KR102356305B1 - 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치에 관한 것으로서, 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과, 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 내관을 에워싸게 형성되어 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과, 내관의 하단과 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 상기 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과, 제1바닥판의 하방으로 연장되어 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와, 제1바닥판에 장착되며 증기인입구로부터 유입된 증기와 연료인입구를 통해 유입된 연료를 혼화하여 토출구를 통해 토출하는 혼화 노즐본체와, 연료인입구를 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와, 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 상기 권선부분으로부터 연장된 일단은 상기 혼화 노즐본체의 증기인입구와 연통되게 연결된 가열관과, 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 상기 가열관 내로 공급하는 물공급부를 구비한다.

Description

과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치{Combustion burner apparatus using superheated steam}

본 발명은 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치에 관한 것으로서, 상세하게는 과열증기에 연료가 혼화되어 공급될 수 있도록 된 연소버너장치에 관한 것이다.

일반적인 연료 연소장치는 연료공급원으로부터 공급되는 연료를 노즐을 통해 분사하고, 분사된 연료가 연소실 내부에서 연소 되게 하는 구조로 되어 있다.

이와 같이 연료만을 직접 연소시키는 연료 연소장치는 연료원 고유의 화력으로 제한되고, 벙커시유와 같은 저렴한 액상 연료를 적용하는 경우 연소시 불완전 연소로 인한 대기오염을 야기시키는 단점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에는 저렴한 액상연료를 물을 가열하여 얻은 고온의 증기와 함께 분사하여 연소시킴으로써 연료의 미분화 및 활성화를 통해 완전연소를 유도하고 화력을 보강하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

즉, 연소되는 화염에 가열되어 물을 증기화 하기 위한 나선형상으로 말아진 금속 코일관과 같은 가열된 증기 발생관을 통과시켜 고압의 증기를 얻고 이를 직접 액상의 연료와 함께 분사하면서 연소 되도록 하는 증기를 이용한 연료 연소장치가 개발된 바 있다. 이처럼 벙커시유와 같은 저렴한 액상연료를 완전 연소시키고 화력을 보강하기 위해서는 수증기가 고온이 되면, 수소와 산소로 해리되는 열분해 성질은 프랑스의 화학자 라부아지에(서기 1743 ~ 1794)가 주장한 원리로 금속관을 고열로 가열하여 적열시키고 그 금속관에 물을 통과시키면 수소가 발생함을 확인한 실험으로 500℃ 정도에서 탄소(C)가 공급되면, 물은 이산화탄소와 수소가스로 분해된다고 알려진바 있다(C + 2H2O →CO2 + 2H2 ↑). 또한, 고온의 수증기와 함께 연료가 고압으로 분사되도록 함으로써 연료는 고온에 의해 활성화된 상태로 미세하게 분사되어 보다 화력이 강해지고, 완전연소를 유도할 수 있게 되는 것이다.

이러한 증기를 이용한 연료 연소장치는 국내 등록특허 제10-1292141호 등 다양하게 개시되어 있다.

한편, 증기를 연료화 함께 공급하면서 연소하는 구조의 경우 연료를 펌핑하여 공급하기 위한 연료 펌프와, 증기를 생성하기 위한 물을 공급하기 위한 펌프가 각각 사용되고 있어, 연료가 증기의 이송력에 의해 자동으로 공급되어 혼화될 수 있게 하여 작동 구조를 단순화시킬 수 있는 구조가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 연료가 증기의 이송력에 의해 자동으로 공급되어 혼화될 수 있게 하여 작동구조를 단순화시킬 수 있는 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치는 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과; 상기 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 상기 내관을 에워싸게 형성되어 상기 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과; 상기 내관의 하단과 상기 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 상기 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과; 상기 제1바닥판의 하방으로 연장되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와; 상기 제1바닥판에 장착되며 증기인입구로부터 유입된 증기와 연료인입구를 통해 유입된 연료를 혼화하여 토출구를 통해 토출하는 혼화 노즐본체와; 상기 연료인입구를 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 상기 권선부분으로부터 연장된 일단은 상기 혼화 노즐본체의 증기인입구와 연통되게 연결된 가열관과; 상기 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 상기 가열관 내로 공급하는 물공급부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 혼화 노즐 본체는 상기 연료인입구가 외주면에 형성되어 있고 상하방향으로 개방되며 상기 연료 인입구와 연통되는 내부 수용공간을 갖는 외부 하우징과; 상기 외부 하우징의 하부를 통해 상기 내부 수용공간 내에 수용되게 장착되어 상기 외부 하우징의 상부 및 하부를 폐쇄시키되 외주면과 상기 외부 하우징의 내주면 사이에 상기 연료인입구를 통해 유입된 연료가 유동하는 연료중계로를 갖게 형성되어 있고, 상기 토출구와 연통되게 길이방향을 따라 관통되되 하부에 상기 증기 인입구가 형성되어 상기 가열관으로부터 증기를 인입받는 메인 유로가 형성되어 있고, 상기 연료 중계로와 상기 메인 유로가 상호 연통되게 외측면으로부터 상기 메인유로까지 연장되게 형성된 연료혼화 연통로를 갖는 내부 혼화유니트;를 구비한다.

또한, 상기 메인 유로는 상기 토출구로부터 하방으로 연장되며 제1내경을 갖게 형성된 제1부분과; 상기 제1부분의 하단에서 하방으로 연장되되 상기 제1내경보다 확장된 내경을 갖는 제2부분;을 구비하고, 상기 연료혼화 연통로는 상기 제1부분에 형성된다.

본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치에 의하면, 과열증기의 이송에 연료가 자동으로 혼합상태로 공급될 수 있어 구조를 단순화시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 노즐 본체에 대한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 노즐 본체에 대한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치(100)는 본체(110), 혼화 노즐본체(150), 가열관(160), 물공급부(170), 제1송풍기(181), 제2송풍기(182)를 구비한다.

본체(110)는 공급된 연료를 연소할 수 있도록 되어 있고, 내관(121), 외관(131), 제1바닥판(125), 보조공간 형성부(127)를 구비한다.

내관(121)은 메인 연소공간(112)을 형성하며 상방으로 연장되어 있다. 내관(121)은 상하로 관통되며 속이 빈 원통관 형상으로 형성되어 있다.

외관(131)은 내관(121)에 대해 이격되는 이격공간(133)을 형성하도록 내관(121)을 에워싸게 형성되어 내관(121)보다 더 높게 상방으로 연장되어 있다.

외관(131)과 내관(121) 사이의 이격공간(133)은 내관(121)에 대한 단열기능과 함께 제2송풍기(182)를 통해 공급되는 공기에 의해 내관(121) 상부에서의 완전 연소가 이루어질 수 있는 2차 공기 공급경로를 제공한다. 외관(131)의 내관(121) 상부에 연장된 상단은 내경이 점진적으로 좁아지게 형성되어 있다. 외관(131) 상부와 내관(121) 상부는 조립성 및 내부 장착요소의 장착 편의성을 위해 외경이 확장되는 방향으로 연장된 플랜지(136)를 통해 상호 분리 및 결합될 수 있게 형성되어 있다.

제1바닥판(125)은 내관(121)의 하단과 외관(131)의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 이격공간(133)의 하부를 폐쇄시키게 설치되어 있고, 내관(121)의 메인 연소공간(112)과 보조공간(128)은 공기의 유입이 가능하게 연통되게 형성되어 있다.

보조공간 형성부(127)는 제1바닥판(125)의 하방으로 연장되어 메인 연소공간(112)과 연통되는 보조공간(128)을 형성한다. 보조공간 형성부(127)는 혼화 노즐본체(150)에 접속되는 요소를 수용할 수 있는 공간도 제공한다.

혼화 노즐본체(150)는 제1바닥판(125)의 중앙에 장착되며 증기인입구(156)로부터 유입된 증기와 연료인입구(152)를 통해 유입된 연료를 혼화 하여 토출구(150a)를 통해 토출 한다.

혼화 노즐본체(150)는 외부 하우징(151)과 내부 혼화유니트(155)를 구비한다.

외부 하우징(151)은 연료인입구(152)가 외주면에 형성되어 있고 상하방향으로 개방되며 연료 인입구(152)와 연통되는 내부 수용공간(153)을 갖는 원통형 구조로 형성되어 있다. 참조부호 154는 외부 하우징(151)의 연료 인입구(152)에 나사결합되어 후술되는 연료공급관(157)과 연통되게 접속하기 위한 연료 공급용 접속소켓이다.

외부 하우징(151)의 하부 내주면에는 내부 혼화 유니트(155)가 나사결합되어 내부 수용공간(153)내로 수용되게 결합될 수 있게 나사선이 형성되어 있다.

내부 혼화 유니트(155)는 외부 하우징(151)의 하부를 통해 나사결합되어 내부 수용공간(153) 내에 수용되게 장착되어 외부 하우징(151)의 상부 및 하부 양단 즉, 상부 개구와 하부개구를 폐쇄시키되 중앙부분의 외주면(155a)과 외부 하우징(151)의 내주면 사이에 연료인입구(152)을 통해 유입된 연료가 유동하는 연료중계로(158)를 갖게 양단 사이의 중앙부분의 외경이 외부 하우징(151)의 내경보다 작게 길이방향을 따라 단차져 연장된 형상으로 되어 있다. 여기서 연료중계로(158)는 외부 하우징(151)의 내부 수용공간(153)에서 내부 혼화 유니트(155)에 점유되고 남은 공간이다.

내부 혼화 유니트(155)는 상부 중앙에 형성된 토출구(150a)와 연통되게 길이방향을 따라 관통되되 하부에 증기 인입구(156)가 형성되어 가열관(160)으로부터 증기를 인입받는 메인 유로(157)가 형성되어 있다. 또한, 내부 혼화 유니트(155)는 연료 중계로(158)와 메인 유로(157)가 상호 연통되게 외측면으로부터 메인유로(157)까지 연장되게 형성된 연료혼화 연통로(159)를 갖는 구조로 되어 있다.

여기서, 메인 유로(157)는 토출구(150a)로부터 하방으로 연장되며 제1내경을 갖게 형성된 제1부분(157a)과, 제1부분(157a)의 하단에서 하방으로 연장되되 제1내경보다 확장된 내경을 갖는 제2부분(157b)을 갖는 구조로 되어 있다.

또한, 연료혼화 연통로(159)는 제1부분(157a)에 형성되어 있다.

이 경우 가열관으로부터 메인 유로(157)의 제2부분(157b)을 통해 이송되는 과열증기가 제1부분(157a)을 통과할 때는 상대적으로 좁아진 내경에 의해 속도가 증가되고 그에 따라 연료혼화 연통로(159)의 압력이 낮아지면서 연료인입구(152)로부터 연료중계로(158)로 유입된 연료가 연료혼화 연통로(159)를 통해 제1부분(157a)으로 자동으로 공급된다. 따라서, 연료를 펌핑하기 위한 별도의 펌프 없이 도 연료가 과열증기의 이송로로 유입 및 혼화되어 토출구(150a)로 토출됨으로써 연교공급 구조를 단순화 시킬 수 있다.

한편, 내부 혼화 유니트(155)는 외부 하우징(151)에 나사결합되는 메인바디(155a)의 하부에 제1결속유니트(155b)가 메인 유로(157)와 연통되게 나사결합되어 있다. 또한, 메인바디(155a) 하부 외측면과 제1결속유니트(155b)의 하부 외측면에 외경이 확장된 각형지지부분이 형성되어 있다. 따라서, 각형지지부분 사이에 제1바닥판(125)의 상부 및 하부가 접촉되게 제1결속유니트(155b)의 결합위치를 조정하면 혼화 노즐본체(150)를 제1바닥판(125)에 고정시킬 수 있다. 노즐 혼화 본체(150)는 도시된 예와 다른 구조로 제1바닥판(125)에 고정시킬 수 있음은 물론이다.

연료공급부(155)는 연료공급관(157)을 통해 연소용 연료를 혼화 노즐본체(150)로 공급한다. 연료공급부(155)로부터 혼화 노즐본체(150)와 접속된 연료공급관(157)에는 연료공급을 조정하는 제1밸브(158)가 장착되어 있다. 연료공급부(155)의 연료공급관(157)으로 연료를 공급하는 연료탱크(미도시)의 높이는 혼화 노즐본체(150)보다 높은 위치로 배치되는 것이 바람직하다.

점화장치(159)는 혼화 노즐본체(150)의 토출구(150a)를 통해 분사되는 연료를 초기에 점화할 수 있게 혼화 노즐본체(150)에 인접되게 장착되어 있다.

가열관(160)은 내관(121) 내에 설치된 지지체(165)에 일부가 수용되게 지지되며 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분(160a)을 갖으며 권선부분(160a)으로부터 연장된 일단은 혼화 노즐본체(150)의 증기인입구(156)과 연통되게 제2결속유니트(155c)와 연결되어 있다. 가열관(160)의 타단과 권선부분(160a) 사이에는 직선상으로 연장된 인입부분(160b)이 마련되어 있다.

물공급부(170)는 가열관(160)의 타단을 통해 접속되어 물을 미립상태로 안개화되게 하는 분무상태로 가열관(160) 내로 공급한다. 물공급부(170)는 예열기(174), 고압분사부(175) 및 분사관(176) 및 노즐(177)을 구비한다.

물공급부(170)는 분사관(176)과 직렬상으로 연장된 수관(173)을 통해 물을 공급한다. 여기서 수관(173)은 물이 저수된 탱크 또는 상용물공급관과 접속되어 있다.

예열기(174)는 수관(173) 외측에 장착되어 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가열하여 1차 예열한다. 예열기(174)는 수관(173)을 에워싸면서 가열할 수 있는 히터 등 다양한 방식으로 가열할 수 있게 구축될 수 있다. 예열기(174)에 의해 가열되는 물의 온도는 장치 규모 및 공급용량과 관련하여 적절하게 적용하면 된다.

고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 수관(173)과 직렬상으로 접속된 분사관(176)의 노즐(177)을 통해 안개와 같은 연무상태로 분무되게 고압상태로 공급한다. 고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가압상태로 펌핑하여 공급하는 펌프가 적용될 수 있다.

분사관(176)은 고압분사부(175)로부터 연장되어 가열관의 타단 내로 진입되게 설치되어 있고 종단에 노즐(177)이 장착되어 있다. 여기서, 고압분사부(175), 분사관(176) 및 노즐(177)이 분무기로서 적용되었다.

참조부호 178은 분사관(176)의 유로를 개폐하는 밸브이다.

제1송풍기(181)는 보조공간 형성부(127)의 하부에 보조공간(128)과 연통되게 마련된 제1송풍관(129)에 결합되어 메인연소공간(112)으로 공기를 송풍한다.

제2송풍기(182)는 외관(131)에 대해 경사지게 접속되어 이격공간(133)과 연통되는 제2송풍관(132)을 통해 접속되어 이격공간(133)을 통해 내관(121) 상부의 공간으로 공기를 공급한다.

나선 블레이드(141)는 내관(121)의 상부 외주면에 제2송풍기(182)를 통해 공급된 공기를 간섭하여 나선 형태로 진행되게 다수개가 상호 이격되게 경사지게 돌출되어 연장되어 있다. 이러한 나선 블레이드(141)들은 나선형태로 소용돌이 치게 공기흐름을 생성함으로써 내관(121) 상부로 진행하는 연소 기체에 대해 2차 연소를 보다 활성화 상태로 촉진시켜 연소효율을 향상시킨다.

질소산화물 저감부재(190)는 내관(121) 상부의 외관(131) 내부에 설치되며 하부가 넓고 상부가 좁은 중공을 갖으며 외주면에 다수의 통공(192)이 타공된 절두 원추형 형상으로 형성되어 있다. 질소산화물 저감부재(190)는 내주면(194)이 팔라듐(Pd)으로 코팅 처리되어 있고, 외주면(196)에 로듐(Rh)으로 코팅처리되어 있다. 이러한 질소산화물 저감부재(190)는 연소과정에서 질소와 산소가 반응하여 불안정한 상태로 생성되는 질소산화물을 질소와 산소로 분해되게 변환시키는 촉매 변환기로서 기능하여 대기오염을 감소시키는 기능을 한다.

이러한, 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치에 의하면, 과열증기의 이송에 연료가 자동으로 혼합상태로 공급될 수 있어 구조를 단순화시킬 수 있는 장점을 제공한다.

110: 본체 150: 혼화 노즐본체
160: 가열관 170: 분무처리부
181: 제1송풍기 182: 제2송풍기

Claims (3)

1. 삭제
2. 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과;
   상기 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 상기 내관을 에워싸게 형성되어 상기 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과;
   상기 내관의 하단과 상기 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 상기 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과;
   상기 제1바닥판의 하방으로 연장되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와;
   상기 제1바닥판에 장착되며 증기인입구로부터 유입된 증기와 연료인입구를 통해 유입된 연료를 혼화하여 토출구를 통해 토출하는 혼화 노즐본체와;
   상기 연료인입구를 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와;
   상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 상기 권선부분으로부터 연장된 일단은 상기 혼화 노즐본체의 증기인입구와 연통되게 연결된 가열관과;
   상기 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 상기 가열관 내로 공급하는 물공급부;를 구비하고,
   상기 혼화 노즐 본체는
   상기 연료인입구가 외주면에 형성되어 있고 상하방향으로 개방되며 상기 연료 인입구와 연통되는 내부 수용공간을 갖는 외부 하우징과;
   상기 외부 하우징의 하부를 통해 상기 내부 수용공간 내에 수용되게 장착되어 상기 외부 하우징의 상부 및 하부를 폐쇄시키되 외주면과 상기 외부 하우징의 내주면 사이에 상기 연료인입구를 통해 유입된 연료가 유동하는 연료중계로를 갖게 형성되어 있고, 상기 토출구와 연통되게 길이방향을 따라 관통되되 하부에 상기 증기 인입구가 형성되어 상기 가열관으로부터 증기를 인입받는 메인 유로가 형성되어 있고, 상기 연료 중계로와 상기 메인 유로가 상호 연통되게 외측면으로부터 상기 메인유로까지 연장되게 형성된 연료혼화 연통로를 갖는 내부 혼화유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 메인 유로는
   상기 토출구로부터 하방으로 연장되며 제1내경을 갖게 형성된 제1부분과;
   상기 제1부분의 하단에서 하방으로 연장되되 상기 제1내경보다 확장된 내경을 갖는 제2부분;을 구비하고,
   상기 연료혼화 연통로는 상기 제1부분에 형성된 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연료 혼화형 연소버너장치.

Images