KR102026530B1 - 연소 챔버 및 이를 포함한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 소정의 높이를 갖는 관 형상의 연소실과; 연소실의 내면을 향하여 연장되고, 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 연소실의 내부로 제1물질의 공급 경로를 제공하는 제1노즐과; 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 연소실의 내부로 제2물질의 공급 경로를 제공하는 제2노즐과; 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 연소실의 내부로 제3물질의 공급 경로를 제공하는 제3노즐; 및 연소실의 내부와 유체적으로 연결되고, 연소실의 내부로 제4물질의 공급 경로를 제공하는 제4노즐을 포함하며, 상기 연소실의 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視)에서, 제1노즐과 제2노즐은 연소실을 관통하는 제1가상의 직선 상에 놓이고, 제3노즐과 제4노즐은 연소실을 관통하는 제2가상의 직선 상에 놓이는, 연소 챔버를 개시한다.

Description

연소 챔버 및 이를 포함한 장치{Burning chamber and apparatus including the same }

본 발명의 실시예들은, 연소 챔버 및 이를 포함한 장치에 관한 것이다.

화력 발전소, 폐기물 처리소, 가스 화로, 가정용 보일러, 연료 전지용 개질기 또는 가열기 등의 분야에 연소 또는 가열을 위한 챔버가 다양하게 사용되고 있다. 예컨대, 연료물질과 공기 등을 미리 혼합하여 공급하는 혼합 연소 방식 및 연료물질 또는 공기 등을 여러 단계로 나누어 공급하는 다단 연소 방식 등에 따른 연소 챔버 등이 다양하게 설계되고 있다.

그러나, 혼합 연소 방식의 챔버의 경우 혼합된 연료와 공기 등이 급격하게 연소되면서 챔버의 형태를 구성하는 벽면이 고내열성 재질을 필요로 하고 재가 발생하면서 부착물이 발생하거나 클링커(clinker) 현상에 의해 오염이 발생하는 등의 문제가 있으며, 질소산화물이 다량 발생하는 등 오염 물질의 배출이 심하다는 단점이 있다. 다단 연속 방식의 경우 혼합 연소 방식에 비하여 질소산화물 등의 발생을 줄일 수는 있으나 여전히 상당량의 오염 물질이 발생하며, 챔버 내측의 온도가 균일 하게 분포하지 않는다는 등의 문제들이 있다. 본 발명은 전술한 문제를 포함한 여러 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이러한 과제는 예시적인 것으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예는, 소정의 높이를 갖는 관 형상의 연소실; 상기 연소실의 내면을 향하여 연장되고, 상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제1물질의 공급 경로를 제공하는 제1노즐; 상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제2물질의 공급 경로를 제공하는 제2노즐; 상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제3물질의 공급 경로를 제공하는 제3노즐; 및 상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되고, 상기 연소실의 내부로 제4물질의 공급 경로를 제공하는 제4노즐;을 포함하며, 상기 연소실의 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視)에서, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐은 상기 연소실을 관통하는 제1가상의 직선 상에 놓이고, 상기 제3노즐과 상기 제4노즐은 상기 연소실을 관통하는 제2가상의 직선 상에 놓이는, 연소 챔버를 개시한다.

본 실시예에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제1거리 이격될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1노즐 또는 제2노즐까지의 연장한 제1가상의 보조선과 상기 제1가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제2가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제2가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제2거리 이격될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제3노즐 또는 제4노즐까지의 연장한 제2가상의 보조선과 상기 제2가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1거리와 상기 제2거리는 실질적으로 동일할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1물질 및 상기 제2물질 중 어느 하나는 연료를 포함하는 물질이고 다른 하나는 산화제 및 산소를 포함하는 공기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질이며, 상기 제3물질 및 상기 제4물질 중 어느 하나는 연료를 포함하는 물질이고, 다른 하나는 산화제 및 산소를 포함하는 공기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1노즐과 상기 제3노즐은 서로 인접하게 배치되고, 상기 제2노즐과 상기 제4노즐은 서로 인접하게 배치되되, 상기 제1물질과 상기 제4물질은 동일하고, 상기 제2물질과 상기 제3물질은 동일할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1노즐의 높이와 상기 제3노즐의 높이는 실질적으로 동일하고, 상기 제2노즐의 높이와 상기 제4노즐의 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1노즐의 높이는 상기 제2노즐 및 상기 제4노즐 중 어느 하나의 높이와 실질적으로 동일하고, 상기 제3노즐의 높이는 상기 제2노즐 및 상기 제4노즐 중 나머지 하나의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1노즐은 제1높이를 가지고, 상기 제3노즐은 제1높이와 다른 제2높이를 가질 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이는 상기 연소실의 내경의 0.5배이거나 그보다 작을 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4노즐은 상기 연소실의 상부에 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는, 하단부에 배기구를 구비한 관 형상이며, 연소실을 정의하는 제1층 및 상기 제1층과의 사이에 소정의 공간이 구비되도록 상기 제1층으로부터 소정의 간격 이격되되 상기 제1층의 외측을 둘러싸는 제2층을 구비하는 연소 챔버; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제1물질을 제공하는 제1노즐; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제2물질을 제공하는 제2노즐; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제3물질을 제공하는 제3노즐; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제4물질을 제공하는 제4노즐; 상기 연소실의 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視)에서, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐은 상기 연소실을 관통하는 제1가상의 직선 상에 놓이고, 상기 제3노즐과 상기 제4노즐은 상기 연소실을 관통하는 제2가상의 직선 상에 놓이는, 장치를 개시한다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 하단부에 배기구를 구비한 관 형상이며, 연소실을 정의하는 제1층 및 상기 제1층의 외측을 둘러싸되 단열재를 포함하는 제2층을 구비하는 연소 챔버; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제1물질을 제공하는 제1노즐; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제2물질을 제공하는 제2노즐;

상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제3물질을 제공하는 제3노즐; 상기 연소 챔버의 상기 연소실과 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제4물질을 제공하는 제4노즐; 상기 연소실의 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視)에서, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐은 상기 연소실을 관통하는 제1가상의 직선 상에 놓이고, 상기 제3노즐과 상기 제4노즐은 상기 연소실을 관통하는 제2가상의 직선 상에 놓이는, 장치를 개시한다.

전술한 장치에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제1거리 이격될 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1노즐 또는 제2노즐까지의 연장한 제1가상의 보조선과 상기 제1가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°일 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제2가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제2가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제2거리 이격될 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제3노즐 또는 제4노즐까지의 연장한 제2가상의 보조선과 상기 제2가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°일 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1거리와 상기 제2거리는 실질적으로 동일할 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 연소 챔버의 상기 제1층과 상기 제2층 사이의 공간에서 가열된 열을 외부로 배출하는 배출 밸브를 더 포함할 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 연소실의 내측에 고체물질을 배치하는 거치대를 더 포함할 수 있다.

전술한 장치에 있어서, 상기 연소실의 내측으로 고체물질을 공급하는 노즐을 더 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 내지 제4노즐의 배치형태를 통해 선회식 무화염 연소 반응을 야기함으로써, 산화제 또는/및 산소를 포함하는 공기 등의 예열 없이 연소 반응을 야기할 수 있으며, 연소실 내부에서의 영역/부분 별로 온도 편차를 최소화함으로써 고온이면서도 비교적 균일한 온도 분포 영역/부분을 형성할 수 있다. 또한, 오염물질의 생성을 감소시킬 수 있다. 물론, 이와 같은 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선에 따라 취한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 챔버의 높이 방향 별 온도 분포를 나타낸다.
도 5는 도 4에서 제1단면의 온도 분포를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.

이하에서, "A 및/또는 B"는 A 를 포함하는 경우, B를 포함하는 경우, 또는 A와 B를 모두 포함하는 경우를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 챔버를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 II- II선에 따라 취한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 연소 챔버(10)의 연소실(110)은 소정의 높이를 갖는 관 형상일 수 있다. 연소실(110)의 하측으로는 배기구(115)가 구비될 수 있다. 연소실(110)은 제1직경을 갖는 원통형의 몸체부(110A), 및 몸체부(110A)로부터 아래를 향해 연장되되 그 직경이 점차 감소하는 형상의 중간부(110B)를 포함할 수 있으며, 중간부의 아래에는 제1직경보다 작은 제2직경을 갖는 하부(110C)가 구비될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예로, 연소실(110)은 중간부(110B) 및 하부(110C)가 생략된, 직경이 일정한 관 형상일 수 있다. 도 1 및 도 2는 연소실(110)이 전체적으로 원기둥의 관 형상인 것을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 연소실(110)은 타원기둥의 형상이거나 다각 기둥의 형상일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 연소실(110)이 원기둥의 관 형상인 것으로 설명한다.

제1 및 제2노즐(210, 220)은 연소실(110)의 내부와 유체적으로 연결된다. 제1노즐(210)은 연소실(110)의 내부로 제1물질을 공급하는 경로를 제공하고, 제2노즐(220)은 연소실(110)의 내부로 제1물질과 다른 제2물질을 공급하는 경로를 제공할 수 있다. 예컨대, 제1물질과 제2물질 중 어느 하나는 연료 물질이고, 다른 하나는 산화제 및/또는 공기와 같이 산소를 포함하는 물질일 수 있다. 연료 물질로는 탄소를 포함하는 연료, 예컨대 액화천연가스(LNG) 및/또는 액화석유가스(LPG)와 같은 연료 물질일 수 있다.

제3 및 제4노즐(230, 240)은 연소실(110)의 내부와 유체적으로 연결된다. 제3노즐(230)은 연소실(110)의 내부로 제3물질을 공급하는 경로를 제공하고, 제4노즐(240)은 연소실(110)의 내부로 제4물질을 공급하는 경로를 제공할 수 있다. 제3노즐(230)은 제1노즐(210)과 인접하게 배치되고, 제4노즐(240)은 제2노즐(220)과 인접하게 배치된다. 제3물질과 제4물질 중 어느 하나는 연료 물질이고, 다른 하나는 산화제 및/또는 공기와 같은 물질일 수 있다.

제1 및 제2노즐(210, 220) 그리고 제3 및 제4노즐(230, 240)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 연소실(110)의 높이방향(z방향)에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視, xy평면상)에서 연소실(110)을 관통하는 가상의 직선 상에 놓일 수 있다.

제1 및 제2노즐(210, 220)은 단면시에서, 제1가상의 직선(VL1) 상에 서로 대향되게 배치되고, 제3 및 제4노즐(230, 240)은 단면시에서 연소실(110)을 관통하되 제1가상의 직선(VL1)과 평행하게 이격되는 제2가상의 직선(VL2) 상에 서로 대향되게 배치된다.

제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2)은 연소실(110)의 중심(C)을 지나는 가상의 중심선(VCL) 으로부터 소정의 간격 이격된 가상의 직선이다. 예컨대, 제1가상의 직선(VL1)은 연소실(110)의 중심(C)으로부터 제1가상의 직선(VL1)에 수직인 방향을 따라 제1거리(d1) 만큼 이격되고, 제2가상의 직선(VL2)은 연소실(110)의 중심(C)으로부터 제2가상의 직선(VL2)에 수직인 방향을 따라 제2거리(d2)만큼 이격될 수 있다. 도 2에서의 제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2), 그리고 가상의 중심선(VCL)은 평행하다.

제1및 제2거리(d1, d2)는 연소실(110)의 중심(C)으로부터 연소실(110)의 내측벽(110IS)까지의 거리 보다 작다. 바꾸어 말하면, 제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2)은 가상의 중심선(VCL)과 연소실(110)의 내측벽(110IS)을 지나는 가상의 접선(VTL) 사이에 배치된다.

연소실(110)의 중심(C)으로부터 제1노즐(210)까지를 연장한 제1가상의 보조선(VAL1)과 제1가상의 직선(VL1) 사이의 제1각도(α)는 5°~ 30°의 범위에서 선택될 수 있다. 연소실(110)의 중심(C)으로부터 제4노즐(240)까지를 연장한 제2가상의 보조선(VAL2)과 제2가상의 직선(VL2) 사이의 제2각도(β)는 5°~ 30°의 범위에서 선택될 수 있다. 제1 및 제2각도(α, β)가 전술한 범위를 벗어나는 경우, 연소실(110)의 내부의 온도 분포가 균일하지 않게 되는 문제가 있다. 예컨대, 제1 및 제2각도(α, β)가 하한을 벗어나는 경우 연소실(110) 중심(C) 부근에서만 고온인 영역(예컨대, 1000℃ 이상인 영역)이 형성되고 연소실(110)의 내측벽(110IS) 부근에서는 저온인 영역이 형성되는 등 온도 불균일 및 불완전 연소로 인한 오염물질(예컨대, NOx, CO, 재가 용융되면서 재부착되는 부산물 및 슬래그 등)의 발생의 문제가 있으며, 제1 및 제2각도(α, β)가 상한을 벗어나는 경우 연소실(110)의 내측벽(110IS) 부근에서만 고온인 영역(예컨대, 1000℃ 이상인 영역)이 환형으로 형성되는 온도 불균일 및 그에 따른 오염물질(예컨대, NOx, 재가 용융되면서 재부착되는 부산물 및 슬래그 등)의 발생 문제가 있을 수 있으나, 전술한 바와 같이 제1 및 제2각도(α, β)가 전술한 범위를 만족하는 경우 전술한 문제들을 방지하거나 최소화할 수 있다. 예컨대, 전술한 구조를 통해 후술할 도 4에서와 같이 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)에서 이격된 연소실(110)의 단면에서 고온인 영역(예컨대, 1000℃ 이상인 영역)이 연소실(110)의 단면의 85% 이상, 예컨대 95% 이상 분포하도록 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)과 인접한 연소실(110)의 단면에서도 고온인 영역(1000℃ 이상인 영역)을 해당 단면의 85% 이상, 예컨대 95% 이상 분포하도록 제어함과 동시에 영역별 온도 편차가 발생한다 하더라도 그 편차가 약 35℃미만으로 제어할 수 있는바, 연소실(110) 내에서의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 비교예로서, 연료를 공급하는 노즐과 산화제 및/또는 공기와 같은 물질을 공급하는 노즐이 연소실(110)의 중심(C)을 지나는 가상의 중심선(VCL) 상에 배치되어 각각 연료 및 산화제 및/또는 공기와 같은 물질들을 공급하는 경우, 연소의 불안정성에 의해 질소산화물(NOx), 또는/및 불완전 연소 물질(ex. 일산화탄소 CO)이 생성하는 문제가 있을 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면 제1 및 제2노즐(210, 220)과 제3 및 제4노즐(230, 240)이 가상의 중심선(VCL)로부터 소정의 간격 이격된 제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2) 상에 각각 배치되며, 각 노즐을 통해 연료를 포함하는 물질과 산화제 및/또는 공기와 같은 물질이 공급되므로, 연소실(110) 내에서 선회류가 야기되며, 연소실(110) 내에서 무화염(flameless) 연소 반응이 발생할 수 있다.

제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)을 통해 공급되는 연료를 포함하는 물질과 산화제 및/또는 공기와 같은 물질이 연소실(110) 내에서 순환하면서 무화염 연소 반응을 발생시키기 용이하도록, 제1노즐(210)의 제1물질과 제4노즐(240)의 제4물질은 동일하고, 제2노즐(220)의 제2물질 및 제3노즐(230)의 제3물질은 서로 동일하게 할 수 있다. 예컨대, 제1노즐(210)이 연료를 포함하는 물질을 공급하는 경우, 제1노즐(210)의 맞은편에 배치된 제2노즐(220)에 인접한 제4노즐(240)은 연료를 포함하는 물질을 공급할 수 있으며, 제2 및 제3노즐(220, 230)은 산화제 및/또는 공기와 같은 물질을 공급할 수 있다.
즉 상기 제1노즐(210)과 제4노즐(240)을 통해 공급되는 연료가 서로 마주보는 방향으로 투입되고, 상기 제2노즐(220)과 제3노즐(230)을 통해 공급되는 산화제가 서로 마주보는 방향으로 투입되도록 함으로써, 상기 연소실(110) 내에서 선회류를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 상기 연료와 산화제를 원활하게 순환시켜주면서 무화염 연소 반응이 이루어지도록 할 수 있다.

전술한 선회류의 발생을 용이하게 하고 연소실(110) 내부에서의 물질들의 순환을 촉진하여 무화염 연소 반응을 효과적으로 유도하기 위하여, 제1 및 제2노즐(210, 220) 중 어느 하나의 직경은 다른 하나의 직경과 다르게 형성될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 산화제 및/또는 공기와 같은 물질을 공급하는 제2노즐(220)의 직경(R2)을 연료를 공급하는 제1노즐(210)의 직경(R1)보다 크게 형성하여 유량을 달리할 수 있다. 마찬가지로, 제3노즐(230)의 직경(R3)을 제4노즐(240)의 직경(R4)보다 크게 형성할 수 있다. 또는, 제1 및 제2노즐(210, 220) 중 어느 하나에 펌프(예컨대, 에어 펌프)를 연결하여 선회류의 발생을 용이하게 하고 연소실(110) 내부에서의 물질들의 순환을 촉진하여 무화염 연소 반응을 효과적으로 유도할 수 있다. 예컨대, 산화제 및/또는 공기와 같은 물질을 공급하는 제2노즐(220) 및 제3노즐(230)에 에어 펌프 등을 연결할 수 있다. 전술한 제1 및 제2노즐(210, 220)의 직경 및/또는 제3 및 제4노즐(230, 240)의 직경을 달리하거나 펌프를 연결하는 등의 실시예들은 각각 개별적으로 구현될 수 있거나, 동시에 구현될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 내지 제4노즐의 배치를 나타낸 측면도들이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240) 중 일부의 노즐은 동일 높이에 배치되되, 다른 노즐과는 다른 높이에 배치될 수 있다.

일 실시예로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1노즐(210)과 제2노즐(220)은 동일한 제1높이(H1)에 배치되고, 제3노즐(230)과 제4노즐(240)은 동일한 제2높이(H2) 상에 배치되되 전술한 제1 및 제2노즐(210, 220)의 제1높이(H1)와는 다른 높이일 수 있다.

다른 실시예로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1노즐(210)과 제4노즐(240)은 동일한 제1높이(H1)에 배치되고, 제2노즐(220)과 제3노즐(230)은 동일한 제2높이(H2) 상에 배치되되 전술한 제1 및 제4노즐(210, 240)의 제1높이(H1)와는 다른 높이일 수 있다.

또 다른 실시예로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1노즐(210)과 제4노즐(240)은 동일한 제2높이(H2)에 배치되고, 제2노즐(220)과 제3노즐(230)은 동일한 제1높이(H1) 상에 배치되되 전술한 제1 및 제4노즐(210, 240)의 제2높이(H2)와는 다른 높이일 수 있다.

도 3a 내지 도 3c의 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)은 전술한 바와 같이 배치 높이가 상이할 수 있으나, 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면(xy단면)상에서 보았을 때 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 각각 제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2) 상에 배치될 수 있음은 물론이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면 설명한 바와 같이, 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240) 중 일부가 제1높이(H1) 상에 배치되고 나머지가 제2높이(H2) 상에 배치될 때에, 제1 및 제2높이(H1, H2) 의 차이는 상기 연소실(110)의 몸체부(110A)의 내경(L)의 0.5배이거나 그보다 작게 형성(|H1-H2|≤0.5L)하여, 전술한 선회류를 용이하게 발생시킬 수 있으며 온도의 분포영역을 비교적 균일하게 하면서 불완전 연소의 발생 가능성을 방지하거나 최소화할 수 있다. 제1 및 제2높이(H1, H2)의 차이(|H1-H2|)가 전술한 범위를 벗어나는 경우 제1 내지 제4물질들이 혼합되기 용이하지 않아 선회류의 발생량이 감소하고 연소실(110)의 내측에서 온도 편차가 작은 고온의 영역이 감소하는 등의 문제가 있을 수 있다.

도 3d를 참조하면, 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)는 모두 동일한 제3높이(H3)에 배치될 수 있다. 도 3d의 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)을 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면상에서 보았을 때 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 제1 및 제2가상의 직선(VL1, VL2) 상에 배치될 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 챔버의 높이 방향 별 온도 분포를 나타내고, 도 5는 도 4에서 제1단면의 온도 분포를 나타낸다.

온도 챔버(10')의 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)을 통해 제1 내지 제4물질이 공급되는 초기 가동 기간 중에는 연소가 일어나면서 열이 축적(축열)되는 단계가 진행된다. 축열 단계 중 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)을 통해 공급된 1 내지 제4물질이 선회류를 형성하면서 연소가 진행된다. 이후, 무화염 단계로 진행되면서 축열 단계예서 보였던 화염은 사라지고, 연소실(110)의 내측에는 온도편차가 기준범위 이내인 비교적 균일한 영역이 형성되며, 도 4 및 도 5은 무화염 단계에서의 연소 챔버(10')의 온도 분포를 보여준다.

도 4 및 도 5을 참조하면, 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)에 인접한 제1단면(CS1)의 온도 분포를 보면 고온 영역(예컨대, 1000℃ 이상인 영역)이 제1단면(CS1)의 약 100%를 차지하되, 영역별로 온도가 조금씩 차이가 있으나 표준편차가 약 52℃ 이내의 범위로서, 비교적 균일한 것을 확인할 수 있다. 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)으로부터 이격된 (예컨? 연소실의 하부) 도 4의 제2 내지 제4단면(CS2, CS3, CS4)을 참조하면, 그 온도가 분포가 약 1820K에서 균일하게 형성됨을 확인할 수 있다.

전술한 제1 내지 제4단면(CS1, CS2, CS3, CS4) 각각의 온도 분포뿐만 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이 연소실(110)의 높이 방향을 따라서도 온도 분포가 균일함을 확인할 수 있다.

아래의 [표 1]은 연료를 포함하는 물질로 메탄을 약 1~7lpm 주입하고 산화제를 15-20lpm 주입하여 테스트한 결과로서 일산화탄소와 질소산화물의 발생량을 나타낸다. 아래의 [표 1]를 참조하면, 본원의 실시예들에 따른 연소 챔버의 경우 불완전 연소가 방지되며 연소실(110)의 내측에서의 온도가 비교적 균일 하게 분포되므로, 아래와 같이 일산화탄소나 질소산화물의 오염물질의 발생량이 없거나 매우 작음을 확인할 수 있다.

물질	발생량
CO	0ppm
NO	13ppm

도 6은 본 발명의 일 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 6은 제1노즐(210)과 제2노즐(220)이 놓인 제1가상의 선(VL1, 도 4 참조)을 따라 절단한 단면과 대응된다.

도 6을 참조하면, 장치(20)는 연소실(110)을 정의하는 제1층(115-1) 및 제1층(115-1)과 소정의 간격 이격되되, 제1층(115-1)의 외주연을 둘러싸는 제2층(125)를 구비하며, 제1층(115-1)과 제2층(125) 사이에는 소정의 공간(130)이 구비된다. 제1층(115-1)은 SUS와 같은 열전도성 물질을 포함할 수 있으며, 제2층(125)은 단열재를 포함할 수 있다.

연소실(110) 내에서의 무화염 연소에 의해 발생한 열은 제1층(115-1)을 통해 외측, 예컨대 외측의 공간(130)으로 전달되고 열은 공간(130)에 연결된 배출 밸브(140)를 통해 장치(20)의 외부로 배출되어 다양하게 활용될 수 있다.

장치(20)의 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)은, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 단면시에서 제1 내지 제2가상의 직선 상에 각각 배치됨은 물론이다. 한편, 도 6에서 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)의 높이가 다르게 배치된 구조를 도시하고 있으나, 앞서 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 바와 같이 그 배치 높이는 다양하게 변경 가능함은 앞서 설명한 바와 같다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 7은 제1노즐(210)과 제2노즐(220)이 놓인 제1가상의 선(VL1, 도 4 참조)을 따라 절단한 단면과 대응된다.

도 7을 참조하면, 장치(30)는 연소실(110)을 정의하는 제1층(115A) 및 제1층(115A)에 직접 접촉하도록 제1층(115A)의 외주연을 둘러싸는 제2층(115B)을 구비할 수 있다. 제1층(115A)은 내화 벽돌과 같이 내화 성능을 갖는 물질을 포함할 수 있으며, 제2층(115B)은 단열재를 포함할 수 있다.

장치(30)의 내측에는 거치대(300)가 구비될 수 있다. 거치대(300) 상에 제5물질(SF)이 배치된 상태에서 전술한 1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)을 통해 물질들이 공급되면서 무화염 연소가 일어날 수 있다. 제5물질은 가열, 개질 또는 환원 반응이 필요한 고체, 액체, 기체 등의 물질일 수 있다.

장치(30)의 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)은, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 단면시에서 제1 내지 제2가상의 직선 상에 각각 배치됨은 물론이다. 한편, 도 7에서 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240)의 높이가 다르게 배치된 구조를 도시하고 있으나, 앞서 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 바와 같이 그 배치 높이는 다양하게 변경 가능함은 앞서 설명한 바와 같다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 다른 연소 챔버를 구비한 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8은 제1노즐(210)과 제2노즐(220)이 놓인 제1가상의 선(VL1, 도 4 참조)을 따라 절단한 단면과 대응된다.

도 8을 참조하면, 장치(30')는 연소실(110)을 정의하는 제1층(115A) 및 제1층(115A)에 직접 접촉하도록 제1층(115A)의 외주연을 둘러싸는 제2층(115B)을 구비할 수 있다. 제1층은 내화 벽돌과 같이 내화 성능을 갖는 물질을 포함할 수 있으며, 제2층(115B)은 단열재를 포함할 수 있다.

도 7를 참조하여 설명한 장치(30)가 거치대(300)를 구비하는 것과 달리, 도 8의 장치(30')는 제5물질을 공급하는 노즐(150)을 포함할 수 있다. 노즐(150)을 통해 공급되는 제5물질은 가열, 개질 또는 환원 반응이 필요한 비교적 크기가 작은 분말상의 고체, 액체, 기체 등의 물질일 수 있다.

도 6에서는, 제5물질이 노즐(150)을 통해 공급되는 것을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예로, 제5물질은 제1 내지 제4노즐(210, 220, 230, 240) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 노즐을 통해 연소실(110)의 내부로 공급될 수 있다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 실시예에 따르면, 두 쌍의 노즐이 구비된 경우를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 연소실의 중심(C)으로부터 소정의 거리 이격된 가상의 직선 상에 배치된 두개의 노즐을 구비한 한 쌍의 노즐이 더 구비될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 세 쌍 이상의 노즐이 배치될 수 있는 것과 같이, 각 쌍의 노즐이 전술한 가상의 중심선(VCL)과 가상의 법선(VTL) 사이에만 배치된다면 노즐 쌍의 수는 다양하게 변경 가능하다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 연소 챔버
110: 연소실
210: 제1노즐
220: 제2노즐
230: 제3노즐
240: 제4노즐
20, 30, 30': 장치

Claims (20)

1. 소정의 높이를 갖는 관 형상의 연소실;
   상기 연소실의 내면을 향하여 연장되고, 상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제1물질의 공급 경로를 제공하는 제1노즐;
   상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제2물질의 공급 경로를 제공하는 제2노즐;
   상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되며, 상기 연소실의 내부로 제3물질의 공급 경로를 제공하는 제3노즐; 및
   상기 연소실의 내부와 유체적으로 연결되고, 상기 연소실의 내부로 제4물질의 공급 경로를 제공하는 제4노즐;을 포함하며,
   상기 연소실의 높이방향에 수직인 방향을 따르는 단면시(斷面視)에서, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐은 상기 연소실을 관통하는 제1가상의 직선 상에 서로 대향되게 배치되고, 상기 제3노즐과 상기 제4노즐은 상기 연소실을 관통하되 상기 제1가상의 직선과 이격되는 제2가상의 직선 상에 서로 대향되게 배치되며,
   상기 제1물질과 제4물질은 연료이고, 상기 제2물질과 제3물질은 산소를 포함하는 산화제로 구성되어, 상기 제1노즐과 제4노즐을 통해 공급되는 연료가 서로 마주보는 방향으로 투입되고, 상기 제2노즐과 제3노즐을 통해 공급되는 산화제가 서로 마주보는 방향으로 투입되며,
   상기 제2노즐과 제3노즐을 통해 산화제가 상기 연소실 내로 투입되고, 상기 제1노즐과 제4노즐을 통해 연료가 상기 연소실 내로 투입되어 상기 산화제와 혼합되면서, 상기 연소실 내에 선회류를 형성하여 무화염(flameless) 연소 반응이 발생되도록 한 것인 연소 챔버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제1거리 이격된, 연소 챔버.
3. 제2항에 있어서,
   상기 단면시(斷面視)에서, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제1노즐 또는 제2노즐까지의 연장한 제1가상의 보조선과 상기 제1가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°인, 연소 챔버.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제2가상의 직선은, 상기 연소실의 중심으로부터 상기 제2가상의 직선에 수직한 방향을 따라 제2거리 이격된, 연소 챔버.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연소실의 중심으로부터 상기 제3노즐 또는 제4노즐까지의 연장한 제2가상의 보조선과 상기 제2가상의 직선 사이의 각도는, 5°~ 30°인, 연소 챔버.
6. 제4항에 있어서,
   상기 단면시(斷面視)에서, 상기 제1거리와 상기 제2거리는 동일한, 연소 챔버.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 제1노즐의 높이와 상기 제3노즐의 높이는 동일하고, 상기 제2노즐의 높이와 상기 제4노즐의 높이는 동일한, 연소 챔버.
10. 제6항에 있어서,
    상기 제1노즐의 높이는 상기 제2노즐 및 상기 제4노즐 중 어느 하나의 높이와 동일하고, 상기 제3노즐의 높이는 상기 제2노즐 및 상기 제4노즐 중 나머지 하나의 높이와 동일한, 연소 챔버.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1노즐은 제1높이를 가지고, 상기 제3노즐은 제1높이와 다른 제2높이를 가지는, 연소 챔버.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1높이와 상기 제2높이의 차이는 상기 연소실의 내경의 0.5배이거나 그보다 작은, 연소 챔버.
13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4노즐은 상기 연소실의 상부에 배치된, 연소 챔버.
14. 제1항에 있어서,
    하단부에 배기구를 구비한 관 형상이며, 상기 연소실을 정의하는 제1층; 및
    상기 제1층과의 사이에 소정의 공간이 구비되도록 상기 제1층으로부터 소정의 간격 이격되되, 상기 제1층의 외측을 둘러싸는 제2층;을 구비한 것을 더 포함하는 연소 챔버.
15. 제1항에 있어서,
    하단부에 배기구를 구비한 관 형상이며, 상기 연소실을 정의하는 제1층; 및
    상기 제1층의 외측을 둘러싸되 단열재를 포함하는 제2층;을 구비한 것을 더 포함하는 연소 챔버.
16. 삭제
17. 삭제
18. 제14항에 있어서,
    상기 연소 챔버의 상기 제1층과 상기 제2층 사이의 공간에서 가열된 열을 외부로 배출하는 배출 밸브를 더 포함하는 연소챔버.
19. 제15항에 있어서,
    상기 연소실의 내측에 제5물질이 안착되는 거치대를 더 포함하는 연소챔버.
20. 제15항에 있어서,
    상기 연소실의 내측으로 제5물질을 공급하는 노즐을 더 포함하는 연소챔버.

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