KR102317704B1 - 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치 - Google Patents

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KR102317704B1 KR1020190156758A KR20190156758A KR102317704B1 KR 102317704 B1 KR102317704 B1 KR 102317704B1 KR 1020190156758 A KR1020190156758 A KR 1020190156758A KR 20190156758 A KR20190156758 A KR 20190156758A KR 102317704 B1 KR102317704 B1 KR 102317704B1
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Abstract

본 발명은 연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것으로서, 연소가스를 재순환시키기 위한 재순환 포트의 개선을 통하여 질소산화물 저감효과를 향상시키는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.

Description

재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치{Low NOx Burner comprising recirculation ports}
본 발명은 연소가스의 내부 재순환을 위한 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치에 관한 것이다.
현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다. 주된 환경 오염원으로는 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.
기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2 의 화학식을 갖는 질소산화물(NOx)의 생성이 불가피하다. 이의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다. 연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다. 특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.
질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx), 급속 질소산화물(Prompt NOx), 및 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 1600℃ 이상의 고온에서 반응하여 생성되는 것이고, 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소 초기에 생성되는 것이며, 연료 질소산화물은 연료 중에 함유된 질소 성분의 반응에 의해 생성된다. 이와 같은 질소 산화물의 대책에 있어서도 천연가스와 같은 기체연료에는 연료 중에 질소성분이 함유되어 있지 않기 때문에 Thermal NOx 및 Prompt NOx에 관련된 사항을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.
질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하였다.
이로 인해 현재 시도되고 있는 저 NOx 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR, selective catalytic reduction) 등이 있다. 최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거하는 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있다.
관련 종래기술을 살펴본다.
상기와 같이 NOx를 저감하기 위한 종래의 방법으로서, 특허문헌 1에는 질소 산화물(NOx)의 발생량을 저감하도록 연소용 공기를 일반 공기와 배가스를 혼합하여 3단계로 나누어 공급하되 각 단의 혼합비를 각각 다르게 함으로써, 다단 연소에 의한 국부고온역 생성을 최소화하고, 연소영역을 확장하여 보일러 내부의 균일가열을 이루기 위한 액체 및 가스용 배가스 재순환 3단 버너를 제공한다.
상기 특허문헌 1에서는 배기가스를 재순환시키기 위한 요소로서 복수의 배가스 공급관, 재순환덕트, 및 댐퍼 등의 별도의 장치들을 구비함으로써 배기가스를 연소로 내로 재유입되도록 하지만, 상기 장치들이 연소로의 외부에 별도로 장치되어야 하므로 필요 공간이 많아진다는 단점이 있다.
특허문헌 2는, 본 출원인에 의해 출원된 등록 특허로서, 연소로 내에서 발생하는 연소가스를 연소로의 외부 연결통로가 아닌 연소로 내부에서 별도의 장치 없이 버너 내부로 전달되도록 하는 내부 재순환 기술을 제공하지만, 연소로 내의 일부 영역에서의 연소가스 유동에 대한 고찰이 부족하다.
그리고, 특허문헌 3도 본 출원인에 의해 출원된 등록 특허로서, 재순환 포트를 통하여 연소로 외측 영역에서 발생하는 연소가스를 재순환 포트를 통하여 연소로 내부로 재순환 시킨다. 그러나, 본 출원인은 재순환 되는 연소가스의 양을 보다 효율적으로 향상시켜 질소산화물을 저감하기 위한 추가적인 연구를 통하여 본 발명을 안출하게 되었다.
KR 10-2005-0117417 A KR 10-1512352 B1 KR 10-1992413 B1
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 연소가스를 재순환시키기 위한 재순환 포트의 개선을 통하여 질소산화물 저감효과를 향상시키는 초저질소산화물 연소장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소로; 일측이 상기 연소로 내에 삽입되되, 삽입된 일측 및 외주면이 상기 연소로의 내면과 소정간격 이격되어 위치하는 버너; 상기 버너의 중앙에 위치하는 주연료 분사체; 상기 주연료 분사체를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너의 일측 단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료 분사체; 상기 보조연료 분사체의 선단부 측에 위치하는 재순환 포트;를 포함하고, 상기 재순환 포트는, 내부에 유로가 형성되며, 유로 상부에 위치하는 유출구 및 유로 하부에 위치하는 유입구가 구비되는 포트 본체; 상기 유입구에서 상기 유로의 하부를 향하여 직경이 점점 좁아지도록 형성된 축소부; 상기 유로의 상부에서 상기 유출구를 향하여 직경이 점점 넓어지도록 형성된 확대부; 및 상기 유출구 측이 상기 버너의 중앙부를 향하도록 경사지게 형성된 경사부;를 포함하며, 상기 연소에 의해 발생하여 상기 연소로의 내주면과 상기 버너의 외주면 사이로 유동하는 연소가스가 상기 보조연료 분사체로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트를 통하여 상기 연소로 내부로 유입되어 재연소가 이루어지는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.
상기 재순환 포트는 상기 경사부로부터 상기 버너의 중앙부를 향하도록 연장되는 방향 유도부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 재순환 포트는 상기 경사부에 위치하며 다수의 통공이 형성된 보염판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 재순환 포트는 상기 경사부에 위치하는 메쉬부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 재순환 포트는 상기 방향 유도부의 선단에 위치하며 다수의 통공이 형성된 보염판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 재순환 포트는 상기 방향 유도부의 선단에 위치하는 메쉬부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 주연료 분사체와 상기 보조연료 분사체 사이에 위치하는 산화제 재순환 유도부를 더 포함하며, 상기 보조연료 분사체는 상기 주연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되고, 상기 재순환 포트 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 주연료 분사체와 상기 보조연료 분사체 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부로 유입되어 상기 연소로 내로 유동하여 연소되는 것이 바람직하다.
상기 연소에 의해 발생하는 화염 공간 내측의 연소가스는 상기 주연료 분사체와 보조연료 분사체 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부를 통하여 상기 연소로로 공급되어 재연소가 이루어지며, 상기 연소에 의해 발생하는 상기 화염 공간 둘레측에서 상기 연소로의 내주면과 상기 버너의 외주면 사이로 유동하는 연소가스는 상기 보조연료 분사체의 선단부로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트를 통하여 상기 연소로 내부로 유입되면서 상기 보조연료 분사체에서 분사되는 연료와 혼합되어 재연소가 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 보조연료 분사체는 상기 주연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되고 상기 산화제 재순환 유도부 일측이 개방됨으로써, 상기 복수의 보조연료 분사체의 간격과 상기 산화제 재순환 유도부의 개방된 부분을 통하여, 상기 연소로의 상기 화염 공간 둘레측과 상기 재순환 유도부의 일측이 연통되며, 상기 재순환 포트측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 주연료 분사체와 상기 보조연료 분사체 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부의 연통된 상기 일측으로 유입되어 상기 연소로 내로 유동하여 연소되는 것이 바람직하다.
상기 산화제 재순환 유도부는 상기 보조연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분사 노즐은 상기 주연료 분사체와 상기 산화제 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 주연료 분사체와 상기 산화제 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 분사 노즐과 상기 주연료 분사체의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부;를 더 포함하며, 상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 주연료 분사체와 상기 산화제 재순환 유도부 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 연소로 내부에서 발생하는 연소가스를 내부 재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.
또한, 내부 재순환을 위한 재순환 포트 구조의 개선을 통하여, 연소가스의 재순환량을 증가시킴으로써 질소산화물 발생을 줄일 수 있다.
그리고. 재순환 연소가스에 의해 연소되는 2차 화염을 균일하게 안정적으로 형성함은 물론 1차 화염측으로의 방향성을 추가로 부여함으로써, 질소산화물이 주로 발생하는 1차 화염의 역할을 최소화하여 질소산화물 발생을 극도로 줄일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 측면 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제1실시예에 따른 재순환 포트의 전체 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제1실시예에 따른 재순환 포트의 종단면도이다.
도 4는, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제2실시예에 따른 재순환 포트의 전체 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제2실시예에 따른 재순환 포트의 종단면도이다.
도 6은, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제3실시예에 따른 재순환 포트의 전체 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제3실시예에 따른 재순환 포트의 종단면도이다.
도 8은, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제4실시예에 따른 재순환 포트의 전체 사시도이다.
도 9는, 본 발명의 초저질소산화물 연소장치의 제4실시예에 따른 재순환 포트의 종단면도이다.
도 10은, 본 발명의 각 실시예에 따른 재순환 포트에서 연소가스와 보조연료의 유동을 나타낸다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 측면 개략도로서, 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 도시한다.
도 12는, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 나타내는 순서도이다.
도 13은, NOx 발생량을 나타낸 것으로, 기존의 연소 장치(상기 특허문헌 3)에서의 질소산화물 발생량 및 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에서의 질소산화물 발생량을 나타낸다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치(100)를 상세히 설명한다.
<초저질소산화물 연소장치의 구성 설명>
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치(100)의 전체적인 구성을 살핀다.
초저질소산화물 연소장치(100)는 연소로, 일측이 상기 연소로 내에 삽입되는 버너(5), 상기 버너(5)의 중앙부에 위치하는 주연료 분사체(10), 주연료 분사체(10)를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너(5)의 일측 단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료 분사체(20), 상기 버너(5)의 외주면에서 상기 보조연료 분사체(20)의 단부가 위치하는 지점 근방에 위치하는 재순환 포트(90) 및 상기 주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20)의 사이에 위치하는 산화제 재순환 유도부(40)를 포함한다.
버너(5)는 일측이 연소로(1) 내에 삽입되되, 그 외주연이 연소로(1)의 내주면과 소정간격 이격되도록 위치한다.
구체적으로, 버너(5)는 그 선단부가 연소로(1)로 삽입되는 삽입면(도 1에서 보아 연소로(1)의 하측면)으로부터 소정간격(a) 이격되도록 삽입된다.
이로써, 연소로 내에서 발생하는 연소가스의 재순환 영역이 구분될 수 있다.
주연료 분사체(10)는 주연료라인(51)에 연결되는 이송부(13) 및 상기 이송부(13)에 직접 연결되는 주연료 분사부(11)를 포함한다.
상기 이송부(13)는 주연료를 주연료 분사부(11)까지 안전하게 이송하기 위한 것으로서 직경이 균일하게 형성될 수 있다.
주연료 분사부(11)는 일 실시예로서 점점 그 직경이 확대되는 형상을 가질 수 있고 공급된 주연료를 그 외주면을 통해 분사한다.
주연료 분사부(11)의 외주면에 형성된 분사홀(미도시)을 통해 주연료 분사부(11) 내로 진입한 연료가 각 연료 분사체(10, 20) 사이의 내부 공간으로 분사된다(도 2의 도면부호 15 참조).
즉, 주연료 분사부(11) 내의 연료는 유입되는 산화제 상에 상기 주연료 분사부(11)의 반경 방향을 따라 분사된다.
한편, 주연료 분사체(10)의 내부를 따라 중심 산화제 분사체(85)가 배치될 수 있다.
여기에서, 중심 산화제 분사체(85)의 끝단에 노즐 삽입이 가능하게 구성함으로써 공기 공급량을 조절할 수 있게 된다.
상기 중심 산화제 분사체(85)는 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 주연료 분사체(10)의 중심축을 따라 유동하게 한 후 연소로(1)의 화염 중심부인 1차 화염 공간(72)에 공급되도록 한다.
이를 통해 화염 중심부인 1차 화염 공간(72)에 화염과 산화제의 혼합 효과를 촉진하여 적염 형성을 억제하고 청염 형성을 유도한다.
더불어, 화염 중심부 주변의 국부적 고온 영역을 감소함으로써 질소산화물의 발생이 1차적으로 저감된다.
보조연료 분사체(20)는 주연료 분사체(10)를 중심으로 동일 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다.
보조연료 분사체(20)의 개수는 한정되지 않으나, 6개 내지 12개의 보조연료 분사체(20)가 배치되고, 바람직하게는 8개의 보조연료 분사체(20)가 주연료 분사체(10)의 둘레방향으로 균등한 간격을 유지한 채 배치될 수 있다.
보조연료 분사체(20)의 선단은 연소로(1) 내부로 인입되어 위치한다.
보조연료 분사체(20)로부터 분사되는 연료는 연소로(1) 내에서 연소되면서 연소로(1) 내에 회전 유동을 발생하게 한다.
상기와 같이 버너(5)를 연소로(1) 내에 삽입함으로써, 연소로(1) 내에서 발생하는 연소가스의 재순환 영역이 연소로(1) 내에서 구분되어, 연소가스의 유동이 원활하게 되고, 상기한 보조연료 분사체(20)의 위치로 인하여 후술할 연소가스의 재순환이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
주연료 분사체(10) 및 보조연료 분사체(20)는 모두 중공의 원통형 관으로서 구성될 수 있다.
주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20) 사이의 공간으로는 산화제 공급부(80)로부터 산화제가 공급된다.
상기 산화제는 주연료 분사체(10) 선단에 구비된 스월러(30)를 통해 축방향 또는 접선 방향 모멘텀이 형성된 상태로 연소로(1) 내부로 공급되거나 스월러(30)를 통함이 없이 직접적으로 연소로(1) 내로 공급될 수 있다.
주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20) 사이의 공간은, 그 공간으로 빠르게 공급되는 산화제의 유속으로 인하여 저압상태가 된다.
상기 주연료 분사체(10) 및 보조연료 분사체(20)에는 연료공급부(50)로부터 연료가 주연료(Main fuel)와 보조연료(2nd fuel)로 나뉘어져 공급된다.
구체적으로, 연료공급부(50)로부터 공급되는 연료가 필터(미도시)를 거쳐 불순물이 제거되고 펌프(미도시)에 의해 펌핑된 후에 제1라인(51)과 제2라인(52)으로 분기되어 각 연료 분사체(10, 20)에 공급된다.
상기 라인들(51, 52)에는 각각 솔레노이드 밸브(55, 56)가 설치되어 주연료(Main fuel)와 보조연료(2nd fuel)로 공급되는 각 연료를 적절히 공급 및 차단하도록 할 수 있다.
재순환 포트(90)는 그 후단이 보조연료 분사체(20)의 선단 측에 위치하여 연통된다.
다만, 재순환 포트(90)의 후단과 보조연료 분사체(20)의 선단이 완전히 연결되는 것이 아니라, 재순환 포트(90)의 후단의 직경이 보조연료 분사체(20) 선단의 직경보다 크게 형성되고, 재순환 포트(90)의 후단은 보조연료 분사체(20) 선단에 대하여 동축으로 장착되되 일부 후퇴하도록 장착된다. 이 때에, 사용 환경에 따라 축방향으로 적절하게 위치 조절되어 설치될 수 있다.
따라서, 보조연료 분사체(20)의 선단의 둘레와 재순환 포트(90) 후단의 내측 사이가 이격된 간격이 위치하게 된다.
보조연료 분사체(20)에서 분사되는 보조연료는 재순환 포트(90)를 지나 연소로 내로 공급된다.
연소로 내에서 발생하는 연소가스는 보조연료 분사체(20)로부터 재순환 포트(90)를 지나 연소로 내로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 재순환 포트 내부(90)로 유입되어 상기 보조연료 분사체(20) 및/또는 후술할 산화제 재순환 유도부(40) 측으로 유동하여 재연소가 이루어짐으로써, 연소가스에 포함된 질소산화물이 감소된다.
재순환 포트(90)의 각 실시예는 후술한다.
산화제 재순환 유도부(40)는 연소로(1)의 개구부(미도시) 상에서 보조연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41, Forced Internal recirculation sleeve), 내부 재순환 슬리브(41)로부터 연장되는 연결 가이드(43), 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45) 및 산화제 재순환 유도부(40)의 내부 하단에 경사지게 배치되는 경사부재(47)를 포함한다.
내부 재순환 슬리브(41)는 연소가스의 최초 유입부인 버너(5)의 선단에서 후단으로 갈수록 개구부 중심을 향하도록 경사지게 배치된다. 즉, 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로 갈수록 점점 내부 폭이 넓어진다. 연결 가이드(43)는 내부 재순환 슬리브(41)를 통해 유입된 연소가스의 완만한 유동을 가능하게 하는 것으로서 일정한 폭을 유지한다.
분사 노즐(45)은 내부 재순환 슬리브(41) 및 연결 가이드(43)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 주연료 분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 공간으로 분사하게 한다.
분사된 연소가스는 산화제와 함께 연소로(1) 내부로 유동한다. 상기 분사 노즐(45)은 주연료 분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치된다.
즉, 주연료 분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시킴으로써 오리피스 형태의 구조를 구현한다.
상기와 같은 분사 노즐(45)의 배치 구조는 주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20) 사이의 공간으로 공급되는 산화제의 유동 속도를 더욱 빠르게 함으로써 고속으로 연소로(1) 내로 유동하도록 한다.
즉, 주연료 분사체(10)와 분사 노즐(45) 사이의 공간이 좁아짐으로써 베르누이 정리에 의해서 산화제의 유속이 증가하게 된다.
이와 같은 구조를 통해 연소로(1) 내에서 발생하는 유동은 모멘텀의 증가를 가능하게 한다.
경사부재(47)는 연결 가이드(43)와 분사 노즐(45)의 경계선 상에 배치되는 구조체로서 연소가스가 유동할 수 있는 폭을 조절하여 결과적으로 유속이 조절될 수 있다.
공기 다단 슬리브(60)는 중공 원통 형상의 구조체로서 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 공기 다단 슬리브(60)의 내부 및 외부로 분리 공급하게 구성함으로써 산화제의 다단 공급을 가능하게 하고, 이를 통해 결과적으로 연소로(1) 내부에 다단 화염의 형성이 용이하도록 한다.
재순환 촉진 돌기부(61)는 공기 다단 슬리브(60)의 외주면 상에 배치된다.
구체적으로, 상기 재순환 촉진 돌기부(61)는 산화제 재순환 유도부(40)를 구성하는 분사 노즐(45) 및 공기 다단 슬리브(60) 사이의 공간을 좁히는 기능을 수행하게 된다.
상기와 같은 구조를 통해서 연소로(1)에서부터 산화제 재순환 유도부(40)를 통해 유동하는 연소가스의 유속은 재순환 촉진 돌기부(61) 인근을 지나면서 상승하게 된다.
이를 통해 산화제 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)로 재유입되는 연소가스의 박리(separation)를 방지하게 되고, 결과적으로 연소가스의 재순환을 촉진한다.
이하, 도 2 내지 도 10을 참조하여 재순환 포트(90)의 각 실시예를 상세히 설명한다.
<재순환 포트(90)의 제1실시예>
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 재순환 포트(90)를 설명한다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 재순환 포트(90)는, 포트 본체(91), 유입구(94), 축소부(95), 확대부(96), 유출구(93) 및 경사부(97)를 포함한다.
포트 본체(91)는 보조연료 분사체(20) 선단에 위치한다. 포트 본체(91)에는 포트 본체(91)의 소정 내경을 갖는 유로(92)가 형성된다.
유입구(94)는 포트 본체(91) 하단에 위치하며, 유출구(93)는 포트 본체(91)의 상단에 위치한다.
재순환 포트(90)의 후단에 위치한 유입구(94)는 보조연료 분사체(20)의 선단에 대하여 동축으로 장착되되 일부 후퇴하도록 장착된다.
상기한 바와 같이, 포트 본체(91)의 내경 즉, 유로(92)의 직경은 보조연료 분사체(20)의 직경보다 크다.
따라서, 포트 본체(91) 내부와 보조연료 분사체(20)의 선단 사이가 이격된 소정 간격이 형성된다.
축소부(95)는 포트 본체(91) 하부에서, 포트 본체(91) 내부의 유로(92)와 유입구(94) 사이에 경사진 형태로 위치하여, 유입구(94)로부터 포트 본체(91) 내부의 유로(92)를 향하여 내경이 점점 작아지도록 경사진 형태를 이룬다.
축소부(95)가 위치함에 따라 포트 본체(91) 내의 내경이 유입구(94)의 내경보다 작아지게 된다.
확대부(96)는 포트 본체(91) 상부에서, 포트 본체(91) 내부의 유로(92)와 유출구(93) 사이에 경사진 형태로 위치하며, 포트 본체(91) 내부의 유로(92)로부터 유출구(93)를 향하여 내경이 점점 커지도록 경사진 형태로 구성되어, 유출구(93)의 내경이 포트 본체(91) 내부 유로(92)의 내경보다 커지게 된다.
구체적으로, 포트 본체(91) 내부에 형성되는 유로(92)는 유입구(94) 및 유출구(93)의 내경은 크고, 유출구(93)와 유입구(94) 사이에 형성되는 유로(92)의 직경은 유입구(94) 및 유출구(93)보다 작은 벤츄리관 형태를 이룬다.
이로써, 보조연료 분사체(20)에서 분사되는 보조연료가 재순환 포트(90)를 지남에 따라 발생하는 벤츄리 효과에 의해, 연소가스의 재순환율이 높아짐에 따라 질소산화물 발생을 저감할 수 있다.
경사부(97)는 유출구(93)에 위치한다. 경사부(97)는 유출구(93)의 일측으로부터 타측으로 경사를 이루는 경사면으로 이루어지며, 이 경사면이 상기 버너의 중앙측을 향하도록 위치한다.
따라서, 보조연료 및 재순환 연소가스의 연소에 의한 2차 화염이 버너 중앙의 1차 화염 측으로의 방향성을 부여함으로써, 질소산화물이 주로 발생하는 1차 화염의 역할을 최소화하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다.
<재순환 포트(90)의 제2실시예>
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 재순환 포트(90)를 설명한다.
이하의 설명에서는, 상기 제1실시예와의 차이점을 중심으로 설명하며, 제1실시예와 동일한 구성에는 동일한 도면부호를 사용하고, 그 설명을 생략하거나 또는 간략히 한다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2실시예에 따른 재순환 포트(90)는, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 본 발명의 제1실시예에 따른 재순환 포트(90)는, 포트 본체(91), 유입구(94), 축소부(95), 확대부(96), 유출구(93) 및 경사부(97)를 포함한다.
다만, 본 실시예에 따른 재순환 포트(90)는 방향 유도부(98)를 더 포함한다.
본 실시예에 따른 재순환 포트(90)는, 제1실시예와 마찬가지로, 포트 본체(91)의 하단 및 상단에 유입구(94) 및 유출구(93)가 위치하고, 유입구(94)와 유출구(93) 사이에 유로(92)가 형성된다.
그리고, 유로(92)와, 유입구(94) 및 유출구(93)의 각 사이에 축소부(95) 및 확대부(96)가 위치하는 벤츄리 구조로 구성되며, 유출구(93)에는 경사부(97)가 위치한다.
방향 유도부(98)는 경사부(97)로부터 연장되는 관 형태로서, 경사부(97)가 향하는 방향 즉, 경사부(97)로부터 버너 중앙 측을 향하여 연장되어 위치한다.
도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 방향 유도부(98)가 구비됨에 따라, 경사부(97)에 의해 방향성이 부여된 2차 화염을 보다 버너 중앙의 1차 화염 측으로 유도하여, 질소산화물이 주로 발생하는 1차 화염의 역할을 최소화하여 질소산화물의 발생을 추가로 줄일 수 있다.
<재순환 포트(90)의 제3실시예>
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 재순환 포트(90)를 설명한다.
이하의 설명에서도 상기 실시예들과의 차이점을 중심으로 설명하며, 그와 동일한 구성에는 동일한 도면부호를 사용하고, 그 설명을 생략하거나 또는 간략히 한다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 재순환 포트(90)는, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 포트 본체(91)의 하단 및 상단에 유입구(94) 및 유출구(93)가 위치하고, 유입구(94)와 유출구(93) 사이에 유로(92)가 형성되며, 유로(92)와 유입구(94) 사이 및 유로(92)와 유출구(93)의 각 사이에 축소부(95) 및 확대부(96)가 위치하는 벤츄리 구조로 구성되며, 유출구(93)에는 경사부(97)가 위치한다.
본 실시예의 재순환 포트(90)는 보염판(99)을 더 포함한다. 보염판(99)은 다수개의 통공(99a)이 타공된 판 형태로서 경사부(97)에 설치된다.
도 10(b)에 나타낸 바와 같이, 보조연료 및 재순환 연소가스가 보염판(99)의 통공(99a)을 통하여 분사되면서 연소가 이루어지게 되어, 2차 화염을 안정적으로 형성할 수 있다.
<재순환 포트(90)의 제4실시예>
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 재순환 포트(90)를 설명한다.
이하의 설명에서도 상기 실시예들과의 차이점을 중심으로 설명하며, 그와 동일한 구성에는 동일한 도면부호를 사용하고, 그 설명을 생략하거나 또는 간략히 한다.
본 실시예의 재순환 포트(90)는 상기 실시예들과 같이, 벤츄리 구조로 이루어진 포트 본체(91)의 경사부(97)에 메쉬부재(99')가 설치된다.
메쉬부재(99')는 다수의 눈이 형성된 그물망 형태로 구성되며, 도 10(c)에 나타낸 바와 같이, 보조연료 및 재순환 연소가스가 메쉬부재(99')의 그물눈을 통하여 균일하게 분사되면서 연소가 이루어지게 되고, 이로써, 2차 화염을 안정적으로 형성함과 동시에 균일한 연소조건을 구현할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에 따른 재순환 포트는 기술적으로 모순되지 않는 범위에서 조합될 수 있다.
예를 들면, 제2실시예에 따른 재순환 포트의 방향 유도부(98)의 선단에 제3실시예 및 제4실시예에 따른 재순환 포트의 보염판(99) 및 메쉬부재(99')가 각각 설치될 수 있다.
<초저질소산화물 연소장치의 연소 과정 설명>
다음으로는 도 11 및 도 13을 더 참조하여, 본 발명에 실시예에 따른 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치(100)의 연소 과정 및 효과에 대해서 설명한다.
도 11을 참조하면, 초저질소산화물 연소장치(100)로 연료 및 산화제가 공급되어 연소가 이루어진다.
산화제 공급부(80)를 통해 산화제가 공급되고, 공급된 산화제 중 일부는 주연료 분사체(10) 내부의 중심 산화제 분사체(85)를 통해 유동한다.
이와 동시에 연료공급부(50)로부터 주연료가 제1연료라인(51)을 거쳐 주연료 분사체(10)로 공급된다.
주연료 분사체(10) 내를 유동하는 주연료는 주연료 분사부(11)의 외주면을 통해 반경 방향으로 분사되는 과정을 거치는데, 상기와 같이 분사된 주연료는 산화제와 반응하여 예혼합 영역(78)을 형성한다.
여기에서, 상기 주연료 분사부(11)는 연소로(1) 방향으로 향할수록 확개되는 형상을 가지므로 분사되는 연료가 넓은 부위에 걸친 예혼합 영역(78)을 형성할 수 있도록 한다.
예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 주연료 분사체(10)의 선단을 통하여 또는 스월러(30)를 통해 축방향 모멘텀(Axial momentum) 및 접선 방향 모멘텀(Tangential momentum)을 가진 상태로 연소로(1) 내로 분사되어, 1차 화염 공간을 이루며 연소된다.
다음으로는, 연료공급부(50)로부터 연료가 제2연료라인(52)을 거쳐 보조연료 분사체(20)로 공급된다.
보조연료 분사체(20)를 통해 1차 화염 공간(72)의 상부 측으로 분사되는 보조연료는 1차 화염 공간(72)에서 미반응된 산화제와 반응하는 과정을 통해 2차 화염 공간(74)을 형성한다.
1차 화염 공간(72)에서의 가연성 가스 중 일부는 스월러(30) 외곽으로 공급되는 예혼합기와 혼합되어 1차 화염의 후류로 이동하여 2차 화염 공간(74)을 형성하게 된다.
주연료 분사체(10)에서 분사된 연료는 연소로(1) 내에서의 다단 공기유동에 의해 1차 화염 공간(72)을 형성하게 되고, 보조연료 분사체(20)에서 분사된 연료는 주연료 분사체(10)의 1차 화염 공간(72)에서 전달된 열에 의한 분위기 온도와 잔류 산소에 의해 부분적인 산화 반응을 하게 되어 여러 가연성 가스 종으로 전환되어 화염 후류에서 2차 화염 공간(74)을 구성하게 된다.
따라서, 상기 연료농후영역과 연료희박영역의 화염이 연소로 내에서 다단으로 조성될 수 있다.
다시 말해, 1차 연료 분사체(10)의 반경 방향을 따라 분사되는 주연료가 산화제와 예비 혼합되어 예혼합 영역(78)을 형성하고, 상기 예혼합 영역(78)으로부터 연소로(1) 내에 공급된 예혼합기가 1차 화염 공간(72)을 형성하고, 보조연료 분사체(20)로부터 2차 연료인 보조연료를 1차 화염 공간(72)의 후단으로 분사하여 최종 화염의 형태를 이루도록 한다.
상기와 같이, 연소로(1) 내에는 주연료 분사체(10) 및 보조연료 분사체(20)에 의해 분사되는 연료에 의해 다단 화염 공간이 형성된다.
상기 1차 화염 공간(72)의 후단부에는 2차 화염 공간(74)이 만들어진다. 2차 화염 공간(74)은 연소로(1)의 내부 측으로 더 진입한 공간에 1차 화염 공간(72)을 둘러싸는 형태로 형성된다.
상기 1, 2차 화염 공간(72, 74)을 포함하는 다단 화염 공간에서의 연소가스(75)는 상기한 산화제의 공급에 의해 주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20)사이에 형성되는 유속에 의해 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되어 유동함에 따라 주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20) 사이에 형성되는 예혼합 영역(78)측으로 유동하며 연소로(1) 내에서 연소된다.
이와 별도로 연소로(1)의 내주면과 버너(5)의 외주면 사이의 공간에는 재순환 영역이 형성된다. 이러한 재순환 영역에서 와류 형태로 연소가스(76)가 유동한다.
상기와 같은 연소과정을 통하여 연소로(1) 내부 재순환 영역에서 발생한 연소가스(76)는 버너(5)의 외주면 및 연소로(1)의 내주면 사이 공간인 재순환 영역을 통하여 유동한다.
재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)는, 보조연료 분사체(20)의 선단에서 고속으로 분사되는 연료에 의해 형성되는 유속에 의하여 재순환 포트(90)의 유입구로 유입된다.
이와 같이, 재순환 포트(90)로 유입된 연소가스(76)는 보조연료 분사체(20)의 선단에서 분사되는 연료와 혼합되어 연소로(1) 내부로 공급되어 연소될 수 있다.
또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 연소가스의 다른 실시예의 재순환 경로로서, 연소로(1) 내부와 산화제 재순환 유도부(40)의 외주연이 연통되도록 함으로써, 재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)의 일부는 산화제 재순환 유도부(40)롤 공급되는 산화제의 유속에 의해 유동하여, 이격되어 위치한 각 보조연료 분사체(20) 사이를 통하여 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되고, 주연료 분사체(10)의 주위로 유동하여 예혼합 영역(78)과 혼합되어 연소로(1) 내 1차 화염 공간(72)으로 공급됨으로써 연소가 이루어질 수 있다.
또한, 재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)의 나머지 일부는 상기와 같이, 보조연료 분사체(20)의 선단에서 고속으로 분사되는 연료의 유속에 의하여, 재순환 포트(90)를 통하여 연소로(1) 내로 유입되어 연소된다.
한편, 산화제 재순환 유도부(40)로부터 산화제의 유동 공간으로 배출되는 연소가스는 재순환 촉진 돌기부(61)에 의해 그 유동 속도가 증가됨으로써 연소 가스 및 산화제의 유속을 상승시키는 동시에 박리를 방지할 수 있다.
상기의 과정을 거쳐 예혼합기 및 재순환 유도부(40)를 통하여 재순환 되는 연소가스가 1차 화염 공간(72)에 유입되어 연소되는 과정을 통하여 연소로(1) 내에서 화염을 이루도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 재순환 포트를 포함하는 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 연소로 내에서 발생하는 연소가스가 별도의 동력을 요함이 없이 산화제와 함께 연소로에 재유입되어 반응함으로써 연료 중 질소 성분의 산화에 의한 질소산화물 생성을 원천적으로 저감할 수 있고, 여기에 연소가스의 재순환을 위한 재순환 포트의 구조를 개선함으로써, 기존의 내부 재순환 연소장치에 비해 현저한 질소 산화물 저감 효과를 나타낸다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 재순환 포트를 포함하는 연소장치 및 종래기술에 따른 연소장치에서의 질소산화물 발생량을 측정한 결과, 상기한 종래기술에 따른 연소장치에서는 질소산화물이 약 12ppm 수준으로 발생하였으나, 본 발명에 따른 재순환 포트를 포함하는 연소장치에서는 질소산화물의 발생이 약 7ppm으로서 40% 이상 저감됨을 확인할 수 있다.
1: 연소로
5: 버너
10: 주연료 분사체
11: 주연료 분사부
13: 이송부
20: 보조연료 분사체
30: 스월러
40: 산화제 재순환 유도부
41: 내부 재순환 슬리브
43: 연결 가이드
45: 분사 노즐
47: 경사부재
50: 연료 공급부
51: 제 1 연료라인
52: 제 2 연료라인
55, 56: 솔레노이드 밸브
60: 공기 다단 슬리브
61: 재순환 촉진 돌기부
72: 1차 화염 공간
74: 2차 화염 공간
76: 재순환 영역의 연소가스
78: 예혼합 영역
80: 산화제 공급부
85: 중심 산화제 분사체
90: 재순환 포트
91: 포트 본체
92: 유로
93: 유출구
94: 유입구
95: 축소부
96: 확대부
97: 경사부
98: 방향 유도부
99: 보염판
99a: 통공
99' : 메쉬부재
100: 초저질소산화물 연소장치

Claims (12)

  1. 연소로(1);
    일측이 상기 연소로(1) 내에 삽입되되, 삽입된 일측 및 외주면이 상기 연소로(1)의 내면과 소정간격 이격되어 위치하는 버너(5);
    상기 버너(5)의 중앙에 위치하며, 공급되는 주연료 및 산화제가 연소되어 상기 연소로 중앙부에 1차 화염공간을 형성하는 주연료 분사체(10);
    상기 주연료 분사체(10)를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너(5)의 일측 단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하며, 그 선단으로 보조연료가 분사되는 보조연료 분사체(20);
    상기 보조연료 분사체(20)의 선단부 측에 위치하는 재순환 포트(90);를 포함하고,
    상기 재순환 포트(90)는,
    내부에 유로(92)가 형성되며, 유로(92) 상부에 위치하는 유출구(93) 및 유로 하부에 위치하는 유입구(94)가 구비되는 포트 본체(91);
    상기 유입구(94)에서 상기 유로(92)의 하부를 향하여 직경이 점점 좁아지도록 형성된 축소부(95);
    상기 유로(92)의 상부에서 상기 유출구(93)를 향하여 직경이 점점 넓어지도록 형성된 확대부(96);
    상기 유출구(93) 측이 상기 버너(5)의 중앙부를 향하도록 경사지게 형성된 경사부(97); 및
    상기 경사부(97)로부터 상기 버너(5)의 중앙부를 향하도록 연장되는 방향 유도부(98);를 포함하며,
    연소에 의해 발생하여 상기 연소로(1)의 내주면과 상기 버너(5)의 외주면 사이로 유동하는 연소가스가 상기 보조연료 분사체(20)로 분사되는 상기 보조연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트(90)로 유입되며, 유입된 상기 연소가스와 상기 보조연료는 상기 방향 유도부(98)를 통하여 상기 연소로(1) 내부 중앙의 상기 1차 화염 공간 측으로 2차 화염 공간을 형성하면서 상기 연소가스의 재연소가 이루어지는,
    초저질소산화물 연소장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 포트(90)는 상기 경사부(97)에 위치하며 다수의 통공(99a)이 형성된 보염판(99)을 더 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 포트(90)는 상기 경사부(97)에 위치하는 메쉬부재(99')를 더 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 포트(90)는 상기 방향 유도부(98)의 선단에 위치하며 다수의 통공(99a)이 형성된 보염판(99)을 더 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 포트(90)는 상기 방향 유도부(98)의 선단에 위치하는 메쉬부재(99')를 더 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  7. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주연료 분사체(10)와 상기 보조연료 분사체(20) 사이에 위치하는 산화제 재순환 유도부(40)를 더 포함하며,
    상기 보조연료 분사체(20)는 상기 주연료 분사체(10)를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되고,
    상기 재순환 포트(90) 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 주연료 분사체(10)와 상기 보조연료 분사체(20) 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되어 상기 연소로(1) 내로 유동하여 연소되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연소에 의해 발생하는 화염 공간 내측의 연소가스는 상기 주연료 분사체(10)와 보조연료 분사체(20) 사이로 공급되는 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부(40)를 통하여 상기 연소로(1)로 공급되어 재연소가 이루어지며,
    상기 연소에 의해 발생하는 상기 화염 공간 둘레측에서 상기 연소로(1)의 내주면과 상기 버너(5)의 외주면 사이로 유동하는 연소가스는 상기 보조연료 분사체(20)의 선단부로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트(90)를 통하여 상기 연소로(1) 내부로 유입되면서 상기 보조연료 분사체(20)에서 분사되는 연료와 혼합되어 재연소가 이루어지는,
    초저질소산화물 연소장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보조연료 분사체(20)는 상기 주연료 분사체(10)를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되고 상기 산화제 재순환 유도부(40) 일측이 개방됨으로써, 상기 복수의 보조연료 분사체(20)의 간격과 상기 산화제 재순환 유도부(40)의 개방된 부분을 통하여, 상기 연소로(1)의 상기 화염 공간 둘레측과 상기 재순환 유도부(40)의 일측이 연통되며,
    상기 재순환 포트(90) 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 주연료 분사체(10)와 상기 보조연료 분사체(20) 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부(40)의 연통된 상기 일측으로 유입되어 상기 연소로(1) 내로 유동하여 연소되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화제 재순환 유도부(40)는,
    상기 보조연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41), 상기 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드(43), 상기 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45)을 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 노즐(45)은 상기 주연료 분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 주연료 분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시키는,
    초저질소산화물 연소장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 노즐(45)과 상기 주연료 분사체(10)의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부(61);를 더 포함하며,
    상기 재순환 촉진 돌기부(61)는 상기 주연료 분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.
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