KR20010101345A - 가스 연소 방법 및 가스 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기중에서 가연성 가스의 연소를 용이하게 하기 위해 사용되는 연소기관에 관한 것으로, 이 연소기관은 적어도 하나 이상의 연소 가스 주입 튜브(2)를 통해 가연성 가스가 공급되는 연소 구역(1)을 포함하고 있다. 특히 본 발명은 상기 튜브(2)의 단부에 복수의 장치들(3)이 구비되고, 각각의 장치들은 벤튜리관을 구비하고 구동 유체를 공급하여 연소 지역으로 유입되는 공기의 양을 증가시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 연소 방법 및 가스 연소기{BURNER-TYPE APPARATUS AND FUEL COMBUSTION METHOD}

일반적으로 정유소에서 석유 정유를 할때 찌꺼기 가스와 기타 배출 가스가 형성된다. 전문 분야에서 "연소탑" 혹은 "가스 연소탑"이라고 불리우는 가스 연소 시스템을 통해 이들을 제거할 경우 환경에 해를 끼치는 악취가 나는 유독성 물질과 연기 혹은 소음이 발생한다.

이러한 공해, 특히 황화수소(H₂S)가 다량으로 포함된 가스의 불완전 연소에 의해 야기되는 공해는 일반적으로 완전 연소에 필요한 산소량이 불충분할 때, 다시 말하자면 연소할 가스량과 연소에 필요한 산소량의 혼합비가 화학양론적 혼합비보다 적을 때, 그리고 최적의 연소에 필요한 조건, 즉 "세 가지 T"(불꽃의 온도, 연소전의 공기와 가스의 혼합 시간, 혼합시 적용되는 난류)로 불리우는 조건이 충족되지 않았을 때 야기된다.

이러한 현상은 일반적으로 연소할 가스 잉여분이 비교적 약한 압력을 가지고 있다는 사실에서 기인한다. 예를 들어 석유 정유소나 오일 및 가스 생산지 장비의 기능적 결함으로 인해 증가량이 10,000,000 N㎥ 에까지 이를 수 있다. 불꽃은 가스 압력에 의해 활성화되므로, 이처럼 전반적으로 연소할 가스가 약한 압력을 가진 경우, 연소탑의 공급 튜브 출구 부분에서 충분한 공기순환을 제공해 줄 수 없게 된다. 그 결과 연소 지역에서의 가연성-조연성 가스 혼합시 완전 연소에 필요한 공기량이 부족하게 되므로, 가스의 연소 효율을 향상시키기 위해서는 현 기술 수준상 가능한 외부 조연성 물질의 도움을 받아야 한다.

지금까지는 일반적으로 수증기가 공급되는 인젝터나 혹은 다른 구동 유체에 의존하였다. 이러한 구동 유체로는 공기나 가스 등을 들 수 있는데, 구동 유체는 연소에 필요한 공기와 난류를 유입시켜 주는 역할을 하였다. 하지만 이러한 장비들은 효율성이 떨어지며, 이처럼 낮은 효율성을 보충하기 위해서는 필수적으로 많은 양의 유체를 사용하여야만 한다.

정유소에서 수증기로 된 구동 유체를 사용하는 경우, 많은 양의 유체 소모가 요구되며 이는 다음과 같은 결과를 파생하게 된다 :

- 수증기가 튜브와 인젝터를 통과하는데서 기인하는 큰 소음의 발생,

- 불꽃의 냉각현상이 발생하며, 그 결과 정확한 가스 연소 조건을 충족해주지 못하게 된다. 예를 들어 H₂S 같은 산화가스의 경우 이러한 조건하에서는 완벽한 산화작용을 위해서 요구되는 700°C의 온도에 도달하지 못하며, 그 결과 악취가 나는 독성물질을 배출하게 된다.

- 정유소에서의 에너지적 결과가 수증기 생산에 종속되게 되므로, 미흡한 에너지 처리 결과를 낳게 된다.

일반적으로 오일 및 가스 생산지에서는 유체로 사용될 수 있는 수증기를 구하기가 힘들며, 그 경우 연소할 가스 압력이 너무 낮아져서 충분한 가연성-조연성 혼합 에너지로 사용될 수 없다. 그 결과 찌꺼기 가스의 연소, 즉 다량의 탄화수소를 포함한 가스 혹은 압축가스라고도 불리우는 액화 탄화수소를 포함하고 있는 가스의 연소시 짙고 검은 연기가 동반되는 불완전 연소가 발생하게 된다.

영국 특허 GB 1 323 674는 최소한 하나 이상의 연소 가스 주입 튜브를 통해 가연성 가스가 공급되는 탑 유형의 장치에 관한 것으로서, 하나의 벤튜리관과 하나의 구동 유체 공급장치를 각각 포함하고 있는 다수의 장치들이 상기 튜브의 극단부 주변에 장착되어 있다.

프랑스 특허 FR 573 059는 송풍 장치에 관한 것으로서, 또 다른 유체를 유입하고 이 유체에 속도를 전달해주기 위해 압력이 가해진 유체를 사용한다. 이 장치에는 다수의 구동 유체 공급 튜브들이 최소한 하나 이상의 벤튜리관 축 주변에 환형으로 장착되어 있는데, 이는 분사 전에 연소 지역으로 두 번째 유체를 흡입하기 위해서이다.

미국 특허 US 1 443 35 A와 US 3 554 681 또한 첫 번째 가스의 분사 장치가 벤튜리관 입구에 있는 링에 장착되어 있으며, 두 번째 가스가 상기 벤튜리관으로 유입되는 장치에 관한 것이다.

연소탑 제작업자들은 연소탑 아래에 장착되는 다수의 고출력 송풍장치를 이용하여 연소지역으로 공기를 유입해주고, 복잡한 기계에 의해 제어되는 자동조절판을 이용하여 가스의 배분을 단계적으로 실현해주는 해결책 또한 고려하였다. 하지만 이 해결책은 실현하기가 어려운 것으로 판명되었다. 왜냐하면 이를 위한 투자비용과 작동비용이 과도하게 요구되고, 게다가 송풍장치를 뜨겁고 부식성이 강한 환경을 갖춘 불꽃 하부에 설치하므로서 신뢰성을 거의 갖지 못하고 있으며, 또한 뜨거운 송풍장치 위로 높은 가연성을 가진 액화 탄화수소가 떨어질 가능성에서 기인하는 안전의 문제 또한 포함하고 있기 때문이다.

따라서, 본 출원인은 액화 탄화수소를 포함하는 가스 연소시에 연기의 발생없는 연소를 실행하기 위하여, 단순하면서 신뢰도가 크고 또한 기술적 측면에서도 만족스러운, 아울러 생산장소에서나 정유장소에서 투자비용도 적게 들 수 있는 새로운 해결책을 모색하기 위한 연구를 수행한 것이다.

본 발명은 특히 탄화수소를 내포하고 있는 가스 연소시 최적의 연소를 위한 연소 방법 및 연소기에 관한 것이다. 이 연소기와 연소방법은 불연소 탄화수소를 배출하지 않으면서 찌꺼기 가스를 포함한 기타 배출 가스를 연소하기 위한 것으로 예컨대, 석유 정유소나 오일 및 가스 생산지에서 연소탑으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소기의 정면 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 장치를 세부적으로 나타낸 정면 단면도이다.

도 3은 황화수소와 같은 산화 가스 연소에 사용되는 본 발명의 특수한 사용예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 대기중에서 가연성 가스의 연소를 용이하게 해주는 탑 유형의 가스 연소기에 관한 것으로서, 본 기기는 최소한 하나 이상의 연소 가스 주입 튜브를 통해 가연성 가스가 공급되는 연소구역을 포함하며, 상기 튜브의 극단부 둘레에는벤튜리관과 구동 유체 공급 장치를 각각 포함하고 있는 복수의 장치들이 장착된다.

이 연소기는 다음과 같은 특징을 가지고 있다 :

- 상기 각각의 장치는 벤튜리관의 축 AA 둘레에 환형으로 장착되는 복수의 튜브를 포함한다.

- 벤튜리관에 구동 유체를 유입해주는 튜브들은 모두 벤튜리관의 축 AA와 α각을 형성하도록 형성된다. 일반적으로 이 각은 3°이상으로서, 바람직하게는 상기 벤튜리관의 분산구가 상기 축에 대해 이루는 각과 같은 각이다.

본 기기의 큰 장점은 가스의 압력이 약하고 그 양이 많을 때, 그리고 가스가 액화 탄화수소를 포함하고 있을 때에도 무연 연소를 실행할 수 있다는 점이다.

또한, 본 발명은 연소 가스 주입 튜브로 공급되는 가연성 가스의 대기중에서의 연소를 용이하게 하기 위해 전술된 기기를 사용하는 것을 그 목적으로 하고 있다. 즉, 구동 유체 공급 장치의 튜브에는 산소가 풍부한 공기, 수증기 혹은 가연성 가스로 구성되어 있는 물질그룹에서 선택된 유체가 공급된다. 본 기기의 사용을 위한 구동 유체의 압력은 0.5 ∼ 6 × 10⁵Pa 사이이며, 바람직하게는 1 ∼ 3 ×10⁵Pa 사이의 압력이다. 또한 각각의 튜브는 구동 유체를 1% ∼ 33% 정도 공급하여야하며, 바람직하게는 5% ∼ 33% 정도의 유체를 공급하여야 한다.

본 발명에 따른 기기를 사용하므로써 송풍장치에 의존할 필요가 없으며, 아울러 수증기와 같은 유체가 인젝터를 통과할 때 발생하는 소음을 제거할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 기기를 사용하므로써 무연의 완전 연소를 실행할 수 있고, 한편으로는 수증기와 같은 구동 유체의 소비를 감소시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 송풍장치와 같은 부품을 장착하지 않음으로서 기기 설비의 신뢰성을 증대시킬 수 있고, 간편한 기기 사용 방식을 획득할 수 있으며, 상대적으로 기기의 설치 및 사용비용을 낮출 수 있다.

본 발명에 따른 연소기와 본 발명에 따른 연소 방법의 또 다른 장점과 특징들은 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다.

1) 본 발명에 따른 연소기

도 1은 본 발명에 따른 연소기를 도시한 것으로, 이 연소기는 가스 연소탑의 상부에 설치될 수 있다.

이 연소기는 연소 가스 튜브(2)의 가연성 가스 주입구를 구비한 연소 구역(1)을 포함한다. 연소 가스 주입 튜브(2)의 단부 둘레에는 압력하에서 구동 유체를 공급하는 복수의 장치들(3)이 환형으로 설치된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 장치들(3)은 연소 구역을 향하여, 즉 튜브(2)의 축 BB를 향하여 기울어져 있다. 장치들의 대칭축 AA는 연소 가스 주입 튜브(2)의 대칭축 BB와 β각을 형성하고 있는데, 그 각도는 1°∼ 70°사이이며, 바람직한 각도는 5°∼ 60°이다.

도 2는 상기 장치(3)를 상세히 도시하고 있다. 이 장치는 구동 유체의 주입구(4)를 포함하고 있고, 상기 주입구는 벤튜리관(5)을 형성하는 몸체가 위치되어 있는 출구 부분에 있으며, 상기 벤튜리관은 일반적으로 "수렴구"라고 불리우는 하부의 원뿔형상부(6)를 포함하고, 상기 원뿔형상부는 "목"이라고 불리우는 원통형상부(7)에 연결되며, 상기 원통형상부는 "분산구"라고 불리우는 상부의 원뿔형상부분(8)에 연결되어 있다.

공급 튜브(13)로부터 벤튜리관(5)으로 구동 유체를 공급해주는 장치(4)는 중앙 튜브(9)를 포함하고 있으며, 상기 중앙 튜브의 형태는 대개 길게 뻗은 환형으로 벤튜리관(5)의 축 AA와 같은 방향으로 장착되어 있다. 상기 중앙 튜브(9)는 외부로부터 수렴구(6)를 관통하여 벤튜리관(5)의 내부 지점까지 뻗어 있는데, 일반적으로 수렴구(6)와 목(7)이 만나는 지점까지 뻗어 있다.

복수의 튜브들(10)이 중앙 튜브(9) 주변에 장착되어질 수 있다. 일반적으로 상기 튜브들(10)은 환형으로 규칙적으로 배치되며, 그 중앙부가 벤튜리관을 형성하는 몸체의 축 AA 를 중심으로 최소한 하나 이상의 링 형상에 맞추어 장착되어질 수 있다.

상기 튜브들(10)과 중앙 튜브(9)는 동일한 튜브가 사용되는 것이 바람직하며, 모든 튜브들은 주입물이 잘 전달될 수 있도록 길게 뻗은 형태로 형성되고, 벤튜리관의 축 AA 를 중심으로 최소한 하나 이상의 링 형상에 맞추어 환형으로 장착되어진다.

튜브들(10)의 수는 연소에 필요한 공기량과 벤튜리관 내부직경의 크기에 따라서 결정된다.

모든 공급 튜브(13)는 압력하에서 구동 유체가 저장된 저장고에 연결된다.

벤튜리관(5)의 축 AA 주변에 환형으로 장착된 튜브들중, 이 축으로부터 가장 멀리 떨어진 바깥쪽에 위치하고 있는 튜브들(10)은 α각에 맞추어 벤튜리관으로 구동 유체를 분사하는 것이 바람직하다. 상기 α각은 벤튜리관(5)의 축 AA에 대한 각으로서 3°이상이어야 하며, 바람직한 각도는 분산구(8)가 상기 축에 대해 이루는 각과 동일한 각이다. 즉, 상기 튜브들의 하부(12)는 원통형일 수 있으며, 벤튜리관(5)의 축 AA와 평행하게 놓여진다. 반면에, 도 2에 나타난 바와 같이, 상부(11)는 축 AA에 대한 경사각 α가 같은 축 AA에 대한 분산구(8)의 경사각과 동일하다.

일반적으로 상기 튜브들(10)은 모두 같은 깊이로 벤튜리관(5)에 삽입되며, 그 깊이는 중앙 튜브(9)가 벤튜리관(5)에 삽입되는 깊이와 동일하거나 얕을 수 있다.

도면에 도시되지 않았으나, 다른 실시예로서, 중앙 튜브(9)가 축 AA의 둘레에 환형으로 장착된 제 2의 복수의 튜브들로 대치될 수 있으며, 따라서 제 2의 복수의 튜브들은 상기 튜브들(10)로 둘러 쌓인다.

상기에서 명시된 바와 같이, 튜브들(10)과 중앙 튜브(9) (혹은 중앙 튜브를 대치하는 다수의 튜브들)는 동일한 것일 수 있으며, 주입물이 잘 전달될 수 있도록 길게 뻗은 형태로 형성되고, 모든 튜브들은 공급 튜브(13)에 연결되는 것이 바람직하며, 상기 공급 튜브는 구동 유체가 저장된 저장고에 연결된다. 상기 공급 튜브들은 구동 유체의 1% ∼ 33% 정도를 공급하도록 구성되며, 바람직한 공급량은 5% ∼ 33% 사이이다.

연소 가스 주입 튜브(2)의 단부 둘레에 환형으로 장착되는 장치들(3)은 모두 동일하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 높은 연소 온도를 필요로 하는 가스의 연소를 위한 기기이며, 700°C 이상의 산화 온도를 요구하는 황화수소를 그 예로 들 수 있을 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연소구역(1)은 벤튜리관(15)을 형성하는 몸체로 덮여 있으며, 튜브(2)를 통하여 상기 몸체 안으로 연소가스가 분사되어진다. 상기 몸체는 외부의 영향으로부터 불꽃을 보호하면서 높은 온도와 긴 가스 잔류시간을 유지시켜준다. 본 발명에 따른 복수의 장치들이 연소 가스 주입 튜브(2)의 단부에 환형으로 장착되어 있는데, 이는 각 장치들의 분산구에서 배출되는 구동 유체가 벤튜리관(15)을 형성하는 몸체로 주입되도록 하기 위한 것이며, 이렇게 함으로서 연소할 가스의 연소 효율을 높일 수 있다.

2) 본 발명에 따른 연소 방법

본 발명은 조연성 물질을 매개로 하여 가스의 연소 효율을 높이기 위한 것으로, 장치(3)의 구동 유체 주입구(4)를 통하여 유체를 주입한다.

일반적으로 구동 유체로는 산소가 풍부한 공기나, 자신 또한 연소되는 가스, 혹은 수증기를 사용한다. 구동 유체의 압력은 통상 0.5 ~ 6 ×10⁵Pa (0.5 ~ 6 바아) 정도이며, 특히 1 ~ 3 ×10⁵Pa (1 ~ 3 바아) 정도가 바람직하다.

장치(3)의 내부에서는 어떠한 연소도 발생되지 않는다. 왜냐하면 이 장치들은 단지 조연성 물질(산소)의 유입 능력 향상과 더불어 연료와 조연성 물질의 혼합을 조장해주는 난류 형성을 야기시키면서 가연성 가스의 연소 효율을 향상시키는 역할만을 수행하기 때문이다.

본 발명에 따른 기기의 작동 시 (도 1 참조), 가연성 가스는 화살표(G)를 따라 축과 동일하게 연소구역(1)으로 유입된다. 연소는 연소구역(1)에서 행해지며, 장치들(3)에 의해 더욱 활성화되어진다. 상기 장치들은 화살표(H) 방향으로 유입되는 하나의 구동 유체 혹은 두 종류 이상이 혼합된 구동 유체의 유입을 위하여 화살표(I) 방향으로 벤튜리관(5)을 통하여 공기를 끌어들인다. 이처럼 유입된 공기는 관련 장치의 분산구(8)을 통해 빠져나가 가스 연소를 돕게 된다.

이처럼, 적은 구동 유체의 사용으로 많은 공기량을 유입하게 해주는 장치(3)를 사용함으로서 산화탄소, 산화탄소 혼합물, 산화가스 혹은 상기 가스들의 혼합물을 포함하고 있는 가스의 완전연소가 가능해진다. 그 결과 종래 사용되던 연소탑,즉 수증기가 공급되는 종래 유형의 튜브를 통해 연소지역에 공기를 유입시켜주던 연소탑보다 발생 소음이 현격히 줄게 되었다. 사실상, 구동 유체가 튜브 내에서 팽창하면서 소음이 발생하므로, 구동 유체의 양을 줄이면 소음을 줄일 수 있게 되는 것이다.

본 출원인은 다수의 실험을 통하여 본 발명에 따른 기기를 사용하면 무연 연소에 필요한 증기의 양이, 종래의 연소탑에서 같은 결과를 얻기 위해 필요한 양보다 약 14배 정도 적게 든다는 것을 확인하였다.

게다가 본 발명에 따른 기기는 플랫폼에 설치되어 있는 종래의 연소탑을 짧은 시간 내에 약간의 수선작업을 통하여 구현될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 즉, 본 기기의 설치를 위해 오일 혹은 가스 생산지에서 정유기 작동을 짧은 기간만 멈추면 되는 것이다. 따라서 생산력의 손실이 최소화될 수가 있다.

Claims (11)

1. 최소한 하나 이상의 연소 가스 주입 튜브(2)를 통해 가연성 가스가 공급되는 연소 구역(1)을 포함하며, 상기 가스 주입 튜브의 단부 둘레에는 복수의 장치들(3)이 장착되고, 상기 각 장치들은 벤튜리관(5)과 구동 유체 공급 수단을 구비하며

   - 상기 각 장치(3)들은 벤튜리관(5)의 축 AA 주변에 환형으로 장착된 복수의 튜브들(10)을 포함하고,

   - 상기 벤튜리관(5)으로 구동 유체를 유입해주는 각 장치(3)의 튜브들(10)은 모두 벤튜리관의 축 A-A와 3°이상의 α각을 갖도록 형성되고, 이 각은 바람직하게는 상기 벤튜리관의 분산구가 상기 축에 대해 이루는 각과 같은 각도인 것을 특징으로 하는 대기중에서 연소 가스의 연소를 용이하게 해주는 탑 유형의 연소기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 장치들(3)은 대칭으로 설치되고, 특히 바람직하게는 연소 가스 주입 튜브(2)의 단부 둘레에 환형으로 설치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각 장치(3)는 벤튜리관(5)의 축 AA가 연소 가스 주입 튜브(2)의 축 BB와 1°∼ 70°사이의 β각을 형성하도록 설치되고, 바람직하게는 5°∼ 60°의 각도를 가지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
4. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 모든 장치들(3)의 공급 튜브(13)들은 압력하에서 구동 유체 저장고에 연결되는 것을 특징으로 하는 연소기.
5. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 가스 주입 튜브(2)의 단부에 설치되는 각 장치(3)에서 환형으로 장착되는 각각의 튜브(10)는 1% ∼ 33% 정도의 구동 유체를 공급할 수 있는 정도의 크기로 형성되고, 바람직하게는 5% ∼ 33% 정도의 구동 유체를 공급할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
6. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 각 장치(3)의 구동 유체 주입구(4)는 중앙 튜브(9)와, 벤튜리관(5)의 축 AA 주변에 환형으로 장착된 다수의 튜브들(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
7. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 유체 주입구는 벤튜리관(5)의 축 AA 주변에 환형으로 장착되는 두 종류의 복수의 튜브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기.
8. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나의 장치(3)에 속하는 튜브들(10)은 모두 동일한 튜브이며, 주입물이 잘 전달될 수 있도록 길게 뻗은 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소기.
9. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브들(10)은 상기 벤튜리관(5)의 축 AA 를 중심으로 최소한 하나 이상의 링 형상을 따라 장착되는 것을 특징으로 하는 연소기.
10. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 구역(1)은 상기 장치들(3)이 장착되어 있는 벤튜리관(15)으로 둘러쌓여 있는 것을 특징으로 하는 연소기.
11. 구동 유체 공급 장치(3)의 공급 튜브들(13)에 산소가 풍부한 공기나 수증기 혹은 가연성 가스로 구성된 유체가 공급되며, 구동 유체의 압력은 0.5 ~ 6 ×10⁵Pa 정도로서 바람직하게는 1 ~ 3 ×10⁵Pa 정도이며, 각 튜브들(10)은 1% ∼ 33% 정도로서 바람직하게는 5% ∼ 33% 정도의 구동 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 가스 주입 튜브(2)를 통해 공급되는 가연성 가스의 대기중에서의 연소를 용이하게 하기 위하여 제 1항 내지 제 10항의 어느 한 항의 연소기에 따른 연소방법.