KR200191094Y1

KR200191094Y1 - 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐

Info

Publication number: KR200191094Y1
Application number: KR20000005434U
Authority: KR
Inventors: 박석호
Original assignee: 박석호
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2000-08-16

Abstract

본 고안은 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐에 관한 것으로서,

분사노즐(2)의 내부 중앙에 연료공급관(1)과 연통되기 위한 연료공급홀(3)이 형성되고, 이 연료공급홀(3)로부터 분사노즐(2)의 전면을 향하도록 다수의 외측분사구(4)가 환형으로 배선되어 있는 연료분사노즐에 있어서,

상기 연료공급홀(3)과 분사노즐(2)의 중앙을 관통연결하는 내측분사구(5)를 형성하되, 상기 내측분사구(5)의 선단부에는 내측분사구(5)보다 다소 직경이 큰 제 1 확개부(6)와, 상기 제 1 확개부(6)로부터 부채꼴모양으로 확개된 제 2 확개부(7)를 형성하여 내측분사구(5)를 통해 분사되는 연료가 넓게 퍼지면서 분사되도록 한 것을 특징으로 하여 연소시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있도록 한 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐에 관한 것이다.

Description

저 질소산화물 발생용 연료분사노즐{Fuel injection nozzle for occurrence a little NOx}

본 고안은 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐에 관한 것이다.

소각로나 산업용 보일러등에 사용하는 오일연소 버너는 오일연소량이 크므로 그 성능여하에 따라 운전비용 및 환경오염에 큰 영향을 미치게 되므로 버너의 설정시 다음과 같은 사항들을 검토하여야 한다.

1. 저과잉 공기로 연소 가능할 것.

2. 화염이 짧으면서도 발열량이 높을 것.

3. 분진과 SO4 및 NOx(산화질소) 등의 공해물질의 발생이 적을 것.

4. 화염의 안정성 및 응답성이 높을 것.

등의 요건을 갖추고 있어야 한다.

그런데 연소가 잘 되기 위해서는 연료의 분사상태가 좋고 또 분사된 연료와 연소용 공기의 혼합이 완벽해야 하며, 연소용 공기량, 공기유속, 레지스터로 유입되는 공기의 균일성 및 보염기에서의 공기 회전등이 연소에 큰 영향을 미치게 되며 , 이러한 요인들은 연료분사노즐의 구조적 특징에 크게 좌우된다.

그리고, 제한된 연소실 내에서 연소를 하기 위해서는 연료분사노즐로부터 분사되어 연소되는 화염의 크기가 작아야 하며, 화염이 화실벽에 접촉되지 않도록 연료분사노즐을 설계하는 것이 필요하다.

일반적으로 과잉공기가 많아지면 화염이 작아지는 경향이 있으나 이경우 화염온도가 상승하여 NOx가 다량 발생하게 되므로 NOx량을 줄이고 화염을 작게 하는 데에는 저과잉공기로도 연료와 공기를 충분히 혼합할 수 있는 연료분사노즐이 필요하다.

화실 벽에 화염이 접촉하면 미연소연료가 화염접촉부위에 축적되어 연소의 방해요인으로 작용하여 매연이 발생하고, 미연소성분이 그대로 대기로 방출되어 과잉공기를 공급하여 운전해도 굴뚝에서 푸른 연기가 나며 에너지 소모가 증가한다.

한편, 보일러를 가동하여 연료를 연소시키면 배기가스가 배출되어 환경공해를 유발하는데 환경의 중요성이 크게 인식되면서 버너 설계시 열효율 못지않게 환경적 요인을 고려하지 아니하면 안된다.

배기가스에 의한 공해물질은 크게 분진, 유황 산화물(SOx), 질소 산화물(NOx) 등이 있으며, 연료중의 유황성분은 연소반응에 의해 산소와 결합 산화되어 SO₂가 되고, 이 SO₂의 일부가 산소와 다시 결합하여 SO₃가 되었다가 다시 물과 결합하면 황산(H₂SO₄)이 된다.

그리고, 연소과정중 공기중의 질소나 연료중의 질소는 산소와 반응하여 일산화질소(NO)가 되고, 그 일부가 연소가스의 냉각과정에서 산화하여 이상화질소(NO₂)로 되어 배기가스중에 NO+NO₂(통칭하여 NOx)의 형태로 존재하게 된다.

고체의 황산화물, 즉 SO₂는 기본적으로 연료의 종류에 의해 결정되지만 질소산화물(NOx)은 연소과정에 의해 크게 좌우된다.

NOx는 연소과정중에 발생하는데 연료중의 질소의 화학적결합과 공기중의 질소분자의 부분적 산화에 의해 화염과 화염주위의 고온형성대에서 발생하고 있다.

고온의 연소온도 조건하에서는 순환되는 공기중의 질소로부터 생성되는 NOx량이 지속적으로 증가하게되며, 특히 고산소 농도이고 고온에서의 대기시간을 길게하는 것이 NOx 생성의 최적조건으로 알려져 있다.

따라서, 고온에서 발생하는 NOx량은 연소공기 온도의 저하, 다단연소에 의한 연소온도의 강하, 과잉공기량의 강하, 배기가스의 재순환에 의한 연소온도 강하, 연료량과 공기량의 비율조정, 연소실의 설계등에 의해 저하시킬 수 있다.

도 4 내지 도 6 은 종래의 연료분사노즐을 도시한 것이다.

도 4 는 종래에 일반적으로 사용되는 연료분사노즐을 도시한 것으로서,

연료가 공급되는 연료공급관(20)의 선단에 분사노즐(21)이 결합되고, 이 분사노즐(21)의 전면으로 다수의 연료분사구(22)가 환형으로 형성되어 있다.

도 4 에 도시된 바와같은 연료분사노즐의 연료분사구(22)를 통해 연료가 분사되면, 도 4 에 도시된 단면도에서와같이 연료가 분사노즐(21)의 전방을 향해 분사되므로 연료분사구(22)의 중간부분(B)에는 연료가 분사되지 못하게된다.

따라서, 도 5 에 도시한 바와같이 분사노즐(21)을 연소실(9)에 설치하여 연소시키게되면, 분사노즐(21)의 연료분사구(22)를 통해서 분사되는 연료에 의해 불꽃이 상,하 양측으로 나뉘어지게되고, 이때 공기유입관(10)을 통해 공기가 공급되더라도 공기가 양 불꽃의 외각부분에만 공급될뿐 양 불꽃의 사이부분(B)에는 공기가 잘 공급되지 않으면서 흰노랑 황색을 띠게된다.

불꽃의 색깔이 흰노랑 황색이라는 것은 그만큼 불꽃의 온도가 높은것을 나타내며, 이와같이 불꽃의 온도가 높아지게되면 환경 오염물인 질소산화물(NOx)의 발생량이 증가하게되는 문제점을 갖게 되는 것이다.

도 6 은 상기와 같은 문제점의 해결을 위해 제안된 종래의 다른 실시예를 도시한 것으로서,

전면에 다수의 연료분사구(22)가 환형으로 형성되어 있는 분사노즐(21)의 전면 중앙에 또다른 중앙분사구(23)를 형성하여 연료가 상기 중앙분사구(23)로도 분사되도록 하므로서, 연소실(9) 내에서의 공기와 연료의 혼합성이 향상되도록 하면서 불꽃의 중앙부분(B)이 너무 고온으로 상승하지 않도록 한 것이다.

그러나, 상기 도 6 과 같은 기술은 단순히 분사노즐(21)의 중앙에 중앙분사구(23)를 형성한 것이므로 이 중앙분사구(23)를 통해 연료가 고압으로 배출됨에 따라 불꽃의 길이가 길어지게되어 질소산화물(NOx)의 발생량을 효과적으로 감소시키지 못하는 문제점이 발생하였다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 고안은 전면에 다수의 연료분사구가 환형으로 형성되어 있는 분사노즐의 전면 중앙에 별도의 중앙분사구를 형성하되, 이 중앙분사구를 통해서 분사되는 연료가 넓게 퍼지면서 분사되도록 하여 불꽃의 온도가 너무 높게 상승하지 않도록 함과 동시에 불꽃의 길이가 짧아지도록 하므로서, 연소시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있도록 한 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적달성을 위한 본 고안의 특징은,

분사노즐의 내부 중앙에 연료공급관과 연통되기 위한 연료공급홀이 형성되고, 이 연료공급홀로부터 분사노즐의 전면을 향하도록 다수의 외측분사구가 환형으로 배선되어 있는 연료분사노즐에 있어서,

상기 연료공급홀과 분사노즐의 중앙을 관통연결하는 내측분사구를 형성하되, 상기 내측분사구의 선단부에는 내측분사구보다 다소 직경이 큰 제 1 확개부와, 상기 제 1 확개부로부터 부채꼴모양으로 확개된 제 2 확개부를 형성하여 내측분사구를 통해 분사되는 연료가 넓게 퍼지면서 분사되도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1 은 본 고안의 연료분사노즐을 보인 사시도.

도 2 는 본 고안의 연료분사노즐을 보인 단면도.

도 3 은 본 고안의 작동상태를 보인 도면.

도 4 는 종래의 연료분사노즐을 보인 단면도.

도 5 는 종래 연료분사노즐의 작동상태를 보인 도면.

도 6 은 종래의 다른 실시예를 보인 단면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료공급관 2 : 분사노즐

3 : 연료공급홀 4 : 외측분사구

5 : 내측분사구 6 : 제 1 확개부

7 : 제 2 확개부 8 : 배기통로

9 : 연소실 10: 공기유입관

11: 투시창

이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 3 을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도면부호 1 은 연료가 공급되는 통로가되는 연료공급관을 나타내며, 이 연료공급관(1)의 선단에 분사노즐(2)이 결합된다.

분사노즐(2)의 중앙 내측에는 연료공급관(1)을 통해 공급된 연료가 이동하는 통로가되는 연료공급홀(3)이 형성되고, 이 연료공급홀(3)로부터 다수의 외측분사구(4)와 내측분사구(5)가 분사노즐(2)의 전면을 향해 관통 형성되어 있다.

상기 외측분사구(4)는 일단이 연료공급홀(3)과 연통되고 타측은 분사노즐(2)의 전면을 관통하도록 형성되는데, 도 2 에 도시된 바와같이 다수의 외측분사구(4)가 분사노즐(2)의 중심으로부터 외측을 향하도록 일정각도 경사지게 형성되어 있고, 분사노즐(2)의 전면에서 보면 다수의 외측분사구(4)가 분사노즐(2)의 전면 외측에 환형으로 배열되도록 형성되어 있다.

그리고, 상기 내측분사구(5)는 연료공급홀(3)로부터 분사노즐(2)의 전면 중앙을 연통하도록 형성하는데, 이 연료공급홀(3)의 선단부에 제 1 및 제 2 확개부(6)(7)를 형성한다.

제 1 확개부(6)는 연료공급홀(3)에 비해 그 직경을 크게 형성하고, 제 2 확개부(7)는 제 1 확개부(6)의 끝부분으로부터 부채꼴모양으로 확개되도록 형성한다.

상기 제 2 확개부(7)의 개방각은 약 90°를 이루도록 형성하는 것이 바람직하며, 상기 제 1 및 제 2 확개부(6)(7)를 통해 분사되는 연료의 분사각은 약 60°를 이루게된다.

상기 설명과 같이 내측분사구(5)의 선단에 제 1 및 제 2 확개부(6)(7)를 두는 이유는 내측분사구(5)를 통해 분사되는 연료가 제 1 확개부(6)와 제 2 확개부(7)를 통과하면서 연료 분사압이 약해져 분사노즐(2)의 전면으로 분사되는 연료가 멀리 분사되지 못하고 짧게 분사되도록 하여 불꽃의 길이가 짧아지도록 한 것이다.

도 3 은 본 고안에 의한 연료분사노즐(2)을 연소실(9) 내에 설치하여 연소실험한 상태를 도시한 것으로서,

공기유입관(10)을 통해 공기가 연소실(9) 내부로 유입되고, 연료공급관(1)을 통해 공급되는 연료가 분사노즐(2)의 외측분사구(4)와 내측분사구(5)를 통해 분사되면서 연소되면, 분사노즐(2)에서 분사되는 연료의 분사형태는 도 3 에서와 같이 외측분사구(4)에서 분사되는 상,하 양측의 불꽃 사이로 내측분사구(5)에서 분사되는 불꽃이 존재하게된다.

그런데, 상기 내측분사구(5)로 분사되는 연료가 제 1 확개부(6)와 제 2 확개부(7)를 통과하면서 넓게 퍼지게되어 중심(A)의 불꽃은 짧으면서 퍼지게되고, 이 과정에서 공기유입관(10)을 통해 유입되는 공기가 와류되면서 분사노즐(2)에서 분사되는 연료와 잘 섞이게된다.

이때의 불꽃을 투시창(11)을 통해 살펴보면, 그 색깔이 붉은 황색을 띠게됨을 알 수 있는데, 이 불꽃이 붉은 황색이라는 것은 온도가 그리 높지 않은 것을 의미한다.

불꽃의 온도가 그리 높지 않으면서 연소가 잘 이루어지게되면 연료의 연소효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 연소시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있다.

또한, 불꽃의 길이가 짧아짐에 따라 불꽃이 연소실 벽면에 직접 영향을 미치지 않게된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 고안은 전면에 다수의 연료분사구가 환형으로 형성되어 있는 분사노즐의 전면 중앙에 별도의 중앙분사구를 형성하되, 이 중앙분사구를 통해서 분사되는 연료가 넓게 퍼지면서 분사되도록 하여 불꽃의 온도가 너무 높게 상승하지 않도록 함과 동시에 불꽃의 길이가 짧아지도록 하므로서, 연소시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있도록 한 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐을 제공하는 효과가 있다.

Claims

분사노즐(2)의 내부 중앙에 연료공급관(1)과 연통되기 위한 연료공급홀(3)이 형성되고, 이 연료공급홀(3)로부터 분사노즐(2)의 전면을 향하도록 다수의 외측분사구(4)가 환형으로 배선되어 있는 연료분사노즐에 있어서,

상기 연료공급홀(3)과 분사노즐(2)의 중앙을 관통연결하는 내측분사구(5)를 형성하되, 상기 내측분사구(5)의 선단부에는 내측분사구(5)보다 다소 직경이 큰 제 1 확개부(6)와, 상기 제 1 확개부(6)로부터 부채꼴모양으로 확개된 제 2 확개부(7)를 형성하여 내측분사구(5)를 통해 분사되는 연료가 넓게 퍼지면서 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 저 질소산화물 발생용 연료분사노즐.