KR102599129B1 - Hydrogen Boiler for Flashback Prevention using Partial Premixed Flow Line - Google Patents

Hydrogen Boiler for Flashback Prevention using Partial Premixed Flow Line Download PDF

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Abstract

본원발명은 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성시킴으로써 질소산화물 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있도록 부분 예혼합 유로계 구조를 통한 역화방지용 수소 보일러에 관한 것이다.The present invention suppresses the production of nitrogen oxides by mixing and burning hydrogen, a carbon-free fuel, in a low-pressure boiler burner exclusively for LNG and city gas, and forming a split flame by configuring multiple fuel nozzles in consideration of the fast combustion speed of hydrogen. , relates to a hydrogen boiler for preventing flashbacks through a partial premixed flow path structure to prevent flashbacks.

Description

부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러 {Hydrogen Boiler for Flashback Prevention using Partial Premixed Flow Line}Hydrogen Boiler for Flashback Prevention using Partial Premixed Flow Line}

본원발명은 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성시킴으로써 질소산화물 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있도록 부분 예혼합 유로계 구조를 통한 역화방지용 수소 보일러에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen boiler for preventing flashbacks through a partial premix flow path system, and more specifically, considering the high combustion speed of hydrogen by mixing and burning hydrogen, a carbon-free fuel, in an existing low-pressure boiler burner exclusively for LNG and city gas. This relates to a hydrogen boiler for preventing flashbacks through a partial premixed flow path structure to suppress the production of nitrogen oxides and prevent flashbacks by configuring multiple fuel nozzles to form split flames.

일반적으로 보일러의 연소장치는 연료통으로부터 공급되는 연료를 버너의 노즐로 분사하여 연소실 내부로 연소되도록 함으로써 열원을 얻는 구조가 일반적이다. 이러한 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG,셰일가스, 벙커시유 등의 연료를 노즐로 공기와 함께 분사시켜 직접 버너로 공급하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 화력이 한정될 뿐만 아니라 화력을 높이기 위해서는 상대적으로 연료의 에너지를 많이 공급해야 함으로 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있었다.In general, the combustion device of a boiler is structured to obtain a heat source by injecting fuel supplied from a fuel tank into a nozzle of a burner and burning it inside the combustion chamber. The combustion device of these boilers injects fuel such as diesel, kerosene, LNG, LPG, shale gas, and bunker oil through a nozzle and supplies it directly to the burner for combustion. Therefore, not only is the thermal power structurally limited, but relative heating power is required to increase the thermal power. As a result, a large amount of fuel energy had to be supplied, resulting in high costs.

즉, 현재까지 사용하고 있는 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG, 셰일가스, 벙커시유 등의 연료만을 사용하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 연소장치의 열효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었으며, 또한 열효율이 낮아서 연료가 많이 소모되는 비경제적인 문제점이 있었으며, 그리고 구조적으로 완전연소가 이루어지지 않아 유해가스의 발생량을 증가시키는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 보일러의 열효율을 높이고 연료의 소모를 적게 하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.In other words, the combustion device of the boiler used to date only uses fuel such as diesel, kerosene, LNG, LPG, shale gas, and bunker oil, so there is a structural problem that the thermal efficiency of the combustion device is significantly reduced. Additionally, the thermal efficiency is low. There was an uneconomical problem of consuming a lot of fuel, and there was a problem of increasing the amount of harmful gases generated because complete combustion was not achieved structurally. To solve these problems, various technologies are being developed to increase the thermal efficiency of boilers and reduce fuel consumption.

산업용 보일러 분야의 무탄소 연료 전환을 위해, 수소 전소(全燒) 또는 기존 연료(LNG)와 혼합하여 연소시키는 혼소(混燒)가 가능한 수소 연소기 및 시스템 매칭기술 개발이 요구되고 있다.In order to convert to carbon-free fuel in the industrial boiler field, there is a need to develop hydrogen combustors and system matching technologies that enable full hydrogen combustion or co-combustion by mixing it with existing fuel (LNG).

그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 기존 보일러 버너로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 보일러 연소실 내에서 형성되어야 하는 화염이 연소실의 구조물과 버너분사 노즐 안으로 접근해 해당 구조물과 부품들을 과열시키는 등 보일러 버너의 신뢰성에 치명적인 문제를 일으킬 가능성이 있다.However, because hydrogen has a fast combustion speed, when these fuels are burned with an existing boiler burner, the flame that should be formed within the boiler combustion chamber approaches the structure of the combustion chamber and the burner injection nozzle, overheating the structure and parts, causing boiler damage. There is a possibility of causing fatal problems with the reliability of the burner.

일본 등록특허공보 제5594951호에는 버너는 연소 공기 흐름의 선회 흐름을 형성하는 소용돌이 발생기를 구비하고, 이 소용돌이 발생기의 하류에는 혼합 존이 계속되어 있고 이 혼합 존에 있어서는 과도부 내에서 흐름 방향으로 연장되는 플로우 가이드 수단 작용하고 있어, 이 플로우 가이드 수단은 소용돌이 발생기로 형성되는 선회 흐름을 플로우 가이드 수단의 하류에서 작용하는 혼합 파이프 내로 이송하는 기능을 하고 있어 소용돌이 발생기 내에는 존재하는 연소용 공기의 흐름에 액상 혹은 가스형 연료, 또는 양쪽 모두의 연료를 공급하기 위한 수단이 설치되고 이와 같이 하여 얻어진 연료와 공기의 혼합물은 혼합 존의 하류로 계속되는 연소실 내에서 점화해 연소하고 그것과 동시에 역류 존(RB)을 형성하는 버너 조작 방법으로 수소를 함유 또는 수소 만으로 구성되는 연료는 상기 플로우 가이드 수단 내, 혹은 상기 플로우 가이드 수단의 하류 내, 또는 양쪽 모두에 있어서 상기 연료를 공급하는 공급 라인과 접속한 연료탱크를 구비한 연료 공급 수단에서 복수의 공급 덕트를 통해 상기 연료와 공기의 선회 흐름에 공급되어 수소를 포함한 또는 수소 만으로 구성되는 가스형 연료 공급은 연료와 공기의 선회 흐름의 불안정이 최소화되도록 수행되어 연료 공급은 연료와 공기의 선회 흐름의 소용돌이 방향에 대해서 접선 방향 성분과 버너축에 대해서 종방향으로 반경 방향 성분을 가진 버너 조작 방법이 개시된 바 있다. 그러나역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.In Japanese Registered Patent Publication No. 5594951, a burner is provided with a vortex generator that forms a swirling flow of combustion air flow, and a mixing zone continues downstream of the vortex generator, and this mixing zone extends in the flow direction within the transition section. The flow guide means functions to transport the swirling flow formed by the vortex generator into the mixing pipe acting downstream of the flow guide means, and is connected to the flow of combustion air existing within the vortex generator. Means for supplying liquid or gaseous fuel, or both, are installed, and the mixture of fuel and air thus obtained is ignited and burned in a combustion chamber continuing downstream of the mixing zone, and at the same time, the reverse flow zone (RB). In the burner operation method of forming, the fuel containing hydrogen or consisting only of hydrogen is connected to a fuel tank connected to a supply line for supplying the fuel within the flow guide means, downstream of the flow guide means, or both. The supply of gaseous fuel containing hydrogen or consisting only of hydrogen is supplied to the swirling flow of fuel and air through a plurality of supply ducts from the provided fuel supply means, and is performed so that instability in the swirling flow of fuel and air is minimized. A method of operating a burner with a tangential component in the swirl direction of the swirling flow of fuel and air and a radial component in the longitudinal direction with respect to the burner axis has been disclosed. However, there has been no disclosure regarding a technology for forming a flame in a boiler combustion chamber in the form of a split flame after partial premixing with hydrogen supplied through a fuel nozzle including a flashback prevention means and an oxidant introduced with a swirling flow.

한국 등록특허공보 제10-2460672호에서는 내부에 수소 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더;상기 노즐 실린더와 이격되며, 상기 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 상기 노즐 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하며,상기 복수개의 연료홀 간의 간격은 연소실 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성되고, 상기 복수개의 연료홀의 크기는 연소실 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는 수소 연료 노즐이 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.Korean Patent Publication No. 10-2460672 discloses a nozzle cylinder in which a space through which hydrogen fuel flows is formed and on the surface of which a plurality of fuel holes through which fuel flows are formed; spaced apart from the nozzle cylinder and located in the longitudinal direction of the nozzle cylinder. A shroud formed to surround the; It is formed between the nozzle cylinder and the shroud, and includes a mixing passage that mixes the fuel supplied through the plurality of fuel holes and the compressed air supplied from the compressor, wherein the distance between the plurality of fuel holes increases toward the combustion chamber. A hydrogen fuel nozzle is disclosed that is formed to gradually become larger, and the size of the plurality of fuel holes is formed to gradually become smaller in the direction toward the combustion chamber. However, there has been no disclosure regarding a technology for forming a flame in a boiler combustion chamber in the form of a split flame after partial premixing with hydrogen supplied through a fuel nozzle including a flashback prevention means and an oxidant introduced with a swirling flow.

한국 등록특허공보 제10-2456687호에서는 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐에 있어서,공기가 이동하는 외측 튜브;상기 외측 튜브 내에 설치되며 연료가 이동하는 내측 튜브;상기 외측 튜브 내에 설치되되 상기 내측 튜브와 연결되며 상기 외측 튜브에 연료를 분사하는 복수의 분사홀을 갖는 스월러; 및상기 스월러의 전방에 설치되며 연료를 분산시키는 복수의 미세 분산 튜브를 갖는 마이크로 분사부재;를 포함하며,상기 스월러는 와류를 형성하여 연료와 공기를 혼합하며,상기 마이크로 분사부재의 후단에는 전방으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 제1 가이드 관과 상기 제1 가이드 관을 감싸며 전방으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 제2 가이드 관이 고정된 연소기용 노즐이 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.Korean Patent Publication No. 10-2456687 discloses a nozzle for a combustor that burns fuel containing hydrogen, an outer tube through which air moves; an inner tube through which fuel moves and is installed within the outer tube; A swirler connected to the inner tube and having a plurality of injection holes for injecting fuel into the outer tube; And A micro injection member installed in front of the swirler and having a plurality of fine dispersion tubes for dispersing fuel, wherein the swirler forms a vortex to mix fuel and air, and at the rear end of the micro injection member. A nozzle for a combustor is disclosed in which a first guide tube whose inner diameter gradually decreases as it moves forward and a second guide tube that surrounds the first guide tube and whose inner diameter gradually decreases as it moves forward are fixed thereto. However, there has been no disclosure regarding a technology for forming a flame in a boiler combustion chamber in the form of a split flame after partial premixing with hydrogen supplied through a fuel nozzle including a flashback prevention means and an oxidant introduced with a swirling flow.

한국 등록특허공보 제10-1324945호에서는 외부 공기를 유입하여 공급하는 공기공급관; 상기 공기공급관의 내측에 구성되고 종단부에 연료분출공이 형성된 연료공급관; 및 상기 연료분출공이 연소실로 노출되도록 상기 연료공급관과 공기공급관 사이에 구성되어 상기 공기공급관에서 연소실로 유입되는 공기의 흐름을 억제하는 디퓨저(Diffuser)를 포함하고, 상기 디퓨저는, 상기 공기공급관의 공기가 연소실로 유입되도록 관통하여 형성되는 적어도 하나의 공기공급공; 및 상기 공기공급공의 가장자리 중 적어도 일부로부터 연소실의 내측방향으로 연장형성되는 분산가이드구를 포함하는 저압용 저녹스 버너가 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.Korean Patent Publication No. 10-1324945 discloses an air supply pipe that introduces and supplies external air; A fuel supply pipe formed inside the air supply pipe and having a fuel ejection hole at the end thereof; and a diffuser configured between the fuel supply pipe and the air supply pipe so that the fuel injection hole is exposed to the combustion chamber to suppress the flow of air flowing into the combustion chamber from the air supply pipe, and the diffuser is configured to provide air from the air supply pipe. At least one air supply hole formed through the air to flow into the combustion chamber; and a dispersion guide port extending from at least a portion of the edge of the air supply hole toward the inside of the combustion chamber. However, there has been no disclosure regarding a technology for forming a flame in a boiler combustion chamber in the form of a split flame after partial premixing with hydrogen supplied through a fuel nozzle including a flashback prevention means and an oxidant introduced with a swirling flow.

즉, 수소 연료 적용 혼소 및 전소 연소기는 수소의 특성으로 인해 기존과는 다른 연소 방식이 필요하다, 기존 천연가스와 수소 연료는 서로 다른 물성치를 가지고 있으며, 연료전환 시연소기에서 발생하는 총 입열량을 기존 천연가스만을 사용한 연소 시스템과 동일하게 유지해야 하며, 수소의 경우 밀도가 낮아 혼소율 증가에 따라 수소 연료의 부피 유량은 증가한다.In other words, co-firing and full-firing combustors using hydrogen fuel require different combustion methods from existing ones due to the characteristics of hydrogen. Existing natural gas and hydrogen fuel have different physical properties, and the total heat input generated from the fuel conversion demonstration combustor is It must be maintained the same as the existing combustion system using only natural gas, and the volumetric flow rate of hydrogen fuel increases as the co-combustion rate increases due to the low density of hydrogen.

수소 연소 특성을 파악하여 혼소 또는 전소가 가능한 노즐 및 혼합구조 설계가 필요하며 화염 안정성 확보를 위한 운전기술 또한 중요하며, 연소기 출력 용량 대비 효율 확보가 필요하며 연소 후 발생하는 배기가스 기준 환경적인 측면 고려가 필수적이다.By understanding the characteristics of hydrogen combustion, it is necessary to design a nozzle and mixing structure that allows co-combustion or full combustion. Operation technology to ensure flame stability is also important, efficiency must be secured relative to the combustor output capacity, and environmental aspects based on exhaust gas generated after combustion are considered. is essential.

또한, 수소 연료 혼소 및 전소 조건에서는 연료 전환 및 혼합에 의한 적용한계 파악을 위해 워베지수(WI, Wobber Index), 수정워베지수(MWI, Modified Wobbe Index)를 이용한 기초 이론적 분석이 필요하다. In addition, under hydrogen fuel co-firing and combustion conditions, basic theoretical analysis using the Wobber Index (WI) and Modified Wobbe Index (MWI) is necessary to identify application limits due to fuel conversion and mixing.

따라서, 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너를 적용한 질소산화물 생성을 억제하는 부분 예혼합 형태의 역화방지용 수소 버너 보일러 개발이 필요하다.Therefore, while mixing and burning hydrogen, a carbon-free fuel, in a low-pressure boiler burner exclusively for LNG and city gas, multiple fuel nozzles are configured to form split flames in consideration of the fast combustion speed of hydrogen, thereby suppressing the production of nitrogen oxides. There is a need to develop a hydrogen burner boiler for preventing flashbacks with a partial premixing type that suppresses the production of nitrogen oxides by applying a burner with a partial premixing type that can prevent flashbacks.

일본 등록특허공보 제5594951호Japanese Patent Publication No. 5594951 한국 등록특허공보 제10-2460672호Korean Patent Publication No. 10-2460672 한국 등록특허공보 제10-2456687호Korean Patent Publication No. 10-2456687 한국 등록특허공보 제10-1324945호Korean Patent Publication No. 10-1324945

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 생성을 억제하고, 질소산화물 생성억제 효과가 있는 부분 예혼합 형태의 역화방지용 수소 버너 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and is divided into multiple fuel nozzles in consideration of the fast combustion speed of hydrogen while mixing and burning hydrogen, a carbon-free fuel, in a low-pressure boiler burner exclusively for LNG and city gas. The purpose of the present invention is to provide a hydrogen burner boiler for preventing flashbacks in the form of a partial premix that suppresses the production of nitrogen oxides by forming a flame and has the effect of suppressing the production of nitrogen oxides.

또한, 기존 상용화된 보일러 버너인 한국 등록특허공보 제10-1324945호에서 연소용 공기와 연료 공급 유로계 플랫폼을 그대로 유지하는 구조이며, 버너 헤드부분에서만 연소속도가 빠른 수소 연소 특성을 고려하여 수소연료 분사노즐을 다수(多數)개로 분할하여 수소화염의 질소산화물 생성을 억제하는 부분 예혼합 형태의 역화방지용 수소 버너 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the existing commercialized boiler burner, Korean Patent Publication No. 10-1324945, has a structure that maintains the combustion air and fuel supply flow path platform, and considering the characteristics of hydrogen combustion with a high combustion speed only at the burner head, hydrogen fuel is used. The purpose of the present invention is to provide a hydrogen burner boiler for preventing flashbacks in the form of partial premixing, which suppresses the production of nitrogen oxides from hydrogen flames by dividing the injection nozzle into a plurality of pieces.

이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러는 진공드럼(10)의 연소실(12)에는 송풍기(20)를 통해 공급되는 외부공기를 이용하여 연료를 연소시키는 버너(30);가 구성되고, 상기 진공드럼(10)의 감압증기실(11)에는 연소열에 의해 기화된 감압증기와 간접열교환이 이루어지는 열교환기(50);를 포함하고, 상기 버너에 연료를 공급하는 제1연료관(TF1); 상기 버너에 연료를 공급하는 제2연료관(TF2); 상기 버너에 산화제를 공급하는 산화제관(TA); 상기 연소실에 불활성가스를 공급하는 불활성가스관(TN); 및 상기 열교환기에 물을 공급하는 물공급관(TW1);를 포함하며, 상기 제1연료는 수소인 수소 연소 보일러를 제공할 수 있다.To achieve this purpose, the hydrogen boiler for preventing flashbacks through a partial premix flow path system of the present invention is a burner that burns fuel using external air supplied through the blower 20 in the combustion chamber 12 of the vacuum drum 10. (30); is configured, and the reduced pressure steam chamber (11) of the vacuum drum (10) includes a heat exchanger (50) in which indirect heat exchange is performed with reduced pressure steam vaporized by combustion heat, and supplies fuel to the burner. The first fuel pipe (TF1); A second fuel pipe (TF2) that supplies fuel to the burner; An oxidizing agent tube (TA) that supplies an oxidizing agent to the burner; an inert gas pipe (TN) supplying an inert gas to the combustion chamber; and a water supply pipe (TW1) that supplies water to the heat exchanger, wherein the first fuel is hydrogen. A hydrogen combustion boiler can be provided.

또한, 상기 버너는 산화제가 공급되는 산화제공급관(100); 상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200); 및 상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며, 상기 연료노즐에 형성된 접선형 산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀(222);에서 공급되는 상기 연료가 상기 연료노즐 내측에서 부분 예혼합될 수 있다.In addition, the burner includes an oxidizing agent supply pipe 100 through which an oxidizing agent is supplied; A fuel supply pipe (200) formed inside the oxidant supply pipe; and a fuel nozzle 210 coupled to and in contact with a fuel baffle plate 220 formed on the inside of the fuel supply pipe. The oxidant supplied in a rotational manner through a tangential oxidant inlet slit 211 formed on the fuel nozzle. The fuel supplied from the fuel discharge hole 222 of the fuel baffle plate may be partially premixed inside the fuel nozzle.

또한, 상기 연료는 1종 또는 2종 이상의 기체연료일 수 있다.Additionally, the fuel may be one or two or more types of gaseous fuel.

또한, 상기 보일러의 기동시에는 상기 연소실내에 상기 불활성가스관의 상기 불활성가스를 상기 버너를 통해 공급하여 상기 연소실내의 수소가스를 퍼지할 수 있다.Additionally, when the boiler is started, the inert gas from the inert gas pipe may be supplied into the combustion chamber through the burner to purge hydrogen gas within the combustion chamber.

또한, 상기 버너를 통해 물을 분사하는 물분사관(TW)을 포함할 수 있다.Additionally, it may include a water spray pipe (TW) that sprays water through the burner.

또한, 상기 연료공급관에는 복수의 차단밸브 및 메쉬필터가 형성될 수 있다.Additionally, a plurality of blocking valves and mesh filters may be formed in the fuel supply pipe.

또한, 상기 열교환기와 상기 물공급관 사이에는 상기 물을 예열하기 위한 예열기가 형성될 수 있다.Additionally, a preheater for preheating the water may be formed between the heat exchanger and the water supply pipe.

또한, 상기 연료, 산화제 및 물의 온도, 압력, 및 유량을 센싱할 수 있는 복수의 센서, 상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 제어할 수 있는 복수의 밸브; 및 상기 센서의 데이터를 기반으로 상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 상기 밸브를 통하여 제어하는 유량 제어부;를 추가로 포함할 수 있다.Additionally, a plurality of sensors capable of sensing the temperature, pressure, and flow rate of the fuel, oxidizer, and water, and a plurality of valves capable of controlling the flow rate of the fuel, oxidizer, and water; and a flow rate control unit that controls the flow rates of the fuel, oxidizer, and water through the valve based on data from the sensor.

또한, 상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성될 수 있다.Additionally, the oxidizing agent supplied in a swirl may be formed by a swirl vane 214 that forms the oxidizing agent inlet slit.

또한, 상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는 상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)일 수 있다.In addition, the fuel discharge hole is formed in the fuel baffle plate in contact with the first fuel discharge hole 222 and/or the oxidizer inlet slit for injecting the fuel in a horizontal direction from the fuel baffle protrusion formed in the center of the fuel baffle plate. It may be a second fuel discharge hole 224 that injects the fuel in a vertical direction.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제배플플레이트(110);으로부터 돌출되어 형성되거나, 같은 평면상에 형성될 수 있다.Additionally, the fuel nozzle may be formed to protrude from the oxidant baffle plate 110, or may be formed on the same plane.

또한, 상기 산화제배플플레이트에는 상기 연료노즐 냉각을 위한 다수의 냉각분사구(111)이 형성될 수 있다.Additionally, a plurality of cooling nozzles 111 for cooling the fuel nozzle may be formed on the oxidizer baffle plate.

상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.It is also possible to provide solutions to the above problems in various combinations.

본원발명의 질소산화물 생성을 억제하며 수소를 연료로 하는 보일러용 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너에서는 수소연소에 가장 취약한 역화 위험성을 피하기 위해 보일러 연소실로 돌출되어 있는 버너헤드인 연료노즐 선단 근처에서 연료인 수소 가스가 분사되게 함으로써 수소연료 연소시 역화 위험성을 배제하는 효과가 있다.In the partial premixed flashback prevention burner for a hydrogen-fueled boiler that suppresses the production of nitrogen oxides according to the present invention, fuel is used near the tip of the fuel nozzle, which is a burner head protruding into the boiler combustion chamber, to avoid the risk of flashback, which is most vulnerable to hydrogen combustion. By injecting hydrogen gas, it has the effect of eliminating the risk of backfire when burning hydrogen fuel.

또한, 가정용 및 상업용으로 시판되고 있는 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소(H2)를 혼입하여 부분적인 혼합 연소(일명, 混燒) 및 100 % 수소 연료만의 연소(일명, 全燒)가 가능한 효과가 있다.In addition, hydrogen (H2), a carbon-free fuel, is mixed into low-pressure boiler burners exclusively for LNG and city gas commercially available for home and commercial use, resulting in partial mixed combustion (so-called clean combustion) and combustion of 100% hydrogen fuel only (so-called , full burning effect is possible.

또한, 한국 등록특허공보 제10-1324945호의 버너 구조에서 연소용 공기와 연료 공급 유로계 플랫폼을 그대로 유지하는 구조이며, 버너 헤드부분에서만 연소속도가 빠른 수소연소 특성을 고려하여 수소연료 분사노즐을 다수(多數)개로 분할하여 수소화염의 역화를 억제하는 효과를 갖는다.In addition, the burner structure of Korean Patent Publication No. 10-1324945 maintains the combustion air and fuel supply passage platform as is, and considering the characteristics of hydrogen combustion with a high combustion speed only in the burner head, multiple hydrogen fuel injection nozzles are installed. It has the effect of suppressing the flashback of hydrogen flames by dividing it into (multiple) pieces.

또한, 수소 분사노즐은 기존 버너의 공기 공급관(100)에서 공급되는 연소용 공기를 접선형 선회기(Tangential vane)로 유도한 후 선회류(Swirling flow)로 유입되는 연소용 공기에 수직으로 분사되는 JIC(Jet in cross) 형태로 수소 분사노즐 홀(Hole)들을 구성하여 분사된 수소연료와 연소용 공기가 연료노즐 선단 근처에서 매우 빠르고 잘 혼합(Mixing)되어 역화 위험성을 배제하면서 연소성능이 우수한 부분 예혼합 연소특성의 효과를 갖는다.In addition, the hydrogen injection nozzle guides the combustion air supplied from the air supply pipe 100 of the existing burner to the tangential vane and then injects it vertically into the combustion air flowing into the swirling flow. The hydrogen injection nozzle holes are configured in the JIC (Jet in cross) form, so the injected hydrogen fuel and combustion air mix very quickly and well near the tip of the fuel nozzle, eliminating the risk of backfire and providing excellent combustion performance. It has the effect of premixed combustion characteristics.

도 1은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러의 개념도이다.
도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러의 구성도이다.
도 3은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.
도 4는 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 단면도이다.
도 5는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제1연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.
도 6은 본원 발명의 일실시예에 따른 제2연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.
도 7은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제2연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.
도 8은 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 다양한(콘형, 축소확대형 등)연료노즐의 사시도이다.
도 9는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐출구 및 냉각분사구의 사시도이다.
도 10은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링의 사시도이다.
도 11은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링 유무에 따른 CFD유동 해석 결과이다.Figure 1 is a conceptual diagram of a hydrogen boiler for preventing flashback through a partial premix flow path system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram of a hydrogen boiler for preventing flashback through a partial premix flow path system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective view of a burner for preventing flashback of a partial premix type according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view of a burner for preventing flashback of a partial premix type to which a first fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a cross-sectional view of the mixing of fuel and oxidant applied to the first fuel discharge hole of a burner for preventing flashbacks of a partial premix according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a perspective view of a partial premix type flashback prevention burner to which a second fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a cross-sectional view of the mixing of fuel and oxidant using the second fuel discharge hole of a partially premixed flashback prevention burner according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a perspective view of various (cone-type, reduced-enlarged, etc.) fuel nozzles of a partial premix type flashback prevention burner to which the first fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a perspective view of the fuel nozzle outlet and cooling injection port of a burner for preventing flashbacks of a partial premix type according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a perspective view of the boundary layer destruction ring inside the fuel nozzle of a burner for preventing flashback of a partial premix type according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a CFD flow analysis result according to the presence or absence of a boundary layer destruction ring inside the fuel nozzle of a partially premixed flashback prevention burner according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, an embodiment in which the present invention can be easily implemented by those skilled in the art will be described in detail. However, when explaining in detail the operating principle of a preferred embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the same reference numerals are used for parts that perform similar functions and actions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is said to be connected to another part, this includes not only cases where it is directly connected, but also cases where it is indirectly connected through another element in between. Additionally, including a certain component does not mean excluding other components unless specifically stated to the contrary, but rather means that other components may be further included.

또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.In addition, limitations or additions to an embodiment in this specification not only apply to a specific embodiment, but may also be equally applied to other embodiments.

또한, 본원발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.In addition, throughout the description and claims of the present invention, the singular number also includes the plural unless otherwise specified.

본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다. The present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러의 개념도이다.Figure 1 is a conceptual diagram of a hydrogen boiler for preventing flashback through a partial premix flow path system according to an embodiment of the present invention.

보일러는 진공드럼(10)의 연소실(12)에는 송풍기(20)를 통해 공급되는 외부공기를 이용하여 연료를 연소시키는 버너(30);가 구성되고, 상기 진공드럼(10)의 감압증기실(11)에는 연소열에 의해 기화된 감압증기와 간접열교환이 이루어지는 열교환기(50);를 포함하고, 상기 버너에 연료를 공급하는 제1연료관(TF1); 상기 버너에 연료를 공급하는 제2연료관(TF2); 상기 버너에 산화제를 공급하는 산화제관(TA); 상기 연소실에 불활성가스를 공급하는 불활성가스관(TN); 및 상기 열교환기에 물을 공급하는 물공급관(TW1);를 포함하며, 상기 제1연료는 수소인 수소 연소 보일러를 제공할 수 있다.The boiler is configured with a burner 30 that burns fuel using external air supplied through the blower 20 in the combustion chamber 12 of the vacuum drum 10, and a reduced pressure steam chamber of the vacuum drum 10 ( 11) includes a heat exchanger (50) in which indirect heat exchange is performed with reduced pressure steam vaporized by combustion heat, and a first fuel pipe (TF1) that supplies fuel to the burner; A second fuel pipe (TF2) that supplies fuel to the burner; An oxidizing agent tube (TA) that supplies an oxidizing agent to the burner; an inert gas pipe (TN) supplying an inert gas to the combustion chamber; and a water supply pipe (TW1) that supplies water to the heat exchanger, wherein the first fuel is hydrogen. A hydrogen combustion boiler can be provided.

상기 수소 연소 보일러는 음압형 증기식 온수보일러 일 수 있다. 상기 온수보일러의 경우, 진공드럼(10)의 연소실(12)에는 송풍기(20)를 통해 공급되는 외부공기를 이용하여 연료를 연소시키는 버너(30)가 구성되고, 진공드럼(10)의 감압증기실(11)에는 연소열에 의해 기화된 감압증기와 간접열교환이 이루어지는 열교환기(50)가 구성된다.The hydrogen combustion boiler may be a negative pressure steam type hot water boiler. In the case of the hot water boiler, a burner 30 is configured in the combustion chamber 12 of the vacuum drum 10 to burn fuel using external air supplied through the blower 20, and the reduced pressure steam of the vacuum drum 10 is provided. In the chamber 11, a heat exchanger 50 is provided in which indirect heat exchange is performed with reduced pressure steam vaporized by combustion heat.

증기식 보일러는 송풍기(20)에서 공급된 산화제인 외부공기와 연료공급관을 통해 공급되는 수소 또는 수소와 혼합된 다른 기상 연료가 버너(30)에서 혼합 및 연소되고, 연료의 연소에 의해 발생된 연소열은 수관(13)으로 공급되어 감압증기를 발생시키며, 연소에 의해 발생된 배기가스는 배기덕트(14)를 통해 외부로 배출되고, 열교환기(50)의 유입구로 공급된 물은 감압증기실(11) 내부의 열교환코일(51)에서 간접열교환되어 가열된 후 배출구(53)를 통해 필요로 하는 곳으로 공급된다.In a steam boiler, external air, which is an oxidizing agent supplied from the blower 20, and hydrogen supplied through a fuel supply pipe or other gaseous fuel mixed with hydrogen are mixed and burned in the burner 30, and combustion heat generated by combustion of the fuel is supplied to the water pipe 13 to generate reduced pressure steam, the exhaust gas generated by combustion is discharged to the outside through the exhaust duct 14, and the water supplied to the inlet of the heat exchanger 50 is sent to the reduced pressure steam chamber ( 11) It is heated by indirect heat exchange in the internal heat exchange coil (51) and then supplied to the required place through the outlet (53).

도 1의 연소실(12)에서 수소를 포함한 연료를 연소하는 버너(30)는 질소산화물 등의 오염물질 배출을 저감하기 위하여 부분 예혼합형 수소 버너를 사용하게 된다.The burner 30 that burns fuel containing hydrogen in the combustion chamber 12 of FIG. 1 uses a partial premixed hydrogen burner to reduce the emission of pollutants such as nitrogen oxides.

일반적인 가정 또는 산업용 보일러의 저압용 노즐의 중압은 2 bar 이하일 수 있다.The medium pressure of the low-pressure nozzle of a typical home or industrial boiler may be 2 bar or less.

상기 산화제는 공기 또는 산소일 수 있다. The oxidizing agent may be air or oxygen.

분할화염(Cell frame)형태로 질소산화물등의 생성을 억제하기 위하여 화염내 체류시간을 줄이는 설계안이다. 상기 공기-접선방향 스월 구조를 가질 수 있다. 상기 연료와 산화제의 혼합존에서는 연료의 공급조건에 따라 카운터플로우타입(Counter-flow), 제트인크로스타입(Jet in cross), 스월베인 입구쪽, 스월 베인 출구쪽에서 혼합이 형성될 수 있도록 연료가 공급될 수 있다.It is a design that reduces the residence time within the flame to suppress the creation of nitrogen oxides in the form of a split flame (cell frame). It may have the air-tangential swirl structure. In the mixing zone of the fuel and oxidizer, fuel is mixed so that mixing can be formed at the counter-flow type, jet in cross type, swirl vane inlet, and swirl vane outlet depending on the fuel supply conditions. can be supplied.

상기 연료노즐의 내부 형태는 콘(Cone)타입, 축소확대형의 초음속노즐, 쵸킹형태 중 어느 하나 일 수 있다.The internal shape of the fuel nozzle may be one of a cone type, a supersonic nozzle of a reduced or expanded type, or a choke type.

상기 수소의 역화를 방지하기 위하여 연료노즐의 내부에 경계층파괴링을 형성하고 상기 경계층파괴링의 외곽 튜브의 환형주위로 상기 연료노즐에 접선방향으로 형성된 공기유입이 될 수 있다.In order to prevent flashback of the hydrogen, a boundary layer breaking ring may be formed inside the fuel nozzle, and air may be introduced in a tangential direction to the fuel nozzle around the annular shape of the outer tube of the boundary layer breaking ring.

상기 연소실안에서 수소화염에 의한 노즐보호를 위해 산화제를 공급할 수 있다. 상기 연료노즐의 끝단에 공급된 산화제를 접촉할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 상기 접촉은 충돌제트형태로 이뤄질 수 있다. In the combustion chamber, an oxidizing agent can be supplied to protect the nozzle from hydrogen flame. It may be formed at a location that can contact the oxidant supplied to the end of the fuel nozzle. The contact may take place in the form of an impinging jet.

도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 유로계를 통한 역화방지용 수소 보일러 시스템의 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram of a hydrogen boiler system for preventing flashback through a partial premix flow path system according to an embodiment of the present invention.

수소 가스를 주연료로서 보일러 시스템은 연료 공급 장치와 관류 보일러와 제어 장치를 구비한다.Using hydrogen gas as the main fuel, the boiler system includes a fuel supply device, a once-through boiler, and a control device.

관류 보일러는 연료 공급 장치에서 공급된 기체 연료를 송풍기(도시하지 않음)에서 공급되는 연소용 공기와 혼합해 버너에서 연소시키고 연소실에 형성된 수관의 물을 가열함으로써 증기를 발생시킨다. 관류 보일러는 도시하지 않는 부하 기기와 접속되고 발생시킨 증기를 부하 기기에 대해서 공급한다. A once-through boiler mixes gaseous fuel supplied from a fuel supply device with combustion air supplied from a blower (not shown), combusts it in a burner, and generates steam by heating water in a water pipe formed in the combustion chamber. The once-through boiler is connected to a load device (not shown) and supplies the generated steam to the load device.

관류 보일러는 기체 연료와 연소용 공기를 부분적으로 예혼합하는 부분 예혼합 버너를 구비한다.The once-through boiler has a partial premix burner that partially premixes the gaseous fuel and combustion air.

연료 공급 장치는 수소를 공급하는 제1연료관(TF1)과 수소를 제외한 탄화수소계 기상연료, 바람직하게는 LNG 또는 LPG인 제2연료관(TF2)를 포함할 수 있다.The fuel supply device may include a first fuel pipe (TF1) that supplies hydrogen and a second fuel pipe (TF2) that is a hydrocarbon-based gaseous fuel excluding hydrogen, preferably LNG or LPG.

상기 제1연료관 및/또는 제2연료관으로부터 공급되는 연료를 혼합하는 혼합 장치와 혼합 가스 라인 24와 바이패스 라인25와 혼합 가스 분기 라인 26를 구비한다.It is provided with a mixing device for mixing fuel supplied from the first fuel pipe and/or the second fuel pipe, a mixed gas line 24, a bypass line 25, and a mixed gas branch line 26.

제1연료관은 관류 보일러에 주연료로서의 수소를 공급한다. 제1연료관의 상류 측은 수소 공급 장치에 연결될 수 있다. 수소 공급 장치으로서는 예를 들면 수전해 설비, 보일러가 설치된 플랜트 내에서 발생한 수소, 부생수소 등을 저장하는 저장 설비를 들 수 있다.The first fuel pipe supplies hydrogen as the main fuel to the once-through boiler. The upstream side of the first fuel pipe may be connected to a hydrogen supply device. Examples of hydrogen supply devices include water electrolysis facilities and storage facilities that store hydrogen generated within a plant equipped with a boiler, by-product hydrogen, etc.

제1연료관에는 차단 밸브와 수소 유량 조정 밸브와 압력 센서가 배치되며, 차단 밸브는 전자 밸브에 의해 구성되고 제1연료관을 개방 또는 폐지한다. 차단 밸브를 개방함으로써 수소 공급 장치에서 관류 보일러에 수소 가 공급되고 차단 밸브를 폐쇄함으로써 수소 공급 장치에서 관류 보일러로의 수소 공급이 정지된다. 또한 차단 밸브는 수소 공급 장치로의 수소의 역류를 방지하는 기능도 가진다.A blocking valve, a hydrogen flow adjustment valve, and a pressure sensor are disposed in the first fuel pipe, and the blocking valve is composed of an electromagnetic valve and opens or closes the first fuel pipe. By opening the shutoff valve, hydrogen is supplied from the hydrogen supply device to the once-through boiler, and by closing the shutoff valve, the supply of hydrogen from the hydrogen supply device to the once-through boiler is stopped. The shutoff valve also has the function of preventing backflow of hydrogen into the hydrogen supply device.

수소 유량 조정 밸브는 제1연료관을 흐르는 수소의 압력을 조정함으로써, 제1연료관의 수소 가스의 유량을 조정한다. 압력 센서는 제1연료관의 수소 가스 유량 조정 밸브의 하류 측의 수소 가스의 압력을 검출한다.The hydrogen flow rate adjustment valve adjusts the flow rate of hydrogen gas in the first fuel pipe by adjusting the pressure of hydrogen flowing through the first fuel pipe. The pressure sensor detects the pressure of hydrogen gas on the downstream side of the hydrogen gas flow adjustment valve of the first fuel pipe.

제2연료관(TF2)은 수소를 제외한 탄화수소 기상 연료를 공급할 수 있다. 제2연료관은 관류 보일러에 대해서 부연료 가스를 공급한다. 부연료가스로서는 수소 가스보다 연소 속도가 늦고 또한 산소를 포함하지 않는 가스가 이용된다. 부연료가스로서는 수소 가스와의 혼합 가스로서의 연소 속도를 적합하게 유지하는 관점에서 층류 연소속도가 20 cm/s~60 cm/s의 탄화수소 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 부연료가스로서는 도시가스(LNG)나 프로판 가스(LPG)를 이용할 수 있다.The second fuel pipe (TF2) can supply hydrocarbon gaseous fuel excluding hydrogen. The second fuel pipe supplies secondary fuel gas to the once-through boiler. As an auxiliary fuel gas, a gas that has a slower combustion rate than hydrogen gas and does not contain oxygen is used. As the auxiliary fuel gas, it is preferable to use a hydrocarbon gas with a laminar combustion speed of 20 cm/s to 60 cm/s from the viewpoint of maintaining an appropriate combustion speed as a mixed gas with hydrogen gas. Specifically, city gas (LNG) or propane gas (LPG) can be used as secondary fuel gas.

제2연료관에는 차단 밸브와 부연료가스 유량 조정 밸브와 압력 센서가 배치된다. 차단 밸브는 전자 밸브에 의해 구성되고 제2연료관을 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 차단 밸브를 개방함으로써 관류 보일러에 부연료가스가 공급되고 폐쇄함으로써 관류 보일러으로의 부연료가스 공급이 정지된다. 또한 차단 밸브는 부연료가스의 역류를 방지하는 기능도 가진다. 부연료가스 유량 조정 밸브는 제2연료관을 흐르는 부연료가스의 압력을 조정함으로써, 제2연료관의 부연료가스의 유량을 조정한다. 압력 센서는 제2연료관의 부연료가스 유량 조정 밸브의 하류 측의 부연료가스의 압력을 검출한다.A blocking valve, an auxiliary fuel gas flow rate adjustment valve, and a pressure sensor are disposed in the second fuel pipe. The shutoff valve is configured by an electromagnetic valve and can open or close the second fuel pipe. By opening the shut-off valve, auxiliary fuel gas is supplied to the once-through boiler, and by closing it, the supply of auxiliary fuel gas to the once-through boiler is stopped. Additionally, the shutoff valve also has the function of preventing backflow of auxiliary fuel gas. The auxiliary fuel gas flow rate adjustment valve adjusts the flow rate of the auxiliary fuel gas in the second fuel pipe by adjusting the pressure of the auxiliary fuel gas flowing in the second fuel pipe. The pressure sensor detects the pressure of the auxiliary fuel gas on the downstream side of the auxiliary fuel gas flow rate adjustment valve of the second fuel pipe.

제3연료관(TF3)은 파이롯 버너에 공급되는 연료가스를 공급한다. 상기 제3연료관에는 차단 밸브와 연료가스 유량 조절 밸브와 압력센서가 배치된다.The third fuel pipe (TF3) supplies fuel gas to the pilot burner. A blocking valve, a fuel gas flow control valve, and a pressure sensor are disposed in the third fuel pipe.

제3연료관은 버너에 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스를 공급하는 제3연료관은 제1연료관의 가스 개폐 밸브보다 하류 측에 접속되고 제1연료관을 통해 버너에 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스로는 예를 들면 질소 가스가 이용된다. 제3연료관에는 상기 제3연료관을 개폐하는 불활성 가스 개폐 밸브가 배치된다.The third fuel pipe supplies inert gas to the burner. The third fuel pipe that supplies the inert gas is connected downstream of the gas on-off valve of the first fuel pipe and supplies the inert gas to the burner through the first fuel pipe. As an inert gas, for example, nitrogen gas is used. An inert gas opening/closing valve is disposed in the third fuel pipe to open and close the third fuel pipe.

상기 제1연료관과 상기 제2연료관으로 공급되는 연료는 혼합유닛에서 혼합될 수 있다. 혼합유닛은 제1연료관의 하류 측 및 제2연료관의 하류 측에 접속되고 수소 가스와 부연료가스를 혼합한다. 혼합유닛은 예를 들면 이젝터에 의해 구성할 수 있다. 이것에 의해 한쪽의 가스가 통과할 때 발생하는 음압을 이용하여 다른 한쪽의 가스를 흡인하고 수소 가스와 부연료가스를 혼합할 수 있다. 특히 부연료가스로서 도시가스를 이용할 경우에는 도시가스의 공급 압력을 이용하여 수소 가스를 흡인할 수 있다.Fuel supplied to the first fuel pipe and the second fuel pipe may be mixed in a mixing unit. The mixing unit is connected to the downstream side of the first fuel pipe and the downstream side of the second fuel pipe and mixes hydrogen gas and auxiliary fuel gas. The mixing unit can be formed by, for example, an ejector. This allows the negative pressure generated when one gas passes through to suck in the other gas and mix hydrogen gas and auxiliary fuel gas. In particular, when using city gas as auxiliary fuel gas, hydrogen gas can be sucked in using the supply pressure of city gas.

혼합 가스관은 혼합유닛과 관류 보일러를 접속하고 혼합유닛에서 혼합된 수소 가스와 부연료가스의 혼합 가스를 기체 연료로서 버너에 공급한다. 이 혼합 가스관에는 오리피스와 배출 밸브와 압력 센서가 배치된다.The mixed gas pipe connects the mixing unit and the once-through boiler, and supplies the mixed gas of hydrogen gas and auxiliary fuel gas mixed in the mixing unit to the burner as gaseous fuel. An orifice, discharge valve, and pressure sensor are placed in this mixed gas pipe.

상기 제1연료관에는 오리피스가 추가로 배치될 수 있다.An orifice may be additionally disposed in the first fuel pipe.

바이패스 라인은 제2연료관과 혼합 가스관을 연결한다. 바이패스 라인은 제2연료관을 이동하는 부연료가스를 혼합유닛을 통하지 않고 혼합 가스관으로 바이패스시킨다. 바이패스 라인에는 바이패스 개폐밸브가 형성되어 바이패스 라인을 개폐시킨다. The bypass line connects the second fuel pipe and the mixed gas pipe. The bypass line bypasses the auxiliary fuel gas moving through the second fuel pipe to the mixed gas pipe without passing through the mixing unit. A bypass on/off valve is formed in the bypass line to open and close the bypass line.

제어부는 각종 밸브의 개폐나 파일롯버너의 착화 장치의 동작을 제어함으로써, 보일러 연버너의 연소를 제어한다.The control unit controls combustion of the boiler's lead burner by controlling the opening and closing of various valves and the operation of the pilot burner ignition device.

이하, 제어부에 의한 버너의 연소제어는 상기 버너를 통하여 연소가 시작할 경우, 먼저 제1연료관의 가스 개폐 밸브를 폐쇄하고, 불활성 가스 개폐 밸브를 개방하여 버너에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 퍼지를 진행한다.Hereinafter, the combustion control of the burner by the control unit first closes the gas on-off valve of the first fuel pipe when combustion starts through the burner, and then opens the inert gas on-off valve to perform an inert gas purge to supply inert gas to the burner. Proceed.

또한, 송풍기를 구동시키고, 산화제공급관에 연소용 공기를 유입시킨다. 번의 제1연료관 및 버너에 불활성 가스가 공급되고 산화제공급관에서 연소용 공기가 버너 내부에 공급되어 버너 노즐 내부에 에어 퍼지가 이루어진다. Additionally, the blower is driven and air for combustion is introduced into the oxidizer supply pipe. Inert gas is supplied to the first fuel pipe and burner, and combustion air is supplied to the inside of the burner from the oxidizer supply pipe to purge the inside of the burner nozzle.

불활성 가스퍼지를 한 후, 제어부는 파일럿 버너를 착화한다. 구체적으로는 제어부는 불활성 가스 개폐 밸브를 폐쇄하고 연료 가스 개폐 밸브 및 공기 개폐 밸브를 개방한다.After purging with inert gas, the control unit ignites the pilot burner. Specifically, the control unit closes the inert gas on/off valve and opens the fuel gas on/off valve and the air on/off valve.

제1연료관 및/또는 제2연료관의 연료와 산화제관의 공기의 부분 예혼합이 형성될 수 있도록 연료공급관 및 산화제공급관을 연료와 가스를 공급한다. Fuel and gas are supplied to the fuel supply pipe and the oxidizer supply pipe so that partial premixing of the fuel in the first fuel pipe and/or the second fuel pipe and the air in the oxidizer pipe can be formed.

또한 착화 장치에 의해 제3연료관으로부터 공급되는 연료를 점화하고 파일럿 버너를 착화한다. 여기서 파일럿 버너에는 파일럿 버너를 착화하기 위한 연소용 공기가 공급된다. 이로 인해 불활성 가스퍼지에 의해 버너에 불활성 가스가 잔존하고 있던 경우에도, 이 불활성 가스의 영향에 의해 파일럿 버너의 연소가 저해되지 않는다. 따라서 파일럿 버너의 화염을 안정적으로 유지할 수 있다. Additionally, the ignition device ignites the fuel supplied from the third fuel pipe and ignites the pilot burner. Here, combustion air for igniting the pilot burner is supplied to the pilot burner. Therefore, even when inert gas remains in the burner due to inert gas purge, combustion of the pilot burner is not inhibited by the influence of this inert gas. Therefore, the flame of the pilot burner can be maintained stably.

또한 파일럿 버너에 형성된 화염은 보염기에서 안정적으로 유지되고 상기 파일럿 버너의 화염은 화염 감지기에 의해 감지된다.Additionally, the flame formed in the pilot burner is stably maintained in the flame holder, and the flame of the pilot burner is detected by a flame detector.

파일럿 버너가 착화된 후 제어부는 버너를 착화한다. 구체적으로는 제어부는 제1연료관 및/또는 제2연료관을 개방하고 연료공급관을 통해 수소 및/또는 탄화수소계 연료를 공급한다. After the pilot burner is ignited, the control unit ignites the burner. Specifically, the control unit opens the first fuel pipe and/or the second fuel pipe and supplies hydrogen and/or hydrocarbon-based fuel through the fuel supply pipe.

연료공급관을 통해 분출되는 수소를 포함한 연료는 상기 산화제관을 통해 상기 산화제공급관을 선회를 가지고 공급되는 공기와 부분 예혼합된 후 연료노즐을 통해 분사되어 상기 파일럿 버너의 화염에 의해 착화된다. 버너의 화염도 화염 감지기에 의해 감지된다.The fuel containing hydrogen ejected through the fuel supply pipe is partially premixed with air supplied through the oxidizer pipe by rotating the oxidizer supply pipe, and then is injected through the fuel nozzle and ignited by the flame of the pilot burner. The burner flame is also detected by a flame detector.

버너가 착화 된 후, 제어부는 제3연료관을 폐쇄한 후, 상기 파일럿 버너의 연소를 정지시킨다. 또한, 여기서 공기 개폐 밸브은 폐쇄하지 않고 개방되어 둠으로써, 버너의 연소 중에서도 파일럿 버너에 연소용 공기 공급이 지속되기 때문에, 파일럿 버너이 과열되는 것을 방지할 수 있다.After the burner is ignited, the control unit closes the third fuel pipe and stops combustion of the pilot burner. In addition, here, by leaving the air opening/closing valve open rather than closing, combustion air is continuously supplied to the pilot burner even during combustion of the burner, and thus overheating of the pilot burner can be prevented.

버너의 연소를 정지시킬 경우, 제어부는 연료공급관에 공급되는 제1연료관의 가스 개폐 밸브를 폐쇄한다. 이로 인해 버너로의 수소 가스 공급이 정지되고 화염은 소화한다. 화염의 소화는 화염 감지기에 의해 감지된다.When stopping combustion of the burner, the control unit closes the gas opening/closing valve of the first fuel pipe supplied to the fuel supply pipe. This stops the supply of hydrogen gas to the burner and extinguishes the flame. Extinguishing a flame is detected by a flame detector.

버너의 연소가 정지된 후, 제어부는 불활성 가스 개폐 밸브를 개방되고, 다시 불활성 가스퍼지를 진행한다. 불활성 가스 퍼지를 한 후, 제어부 는 불활성 가스 개폐 밸브를 폐쇄하고 송풍기의 구동을 정지시킨다.After combustion of the burner is stopped, the control unit opens the inert gas opening/closing valve and proceeds with the inert gas purge again. After purging the inert gas, the control unit closes the inert gas on/off valve and stops the blower.

또한, 상기 연료는 1종 또는 2종 이상의 기체연료일 수 있다.Additionally, the fuel may be one or two or more types of gaseous fuel.

또한, 상기 보일러의 기동시에는 상기 연소실내에 상기 불활성가스관의 상기 불활성가스를 상기 버너를 통해 공급하여 상기 연소실내의 수소가스를 퍼지할 수 있다.Additionally, when the boiler is started, the inert gas from the inert gas pipe may be supplied into the combustion chamber through the burner to purge hydrogen gas within the combustion chamber.

또한, 상기 버너를 통해 물을 분사하는 물분사관(TW)을 포함할 수 있다. 상기 물분사관은 연소실 또는 상기 연료노즐이 형성된 버너 주위에서 분사될 수 있다. Additionally, it may include a water spray pipe (TW) that sprays water through the burner. The water injection pipe may be sprayed around a combustion chamber or a burner where the fuel nozzle is formed.

다만, 수분 공급에 따른 연소실 또는 버너의 부식에 의한 손상이 되지 않는 조건에서 분사량이 조절되는 것은 당연하다.However, it is natural that the injection amount is adjusted under the condition that the combustion chamber or burner is not damaged by corrosion due to moisture supply.

또한, 상기 연료공급관에는 복수의 차단밸브 및 메쉬필터가 형성될 수 있다.Additionally, a plurality of blocking valves and mesh filters may be formed in the fuel supply pipe.

상기 메쉬필터는 상기 연료공급관을 유동하는 연료의 상기 메쉬필터 전단과 후단의 압력차를 발생시켜 연소속도가 빠른 연료에 의한 역화를 방지할 수 있다.The mesh filter can prevent backfire caused by fuel with a high combustion rate by generating a pressure difference between the front and rear ends of the mesh filter of the fuel flowing through the fuel supply pipe.

또한, 상기 열교환기와 상기 물공급관 사이에는 상기 물을 예열하기 위한 예열기가 형성될 수 있다.Additionally, a preheater for preheating the water may be formed between the heat exchanger and the water supply pipe.

또한, 상기 연료, 산화제 및 물의 온도, 압력, 및 유량을 센싱할 수 있는 복수의 센서, 상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 제어할 수 있는 복수의 밸브; 및 상기 센서의 데이터를 기반으로 상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 상기 밸브를 통하여 제어하는 유량 제어부;를 추가로 포함할 수 있다.Additionally, a plurality of sensors capable of sensing the temperature, pressure, and flow rate of the fuel, oxidizer, and water, and a plurality of valves capable of controlling the flow rate of the fuel, oxidizer, and water; and a flow rate control unit that controls the flow rates of the fuel, oxidizer, and water through the valve based on data from the sensor.

상기 수소 보일러에 적용된 수소를 포함하는 연료를 연소시킬 수 있는 분활화염을 형성하는 부분 예혼합 형태의 버너에 대하여 설명한다.A partial premixed burner that forms a split flame capable of burning fuel containing hydrogen applied to the hydrogen boiler will be described.

도 3은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.Figure 3 is a perspective view of a burner for preventing flashback of a partial premix type according to an embodiment of the present invention.

연소용 노즐의 출구 모양을 변형시켜 화염을 독립된 작은 화염으로 나누어 화염의 체류시간을 단축하고, 화염의 표면적 증가에 의하여 화염 온도를 저하시켜 열적 질소산화물(thermal NOx)을 제어할 수 있다.By modifying the outlet shape of the combustion nozzle, the flame can be divided into small independent flames to shorten the flame's residence time, and the flame temperature can be lowered by increasing the surface area of the flame to control thermal NOx.

이때, 연료 노즐끝에 화염 분사기를 장착하여 화염을 여러 개의 작은 화염으로 분할하거나, 연료 노즐의 위치를 변경시켜 화염 형성영역을 분리시키거나, 화염층을 넓게 확산시키는 경우도 있다.At this time, a flame injector may be mounted at the end of the fuel nozzle to divide the flame into several small flames, the position of the fuel nozzle may be changed to separate the flame formation area, or the flame layer may be spread widely.

도 3을 살펴보면, 산화제 공급관 내에 복수개로 형성된 연료노즐에서 부분 예혼합된 연료와 산화제가 분사되어 분할화염을 형성하는 구조로 설계되었다.Looking at Figure 3, the structure was designed in which partially premixed fuel and oxidant are injected from a plurality of fuel nozzles formed in the oxidizer supply pipe to form a split flame.

산화제공급관의 직경을 기준으로 상기 연료노즐은 화염길이 조건에 따라 다양하게 변경되어 형성될 수 있다. 바람직하게는 1개의 산화제공급관에 3개의 연료노즐이 형성될 수 있다.Based on the diameter of the oxidant supply pipe, the fuel nozzle can be formed in various ways depending on the flame length condition. Preferably, three fuel nozzles can be formed in one oxidant supply pipe.

상기 산화제공급관에 따른 연료노즐의 개수는 연료노즐의 직경변화에 따라 증가하거나 감소될 수 있음은 자명하다.It is obvious that the number of fuel nozzles along the oxidizer supply pipe can increase or decrease depending on the change in diameter of the fuel nozzle.

도 4는 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 단면도이다. Figure 4 is a cross-sectional view of a burner for preventing flashback of a partial premix type to which a first fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.

보일러용 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너는 산화제가 공급되는 산화제공급관(100); 상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200); 및 상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며, 상기 연료노즐에 형성된 접선방향의 산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀(222);에서 공급되는 연료가 상기 연료노즐 내측에서 부분 예혼합되는 수소 버너를 제공할 수 있다.A partial premixed burner for preventing flashbacks for a boiler includes an oxidizing agent supply pipe (100) through which an oxidizing agent is supplied; A fuel supply pipe (200) formed inside the oxidant supply pipe; and a fuel nozzle 210 coupled to and in contact with a fuel baffle plate 220 formed on the inside of the fuel supply pipe. A tangential oxidant inlet slit 211 formed on the fuel nozzle is supplied in a rotation manner. It is possible to provide a hydrogen burner in which the oxidizer and fuel supplied from the fuel discharge hole 222 of the fuel baffle plate are partially premixed inside the fuel nozzle.

상기 연료노즐의 연료노즐결합구는 상기 연료공급관의 상기 연료배플플레이트에 접하면서 형성될 수 있다. 상기 결합은 나사결합, 끼움결합, 용접결합 중 어느 하나 일 수 있다.The fuel nozzle coupling port of the fuel nozzle may be formed in contact with the fuel baffle plate of the fuel supply pipe. The coupling may be any one of a screw coupling, a fitting coupling, or a welding coupling.

상기 결합은 사용되는 연료가 연소속도가 매우 높아 역화의 위험성이 높은 수소이기 때문에 기밀유지가 매우 중요하다. 따라서 나사결합 또는 끼움결합의 경우 추가적인 밀폐유지를 위한 밀폐 와샤 또는 밀폐용 고분자소재 가스켓이 적용될 수 있다.The confidentiality of the combination is very important because the fuel used is hydrogen, which has a very high combustion rate and a high risk of backfire. Therefore, in the case of screw coupling or fitting coupling, a sealing washer or a sealing polymer material gasket can be applied to maintain additional sealing.

상기 산화제공급슬릿은 원통형의 상기 연료노즐에 복수개 형성될 수 있다. 상기 산화제공급슬릿의 형태는 직사각형, 정사각형 중 어느 하나의 형상을 갖을 수 있다.A plurality of oxidant supply slits may be formed in the cylindrical fuel nozzle. The oxidizing agent supply slit may have either a rectangular or square shape.

상기 산화제공급슬릿의 밑단은 상기 연료공급관의 연료공급관 제1단부에 일치할 수 있고 상기 산화제공급슬릿이 형성된 연료노즐 하부로 일정 길이로 상기 연료공급관 내부로 삽입되어 상기 연료노즐결합구와 접촉되면서 결합될 수 있다.The bottom of the oxidizing agent supply slit may coincide with the first end of the fuel supply pipe of the fuel supply pipe, and may be inserted into the fuel supply pipe at a certain length below the fuel nozzle where the oxidizing agent supply slit is formed and coupled to the fuel nozzle coupler while contacting the fuel nozzle coupler. You can.

도 4의 연료배플돌출부는 연료배플플레이트의 중앙부, 바람직하게는 중심축에 도출되어 형성될 수 있다. 상기 연료배플돌출부에 형성된 제1연료배출홀로 상기 산화제공급슬릿을 통해 선회유동으로 유입되는 산화제와 대향류로 접촉하여 혼합효과가 증대될 수 있다.The fuel baffle protrusion of FIG. 4 may be formed in the central part of the fuel baffle plate, preferably on the central axis. The mixing effect can be increased by contacting the oxidant flowing into the swirling flow through the oxidizer supply slit through the first fuel discharge hole formed on the fuel baffle protrusion in a counter flow.

도 5는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제1연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다. Figure 5 is a cross-sectional view of the mixing of fuel and oxidant applied to the first fuel discharge hole of a burner for preventing flashbacks of a partial premix according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 접선형 산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성될 수 있다.Additionally, the oxidizing agent supplied in a swirl may be formed by a swirl vane 214 forming the tangential oxidizing agent inlet slit.

또한, 상기 연료와 상기 산화제는 카운터플로우 및/또는 제트인크로스 형태로 예혼합될 수 있다.Additionally, the fuel and the oxidizer may be premixed in counterflow and/or jet-in-cross form.

상기 연료배플돌출부의 끝단에 형성된 제1연료배출홀은 선회를 형성하여 공급될 수 있다.The first fuel discharge hole formed at the end of the fuel baffle protrusion may be supplied by forming a pivot.

상기 제1연료배출홀을 통해 분사되는 연료는 시계방향, 반시계방형 또는 접선방향으로 공급될 수 있다.Fuel injected through the first fuel discharge hole may be supplied clockwise, counterclockwise, or tangentially.

상기 산화제공급슬릿을 통해 유입되는 산화제는 시계방향, 반시계방향 또는 접선방향으로 공급될 수 있다.The oxidizing agent flowing through the oxidizing agent supply slit may be supplied clockwise, counterclockwise, or tangentially.

상기 제1연료배출홀은 복수로 형성될 수 있고, 상기 제1연료배출홀의 원형 단면을 기준으로 1개부터 36개 형성될 수 있다. The first fuel discharge holes may be formed in plural, and from 1 to 36 may be formed based on the circular cross section of the first fuel discharge holes.

상기 산화제공급슬릿과 대면되게 상기 제1연료배출홀이 형성될 수 있다.The first fuel discharge hole may be formed to face the oxidizer supply slit.

상기 산화제공급슬릿은 복수로 형성될 수 있고, 상기 산화제공급슬릿의 원형 단면을 기준으로 1개부터 36개 형성될 수 있다.The oxidizing agent supply slit may be formed in plurality, and may be formed from 1 to 36 based on the circular cross section of the oxidizing agent supply slit.

상기 제1연료배출홀에서 분사되는 연료의 선속도는 상기 산화제의 선속도보다 빠르거나 느릴 수 있다.The linear speed of the fuel injected from the first fuel discharge hole may be faster or slower than the linear speed of the oxidizer.

도 6은 본원 발명의 일실시예에 따른 제2연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다. Figure 6 is a perspective view of a partial premix type flashback prevention burner to which a second fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출부에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는 상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)일 수 있다.In addition, the fuel discharge hole is formed in the fuel baffle plate in contact with the first fuel discharge hole 222 and/or the oxidizer inlet slit for injecting the fuel in a horizontal direction from the fuel baffle protrusion formed in the center of the fuel baffle plate. It may be a second fuel discharge hole 224 that injects the fuel in a vertical direction.

상기 제2연료배출홀은 상기 스월베인의 사이에 형성된 상기 산화제유입슬릿과 결합되는 상기 산화제배플플레이트 표면에 형성될 수 있다. 상기 산화제유입슬릿을 통과한 상기 산화제배플플레이트 표면에 형성될 수 있다.The second fuel discharge hole may be formed on the surface of the oxidizing agent baffle plate coupled to the oxidizing agent inlet slit formed between the swirl vanes. It may be formed on the surface of the oxidizing agent baffle plate that has passed through the oxidizing agent inlet slit.

상기 제2연료배출홀의 직경은 동일하거나 차이가 있을 수 있다. 상기 제2연료배출홀은 상기 산화제유입슬릿에 대응되게 형성되거나 형성되지 않는 상기 산화제유입슬릿이 있을 수 있다.The diameter of the second fuel discharge hole may be the same or different. The second fuel discharge hole may have an oxidizing agent inlet slit that may or may not be formed to correspond to the oxidizing agent inlet slit.

도 7은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제2연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.Figure 7 is a cross-sectional view of the mixing of fuel and oxidant using the second fuel discharge hole of a partially premixed flashback prevention burner according to an embodiment of the present invention.

상기 제2연료배출홀의 직경은 복수개로 형성될 수 있다. 상기 제2연료배출홀의 직경은 동일하거나 차이가 있을 수 있다.The second fuel discharge holes may have a plurality of diameters. The diameter of the second fuel discharge hole may be the same or different.

상기 제2연료배출홀에서 분사되는 연료의 선속도는 상기 산화제의 속도보다 빠르거나 느릴 수 있다. The linear speed of the fuel injected from the second fuel discharge hole may be faster or slower than the speed of the oxidizer.

또한, 연료노즐결합구(212);는 상기 연료배플플레이트와 접하고, 상기 산화제유입슬릿은 연료공급관 제1단부(223);와 접하면서 형성될 수 있다.Additionally, the fuel nozzle coupler 212 may be in contact with the fuel baffle plate, and the oxidant inlet slit may be formed in contact with the first end of the fuel supply pipe 223.

또한, 상기 제2연료배출공의 위치는 상기 스월베인 사이의 상기 접선형산화제유입슬릿 중간에 형성되거나, 상기 스월베인을 통과한 직후 상기 산화제유입슬릿 후단에 형성될 수 있다.Additionally, the location of the second fuel discharge hole may be formed in the middle of the tangential oxidant inlet slit between the swirl vanes, or may be formed at the rear end of the oxidant inlet slit immediately after passing the swirl vane.

도 8은 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐의 사시도이다.Figure 8 is a perspective view of a fuel nozzle of a burner for preventing flashbacks of a partial premix type to which a first fuel discharge hole is applied according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하는 콘형수축유로(215);가 형성될 수 있다.In addition, the interior of the fuel nozzle includes a fuel nozzle outlet 213 at the fuel nozzle coupling port; A cone-shaped shrinkage passage 215 in which the inner diameter in the direction decreases may be formed.

또한, 상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하다 교축부(217);를 통과하면서 상기 내경이 증가하는 축소확대형의 콘형확산유로(216);이 형성될 수 있다.In addition, the interior of the fuel nozzle includes a fuel nozzle outlet 213 at the fuel nozzle coupling port; A cone-shaped diffusion passage 216 whose inner diameter increases while passing through the throttling portion 217 in which the inner diameter decreases may be formed.

도 9는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐출구 및 냉각분사구의 사시도이다.Figure 9 is a perspective view of the fuel nozzle outlet and cooling injection port of a burner for preventing flashbacks of a partial premix type according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제공급관 내부에 복수개 형성되며, 연소를 위한 이론공기비 이상의 상기 산화제가 분류되어 공급되어 분할화염을 형성될 수 있다.In addition, a plurality of fuel nozzles are formed inside the oxidant supply pipe, and the oxidant more than the theoretical air ratio for combustion is classified and supplied to form a split flame.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제배플플레이트(110);으로부터 돌출되어 형성되거나, 같은 평면상에 형성될 수 있다.Additionally, the fuel nozzle may be formed to protrude from the oxidant baffle plate 110, or may be formed on the same plane.

또한, 상기 산화제배플플레이트에는 상기 연료노즐 냉각을 위한 다수의 냉각분사구(111)이 형성될 수 있다.Additionally, a plurality of cooling nozzles 111 for cooling the fuel nozzle may be formed on the oxidizer baffle plate.

도 10은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 경계층파괴링의 사시도이다.Figure 10 is a perspective view of the boundary layer breaking ring of a partial premix type flashback prevention burner according to an embodiment of the present invention.

또한, 일단의 직경은 상기 연료노즐의 내경과 동일하고, 타단의 직경은 상기 일단의 직경보다 작은 링형태로 상기 연료노즐의 내부에 형성되는 경계층파괴링(218);을 포함할 수 있다.In addition, it may include a boundary layer breaking ring 218 formed inside the fuel nozzle in a ring shape, where the diameter of one end is the same as the inner diameter of the fuel nozzle and the diameter of the other end is smaller than the diameter of the one end.

또한, 상기 경계층파괴링이 형성된 상기 연료노즐 내부로 경계층파괴용의 산화제를 유입시키는 산화제유입홀(219);가 형성될 수 있다.Additionally, an oxidizing agent inlet hole 219 may be formed through which an oxidizing agent for destroying the boundary layer is introduced into the fuel nozzle where the boundary layer destroying ring is formed.

연소용 외부공기를 대기압 이상으로 가압(20℃정도를 유지)하여 버너에 강제적으로 공급하는 송풍기가 있을 수 있다. 이때, 전술한 에어 예열기에 의해 예열된 후 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도(178℃정도)가 높기 때문에 열적 질소산화물의 생성을 촉진하게 된다.There may be a blower that pressurizes the external air for combustion above atmospheric pressure (maintaining about 20℃) and forcibly supplies it to the burner. At this time, the temperature of the external combustion air supplied to the burner after being preheated by the air preheater described above (about 178°C) is high, thereby promoting the generation of thermal nitrogen oxides.

배기가스의 온도가 높은 보일러에서는 열효율 향상을 위해 에어 예열기를 설치하여 연소용 공기를 예열하게 된다. 연소공기의 예열온도 저하는 연소온도에 직접 영향을 주게 된다. 예를 들어 공기의 예열온도를 50℃낮추면 단열 화염온도는 25℃정도 저하된다. 따라서 공기 예열온도 저하에 의하여 열적 질소산화물을 감소시킬 수 있다.In boilers where the exhaust gas temperature is high, an air preheater is installed to preheat the combustion air to improve thermal efficiency. A decrease in the preheating temperature of combustion air directly affects the combustion temperature. For example, if the preheating temperature of the air is lowered by 50℃, the adiabatic flame temperature decreases by about 25℃. Therefore, thermal nitrogen oxides can be reduced by lowering the air preheating temperature.

상기 보일러의 연소실에는 물 분사장치를 통하여 물을 분무 상태로 화염에 분사시키는 경우 NOx가 저감될 수 있다. NOx can be reduced when water is sprayed onto the flame in the combustion chamber of the boiler through a water spray device.

화염의 온도가 가장 높은 부위에 분사되는 물 분사량이 증가되는 경우 열적 질소산화물(thermal NOx) 저감량이 증가되고, 분사되는 물 입자가 급속하게 증발되면서 믹싱 특성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that when the amount of water sprayed to the area where the temperature of the flame is the highest is increased, the amount of thermal NOx reduction is increased, and the sprayed water particles are rapidly evaporated, improving mixing characteristics.

이때, 화염에 분사되는 물의 분사량에 따라 NOx 저감량이 증가되는 반면에, 효율이 떨어지거나, 화염이 불안정하게 형성될 수 있으므로, 연소 발열량 10,000kcal당 0.5k이하의 분사량이 요구된다.At this time, while the amount of NOx reduction increases depending on the amount of water injected into the flame, efficiency may decrease or the flame may be formed unstable, so an injection amount of less than 0.5 kcal per 10,000 kcal of combustion heat generation is required.

즉 물 분사장치를 통하여 화염의 중앙에 분무상태의 물을 분사시킴에 따라 NOx 발생율을 40%정도 감소시킬 수 있다.In other words, by spraying water in a spray form into the center of the flame through a water spray device, the NOx generation rate can be reduced by about 40%.

상기 연료노즐의 사이에 형성되거나 상기 산화제공급관에 형성될 수 있다.It may be formed between the fuel nozzles or in the oxidant supply pipe.

또한, 상기 연료노즐 주위의 소정위치에는 파일럿연료노즐이 형성될 수 있다.Additionally, a pilot fuel nozzle may be formed at a predetermined location around the fuel nozzle.

(실시예)(Example)

도 11은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링(218)과 산화제유입홀(219) 유무에 따른 전산유체유동(CFD) 해석 결과이다.Figure 11 shows the results of computational fluid flow (CFD) analysis according to the presence or absence of the boundary layer destruction ring 218 and the oxidant inlet hole 219 inside the fuel nozzle of a burner for preventing flashback of a partial premix according to an embodiment of the present invention.

CFD해석을 위해서 생성한 격자수는 1015781개이며,사용한 난류모델은 k-epsilon, 압축성 유동으로 iteration 2000회후 수렴하는 것으로 가정하였다.The number of grids created for CFD analysis was 1015781, and the turbulence model used was k-epsilon, compressible flow, which was assumed to converge after 2000 iterations.

버너 설계에 앞서 전산유체 해석을 통하여 산화제유입홀(219)을 통해 유입된 산화제공급관(100)에서 경계층파괴용으로 공급되는 산화제(공기) 일부가 연료노즐(210) 출구 벽면의 경계층을 파괴하는 효과에 대하여 검토를 진행하였으며 결과는 도 11에 도시하였다. 산화제유입홀(219)을 통해 분사되는 산화제 유동 조건이 0 m/s인 경우, 연료노즐 내 유동 분포를 보면 중심축에서 높은 유속을 보이며 벽면 전단경계층에서는 0 m/s에 가까운 낮은 유속 분포로 나타났다. Prior to designing the burner, through computational fluid analysis, the effect of a portion of the oxidant (air) supplied for boundary layer destruction from the oxidant supply pipe 100 flowing through the oxidant inlet hole 219 destroying the boundary layer on the outlet wall of the fuel nozzle 210. A review was conducted and the results are shown in Figure 11. When the oxidant flow condition injected through the oxidant inlet hole 219 is 0 m/s, the flow distribution within the fuel nozzle shows a high flow velocity at the central axis and a low flow velocity distribution close to 0 m/s at the wall shear boundary layer. .

반면, 산화제유입홀(219)을 통해 분사되는 산화제 유동 조건이 90 m/s인 경우에는 중심축으로부터 벽면까지 균일한 유속분포가 관찰되는 것을 확인하였다.On the other hand, when the oxidant flow condition injected through the oxidant inlet hole 219 was 90 m/s, it was confirmed that a uniform flow velocity distribution was observed from the central axis to the wall surface.

여기서 도 9의 Inj. Air velocity는 본원 발명의 설명에서는 산화제유입홀(219)을 통한 경계층파괴용의 산화제(공기) 분사속도를 의미하며, 좌측의 그림처럼 경계층 파괴를 위한 공기분사가 없는 경우 노즐 벽면과 중앙 부위의 산화제(공기)와의 속도구배가 심해서 화염이 연료노즐(210) 벽면을 타고 쉽게 역화될 수 있는 유동구조를 보이는 반면에, 우측처럼 일정량의 산화제(공기)를 경계층 파괴용으로 분사해 주면 우측 그림처럼 좌측의 노즐 벽면에 형성된 경계층(파란색 층)이 없어지면서 노즐내부의 유동구조가 대체적으로 균일한 흐름으로 변함으로써 역화억제(방지)에 유리한 유동구조로 재편됨을 볼 수 있다.Here, Inj in FIG. 9. Air velocity, in the description of the present invention, refers to the oxidizing agent (air) injection speed for destroying the boundary layer through the oxidizing agent inlet hole 219. As shown in the picture on the left, when there is no air injection for destroying the boundary layer, the oxidizing agent on the nozzle wall and the central area is While the velocity gradient with the air is so severe that the flame shows a flow structure that can easily backfire along the wall of the fuel nozzle 210, if a certain amount of oxidizer (air) is sprayed to destroy the boundary layer as shown on the right, the left as shown on the right. As the boundary layer (blue layer) formed on the nozzle wall disappears, the flow structure inside the nozzle changes to a generally uniform flow, and it can be seen that it is reorganized into a flow structure that is advantageous for suppressing (preventing) flashbacks.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.Anyone skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

10: 진공드럼
11: 감압증기실
12: 연소실
13: 수관
14: 배기덕트
20: 송풍기
30: 버너
31: 연료공급관
50: 열교환기
51: 열교환코일
52: 유입구
53: 배출구
100: 산화제공급관
110: 산화제배플플레이트
111: 냉각분사구
200: 연료공급관
210: 연료노즐
211: 접선형산화제유입슬릿
212: 연료노즐결합구
213: 연료노즐출구
214: 스월베인
215: 콘형수축유로
216: 콘형확산유로
217: 교축부
218: 경계층파괴링
219: 산화제유입홀
220: 연료배플플레이트
221: 연료배플돌출부
222: 제1연료배출홀
223: 연료공급관 제1단부
224: 제2연료배출홀
TF1: 제1연료관
TF2: 제2연료관
TF3: 제3연료관
TA: 산화제관
TN: 불활성가스관
TW1: 물공급관
TW2: 물분사관10: Vacuum drum
11: Decompression steam room
12: combustion chamber
13: water pipe
14: exhaust duct
20: blower
30: burner
31: Fuel supply pipe
50: heat exchanger
51: heat exchange coil
52: inlet
53: outlet
100: Oxidizing agent supply pipe
110: Oxidizing agent baffle plate
111: Cooling nozzle
200: Fuel supply pipe
210: Fuel nozzle
211: Tangential oxidant inlet slit
212: Fuel nozzle coupler
213: Fuel nozzle outlet
214: Swirlbane
215: Cone-type shrinkage channel
216: Cone-shaped diffusion channel
217: Throttle section
218: Boundary layer destruction ring
219: Oxidizing agent inlet hole
220: Fuel baffle plate
221: Fuel baffle protrusion
222: First fuel discharge hole
223: First end of fuel supply pipe
224: Second fuel discharge hole
TF1: First fuel pipe
TF2: Second fuel pipe
TF3: Third fuel pipe
TA: Oxidizing pipe
TN: Inert gas pipe
TW1: Water supply pipe
TW2: Water injection pipe

Claims (12)

진공드럼(10)의 연소실(12)에는 송풍기(20)를 통해 공급되는 외부공기를 이용하여 연료를 연소시키는 버너(30);가 구성되고,
상기 진공드럼(10)의 감압증기실(11)에는 연소열에 의해 기화된 감압증기와 간접열교환이 이루어지는 열교환기(50);를 포함하고,
상기 버너에 연료를 공급하는 제1연료관(TF1);
상기 버너에 연료를 공급하는 제2연료관(TF2);
상기 버너에 산화제를 공급하는 산화제관(TA);
상기 연소실에 불활성가스를 공급하는 불활성가스관(TN); 및
상기 열교환기에 물을 공급하는 물공급관(TW1);를 포함하며
상기 제1연료관(TF1)에 공급되는 제1연료는 수소이고,
상기 버너는 산화제가 공급되는 산화제공급관(100);
상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200);
상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며,
상기 연료노즐에 형성된 접선형 산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀(222);에서 공급되는 상기 연료가 상기 연료노즐 내측에서 부분 예혼합되고,
상기 연료공급관에는 복수의 차단밸브 및 메쉬필터가 형성되어 있고,
상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성되는 수소 연소 보일러.
The combustion chamber 12 of the vacuum drum 10 is provided with a burner 30 that burns fuel using external air supplied through the blower 20,
The reduced pressure steam chamber (11) of the vacuum drum (10) includes a heat exchanger (50) in which indirect heat exchange is performed with reduced pressure steam vaporized by combustion heat,
A first fuel pipe (TF1) that supplies fuel to the burner;
A second fuel pipe (TF2) that supplies fuel to the burner;
An oxidizing agent tube (TA) that supplies an oxidizing agent to the burner;
an inert gas pipe (TN) supplying an inert gas to the combustion chamber; and
It includes a water supply pipe (TW1) that supplies water to the heat exchanger.
The first fuel supplied to the first fuel pipe (TF1) is hydrogen,
The burner includes an oxidizing agent supply pipe (100) through which an oxidizing agent is supplied;
A fuel supply pipe (200) formed inside the oxidizing agent supply pipe;
It includes a fuel nozzle 210 coupled while contacting the fuel baffle plate 220 formed on the inside of the fuel supply pipe,
The oxidant supplied pivotably through a tangential oxidant inlet slit (211) formed in the fuel nozzle and the fuel supplied from the fuel discharge hole (222) of the fuel baffle plate are partially premixed inside the fuel nozzle,
A plurality of blocking valves and mesh filters are formed in the fuel supply pipe,
The oxidizing agent supplied in the rotation is a swirl vane (214) forming the oxidizing agent inlet slit. A hydrogen combustion boiler formed by.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 연료는 1종 또는 2종 이상의 기체연료인 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
A hydrogen combustion boiler in which the fuel is one or two or more types of gaseous fuel.
 제1항에 있어서,
상기 보일러의 기동시에는 상기 연소실내에 상기 불활성가스관의 상기 불활성가스를 상기 버너를 통해 공급하여 상기 연소실내의 수소가스를 퍼지하는 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
A hydrogen combustion boiler that purges hydrogen gas in the combustion chamber by supplying the inert gas from the inert gas pipe into the combustion chamber through the burner when the boiler is started.
 제1항에 있어서,
상기 버너를 통해 물을 분사하는 물분사관(TW)을 포함하는 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
A hydrogen combustion boiler including a water injection pipe (TW) that sprays water through the burner.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열교환기와 상기 물공급관 사이에는 상기 물을 예열하기 위한 예열기가 형성된 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
A hydrogen combustion boiler in which a preheater for preheating the water is formed between the heat exchanger and the water supply pipe.
 제1항에 있어서,
상기 연료, 산화제 및 물의 온도, 압력, 및 유량을 센싱할 수 있는 복수의 센서,
상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 제어할 수 있는 복수의 밸브; 및
상기 센서의 데이터를 기반으로 상기 연료, 산화제 및 물의 유량을 상기 밸브를 통하여 제어하는 유량 제어부;를 추가로 포함하는 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
A plurality of sensors capable of sensing the temperature, pressure, and flow rate of the fuel, oxidizer, and water,
a plurality of valves capable of controlling flow rates of the fuel, oxidizer, and water; and
A hydrogen combustion boiler further comprising a flow rate control unit that controls the flow rates of the fuel, oxidizer, and water through the valve based on data from the sensor.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는
상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)인 수소 연소 보일러.
According to paragraph 1,
The fuel discharge hole is a first fuel discharge hole 222 and/or which injects the fuel in a horizontal direction from the fuel baffle protrusion formed in the center of the fuel baffle plate.
A hydrogen combustion boiler wherein the second fuel discharge hole 224 is formed on the fuel baffle plate in contact with the oxidizing agent inlet slit and injects the fuel in a vertical direction.
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