KR102646199B1 - 연소가스의 내부재순환 유량 조절이 가능한 저공해 연소장치 - Google Patents

연소가스의 내부재순환 유량 조절이 가능한 저공해 연소장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소장치에 관한 것으로, 선단 측이 연소로 내부에 위치하는 연소기를 포함하는 연소장치로서, 상기 연소기의 중앙부에 위치하는 1차 연료 공급부; 상기 주연료 분사부의 둘레측에 위치하는 1차 공기 공급부; 상기 1차 공기 공급부 둘레측에 위치하는 2차 공기 공급부; 상기 2차 공기 공급부 둘레측에 위치하는 재순환 유입부; 상기 재순환 유입부 둘레측에 위치하는 2차 연료 공급부; 및 상기 재순환 유입부와 상기 2차 공기 공급부를 연통시키는 재순환 포트;를 포함하며, 상기 재순환 포트는, 선단 측에 위치하는 상부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 후단 측에 위치하며 이동 가능하게 구성되는 하부 플레이트;를 구비하며, 상기 하부 플레이트가 이동함에 따라 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트의 소정 간격의 길이가 조절되는 연소장치를 제공한다.

Description

연소가스의 내부재순환 유량 조절이 가능한 저공해 연소장치{Low-pollution combustion apparatus capable of adjusting the internal recirculation flow rate of combustion gas}
본 발명은 연소장치에 관한 것이다.
연소 시스템의 대표적인 유해가스인 질소산화물(NOx)은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이며, 질소산화물을 감소시키기 위해 연소가스(배가스) 재순환, 물 또는 스팀 분사, 공기 및 연료의 다단 연소 등을 적용하여 연소 시스템에서의 질소산화물 저감을 유도하고 있다.
이 중 대표적인 질소산화물 저감 기술은 연소가스 재순환 방식이나, 일반적인 연소가스 재순환 방식은 외부재순환 방식으로서, 연소로에서 배출되는 연소가스를 연소로 밖에서 덕트 등을 사용하여 연소기로 다시 공급하여 재순환 시키는 방식으로서, 덕트, 및 송풍장치 등 부가적인 장치가 필요하기 때문에 경제성 및 공간 확보의 문제점이 존재하였다.
이에, 본 출원인은 특허문헌 1과 같이 연소로 밖으로 배출되는 연소가스를 재순환 하는 방식이 아니라, 연소장치 내부에서 재순환 시키는 연소장치를 개발하였다.
내부재순환 방식은 연소로로 공급되는 연료 또는 공기의 유속에 의하여 발생하는 연소기와 연소로 사이의 압력차를 이용하여 연소로 내부의 연소가스를 연소기 측으로 유입시켜 재순환 하는 기술이다.
이와 같은, 연소장치는 외부재순환 방식과 달리 연소로 밖에서 연소기를 연결하는 덕트 및 덕트 내에 설치되는 송풍장치 등의 장비가 필요 없어 경제성이 높고 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 내부재순환 방식은 연소가스의 부하가 과도한 경우, 예를 들면, 재순환 하는 연소가스에 포함된 질소산화물 등의 농도가 높거나, 유량이 과도하게 높은 경우, 연소로 내의 화염이 불안정하게 되며, 오히려 질소산화물 발생이 증가하는 문제가 있다.
KR 10-1512352 B1
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소가스의 내부재순환 유량을 조절할 수 있는 연소장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 선단 측이 연소로 내부에 위치하는 연소기를 포함하는 연소장치로서, 상기 연소기의 중앙부에 위치하는 1차 연료 공급부; 상기 주연료 분사부의 둘레측에 위치하는 1차 공기 공급부; 상기 1차 공기 공급부 둘레측에 위치하는 2차 공기 공급부; 상기 2차 공기 공급부 둘레측에 위치하는 재순환 유입부; 상기 재순환 유입부 둘레측에 위치하는 2차 연료 공급부; 및 상기 재순환 유입부와 상기 2차 공기 공급부를 연통시키는 재순환 포트;를 포함하며, 상기 재순환 포트는, 선단 측에 위치하는 상부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 후단 측에 위치하며 이동 가능하게 구성되는 하부 플레이트;를 구비하며, 상기 하부 플레이트가 이동함에 따라 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트의 소정 간격의 길이가 조절되는 연소장치를 제공한다.
상기 하부 플레이트를 선단 측과 후단 측 사이에서 이동시켜 상기 소정 간격의 길이를 조절하는 액츄에이터;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 액츄에이터는 공압, 유압 또는 솔레노이드 액츄에이터인 것이 바람직하다.
상기 연소로에서 발생하는 연소가스에 포함된 성분의 농도를 측정하는 연소가스 센서; 및 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 연소가스 센서에서 측정되는 질소산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도에 따라 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 연소로에서 발생하는 화염의 상태를 측정하는 화염 센서; 및 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 화염 센서에서 측정되는 화염의 상태에 따라 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 1차 공기 공급부 선단에 위치하는 선회기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 공기 공급부 선단에 위치하는 다공판; 및 상기 1차 공기 공급부의 외벽 선단 측이 상기 연소기의 중앙측을 향하여 경사지게 형성되는 경사부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연소장치에 의하면, 연소로 내의 연소가스가 내부재순환 하도록 하는 재순환 포트의 단면적을 조절하여 재순환하는 연소가스의 양을 부하 또는 연소조건에 따라 조절이 가능하도록 하여 질소산화물 저감 및 화염 안정화를 달성할 수 있으며, 따라서, 보다 다양한 조건의 연소 시스템에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소장치의 연소과정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소장치의 연소과정을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소장치를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소장치는 연소로(10) 및 연소기를 포함한다.
연소로(10)는 그 내부에서 연소가 이루어질 수 있는 소정 공간이 마련된다.
연소기는 그 선단 측이 연소로(10) 일측 내부로 삽입되며, 연소기의 연소에 의한 화염이 연소로(10) 내부에서 발생한다.
연소기는 1차 연료 공급부(110), 1차 공기 공급부(120), 2차 공기 공급부(130), 재순환 유입부(140), 재순환 포트(150) 및 2차 연료 공급부(160)를 포함한다.
1차 연료 공급부(110)는 연소기의 중앙부에 위치하며, 1차 연료 공급부(110)를 통하여 1차 연료가 연소로(10) 내부로 공급된다.
1차 공기 공급부(120)는 1차 연료 공급부(110)의 둘레측에 위치하며, 1차 공기 공급부(120)를 통하여 연소로(10) 내부로 1차 공기가 공급된다.
1차 연료 공급부(110)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 연료와, 1차 공기 공급부(120)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기가 연소된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 1차 공기 공급부(120)의 선단에는 선회기(121)가 위치하여, 연소로(10)로 공급되는 1차 공기에 선회류를 발생시켜 화염이 안정되도록 한다.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 1차 공기 공기 공급부의 선단에는 다수의 통공이 타공된 다공판(122) 또는 메쉬판이 위치하며, 1차 공기 공급부(120)의 선단이 연소기의 중앙측을 향하여 경사진 경사부(123)가 형성될 수 있다.
마찬가지로, 1차 공기 공급부(120)를 통하여 연소로(10)로 공급되는 공기는 경사부(123) 및 다공판(122)(또는 메쉬판)을 지나면서 정류되어 화염에 안정성을 부여한다.
2차 공기 공급부(130)는 1차 공기 공급부(120) 둘레측에 위치하며, 2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 2차 공기가 공급된다.
재순환 유입부(140)는 2차 공기 공급부(130) 둘레측에 위치하며, 연소실에서 발생하는 연소가스 중 일부가 재순환 유입부(140)를 통하여 연소기 내부로 유입된다.
2차 연료 공급부(160)는 2차 공기 공급부(130) 둘레측에 위치하며, 2차 연료 공급부(160)를 통하여 연소로(10) 내부로 2차 연료가 공급된다.
2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기와, 2차 연료 공급부(160)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 연료가 연소된다.
재순환 포트(150)는 2차 공기 공급부(130)와 재순환 유입부(140) 사이에 위치하여, 2차 공기 공급부(130)와 재순환 유입부(140)가 연통되도록 한다.
연소실로부터 재순환 유입부(140)로 유입된 연소가스는 재순환 포트(150)를 통하여 2차 공기 공급부(130)로 유입되어 연소실 내부로 다시 공급된다.
재순환 포트(150)는 상부 플레이트(151) 및 하부 플레이트(152)를 포함한다.
상부 플레이트(151)는 연소기의 선단 측에 위치하며, 하부 플레이트(152)는 연소기의 후단 측에 위치하여 서로 소정 간격(a) 이격되어, 재순환 유입부(140)와 2차 공기 공급부(130)가 연통되는 공간을 제공한다.
상부 플레이트(151)와 하부 플레이는 연소기의 선단 측을 향하여 경사지게 형성되며, 이로써, 재순환 유입부(140)로 유입되는 연소가스가 2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되기 용이하다.
또한, 상부 플레이트(151) 및 하부 플레이트(152)는 재순환 유입부(140) 측에서 2차 공기 공급부(130) 측으로 갈수로 이격된 소정 간격(a)의 길이가 좁아지도록 위치한다. 이로써, 재순환 유입부(140)에서 2차 공기 공급부(130)로 유입되는 연소가스의 유속을 높여 2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되기 용이하다.
하부 플레이트(152)는 연소기의 선단측과 후단측을 방향으로 이동 가능하도록 구성된다. 하부 플레이트(152)가 선단측 또는 후단측으로 이동함으로써 상부 플레이트(151)와 하부 플레이트(152)가 이격된 소정 간격(a)의 길이가 조절된다.
즉, 하부 플레이트(152)가 이동함으로써 재순환 포트(150)로 유동하는 연소가스의 유량이 조절된다.
하부 플레이트(152)의 이동은 하부 플레이트(152)에 로드를 연결하여 수동으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 로드 또는 하부 플레이트(152)와 연결된 액츄에이터(250)를 통하여 자동으로 이루어질 수 있다.
액츄에이터(250)는 공압이나 유압 또는 전기 솔레노이드 방식의 액츄에이터(250)가 사용될 수 있고, 액츄에이터(250)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)가 구비된다.
연소로(10)의 일측에는 연소가스 센서 및 화염 센서(미도시)가 구비된다.
연소가스 센서는 연소시 발생하는 연소가스에 포함된 성분의 농도를 측정하며, 연소가스에 포함된 질소산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도를 측정한다.
화염 센서는 색상이나 빛의 깜박이는 주파수를 감지하는 광센서로 구성되며, 이를 통하여 화염의 상태를 측정한다.
제어부는 상기한 연소가스 센서 및 화염 센서에 측정되는 값에 따라, 액츄에이터(250)의 동작을 제어하여, 재순환 포트(150)로 유동하는 연소가스의 유량을 제어한다.
다음, 도 3 및 도 4를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소장치애서의 연소 과정을 상세히 설명한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 1차 연료 공급부(110)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 연료와, 1차 공기 공급부(120)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기가 연소되어, 연소기의 중앙측 선단에 1차 화염(F1)이 생성된다.
이때, 1차 공기 공급부(120)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기는 선회기(121)(또는 다공판(122), 메쉬판(도 4 참조))를 통과하면서 공급되어 1차 연료와 연소되어 1차 화염(F1)이 생성된다.
또한, 2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기와, 2차 연료 공급부(160)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 연료가 연소되어, 연소기 선단의 둘레측에서 2차 화염(F2)이 생성된다.
이와 같이, 다단으로 화염을 생성하여 연소함에 따라, 질소산화물의 발생을 억제할 수 있다.
연소로(10) 내부에서 연소가 일어남에 따라, 연소가스가 발생한다.
그리고, 2차 공기 공급부(130)에서 연소로(10) 내부로 공급되는 2차 공기의 유속에 의해, 2차 공기 공급부(130) 내부에 음압이 발생한다.
이에 따라, 2차 공기 공급부(130)와 연소로(10) 내부에서 발생하는 압력차에 의해 연소로(10) 내부의 연소가스가 재순환 유입부(140)로 유입되어 재순환 포트(150)를 통하여 2차 공기 공급부(130)로 유입되어 연소된다.
즉, 초기 연소 이후 어느 정도 후에는 2차 공기 공급부(130)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 공기와 연소가스의 혼합가스와, 2차 연료 공급부(160)를 통하여 연소로(10) 내부로 공급되는 연료가 연소되어 2차 화염(F2)이 생성된다.
이와 같이, 연소로(10)에서 발생하는 연소가스를 재순환시켜 다시 연소되도록 함에 따라 질소산화물을 배출을 억제할 수 있다.
다만, 연소가스의 재순환 부하, 즉 연소가스에 포함된 질소산화물의 농도가 높거나, 유량이 과도한 경우 화염의 안정성이 저하되는 현상이 발생하는 경우가 있다.
이에 따라, 불완전 연소가 일어나 연소가스에 이산화탄소가 아닌 일산화탄소 농도와 산소의 농도가 높아지게 되며, 이에 따라 질소산화물 발생량이 증가하고, 화염이 더욱 물안정하게 되는 악순환이 일어난다.
연소가스 센서와 화염 센서는 연소로(10) 내에서 연소가 일어나는 중에, 연소로(10)에서 생성되는 연소가스에 포함된 성분의 농도와 화염의 상태를 측정한다.
제어부는 연소가스 센서에서 측정되는 연소가스 내의 질소산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도 또는 화염 센서에서 측정되는 화염의 상태에 따라서 액추에이터의 동작을 제어하여 재순환 포트(150)의 하부 플레이트(152)를 이동시켜 재순환 포트(150)로 유동하는 연소가스의 유량을 조절한다.
구체적으로, 연소가스 센서에서 측정되는 일산화탄소, 질소산화물 및 산소의 농도가 기설정된 농도를 초과하게 경우, 제어부는 액츄에이터(250)를 동작시켜 재순환 포트(150)의 하부 플레이트(152)를 선단측으로 동작시켜 재순환 포트(150)의 단면적을 축소하여 연소가스의 재순환 유량이 감소되도록 한다.
한편, 연소가스 센서에서 측정되는 일산화탄소, 질소산화물 및 산소의 농도가 기설정된 농도 이하가 되는 경우, 제어부는 액츄에이터(250)를 동작시켜 재순환 포트(150)의 하부 플레이트(152)를 후단측으로 동작시켜 재순환 포트(150)의 단면적을 확대하여 연소가스의 재순환 유량이 증가되도록 한다.
또한, 화염 센서에서 측정되는 화염의 상태가, 기설정된 화염의 상태가 아닌 경우, 즉, 화염의 색상이 기설정된 색상의 범위를 벗어나거나, 화염의 깜박임 주파수가 기설정된 주파수를 초과하게 되는 경우, 제어부는 액츄에이터(250)를 동작시켜 재순환 포트(150)의 하부 플레이트(152)를 선단측으로 동작시켜 재순환 포트(150)의 단면적을 축소하여 연소가스의 재순환 유량이 감소되도록 한다.
한편, 화염 센서에서 측정되는 화염의 상태가, 기설정된 화염의 상태인 경우, 즉, 화염의 색상이 기설정된 색상의 범위 내에 있거나, 화염의 깜박임 주파수가 기설정된 주파수 이하가 되는 경우, 제어부는 액츄에이터(250)를 동작시켜 재순환 포트(150)의 하부 플레이트(152)를 후단측으로 동작시켜 재순환 포트(150)의 단면적을 확대하여 연소가스의 재순환 유량이 증가 되도록 한다.
본 발명에 따른 연소장치에 의하면, 연소로 내의 연소가스가 내부재순환 하도록 하는 재순환 포트의 단면적을 조절하여 재순환하는 연소가스의 양을 부하 또는 연소조건에 따라 조절이 가능하도록 하여 질소산화물 저감 및 화염 안정화를 달성할 수 있으며, 따라서, 보다 다양한 조건의 연소 시스템에 적용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 연소로
110: 1차 연료 공급부
120: 1차 공기 공급부
121: 선회기
122: 다공판
123: 경사부
130: 2차 공기 공급부
140: 재순환 유입부
150: 재순환 포트
151: 상부 플레이트
152: 하부 플레이트
160: 2차 연료 공급부

Claims (7)

  1. 선단 측이 연소로(10) 내부에 위치하는 연소기를 포함하는 연소장치로서,
    상기 연소기의 중앙부에 위치하는 1차 연료 공급부(110);
    상기 1차 연료 공급부(110)의 둘레측에 위치하는 1차 공기 공급부(120);
    상기 1차 공기 공급부(120) 둘레측에 위치하는 2차 공기 공급부(130);
    상기 2차 공기 공급부(130) 둘레측에 위치하는 재순환 유입부(140);
    상기 재순환 유입부(140) 둘레측에 위치하는 2차 연료 공급부(160);
    상기 재순환 유입부(140)와 상기 2차 공기 공급부(130)를 연통시키며, 선단 측에 위치하는 상부 플레이트(151), 상기 상부 플레이트(151)와 소정 간격(a) 이격되어 후단 측에 위치하며 이동 가능하게 구성되는 하부 플레이트(152)를 구비하며, 상기 하부 플레이트(152)가 이동함에 따라 상기 상부 플레이트(151)와 상기 하부 플레이트(152)의 소정 간격(a)의 길이가 조절되는 재순환 포트(150);
    상기 하부 플레이트(152)를 선단 측과 후단 측 사이에서 이동시켜 상기 소정 간격(a)의 길이를 조절하는 액츄에이터(250);
    상기 연소로(10)에서 발생하는 연소가스에 포함된 성분의 농도를 측정하는 연소가스 센서;
    상기 연소로(10)에서 발생하는 화염의 상태를 측정하는 화염 센서; 및
    상기 액츄에이터(250)의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 화염 센서에서 측정되는 화염의 상태, 및 상기 연소가스 센서에서 측정되는 질소산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도에 따라 상기 액츄에이터(250)의 동작을 제어하는,
    연소장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이터(250)는 공압, 유압 또는 솔레노이드 액츄에이터(250)인,
    연소장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 공기 공급부(120) 선단에 위치하는 선회기(121)를 더 포함하는,
    연소장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 공기 공급부(120) 선단에 위치하는 다공판(122); 및
    상기 1차 공기 공급부(120)의 외벽 선단 측이 상기 연소기의 중앙측을 향하여 경사지게 형성되는 경사부(123);를 더 포함하는,
    연소장치.
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