KR102313032B1 - 수중 연소식 기화장치 - Google Patents

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KR102313032B1
KR102313032B1 KR1020150029810A KR20150029810A KR102313032B1 KR 102313032 B1 KR102313032 B1 KR 102313032B1 KR 1020150029810 A KR1020150029810 A KR 1020150029810A KR 20150029810 A KR20150029810 A KR 20150029810A KR 102313032 B1 KR102313032 B1 KR 102313032B1
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요시로 토노이케
노리토시 야가와
유우 카와카미
미노루 타카하타
켄이치 와자키
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스미토모 세이미츠 고교 가부시키가이샤
도쿄 가스 가부시키가이샤
도쿄 가스 엔지니어링 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 블로워(blower)로부터 공급되는 공기를 1차 공기와 2차 공기로 나누도록 한 수중 연소식 기화장치에 있어서, 배기가스 중의 유해물질을 저감하여 환경성능을 향상시키는 것이다.
수중 연소식 기화장치(1)는, 수조(11) 내에 침지(浸漬) 배치된 열교환기(12)와, 블로워 (14)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실(25) 내에서 연소시키는 버너(2)와, 버너(2)로부터의 연소가스를 수조(水槽) 내에 안내하도록 구성된 다운커머(13)와, 배기가스를 수중에 분출하도록 구성된 복수의 스파저 파이프(sparge pipe)(15)와, 배기가스를 각 스파저 파이프에 분배하도록 구성된 매니폴드(17)를 구비한다. 버너에 공급하는 공기는, 버너의 연소실 내에 도입되는 연소용의 1차 공기와, 연소실에는 도입되지 않는 비(非)연소용의 2차 공기로 나누어지고, 2차 공기는, 다운커머의 하부 또는 매니폴드에 있어서, 버너로부터의 연소가스와 합류한다.

Description

수중 연소식 기화장치{SUBMERGED COMBUSTION VAPORIZER}
여기에 개시하는 기술은, 수중 연소식 기화장치에 관하며, 특히 배기가스 중의 유해물질을 저감함으로써 기화장치의 환경성능을 높이는 구성에 관한 것이다.
액화 천연가스 등 저온 액화가스의 기화장치의 하나로서, 수중 연소식 기화장치(Submerged Combustion Vaporizer)가 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 이 수중 연소식 기화장치는, 수조(水槽) 내에 침지(浸漬)된 다운커머(downcomer) 상에 설치되고 또한, 블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실 내에서 연소시키고, 이 연소가스를 스파저 파이프(sparge pipe)로부터 수중에 분출하도록 구성된 버너(burner)와, 상기 수조 내에 침지 배치된 전열관 묶음(pipe bundle)을 갖는 열교환기를 구비한다. 수중에 기포로서 분출된 연소가스(즉, 배기가스)가 수조 내의 물을 교반하면서, 전열관 묶음 내를 통과하는 저온 액화가스를 가열함으로써, 이 저온 액화가스를 기화시킨다.
또, 예를 들어 특허문헌 2의 도 1 등에는, 다운커머 상부에 파일럿 버너(pilot burner)를, 하부에 메인 버너(main burner)를, 각각 설치하여, 공기 및 연료를, 파일럿 버너 및 메인 버너의 각각에 분배하고 공급하는 구성이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 수중 연소식 기화장치의 버너로서, 연소실을 구획하는 내부 실린더와, 이 내부 실린더에 동축(同軸) 배치된 외부 실린더를 가지며 또한, 블로워(blower)로부터 공급되는 공기를, 연소실 내에 도입하는 1차 공기와, 연소실 내에는 도입하지 않고, 내부 실린더와 외부 실린더 사이에 도입하는 2차 공기로 나누는 구성이 기재되어 있다. 또, 이 수중 연소식 기화장치에서는, 기화장치의 부하에 따라 변경되는 연료량에 대응하도록, 1차 공기와 2차 공기의 비율을 조정함으로써, 배기가스 중의 유해물질을 저감하도록 하고 있다. 구체적으로는, 수중 연소식 기화장치의 부하가 낮고, 이에 따라 연료량이 적은 때에는, 1차 공기량을 적게 또한, 2차 공기량을 많게 하는 데 반해, 기화장치의 부하가 높고, 이에 따라 연료량이 많은 때에는, 1차 공기량을 많게, 또한 2차 공기량을 적게 한다. 이와 같이, 1차 공기와 2차공기로 나눔으로써, 전(全) 연소 범위에서 최적한 공연비(air fuel ratio)로 연소시킬 수 있고, 버너로부터의 연소가스 중의 유해물질을 저감하면서, 연소가스에 2차 공기를 합류시킴으로써, 수조 내에 분출하고, 균일하게 교반하는 배기가스의 양을 충분히 확보하는 것이 가능하게 된다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2009-209995호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 2006-317047호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허공개 2013-2734호 공보
그런데, 다운커머에 장착된 버너의 화염은, 버너의 개구로부터 돌출하고, 적어도 그 일부는 다운커머 내에 위치하게 된다. 또, 특허문헌 3에 기재되어 있는, 내부 실린더와 외부 실린더를 갖는 버너에 대해, 1차 공기와 2차 공기를 나누어 공급하는 구성에서는, 특히 수중 연소식 기화장치의 부하가 낮아 2차 공기량이 많은 때에, 다운커머 내에서, 화염의 외주(外周)를 대량의 2차 공기가 흐르게 된다. 이 상태에서는, 2차 공기가 화염에 접촉함으로써 화염이 냉각되어, 연소온도가 저하되어 버린다. 연소온도의 저하는 배기가스 중의 일산화탄소를 증가시켜, 수중 연소식 기화장치의 환경성능을 저하시킨다.
여기에 개시하는 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적으로 하는 바는, 블로워로부터 공급되는 공기를 1차 공기와 2차 공기로 나누도록 한 수중 연소식 기화장치에 있어서, 배기가스 중의 유해물질을 저감하여 환경성능을 향상시키는 데 있다.
여기에 개시하는 기술은, 수중 연소식 기화장치에 관하고, 이 수중 연소식 기화장치는, 수조(水槽) 내에 침지 배치되고, 또한 그 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화하도록 구성된 열교환기와, 블로워로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실 내에서 연소시키도록 구성된 버너와, 상기 수조 내에 침지됨과 동시에, 상기 버너가 장착되고 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내로 안내하도록 구성된 다운커머와, 상기 수조 내에 침지되고, 또한 상기 연소가스를 포함한 배기가스를 수중에 분출하도록 구성된 복수의 스파저 파이프와, 상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 각 스파저 파이프가 접속되고 또한, 상기 다운커머로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 각 스파저 파이프에 분배하도록 구성된 매니폴드를 구비한다.
그리고, 상기 블로워로부터 공급되는 공기는, 상기 버너의 상기 연소실 내에 도입되는 연소용의 1차 공기와, 상기 연소실에는 도입되지 않는 비(非)연소용의 2차 공기로 나누어지고, 상기 2차 공기는, 상기 다운커머의 하부 또는 상기 매니폴드에서, 상기 버너로부터의 연소가스와 합류하도록 구성된다.
여기서, "다운커머의 하부"란, 상하방향으로 이어지도록 수조 내에 침지되는 다운커머를, 상하로 2등분 한 때의 하부(그 경계를 포함)라 정의하는 것이 가능하다.
상기의 구성에 의하면, 버너는, 블로워로부터 공급된 공기(즉, 1차 공기)와, 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소시킨다. 연소가스는, 다운커머, 매니폴드 및 복수의 스파저 파이프를 통해, 2차 공기와 함께 수조 내에 분출된다. 수중에 기포로서 분출된 배기가스(즉, 연소가스 및 2차 공기를 포함)가 수조 내의 물을 교반하면서, 열교환기 내를 흐르는 저온 액화가스를 가열함으로써, 이 저온 액화가스를 기화시킨다.
블로워로부터 공급되는 공기는, 1차 공기와 2차 공기로 나누어져, 1차 공기는, 버너의 연소실 내에 도입되어 연소에 이용된다. 한편, 2차 공기는 연소실 내에는 도입되지 않고 연소가스와 함께 수조 내에 분출한다. 1차 공기와 2차 공기의 비율은, 버너에 공급되는 연료량에 따라 조정된다. 구체적으로 연료량이 적은 때에는, 1차 공기는 적고 또한, 2차 공기는 많아지며, 연료량이 많은 때에는, 1차 공기는 많고 또한, 2차 공기는 적어진다. 이와 같이, 수중 연소식 기화장치 부하의 고저(高低)에 상관없이, 배기가스 중의 유해물질을 저감함과 동시에, 수조 내에 분출하는 배기가스의 양이 충분히 확보되어, 수중 연소식 기화장치의 열교환기 성능이 향상한다.
상기 구성에서는, 2차 공기는, 다운커머의 하부 또는 다운커머의 하단부에 접속되는 매니폴드에 있어서, 버너로부터의 연소가스와 합류한다. 즉, 2차 공기는, 버너로부터 각 스파저 파이프에 이르는 연소가스의 흐름방향 하류측에서, 연소가스와 합류한다. 2차 공기는 버너의 화염에는 접촉하지 않고, 버너의 화염이 2차 공기에 의해 냉각되는 것이 회피된다. 그 결과, 특히 1차 공기의 양이 적고 또, 2차 공기의 양이 많은 수중 연소식 기화장치의 저부하 운전 시에, 대량의 2차 공기에 의해 버너의 화염이 냉각되어 연소온도가 저하되어 버리는 것이 회피됨으로써, 배기가스 중의 일산화탄소가 증가하는 것이 방지되어, 수중 연소식 기화장치의, 특히 저부하 운전상태에서의 환경성능을 향상시킨다.
한편, 연소가스와 2차 공기를 포함하는 배기가스는, 다운커머의 하부 또는 매니폴드에서 합류한 후에, 스파저 파이프를 통해 수중에 기포로서 분출하므로, 충분한 양의 배기가스를 수중에 분출하는 것이 가능하게 된다. 이렇게, 특히 연료량이 적고, 이에 따라 연소가스의 양이 적어지는 수중 연소식 기화장치의 저부하 운전 시에 있어서도, 기화장치의 열교환기 성능이 높아진다.
상기 버너는, 상기 연소실을 구획 형성하는 내부 실린더와, 이 내부 실린더와 동축에 배치되는 외부 실린더를 가짐과 동시에, 상기 다운커머의 상부에 장착되고, 상기 1차 공기는 상기 내부 실린더 내에 도입되고, 상기 2차 공기는 상기 내부 실린더와 상기 외부 실린더 사이에 도입된 후, 상기 버너의 하단 개구로부터 상기 다운커머 내로 유입하고, 상기 내부 실린더는, 상기 버너의 하단으로부터 연속하여, 상기 다운커머를 따르도록 하방으로 이어짐과 동시에, 상기 내부 실린더의 하단은, 상기 다운커머 내의 하부에 위치하여도 된다. 여기서, "다운커머의 상부"는, 다운커머를 상하로 2등분 한 때의 상부(그 경계는 포함하지 않음)라 정의하는 것이 가능하다. 버너를, 다운커머의 상단(上端)부에 장착하여도 된다. 또, "다운커머 내의 하부"도, 상기와 마찬가지로, 다운커머 내를 상하로 2등분 한 때의 하부(그 경계를 포함)라 정의하는 것이 가능하다.
다운커머의 상부에 장착된 버너의 화염은, 버너의 하단으로부터 돌출하여, 다운커머 내의, 적어도 상부에 위치하도록 된다. 또, 내부 실린더와 외부 실린더를 갖는 버너에 공급된 2차 공기는, 내부 실린더와 외부 실린더 사이의 공간을 통해 다운커머 내로 유입된다.
상기의 구성에서는, 내부 실린더를, 버너의 하단으로부터 연속하여 다운커머를 따르도록 하방으로 이어지도록 설치한다. 버너의 화염 모두 또는 그 대부분은, 내부 실린더의 내부에 위치하도록 된다. 이에 따라, 버너의 하단 개구로부터 다운커머 내로 유입한 직후의 2차 공기는, 하방으로 연장한 내부 실린더가 개재함으로써, 버너의 화염과 접촉하는 것이 방지된다. 이와 같이, 버너의 화염이, 2차 공기에 의해 냉각되는 것이 방지된다.
내부 실린더의 하단 개구로부터 배출되는 연소가스는, 이 내부 실린더의 하단 개구위치에서 2차 공기와 합류한다. 즉, 연소가스와 2차 공기는, 다운커머의 하부에서 합류한 후, 스파저 파이프를 통해 수조 내에 분출된다.
이와 같이, 내부 실린더 및 외부 실린더를 갖는 버너를 구비하고 또한, 1차 공기와 2차 공기로 나누도록 한 수중 연소식 기화장치에 있어서, 운전부하가 낮은 때에, 연소온도의 저하를 억제하는 것과, 수조 내로 충분한 양의 배기가스를 분출하는 것이 양립한다.
상기 구성과는 달리, 상기 다운커머의 하부, 또는, 상기 매니폴드에는, 상기 2차 공기의 도입구가 형성되어도 된다.
이렇게 함으로써 2차 공기는, 다운커머의 하부 또는 매니폴드에 형성된 도입구를 통하여, 다운커머 내 또는 매니폴드 내에 도입된다. 매니폴드는 다운커머의 하단부에 접속되어 있으므로, 다운커머의 하부에 도입된 2차 공기는, 다운커머의 상방을 향해 역류하는 일없이, 매니폴드 내에 유입하고, 거기서부터 각 스파저 파이프를 통해, 연소가스와 함께, 수조 내에 분출한다. 따라서, 버너의 화염에 2차 공기가 접촉하는 것이 회피된다. 그 결과, 연소온도의 저하가 회피되어, 배기가스 중의 일산화탄소가 억제된다.
상기 복수의 스파저 파이프는, 상기 수조 내에서 소정의 나열 방향으로 나열 배치되고, 상기 매니폴드는, 그 기단(基端)이 상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 상기 수조 내를, 상기 나열방향으로 이어져 설치되고, 상기 2차 공기의 도입구는, 상기 매니폴드의 선단측 위치에 형성되어도 된다. 여기서, "매니폴드의 선단측"이란, 스파저 파이프의 나열방향으로 이어지는 매니폴드를 이 방향으로 2등분 한 때의 선단측(단, 그 경계를 포함)이라 정의하여도 된다. 바람직하게는, 매니폴드의 선단(先端)에, 2차 공기의 도입구를 형성하는 것이다.
2차 공기의 도입구를, 매니폴드 선단측의 위치에 형성함으로써, 2차 공기의 도입구는, 버너의 화염에 대해 떨어져 위치하도록 되기 때문에, 화염이 2차 공기에 의해 냉각되는 것을 확실하게 회피하는 것이 가능하게 된다.
상기 버너는, 상기 다운커머의 상부에 장착되고 또한, 상기 연소가스를 하향으로 분출하도록 구성되어도 된다.
이렇게 함으로써, 버너로부터의 연소가스는, 다운커머 내를 상부로부터 하방으로 흐른 후, 다운커머의 하단부에 접속된 매니폴드를 개재하여, 각 스파저 파이프에 도입된다. 이 구성에 있어서, 2차 공기를 다운커머의 하부 또는 매니폴드에 도입함으로써, 2차 공기가, 다운커머의 상부에 위치하는 버너의 화염에 접촉하는 것이 확실하게 회피되어, 2차 공기의 양이 많은 때라도, 버너의 화염이 냉각되는 것이 방지된다.
이상 설명한 바와 같이, 전술한 수중 연소식 기화장치에 의하면, 블로워로부터 공급되는 공기 중, 2차 공기를, 다운커머의 하부 또는 매니폴드에 있어서, 버너로부터의 연소가스와 합류하도록 구성함으로써, 버너의 화염이 2차 공기에 의해 냉각되는 것이 회피되어, 배기가스 중의 일산화탄소가 증가하는 것이 방지된다. 이와 함께, 충분한 양의 배기가스를 수중(水中)에 기포로서 분출하는 것이 가능하게 되어, 수중 연소식 기화장치의 열교환기 성능을 높일 수 있다.
도 1은, 수중 연소식 기화장치의 전체구성을 나타내는 개략도.
도 2는, 제 1 실시예에 관한 버너의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은, 제 2 실시예에 관한 버너의 구성을 나타내는 단면도.
도 4는, 제 2 실시예에 관한 다운커머 및 매니폴드를 나타내는 평면도.
도 5는, 제 2 실시예의 변형예에 관한 다운커머 및 매니폴드를 나타내는 정면도.
(수중 연소식 기화장치의 전체 구성)
이하, 수중 연소식 기화장치의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은, 수중 연소식 기화장치(1) 전체의 개략을 나타낸다. 이 수중 연소식 기화장치(1)는, 액화 천연가스(LNG)의 기화장치이다. 수중 연소식 기화장치(1)는, 예를 들어 직방체 형상의 수조(11) 내에 침지됨과 동시에, LNG의 유로(流路)가 되는 다수의 전열관(12a)이 다단(多段)으로 굽힘 성형되어 구성된 열교환기(12)를 구비한다. 열교환기(12)의 일단(一端)은, LNG의 입구가 되는 LNG 도입관(12b)에 연이어 통하고, 타단(他端)이, 기화한 천연가스(NG)를 배출시키는 NG 배출관(12c)에 연이어 통한다. 도 1에서는, 전열관(12a)의 묶음은, 간이화하여 도시되나, 실제로는, 도 1의 수조의 깊이방향에 다수 열(列)의 전열관(12a)이 배치되어 서로 연이어 통한다. 전열관(12a)의 개수와 그 배치는, 효율 좋게 열교환 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
수조(11)는, 예를 들어 직사각형 판형상의 천판(top plate)(11a)에 의해 덮여 있다. 이 천판(11a)은, 작업원이 걸을 수도 있고, 이 소정 부위에 원통형상의 다운커머(13)가 수조(13) 내에 침지하도록 설치된다.
다운커머(13)의 상단에는, 도면 외의 연료 공급원으로부터 연료 공급관(6)을 개재하여 공급된 연료가스와, 블로워(14)를 통해 공급된 공기를 연소시키는 버너(2)가 설치된다.
수조(11)의 저부에는, 다운커머(13)에 연이어 통함과 동시에, 버너(2)의 연소가스가 분출하는 다수의 소공(15a)이 형성된 스파저 파이프(15)가 배치된다. 이 스파저 파이프(15)도, 도 1에서는 1개밖에 그리지 않았으나, 실제로는, 도 1의 깊이방향에 다수 나열되고(도 4, 도 5도 참조), 열교환기(12) 전체에 연소가스를 포함하는 기포(B)가 미치게 된다. 스파저 파이프(15)의 개수와 그 배치는 특별히 한정되지 않으며, 기포(B)를 골고루 빠짐없이 또한 효율 좋게 확산시키기 위해 소공(15a)을 배치하면 된다. 소공(15a)은, 스파저 파이프(15)에 균등하게 형성되어도 랜덤으로 형성되어도 되며, 주로 그 상면 및 측면에 형성하면 된다.
다운커머(13)와 각 스파저 파이프(15)와의 사이에는, 매니폴드(17)가 설치된다. 매니폴드(17)는, 도 4, 도 5에 예시하듯이, 그 기단(基端)이 다운커머(13)의 하단부에 접속됨과 동시에, 스파저 파이프(15)의 나열방향으로 이어져 설치된다. 각 스파저 파이프(15)는, 매니폴드(17)에 연이어 통하고, 매니폴드(17)는, 다운커머(13)로부터 배출되는 연소가스를, 각 스파저 파이프(15)에 분배하는 기능을 가진다.
수조(11)의 천판(11a)에는, 연소 배(排)가스를 배기하는 연통형상의 스택(stack)(16)이 설치되어, 그 상단이 대기와 연이어 통한다.
수중 연소식 기화장치(1)는, 버너(2)의 연소가스를 스파저 파이프(15)의 소공(15a)을 통해 수조(11) 내에 기포(B)로서 분출시킴으로써, 수조(11) 내의 물을 교반하면서, 열교환기(12) 내를 통과하는 LNG를 가열한다. 이에 따라, LNG를 기화시켜 NG로 하고, 이를 NG 배출관(12c)의 출구로부터 송출하도록 구성된다. 수중 연소식 기화장치(1)는, 연소가스를 기포(B)로서 수조(11) 내에 분출하여 수조(11) 내의 물을 교반하는 것, 및 스택(16)으로부터 배출하는 연소 배가스의 온도를, 수조 내의 온수 온도와 거의 동등하게 낮게 함으로써, 연소가스 중의 연소 생성수(生成水)를 100％ 재응축시켜, 이 잠열(latent heat)을 모두 온수에 부여하는 것이 가능하므로 열효율이 매우 높다는 특징이 있다.
이 수중 연소식 기화장치(1)에서는, 특히 수중 연소식 기화장치(1)의 운전부하가 낮은 때, 배기가스 중의 유해물질을 저감하도록 구성된다. 이하, 이 구성의 상세한 것을 도면을 참조하면서 설명한다.
도 2는, 버너(2)의 전체 구성을 나타낸다. 버너(2)는, 외부 실린더(21)와 내부 실린더(22)를 구비한 이중관 구조를 갖는다. 외부 실린더(21)는, 그 상단이 폐색(閉塞)되어 있음과 동시에, 그 하단이 개구되어 있으며, 외부 실린더(21)의 외측면에는, 블로워(14)로부터 버너(2)에 공기를 공급하기 위한 공급구(23)가, 외측방을 향해 개구되도록 형성된다. 외부 실린더(21) 내에는, 이 외부 실린더(21) 내를 상하로 2분할 하는 구획벽(24)이 설치되고, 이 구획벽(24)에 의해, 공기 공급구(23)도 또한, 상하로 2분할 된다. 2분할 된 공기 공급구(23) 내, 상측의 개구(231)는, 후술하는 연소실(25)에 공급되고 또한 연료가스와 함께 연소시키기 위한 1차 공기가 유입하는 1차 공기용 개구(231)인 데에 반해(동 도면의 실선 화살표 참조), 하측의 개구(232)는, 연소실(25) 내에는 공급되지 않고, 연소가스와 함께 스파저 파이프(15)에 도입되는 2차 공기용의 개구(232)이다(동 도면의 일점 쇄선의 화살표 참조).
내부 실린더(22)는, 외부 실린더(21)와 동축이 되도록, 외부 실린더(21) 내부에 설치된다. 내부 실린더(22)와 외부 실린더(21) 사이에는, 버너(2)의 하단에서 하향으로 개구하는 환형상의 공간(28)이 구획 형성된다. 전술한 1차 공기용의 개구(231)는, 내부 실린더(22)의 상단 개구에 연이어 통하고, 이에 따라 1차 공기는, 내부 실린더(22) 내에 구성되는 연소실(25)에 공급된다. 한편, 2차 공기용 개구(232)는, 환형상의 공간(28)에 연이어 통하고, 이에 의해 2차 공기는, 이 환형상의 공간(28)을 통해, 버너(2)의 하단 개구로부터 다운커머(13) 내로 유입한다.
버너(2)의 공급구(23)에는, 도 1에서는, 도시하지 않으나, 1차 공기와 2차 공기의 유량(流量) 비율을 조정하는 분배밸브(5)가 접속된다. 분배밸브(5)는 블로워(14)와 버너(2) 사이에 설치된다. 분배밸브(5)는, 상하방향으로 좁혀진 그 유로 단면(斷面)이 축소된 교축유로(throttle flow passage)(51)와, 그 기단부가 스템(stem)에 지지됨으로써 요동(搖動)하는 밸브체(52)를 갖는 외팔보(cantilever) 버터플라이 밸브(butterfly valve)이다. 이 분배밸브(5)는, 도시를 생략하는 엑츄에이터(actuator)에 의해, 밸브체(52)의 선단이 교축유로(51)의 최소 단면 부근의 상벽(上壁)에 접촉하는 위치로부터, 하벽(下壁)에 접촉하는 위치까지 요동함으로써, 버너(2)에 공급되는 1차 공기와 2차 공기의 유량 비율을, 0:100∼100:0의 범위에서 변경 가능하게 구성된다. 구체적으로, 수중 연소식 기화장치(1)의 통상 운전 시에는, 수중 연소식 기화장치(1)의 부하에 대응하는 연료가스 유량에 적합한 1차 공기량(이론 공연비가 되는 공기량)이 되도록, 1차 공기와 2차 공기의 유량 비율을 설정하고, 이 유량 비율에 대응하는 밸브 개방도가 되도록 분배밸브(5)를 구동한다. 즉, 수중 연소식 기화장치(1)의 부하가 낮은 때에는, 연료가스 유량이 적어지므로, 1차 공기량도 상대적으로 적어지는 한편으로, 2차 공기량은 상대적으로 많아지고, 반대로 수중 연소식 기화장치(1)의 부하가 높은 때에는 연료가스 유량이 많아지므로, 1차 공기량도 상대적으로 많아지는 한편, 2차 공기량은 상대적으로 적어진다.
이렇게 하여, 1차 공기와 2차 공기의 유량비율을 조정함으로써, 특히 버너(2)에 공급하는 연소 가스량이 감소된 때에, 과잉 공기로 인한 연소상태의 악화를 회피하는 한편으로, 블로워(14)로부터 버너(2)에 공급하는 공기의 총량은 일정하게 함으로써, 스파저 파이프의 소공(小孔)으로부터 분출하는 가스의 양을 확보함으로써, 수조(11) 내의 교반을 충분히 행하여, 수중 연소식 기화장치(1)의 열교환기 성능을 저하시키지 않는 것이 실현된다.
내부 실린더(22) 내부에 구획 구성되는 연소실(25)에는, 메인 버너(26)가 설치된다. 메인 버너(26)는, 복수개의 연료가스 노즐(261)을 구비하고, 가스 노즐(261)은, 내부 실린더(22)의 중심위치에 설치된 연료가스 공급관(262)의 하단부를 둘러싸도록, 둘레방향으로 서로 등간격을 두고 설치된다. 각 가스 노즐(261)의 하단은, 도시를 생략하는 노즐이 하향으로 개구하도록 배치되는 데에 반해, 이 상단부는 지름방향의 안쪽을 향해 굴곡되고, 이 굴곡단(端)이 연료가스 공급관(262)에 접속된다. 연료가스 공급관(262)은, 폐색된 외부 실린더(21)의 상단부를 관통하여, 이 외부로까지 이어지고, 연료가스 공급관(262)의 단부는, 도면 외의 연료가스 공급원에 접속된다.
그리고, 이 버너(2)에는, 전술한 메인 버너(26) 외에, 버너(2)의 착화 시에 메인 버너(26)에 앞서 구동되는 파일럿 버너를 구비하나, 파일럿 버너에 대해서는, 여기에 개시하는 기술과 관련하지 않으므로, 그 도시 및 설명은 생략한다.
또, 이 버너(2)에는, 연소실(25) 내에 물을 분사함으로써, 연소온도가 지나치게 높아지는 것을 억제하는 물 분사관(18)이 설치된다. 물 분사관(18)은, 버너(2)의 상단을 관통하고 또한, 중심축을 따라 설치되어, 이 하단으로부터 방사선형으로 물을 분사한다. 물 분사관(18)은, 연소온도가 높아지는 소정의 운전상태인 때(예를 들어, 수중 연소식 기화장치(1)의 고부하 운전상태인 때)에 연소실(25) 내에 물을 분사한다. 이에 따라, 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 배기가스 중의 유해물질을 저감한다.
이와 같이, 이 버너(2)에서 내부 실린더(22)는, 버너(2)의 하단으로부터 연속하여 하방으로 돌출하고, 다운커머(13) 내를, 다운커머(13)를 따르도록 하방으로 이어진다. 내부 실린더(22)의 하단은, 도 2에 나타내듯이, 다운커머(13)의 하부에 위치한다. 여기서 다운커머(13)의 하부란, 상하방향으로 이어지는 다운커머(13)를 상하로 2등분한 때의 경계(도 2의 파선 참조) 이하의 부분을 말한다. 종래의 구성인 경우, 내부 실린더가 연장되지 않으므로, 버너(2)의 화염은 버너(2)의 하단 개구로부터 하방으로 돌출하여 다운커머(13) 내에 위치함과 동시에, 화염의 외주를 2차 공기가 흐르도록 된다. 그러나, 내부 실린더(22)를 연장한 상기의 구성에서는, 다운커머(13) 내의 화염은(특히 저부하 운전 시에는), 그 모두 또는 대부분이, 연장한 내부 실린더(22) 내에 위치하도록 된다. 이에 따라, 버너(2)의 하단 개구로부터 다운커머(13) 내에 유입하는 2차 공기는, 내부 실린더(22)와 다운커머(13)의 내주면 사이 환형상의 공간 내를 하방으로 흐르도록 된다. 즉, 내부 실린더(22)는, 다운커머(13) 내의 상부에서, 화염을 2차 공기로부터 격리하고, 화염과 2차 공기를 비접촉으로 한다. 이렇게 하여, 버너(2)의 화염이 2차 공기에 의해 냉각되는 것이 방지된다. 이 화염의 냉각방지는 특히, 수중 연소식 기화장치(1)의 부하가 낮고, 1차 공기량이 적고 또한 2차 공기량이 많은 때에, 화염과 2차 공기와의 접촉을 확실하게 회피할 수 있으므로, 유효하다. 화염의 냉각을 방지함으로써, 연소가스 중의 일산화탄소의 발생을 억제하여, 수조(11)에 분출되고 또한, 스택(16)을 통해 배기되는 배기가스의 유해물질이 저감된다.
여기서, 내부 실린더(22)는, 이 하단이 다운커머(13)의 하부에 위치하는 범위에서 적절한 길이로 설정하는 것이 가능하다. 버너(2)의 화염은 공급되는 연료량 및 1차 공기량에 따라, 다운커머(13) 내의 도달위치가 변경될 수 있으나, 특히 1차 공기량이 적고 또한, 2차 공기량이 많아지는 수중 연소식 기화장치(1)의 부하가, 소정 부하보다 낮은 상태 하에서 버너(2)의 화염이 도달하는 하단 위치의 부근까지, 내부 실린더(22)가 이어지는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 2차 공기를 버너(2)의 화염과 접촉시키는 일없이, 게다가, 후술과 같이, 버너(2)의 화염이 도달하지 않는 위치에서 2차 공기와 연소가스를 합류시키는 것이 가능하게 된다. 내부 실린더(22)는, 상기 조건을 만족시키는 한도에서, 가능한 한 짧게 하여도 된다.
연소가스는, 도 2에 흰색 화살표로 나타내듯이, 내부 실린더(22)의 하단 개구로부터 하방으로 분출하고, 다운커머(13) 내의 내부 실린더(22)의 하단 위치에서, 동 도면에 일점 쇄선의 화살표로 나타내는 2차 공기와 합류한다. 즉, 연소가스와 2차 공기는 다운커머(13) 하부에서 합류한다. 연소가스와 2차 공기를 포함한 배기가스는, 전술과 같이, 다운커머(13)의 하단부로부터 매니폴드(17) 내로 유입하고, 그 후, 각 스파저 파이프(15)에 분배된다. 이렇게 하여, 각 스파저 파이프(15)의 소공(15a)을 통하여 수조(11) 내에 분출된다.
이와 같이, 내부 실린더(22)를 다운커머(13) 내에 연장함으로써, 특히 버너(2)의 하단 부군에서, 2차 공기와 화염이 접촉하여 화염을 냉각하는 것이 방지되고, 수중 연소식 기화장치(1)의 배기가스 중의 유해물질(여기서는 일산화탄소)이 억제되어, 환경성능이 향상된다. 2차 공기와 화염과의 접촉을 회피하는 것은, 환언하면, 2차 공기를, 버너(2)의 화염 선단(先端)과, 매니폴드(17) 스파저 파이프(15)의 접속구(즉, 매니폴드(17)의 배기가스 배출구)와의 사이에서, 연소가스에 합류시키는 것이다.
또, 연소가스와 2차 공기를 합류시킨 후에, 이들을 포함한 배기가스를 수조(11) 내에 분출함으로써, 수조(11) 내에 분출하는 가스의 양을 충분히 확보하여, 수중 연소식 기화장치(1)의 열교환기 성능을 높게 하는 것이 가능하게 된다.
도 3은, 실시예 2에 관한 버너(20)의 전체 구성을 나타낸다. 실시예 2의 버너(20)는, 도 2에 나타내는 버너(2)와는 달리, 외부 실린더(21)를 갖지 않는다. 또, 공기 공급구(23)는 분할되지 않으며, 공기 공급구(23)를 통해 버너(20) 내에 유입하는 공기(즉 1차 공기)는 모두, 연소실(25)을 구획하는 실린더(220) 내에 유입한다(동 도면의 실선 화살표 참조). 그리고, 도 3에 나타내는 버너(20)에 있어서, 도 2에 나타내는 버너(2)와 실질적으로 동일 구성에 대해 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 반복하지 않는다.
이 버너(20)의 실린더(220)는, 실시예 1의 버너(2)의 내부 실린더(22)와는 달리, 다운커머(13) 내의 하부까지 이어지지 않고, 이 하단 개구는, 다운커머(13) 내의 상단부에 위치한다. 따라서, 도 3에 개념적으로 나타내듯이, 버너(20)의 하단 개구로부터 다운커머(13) 내에 돌출하는 화염은, 다운커머(13) 내의 상부에서, 실린더(220)에 덮이는 일없이, 위치한다.
실시예 2의 수중 연소식 기화장치(1)에 있어서, 블로워(14)와 버너(20)를 연결하는 공기 공급로는 2개로 분기되어 있고, 한쪽의 분기로(즉, 1차 공기 공급로)는, 전술과 같이 버너(20)의 공급구(23)에 접속되는 한편, 다른 쪽의 분기로(즉, 2차 공기 공급로)는, 도 4에 나타내듯이, 매니폴드(17)에 접속된다. 2차 공기의 도입구는, 도 4에서는 나타내지 않으나, 매니폴드(17)에 있어서 다운커머(13)의 접속단(즉, 기단) 부근에 설치되고, 이 도입구에 연이어 통하는 2차 공기 공급로(19)는, 스파저 파이프(15)의 나열 방향으로 이어지는 매니폴드(17)에 대해 경사지게 배치된다. 이에 따라, 2차 공기 공급로(19)로부터 도입구를 개재하여 매니폴드(17)로 유입한 2차 공기는, 도 4에 일점 쇄선의 화살표로 나타내듯이, 매니폴드(17) 내를 상류측(즉, 다운커머(13)와의 접속단 측)으로부터, 하류측(즉, 매니폴드(17)의 선단측)을 향해 흐르도록 된다. 이는, 다운커머(13)로부터 매니폴드(17)를 향해 흐르는 연소가스의 흐름에 따르는 방향의 흐름이므로, 2차 공기의 역류가 방지된다. 이렇게 하여, 2차 공기가 버너(2)의 화염에 접촉하여 냉각하는 것을 방지함과 동시에, 버너(2)의 화염이 안정 연소된다.
그리고, 전술한 각 분기로에는 유량 조정밸브(61, 62)가 설치되고, 이 각 유량 조정밸브(61, 62)의 개방도 조정에 의해, 1차 공기 및 2차 공기의 양이 조정된다.
실시예 2의 수중 연소식 기화장치(1)에 있어서도, 2차 공기는, 다운커머(13) 내에서 버너(2)의 화염에 접촉하는 일이 없으므로, 화염의 냉각이 방지된다. 그 결과, 배기가스 중의 일산화탄소를 억제하는 것이 가능하게 된다. 한편으로, 2차 공기를 연소가스에 합류시킨 후에, 각 스파저 파이프(15)를 개재하여 수조(11) 내에 공급할 수 있으므로, 수조(11) 내에 분출하는 배기가스의 양을 충분히 확보하여, 수중 연소식 기화장치(1)의 저부하 운전 시에 있어서도, 열교환기 성능을 높게 유지하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 2차 공기의 도입구는, 매니폴드(17)의 접속단 근방 위치에 한정되지 않고, 다운커머(13)의 하부나, 매니폴드(17)의 다른 위치에 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어 도 5에 개념적으로 나타내듯이, 다운커머(13)의 하단부에서, 매니폴드(17)의 접속측과는 반대측에, 2차 공기의 도입구를 형성하여도 된다. 다운커머(13)의 하단부란, 매니폴드(17)의 접속위치에 상당하는 높이 위치(즉, 거의 동일 위치)를 의미한다. 이 구성에서는, 다운커머(13)의 하단부에 유입한 2차 공기는, 다운커머(13)의 하단부에 접속된 매니폴드(17) 내에, 그대로 유입하도록 되므로, 다운커머(13) 상방으로 역류하는 것이 방지된다. 그 결과, 버너(2)의 화염이 2차 공기에 접촉하는 것이 억제되어, 화염의 냉각이 방지된다. 그리고, 도시는 생략하나, 다운커머(13)의 하단부에 형성되는 2차 공기의 도입구는, 도 5에 예시하듯이, 매니폴드(17)의 접속측과는 반대측에 형성하는 것에는 한정되지 않는다. 2차 공기의 도입구는, 수조(11) 내 설치 공간을 고려하여, 다운커머(13) 하단부의 적절한 위치에 형성하는 것이 가능하다. 또, 2차 공기의 도입구는, 다운커머(13)의 하단부에 한정되지 않고, 이보다 상방에 형성하여도 된다(단, 버너(2)의 화염에 접촉하지 않도록, 다운커머(13)의 하부에 한정됨).
또, 도 5에 나타내듯이, 2차 공기의 도입구는, 매니폴드(17) 선단부에 형성하여도 된다. 2차 공기는, 도 5에 화살표로 나타내듯이, 매니폴드(17)의 축을 따르는 방향으로, 즉, 매니폴드(17) 내에 도입하여도 된다. 이 구성에서는, 2차 공기의 도입구는, 버너(2)의 화염에 대해, 확실하게 떨어져 위치하게 되므로, 2차 공기가 버너(2)의 화염을 냉각하는 것이 확실하게 방지된다. 또한, 2차 공기의 도입구는, 매니폴드(17)의 선단부와 기단부와의 중간 위치에 형성되어도 된다. 또, 매니폴드(17)에 도입시키는 2차 공기의 도입방향은, 도입구의 설치위치에 상관없이, 적절한 방향으로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 다운커머(13)의 하부 또는 매니폴드(17)에 형성하는 2차 공기의 도입구는, 하나에 한정되지 않으며, 복수, 형성하여도 된다.
추가로, 실시예 2에 있어서, 버너(2)는, 다운커머(13)의 상단부에 장착하는 이외에도, 다운커머(13)의 하부에 장착하여도 된다.
또, 여기에 개시하는 기술은, LNG의 기화장치에 한정되지 않고, 저온 LPG를 포함한 저온 액화가스의 기화장치에 적용 가능하다.
1 : 수중 연소식 기화장치 2, 20 : 버너
11 : 수조 12 : 열교환기
13 : 다운커머 14 : 블로워
15 : 스파저 파이프 17 : 매니폴드
21 : 외부 실린더 22 : 내부 실린더
25 : 연소실

Claims (7)

  1. 수조(水槽) 내에 침지(浸漬) 배치되고, 또한 그 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화하도록 구성된 열교환기와,
    블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실 내에서 연소시키도록 구성된 버너와,
    상기 수조 내에 침지됨과 동시에, 상기 버너가 장착되고 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내로 안내하도록 구성된 다운커머(downcomer)와,
    상기 수조 내에 침지되고, 또한 상기 연소가스를 포함한 배기가스를 수중에 분출하도록 구성된 복수의 스파저 파이프(sparge pipe)와,
    상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 각 스파저 파이프가 접속되고, 또한, 상기 다운커머로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 각 스파저 파이프에 분배하도록 구성된 매니폴드(manifold)를 구비하고,
    상기 블로워로부터 공급되는 공기는, 상기 버너의 상기 연소실 내에 도입되는 연소용의 1차 공기와, 상기 연소실에는 도입되지 않는 비(非)연소용의 2차 공기로 나누어지며,
    상기 2차 공기는, 상기 다운커머 내에서 상기 버너의 화염이 도달하는 하단 위치 이하의 상기 다운커머의 하부에서, 상기 버너로부터의 연소가스와 합류하도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 공기는, 상기 1차 공기가 상기 2차 공기보다 적은 저부하상태에서 상기 버너의 화염이 도달하는 하단 위치 이하의 상기 다운커머의 하부에서, 상기 버너로부터의 연소가스와 합류하도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 버너는, 상기 연소실을 구획 형성하는 내부 실린더와, 이 내부 실린더와 동축에 배치되는 외부 실린더를 가짐과 동시에, 상기 다운커머의 상부에 장착되고,
    상기 1차 공기는 상기 내부 실린더 내에 도입되며,
    상기 2차 공기는 상기 내부 실린더와 상기 외부 실린더 사이에 도입된 후, 상기 버너의 하단 개구로부터 상기 다운커머 내로 유입하고,
    상기 내부 실린더는, 상기 버너의 하단으로부터 연속하여, 상기 다운커머를 따르도록 하방으로 이어짐과 동시에, 상기 내부 실린더의 하단은, 상기 버너의 화염이 도달하는 하단 위치 이하의 상기 다운커머 내의 하부에 위치하는 수중 연소식 기화장치.
  4. 수조(水槽) 내에 침지(浸漬) 배치되고, 또한 그 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화하도록 구성된 열교환기와,
    블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실 내에서 연소시키도록 구성된 버너와,
    상기 수조 내에 침지됨과 동시에, 상기 버너가 장착되고 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내로 안내하도록 구성된 다운커머(downcomer)와,
    상기 수조 내에 침지되고, 또한 상기 연소가스를 포함한 배기가스를 수중에 분출하도록 구성된 복수의 스파저 파이프(sparge pipe)와,
    상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 각 스파저 파이프가 접속되고, 또한, 상기 다운커머로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 각 스파저 파이프에 분배하도록 구성된 매니폴드(manifold)를 구비하고,
    상기 블로워로부터 공급되는 공기는, 상기 버너의 상기 연소실 내에 도입되는 연소용의 1차 공기와, 상기 연소실에는 도입되지 않는 비(非)연소용의 2차 공기로 나누어지며,
    상기 2차 공기는, 상기 매니폴드에서, 상기 버너로부터의 연소가스와 합류하도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
  5. 수조(水槽) 내에 침지(浸漬) 배치되고, 또한 그 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화하도록 구성된 열교환기와,
    블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 연소실 내에서 연소시키도록 구성된 버너와,
    상기 수조 내에 침지됨과 동시에, 상기 버너가 장착되고 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내로 안내하도록 구성된 다운커머(downcomer)와,
    상기 수조 내에 침지되고, 또한 상기 연소가스를 포함한 배기가스를 수중에 분출하도록 구성된 복수의 스파저 파이프(sparge pipe)와,
    상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 각 스파저 파이프가 접속되고, 또한, 상기 다운커머로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 각 스파저 파이프에 분배하도록 구성된 매니폴드(manifold)를 구비하고,
    상기 블로워로부터 공급되는 공기는, 상기 버너의 상기 연소실 내에 도입되는 연소용의 1차 공기와, 상기 연소실에는 도입되지 않는 비(非)연소용의 2차 공기로 나누어지며,
    상기 다운커머의 하부, 또는, 상기 매니폴드에는, 상기 2차 공기의 도입구가 형성되고,
    상기 2차 공기는, 상기 다운커머의 하부 또는 상기 매니폴드에서, 상기 버너로부터의 연소가스와 합류되도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 스파저 파이프는, 상기 수조 내에서 소정의 나열 방향으로 나열 배치되고,
    상기 매니폴드는, 그 기단(基端)이 상기 다운커머의 하단부에 접속됨과 동시에, 상기 수조 내를, 상기 나열방향으로 이어져 배치되며,
    상기 2차 공기의 도입구는, 상기 매니폴드의 선단측 위치에 형성되는 수중 연소식 기화장치.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 버너는, 상기 다운커머의 상부에 장착되고 또한, 상기 연소가스를 하향으로 분출하도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
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