KR102065945B1

KR102065945B1 - 초저 질소산화물 연소장치

Info

Publication number: KR102065945B1
Application number: KR1020180062395A
Authority: KR
Inventors: 심성훈; 정상현
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2020-01-15
Also published as: KR20190136540A

Abstract

본 발명의 초저 질소산화물 연소장치는, 주 연소로; 상기 주 연소로에 설치된 다수의 주 연소장치; 상기 다수의 주 연소장치에 연결되며, 각각의 주 연소장치로 연료를 공급하는 연료 헤드; 보조 연소로; 상기 보조 연소로에 설치되며, 연료 및 공기를 공급받아 연소시키는 보조 연소장치; 및 상기 다수의 주 연소장치 및 상기 보조 연소로에 연결된 혼합 가스 헤드; 를 포함하여 이루어지며, 상기 혼합 가스 헤드에서는 공기와 상기 보조 연소로에서 연소된 연소가스가 유입되어 혼합되며, 상기 혼합 가스 헤드에서 혼합된 혼합 가스는 각각의 주 연소장치로 분배되어 공급되도록 구성되어, 연소용 공기 중의 산소를 희석하고 연소용 공기를 예열하여 연료의 연소 시 화염이 안정된 상태로 유지되어 주 연소로에서 연소 시 발생되는 질소산화물의 양을 줄일 수 있는 초저 질소산화물 연소장치에 관한 것이다.

Description

초저 질소산화물 연소장치 {Super-low NOx Emission Combustion Apparatus}

본 발명은 연료의 연소 시 화염을 안정된 상태로 유지되도록 하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 초저 질소산화물 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기를 산화제로 사용하는 기존 버너의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 버너의 중심축을 따라 온도를 측정하게 되면 히트 스팟과 같이 거의 2000K에 달하는 고온 영역이 존재한다. 질소산화물(NOx)은 고온 영역에서 집중적으로 매우 빠르게(millisecond 범위) 생성되므로 이 고온 영역을 낮추어 주는 것이 저 NOx 연소를 구현하는 것이다.

근래에는 에너지 효율을 올리기 위하여 열교환기를 사용하여 연소배가스의 열을 회수하여 공기를 예열하는 방법을 사용하는데, 이 경우 화염의 최고온도(peak temperature)가 더욱 올라가게 되어 NOx의 생성율이 더욱 높아진다. 따라서 공기를 예열할 경우에도 화염대의 최고온도가 높아지지 않도록 하는 기술이 필요하다.

도 2를 참조하면, 기존의 연소 방식을 사용하는 버너에서 산소의 농도가 7%로 높은 경우에는 공기를 1200K로 예열할 경우(①)와 공기를 1600K로 예열할 경우(②)에 화염의 최고온도가 크게 올라가는 것을 알 수 있으며, 이로 인하여, NOx의 생성이 크게 증가한다.

그러나 산소의 농도를 1%로 낮추면 공기를 1600K로 예열하여(③)도 화염의 최고온도는 크게 낮아지는 동시에 온도가 낮았던 하류 부분의 온도는 상승하여 전반적으로 온도가 평준화되는 경향을 보인다. 이와 같이 산소의 농도를 낮추기 위하여 연료가 연소된 후의 연소배가스를 되돌려 공기에 혼합하는 방법이 사용된다.

도 3을 참조하면, 냉각된 후의 연소배가스를 재순환하는 경우에는 화염이 안정화되는 영역이 크게 좁아지며, 냉각된 연소배가스의 재순환되는 양을 증가시키면 화염이 불안정해지거나 꺼지게 된다. 반면에, 연료의 착화 온도 이상의 고온 상태를 유지하면서 연소배가스를 재순환시키게 되면 화염의 온도가 균일하면서도 매우 안정된 화염영역(C)이 나타난다.

즉, 연소용 공기를 연료의 자발 착화온도 이상으로 가열하면서 연소배가스를 재순환하고 혼합하여 희석함으로써, 연소용 공기의 산소농도를 낮춤과 동시에 연소용 공기를 고온으로 유지함으로써 화염이 안정되게 유지되도록 하는 연소 방법이 MILD(Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 연소이다.

예를 들면, MILD 연소 방식은 연소배가스를 재순환시킴과 동시에 공기의 온도를 높이기 위하여 열교환기를 사용할 수 있다. 그러나 공기의 온도를 연료의 착화온도 이상(일반적으로 1000℃ 이상)으로 올리는 것이 일반적인 열교환기로는 불가능하므로 축열 재생식 열교환기가 사용된다.

그런데 축열 재생식 열교환기는 고온의 연소배가스가 세라믹류의 축열재를 지나가도록 하여 고온으로 가열시킨 후 다시 축열재 쪽으로 공기를 유동시켜 고온을 얻게 하며, 축열재에 고온의 연소배가스와 공기를 교대로 유동시키기 위하여 고온에 견딜 수 있는 4방변(4-way switching valve)을 사용한다. 이와 같이 공기를 고온으로 가열하는 방법을 사용하기 때문에 장치가 복잡해지고 가격이 높아진다.

JP 2000-074329 A (2000.03.14.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료의 연소 시 화염이 안정된 상태로 유지될 수 있도록 MILD 연소를 구현하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 초저 질소산화물 연소장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초저 질소산화물 연소장치는, 주 연소로; 상기 주 연소로에 설치된 다수의 주 연소장치; 상기 다수의 주 연소장치에 연결되며, 각각의 주 연소장치로 연료를 공급하는 연료 헤드; 보조 연소로; 상기 보조 연소로에 설치되며, 연료 및 공기를 공급받아 연소시키는 보조 연소장치; 및 상기 다수의 주 연소장치 및 상기 보조 연소로에 연결된 혼합 가스 헤드; 를 포함하여 이루어지며, 상기 혼합 가스 헤드에서는 공기와 상기 보조 연소로에서 연소된 연소가스가 유입되어 혼합되며, 상기 혼합 가스 헤드에서 혼합된 혼합 가스는 각각의 주 연소장치로 분배되어 공급될 수 있다.

또한, 상기 혼합 가스 헤드는 주 연소장치들과 각각 혼합 가스 분배관으로 연결되며, 혼합 가스 분배관들에는 각각 혼합 가스의 유량을 조절할 수 있는 댐퍼가 설치될 수 있다.

또한, 상기 연료 헤드는 주 연소장치들과 각각 연료 분배관으로 연결되며, 연료 분배관들에는 각각 혼합 연료의 유량을 조절할 수 있는 밸브가 설치될 수 있다.

또한, 상기 보조 연소장치 및 혼합 가스 헤드에 연결된 송풍기를 더 포함하여 이루어지며, 상기 송풍기에서 압송된 공기는 상기 보조 연소장치 및 혼합 가스 헤드로 분배되어 공급될 수 있다.

또한, 상기 연료 헤드 및 보조 연소장치에 연결된 연료 공급원을 더 포함하여 이루어지며, 상기 연료 공급원에서 송출되는 연료는 상기 연료 헤드 및 보조 연소장치로 분배되어 공급될 수 있다.

또한, 상기 주 연소장치는, 내부에 직경이 최소인 돌출부를 가지고 상기 돌출부에서 길이 방향 양측으로 경사진 노즐 통로를 형성하며, 상기 돌출부에 형성되는 공기 간극을 통하여 1차 공기를 노즐 통로로 공급하여 상기 노즐 통로의 길이 방향으로 부압을 발생시키는 코안다 노즐; 상기 노즐 통로의 입구 측으로 연소배가스를 공급하는 연소배가스 공급부; 상기 노즐 통로의 입구 측에 배치되어 2차 공기를 유인 공급하는 2차 공기 공급부; 및 상기 2차 공기 공급부를 관통하여 상기 노즐 통로 내에 배치되며, 상기 연료 헤드에 연결된 연료 노즐; 을 포함하여 이루어지며, 상기 코안다 노즐은 상기 공기 간극과 연결되어 1차 공기가 공급되는 1차 공기 공급부가 형성되며, 상기 1차 공기 공급부는 혼합 가스 헤드에 연결되어, 상기 코안다 노즐의 노즐 통로 내로 혼합 가스가 공급될 수 있다.

또한, 상기 2차 공기 공급부는 혼합 가스 헤드에 연결되어, 상기 코안다 노즐의 노즐 통로 내로 혼합 가스가 공급될 수 있다.

또한, 상기 연소배가스 공급부는, 상기 코안다 노즐이 수용되며, 직경 방향으로 상기 코안다 노즐과의 사이에 유동통로를 형성하는 하우징 관체; 및 상기 하우징 관체의 선단에서 직경 방향으로 내측으로 돌출되어, 배출되는 연소배가스의 일부를 상기 유동통로로 유도하는 유도판; 을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 2차 공기 공급부는, 상기 하우징 관체의 중심을 통하여 상기 코안다 노즐의 중심에 유인 출구가 배치된 공기 관로; 및 상기 공기 관로의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절하는 공기 조절밸브; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연료 노즐은 공기 관로에 삽입되어 출구가 상기 코안다 노즐의 노즐 통로에 배치되며, 상기 연료 노즐의 입구에 개폐 및 유량을 조절하는 연료 조절밸브가 설치될 수 있다.

또한, 상기 연소배가스 공급부는, 상기 코안다 노즐의 길이 방향 출구와 입구를 연결하여 연소배가스를 재순환시키는 재순환관; 상기 재순환관을 상기 코안다 노즐의 입구 측에 연결하는 연결부; 및 상기 재순환관에 설치된 보조 코안다 노즐; 을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 2차 공기 공급부는, 상기 연결부의 중심을 통하여 상기 코안다 노즐의 중심에 유인 출구가 배치된 공기 관로; 및 상기 공기 관로의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절하는 공기 조절밸브; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연소배가스 공급부는, 상기 코안다 노즐의 입구 측에 연결된 연결부; 및 상기 연결부에 설치되어 연소배가스를 발생시키는 버너; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 주 연소로; 상기 주 연소로에 설치된 다수의 주 연소장치; 상기 다수의 주 연소장치에 연결되며, 각각의 주 연소장치로 연료를 공급하는 연료 헤드; 상기 다수의 주 연소장치에 연결된 혼합 가스 헤드; 및 상기 혼합 가스 헤드에 설치되며, 연료 및 공기를 공급받아 연소시키는 보조 연소장치; 를 포함하여 이루어지며, 상기 혼합 가스 헤드에서는 공기가 유입되어 상기 보조 연소장치에서 연소된 연소가스와 혼합되며, 상기 혼합 가스 헤드에서 혼합된 혼합 가스는 각각의 주 연소장치로 분배되어 공급될 수 있다.

본 발명의 초저 질소산화물 연소장치는 연소용 공기 중의 산소를 희석하고 연소용 공기를 예열하여 연료의 연소 시 화염이 안정된 상태로 유지되어 MILD 연소를 구현되므로, 연소 시 발생되는 질소산화물의 양을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 MILD 연소의 기본 개념을 나타내는 개념도이다.
도 2는 버너 중심선상의 최고온도에서 산소농도와 온도분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 MILD 연소의 출현 영역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 주 연소장치의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 6의 코안다 노즐의 유인 원리를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 주 연소장치의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 주 연소장치의 제3실시예를 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명의 초저 질소산화물 연소장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치를 나타낸 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치(1000)는 크게 주 연소로(110), 주 연소장치(100), 연료 헤드(300), 보조 연소로(210), 보조 연소장치(200) 및 혼합 가스 헤드(400)로 구성될 수 있으며, 송풍기(500)와 연료 공급원(600)이 더 구비될 수 있다.

주 연소로(110)는 내부에서 연료가 연소될 수 있도록 빈 공간이 마련된 챔버 형태로 형성될 수 있으며, 폭 및 높이에 비해 길이가 길게 형성될 수 있다. 그리고 주 연소로(110)는 연소된 후의 연소배가스가 배기될 수 있도록 배기구가 형성될 수 있다. 또한, 주 연소로(110)는 제철소 등의 가열로, 공업로, 건조로, 보일러 등 다양한 형태의 연소로가 될 수 있다.

주 연소장치(100)는 다수개로 구성되어 주 연소로(110)에 설치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 주 연소장치(100)들은 주 연소로(110)의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 배열될 수 있다. 그리고 주 연소장치(100)는 연료를 연소시킬 수 있는 다양한 형태의 연소장치가 될 수 있다.

연료 헤드(300)는 내부에 연료가 저장 및 유동될 수 있도록 챔버 형태로 형성될 수 있다. 그리고 연료 헤드(300)는 주 연소로(110)를 따라 길이 방향으로 길게 형성될 수 있으며, 연료 헤드(300)는 주 연소장치(100)들에 대응되는 위치에서 각각 주 연소장치(100)에 연료 분배관(310)으로 연결될 수 있다. 그리하여 연료 헤드(300)에 의해 주 연소장치(100)들로 연료가 분배되어 공급될 수 있다. 또한, 각각의 연료 분배관(310)에는 연료의 흐름을 차단, 통과 또는 유량을 조절할 수 있는 밸브(320)가 설치될 수 있다.

보조 연소로(210)는 주 연소로(110)의 외부에 별도의 챔버 형태로 구성될 수 있으며, 보조 연소로(210)는 내부에서 연료가 연소될 수 있도록 빈 공간이 마련될 수 있다.

보조 연소장치(200)는 보조 연소로(210)에 설치될 수 있으며, 보조 연소장치(200)는 연료 공급원(600) 및 송풍기(500)에 연결되어 연료 공급원(600)으로부터 연료를 공급받고 송풍기(500)로부터 공기를 공급받아서 연소시킬 수 있다.

혼합 가스 헤드(400)는 일측이 송풍기(500) 및 보조 연소로(210)에 연결되어, 송풍기(500)로부터 공기를 공급받고 보조 연소로(210)로부터 연소가스를 공급받는다. 그리고 혼합 가스 헤드(400)는 유입된 공기와 연소가스가 혼합될 수 있으며, 혼합된 혼합 가스가 저장 및 유동될 수 있도록 내부가 비어있는 챔버 형태로 형성될 수 있다. 또한, 혼합 가스 헤드(400)는 주 연소로(110)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있으며, 혼합 가스 헤드(400)는 주 연소장치(100)들에 대응되는 위치에서 각각 주 연소장치(100)에 혼합 가스 분배관(410)으로 연결될 수 있다. 그리하여 혼합 가스 헤드(400)로 유입된 공기와 연소가스가 혼합되어 공기 중의 산소가 희석된 혼합 가스가 만들어지고, 혼합 가스는 혼합 가스 분배관(410)들을 통해 각각의 주 연소장치(100)들로 분배되어 공급될 수 있다. 그리고 각각의 혼합 가스 분배관(410)에는 통과되는 혼합 가스의 유량을 조절할 수 있도록 댐퍼(420)가 설치될 수 있다.

송풍기(500)는 보조 연소장치(200) 및 혼합 가스 헤드(400)에 연결되며, 송풍기(500)는 외부의 공기를 흡입하여 보조 연소장치(200) 및 혼합 가스 헤드(400)로 압송하는 역할을 한다. 이때, 송풍기(500)는 한 대로 구성되어 하나의 송풍기(500)에서 토출된 공기가 보조 연소장치(200) 및 혼합 가스 헤드(400)로 분배되어 공급되도록 구성될 수 있다.

연료 공급원(600)은 연료 헤드(300) 및 보조 연소장치(210)에 연결되며, 하나의 연료 공급원(600)을 이용해 연료 헤드(300) 및 보조 연소장치(210)로 동일한 연료 공급될 수 있다. 이때, 연료 헤드(300) 및 보조 연소장치(210)로 공급되는 연료는 COG(coke oven gas, 코크스가스), CFG(COREX Furnace Gas, 코렉스로가스), BFG(Blast Furnace Gas, 고로가스), LDG(Linz-Donawitz Gas, 전로가스), LNG(liquid natural gas, 액화천연가스) 등 다양한 연료가 될 수 있다.

그리하여 보조 연소로(210)에서 연소된 후 배출되는 연소가스가 혼합 가스 헤드(400) 내에서 공기와 혼합되어 혼합 가스가 만들어지며, 이때 혼합 가스는 공기에 비해 상대적으로 산소 농도가 낮게 희석된 상태이며 연소가스에 의해 온도가 상승되어 예열된 상태가 된다. 그리고 혼합 가스는 주 연소로(110)에 설치된 주 연소장치(100)들로 공급된다. 따라서 주 연소장치(100)들에서는 연료를 분사하여 낮은 산소 농도 및 고온의 혼합 가스를 이용해 연료를 연소시키므로, 화염대의 최고 온도가 낮아지고 화염의 온도가 균일해져 MILD 연소를 구현할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 초저 질소산화물 연소장치는 연소 시 발생되는 질소산화물의 양을 현저하게 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치를 나타낸 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초저 질소산화물 연소장치(1000)는 크게 주 연소로(110), 주 연소장치(100), 연료 헤드(300), 보조 연소장치(200) 및 혼합 가스 헤드(400)로 구성될 수 있으며, 송풍기(500)와 연료 공급원(600)이 더 구비될 수 있다.

이는 상기한 본 발명의 일 실시예에서 보조 연소로(210)가 없이, 보조 연소장치(200)가 혼합 가스 헤드(400)에 직접 설치되는 것이며, 나머지 구성요소들은 상기한 일 실시예와 동일하게 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 주 연소장치의 제1실시예를 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 6의 코안다 노즐의 유인 원리를 나타낸 단면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 주 연소장치(100a)의 제1실시예는 크게 코안다 노즐(10), 연소배가스 공급부(20), 2차 공기 공급부(30) 및 연료 노즐(40)로 구성될 수 있다.

코안다 노즐(10)은 내부에 직경이 최소인 돌출부(11)를 가지고, 돌출부(11)에서 길이 방향 양측으로 가면서 경사진 노즐 통로(12)를 형성하며, 돌출부(11)에 공기 간극(13)을 형성하고 있다. 그리하여 코안다 노즐(10)은 1차 공기를 공기 간극(13)을 통하여 노즐 통로(12)로 가압하여 공급하면, 노즐 통로(12)의 길이 방향을 따라 부압을 발생시킨다.

연소배가스 공급부(20)는 노즐 통로(12)의 입구 측으로 고온의 연소배가스를 공급하여, 코안다 노즐(10)로 공급되는 1차 공기와 부압에 의하여 유인되는 2차 공기를 가열하고 산소농도를 낮출 수 있도록 구성된다.

2차 공기 공급부(30)는 노즐 통로(12)의 입구 측에 배치되어, 2차 공기를 노즐 통로(12) 안으로 유인 공급한다.

연료 노즐(40)은 2차 공기 공급부(30)를 관통하여 노즐 통로(12) 내에 배치되어 노즐 통로(12) 안으로 연료를 공급하게 된다. 이때, 연료는 가압 공급될 수 있다.

보다 구체적으로 보면, 코안다 노즐(10)은 가압된 1차 공기를 코안다 노즐(10)의 공기 간극(13)을 통하여 노즐 통로(12)로 공급하면, 굴곡진 노즐 통로(12)를 따라 1차 공기가 흐르면서 노즐 통로(12)에 부압을 형성한다. 따라서 노즐 통로(12)의 입구 측에서 연소배가스와 2차 공기가 유인될 수 있게 된다.

이를 위하여, 노즐 통로(12)는 돌출부(11)를 기준으로 입구 측으로 가면서 급경사로 직경이 증가되고, 노즐 통로(12)의 출구 측으로 가면서 급경사에 비하여 완경사로 직경이 증가된다. 즉 공기 간극(13)으로 공급되는 1차 공기는 노즐 통로(12)의 완경사를 따라 출구 측으로 흐르게 된다.

또한, 코안다 노즐(10)은 원주 방향으로 따라 형성되는 공기 챔버(14)를 구비한다. 공기 챔버(14)는 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되는 복수의 공기 간극들(13)에 연결된다.

따라서 공기 챔버(14)는 가압 공급되는 1차 공기를 일시적으로 저류시켜 복수의 공기 간극(13)으로 균일한 압력으로 분배할 수 있다. 이때, 공기 챔버(14)는 송풍기에 연결될 수 있다.

연소배가스 공급부(20)는 코안다 노즐(10)을 수용하는 하우징 관체(21), 및 하우징 관체(21)의 선단에 직경 방향으로 돌출되는 유도판(22)을 포함한다. 하우징 관체(21)는 유도판(22)의 반대측에서 코안다 노즐(10)을 수용한 상태로 폐쇄 구조를 형성한다.

하우징 관체(21)는 직경 방향으로 코안다 노즐(10)과의 사이에 유동통로(23)를 형성한다. 또한, 유동통로(23)는 하우징 관체(21)의 길이 방향으로 설정된다. 유도판(22)은 하우징 관체(21)의 선단에서 하우징 관체(21)의 직경보다 작은 직경으로 형성되어, 코안다 노즐(10)에서 배출되는 연소배가스에 저항을 가하여 연소배가스의 일부를 유동통로(23)로 유도하여 코안다 노즐(10)의 입구측으로 공급되게 한다.

2차 공기 공급부(30)는 하우징 관체(21)의 중심을 관통하여 설치되는 공기 관로(31)와 공기 조절밸브(32)를 포함한다. 공기 관로(31)는 코안다 노즐(10)의 중심에 유인 출구가 배치된다. 예를 들면, 공기 관로(31)의 유인 출구는 노즐 통로(12)에서 돌출부(11)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 따라서 코안다 노즐(10)에 공급되는 1차 공기에 의해 발생되는 부압에 의하여 2차 공기가 용이하게 유인될 수 있다.

공기 조절밸브(32)는 공기 관로(31)의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절한다. 따라서 공기 조절밸브(32)는 공기 관로(31)를 통하여 노즐 통로(12)의 중심으로 유인되는 2차 공기의 유속 및 흡입량을 정확하게 제어할 수 있다.

연료 노즐(40)은 공기 관로(31)에 삽입되어 출구가 코안다 노즐(10)의 노즐 통로(12)에 배치된다. 연료 노즐(40)의 출구는 공기 관로(31)보다 노즐 통로(12) 내측으로 더 삽입된다. 연료 노즐(40)의 입구에 연료 조절밸브(41)가 구비된다. 따라서 연료 조절밸브(41)의 개폐 및 조절 작동에 의하여, 유량 조절된 연료가 연료 노즐(40)을 통하여 노즐 통로(12) 내에 분사된다. 즉 연료는 2차 공기 및 1차 공기와 순차적으로 혼합될 수 있다.

여기에서 코안다 노즐(10)은 공기 챔버(14)에 연결되는 1차 공기 공급부(15)가 형성되며, 1차 공기 공급부(15)는 혼합 가스 헤드(400)에서 분기된 혼합 가스 분배관(410)에 연결될 수 있다. 그리하여 코안다 노즐(10)로 공급되는 1차 공기는 혼합 가스가 될 수 있으며, 혼합 가스가 1차 공기 공급부(15)를 따라 공기 챔버(14)로 유입된 후 공기 간극(13)을 통해 노즐 통로(12)로 분사될 수 있다.

또한, 2차 공기 공급부(30)는 혼합 가스 헤드(400)에서 분기된 혼합 가스 분배관(410)에 연결될 수 있다. 그리하여 코안다 노즐(10)로 공급되는 2차 공기도 혼합 가스가 될 수 있으며, 혼합 가스가 2차 공기 공급부(30)의 공기 관로(31)를 통해 코안다 노즐(10)의 노즐 통로(12)로 공급될 수 있다.

도 7은 도 5의 코안다 노즐의 유인 원리를 나타낸 단면도이다.

도 7을 참조하여, 1차 공기와 2차 공기를 예로 들어 코안다 효과에 대하여 명한다. 코안다 노즐(10)의 공기 간극(13)으로 1차 공기를 공급하면, 1차 공기는 공기 간극(13)을 통하여 노즐 통로(12)의 내면을 따라 흐르면서 베르누이 원리에 의하여 노즐 통로(12)의 입구 측에 부압을 발생시킨다. 이 부압에 의하여, 2차 공기가 공기 관로(31)를 통하여 노즐 통로(12) 내부로 유인된다. 이때 공기 조절밸브(32)가 개방되어 있다. 실험 결과를 보면, 1차 공기의 유량이 160lpm인 경우, 노즐 통로(12)에서 유출되는 전체 유량(1차 공기와 2차 공기)은 480lpm으로 나타났다. 즉 코안다 노즐(10)에 의하여 유인된 2차 공기의 유량이 320lpm임을 알 수 있다. 따라서 1차 공기와 2차 공기의 전체 유출 유량은 1차 공기 유량의 3배가 되어, 코안다 노즐(10)은 유체 증폭 효과를 얻을 수 있다. 이때 공기 조절밸브(32)를 제어함으로써 공기 관로(31)를 통하여 유인되는 2차 공기의 유량이 제어된다. 즉 공기 조절밸브(32)는 2차 공기를 필요 유량으로 유인될 수 있게 한다.

실제 연소 과정을 보면, 연소배가스가 유도판(22)에 의하여 유동통로(23)를 경유하여 노즐 통로(12)의 입구 측에 대기하는 상태에서, 1차 공기가 공기 간극(13)을 통하여 노즐 통로(12)로 공급되면, 베르누이 원리에 의하여 노즐 통로(12)의 입구 측에 부압이 발생된다. 이 부압에 의하여 연소배가스가 노즐 통로(12) 내부로 유인되고 동시에 2차 공기가 공기 관로(31)를 통하여 노즐 통로(12) 내부로 유인된다. 이때 공기 조절밸브(32)가 조절 및 개방되어 있다. 유인되는 고온의 연소배가스와 2차 공기는 1차 공기와 혼합됨으로써 연소용 공기인 1차 공기와 2차 공기의 온도가 상승된다. 또한 연소배가스에 1차 공기 및 2차 공기가 확산됨으로써, 연소배가스, 1차, 2차 공기 전체에 대하여 산소가 균일하게 확산되고 산소농도가 낮아진다. 이때, 산소농도가 낮아진다는 것은 연소배가스, 1차, 2차 공기 전체에 대하여 산소 총량은 동일하지만 산소가 균일하게 확산되어 국부적으로 산소농도가 높은 영역이 없어져 균일해지는 것을 의미한다. 또한, 연료 조절밸브(41)의 작동으로 연료 노즐(40)을 통하여 연료가 노즐 통로(12) 내로 공급된다. 따라서 고온의 연소배가스와 혼합된 1차, 2차 공기는 연료와 반응하여 연소된다. 이때, 산소농도가 낮기 때문에 국부적인 고온의 화염대가 나타나지 않는 MILD 연소가 이루어져 초저 질소산화물 연소가 구현될 수 있다. 이와 같이 1차, 2차 공기 및 연소배가스 중의 산소농도는 낮지만 고온의 연소배가스에 의하여 1차, 2차 공기의 흐름이 고온으로 예열된다. 따라서 연료는 연속적으로 착화되어 안정된 화염을 형성하고 안정된 연소를 구현할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 주 연소장치의 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예 및 기 설명된 실시예의 구성과 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.

도 8은 본 발명에 따른 주 연소장치의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.

도 8을 참조하면, 제2실시예의 주 연소장치(100b)에서 연소배가스 공급부(50)는 재순환관(51), 연결부(52) 및 보조 코안다 노즐(53)을 포함한다.

재순환관(51)은 코안다 노즐(10)의 길이 방향에서 출구의 일부와 입구를 코안다 노즐(10)의 외부로 연결하여, 연소배가스의 일부를 출구 측에서 입구 측으로 재순환시킨다.

연결부(52)는 재순환관(51)을 코안다 노즐(10)의 입구 측에 연결하여, 연소배가스를 코안다 노즐(10)로 공급할 수 있게 한다.

보조 코안다 노즐(53)은 재순환관(51)에 설치되어 연소배가스를 출구 측에서 입구 측으로 효과적으로 보낼 수 있게 한다. 즉, 보조 코안다 노즐(53)은 코안다 노즐(10)과 동일한 구조로 형성되어, 가압 공급되는 1차 공기에 의하여 내부에 부압을 형성한다. 이 부압이 재순환관(51)에 작용하여 연소배가스를 코안다 노즐(10)의 입구 측으로 재순환 공급한다. 이때, 2차 공기 공급부(30)에서, 공기 관로(31)는 연결부(52)의 중심을 관통하여 코안다 노즐(10)의 중심에 유인 출구가 배치되고, 공기 조절밸브(32)는 공기 관로(31)의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절한다. 제2실시예의 주 연소장치(100b)는 보조 코안다 노즐(53) 및 재순환관(51)을 통하여 고온의 연소배가스를 코안다 노즐(10)의 노즐 통로(12) 입구 측으로 유인하여, 재순환된 고온의 연소배가스와 연소용 1차, 2차 공기를 혼합하여 제1 실시예에서와 같이 초저 질소산화물의 MILD 연소를 구현할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 주 연소장치의 제3실시예를 나타낸 단면도이다.

도 9를 참조하면, 제3실시예의 주 연소장치(100c)에서 연소배가스 공급부(60)는 코안다 노즐(10)의 입구 측에 연결하는 연결부(61), 및 연결부(61)의 일측에 설치되어 연소배가스를 발생시키는 버너(62)를 포함한다.

즉, 제3실시예의 주 연소장치(100c)는 기존의 버너(61)에 코안다 노즐(10)을 조합하여 형성될 수 있다. 예를 들면 버너(61)는 가스 버너 또는 오일 버너로 형성될 수 있다. 버너(61)는 연결부(62)를 통하여 고온의 연소배가스를 코안다 노즐(10)의 입구 측으로 직접 보낼 수 있다. 이때, 2차 공기 공급부(30)에서, 공기 관로(31)는 연결부(62)의 중심을 관통하여 코안다 노즐(10)의 중심에 유인 출구를 배치하고, 공기 조절밸브(32)는 공기 관로(31)의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절한다. 제3실시예의 주 연소장치(100c)는 기존의 버너(61)에서 발생하는 고온의 연소배가스를 직접 코안다 노즐(10)의 노즐 통로(12) 입구 측으로 유인하고, 직접 공급되는 고온의 연소배가스와 연소용 1차, 2차 공기를 혼합하여, 제1실시예에서와 같이 초저 질소산화물의 MILD 연소를 구현할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 초저 질소산화물 연소장치
100, 100a, 100b, 100c : 주 연소장치
110 : 주 연소로
200 : 보조 연소장치
210 : 보조 연소로
300 : 연료 헤드 310 : 연료 분배관
320 : 밸브
400 : 혼합 가스 헤드 410 : 혼합 가스 분배관
420 : 댐퍼
500 : 송풍기
600 : 연료 공급원
10 : 코안다 노즐 11 : 돌출부
12 : 노즐 통로 13 : 공기 간극
14 : 공기 챔버 15 : 1차 공기 공급부
20, 50, 60 : 연소배가스 공급부
21 : 하우징 관체 22 : 유도판
23 : 유동통로 30 : 2차 공기 공급부
31 : 공기 관로 32 : 공기 조절밸브
40 : 연료 노즐 41 : 연료 조절밸브
51 : 재순환관
52 : 연결부 53 : 보조 코안다 노즐
61 : 버너 62 : 연결부

Claims

주 연소로;
상기 주 연소로에 설치된 다수의 주 연소장치;
상기 다수의 주 연소장치에 연결되며, 각각의 주 연소장치로 연료를 공급하는 연료 헤드;
보조 연소로;
상기 보조 연소로에 설치되며, 연료 및 공기를 공급받아 연소시키는 보조 연소장치; 및
상기 다수의 주 연소장치 및 상기 보조 연소로에 연결된 혼합 가스 헤드;
를 포함하여 이루어지고,
상기 혼합 가스 헤드에서는 공기와 상기 보조 연소로에서 연소된 연소가스가 유입되어 혼합되며, 상기 혼합 가스 헤드에서 혼합된 혼합 가스는 각각의 주 연소장치로 분배되어 공급되며,
상기 주 연소장치는,
내부에 직경이 최소인 돌출부를 가지고 상기 돌출부에서 길이 방향 양측으로 경사진 노즐 통로를 형성하며, 상기 돌출부에 형성되는 공기 간극을 통하여 1차 공기를 노즐 통로로 공급하여 상기 노즐 통로의 길이 방향으로 부압을 발생시키는 코안다 노즐; 상기 노즐 통로의 입구 측으로 연소배가스를 공급하는 연소배가스 공급부; 상기 노즐 통로의 입구 측에 배치되어 2차 공기를 유인 공급하는 2차 공기 공급부; 및 상기 2차 공기 공급부를 관통하여 상기 노즐 통로 내에 배치되며, 상기 연료 헤드에 연결된 연료 노즐; 을 포함하여 이루어지며,
상기 코안다 노즐은 상기 공기 간극과 연결되어 1차 공기가 공급되는 1차 공기 공급부가 형성되며, 상기 1차 공기 공급부는 혼합 가스 헤드에 연결되어, 상기 코안다 노즐의 노즐 통로 내로 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 혼합 가스 헤드는 주 연소장치들과 각각 혼합 가스 분배관으로 연결되며, 혼합 가스 분배관들에는 각각 혼합 가스의 유량을 조절할 수 있는 댐퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 연료 헤드는 주 연소장치들과 각각 연료 분배관으로 연결되며, 연료 분배관들에는 각각 혼합 연료의 유량을 조절할 수 있는 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 보조 연소장치 및 혼합 가스 헤드에 연결된 송풍기를 더 포함하여 이루어지며, 상기 송풍기에서 압송된 공기는 상기 보조 연소장치 및 혼합 가스 헤드로 분배되어 공급되는 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 연료 헤드 및 보조 연소장치에 연결된 연료 공급원을 더 포함하여 이루어지며, 상기 연료 공급원에서 송출되는 연료는 상기 연료 헤드 및 보조 연소장치로 분배되어 공급되는 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 2차 공기 공급부는 혼합 가스 헤드에 연결되어, 상기 코안다 노즐의 노즐 통로 내로 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 연소배가스 공급부는,
상기 코안다 노즐이 수용되며, 직경 방향으로 상기 코안다 노즐과의 사이에 유동통로를 형성하는 하우징 관체; 및
상기 하우징 관체의 선단에서 직경 방향으로 내측으로 돌출되어, 배출되는 연소배가스의 일부를 상기 유동통로로 유도하는 유도판;
을 포함하여 이루어지는 초저 질소산화물 연소장치.
제8항에 있어서,
상기 2차 공기 공급부는,
상기 하우징 관체의 중심을 통하여 상기 코안다 노즐의 중심에 유인 출구가 배치된 공기 관로; 및
상기 공기 관로의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절하는 공기 조절밸브;
를 포함하여 이루어지는 초저 질소산화물 연소장치.
제9항에 있어서,
상기 연료 노즐은 공기 관로에 삽입되어 출구가 상기 코안다 노즐의 노즐 통로에 배치되며,
상기 연료 노즐의 입구에 개폐 및 유량을 조절하는 연료 조절밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 연소배가스 공급부는,
상기 코안다 노즐의 길이 방향 출구와 입구를 연결하여 연소배가스를 재순환시키는 재순환관;
상기 재순환관을 상기 코안다 노즐의 입구 측에 연결하는 연결부; 및
상기 재순환관에 설치된 보조 코안다 노즐;
을 포함하여 이루어지는 초저 질소산화물 연소장치.
제11항에 있어서,
상기 2차 공기 공급부는,
상기 연결부의 중심을 통하여 상기 코안다 노즐의 중심에 유인 출구가 배치된 공기 관로; 및
상기 공기 관로의 유인 입구 측에 구비되어 개폐 및 유량을 조절하는 공기 조절밸브;
를 포함하여 이루어지는 초저 질소산화물 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 연소배가스 공급부는,
상기 코안다 노즐의 입구 측에 연결된 연결부; 및
상기 연결부에 설치되어 연소배가스를 발생시키는 버너;
를 포함하여 이루어지는 초저 질소산화물 연소장치.
주 연소로;
상기 주 연소로에 설치된 다수의 주 연소장치;
상기 다수의 주 연소장치에 연결되며, 각각의 주 연소장치로 연료를 공급하는 연료 헤드;
상기 다수의 주 연소장치에 연결된 혼합 가스 헤드; 및
상기 혼합 가스 헤드에 설치되며, 연료 및 공기를 공급받아 연소시키는 보조 연소장치;
를 포함하여 이루어지고,
상기 혼합 가스 헤드에서는 공기가 유입되어 상기 보조 연소장치에서 연소된 연소가스와 혼합되며, 상기 혼합 가스 헤드에서 혼합된 혼합 가스는 각각의 주 연소장치로 분배되어 공급되며,
상기 주 연소장치는,
내부에 직경이 최소인 돌출부를 가지고 상기 돌출부에서 길이 방향 양측으로 경사진 노즐 통로를 형성하며, 상기 돌출부에 형성되는 공기 간극을 통하여 1차 공기를 노즐 통로로 공급하여 상기 노즐 통로의 길이 방향으로 부압을 발생시키는 코안다 노즐; 상기 노즐 통로의 입구 측으로 연소배가스를 공급하는 연소배가스 공급부; 상기 노즐 통로의 입구 측에 배치되어 2차 공기를 유인 공급하는 2차 공기 공급부; 및 상기 2차 공기 공급부를 관통하여 상기 노즐 통로 내에 배치되며, 상기 연료 헤드에 연결된 연료 노즐; 을 포함하여 이루어지며,
상기 코안다 노즐은 상기 공기 간극과 연결되어 1차 공기가 공급되는 1차 공기 공급부가 형성되며, 상기 1차 공기 공급부는 혼합 가스 헤드에 연결되어, 상기 코안다 노즐의 노즐 통로 내로 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 초저 질소산화물 연소장치.