KR102464465B1 - 환원매체 기화장치 및 그 제어방법 - Google Patents

환원매체 기화장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

환원매체 기화장치 및 그 제어방법에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 환원매체 기화장치는: 가열공기가 유입되는 입구부와, 가열공기와 환원매체가 혼합되어 배출되는 출구부가 형성되는 하우징부; 입구부에 배치되고, 복수의 블레이드부가 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되며, 코어채널부를 통과하는 가열공기가 직진성을 갖게 하고, 복수의 블레이드부를 통과하는 가열공기가 선회성을 갖게 하여, 기둥 형태의 선회제트류를 형성하는 임펠러부; 및 선회제트류에 환원매체를 분사하도록 임펠러부의 배출측에 설치되는 분사노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

환원매체 기화장치 및 그 제어방법{REDUCING AGENT VAPORIZING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 환원매체 기화장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환원매체가 기화되면서 벽면에 부착 및 석출되는 것을 방지할 수 있는 환원매체 기화장치 및 그 제어방법에 관한 것이
일반적으로 요소수 기화기는 선택적촉매환원 반응기에서 환원제로 사용되는 요소를 기화시키는 장치이다. 선택적촉매환원 반응기는 화력발전, 지역난방 등 산업용 보일러에서 적용된다. 요소수 기화기는 요소수 기화기의 내부로 유입되는 고온 공기에 요소 액적을 분사하여 기화시킨다.
그러나, 종래의 요소수 기화기는 입구 덕트에 유입되는 고온 공기가 하우징의 내부로 유입되면서 외측으로 확산되면서 유동된다. 따라서, 요소 액적이 기화 완료되기 이전에 하우징의 벽면이나 구조물에 충돌하여 부착되고, 벽면이나 구조물에 부착된 요소 액적은 멜라민(melamin complex)으로 석출되면서 성장하고, 결국 유로를 막아 운전 장애를 발생시키는 경우가 빈번하게 발생되었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제1905839호(2018. 10. 08 공고, 발명의 명칭: 플라즈마 버너를 이용한 요소수 기화기)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 환원매체가 기화되면서 벽면에 부착 및 석출되는 것을 방지할 수 있는 환원매체 기화장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 환원매체 기화장치는: 가열공기가 유입되는 입구부와, 가열공기와 요소수가 혼합되어 배출되는 출구부가 형성되는 하우징부; 상기 입구부에 배치되고, 복수의 블레이드부가 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되며, 코어채널부를 통과하는 가열공기가 직진성을 갖게 하고, 복수의 블레이드부를 통과하는 가열공기가 선회성을 갖게 하여, 기둥 형태의 선회제트류를 형성하는 임펠러부; 및 상기 선회제트류에 환원매체를 분사하도록 상기 임펠러부의 배출측에 설치되는 분사노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
복수의 상기 블레이드부는 상기 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 이너 블레이드; 복수의 상기 이너 블레이드의 외측을 둘러싸도록 설치되는 덕트부; 및 상기 이너 블레이드의 개수보다 많은 개수가 상기 덕트부에 방사상으로 연결되는 복수의 아우터 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 아우터 블레이드의 설치 개수는 상기 이너 블레이드의 설치 개수에 비해 1.5-2.5배 설치될 수 있다.
복수의 상기 이너 블레이드는 상기 임펠러부의 직경방향 평면에 대하여 경사지게 배치되고, 복수의 상기 아우터 블레이드는 상기 이너 블레이드와 동일한 방향으로 경사지게 배치될 수 있다.
복수의 상기 아우터 블레이드는 상기 이너 블레이드와 동일한 각도로 경사지게 배치될 수 있다.
복수의 상기 아우터 블레이드는 복수의 상기 이너 블레이드의 단부에 연결되는 복수의 제1아우터 블레이드; 및 복수의 상기 제1아우터 블레이드 사이에 배치되는 복수의 제2아우터 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 덕트부는 상기 코어채널부와 동심을 이루도록 원형 파이프 형태로 형성될 수 있다.
상기 아우터 블레이드와 상기 이너 블레이드는 동일한 길이로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 환원매체 기화장치의 제어방법은: 가열공기가 입구부를 통해 유입되는 단계; 코어채널부를 통과하는 가열공기가 직진성을 갖게 하고, 복수의 블레이드부를 통과하는 가열공기가 선회성을 갖게 하여, 기둥 형태의 선회제트류를 형성하는 단계; 및 분사노즐부에서 상기 선회제트류에 환원매체를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코어채널부를 통과하는 가열공기의 유속은 상기 블레이드부의 복수의 이너 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성되고, 복수의 상기 이너 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속은 상기 블레이드부의 복수의 아우터 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성될 수 있다.
상기 분사노즐부는 상기 가열공기가 상기 선회제트류를 형성하기 시작하는 영역에 상기 환원매체를 분사할 수 있다.
본 발명에 따르면, 임펠러부에서 토출되는 가열공기가 코어에서 선회가 없고 유속이 가장 빠른 직진 유동과, 외곽으로 갈수록 유속이 감소하면서 선회강도를 가지는 선회 유동이 동시에 일어나는 선회제트류가 형성된다. 이러한 선회제트류는 직진성과 선회력을 동시에 가지고 하우징의 중심축을 따라 유동되고, 반경방향으로의 확장이 최소화된다.
또한, 본 발명에 따르면, 선회제트류의 중앙에 분사된 환원매체가 직선 유동 영역을 따라 유동되고, 선회 유동 영역에 진입한 환원매체의 액적은 외곽의 원심력이 중앙에 비해 낮아 선회제트류의 밖으로 빠져나가지 못한다. 따라서, 환원매체의 액적이 하우징부(110)의 내측면으로 접근하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온공기가 선회제트류에 집중된 상태로 유동하므로, 대류열전달이 최소화되는 고속 및 고온의 조건에서 환원매체가 신속하게 기화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치에서 임펠러부와 분사노즐부를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부에서 발생되는 선회제트류의 직경방향 유속을 개략적으로 도시한 도면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부에서 선회제트류의 형태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 하우징부에서 선회제트류의 요소수 액적 궤적을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치에서 선회제트류의 선회강도에 따른 유동과 액적 거동을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 제어방법을 도시한 플로우 차트이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 환원매체 기화장치 및 그 제어방법의 일 실시예를 설명한다. 환원매체 기화장치 및 그 제어방법을 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치에서 임펠러부와 분사노즐부를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치(100)는 하우징부(110), 임펠러부(120) 및 분사노즐부(130)를 포함한다.
하우징부(110)는 가열공기가 유입되는 입구부(112)와, 가열공기와 환원매체가 혼합되어 배출되는 출구부(113)가 형성된다. 하우징부(110)의 입구부(112)에는 300-450℃ 정도의 가열공기가 유입된다. 하우징부(110)의 출구부(113)는 배기가스 등에 함유된 질소산화물(NOX)을 제거하는 탈질설비(10)에 연결된다.
하우징부(110)는 하우징 바디부(111), 제1테이퍼부(115) 및 제2테이퍼부(116)를 포함한다. 하우징 바디부(111)는 원통형으로 형성된다. 제1테이퍼부(115)는 입구부(112)에서 하우징 바디부(111)를 향하여 넓어지도록 경사지게 형성된다. 제2테이퍼부(116)는 하우징 바디부(111)에서 출구부(113)를 향하여 좁아지도록 경사지게 형성된다.
임펠러부(120)는 입구부(112)에 배치되고, 복수의 블레이드부(123,127)가 코어채널부(121)를 중심으로 방사상으로 배치되며, 코어채널부(121)를 통과하는 가열공기가 직진성을 갖게 하고, 복수의 블레이드부(123,127)를 통과하는 가열공기가 선회성을 갖게 하여, 기둥 형태의 선회제트류를 형성한다. 코어채널부(121)는 임펠러부(120)의 중심축과 나란한 파이프 형태의 유로를 형성한다.
분사노즐부(130)는 선회제트류에 환원매체를 분사하도록 임펠러부(120)의 배출측에 설치된다. 분사노즐부(130)는 임펠러부(120)에서 배출되는 가열공기가 선회제트류를 형성하기 시작하는 영역에 배치된다. 분사노즐부(130)는 요소수와 같은 환원매체를 선회제트류의 직진방향을 따라 분사하도록 설치된다.
이와 같이, 코어채널부(121)가 복수의 블레이드부(123,127)의 중앙에 형성되고, 복수의 블레이드부(123,127)가 코어채널부(121)를 중심으로 방사상으로 배치되므로, 입구부(112)에 유입된 중심부측의 가열공기는 코어채널부(121)를 통과하면서 저항이 거의 없이 유동됨에 따라 유속이 가장 높고 단위면적당 유량이 증가된다. 따라서, 코어채널부(121)를 통과하는 가열공기는 직진성을 가지게 된다. 또한, 코어채널부(121) 둘레의 가열공기는 복수의 블레이드부(123,127) 사이를 통과함에 의해 코어채널부(121)를 중심으로 선회되고, 복수의 블레이드부(123,127)의 저항에 의해 상대적으로 유속이 낮고 단위면적당 유량이 상대적으로 감소된다.
이로 인해, 임펠러부(120)에서 토출되는 가열공기는 코어에서 선회가 없고 유속이 가장 빠른 직진 유동과, 외곽으로 갈수록 유속이 감소하면서 선회강도(접선속도/축속도)를 가지는 선회 유동이 동시에 일어나는 선회제트류가 형성된다. 선회제트류는 외곽의 원심력이 낮고 중심부의 유속이 상대적으로 높아진다. 이러한 선회제트류는 직진성과 선회력을 동시에 가지고 하우징의 중심축을 따라 유동되고, 반경방향으로의 확장이 최소화된다. 선회제트류의 중앙에 분사된 환원매체는 직선 유동 영역을 따라 유동되고, 선회 유동 영역에 진입한 환원매체의 액적은 외곽의 원심력이 중앙에 비해 낮아 선회제트류의 밖으로 빠져나가지 못한다. 따라서, 환원매체의 액적이 하우징부(110)의 내측면으로 접근하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 고온공기가 선회제트류에 집중된 상태로 유동하므로, 대류열전달이 최소화되는 고속 및 고온의 조건에서 환원매체가 신속하게 기화될 수 있다.
복수의 블레이드부(123,127)는 복수의 이너 블레이드(123), 덕트부(125) 및 아우터 블레이드(127)를 포함한다.
복수의 이너 블레이드(123)는 코어채널부(121)를 중심으로 방사상으로 배치된다. 덕트부(125)는 복수의 이너 블레이드(123)의 외측을 둘러싸도록 설치된다. 복수의 아우터 블레이드(127)는 이너 블레이드(123)의 개수보다 많은 개수가 덕트부(125)에 방사상으로 연결된다. 이러한 임펠러부(120)는 이너 블레이드(123)와 아우터 블레이드(127)를 구비하므로 이중 블레이드 타입 임펠러부(120)라고 한다.
복수의 아우터 블레이드(127)가 임펠러부(120)의 외곽에 복수의 이너 블레이드(123)의 개수보다 많이 배치되므로, 임펠러부(120)의 외곽에 위치되는 아우터 블레이드(127)의 간격이 임펠러부(120)의 내측에 위치되는 이너 블레이드(123)의 간격보다 좁아지게 된다. 이때, 아우터 블레이드 영역이 이너 블레이드 영역에 비해 압력손실이나 유동 저항이 증가되므로, 복수의 아우터 블레이드(127)를 통과하는 가열공기가 복수의 이너 블레이드(123)를 통과하는 가열공기보다 유속이 느리고 원심력이 감소된다. 따라서, 선회제트류가 중심축을 따라 유동하고 외곽 측으로 확장이 억제된다.
또한, 분사노즐부(130)에서 분사되는 환원매체가 선회제트류의 밖으로 비산되는 것이 억제됨에 따라 환원매체의 액적이 하우징부(110)의 내측면에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 하우징부(110)의 내측면에서 멜라민이 석출되면서 성장되는 것을 방지하고, 유로의 운전 장애를 일으키는 문제를 해결할 수 있다.
반면, 기존의 임펠러의 경우 중심부가 중심축부에 의해 막혀 있고, 중심축부를 중심으로 복수의 블레이드가 방사상으로 배치되므로, 복수의 블레이드에서 외측으로 갈수록 블레이드 사이의 간격이 증가된다. 따라서, 복수의 블레이드의 중심부에서 외측으로 갈수록 유동저항이 감소되므로, 블레이드의 외측으로 갈수록 유속이 증가됨에 따라 원심력이 증가된다. 임펠러부(120)에서 토출되는 고온공기는 외측으로 확장되면서 유동되므로, 분사노즐에서 분사되는 환원매체가 액적이 하우징부의 내측면에 부착되었다.
또한, 덕트부(125)가 복수의 이너 블레이드(123)와 복수의 아우터 블레이드(127)를 지지하므로, 복수의 이너 블레이드(123)와 복수의 아우터 블레이드(127)가 동일 간격을 유지하고 변형되는 것을 방지할 수 있다.
아우터 블레이드(127)의 설치 개수는 이너 블레이드(123)의 설치 개수에 비해 1.5-2.5배 설치된다. 따라서, 아우트 블레이드 영역이 이너 블레이드 영역에 비해 압력손실과 유동저항이 증가되므로, 복수의 아우터 블레이드(127)를 통과한 가열공기가 복수의 이너 블레이드(123)를 통과한 가열공기에 비해 유속과 유량이 감소된다. 나아가, 선회제트류의 외측으로 갈수록 원심력이 저하되므로, 선회제트류의 외측 확장을 방지하여 원기둥 형태의 선회유동이 형성되게 할 수 있다.
복수의 이너 블레이드(123)는 임펠러부(120)의 직경방향 평면에 대하여 경사지게 배치되고, 복수의 아우터 블레이드(127)는 이너 블레이드(123)와 동일한 방향으로 경사지게 배치된다. 복수의 이너 블레이드(123)와 복수의 아우터 블레이드(127)가 동일한 방향으로 경사지게 형성되므로, 이너 블레이드 영역과 아우터 블레이드 영역에서 가열공기의 선회방향이 동일한 방향으로 형성된다.
이때, 복수의 아우터 블레이드(127)는 복수의 이너 블레이드(123)와 동일한 각도로 경사지게 배치된다. 따라서, 아우트 블레이드 영역과 이너 블레이드 영역에서 가열공기의 선회 각도가 거의 동일하게 유지될 수 있다.
물론, 복수의 아우터 블레이드(127)는 복수의 이너 블레이드(123)와 약간 다른 각도로 경사지게 배치될 수 있다. 복수의 아우터 블레이드(127)와 복수의 이너 블레이드(123)의 경사각은 아우터 블레이드 영역과 이너 블레이드 영역의 원심력이나 선회강도를 고려하여 적절하게 설계될 수 있다.
복수의 아우터 블레이드(127)는 복수의 이너 블레이드(123)의 단부에 연결되는 복수의 제1아우터 블레이드(127a)와, 복수의 제1아우터 블레이드(127a) 사이에 배치되는 복수의 제2아우터 블레이드(127b)를 포함한다. 예를 들면, 아우터 블레이드(127)의 개수가 이너 블레이드(123)의 개수의 2배 설치되는 경우, 제1아우터 블레이드(127a)는 이너 블레이드(123)의 개수와 동일한 개수로 형성되고, 제2아우터 블레이드(127b)는 제1아우터 블레이드(127a) 사이에 한 개씩 설치된다. 또한, 제1아우터 블레이드(127a)와 제2아우터 블레이드(127b)는 동일한 간격마다 배치된다.
임펠러부(120)에서 코어채널부(121)의 직경, 블레이드부(123,127)의 각도 및 블레이드부(123,127)의 길이는 선회제트류의 선회 강도 및 선회제트류의 기동 높이를 조절하는 설계요소이며, 하우징부(110)의 직경 및 높이 등에 따라 적절히 조절될 수 있다.
또한, 입구부(112)가 충분히 길지 않거나, 입구부(112)에 만곡부, 확장부 또는 축소부가 존재하여 가열공기의 내부 유도이 충분하지 않을 수 있다. 이 경우, 임펠러부(120)의 압력손실을 감수하고 블레이드부(123,127)의 수를 증가시켜 유동저항을 증가시킴으로써, 임펠러부(120)의 둘레방향의 유량 분포를 균일하게 조절할 수 있다.
덕트부(125)는 코어채널부(121)와 동심을 이루도록 원형 파이프 형태로 형성된다. 따라서, 덕트부(125)가 이너 블레이드 영역과 아우터 블레이드 영역을 원주방향을 따라 구획하므로, 이너 블레이드 영역과 아우터 블레이드 영역에서 가열공기의 선회 저항을 최소화시킴에 따라 선회 유동이 원활하게 발생될 수 있다. 또한, 코어채널부(121)가 가열공기의 유동저항을 증가시키는 것을 최소화할 수 있다.
아우터 블레이드(127)와 이너 블레이드(123)는 동일한 길이로 형성된다. 이때, 덕트부(125)와 이너 블레이드(123) 사이의 반경방향 길이는 덕트부(125)와 아우터 블레이드(127) 사이의 반경방향 길이와 동일해진다. 따라서, 아우터 블레이드 영역과 이너 블레이드 영역의 반경방향 폭이 거의 동일하게 형성될 수 있다.
물론, 아우터 블레이드(127)와 이너 블레이드(123)는 서로 다른 길이로 형성될 수도 있다. 이 경우, 아우터 블레이드 영역과 이너 블레이드 영역의 반경방향 폭이 다르게 형성될 수 있다.
한편, 하우징부(110)의 직경이 1600mm, 높이가 3000mm이고, 입구부(112)의 내경이 10mm, 가열공기의 온도가 415℃, 환원매체가 요소수인 경우를 일 예하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부에서 발생되는 선회제트류의 직경방향 유속을 개략적으로 도시한 도면도이다.
도 5를 참조하면, 임펠러부(120)에 가열공기가 공급되면, 코어채널부(121)를 통과하는 가열공기의 유속이 가장 빠르고, 이너 블레이드 영역의 내측에서 아우터 블레이드 영역의 외곽으로 갈수록 가열공기의 유속이 점차적으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 원심력이 임펠러부(120)의 중심부에서 외곽으로 갈수록 점차적으로 저하된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 임펠러부에서 선회제트류의 형태를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 고온공기는 이중 블레이드 타입의 임펠러부(120)를 지나면서 중앙부에 30 m/s에 달하는 고속의 직진성 코어를 가지며, 그 주위로 유속은 낮지만 선회하고 있는 제트 유동을 형성하게 된다. 이로 인해, 고온공기가 임펠러부(120)를 통과하면서 중심부에 유속이 높은 코어가 직진성을 가지며, 임펠러 영역의 원심력이 외곽으로 갈수록 감소되어 선회제트류의 확장이 최소화된다. 또한, 선회제트류의 외측면과 하우징부(110)의 내측면 사이에는 공기의 선회 유동이 발생된다. 따라서, 선회제트류는 유동 과정에서 순환 유동과의 운동량 교환으로 선회 강도(접선방향 속도/축방향 속도)가 점차적으로 감소되며, 선회제트류가 하우징부(110)의 상부 근처에 도달되면서 확장하게 되는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 하우징부에서 선회제트류의 요소수 액적 궤적을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 요소수의 액적이 분사노즐부(130)의 출구에서 120° 범위로 분사된다. 대부분의 요소수 액적은 가열공기의 선회제트류를 따라 선회하면서 상승하며, 0.3초 내외의 짧은 시간 동안 기화를 완료하였다. 이때, 선회제트류의 중심부에서 직선 유동 부분에는 요소수가 기화되면서 온도가 가장 낮아진다(도 7(b) 참조).
기둥형태의 선회제트류는 액적을 중심부와 그 주위의 선회 유동에 가두어 하우징부(110)의 내측면으로 접근을 차단하는 역할을 하는 동시에, 기화의 열원을 공급하는 가열공기와 요소수가 집중적으로 접촉하여 대류열전달을 통해 기화를 빠르게 진행시키는 역할을 수행한다. 이때, 직경이 큰 액적(100 μm 이상) 중 극소수는 분사노즐부(130)에서 분사된 후 관성에 의해 선회제트류의 바깥으로 나올 수 있으나, 선회제트류의 외곽에도 고온 공기가 순환 유동하고 있으므로 하우징부(110)의 내측면에 근접하지 못하고 기화가 종료된다(도 7(a) 참조).
또한, 선회제트류의 액적 궤적은 하우징부(110) 전체 내경의 1/2 지점까지만 분포하는 것을 알 수 있다. 또한, 선회제트류는 하우징부(110)의 상부에서 선회력을 잃고, 하우징부(110)의 반경방향 전체로 확장하게 되는데, 이러한 확장 위치는 요소수 액적의 기화가 종료된 시점의 이후가 된다.
또한, 분사노즐부(130)에서의 요소수 분사각이 120°보다 작으면 선회제트류의 코어에 더 집중되고, 기화 종료 시점의 높이가 약간 상승하나 이 역시 석출의 우려가 없음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치에서 선회제트류의 선회강도에 따른 유동과 액적 거동을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 임펠러부(120)에서 블레이드부(123,127) 각도는 선회제트류의 선회 강도 및 선회제트류의 기둥 높이를 조절하는 설계 요소로서, 하우징부(110)의 형상(직경 및 높이 등)에 따라 적절히 조절할 수 있다. 도 8은 임펠러부(120)에 의해 형성된 평균 선회강도(접선속도/축속도)가 0.5, 0.7, 0.9인 조건의 결과이다.
블레이드부(123,127)의 각도가 작아 선회강도가 저하되는 경우, 선회제트류의 직진성이 커지지만 선회력이 감소하게 된다. 이 경우, 액적이 큰 요소수의 기화가 종료되기 전에 하우징부(110)의 상부의 출구부(113) 근처 벽면에 닿거나 출구를 빠져나가 문제가 될 소지가 있다(도 8(a) 참조). 반면, 블레이드부(123,127)의 각도가 너무 크면 선회강도가 지나치게 증가하므로, 선회제트류의 기둥이 짧아지고 선회제트류의 외측으로 빠르게 확장하게 된다. 이 경우, 액적이 큰 요소수가 하우징부(110)의 내측면에 접촉되거나 하우징부(110)의 하부로 떨어지게 되는 문제가 발생될 수 있다(도 8(b) 및 도 8(c) 참조). 따라서, 하우징부(110)의 직경/높이에 관한 비율이 클수록 블레이드부(123,127) 각도를 증가시키는 것이 적절하다는 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 제어방법에 관해 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원매체 기화장치의 제어방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 9를 참조하면, 가열공기가 입구부(112)를 통해 유입된다(S11). 이때, 입구부(112)에는 300-450℃ 정도의 가열공기가 유입된다.
코어채널부(121)를 통과하는 가열공기가 직진성을 갖게 하고, 복수의 블레이드부(123,127)를 통과하는 가열공기가 선회성을 갖게 하여, 기둥 형태의 선회제트류를 형성한다(S12).
분사노즐부(130)가 선회제트류에 환원매체를 분사한다(S13). 분사노즐부(130)는 환원매체를 대략 100-140° 각도로 분사할 수 있다. 또한, 분사노즐부(130)는 가열공기가 선회제트류를 형성하기 시작하는 영역에 환원매체를 분사한다. 따라서, 환원매체가 선회되면서 기화되는 거리를 증가시킬 수 있다.
기화된 환원매체가 가열공기와 함께 탈질설비(10)에 공급된다(S14). 이때, 가열공기에 기화된 환원매체가 고르게 분포하게 된다.
이와 같이, 코어채널부(121)가 복수의 블레이드부(123,127)의 중앙에 형성되고, 복수의 블레이드부(123,127)가 코어채널부(121)를 중심으로 방사상으로 배치되므로, 입구부(112)에 유입된 중심부측의 가열공기는 코어채널부(121)를 통과하면서 저항이 거의 없이 유동됨에 따라 유속이 가장 높고 단위면적당 유량이 증가된다. 따라서, 코어채널부(121)를 통과하는 가열공기는 직진성을 가지게 된다. 또한, 코어채널부(121) 둘레의 가열공기는 복수의 블레이드부(123,127) 사이를 통과함에 의해 코어채널부(121)를 중심으로 선회되고, 복수의 블레이드부(123,127)의 저항에 의해 상대적으로 유속이 낮고 단위면적당 유량이 상대적으로 감소된다.
이로 인해, 임펠러부(120)에서 토출되는 가열공기는 코어에서 선회가 없고 유속이 가장 빠른 직진 유동과, 외곽으로 갈수록 유속이 감소하면서 선회강도를 가지는 선회 유동이 동시에 일어나는 선회제트류가 형성된다. 선회제트류는 외곽의 원심력이 낮고 중심부의 유속이 상대적으로 높아진다. 이러한 선회제트류는 직진성과 선회력을 동시에 가지고 하우징의 중심축을 따라 유동되고, 반경방향으로의 확장이 최소화된다. 선회제트류의 중앙에 분사된 환원매체는 직선 유동 영역을 따라 유동되고, 선회 유동 영역에 진입한 환원매체의 액적은 외곽의 원심력이 중앙에 비해 낮아 선회제트류의 밖으로 빠져나가지 못한다. 따라서, 환원매체의 액적이 하우징부(110)의 내측면으로 접근하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 고온공기가 선회제트류에 집중된 상태로 유동하므로, 대류열전달이 최소화되는 고속 및 고온의 조건에서 환원매체가 신속하게 기화될 수 있다.
코어채널부(121)를 통과하는 가열공기의 유속은 블레이드부(123,127)의 복수의 이너 블레이드(123)를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성되고, 복수의 이너 블레이드(123)를 통과하는 가열공기의 유속은 블레이드부(123,127)의 복수의 아우터 블레이드(127)를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성된다.
복수의 아우터 블레이드(127)가 임펠러부(120)의 외곽에 복수의 이너 블레이드(123)의 개수보다 많이 배치되므로, 임펠러부(120)의 외곽에 위치되는 아우터 블레이드(127)의 간격이 임펠러부(120)의 내측에 위치되는 이너 블레이드(123)부의 간격보다 좁아지게 된다. 이때, 아우터 블레이드 영역이 이너 블레이드 영역에 비해 압력손실이나 유동저항이 증가되므로, 복수의 아우터 블레이드(127)를 통과하는 가열공기가 복수의 이너 블레이드(123)를 통과하는 가열공기보다 유속이 느리고 원심력이 감소된다. 따라서, 선회제트류가 중심축을 따라 유동하고 외곽 측으로 확장이 억제된다.
또한, 분사노즐부(130)에서 분사되는 환원매체가 선회제트류의 밖으로 비산되는 것이 억제됨에 따라 환원매체의 액적이 하우징부(110)의 내측면에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 하우징부(110)의 내측면에서 멜라민이 석출되면서 성장되는 것을 방지하고, 유로의 운전 장애를 일으키는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 탈질설비 100: 환원매체 기화장치
110: 하우징부 111: 하우징 바디부
112: 입구부 113: 출구부
115: 제1테이퍼부 116: 제2테이퍼부
120: 임펠러부 121: 코어채널부
123: 이너 블레이드 125: 덕트부
127: 아우터 블레이드 127a: 제1아우터 블레이드
127b: 제2아우터 블레이드 130: 분사노즐부

Claims (11)

  1. 가열공기가 유입되는 입구부와, 가열공기와 요소수가 혼합되어 배출되는 출구부가 형성되는 하우징부;
    상기 입구부에 배치되고, 복수의 블레이드부가 중공의 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되며, 상기 코어채널부를 통과하는 가열공기는 직진성을 가지고, 상기 복수의 블레이드부를 통과하는 가열공기는 상기 코어채널부를 중심으로 선회하는 선회성을 가지는 기둥 형태의 선회제트류를 형성하는 임펠러부; 및
    상기 선회제트류에 환원매체를 분사하도록 상기 임펠러부의 배출측에 설치되는 분사노즐부;를 포함하고,
    복수의 상기 블레이드부는,
    상기 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 이너 블레이드;
    복수의 상기 이너 블레이드의 외측을 둘러싸도록 설치되는 덕트부; 및
    상기 덕트부의 반경방향 외측부에 방사상으로 연결되고, 상기 이너 블레이드의 개수보다 많은 개수가 배치되는 복수의 아우터 블레이드;를 포함하며,
    중공된 형태의 유로를 형성하는 상기 코어채널부에 의해, 상기 선회제트류의 중심부에서는 선회 없이 상기 하우징부의 중심축을 따라 진행하는 직진 유동이 일어나고, 상기 아우터 블레이드가 상기 이너 블레이드보다 많은 개수가 배치되는 것에 의해, 상기 선회제트류의 외곽부에서는 외곽으로 갈수록 유속이 감소되며 원심력이 낮아지는 선회 유동이 동시에 일어나면서,
    상기 선회제트류로 분사된 환원매체의 액적은 상기 하우징부의 중심축을 따라 유동되되 상기 하우징부의 내측면으로 비산되는 것이 억제된 상태로, 가열공기가 이루는 상기 선회제트류 상에서 기화되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 블레이드의 설치 개수는 상기 이너 블레이드의 설치 개수에 비해 1.5-2.5배 설치되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    복수의 상기 이너 블레이드는 상기 임펠러부의 직경방향 평면에 대하여 경사지게 배치되고,
    복수의 상기 아우터 블레이드는 상기 이너 블레이드와 동일한 방향으로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 상기 아우터 블레이드는 상기 이너 블레이드와 동일한 각도로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  6. 제3항에 있어서,
    복수의 상기 아우터 블레이드는,
    복수의 상기 이너 블레이드의 단부에 연결되는 복수의 제1아우터 블레이드; 및
    복수의 상기 제1아우터 블레이드 사이에 배치되는 복수의 제2아우터 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 덕트부는 상기 코어채널부와 동심을 이루도록 원형 파이프 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아우터 블레이드와 상기 이너 블레이드는 동일한 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치.
  9. 가열공기가 유입되는 입구부와, 가열공기와 요소수가 혼합되어 배출되는 출구부가 형성되는 하우징부와, 상기 입구부에 배치되고, 복수의 블레이드부가 중공의 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되는 임펠러부와, 상기 임펠러부의 배출측에 설치되는 분사노즐부를 포함하는 환원매체 기화장치를 제어하는 방법에 있어서,
    가열공기를 상기 입구부를 통해 유입시키는 단계;
    상기 코어채널부를 통과하는 가열공기는 직진성을 가지고, 상기 블레이드부를 통과하는 가열공기는 상기 코어채널부를 중심으로 선회하는 선회성을 가지는 기둥 형태의 선회제트류를 형성하는 단계; 및
    상기 분사노즐부에서 상기 선회제트류에 환원매체를 분사하는 단계;를 포함하고,
    복수의 상기 블레이드부는,
    상기 코어채널부를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 이너 블레이드;
    복수의 상기 이너 블레이드의 외측을 둘러싸도록 설치되는 덕트부; 및
    상기 덕트부의 반경방향 외측부에 방사상으로 연결되고, 상기 이너 블레이드의 개수보다 많은 개수가 배치되는 복수의 아우터 블레이드;를 포함하며,
    중공된 형태의 유로를 형성하는 상기 코어채널부에 의해, 상기 선회제트류의 중심부에서는 선회 없이 상기 하우징부의 중심축을 따라 진행하는 직진 유동이 일어나고, 상기 아우터 블레이드가 상기 이너 블레이드보다 많은 개수가 배치되는 것에 의해, 상기 선회제트류의 외곽부에서는 외곽으로 갈수록 유속이 감소되며 원심력이 낮아지는 선회 유동이 동시에 일어나면서,
    상기 선회제트류로 분사된 환원매체의 액적은 상기 하우징부의 중심축을 따라 유동되되 상기 하우징부의 내측면으로 비산되는 것이 억제된 상태로, 가열공기가 이루는 상기 선회제트류 상에서 기화되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코어채널부를 통과하는 가열공기의 유속은 상기 이너 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성되고,
    상기 이너 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속은 상기 아우터 블레이드를 통과하는 가열공기의 유속보다 빠르게 형성되는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐부는 가열공기가 상기 선회제트류를 형성하기 시작하는 영역에 상기 환원매체를 분사하는 것을 특징으로 하는 환원매체 기화장치의 제어방법.
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