KR20100047197A - 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로 - Google Patents

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토시아키 요시오카
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타다히로 아라아케
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지요다 가꼬겐세쓰 가부시키가이샤
니폰 훠네스 가부시키가이샤
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Abstract

교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치(9)로 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 80∼200m/sec의 속도로 행한다. 혼합 개시 영역(CA)에 저칼로리 연료 가스가 도달할 때까지의 사이에 저칼로리 연료 가스가 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 예열되고, 혼합 개시 영역(CA)에 있어서 예연소 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스가 함께 연소하도록 버너 구조체(4)를 구성한다. 복수의 연료 가스 연소 장치의 고온 공기 공급구로부터 공급되는 공기량(Q1)과 복수의 연료 가스 연소 장치의 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량 (Q1+Q2)을 연소에 필요한 이론 공기량(Qs)의 1.02∼1.10배로 해서 Q2/(Q1+Q2)가 0.011∼0.047의 범위의 값이 되도록 한다.
고온 공기 연소 기술, 반응로

Description

고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로{REACTION FURNACE USING A HOT AIR BURNING TECHNOLOGY}
본 발명은 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로 및 이 반응로에 사용하는데에 적합한 연료 가스 연소 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 일본 특허 공개 2005-46753호 공보에는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로의 종래예가 개시되어 있다. 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로에 사용하는 연료 가스 연소 장치는 연료 가스를 연소실내에 분사하는 버너 구조체와 교번식 열교환형 연소용 공기 공급 장치(이하, 연소용 공기 공급 장치라고 할 경우가 있음)를 구비하고 있다. 또한, 일본 특허 공개 평10-205743호 공보에는 연소용 공기 공급 장치에 설치된 열교환용의 통풍성을 가진 축열체로 용광로 가스, 악취 가스 등의 저칼로리 연료 가스를 가열해서 연소하는 연소 장치가 개시되어 있다. 이 연소 장치에서는 고칼로리 연료 가스를 연료로 하는 파일롯 버너(pilot burner)를 착화용의 버너로서 이용하여 저칼로리 연료 가스를 연소시킨다. 이 공보에 개시된 파일롯 버너에서는 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급관과 동심적으로 배치된 연소용 공기 공급관으로부터 연소용 공기를 연료 가스와 함께 노내에 분사하고 있다. 또한, 파일롯 버너는 착화용이지만 착화 직후로부터 노내의 온도가 저로온 (예를 들면, 500∼600℃ 이하) 사이에 있어서의 연소의 안정 유지를 위해서도 사용된다. 노내의 온도가 고온에 도달한 후에는 파일롯 버너의 소화가 가능하다. 그러나, 저칼로리 연료 가스의 칼로리에서는 고온 공기 연소 상태를 만들 수 없다. 따라서, 연료를 연속 공급하고 또한 축열 수단으로 가열된 연소용 공기로 연료 가스의 연소를 행하는 연료 가스 연소 장치에서는 고칼로리 연료 가스를 연료 가스로 하는 버너 구조체로부터 분사한 고칼로리 연료 가스와, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 고온 공기 연소장에서 혼합하여 연소시키고 있다.
또한, 연료 가스 연소 장치에서는 고칼로리 연료 가스를 연료 가스로 하는 버너 구조체로부터 분사한 고칼로리 연료 가스와, 열교환형 연소용 공기 공급 장치에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 고온 공기 연소장에서 혼합해서 연소시키고 있다. 또한, 저칼로리 연료 가스를 연료 가스로서 이용하는 것도 고려된다. 그러나, 그 경우에는 대량의 저칼로리 연료 가스를 필요로 함과 아울러 대량의 저칼로리 연료 가스를 높은 온도로 가열해서 공급하는 것은 어렵다. 따라서, 종래의 연료 가스 연소 장치에서는 저칼로리 가스의 사용이 곤란했다.
또한, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 이용해서 가열된 연소용 공기를 연료 가스 연소 장치에 공급할 경우에는 배기되는 연소 배기 가스와 함께 미연 연료 가스가 배출될 가능성이 있다. 따라서, 일본 특허 공개 평9-273741호 공보 등에 개시되어 있는 바와 같이, 연료 가스의 분사구를 연소 배기 가스 배출구보다도 노 내측에 위치시키는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2005-46753호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평10-205743호 공보
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 평9-273741호 공보
종래의 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로에서는 고온 공기 연소 상태를 얻는 것에 주안점이 두어져 있었다. 따라서, 플랜트에 있어서 발생하는 각종 저칼로리의 연료 가스와 같이 발열량이 낮은 연료 가스를 이용하는 것은 고칼로리 연료 가스에 비해 저칼로리의 연료 가스의 발열량이 지나치게 낮기 때문에 종래에는 고온 공기 연소 기술에 적용하는 검토도 행하여지지 않고 있었다. 연료 가스의 발열량이 상위한 경우에는 고온 공기 연소시에 있어서 연소가 완결되지 않고, 미연분의 CO가 배출되는 것도 고려된다.
본 발명의 목적은 저칼로리 연소 가스를 유효하게 이용할 수 있고, 또한 배기 가스중의 CO 농도를 저감할 수 있는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고온 공기 연소 기술을 이용하는 경우에 있어서, 저칼로리 연료 가스를 유효하게 이용할 수 있는 연료 가스 연소 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적에 추가하여 본 발명의 다른 목적은 배열 회수 성능을 저하시키지 않고, 배기 가스중의 CO 농도를 저감할 수 있는 연료 가스 연소 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로에서는 사용하는 복수대의 연료 가스 연소 장치로서, 연료 가스를 연소실내에 연속해서 분사하는 버너 구조체와, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 구비한 것을 이용한다. 이 종류의 연료 가스 연소 장치는 연소 연속식 공기 공급 교번형 연료 가스 연소 장치라고 불린다. 복수대의 연소 가스 연소 장치는 소정의 간격을 두어서 배치되어 있다. 이 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 두개의 통기구를 구비하고, 두개의 통기구가 교대로 연소 배기 가스 배출구 또는 고온 공기 공급구가 되도록 스위칭 동작을 행한다. 이 연소용 공기 공급 장치에서는 1개의 축열 수단에 연소용 공기와 배기 가스를 교대로 흘리고, 연소용 공기를 축열 수단의 현열에 의해 가열한다. 이러한 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치에 대해서는 예를 들면, 일본 특허 공개 평5-256423호 공보 및 일본 특허 공개 평6-11121호 공보 등에 개시되어 있다. 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 한쪽의 통기구를 연소 배기 가스 배출구로서 이용하여 연소실내의 연소 배기 가스를 한쪽의 통기구로부터 통풍성을 가진 축열 수단을 통해서 연소실외로 배출한다. 그리고, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 다른쪽의 통기구를 고온 공기 공급구로서 이용하여 다른쪽의 통기구를 통해서 축열 수단의 현열에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 연소실내에 공급한다. 연소용 공기는 일반적으로 축열 수단의 현열에 의해 800℃ 이상의 고온으로 가열된다. 또한, 고칼로리 연료 가스와 혼합되는 예연소 공기로서 이 800℃ 이상으로 가열된 연소용 공기의 일부를 이용해도 좋은 것은 물론이다.
본 발명에서는 버너 구조체로서 고칼로리 연료 가스와 예연소 공기가 혼합되어서 고칼로리 연료 가스의 일부가 연소하고 있는 고온의 예연소 고칼로리 연료 가스를 연속해서 분출하는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구와, 저칼로리 연료 가스를 연속해서 분사하는 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 구비한 구조의 것을 이용한다. 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸는 영역에 분산시켜 배치되어 있다. 그리고, 본 발명에서는 예연소 고칼로리 연료 가스와 연소용 공기가 혼합을 개시하는 혼합 개시 영역에 저칼로리 연료 가스가 도달할 때까지의 사이에 저칼로리 연료 가스가 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 예열되고, 혼합 개시 영역에 있어서 예연소 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스가 본격적으로 함께 연소하도록 버너 구조체를 구성한다. 즉, 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구와 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구의 위치 관계가 적절하게 결정된다. 또한, 연료 가스의 연소는 혼합 개시 영역뿐만 아니라 그 주위의 고온 공기 연소장에 있어서 적절하게 해서 행하여져 있다. 또한, 적절하게 해서 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치로부터 공급되는 연소용 공기의 속도(유속)도 적절하게 결정되게 된다.
고칼로리 연료 가스는 예연소 공기와 혼합해서 일부 연소하고 있기 때문에 전술의 혼합 개시 영역에 도달하는 고칼로리 연료 가스의 온도는 소정의 온도까지 상승하고 있다. 그러나, 저칼로리 연료 가스는 고칼로리 연료 가스에 비해 용량이 크기 때문에 고칼로리 연료 가스와 마찬가지로 상온의 예연소 공기와 혼합해 일부 연소하는 것만으로는 온도를 상승시키는 것은 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 주위에 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 분산시켜 배치함으로써 예연소 고칼로리 연료 가스의 흐름에 따라 저칼로리 연료 가스를 혼합 개시 영역에 공급할 수 있게 하고 있다. 그리고, 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 저칼로리 연료 가스는 혼합 개시 영역에 도달할 때까지의 사이에 가열된 상태로 된다. 그 결과, 본 발명에 의하면 예연소 공기에 의해 가열된 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스가 혼합 개시 영역에서 연소용 공기와 접하여 효율적으로 연소하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하면 고온 공기 연소 기술을 이용하는 경우에 있어서도 저칼로리 연료 가스를 유효 이용할 수 있다.
특히, 본 발명의 반응로에서는 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치에서 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 80∼200m/sec의 속도로 행한다. 그리고, 이 경우에 있어서, 복수대의 연료 가스 연소 장치의 고온 공기 공급구로부터 공급되는 공기량(Q1)과 복수대의 연료 가스 연소 장치의 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량(Q1+Q2)을 연소에 필요한 이론 공기량(Qs)의 1.02∼1.10배로 해서 Q2/(Q1+Q2)이 0.011∼0.047의 범위의 값이 되도록 한다. 전술한 구조의 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 이용하는 경우에 공기량에 관해서 이러한 조건 설정을 하면 안정된 연소를 행하고, CO의 배출량을 적게 하고, 또한 연료 가스의 사용 효율을 높일 수 있다. 이들 수치 범위는 안정한 연소를 얻을 수 있는 것을 조건으로 하고, CO의 배출량을 적게 하고, 또한 연료 가스의 사용 효율을 높일 수 있는 범위를 시험에 의해 구한 결과이다. 따라서, 각각의 수치 범위에 관해서 개별적으로 경계적인 의의를 논하는 것은 의미가 없다.
복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 중심으로 해서 가상원상에 둘레 방향으로 등간격으로 배치하면 저칼로리 연료 가스가 예연소 고칼로리 연료 가스의 주위를 발란스 좋게 흐르게 되고, 복수의 저칼로리 연료 가스의 흐름이 예연소 고칼로리 연료 가스의 흐름을 크게 혼란시키지 않는다. 따라서, 안정된 고온 공기 연소를 얻을 수 있다.
또한, 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 저칼로리 연료 가스 분출구는 두개의 통기구보다도 연소실내에 돌출해서 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 예연소 고칼로리 연료 가스 및 저칼로리 연료 가스를 혼합 개시 영역에 도달시키기 용이해진다. 그 결과, 저칼로리 연료 가스의 이용 효율을 높일 수 있다. 또한, 이 경우, 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 저칼로리 연료 가스 분출구의 위치와 두개의 통기구의 위치 사이의 높이 치수(L2) 및 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 중심과 두개의 통기구 각각의 중심 사이의 거리(L1)는 다음 조건을 충족시키는 길이로 한다. 즉, 제 1 조건은 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스의 일부가 혼합 개시 영역에 도달하기 전에 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 통기구로부터 배출되는 것을 억제할 수 있는 길이로 설정하는 것이다. 또한, 제 2 조건은 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스에 의해 연소 배기 가스 배출구에 연소 배기 가스가 흡인되는 것을 부분적으로 방지하는 길이로 설정하는 것이다. 제 1 조건이 충족되면 예연소 고칼로리 연료 가스 및 저칼로리 연료 가스가 통기구로부터 배출되어서 연소실 이외에서 연소하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제 2 조건이 충족되면 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 통기구를 향하는 연소 배기 가스의 일부를 연료 가스와 함께 재도 혼합 개시 영역으로 리턴시켜서 재연소할 수 있기 때문에 연소 배기 가스중에 포함되는 미연소 가스(CO, H 등)의 배출량을 적게 억제할 수 있고, 노내의 순환을 증가시켜서 노내의 온도의 균일성을 높일 수 있다.
두개의 통기구 및 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구는 중앙에 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구가 위치하도록 일렬로 늘어서는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출이 80∼200m/sec의 속도(유속)로 이루어질 경우에는 두개의 통기구 각각과 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 사이의 거리(L1)를 350∼500㎜로 하고 또한, 후술하는 내화통(耐火筒)의 높이 치수(L2)를 50∼600㎜로 하는 것이 바람직하다. 또한, 두개의 통기구 각각의 중심과 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 중심 사이의 거리(L1)를 350∼500㎜의 값으로 하는 경우에는 두개의 통기구간의 거리(PCD)(L1의 2배의 거리)와, 각각의 통기구 직경(Da)의 비(PCD/Da)가 3∼6.5의 값이 되도록 거리(PCD) 및 직경(Da)을 설정하는 것이 바람직하다. 단, 이 비(PCD/Da)를 결정하기 위해서는 우선 거리(PCD)를 700㎜로 했을 때에 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 속도(유속)의 관계를 나타내는 하한 대응 관계로 정한다. 그리고, 거리(PCD)를 1000㎜로 했을 때에 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 속도(유속)의 관계를 상한 대응 관계로 정한다. 그리고, 비(PCD/Da)와 유속의 대응 관계가 하한 대응 관계와 상한 대응 관계 사이의 대응 관계가 되도록 거리(PCD) 및 직경(Da)을 설정하면 좋다. 이와 같이 하여 비(PCD/Da)와 유속의 대응 관계를 정하면 전술한 제 1 및 제 2 조건이 충족되어 고온 공기 연소장에 있어서 안정적으로 예연소 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스를 연소시킬 수 있다.
또한, 버너 구조체는 이하의 구조를 가진 내화통을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 본원 명세서에서는 내화통은 횡단면 형상의 윤곽이 원형이 되는 통에 한정되는 것이 아니다. 이 내화통은 중앙에 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 이 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 예연소실을 갖고 있다. 그리고, 내화통은 예연소실의 저부에 고칼로리 연료 가스 분출구와 예연소 공기 분출구를 구비하고 있다. 또한, 내화통은 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸도록 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어서 배치된 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구 및 예연소실을 둘러싸도록 배치되고, 또한 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 저칼로리 연료 가스 통로를 구비하고 있다. 버너 구조체가 이러한 내화통을 구비하고 있으면, 간단한 구조로 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구와 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 소정의 위치 관계에 배치할 수 있다.
본 발명의 연료 가스 연소 장치는 연료 가스를 연소실내에 연속해서 분사하는 버너 구조체와, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 구비하고 있다. 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 두개의 통기구를 구비하고, 두개의 통기구를 교대로 연소 배기 가스 배출구 또는 고온 공기 공급구로서 이용한다. 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 한쪽의 통기구를 연소 배기 가스 배출구로서 이용하여 연소실내의 연소 배기 가스를 한쪽의 통기구로부터 통풍성을 가진 축열 수단을 통해서 연소실외로 배출한다. 그리고, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 다른쪽의 통기구를 고온 공기 공급구로서 이용하여 다른쪽의 통기구를 통해서 축열 수단의 현열에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 연소실내에 공급한다.
본 발명에 사용하는 예연소 공기는 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치로부터 배출되는 연소 배기 가스의 열을 이용해서 가열할 수 있다. 이와 같이 하면 찬 예연소 공기가 아니고, 가열된 예연소 공기가 연소실내에 인입되게 되어 노효율을 상승시킬 수 있다. 구체적으로는, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 두개의 통기구와 두개의 축열 수단 사이에 형성된 두개의 유로 사이에 예연소 공기가 통과하는 예연소 공기 유로를 형성한다. 그리고, 예연소 공기 유로와 두개의 유로 사이에서 열전달을 가능하게 하면 좋다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 각각 연료 가스 연소 장치를 개질용 반응로에 적용한 경우에 있어서의 버너 및 통기구 복합 구조체와 반응관의 배치 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 버너 및 통기구 복합 구조체의 평면도이다.
도 3은 버너 및 통기구 복합 구조체의 부분 사시도이다.
도 4는 버너 및 통기구 복합 구조체의 구성 부분의 일부 단면도와, 그 하방에 배치된 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치의 구성과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5(A) 및 도 5(B)는 해석 모델에 의거하여 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 200m/sec로 하고, 거리(L1)를 500㎜로 해서 내화통의 높이 치수(L2)를 0㎜와 200㎜로 했을 경우에 있어서, 시뮬레이션에 의해 해석했을 때의 연소 상태를 모의적으로 나타낸 도면이다.
도 6(A) 내지 도 6(C)는 연소실내의 가스의 흐름을 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 모의적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 통기구 공기 유속을 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 유속의 관계를 구한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 공기비와 예연소 공기량비를 변경하여 연소를 행한 경우에 있어서의 연소 결과를 표로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 도 1(A) 및 도 1(B)는 각각 본 발명의 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로의 실시형태에 있어서의 후에 상세히 설명하는 버너 및 통기구 복합 구조체(1)와 반응관(P)의 배치 관계의 일례를 나타낸 도면이다. 또한, 도 2는 버너 및 통기구 복합 구조체(1)의 평면도이며, 도 3은 버너 및 통기구 복합 구조체(1)의 부분 사시도이다. 버너 및 통기구 복합 구조체(1)는 연소 배기 가스 배출구 또는 고온 공기 공급구로서 이용되는 두개의 통기구(2 및 3)와, 버너 구조체(4)가 내화성을 가진 내화 구조 부재(5)에 지지되어서 세팅된 구조를 갖고 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)에 있어서, 부호 6으로 나타낸 것은 내부에 연소실(7)을 가진 노 본체(爐本體)이다. 노 본체(6)는 저벽[노상(爐床)](6a) 및 상벽(노천정)(6b)과, 가로 방향에 위치하는 한쌍의 측벽(6c 및 6d)과, 폭방향에 위치하는 한쌍의 측벽(6e 및 6f)을 구비하고 있다. 노 본체(6)의 저벽(노상)(6a)은 도시되지 않은 지지 구조부에 의해 지지되어 있다. 그리고, 노 본체(6)의 저벽(6a)과 상벽(6b)을 관통하도록 복수의 반응관(P)이 배치되어 있다. 이 실시형태에서는 각각 복수(도면에는 12개)의 반응관(P)으로 이루어진 2열의 반응관열(8A 및 8B)이 거리(L)을 두고 평행으로 배치되어 있다. 이 예에서는 1열의 반응관열에 포함되고, 인접한 2개의 반응관(P, P) 사이의 거리는 거의 같아지도록 복수의 반응관(P)이 배치되어 있다. 이 예에서는 노 본체(6)의 저벽(6a)에 6개의 버너 및 통기구 복합 구조체(1)가 배치되어 있다.
도 4는 버너 및 통기구 복합 구조체(1)의 구성 부분의 일부 단면도(도 2의 IV-IV선 단면도)와, 그 하방에 배치된 열교환형 연소용 공기 공급 장치(9)의 주요부분의 구성과의 관계를 나타낸 도면이다. 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치(9)는 연소실(7)내의 연소 배기 가스를 두개의 유로(F1, F2)와 통풍성을 가진 축열 수단(10 또는 11)을 통과시켜서 노외로 배출하고, 또한 축열 수단(10 또는 11)의 현열에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 복수의 반응관(P)의 관축 방향(반응관이 연장된 방향)을 따라 연소실(7)내에 공급한다. 통기구(2 및 3)에 연결된 급배기 통로(2A 및 3A)에는 구체적인 구조를 도시하지 않은 덕트 구조체내의 유로(F1 및 F2)가 접속되어 있다. 이들 유로(F1 및 F2)는 급배기 통로(2A 및 3A)를 통과하는 연소 배기 가스를 축열 수단(10 및 11)으로 안내하고, 또한 축열 수단(10 및 11)에서 가열된 연소용 공기를 급배기 통로(2A 및 3A)로 안내한다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 덕트 구조체는 두개의 유로(F1 및 F2)를 통과하는 연소 배기 가스 또는 연소용 공기의 열을 이용해서 후술하는 예연소 공기 유로(19)를 통과하는 공기를 가열할 수 있게 구성되어 있다. 덕트 구조체에 있어서, 두개의 유로(F1 및 F2)와 예연소 공기 유로(19) 사이는 열전달 가능하게 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면 연소 배기 가스나 연소용 공기의 열이 예연소 공기의 가열에도 이용되고, 가열된 예연소 공기가 연소실(7)내에 인입됨으로써 노효율을 상승시킬 수 있다.
도 4에 도시된 상태는 통기구(3)가 고온 공기 공급구로서 이용되고, 통기구(2)가 연소 배기 가스 배출구로서 이용되고 있을 때이며, 이때의 유체의 흐름을 화살표로 나타내고 있다. 축열 수단(10 및 11) 중 어느 하나를 연소용 공기의 가열용으로서 이용할지(또는, 연소 배기 가스의 열을 축열용으로서 이용할 것인지의 여부)는 덕트 구조의 도중에 설치된 스위칭 제어 밸브(12 및 13)의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어 장치(15)의 제어에 의해 결정된다. 스위칭 제어 밸브(12 및 13)는 축열 수단(10 및 11)을 압입 송풍기(16) 및 유인 송풍기(17) 중 어느 한쪽에 접속하기 위해서 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 통기구(3)가 고온 공기 공급구로서 이용되고, 통기구(2)가 연소 배기 가스 배출구로서 이용되고 있을 때에는 스위칭 제어 밸브(12)는 축열 수단(11)을 송풍기(16)에 접속하고, 스위칭 제어 밸브(13)는 축열 수단(10)을 유인 송풍기(17)에 접속한다. 또한, 통기구(2)가 고온 공기 공급구로서 이용되고, 통기구(3)가 연소 배기 가스 배출구로서 이용되고 있을 때에는 스위칭 제어 밸브(12)는 축열 수단(11)을 유인 송풍기(17)에 접속하고, 스위칭 제어 밸브(13)는 축열 수단(10)을 압입 송풍기(16)에 접속한다. 본 예에서는 연소용 공기는 축열 수단의 현열에 의해 800℃ 이상의 고온으로 가열되어 있다.
버너 구조체(4)는 고칼로리 연료 가스와 예연소 공기가 혼합된 예연소 고칼로리 연료 가스를 분출하는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)와, 저칼로리 연료 가스를 분사하는 4개의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)를 구비하고 있다. 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20) 및 4개의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)는 내화 재료에 의해 일체로 형성된 내화통(23)에 형성되어 있다. 이 내화통(23)은 중앙에 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20) 및 이 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)에 연결되는 예연소실(24)을 갖고 있다. 또한, 내화통(23)은 예연소실(24)의 저부(25)에 고칼로리 연료 가스 분출구(26)와 예연소 공기 분출구(18)를 구비하고 있다. 이 실시형태에서는 내화통(23)의 저부(25)를 예연소 공기가 흐르는 외관(27)과, 고칼로리 연료 가스가 흐르는 내관(28)이 동심적으로 배치되어서 구성된 2중관이 관통하고 있다. 또한, 도 4에는 도시되지 않았지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 외관(27)의 선단부와 내관(28)의 선단부 사이에는 예연소 공기 노즐(29)이 감합(嵌合)되어 있다. 예연소실(24)내에서는 예연소 공기와 고칼로리 연료 가스가 혼합되어 고칼로리 연료 가스의 일부가 연소하고 있는 고온의 예연소 고칼로리 연료 가스가 생성되어 있다. 이 예연소 고칼로리 연료 가스의 일부는 예연소 공기에 의해 일부 연소하고 있지만 대부분은 미연소인채로 후술하는 연소실(7)내의 혼합 개시 영역(CA)까지 도달한다. 또한, 외관(27)과 내관(28)은 내화 구조 부재(5)의 내부를 연장하고 있다. 또한, 연소 동작시에는 내관(28)에 도시되지 않은 고칼로리 연료 가스(천연 가스 등)원으로부터 스로틀 밸브(throttle valve) 등의 유량 제어 수단을 통해 연속해서 고칼로리 연소 가스가 공급된다.
또한, 내화통(23)에는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)를 둘러싸도록 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어서 배치된 4개의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)와, 예연소실(24)을 둘러싸도록 배치되고, 또한 4개의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)에 연결되는 4개의 저칼로리 연료 가스 통로(30)가 형성되어 있다. 4개의 저칼로리 연료 가스 통로(30)는 내화 구조 부재(5)의 내부에 배치된 4개의 저칼로리 연료 가스 연장 통로(31)와 연결되어 있다. 또한, 4개의 저칼로리 연료 가스 연장 통로(31)에는 플랜트로부터 나오는 각종의 저칼로리 연소 가스가 스로틀 밸브 등의 유량 제어 수단을 통해 연속해서 공급된다. 반응로가 수소 생성 플랜트이면 수소 정제시의 개질 가스로부터 제품 수소를 추출한 후의 오프 가스(수소를 포함하는 퍼지 가스)를 이 저칼로리 연료 가스로서 이용 가능하다. 이 예에서는 4개의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)는 둘레 방향으로 90°씩 간격을 두어서 형성되어 있지만 저칼로리 연료 가스 분출구(21)는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)를 둘러싸는 영역에 분산시켜 배치되어 있어도 좋다. 즉, 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)를 부등 간격으로 배치해도 좋은 것은 물론이다.
예연소 고칼로리 연료 가스와 통기구(2 또는 3)로부터 공급되는 연소용 공기는 버너 및 통기구 복합 구조체(1)의 상방에 형성된 혼합 개시 영역(CA)[도 1(B) 참조]에서 교차한다. 저칼로리 연료 가스 분출구(21)로부터 분출되는 저칼로리 연 료 가스는 혼합 개시 영역(CA)에 도달할 때까지의 사이에 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 예열되고, 또한 일부가 연소한다. 혼합 개시 영역(CA)에 도달한 예연소 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스는 혼합 개시 영역(CA)에서 연소용 공기와 혼합되어서 본격적으로 연소를 개시하도록 버너 구조체의 각 부의 치수와 각 가스의 분사 속도, 그리고, 연소용 공기의 분사 속도가 정해져 있다.
이어서, 도 2 및 도 4에 도시된 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20) 및 저칼로리 연료 가스 분출구(21)의 위치와, 두개의 통기구(2 및 3)의 위치 사이의 높이 치수(L2) 및 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)의 중심과 두개의 통기구(2 및 3)의 중심 사이의 거리(L1)의 바람직한 관계에 대해서 설명한다. 이들 거리(L1) 및 높이 치수(L2)에 대해서는 다음 2개의 조건을 충족시키는 길이로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 조건은 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20) 및 저칼로리 연료 가스 분출구(21)로부터 분출한 연료 가스가 고온 공기 연소장에 도달하기 전에 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 통기구(2 또는 3)로부터 배출되는 것을 억제할 수 있는 길이로 하는 것이다. 여기서, 고온 공기 연소장은 혼합 개시 영역(CA)보다도 위에 형성되어서 고온 공기로 연소가 행하여지는 연소장이다. 또한, 제 2 조건은 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20) 및 저칼로리 연료 가스 분출구(21)로부터 분출한 연료 가스가 연소 배기 가스 배출구에 연소 배기 가스가 흡인되는 것을 부분적으로 방지하는 길이로 설정하는 것이다. 전술한 거리(L1)를 이들 제 1 및 제 2 조건을 충족시키는 길이로 설정하면 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 통기구를 향하는 연소 배기 가스의 일부를 연료 가스와 함께 재도 고온 공기 연소장으로 리턴시켜서 재연소할 수 있기 때문에 연소 배기 가스중에 포함되는 미연소 가스(CO, 탄화수소 등)의 양을 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 80∼200m/sec의 속도로 하는 것으로 한다. 그리고, 두개의 통기구(2 및 3)의 각각의 중심선과 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)의 중심선 사이의 거리(L1)는 350∼500㎜로 한다. 또한, 내화통(23)의 높이 치수(L2)를 50∼600㎜로 한다. 또한, L1/L2가 1∼10의 값이 되도록 한다. 특히, L1/L2이 2∼5가 되도록 하면 연소실(7)의 내부인 정도의 양의 연소 배기 가스가 순환해서 재도 연소하는 재순환 현상이 발생하므로 연소 배기 가스중의 CO의 양을 작게 할 수 있는 효과가 높아진다. 또한, 두개의 통기구(2 및 3)의 중심간 거리(PCD=2L1)와, 각각의 통기구 직경(Da)의 비(PCD/Da)를 3∼6.5로 하는 것이 바람직하다. 이러한 수치 범위를 채용하면 고온 공기 연소장에 있어서, 안정적으로 예연소 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스를 연소시킬 수 있다.
이하, 상기 수치 범위의 근거에 대해서 설명한다. 도 5(A) 및 도 5(B)는 해석 모델에 의거하여 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 200m/sec로 하고, 거리(L1)를 500㎜로 해서 내화통(23)의 높이 치수(L2)를 0㎜(통 없음) 및 200㎜로 했을 경우에 있어서, 시뮬레이션에 의해 해석했을 때의 연소 상태를 모의적으로 나타낸 도면이다. 도 5(A) 및 도 5(B)를 대비한 바와 같이, 내화통(23)이 없을 경우(L2=0㎜)에는 연료 가스의 일부가 통기구에 인입되는 것을 안다. 또한, 하기의 표 1은 내화통(23)의 높이 치수와 배출되는 연소 배기 가스중의 CO 농도를 나타내고 있다.
높이(L2)[㎜] 0 50 100 200 400 600
CO 농도[ppm] 2441 1635 1151 4 0.05 320
표 1을 보면 내화통(23)의 높이 치수(L2)를 400㎜로 했을 경우에 CO 농도가 가장 저하하는 것을 안다. 실용상의 관점으로부터 보면 높이 치수(L2)는 50∼600㎜의 범위가 바람직하다. 내화통(23)의 바람직한 높이 치수는 CO 농도 저감의 목표값의 정하는 방법에 의해 달라진다. 내화통(23)의 높이 치수가 50㎜인 경우에도 0㎜인 경우와 비교해서 CO 농도는 30% 이상 저감하고 있다. 이 레벨이라도 실용상의 관점으로부터는 충분하다. 또한, 표 1에는 높이 치수(L2)가 600㎜보다 긴 경우에 대해서 기재하지 않고 있지만, 높이 치수(L2)를 이것 이상 길게 하면 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 통기구를 향하는 연소 배기 가스의 일부를 연료 가스와 함께 재도 고온 공기 연소장으로 리턴시켜서 재연소시키는 효과가 저하하기 때문에 높이 치수(L2)의 상한은 600㎜로 하고 있다.
도 6(A) 내지 도 6(C)는 도 5와 마찬가지 조건에 있어서의 연소실(7)내의 가스의 흐름을 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타낸 모식도이다. 이 도면으로부터 아는 바와 같이, 내화통(23)의 높이 치수를 200㎜와 400㎜로 했을 경우에는 연소 배기 가스 배출구에 흡입되려고 하는 연소 배기 가스가 연료 가스의 흐름에 따라 되돌아오는 현상(재순환 현상)이 명확히 발생하고 있다. 이에 대하여, 내화통(23)의 높이 치수를 600㎜로 하면 이 재순환 현상이 발생하기 어려워져서 연소 배기 가스의 대부분이 배출되는 바와 같은 상태가 개시된다. 또한, 내화통(23)이 없는 경우에는 연료 가스의 일부가 연소 배기 가스 배출구로 직접 배출되기 때문에 CO 농도는 대폭 증가한다.
두개의 통기구(2 및 3)의 각각의 중심과 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)의 중심 사이의 거리(L1)는 지나치게 짧아도, 또한 지나치게 길어도 내화통(23)의 효과(재순환 현상의 발생)가 거의 없어진다. 이 거리(L1)의 적당한 수치 범위는 350∼500㎜이다. 이 수치 범위는 두개의 통기구(2 및 3)의 중심간 거리(PCD=2L1)와, 각각의 통기구 직경(Da)의 비(PCD/Da)를 3∼6.5로 하는 것이 바람직한 것이 시험에 의해 확인된 것, 및 L1/L2을 1로부터 10의 값으로 하는 것이 바람직한 것이 시험에 의해 확인된 것에 의거해서 정해졌다.
도 7에 도시된 곡선(C1 내지 C3)은 각각 전술한 내화통(23)의 높이 치수를 전술한 수치 범위내의 200㎜로 해서 두개의 통기구(2 및 3)의 중심간 거리(PCD=2L1)를 700㎜, 870㎜ 및 1000㎜로 해서 각각의 거리(PCD)를 고정했을 때에 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출의 속도, 즉 유속[통기구 공기 유속]을 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 유속의 관계를 구한 결과를 나타내고 있다. 곡선(C1)이 나타내는 대응 관계는 거리(PCD)를 700㎜로 했을 때에 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 유속의 관계를 나타내는 하한 대응 관계이다. 이 하한 대응 관계보다 하의 영역(R1)에 포함되는 대응 관계에서는 연료 가스와 공기가 접근한 위치에 있어서 급속히 혼합되기 때문에 촉진 연소가 되어 연소 배기 가스중의 NOx가 증가하게 된다. 곡선(C3)이 나타내는 대응 관계는 거리(PCD)를 1000㎜로 했을 때에 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)와 유속의 관계를 나타내는 상한 대응 관계이다. 또한, 도 7에 있어서, 상하 방향으로 연장된 직선(SL1)이 나타내는 범위는 연소 배기 가스의 배출 속도(통기구 공기 유속)를 80m/sec 일정으로 했을 때에 거리(PCD)를 700∼1000㎜의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)의 적정 범위이다. 이 직선(SL1)보다도 좌측의 영역 및 곡선(C3)보다도 위의 영역(R2)에 포함되는 대응 관계에서는 연료 가스와 공기의 혼합 불량이 발생하여 연소가 불안정하게 된다. 도 7에 있어서, 상하 방향으로 연장된 직선(SL2)이 나타내는 범위는 연소 배기 가스의 배출 속도(통기구 공기 유속)를 200m/sec 일정으로 했을 때에 거리(PCD)를 700∼1000㎜의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 비(PCD/Da)의 적정 범위이다. 이 직선(SL2)보다도 우측의 영역(R4)에 포함되는 대응 관계에서는 공기 유속이 빠르기 때문에 화염의 블로잉(blowing)이 발생하여 연소가 불안정하게 된다. 곡선(C2)는 비(PCD/Da)와 유속의 대응 관계가 하한 대응 관계와 상한 대응 관계 사이의 대응 관계로 되어 있다. 이 영역(R1)과 영역(R2)과 영역(R4) 사이의 영역(R3)에 들어가는 대응 관계가 되도록 비(PCD/Da)와 유속의 대응 관계를 정하면 전술한 제 1 및 제 2 조건이 충족되어서 양호한 연소를 얻을 수 있다. 내화통(23)의 높이 치수를 변경한 경우도, 도 7과 마찬가지 경향이 얻어진다.
또한, 저칼로리 연료 가스의 유효 이용이라고 하는 관점으로부터 보면 재순환 현상의 발생은 반드시 중요하지 않다. 즉, 저칼로리 연료 가스의 유효 이용이라고 하는 관점으로부터 보면 저칼로리 연료 가스를 확실하게 가열하여 고온 공기 연소장에서 연소시킬 수 있으면 좋다. 고칼로리 연료 가스는 예연소 공기와 미리 혼합해서 일부 연소하기 때문에 고온 공기 연소장 중의 혼합 개시 영역(CA)에 도달하는 고칼로리 연료 가스의 온도는 소정의 온도까지 상승하고 있다. 그러나, 저칼로리 연료 가스는 고칼로리 연료 가스에 비해 볼륨이 크기 때문에 고칼로리 연료 가스와 마찬가지로 예연소 공기와 혼합해 일부 연소해서 온도를 상승시키는 것은 어렵다. 따라서, 본 실시형태와 같이, 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)의 주위에 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)를 분산시켜 배치함으로써 예연소 고칼로리 연료 가스의 흐름에 따라 저칼로리 연료 가스를 고온 공기 연소장의 혼합 개시 영역(CA)에 공급할 수 있게 하면 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 저칼로리 연료 가스는 가열된 상태로 된다. 그 결과, 예연소 공기에 의해 일부 연소한 고온의 고칼로리 연료 가스와 저칼로리 연료 가스가 고온 공기 연소장의 혼합 개시 영역(CA)에서 연소용 공기와 접하여 효율적으로 연소하게 된다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 고온 공기 연소 기술을 이용하는 경우에 있어서도 고온 공기 연소에 영향을 주지 않고, 저칼로리 연료 가스를 유효 이용할 수 있다.
특히, 본 실시형태와 같이, 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구(21)를 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구(20)를 중심으로 하고, 가상원상에 둘레 방향으로 등간격으로 배치하면 저칼로리 연료 가스가 예연소 고칼로리 연료 가스의 주위를 발란스 좋게 흐르게 되고, 복수의 저칼로리 연료 가스의 흐름이 예연소 고칼로리 연료 가스의 흐름을 크게 혼란시키지 않는다. 따라서, 안정된 고온 공기 연소를 얻을 수 있다.
도 1의 본 실시형태의 반응로에 있어서, 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치(9)에 있어서의 연소용 공기의 공급 및 연소 배기 가스의 배출을 80∼200m/sec의 속도로 행하는 경우에 있어서 다음과 같이 연소용 공기와 예연소 공기의 공기비를 정함으로써 연소 배기 가스중의 CO의 배출량을 적게 하고, 또한 연료 가스의 사용 효율을 높일 수 있다. 또한, 사용한 연료 가스 연소 장치의 구체적인 조건은 전술한 구체적인 시뮬레이션을 행한 조건과 마찬가지로 했다.
사용하는 공기비에 대해서는 복수의 연료 가스 연소 장치에 있어서의 고온 공기 공급구(2 또는 3)로부터 공급되는 연소용 공기의 공기량(Q1)과 복수의 연료 가스 연소 장치의 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량(Q1+Q2)을 연소에 필요한 이론 공기량(Qs)의 1.02∼1.10배로 해서 Q2/(Q1+Q2) 이 0.011∼0.047의 범위의 값이 되도록 하는 것이 바람직하다. 전술한 구조의 연료 가스 연소 장치를 이용하는 경우에 공기량에 관해서 이러한 조건 설정을 하면 안정된 연소를 행하고, CO의 배출량을 적게 하고, 또한 연료 가스의 사용 효율을 높일 수 있는 것이 시뮬레이션과 시험에 의해 확인되어 있다.
도 8은 예연소 공기량비[=Q2/(Q1+Q2)]를 0, 0.0038, 0.0075, 0.011, 0.015, 0.023, 0.035, 0.047로 했을 경우에 공기비[λ=(Q1+Q2)/Qs]를 변경하고, 연소 상태를 확인한 결과를 나타내는 표이다. 이 표로부터 안정 연소(도 8의 ○표시 참조)를 얻기 위해서는 연소용 공기의 공기량(Q1)과 복수의 연료 가스 연소 장치의 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량(Q1+Q2)을 연소에 필요한 이론 공기량(Qs)의 1.02∼1.10배로 해서 예연소 공기량비[=Q2/(Q1+Q2)]가 0.011∼0.047의 범위의 값이 되도록 하는 것이 바람직한 것을 안다. 도 8로부터 아는 바와 같이, 이들 수치 범위를 벗어나면 불완전 연소 또는 불안정 연소의 경향이 나타나고(도 8 중의 △표시 참조), 불완전 연소 또는 불안정 연소 상태가 된다(도 8의 ×표시 참조). 불완전 연소 또는 불안정 연소의 경향이 나타났을 경우에는 연소 배기 가스중의 CO 농도는 증가하고, 불완전 연소 또는 불안정 연소 상태가 되었을 경우에는 더욱 연소 배기 가스중의 CO 농도는 증가한다.
또한, 상기 연소 조건의 범위이면 목표 효율 60% 이상의 복사부 열효율(η)이 얻어지는 것이 확인되어 있다. 또한, 복사부 열효율(η)은 η=Qd÷Qf×100=(Qf-Qw-Ql)÷Qf×100의 계산식에 의해 계산된다. Qf는 연소량, Qd는 복사부에서의 흡수 열량, Qw는 노벽으로부터의 방열량, Ql은 배기 가스가 계외로 가지고 달아나는 열량이다.
또한, 상기의 연소 조건은 반응로의 연소실이 커지고, 연소실의 크기에 따라서 고온 공기 연소를 얻기 위해서 필요한 연료 가스 연소 장치의 수를 늘렸을 경우에도 적용할 수 있는 조건이다.
본 발명에 의하면, 복수의 연료 가스 연소 장치의 고온 공기 공급구로부터 공급되는 공기량(Q1)과 복수의 연료 가스 연소 장치의 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량(Q1+Q2)을 연소에 필요한 이론 공기량(Qs) 의 1.02∼1.10배로 하고, 구리고 Q2/(Q1+Q2)이 0.011∼0.047의 범위의 값이 되도록 했으므로 안정된 연소를 행하고, CO의 배출량을 적게 하고, 또한 연료 가스의 사용 효율을 높일 수 있는 이점이 얻어진다.
또한, 본 발명의 연료 가스 연소 장치에 의하면, 고칼로리 연료 가스와 예연소 공기가 혼합되어서 고칼로리 연료 가스의 일부가 연소하고 있는 고온의 예연소 고칼로리 연료 가스에 의해 저칼로리 연료 가스가 예열된 상태에서 고온 공기 연소장 중의 혼합 개시 영역에 도달하고, 혼합 개시 영역에 있어서 예연소 고칼로리 연료 가스와 예열된 저칼로리 연료 가스가 연소용 공기와 교차하고, 양 연료 가스가 본격적으로 함께 연소를 개시할 수 있으므로 연료 가스를 효율적으로 연소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 고온 공기 연소 기술을 이용하는 경우에 있어서도 고온 공기 연소에 영향을 주지 않고, 저칼로리 연료 가스를 유효 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 특정한 버너 구조체를 이용함으로써 연소 배기 가스중의 CO 농도를 대폭 저감할 수 있다.

Claims (14)

  1. 연료 가스를 연소실내에 연속해서 분사하는 버너 구조체와,
    두개의 통기구를 갖고, 한쪽의 상기 통기구를 연소 배기 가스 배출구로서 이용하여 상기 연소실내의 연소 배기 가스를 상기 한쪽의 통기구로부터 통풍성을 가진 축열 수단을 통해서 상기 연소실외로 배출하고, 또한 다른쪽의 상기 통기구를 고온 공기 공급구로서 이용하여 상기 다른쪽의 통기구를 통해서 상기 축열 수단의 현열에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 상기 연소실내에 공급하고, 상기 두개의 통기구가 교대로 상기 연소 배기 가스 배출구 또는 상기 고온 공기 공급구가 되도록 스위칭 동작이 행하여지는 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 구비하고,
    상기 버너 구조체는 고칼로리 연료 가스와 예연소 공기가 혼합되어서 상기 고칼로리 연료 가스의 일부가 연소하고 있는 고온의 예연소 고칼로리 연료 가스를 연속해서 분출하는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구와, 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸는 영역에 분산시켜 배치되어서 저칼로리 연료 가스를 연속해서 분사하는 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 구비하고 있고,
    상기 예연소 고칼로리 연료 가스와 상기 연소용 공기가 혼합을 개시하는 혼합 개시 영역에 상기 저칼로리 연료 가스가 도달할 때까지의 사이에 상기 저칼로리 연료 가스가 상기 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 예열되고, 상기 혼합 개시 영역으로 있어서 상기 예연소 고칼로리 연료 가스와 상기 저칼로리 연료 가스가 본격적으로 함께 연소하도록 상기 버너 구조체가 구성되어 있는 연료 가스 연소 장치가 소정의 간격을 두어서 복수 배치되어 있는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로로서:
    상기 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치에서는 상기 연소용 공기의 공급 및 상기 연소 배기 가스의 배출이 80∼200m/sec의 속도로 되고,
    상기 복수의 연료 가스 연소 장치의 상기 고온 공기 공급구로부터 공급되는 공기량(Q1)과 상기 복수의 연료 가스 연소 장치의 상기 고칼로리 연료 가스에 혼합되는 상기 예연소 공기의 공기량(Q2)의 합계량(Q1+Q2)이 연소에 필요한 이론 공기량(Qs)의 1.02∼1.10배이며, 그리고 Q2/(Q1+Q2)이 0.011∼0.047의 범위의 값이 되는 것을 특징으로 하는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 가스 연소 장치는 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구의 위치와, 상기 두개의 통기구의 위치 사이의 높이 치수(L2) 및 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 중심선과 상기 두개의 통기구 각각의 중심선 사이의 거리(L1)는 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스의 일부가 상기 혼합 개시 영역에 도달하기 전에 상기 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 상기 통기구로부터 배출되는 것을 억제하고, 또한 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스에 의해 상기 연소 배기 가스가 상기 연소 배기 가스 배출구에 흡인되는 것을 부분적으로 방지하는 길이로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 가스 연소 장치의 상기 버너 구조체는 중앙에 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 이 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 예연소실을 갖고, 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸도록 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어서 배치된 상기 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 예연소실을 둘러싸도록 배치되고, 또한 상기 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 저칼로리 연료 가스 통로를 구비한 내화통을 구비하고 있고,
    상기 내화통은 상기 예연소실의 저부에 고칼로리 연료 가스 분출구와 예연소 공기 분출구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 고온 공기 연소 기술을 사용한 반응로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 높이 치수(L2)가 50∼600㎜인 것을 특징으로 하는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두개의 통기구 및 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구는 중앙에 상 기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구가 위치하도록 일렬로 늘어서 있고,
    상기 연소용 공기의 공급 및 상기 연소 배기 가스의 배출이 80∼200m/sec의 속도로 되고,
    상기 두개의 통기구 각각의 중심선과 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 중심선 사이의 상기 거리(L1)가 350∼500㎜이며,
    상기 두개의 통기구의 중심간의 거리(PCD)[상기 거리(L1)의 2배의 거리]와, 각각의 통기구 직경(Da)의 비(PCD/Da)가 3∼6.5가 되도록 상기 거리(PCD) 및 직경(Da)이 설정되고,
    상기 거리(PCD)를 700㎜로 했을 때에 상기 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 관계를 나타내는 하한 대응 관계로 정하고, 상기 거리(PCD)를 1000㎜로 했을 때에 상기 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 관계를 상한 대응 관계로 정했을 때에 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 대응 관계가 상기 하한 대응 관계와 상기 상한 대응 관계 사이의 대응 관계가 되도록 상기 거리(PCD) 및 직경(Da)이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 고온 공기 연소 기술을 이용한 반응로.
  6. 연료 가스를 연소실내에 연속해서 분사하는 버너 구조체와,
    두개의 통기구를 갖고, 한쪽의 상기 통기구를 연소 배기 가스 배출구로서 이용하여 상기 연소실내의 연소 배기 가스를 상기 한쪽의 통기구로부터 통풍성을 가 진 축열 수단을 통해서 상기 연소실외로 배출하고, 또한 다른쪽의 상기 통기구를 고온 공기 공급구로서 이용하여 상기 다른쪽의 통기구를 통해서 상기 축열 수단의 현열에 의해 고온으로 가열한 연소용 공기를 상기 연소실내에 공급하고, 상기 두개의 통기구가 교대로 상기 연소 배기 가스 배출구 또는 상기 고온 공기 공급구가 되도록 스위칭 동작이 행하여지는 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치를 구비하고,
    상기 버너 구조체는 고칼로리 연료 가스와 예연소 공기가 혼합되어서 상기 고칼로리 연료 가스의 일부가 연소하고 있는 고온의 예연소 고칼로리 연료 가스를 연속해서 분출하는 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구와, 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸는 영역에 분산시켜 배치되어서 저칼로리 연료 가스를 연속해서 분사하는 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구를 구비하고 있고,
    상기 예연소 고칼로리 연료 가스와 상기 연소용 공기가 혼합을 개시하는 혼합 개시 영역에 상기 저칼로리 연료 가스가 도달할 때까지의 사이에 상기 저칼로리 연료 가스가 상기 예연소 고칼로리 연료 가스의 열에 의해 예열되고, 상기 혼합 개시 영역에 있어서 상기 예연소 고칼로리 연료 가스와 상기 저칼로리 연료 가스가 본격적으로 함께 연소를 개시할 수 있게 상기 버너 구조체가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구가 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 중심으로 가상원상에 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구는 상기 두개의 통기구보다도 상기 연소실내에 돌출해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구의 위치와, 상기 두개의 통기구의 위치 사이의 높이 치수(L2) 및 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구의 중심선과 상기 두개의 통기구 각각의 중심선 사이의 거리(L1)는 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스의 일부가 상기 혼합 개시 영역에 도달하기 전에 상기 연소 배기 가스 배출구로서 이용되는 상기 통기구로부터 배출되는 것을 억제하고, 또한 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 저칼로리 연료 가스 분출구로부터 분출한 연료 가스에 의해 상기 연소 배기 가스 배출구에 상기 연소 배기 가스가 흡인되는 것을 부분적으로 방지하는 길이로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 버너 구조체는 중앙에 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구 및 이 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 예연소실을 갖고, 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구를 둘러싸도록 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어서 배치된 상기 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구 및 상기 예연소실을 둘러싸도록 배치되고, 또한 상기 복수의 저칼로리 연료 가스 분출구에 연결되는 저칼로리 연료 가스 통로를 구비한 내화통을 구비하고 있고,
    상기 내화통의 상기 예연소실의 저부에 고칼로리 연료 가스 분출구와 예연소 공기 분출구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 높이 치수(L2)가 50∼600㎜인 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 두개의 통기구 및 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구는 중앙에 상기 예연소 고칼로리 연료 가스 분출구가 위치하도록 일렬로 늘어서 있고,
    상기 연소용 공기의 공급 및 상기 연소 배기 가스의 배출이 80∼200m/sec의 속도로 되고,
    상기 거리(L1)가 350∼500㎜이며,
    상기 두개의 통기구의 중심간의 거리(PCD)[상기 거리(L1)의 2배의 거리]와, 각각의 통기구 직경(Da)의 비(PCD/Da)가 3∼6.5가 되도록 상기 거리(PCD) 및 직경(Da)이 설정되고,
    상기 거리(PCD)를 700㎜로 했을 때에 상기 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 관계를 나타내는 하한 대응 관계로 하고, 상기 거리(PCD)를 1000㎜로 했을 때에 상기 속도를 80∼200m/sec의 범위에서 변화시켰을 때에 설정 가능한 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 관계를 상한 대응 관계로 정했을 때에 상기 비(PCD/DA)와 상기 속도의 대응 관계가 상기 하한 대응 관계와 상기 상한 대응 관계 사이의 대응 관계가 되도록 상기 거리(PCD) 및 직경(Da)이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 예연소 공기는 상기 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치로부터 배출되는 상기 연소 배기 가스의 열을 이용해서 가열되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교번식 열교환형의 연소용 공기 공급 장치는 상기 두개의 통기구와 두개의 상기 축열 수단 사이에 형성된 두개의 유로 사이에 이 두개의 유로 사이에서 열전달 가능하게 형성된 상기 예연소 공기가 통과하는 예연소 공기 유로를 구비하 고 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 연소 장치.
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