 To the second mixing chamber (24) while being premixed with the combustion air passing through the second mixing chamber (24). In addition, the second through-holes 23 are located at the same distance from the center with respect to the cross section of the gas fuel distributor 20. That is, the first through-hole 21 and the second through-hole 23 are arranged in a circle spaced apart from each other at a center of the turbulent flow generating nozzle unit 30.

다음으로, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)은 상기 가스연료분배부(20)의 중심을 기준으로 지그재그 형식으로 구비된다. 즉, 상기 가스노즐부(20)로부터 공급된 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)에서 각각 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 균일하게 분배될 수 있도록 하는 것이다. 그리고, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 개수는 동일하게 구비되는 것이 바람직하다. 이 역시, 상기 가스노즐(10)로부터 공급된 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 균일하게 분배될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 가스연료와 공기의 양에 따라 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 단면의 직경을 조절하여 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)로 공급되는 가스연료의 유량조절할 수 있도록 한다. 그리고, 연소 시 상기 연소실(52) 내 압력변동과 무관하게 항상 일정한 양의 가스연료를 공급해 줌으로써, 가스터빈 연소기와 같은 희박연소(lean combustion)에서 중요한 연소안정화를 도모할 수 있게 한다.Next, the first through holes 21 and the second through holes 23 are provided in a staggered manner with respect to the center of the gas fuel distributor 20. That is, the gas fuel supplied from the gas nozzle unit 20 can be uniformly distributed to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 in the gas fuel distribution unit 20 . The number of the first through holes 21 and the number of the second through holes 23 may be the same. This is so that the gaseous fuel supplied from the gas nozzle 10 can be uniformly distributed from the gaseous fuel distribution part 20 to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 . The diameters of the end faces of the first through holes 21 and the second through holes 23 may be adjusted according to the amount of the gaseous fuel and air to be supplied to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 So that the flow rate of the supplied gaseous fuel can be adjusted. In addition, by constantly supplying a certain amount of gaseous fuel irrespective of the pressure fluctuation in the combustion chamber 52 at the time of combustion, important combustion stabilization can be achieved in a lean combustion such as a gas turbine combustor.

구체적으로, 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 직경은 가스연료가 초킹(choking)유동이 되기 위한 조건으로 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23) 각각의 전후단의 압력 차가 일례로, LNG연료인 경우 1.6 atm 이상으로 유지되도록 제작된다. 이때 1.6 atm 이상의 압력 차가 될 수 있도록 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)의 직경이 설정되면, 각각의 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)에서 분사되는 가스연료는 마하(Mach) 수가 1.0이 되는 초킹유동이 형성된다. 따라서, 상기 선회노즐부(40)에서 분출되는 예혼합기 유동이 상기 선회노즐부(40) 출구에서 점화되어 연소된 후에도, 상기 연소실(52) 내부의 압력 변화에 영향을 받지 않는 상태가 되어 안정적이고 균일한 혼합기를 형성할 수 있게 된다. Specifically, the diameters of the first through holes 21 and the second through holes 23 are the same as the diameters of the first through holes 21 and the second through holes 23 ) Are prepared so that the pressure difference between the front and rear ends of each is maintained at 1.6 atm or more in the case of LNG fuel. In this case, when the diameters of the first through holes 21 and the second through holes 23 are set so as to be equal to or larger than 1.6 atm, the diameters of the first through holes 21 and the second through holes 23 The gas fuel injected forms a choking flow with a Mach number of 1.0. Therefore, even after the pre-mixer flow ejected from the orbiting nozzle unit 40 is ignited at the exit of the orbiting nozzle unit 40 and burnt, the state is not affected by the pressure change in the combustion chamber 52, A uniform mixer can be formed.

다음으로, 도 3을 참조하면, 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)이 마련된다. 상기 제1혼합실(22)은 내부에 공간이 마련되고, 상기 제1관통홀(21)에 의해 상기 가스연료분배부(20)와 연통된다. 따라서, 상기 공기노즐부(50)를 통해 유입된 연소용 공기가 상기 제1유로(41)를 통해 유입되어 상기 제1혼합실(22) 내부의 상기 제1유로(41)의 출구와 인접한 지점에서 상기 가스연료와 직각으로 부딪치면서 강하게 선회되어 예혼합된다.Next, referring to FIG. 3, the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 are provided. The first mixing chamber 22 is provided with a space therein and is communicated with the gas fuel distribution portion 20 by the first through hole 21. Therefore, the combustion air introduced through the air nozzle unit 50 flows into the first mixing chamber 22 through the first flow path 41 and flows into the first mixing chamber 22 at a point adjacent to the outlet of the first flow path 41 And is vigorously turned and premixed while bumping at a right angle with the gaseous fuel.

또한, 상기 제2혼합실(24)은 내부에 공간이 마련되고, 상기 제2관통홀(23)에 의해 상기 가스연료분배부(20)와 연통된다. 이 역시 상기 공기노즐부(50)를 통해 유입된 연소용 공기가 상기 제2유로(42)를 통해 유입되어 상기 제2혼합실(24) 내부의 상기 제2유로(42)의 출구와 인접한 지점에서 상기 가스연료와 직각으로 부딪치면서 선회된다.The second mixing chamber 24 is provided with a space therein and is communicated with the gas fuel distribution portion 20 by the second through hole 23. The combustion air introduced through the air nozzle unit 50 flows into the second mixing chamber 24 through the second flow path 42 and flows into the second mixing chamber 24 at a point adjacent to the outlet of the second flow path 42 And pivots at a right angle with the gaseous fuel.

이때, 상기 제1유로(41)의 선회강도와는 달리 상기 제2유로(42)는 0.4 내지 0.55의 약한 선회강도를 가진다. 보다 상세하게, 상기 제2유로(42)의 선회강도가 0.55를 초과하는 강한 선회강도가 되면, 상기 선회노즐부(40) 말단 출구에서 점화되어 연소된 후 생성된 상기 연소실(52) 내부 화염장에서 내부재순환영역(IRZ)이 생성되어, 고온의 연소생성물이 화염장 안에서 재순환되면서 체류되는 시간이 길어지게 되어, 열적 질소산화물 생성이 많아지게 되는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 상기 제2유로(42)의 선회강도가 0.4 미만으로 형성되면, 상기 제1혼합실(22)을 통해 예혼합된 가스연료가 상기 연소실(52)로 유동하는 과정에서, 상기 가스연료가 상기 난류생성부(31)의 중앙부를 기준으로 바깥방향으로 퍼지게 되어 화염장의 내부재순환영역이 생성되게 된다. 따라서, 상기 제2유로(42)의 선회강도는 반듯이 0.4 내지 0.55로 형성되는 것이 바람직하다.At this time, unlike the turning strength of the first flow path 41, the second flow path 42 has a weak turning strength of 0.4 to 0.55. More specifically, when the swirling strength of the second flow path 42 is greater than 0.55, the swirling flow of the combustion gas in the combustion chamber 52 generated after ignition at the end outlet of the swirling nozzle unit 40, The internal recirculation zone IRZ is generated in the combustion zone, and the time for which the high temperature combustion products are recirculated and recirculated in the pyrolysis chamber is lengthened, thereby increasing the production of thermal nitrogen oxides. When the swirling strength of the second flow path 42 is less than 0.4, the gaseous fuel that has been premixed through the first mixing chamber 22 flows into the combustion chamber 52, And is spread outward with respect to the central portion of the turbulent flow generating portion 31 to generate an internal recirculation region of the flame length. Therefore, the swirling strength of the second flow path 42 is preferably 0.4 to 0.55.

다음으로, 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24) 사이에 상기 난류생성노즐부(30)가 마련된다. 보다 상세하게, 상기 난류생성노즐부(30)는 다수개의 방사형 홀이 구비되어 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료의 난류유동을 유도하는 난류생성부(31)와 상기 난류생성부(31)를 통과한 가스연료가 연소실(52)로 유동할 수 있도록 하는 내측노즐부(32)를 포함한다. 상기 난류생성노즐부(30)는 파이프 노즐 형태이며, 내부에 원형의 얇은 난류생성부(31)가 구비된다. 상기 난류생성부(31)는 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료를 난류화시키는 기능을 한다. 즉, 상기 가스연료가 상기 난류생성부(31)의 홀을 통과하면서 난류성이 증가하게 되는 것이다. 또한, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 상기 난류생성부(31)로 유동될 수 있도록 안내하는 안내부(60)가 마련되는 것이 바람직하다.Next, the turbulent flow generating nozzle unit 30 is provided between the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24. In more detail, the turbulent flow generating nozzle unit 30 includes a turbulent flow generating unit 31 having a plurality of radial holes to induce a turbulent flow of pre-mixed gaseous fuel in the first mixing chamber 22, And an inner nozzle portion 32 for allowing the gaseous fuel that has passed through the portion 31 to flow into the combustion chamber 52. The turbulent flow generating nozzle unit 30 is in the form of a pipe nozzle, and a circular thin turbulent flow generating unit 31 is provided therein. The turbulent flow generator 31 functions to turbulate the premixed gaseous fuel in the first mixing chamber 22. That is, as the gaseous fuel passes through the holes of the turbulence generator 31, the turbulence increases. Further, it is preferable to provide a guide unit 60 for guiding the gaseous fuel pre-mixed in the first mixing chamber 22 to flow into the turbulent flow generating unit 31.

또한, 상기 난류생성부(31)는 프렉탈 구조로 형성될 수 있다. 프렉탈 구조는 난류강도를 효과적으로 증가시키는 구조로 작은 형상이 전체 형상과 비슷한 형태로 끝없이 반복되어 되풀이 되면서 전체 형상을 이루는 구조이다. 프렉탈 구조는 일정한 규칙에 따라 기하학적으로 같은 형상이지만 크기와 배열이 서로 다른 형태로 배치됨에 따라 이러한 프렉탈 구조를 통과하는 유체는 다양한 난류길이(turbulence length)와 에너지가 생성되어 난류강도(turbulence intensity)를 효과적으로 증가시킬 수 있는 구조이다. 이러한 프렉탈 구조는 일정한 비율 법칙으로 프렉탈 격자(grid) 굵기가 감소하게 된다. 상기 난류생성부(31)가 프렉탈 구조로 형성되고, 상기 프렉탈 격자의 굵기가 감소하는 비율이 0.6 이하일 때, 상기한 방사형 홀을 구비한 난류생성부(31)에 비해 난류강도가 2배 내지 3배 증가하게 된다. 따라서 이러한 프렉탈 구조로 상기 난류생성부(31)을 구성할 경우, 난류강도를 효과적으로 증가시킬 수 있는 것이다.In addition, the turbulent flow generating unit 31 may be formed in a flectal structure. Fractal structure is a structure that effectively increases the turbulence intensity. It is a structure in which the small shape repeats endlessly in the shape similar to the whole shape and repeats and forms the whole shape. Because the fractal structure is geometrically the same shape according to a certain rule, but the size and arrangement are arranged in different form, the fluid passing through this fractal structure has various turbulence lengths and energy, and the turbulence intensity It is a structure that can increase effectively. Such a fractal structure reduces the thickness of the fractal grid by a constant ratio rule. The turbulence intensity of the turbulence generator 31 is in the range of 2 to 3 times that of the turbulence generator 31 having the radial holes when the turbulence generator 31 is formed of a flectal structure, Times. Therefore, when the turbulent flow generating unit 31 is constructed with such a fractal structure, the turbulence intensity can be effectively increased.

도 7 내지 도 10은 상기 난류생성부(31)가 프렉탈 구조의 격자 감소 비율이 0.6 이하가 되도록 구성될 경우, 난류강도를 증가시킬 수 있다는 실험결과를 나타낸다. 보다 상세하게, 도 7은 실험조건을 정리한 것이다. 유체는 압축공기를 사용하였으며, 보정된 질량 유량계(MFC)를 통하여 제어한다. 실험의 목적인 비 반응장의 난류강도를 파악하기 위하여 접촉식 계측장비인 열선 유속계(Hot-wire anemometer)를 사용하며, 유속계는 TSI 사의 IFA300을 사용하고, 1kHz의 샘플링율로 1분간 취득하여, 2채널 프로브를 사용한다. 다음으로, 도 8은 관 유동에서 상기 난류생성부(31)의 중앙 축 방향의 속도 데이터를 나타낸 것이다. 상기 프렉탈 구조에서 10mm 내지 35mm까지 최소값의 속도를 갖는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도 9는 노즐출구 이전의 최고값이 RRBT(Reduce Ratio Bar Thickness)가 작아짐에 따라 점차 상기 난류생성부(31)에서 멀어지는 것을 확인할 수 있으며, 노즐 출구에서 RRBT가 작아짐에 따라 속도 변동이 큰 것을 확인 가능하며, 이는 RRBT가 작아짐에 따라 난류 강도가 강해진다는 것이다. 다음으로, 도 10에서 상기한 방사형 홀을 구비한 난류생성부(31)의 type-2가 프렉탈 형태의 난류생성부(31)인 RRBT보다 난류강도가 작은 것을 확인할 수 있다.FIGS. 7 to 10 show experimental results that the turbulence generation unit 31 can increase the turbulence intensity when the lattice reduction ratio of the fractal structure is configured to be 0.6 or less. More specifically, FIG. 7 summarizes the experimental conditions. The fluid is compressed air and is controlled through a calibrated mass flow meter (MFC). A hot-wire anemometer, a contact-type measuring instrument, was used to determine the turbulence intensity of the non-reaction field, which was the object of the experiment. The IFA300 of TSI Co., Ltd. was used and the sample was taken at a sampling rate of 1 kHz for 1 minute, Use a probe. Next, FIG. 8 shows velocity data in the direction of the central axis of the turbulent flow generating unit 31 in the tube flow. It can be confirmed that the fret structure has a minimum velocity ranging from 10 mm to 35 mm. 9, it can be seen that the maximum value before the nozzle exit gradually decreases away from the turbulence generator 31 as the RRBT (Reduce Ratio Bar Thickness) becomes smaller. As the RRBT decreases at the nozzle exit, It can be seen that the turbulence intensity becomes stronger as the RRBT becomes smaller. Next, it can be seen that the type-2 of the turbulence generator 31 having the radial holes described above has a smaller turbulence intensity than the RRBT of the turbulence generator 31 of the fractal type.

다음으로, 상기 연소실(52)과 연통된 상기 선회노즐부(40) 출구에는 상기 점화장치가 구비되어 별도의 전원으로 구동될 수 있다. 즉, 상기 점화장치는 상기 선회노즐부(40) 출구에서 분사되는 미연 예혼합기를 점화시켜 상기 연소실(52) 내부에서 내부재순환영역(IRZ)이 없는 화염장을 형성하도록 한다.Next, the ignition device is provided at the outlet of the orbiting nozzle unit 40 communicated with the combustion chamber 52, and can be driven by a separate power source. That is, the ignition device ignites the unburned pre-mixer injected at the exit of the orbiting nozzle portion 40 so as to form a pyrochlore without the IRZ in the combustion chamber 52.

다음으로, 도 4를 참조하면, 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)에 연소용 공기가 공급될 수 있도록 상기 공기유입부(51)와 연통된 상기 공기노즐부(50)과 상기 선회노즐부(40)이 마련된다. 보다 상세히, 상기 공기노즐부(50)는 상기 제1혼합실(22)과 제2혼합실(24)의 외주면을 감싸는 형태로 구비된다. 또한, 상기 공기노즐부(50)와 선회노즐부(40) 사이는 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)과 연통되어 공기가 유동할 수 있는 공간이 마련된다. 따라서, 상기 공기유입부(51)는 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)에서 가스연료와 상기 선회노즐부(40) 일측에 각각 마련되어 있는 제1유로(41)와 제2유로(42)를 통해 유입된 연소용 공기와 혼합될 수 있도록 공기를 공급하는 역할을 한다.4, the air nozzle portion 50 communicated with the air inlet portion 51 for supplying combustion air to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 is provided. And the turning nozzle unit 40 are provided. More specifically, the air nozzle unit 50 is provided to surround the outer circumferential surfaces of the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24. A space is provided between the air nozzle unit 50 and the swirl nozzle unit 40 so as to communicate with the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 so that air can flow. Accordingly, the air inlet 51 is provided with a first flow path 41 and a second flow path 41, which are provided at one side of the gaseous fuel and the swirl nozzle unit 40 in the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24, And serves to supply the air to be mixed with the combustion air introduced through the two flow paths 42.

즉, 상기 선회노즐부(40)는 상기 제1혼합실(22)과 연통되어 상기 제1혼합실(22)에 강한 선회유동의 공기를 공급하는 제1유로 (41)와 상기 제2혼합실(24)과 연통되어 상기 제2혼합실(24)에 선회강도 0.4 내지 0.55의 약한 선회유동으로 공기를 공급하는 제2유로(42)로 구비되는 것이 바람직하다.That is, the orbiting nozzle unit 40 includes a first flow path 41 communicating with the first mixing chamber 22 and supplying air of strong swirling flow to the first mixing chamber 22, And a second flow path (42) communicating with the first mixing chamber (24) and supplying air to the second mixing chamber (24) with a weak swirling flow having a swirling strength of 0.4 to 0.55.

또한, 상기 제1유로(41)의 출구 바로 앞에는 상기 제1관통홀(21)이 위치되고, 상기 제2유로(42)의 내벽 일측에는 상기 제2관통홀(23)이 위치된다. 따라서, 상기 제1관통홀(21)을 통해 공급된 가스연료와 상기 제1유로(41)를 통해 강한 선회유동으로 공급된 연소용 공기가 혼합에 유리한 직교제트유동(Jet in cross)으로 부딪치게 되면서 효율적으로 예혼합될 수 있도록 하는 것이다. 마찬가지로, 상기 제2관통홀(23)을 통해 공급된 가스연료는 상기 제2유로(42)를 통해 공급된 약한 선회강도의 연소용 공기와 효율적으로 예혼합될 수 있도록 하는 것이다.The first through hole 21 is located immediately in front of the outlet of the first flow path 41 and the second through hole 23 is located at one side of the inner wall of the second flow path 42. Therefore, the gaseous fuel supplied through the first through-hole 21 and the combustion air supplied through the first flow path 41 as a strong swirling flow are struck by a jet in cross advantageous for mixing, So that they can be efficiently premixed. Likewise, the gaseous fuel supplied through the second through-hole 23 can be efficiently premixed with the combustion air having a weak swirling strength supplied through the second flow path 42.

이하에서는 본 발명에 의한 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치에 대한 작용을 설명한다.Hereinafter, the operation of the combustion apparatus capable of minimizing the harmful substances according to the present invention will be described.

먼저, 연소장치를 가동시키면, 상기 가스노즐부(10)에서 가스연료가 상기 가스연료분배부(20)로 유입되고, 공급된 가스연료는 상기 가스연료분배부(20)에서 상기 제1관통홀(21) 및 제2관통홀(23)에 의해 상기 제1혼합실(22) 및 제2혼합실(24)로 나뉘어져 이동하게 된다. 이때, 상기 제1혼합실(22)와 제2혼합실(24)에서는 상기 공기노즐부(50)와 상기 선회노즐부(40)를 통해 공급된 연소용 공기와 상기 제1관통홀(21)과 제2관통홀(23)을 통해 공급된 가스연료가 예혼합된다. 이후, 상기 제2혼합실(24)에서 약한 선회강도 상태인 혼합기는 상기 제1혼합실(22)에서 강한 선회강도로 예혼합된 혼합기 주위로 약한 선회운동을 유지하면서 상기 연소실(52)로 이동한다. 이 상태에서, 상기 점화장치에 의해 점화되어 상기 연소실(52) 안에서 고온의 난류 예혼합화염을 형성하게 된다.First, when the combustion apparatus is operated, the gas fuel is introduced into the gas fuel distribution unit 20 from the gas nozzle unit 10, and the supplied gaseous fuel is supplied from the gas fuel distribution unit 20 to the first through- The first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24 are separated by the first through-hole 21 and the second through-hole 23, respectively. In the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24, the combustion air supplied through the air nozzle unit 50 and the swirl nozzle unit 40 and the first through hole 21 are supplied to the first mixing chamber 22 and the second mixing chamber 24, And the gas fuel supplied through the second through hole 23 are premixed. Then, in the second mixing chamber 24, the mixer in a weak swinging strength state moves to the combustion chamber 52 while maintaining a weak swirling motion around the premixed mixer in the first mixing chamber 22 at a strong swirl intensity do. In this state, a high-temperature turbulent premixed flame is formed in the combustion chamber 52 by being ignited by the ignition device.

이때, 상기 고온의 화염으로 인해 다량의 열적 NOx와 같은 유해물질이 발생한다. 상기 열적 NOx와 같은 유해물질의 발생을 감소시키는 방법으로는 화염의 온도를 낮추거나 화염 내 고온의 연소생성물이 반응장인 화염장 내에서 체류하는 체류시간을 감소시키는 것이다. 그런데 가스터빈과 같은 경우, 시스템의 열효율을 향상시키기 위해서는 터빈입구온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)를 높이는 것이 가장 유효하다. 최근 모든 가스터빈용 연소기의 필수 요구조건이므로 상기한 방법 중 화염의 온도를 낮추는 방법의 경우, 가스터빈 전체 시스템의 열효율이 낮아지게 되므로 화염의 온도를 낮추질 않으면서 화염 내 고온인 연소생성물의 체류시간을 줄이는 것이 가장 바람직한 방법인 것이다.At this time, due to the high-temperature flame, a large amount of harmful substances such as thermal NOx are generated. As a method of reducing the generation of harmful substances such as thermal NOx, the temperature of the flame is lowered or the residence time in which the high temperature combustion products stay in the reaction zone of the flame is reduced. However, in the case of a gas turbine, it is most effective to increase the turbine inlet temperature (TIT) to improve the thermal efficiency of the system. Since the thermal efficiency of the whole system of the gas turbine is lowered in the method of lowering the flame temperature in the above-mentioned method because it is an essential requirement of the combustor for all gas turbines in recent years, the stay of the combustion products at high temperature in the flame Reducing time is the most desirable method.

따라서, 상기 제1혼합실(22)에서 상기 제1유로(41)의 강한 선회유동이 상기 제1관통홀(21)로부터 분사된 가스연료와 수직한 제트형태(Jet in cross)로 만나서 예혼합된다. 이후, 상기 제1혼합실(22)와 연통된 상기 난류생성노즐부(30) 내측에 장착된 상기 난류생성부(31)을 거치면서 난류화 된다. 이후, 상기 난류생성노즐부(30) 말단에서 제2혼합실(22)을 거쳐 약한 선회유동으로 예혼합된 혼합기와 만난다. 이후, 상기 연소실(52)와 연통된 선회노즐부(40) 출구에서 예혼합 화염을 형성하게 된다. 즉, 상기 화염의 중앙부에 재순환영역이 발생하지 않게 되고, 상기 화염이 완전연소에 가까워지게 되는 것이다. 도 6을 참조하면, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 상기 난류생성부(31)를 통과하면서 강하게 난류화된다. 이때, 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 상기 연소실(52)에서 급격한 확대유동으로 발전되지 않도록 한다. 즉, 상기 제2혼합실(24)에서 예혼합된 가스연료가 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 바깥 방향으로 퍼지지 않도록 하는 것이다. 즉, 상기 연소실(52)로 분사되는 상기 제1혼합실(22)에서 예혼합된 가스연료가 상기 제2유로(42)로부터 약한 선회운동의 보호를 받으면서 강한 난류유동을 유지한 채 상기 연소실(52)로 이동되는 것이다. 이로 인하여, 상기 연소실(52)에 생성되는 화염장의 내부재순환영역의 형성을 최소화하여, 상기 화염장 내에 상기 고온인 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시켜 체류시간과 밀접한 관계가 있는 열적 질소산화물과 같은 유해물질의 발생을 최소화 할 수 있는 것이다.Therefore, a strong swirling flow of the first flow path 41 in the first mixing chamber 22 is met by a jet in cross perpendicular to the gaseous fuel injected from the first through hole 21, do. The turbulence is generated while passing through the turbulence generating unit 31 mounted inside the turbulator generating nozzle unit 30 communicated with the first mixing chamber 22. Thereafter, the mixed gas flows through the second mixing chamber (22) at the end of the turbulent flow generating nozzle unit (30) and meets a premixed mixer in a weak swirling flow. Thereafter, a premixed flame is formed at the outlet of the orbiting nozzle unit 40 communicated with the combustion chamber 52. That is, a recirculation region does not occur in the central portion of the flame, and the flame is close to complete combustion. Referring to FIG. 6, the gaseous fuel pre-mixed in the first mixing chamber 22 is strongly turbulent as it passes through the turbulent flow generating section 31. At this time, the gaseous fuel premixed in the first mixing chamber (22) is prevented from developing into a sudden enlarged flow in the combustion chamber (52). That is, the premixed gaseous fuel in the second mixing chamber 24 prevents the premixed gaseous fuel in the first mixing chamber 22 from spreading outwardly. That is, the gaseous fuel pre-mixed in the first mixing chamber 22 injected into the combustion chamber 52 is protected from the second flow path 42 by the weak swirling motion, 52). Therefore, it is possible to minimize the formation of the internal recirculation region of the flame generated in the combustion chamber 52, thereby reducing the time during which the high-temperature combustion products stay in the flame, It is possible to minimize the generation of harmful substances.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it is to be understood that the technical structure of the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description, All changes or modifications that come within the scope of the equivalent concept are to be construed as being included within the scope of the present invention.

1 : 연소장치
10 : 가스노즐부
20 : 가스연료분배부
21 : 제1관통홀
22 : 제1혼합실
23 : 제2관통홀
24 : 제2혼합실
30 : 난류생성노즐부
31 : 난류생성부
32 : 내측노즐부
40 : 선회노즐부
41 : 제1유로
42 : 제2유로
43 : 외측노즐부
50 : 공기노즐부
51 : 공기유입부
52 : 연소실
60 : 안내부1: Combustion device
10: gas nozzle part
20: Gaseous fuel distribution part
21: First through hole
22: first mixing chamber
23: Second through hole
24: second mixing chamber
30: turbulent flow nozzle unit
31: turbulence generating unit
32: inner nozzle portion
40: turning nozzle part
41: First Euro
42: the second euro
43: outer nozzle part
50: air nozzle part
51: air inlet
52: Combustion chamber
60:

Claims (5)

가스연료가 공급되는 가스노즐부;
상기 가스노즐부와 연통되어 공간을 형성하는 가스연료분배부;
상기 가스연료분배부와 제1관통홀;에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제1혼합실;
상기 가스연료분배부와 제2관통홀;에 의해 연통되어 가스연료가 공기와 예혼합되는 공간을 형성하는 제2혼합실;
상기 제1혼합실과 제2혼합실 사이에 구비되어, 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료가 난류 유동하도록 하는 난류생성노즐부; 및
공기노즐부;와 연통되어 상기 제1혼합실과 제2혼합실에 각각 연소용 공기를 공급하는 선회노즐부;를 포함하고,
상기 선회노즐부는,
상기 제1혼합실과 연통되어 상기 제1관통홀을 통해 분사된 가스연료가 선회된 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제1유로; 및
상기 제2혼합실과 연통되어 상기 제2관통홀을 통해 분사된 가스연료가 상기 제1유로에 비해 선회도가 낮은 공기와 수직으로 접촉되어 혼합될 수 있도록 하는 제2유로;를 포함하여,
상기 제1혼합실을 통해 예혼합된 가스연료가 상기 난류생성노즐부를 통과하여 상기 제2혼합실을 통해 예혼합된 가스연료와 혼합되면서, 상기 제2혼합실을 통해 예혼합된 가스연료로 인해 난류유동을 유지한 상태로 점화됨으로서, 화염 내에 내부재순환영역의 형성을 억제하여, 고온에서 연소생성물이 체류하는 시간을 감소시키며,
상기 난류생성노즐부는,
다수개의 방사형 홀이 구비되어 상기 제1혼합실에서 예혼합된 가스연료의 난류유동을 유도하는 난류생성부; 및
상기 난류생성부를 통과한 가스연료가 연소실로 유동할 수 있도록 하는 내측노즐부;를 포함하고,
상기 제2유로의 선회강도는, 상기 제1유로의 선회강도에 0.4배 내지 0.55배이고,
상기 난류생성부는, 격자의 굵기가 감소하는 비율이 0.6 이하인 프렉탈 구조로 형성되며,
상기 제1관통홀과 제2관통홀은, 가스연료와 공기의 양에 따라 상기 제1관통홀과 제2관통홀의 단면의 직경이 조절될 수 있도록 형성되어 선택적으로 초킹유동을 형성시킬 수 있고,
상기 제1관통홀과 제2관통홀은 상기 가스연료분배부의 중심을 기준으로 지그재그형식으로 구비되는 것을 특징으로 하는 유해물질을 최소화할 수 있는 연소장치.A gas nozzle portion to which the gaseous fuel is supplied;
A gas fuel distribution part communicating with the gas nozzle part to form a space;
A first mixing chamber communicating with the gas fuel distribution portion and the first through hole to form a space where the gaseous fuel is premixed with air;
A second mixing chamber communicated by the gas fuel distribution portion and the second through hole to form a space where the gaseous fuel is premixed with air;
A turbulence generating nozzle unit provided between the first mixing chamber and the second mixing chamber for allowing turbulent flow of pre-mixed gaseous fuel in the first mixing chamber; And
And a swirling nozzle unit communicating with the air nozzle unit and supplying combustion air to the first mixing chamber and the second mixing chamber, respectively,
The swirling nozzle unit includes:
A first flow path communicating with the first mixing chamber to allow the gaseous fuel injected through the first through hole to vertically contact and mix with the pivoted air; And
And a second flow path communicating with the second mixing chamber to allow the gaseous fuel injected through the second through hole to vertically contact and mix with air having a lower degree of rotation than the first flow path,
The gaseous fuel premixed through the first mixing chamber is mixed with the pre-mixed gaseous fuel through the turbulent-generating nozzle portion and through the second mixing chamber, By being ignited while maintaining the turbulent flow, the formation of the internal recirculation zone in the flame is suppressed, thereby reducing the time for the combustion products to stay at high temperatures,
Wherein the turbulent flow generating nozzle unit comprises:
A turbulent flow generator having a plurality of radial holes to induce a turbulent flow of premixed gaseous fuel in the first mixing chamber; And
And an inner nozzle portion for allowing the gaseous fuel passing through the turbulent flow generating portion to flow into the combustion chamber,
The swirling strength of the second flow path is 0.4 to 0.55 times the swirling strength of the first flow path,
Wherein the turbulence generator is formed of a fractal structure in which the ratio of the thickness of the lattice decreases to 0.6 or less,
The first through holes and the second through holes may be formed so that the diameters of the cross sections of the first through holes and the second through holes may be adjusted according to the amount of the gaseous fuel and air to selectively form a choking flow,
Wherein the first through hole and the second through hole are provided in a staggered manner with respect to a center of the gas fuel distributing portion. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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