KR102559409B1 - 수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법 - Google Patents

수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법 Download PDF

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히토노부 쇼타니
켄이치 와자키
노리토시 야가와
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스미토모 세이미츠 고교 가부시키가이샤
도쿄 가스 엔지니어링 솔루션즈 가부시키가이샤
도쿄 가스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 수중 연소식 기화장치의 소형화를 도모하는 것이다.
수중 연소식 기화장치(1)는, 열교환기(12)와, 버너(2)와, 다운커머(downcomer)(13)와, 스파지 파이프(sparge pipe)(15)를 구비한다. 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 버너가 상단(上端)에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 수조(水槽)의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관(131)과, 수직관의 하부(下部)에 접속되며 또한, 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관(132)을 가진다. 다운커머는, 정격(定格) 연소량에서 운전 시에 버너로부터 분출된 화염이, 수직관 내(內)에서 구획되는 수직 연소 영역(131a)으로부터, 수평관 내에서 구획되는 수평 연소 영역(132a)까지 연장되도록 구성된다.

Description

수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법{SUBMERGED COMBUSTION VAPORIZER, METHOD FOR OPERATING SUBMERGED COMBUSTION VAPORIZER, AND METHOD FOR DESIGNING SUBMERGED COMBUSTION VAPORIZER}
여기에 개시하는 기술은, 수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법에 관한 것이다.
액화 천연가스 등 저온 액화가스의 기화장치의 하나로서, 수중 연소식 기화장치(Submerged Combustion Vaporizer)가 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 수중 연소식 기화장치는, 수조(水槽) 내에 침지(浸漬)되며 또한, 전열관 내를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와, 블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키는 버너(burner)와, 수조 내에 침지되며 또한, 버너로부터의 연소가스를 수조 내에 도입하는 다운커머(downcomer)와, 수조 내에서 다운커머에 접속되며 또한, 연소가스를 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프(sparge pipe)를 구비한다.
특허문헌 1에 기재되어 있는 수중 연소식 기화장치에서는, 버너는 하향으로 화염을 분출하도록 구성된다. 다운커머는, 상단(上端)에 버너가 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되는 수직관과, 수직관의 하부(下部)에 접속되며 또한, 수조 내에서 수평으로 연장되는 수평관을 가진다. 복수 개의 스파지 파이프는, 수평관을 따르도록, 수평 방향으로 나열 배치되며 또한, 각 스파지 파이프의 기단(基端)이, 수평관에 접속된다.
수중 연소식 기화장치는, 수중에 기포로서 분출된 연료가스가 수조 내의 물을 교반시키면서, 전열관 내를 통과하는 저온 액화가스를 가열함으로써, 이 저온 액화가스를 기화시킨다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2013－2734호 공보
그런데 최근, 수중 연소식 기화장치의 버너의 용량(즉, 정격(定格) 연소량)을 대형화하는 것이 요구되고 있다. 버너의 대형화에 수반하여, 다운커머의 수직관 내에서 정격 연소량에 상응하는 연소가스량을 확보할 수 있도록, 다운커머의 수직관을 대형화하는 것이 필요하게 된다. 그러나, 수직관의 상하 길이를 길게 하면, 수조의 깊이를 깊게 해야 한다. 바닥이 깊은 수조를 설치하는 것은, 제조 및 설치 비용의 증대를 초래한다. 또, 수조의 깊이를 깊게 하면, 수조의 용적이 커져 버린다. 수조의 용적이 커지면 열용량이 증대되므로, 수조 내의 물의 온도를 상승시키기 위해 필요한 열량이 증대됨과 동시에, 수중 연소식 기화장치의 기동 시간이 길어진다.
여기에 개시하는 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 수중 연소식 기화장치의 소형화를 도모하는 데 있다.
지금까지의 수중 연소식 기화장치의 설계 사상(思想)으로는, 버너에 직접 접속되는 다운커머의 수직관 내에서, 버너의 연소를 완결시키는 것을 전제로 하였었다. 따라서, 버너의 용량이 커지면, 그 커진 용량에 상응하는 만큼의 연소가스량이 수직관 내에서 확보될 수 있도록, 수직관의 용적을 크게 하였었다. 또, 버너로부터 분출되는 화염의 전체 길이를 수직관 내에 모두 수용되도록 하면, 버너의 용량이 커질수록, 수직관의 상하 방향의 길이는 길어진다.
그러나, 본원 발명자들의 검토에 의하면, 버너로부터 하향으로 분출되는 화염이, 수직관 내의 하부에서 굽어져, 화염의 선단측(先端側)의 일부가, 수직관에 접속된 수평관 내에 도달하는 때에도, 버너의 연소가 안정화되는 것이 판명되었다. 여기에 개시하는 기술은, 이 새로운 지견(知見)이 얻어진 것에 의해 완성하기에 이르렀다.
구체적으로, 여기에 개시하는 기술은, 수중 연소식 기화장치에 관하며, 수중 연소식 기화장치는, 수조 내에 침지되며 또한, 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와, 블로워로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키도록 구성된 버너와, 상기 수조 내에 침지되며 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내에 도입하도록 구성된 다운커머와, 상기 수조 내에서 상기 다운커머에 접속되며 또한, 상기 연소가스를 상기 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프를 구비한다.
상기 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 상기 버너가 상단에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 상기 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관과, 상기 수직관의 하부에 접속되며 또한, 상기 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관을 가진다.
그리고, 상기 다운커머는, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너의 분출구로부터 분출된 화염이, 상기 수직관 내에서 구획되는 수직 연소 영역으로부터, 상기 수평관 내에서 구획되는 수평 연소 영역까지 연장되도록 구성된다.
이 구성에 의하면, 버너로부터 분출된 화염은, 수직관 내를 하향으로 연장됨과 동시에, 수직관의 하부에서 굽어져, 수직관에 접속된 수평관 내에 도달한다. 즉, 버너로부터 분출된 화염의 일부는, 수직관 내에서 구획되는 수직 연소 영역에 있고, 나머지 부분은, 수평관 내에서 구획되는 수평 연소 영역에 있다. 버너의 연소는, 수직관 내에서 완결되지 않고, 수직관과 수평관과의 양 쪽에서 이루어진다. 버너의 화염의 선단부분이 수평관 내의 수평 연소 영역에 있으므로, 그 만큼, 수직관의 상하 길이를 짧게 하는 것이 가능하게 된다. 수직관의 상하 길이를 짧게 함으로써, 수조의 깊이를 얕게 하는 것이 가능하게 되므로, 제조 및 설치 비용이 낮아진다. 또, 수조의 용적이 작아지므로, 수조 내의 물의 온도를 상승시키기 위해 필요한 열량이 감소됨과 동시에, 수중 연소식 기화장치의 기동 시간이 짧아진다.
상기 복수 개의 스파지 파이프는, 상기 수평관을 따르도록, 수평 방향으로 나열 배치되고, 상기 수직관 내의 하부 및 상기 수평관 내의 하부에는, 상기 버너의 운전 시에, 물이 저류되며, 상기 수직 연소 영역은, 상기 버너의 상기 분출구로부터 상기 수직관 내의 수면(水面)까지의 영역이고, 상기 수평 연소 영역은, 상기 수평관 내의 수면보다 상측(上側)이며 또한, 상기 수직관과 상기 수평관의 접속 위치로부터 상기 수직관에 가장 가까운 상기 스파지 파이프의 접속 위치까지의 영역이고, 상기 다운커머는, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이가, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출된 화염의 전체 길이보다 짧으며 또한, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이와 상기 버너의 중심축으로부터 상기 수평 연소 영역의 가장자리까지의 수평 길이의 합이, 상기 화염의 전체 길이보다 길어지도록 구성하여도 된다.
본원 발명자들의 지견에 의하면, 버너의 운전 시에, 다운커머 내의 물은 모두 배출되지 않고, 일부의 물이 수직관 내 및 수평관 내에 남는다. 남은 물은 수직관 내 및 수평관 내의 하부에 저류된다. 버너의 화염의 연소 영역은, 수직관 내 및 수평관 내의 수면보다 상측에 구획된다. 구체적으로, 수직관 내의 수직 연소 영역은, 버너의 분출구로부터 수직관 내의 수면까지의 영역이다.
지금까지의 설계 사상은, 전술한 바와 같이, 다운커머의 수직관 내에서 버너의 연소가 완결되도록, 수직관의 길이를 설정하나, 수직관 내의 하부에 물이 저류되는 만큼, 화염의 실질적인 연소 영역은 작아지므로, 수직관의 길이를 더욱 길게 해야 한다.
이에 반해, 여기에 개시하는 새로운 설계 사상은, 수평관 내의 일부를 화염의 연소 영역으로 한다. 수평관 내의 수평 연소 영역은, 수평관 내의 수면 보다 상측이며 또한, 수직관과 수평관의 접속 위치로부터 수직관에 가장 가까운 스파지 파이프의 접속 위치까지의 영역이다. 수평 연소 영역을 형성함으로써, 수직관 내의 실질적인 연소 영역을 확보하면서, 수직관의 길이를, 종래의 설계 사상으로 설계한 경우보다 짧게 하는 것이 가능하다.
새로운 설계 사상은 환언하면, 버너의 운전 시에도 수직관 내 및 수평관 내에 물이 저류된다는 전제로, 수평관 내의 일부가 화염의 연소 영역이 되도록, 수직관, 수평관, 및 스파지 파이프의 길이와 지름, 그리고, 이들의 장착 치수를 설정하는 것이다. 즉, 수직관, 수평관, 및 스파지 파이프의 길이와 지름, 그리고, 이들의 장착 치수에 따라서는, 수평관 내에 화염의 연소 영역을 충분히 형성할 수 없는 경우도 일어날 수 있다. 이 경우는, 수직관 내에서만, 버너의 연소가 이루어지게 된다. 결과적으로 수직관이 대형화되어 버린다.
상기 구성에서는, 수평관 내에 수평 연소 영역이 형성되며 또한, 수직 연소 영역의 상하 높이를, 정격 연소량에서 운전 시에 버너로부터 분출된 화염의 전체 길이보다 짧게 한다. 이에 의해, 화염은, 수직 연소 영역 내에 모두 수용되지 않고, 화염의 선단부분은, 수평 연소 영역 내에 위치하게 된다.
또, 수직 연소 영역의 상하 높이와 버너의 중심축으로부터 수평 연소 영역의 가장자리까지의 수평 길이의 합을, 화염의 전체 길이보다 길게 한다. 즉, 버너로부터 분출된 화염은, 수직관 내에서부터, 수평관 내에 있어서 수직관에 가장 가까운 스파지 파이프의 접속 위치까지의 범위에 모두 수용된다.
이와 같이 함으로써, 수직관의 상하 방향의 길이를 짧게 하여도, 수평 연소 영역을 이용하여, 버너의 연소가 안정화된다.
그리고, 화염의 전체 길이는, 버너의 연소 시험을 행함으로써 결정하는 것이 가능하다. 예를 들어 테스트 설비에서, 버너로부터 분출되는 화염의 선단(先端) 위치를 관찰함으로써, 화염의 전체 길이를 결정하여도 된다. 화염의 선단 위치는, 예를 들어 시간 평균 50%에서 화염이 존재하는 위치를, 화염의 선단 위치로 정하여도 된다.
상기 버너로부터 분출된 화염의 과반(過半)은, 상기 수직 연소 영역 내에 있는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 수직 연소 영역의 하단(下端)은, 수직관 내의 수면에 의해 구획된다. 또, 수평 연소 영역의 하측(下側)도, 수평관 내의 수면에 의해 구획된다. 수직관 내 및 수평관 내의 수면 가까이에서는, 화염이 물에 의해 냉각되어, 연소 온도의 저하를 초래한다. 연소 온도의 저하는, 배기가스 중의 일산화탄소를 증대시킨다. 본원 발명자들의 지견에 의하면, 버너로부터 분출된 화염에 있어서, 버너의 분출구로부터 소정의 거리만큼 떨어진 화염의 중간 부분이, 연소 반응이 가장 현저하게 되어, 최고 온도가 되는 부분이다. 이 중간 부분이, 수직관 내의 수면에 의해 냉각되면 연소 온도가 크게 저하되어, 일산화탄소가 다량으로 발생한다.
또, 최고 온도가 되는 중간 부분이 수직관 내의 수면 가까이에 위치하면, 버너로부터 분출된 화염의 전체 길이 중에서, 물에 의해 냉각될 우려가 있는 부분의 비율이 증가하게 된다. 즉, 수직 연소 영역의 연소가 적어지고, 수평 연소 영역의 연소가 많아지면, 배기가스 중의 일산화탄소가 증대된다.
따라서, 버너로부터 분출된 화염의 과반은, 수직 연소 영역 내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 배기가스 중의 일산화탄소를 저감시키는 것이 가능하게 된다.
여기에 개시하는 기술은 또, 수조 내에 침지되며 또한, 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와, 블로워로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키도록 구성된 버너와, 상기 수조 내에 침지되며 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내에 도입하도록 구성된 다운커머와, 상기 수조 내에서 상기 다운커머에 접속되며 또한, 상기 연소가스를 상기 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프를 구비한 수중 연소식 기화장치의 운전방법이다.
상기 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 상기 버너가 상단에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 상기 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관과, 상기 수직관의 하부에 접속되며 또한, 상기 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관을 가지고, 상기 버너의 운전 시에, 상기 수직관 내 및 상기 수평관 내의 하부에는, 물이 저류된다.
이 운전 방법으로는, 상기 버너의 분출구로부터 분출된 화염이, 상기 수직관 내의 수면보다 상측에 구획되는 수직 연소 영역으로부터, 상기 수평관 내의 수면보다 상측에 구획되는 수평 연소 영역까지 연장되도록 상기 버너를 운전한다. 이와 같이 함으로써, 소형화된 다운커머에서, 버너의 연소가 안정화된다.
또, 수중 연소식 기화장치의 운전방법에 있어서, 상기 버너로부터 분출된 화염의 과반이, 상기 수직 연소 영역 내에 있도록, 상기 버너를 운전하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 배기가스 중의 일산화탄소가 저감된다.
여기에 개시하는 기술은 또, 수조 내에 침지되며 또한, 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와, 블로워로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키도록 구성된 버너와, 상기 수조 내에 침지되며 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내에 도입하도록 구성된 다운커머와, 상기 수조 내에서 상기 다운커머에 접속되며 또한, 상기 연소가스를 상기 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프를 구비한 수중 연소식 기화장치의 설계방법이다.
상기 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 상기 버너가 상단에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 상기 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관과, 상기 수직관의 하부에 접속되며 또한, 상기 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관을 가지고, 상기 복수 개의 스파지 파이프는, 상기 수평관을 따르도록, 수평 방향으로 나열 배치된다.
상기 수직관 내에서, 상기 버너의 분출구로부터 상기 스파지 파이프의 높이 위치에 상당하는 위치까지의 영역인 수직 연소 영역이 규정되며 또한, 상기 수평관 내에서, 상기 스파지 파이프의 높이 위치에 상당하는 위치보다 상측이며 또한, 상기 수직관과 상기 수평관의 접속 위치로부터 상기 수직관에 가장 가까운 상기 스파지 파이프의 접속 위치까지의 영역인 수평 연소 영역이 규정된다.
이 설계방법은, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출되는 화염의 길이에 기초하여, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이를 설정하는 공정과, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출되는 화염의 길이에 기초하여, 상기 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정하는 공정을 구비한다.
이 설계방법에 의하면, 버너로부터 분출되는 화염의 길이에 착안하여, 수직관 내의 수직 연소 영역의 상하 높이와, 수평관 내의 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정한다. 예를 들어 버너로부터 분출된 화염이, 수직관 내에서 구획되는 수직 연소 영역으로부터, 수평관 내에서 구획되는 수평 연소 영역까지 연장되도록, 수직 연소 영역의 상하 높이와 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정하면 된다. 이와 같이 함으로써, 버너의 연소를 안정화하면서, 수직관의 상하 방향의 길이를, 짧게 하는 것이 가능하게 된다.
상기 수중 연소식 기화장치의 설계방법은, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이, 및, 상기 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정한 후, 상기 버너의 정격 연소량에 기초하여, 상기 수직 연소 영역의 용적 및 상기 수평 연소 영역의 용적이 소정의 용적을 만족하도록, 상기 수직관의 길이 및 지름, 그리고, 상기 수평관의 길이 및 지름을 설정하는 공정을 추가로 구비하여도 된다.
버너의 연소의 안정화를 위해서는, 버너의 용량에 상응한 연소가스량이, 다운커머 내에서 확보 가능하게 되도록, 다운커머의 용적을 확보하는 것이 바람직하다. 버너의 정격 연소량에 기초하여, 화염이 존재하는 수직 연소 영역의 용적 및 수평 연소 영역의 용적이 소정의 용적을 만족하도록, 설정된 수직 연소 영역의 상하 높이, 및, 상기 수평 연소 영역의 수평 길이로부터, 수직관의 길이 및 지름, 그리고, 수평관의 길이 및 지름을 설정한다. 이에 의해, 버너의 연소의 안정화가 도모된다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 수중 연소식 기화장치에 의하면, 버너의 연소를 안정화하면서, 수중 연소식 기화장치의 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
상기 수중 연소식 기화장치의 운전방법에 의하면, 수직관의 상하 길이가 짧아도, 버너의 연소가 안정화된다.
상기 수중 연소식 기화장치의 설계방법에 의하면, 버너의 연소를 안정화하는 것을 실현하면서, 수중 연소식 기화장치가 소형화되어, 제조 및 설치 비용의 저감, 그리고, 수중 연소식 기화장치의 에너지 절약화 및 기동 시간의 단축이 가능하게 된다.
도 1은, 수중 연소식 기화장치의 구성을 개념적으로 나타내는 도.
도 2는, 다운커머의 치수 관계를 설명하는 도.
도 3은, 다운커머의 치수 파라미터 H／L와, 배기가스 중의 일산화탄소량과의 관계를 나타내는 도.
이하, 수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 그리고, 이하의 설명은 예시이다.
(수중 연소식 기화장치의 전체 구성)
도 1은, 수중 연소식 기화장치(1) 전체의 구성을 개념적으로 나타낸다. 도 2는, 수중 연소식 기화장치(1)의 다운커머(13)의 구성을 나타낸다. 이 수중 연소식 기화장치(1)는, 액화 천연가스(LNG)의 기화장치이다. 수중 연소식 기화장치(1)는, 예를 들어 직방체 형상의 수조(11)에 침지되는 열교환기(12)를 구비한다. 열교환기(12)는, LNG의 유로(流路)가 되는 다수의 전열관(12a)이 다단(多段)으로 굽힘 성형되어 구성된다. 도 1에서는, 전열관(12a)은, 간이화하여 도시하나, 실제로는, 도 1의 지면(紙面)과 직교하는 방향으로 다수 열(列)의 전열관(12a)을 배치한다. 열교환기(12)의 일단(一端)은, LNG의 입구가 되는 LNG 도입관(12b)에 연이어 통한다. 열교환기(12)의 타단(他端)은, 기화된 천연가스(NG)를 배출시키는 NG 배출관(12c)에 연이어 통한다.
수조(11)에는, 다운커머(13)가 침지된다. 다운커머(13)는, 수조(11)의 상단부로부터 바닥을 향하여 상하 방향으로 연장되는 수직관(131)과, 수직관(131)의 하단부에 접속되며 또한, 수조(11) 내(內)의 바닥부에서 수평 방향(도 1의 지면(紙面)과 직교하는 방향, 도 2도 참조)으로 연장되는 수평관(132)을 구비한다. 다운커머(13) 구성에 대해서는, 상세한 것은 후술한다.
수직관(131)의 상단에는, 버너(2)가 장착된다. 버너(2)는, 도면 외의 연료 공급원으로부터 연료공급관(6)을 개재하여 공급된 연료가스와, 블로워(14)를 통하여 공급된 공기를 혼합하여 연소시킨다. 다운커머(13)는, 버너(2)로부터의 연소가스를 수조(11) 내에 도입한다.
수조(11)의 바닥부에는, 스파지 파이프(15)가 배치된다. 스파지 파이프(15)는, 열교환기(12)의 하측에 배치된다. 스파지 파이프(15)는, 도 1에서는 1개밖에 그리지 않았으나, 실제로는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 수평관(132)을 따르도록, 수평 방향으로 복수 개 나열된다. 각 스파지 파이프(15)의 기단(基端)은, 수평관(132)에 접속된다. 스파지 파이프(15)에는, 버너(2)의 연소가스를 수중에 분출하는 다수의 소공(小孔)(15a)이 형성된다.
수조(11)의 상단 개구(開口)는, 천판(top plate)(11a)에 의해 덮인다. 천판(11a)에는, 스택(stack)(16)이 설치된다. 스택(16)의 상단은 대기(大氣)에 개방된다. 수중에 분출된 연소가스는, 스택(16)을 통하여 배기된다.
수중 연소식 기화장치(1)는, 버너(2)의 연소가스를 스파지 파이프(15)의 소공(15a)을 통하여 수조(11) 내에 기포(B)로서 분출시킨다. 이에 의해, 수조(11) 내의 물을 교반시키면서, 열교환기(12) 내를 통과하는 LNG를 가열한다. 수중 연소식 기화장치(1)는, LNG를 기화시켜 NG로 하고, NG를, NG 배출관(12c)을 통하여 송출하도록 구성된다. 수중 연소식 기화장치(1)는, 연소가스를 기포(B)로서 수조(11) 내에 분출시켜 수조(11) 내의 물을 교반시키는 것, 및, 스택(16)으로부터 배출하는 배기가스의 온도를, 수조(11) 내의 온수 온도와 거의 동일 온도로까지 낮게 함으로써, 연소가스 중의 연소 생성수를 100% 재응축시켜, 그 잠열(latent heat)을 모두 온수에 부여하는 것이 가능하므로 열효율이 매우 높은 특징이 있다.
이 수중 연소식 기화장치(1)는, 버너(2)의 용량이 커도, 소형화되도록 설계된다. 이하, 다운커머의 구성, 및, 다운커머의 설계방법의 상세한 내용을, 도면을 참조하면서 설명한다.
(다운커머의 구성, 및, 다운커머의 설계방법)
도 2는, 전술한 바와 같이, 수중 연소식 기화장치(1)의 다운커머(13)의 구성을 나타내는 도이다. 다운커머(13)는, 수직관(131)과 수평관(132)을 구비한다. 수직관(131)은 원통 형상이다. 수평관(132)도 또한 원통 형상이다. 지금까지의 수중 연소식 기화장치의 설계 사상으로는, 버너(2)에 직접 접속되는 수직관(131) 내에서, 버너(2)의 연소를 완결시키도록 하였었다. 구체적으로는, 버너(2)의 용량에 상응하는 만큼의 연소가스량이 수직관(131) 내에서 확보될 수 있도록, 수직관(131)의 용적을 설정하고, 그 용적을 만족하도록, 수직관(131)의 지름, 및, 상하 방향의 길이를 설정하였었다. 따라서, 버너(2)의 용량이 커지면, 그 커진 용량에 상응하는 만큼의 연소가스량이 수직관(131) 내에서 확보될 수 있도록, 수직관(131)의 용적을 크게 하였었다. 결과적으로, 수직관(131)의 상하 방향의 길이가 길어졌었다. 수직관(131)의 상하 방향의 길이가 길어지면, 수조(11)를 깊게 해야 한다. 이 경우, 수조(11)의 제조 및 설치 비용이 증대된다. 또, 수조(11)의 용적이 커지므로, 수조(11)의 열용량이 커진다. 이로써, 물의 온도를 상승시키기 위해 필요한 열량이 증대됨과 동시에, 수중 연소식 기화장치(1)의 기동 시간이 길어진다.
이에 반해, 여기에 개시하는 새로운 설계 사상은, 예를 들어 도 2에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 버너(2)로부터 분출되는 화염이, 수직관(131)의 하단부에서 굽어져, 화염의 선단측(先端側)의 일부가, 수평관(132) 내에 있는 때에도, 버너(2)의 연소가 안정화된다는, 본원 발명자들이 얻은 새로운 지견에 기초한다. 즉, 새로운 설계 사상으로는, 버너(2)의 연소를 수직관(131) 내에서 완결시키는 것이 아니다.
구체적으로, 여기에 개시하는 새로운 설계 사상은, 지금까지의 설계 사상에서는 고려하지 않았던, 버너(2)로부터 분출되는 화염의 길이 L을 고려한다. 길이 L은, 버너(2)를, 정격 연소량에서 운전하고 있는 때의, 화염의 길이다. 화염의 길이 L은, 예를 들어 버너(2)의 연소 시험에 의해 결정하는 것이 가능하다. 또, 이론적인 연산에 의해, 화염의 길이 L을 결정하여도 된다. 화염의 길이 L이, 다운커머(13) 내에 구획되는 연소 영역 내에 모두 수용되도록, 다운커머(13)의 수직관(131) 및 수평관(132)의 치수를 설정한다.
다운커머(13) 내의 연소 영역은, 새로운 설계 사상으로는, 수직관(131) 내의 수직 연소 영역(131a)과, 수평관(132) 내의 수평 연소 영역(132a)으로 구성된다. 본원 발명자들의 지금까지의 지견으로부터, 버너(2)의 운전 시에도, 수직관(131) 내 및 수평관(132) 내의 물은 모두 토출되지 않고, 일부의 물이 수직관(131) 내 및 수평관(132) 내에 남는다. 이에 의해, 수직관(131) 내 및 수평관(132) 내에는, 수조(11)의 수면 WL1과는 다른, 수면 WL2이 형성된다. 수면 WL2은, 지금까지의 지견으로는, 스파지 파이프(15)의 높이 위치에, 거의 상당한다. 따라서, 도 2의 예에서는, 수면 WL2을 스파지 파이프(15) 중심축의 높이 위치로 한다.
수직관(131) 내의 수직 연소 영역(131a)은, 버너(2)의 화염의 분출구(21)(환언하면, 수직관(131)의 상단)로부터, 수직관(131) 내의 수면 WL2까지의 영역이다(도 2의 해칭한 영역을 참조). 또, 수평관(132) 내의 수평 연소 영역(132a)은, 수평관(132) 내의 수면 WL2보다 상측이며 또한, 수평관(132)과 수직관(131)의 접속 위치로부터, 수직관(131)에 가장 가까운 스파지 파이프(15)의 접속 위치까지의 영역이다(도 2의 해칭한 영역을 참조). 수직관(131)에 가장 가까운 스파지 파이프(15) 이후의 수평관(132)의 부분, 즉, 수평관(132)에 있어서 복수 개의 스파지 파이프(15)가 접속된 부분은, 연소가스를 배출하는 부분이므로, 화염의 연소 영역을 구성하지 않는다. 그리고, 스파지 파이프(15)의 접속 위치는, 여기에서는, 스파지 파이프(15)의 중심 위치로 한다.
여기에 개시하는 새로운 설계 사상으로는, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H가, 버너(2)의 화염의 길이 L보다 짧아지도록(즉, H／L＜1), 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H, 더 나아가 수직관(131)의 상하 길이를 설정한다. 이와 같이 함으로써, 버너(2)로부터 하향으로 분출된 화염이, 수직관(131)의 하부에서 굽어져, 화염의 선단부가 수평 연소 영역(132a)에 도달하게 된다. 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H는, 버너(2)의 용량에 비해 짧아지므로, 수직관(131)의 상하 길이가 짧아진다.
또, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H와 버너(2)의 중심축으로부터 수평 연소 영역(132a)의 가장자리까지의 수평 길이 L2의 합(H＋L2＝L1)이, 화염의 전체 길이 L보다 길어지도록(즉, 1＜L1／L), 수평 길이 L2를 설정한다. 이와 같이 함으로써, 화염 전체가, 수직 연소 영역(131a) 및 수평 연소 영역(132a) 내에 모두 수용되게 되어, 버너(2) 연소의 안정화가 도모된다.
여기에 개시하는 새로운 설계 사상으로는, 전술한 화염의 전체 길이 L에 기초하여, 상하 높이 H 및 수평 길이 L2를 설정한 후, 버너(2)의 정격 연소량 Q에 기초하여, 수직 연소 영역(131a)의 용적 V1 및 수평 연소 영역(132a)의 용적 V2을 각각 설정한다. 구체적으로는, Q／V1이 소정값 T1 이하가 되도록, 수직 연소 영역(131a)의 용적 V1을 설정한다. 또, Q／(V1＋V2)가 소정값 T2 이하가 되도록, 수평 연소 영역(132a)의 용적 V2을 설정한다. 즉, 수직 연소 영역(131a) 및 수평 연소 영역(132a)의 용적을, 버너(2)의 연소에 필요한 연소가스량을 확보할 수 있는 정도로 크게 한다. 이와 같이 함으로써, 버너(2)의 연소의 안정화가 도모된다. 상하 높이 H 및 수평 길이 L2, 그리고, 용적 V1 및 용적 V2에 따라, 수직관(131)의 길이 및 지름, 그리고, 수평관(132)의 길이 및 지름이 설정된다.
이 새로운 설계 사상은, 버너(2)의 운전 시에도 수평관(132) 내에 물이 저류된다는 전제로, 수평관(132) 내의 일부에, 화염의 연소 영역이 형성되도록, 수직관(131), 수평관(132) 및 스파지 파이프(15)의 길이와 지름을 설정함과 동시에, 이들의 장착 치수를 설정할 수 있다.
도 3은, 전술한 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H와, 버너(2)로부터 분출되는 화염의 전체 길이 L을 포함하는, 다운커머(13)의 치수 파라미터 H／L와, 배기가스 중에 포함되는 일산화탄소량과의 관계를 나타낸다. 도 3의 각 점은, 배기가스 중의 산소 농도의 실측값에서 환산한 일산화탄소량이다. 곡선은, 각 점에 기초한 근사 곡선이다. 그리고, 각 점에서, 배기가스 중의 질소 산화물량(즉, 배기가스 중의 산소 농도의 실측값에서 환산한 질소 산화물량)은 모두 동일하다.
치수 파라미터 H／L가 작을수록, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H가 낮아지므로, 버너(2)로부터 분출되는 화염 전체 중에서, 수직 연소 영역(131a) 내에 있는 부분의 비율이 작아지고, 수평 연소 영역(132a) 내에 있는 부분의 비율이 커진다. 반대로, 치수 파라미터 H／L가 클수록, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H가 높아지므로, 버너(2)로부터 분출되는 화염 전체 중에서, 수직 연소 영역(131a) 내에 있는 부분의 비율이 커지고, 수평 연소 영역(132a) 내에 있는 부분의 비율이 작아진다. 도 3에서 분명하게 알 수 있듯이, 치수 파라미터 H／L가 작으면, 배기가스 중의 일산화탄소량이 증대되고, 치수 파라미터 H／L가 크면, 배기가스 중의 일산화탄소량이 감소된다. 또, 본원 발명자들의 지견에 의하면, 버너(2)로부터 분출된 화염에 있어서, 버너(2)의 분출구(21)로부터 소정의 거리만큼 떨어진 화염의 중간 부분이, 연소 반응이 가장 현저하게 되어, 최고 온도가 되는 부분이고, 이 중간 부분이, 수직관(131) 내의 수면에 의해 냉각되면 연소 온도가 크게 저하되어, 일산화탄소가 다량으로 발생해 버린다. 치수 파라미터 H／L가 작으면, 최고 온도가 되는 중간 부분이, 수직관(131) 내의 수면에 가까워지게 되므로, 이도 또한, 배기가스 중의 일산화탄소량의 증대를 초래한다.
도 3의 일점 쇄선은, 배기가스 중의 일산화탄소량의 기준값이다. 배기가스 중의 일산화탄소량을 줄이는데 있어서는, 1 미만의 범위에서 치수 파라미터 H／L를 크게 하는 것이 바람직하다.
이는, 수직 연소 영역(131a)의 하면(下面) 및 수평 연소 영역(132a)의 하면은 각각, 수면 WL2에 의해 구획되고, 이 부근에서는 화염이 물에 의해 냉각된 결과, 연소 온도가 저하되어 일산화탄소가 증대되기 때문이라고 생각할 수 있다. 치수 파라미터 H／L가 작아 버너(2)로부터 분출되는 화염 전체 중에서, 수직 연소 영역(131a) 내에 있는 부분의 비율이 작아지고, 수평 연소 영역(132a) 내에 있는 부분의 비율이 커지면, 화염 전체 중에서, 물에 의해 냉각되는 범위가 커지므로, 배기가스 중의 일산화탄소가 증대된다.
따라서, 새로운 설계 사상에 의해, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H를 짧게 할 수 있다 하더라도, 상하 높이 H가 너무 짧은 것은 바람직하지 않다. 버너(2)로부터 분출된 화염의 과반은, 수직 연소 영역(131a) 내에 있는 것이 바람직하다. 배기가스 중의 일산화탄소량을 충분히 적게 하기 위해서는, 치수 파라미터 H／L는 0.6 이상으로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.7 이상이다.
(결론)
이상 설명한 바와 같이, 여기에 개시하는 수중 연소식 기화장치(1)는, 버너(2)로부터 분출된 화염이, 수직관(131) 내에서 구획되는 수직 연소 영역(131a)으로부터, 수평관(132) 내에서 구획되는 수평 연소 영역(132a)까지 연장되도록, 다운커머(13)가 구성된다.
즉, 다운커머(13)는, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H가, 정격 연소량에서 운전 시에 버너(2)로부터 분출된 화염의 전체 길이 L보다 짧으며 또한, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H와 버너(2)의 중심축으로부터 수평 연소 영역(132a)의 가장자리까지의 수평 길이 L2의 합 L1이, 화염의 전체 길이 L보다 길어지도록 구성된다.
이를 환언하면, 여기에 개시하는 수중 연소식 기화장치(1)의 운전방법으로는, 버너(2)로부터 분출된 화염이, 수직관(131) 내에서 구획되는 수직 연소 영역(131a)으로부터, 수평관(132) 내에서 구획되는 수평 연소 영역(132a)까지 연장되도록, 버너(2)를 운전한다.
이들 구성에 의해, 버너(2)의 연소가 안정화되는 한편, 수직관(131)의 상하 길이를 짧게 하는 것이 가능하게 된다. 수직관(131)의 상하 길이를 짧게 함으로써, 수조(11)의 깊이를 얕게 하는 것이 가능하게 되므로, 제조 및 설치 비용이 낮아진다. 또, 수조(11)의 용적이 작아지므로, 수조(11) 내의 물의 온도를 상승시키기 위해 필요한 열량이 감소됨과 동시에, 수중 연소식 기화장치(1)의 기동 시간이 짧아진다.
버너(2)로부터 분출된 화염의 과반이, 수직 연소 영역(131a) 내에 있도록 하면, 배기가스 중의 일산화탄소를 저감시키는 것이 가능하게 된다.
또, 여기에 개시하는 수중 연소식 기화장치의 설계방법은, 정격 연소량에서 운전 시에 버너(2)로부터 분출되는 화염의 길이 L에 기초하여, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이 H를 설정하는 공정과, 정격 연소량에서 운전 시에 버너(2)로부터 분출되는 화염의 길이 L에 기초하여, 수평 연소 영역(132a)의 수평 길이를 설정하는 공정을 구비한다.
버너(2)로부터 분출되는 화염의 길이 L을 고려하여, 다운커머(13)의 치수를 설정함으로써, 버너(2)의 연소의 안정화를 확보하면서, 다운커머(13)의 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
또, 수직 연소 영역(131a)의 상하 높이, 및, 수평 연소 영역(132a)의 수평 길이를 설정한 후, 버너(2)의 정격 연소량에 기초하여, 수직 연소 영역(131a)의 용적 V1 및 수평 연소 영역(132a)의 용적 V2이 소정의 용적을 만족하도록, 수직관(131)의 길이 및 지름, 그리고, 수평관(132)의 길이 및 지름을 설정하는 공정을 추가로 구비하도록 하면, 버너(2)의 연소를 더욱 안정화시킬 수 있다.
1 : 수중 연소식 기화장치
11 : 수조
12 : 열교환기
13 : 다운커머
131 : 수직관
131a : 수직 연소 영역
132 : 수평관
132a : 수평 연소 영역
14 : 블로워
15 : 스파지 파이프
2 : 버너
21 : 분출구

Claims (7)

  1. 수조(水槽) 내에 침지(浸漬)되며 또한, 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와,
    블로워(blower)로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키도록 구성된 버너(burner)와,
    상기 수조 내에 침지되며 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내에 도입하도록 구성된 다운커머(downcomer)와,
    상기 수조 내에서 상기 다운커머에 접속되며 또한, 상기 연소가스를 상기 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프(sparge pipe)를 구비하고,
    상기 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 상기 버너가 상단(上端)에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 상기 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관과, 상기 수직관의 하부(下部)에 접속되며 또한, 상기 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관을 가지고, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너의 분출구로부터 분출된 화염이, 상기 수직관 내에서 구획되는 수직 연소 영역으로부터, 상기 수평관 내에서 구획되는 수평 연소 영역까지 연장되도록 구성되고,
    상기 복수 개의 스파지 파이프는, 상기 수평관을 따르도록, 수평 방향으로 나열 배치되고,
    상기 수직관 내의 하부 및 상기 수평관 내의 하부에는, 상기 버너의 운전 시에, 물이 저류되며,
    상기 수직 연소 영역은, 상기 버너의 상기 분출구로부터 상기 수직관 내의 수면(水面)까지의 영역이고, 상기 수평 연소 영역은, 상기 수평관 내의 수면보다 상측(上側)이며 또한, 상기 수직관과 상기 수평관의 접속 위치로부터 상기 수직관에 가장 가까운 상기 스파지 파이프의 접속 위치까지의 영역이고,
    상기 다운커머는, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이가, 정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출된 화염의 전체 길이보다 짧으며 또한, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이와 상기 버너의 중심축으로부터 상기 수평 연소 영역의 가장자리까지의 수평 길이의 합이, 상기 화염의 전체 길이보다 길어지도록 구성되는 수중 연소식 기화장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 버너로부터 분출된 화염의 과반(過半)은, 상기 수직 연소 영역 내에 있는 수중 연소식 기화장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 수조 내에 침지되며 또한, 내부를 통과하는 저온 액화가스를 기화시키도록 구성된 열교환기와,
    블로워로부터 공급된 공기 및 연료 공급원으로부터 공급된 연료를 혼합하여 연소시키도록 구성된 버너와,
    상기 수조 내에 침지되며 또한, 상기 버너로부터의 연소가스를 상기 수조 내에 도입하도록 구성된 다운커머와,
    상기 수조 내에서 상기 다운커머에 접속되며 또한, 상기 연소가스를 상기 수조 내에 분출하도록 구성된 복수 개의 스파지 파이프를 구비한 수중 연소식 기화장치의 설계방법에 있어서,
    상기 다운커머는, 하향으로 화염을 분출하도록 구성된 상기 버너가 상단에 장착됨과 동시에, 그 장착 부분으로부터 상기 수조의 바닥을 향하여 수직으로 연장되도록 구성된 수직관과, 상기 수직관의 하부에 접속되며 또한, 상기 수조 내에서 수평으로 연장되도록 구성된 수평관을 가지고,
    상기 복수 개의 스파지 파이프는, 상기 수평관을 따르도록, 수평 방향으로 나열 배치되며,
    상기 수직관 내에서, 상기 버너의 분출구로부터 상기 스파지 파이프의 높이 위치에 상당하는 위치까지의 영역인 수직 연소 영역이 규정되며 또한, 상기 수평관 내에서, 상기 스파지 파이프의 높이 위치에 상당하는 위치보다 상측이며 또한, 상기 수직관과 상기 수평관의 접속 위치로부터 상기 수직관에 가장 가까운 상기 스파지 파이프의 접속 위치까지의 영역인 수평 연소 영역이 규정되고,
    정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출되는 화염의 길이에 기초하여, 상기 수직 연소 영역의 상하 높이를 설정하는 공정과,
    정격 연소량에서 운전 시에 상기 버너로부터 분출되는 화염의 길이에 기초하여, 상기 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정하는 공정을 구비하는 수중 연소식 기화장치의 설계방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수직 연소 영역의 상하 높이, 및, 상기 수평 연소 영역의 수평 길이를 설정한 후, 상기 버너의 정격 연소량에 기초하여, 상기 수직 연소 영역의 용적 및 상기 수평 연소 영역의 용적이 소정의 용적을 만족하도록, 상기 수직관의 길이 및 지름, 그리고, 상기 수평관의 길이 및 지름을 설정하는 공정을 추가로 구비하는 수중 연소식 기화장치의 설계방법.
KR1020160090897A 2015-07-28 2016-07-18 수중 연소식 기화장치, 수중 연소식 기화장치의 운전방법, 및, 수중 연소식 기화장치의 설계방법 KR102559409B1 (ko)

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