KR20110030236A - 수성가스화 노즐 및 내압 연소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경유, 중유, 벙크유, 폐유 등 액체연료를 사용하는 연소버너에 관한 것으로써 연료에 수증기를 혼합하여 수성가스화 연소를 통한 열효율을 대폭적으로 상승시키고자 함의 목적지다. 지금까지 연료에 물을 혼합하여 에멀젼화 연소 또는 수증기를 주입하여 연소시키는 기존의 방식들이 있으나 지금까지는 수증기와 연료 간의 수성가스화 반응 조건, 수증기의 열적조건, 연료의 열적조건 등이 맞지 않음으로 인해 수증기를 혼합 연소시키는 목적을 달성하기 어려웠고 다만 유해 배기가스 감소 측면에서만 다소의 효과가 따를 뿐이었다.

그렇지만 본 발명자의 연구 결과 수증기를 혼합 연소시키는 방식에 있어서 연료와 수증기간의 열적 평형 조건이 완전하게 맞추어질 경우 수성가스화 반응 및 미수성가스화 수증기에 의한 팽창 확산 효과에 의해 버너의 연소효율을 대폭적으로 상승시킬 수 있음을 알았다. 본 발명은 그동안 열적 평형 조건을 맞출 수 없었던 까닭에 버너의 효율을 대폭적으로 상승시킬 수 없었던 원인을 찾아내어 이를 해소하여 버너의 효율이 크게 대폭적으로 상승되도록 한 연소버너 및 노즐이다.

연료가 수증기와 혼합하여 수성가스화 반응이 발생할 경우 연소가스 부피의 대폭적 증가 (물의 연료화 효과), 중량당 발열량 증가, 등의 효과가 따르므로 보일러의 효율을 대폭적으로 증가시킬 수 있는 결과가 따른다.

본 발명은 그러한 원리에 따른 현상이 일어나도록 버너와 노즐의 구조를 일반적 개념과는 다르게 구성하여 효과의 극대화를 이루도록 연구된 버너와 노즐이 다.

연소, 버너, 스팀, 수성가스, 내압연소, 연소효율, 수성가스, 보일러, 수증기.

Description

수성가스화 노즐 및 내압 연소 버너{Water Gasification Nozzle And Burner Of Internal Pressure Combustion}

액체 연료의 연소 및 수성가스화 연소

보일러, 열풍기 등의 액체 연료 연소에 필요한 열 기기에는 버너가 필요하고 버너에는 연료를 분사시키기 위한 노즐이 필수적 필요 기기이며 연료를 연소시키기 위한 공기의 공급 장치가 필수적이다. 지금까지 액체 연료를 효율적으로 연소시키기 위해 연료의 무화 방법, 수증기 또는 물의 공급, 연료 자체의 물과 혼합에 따른 에멀젼화 연소, 연소공기의 공급 방식 변경 등 다양한 형태로 연구되어 왔다.

본 발명의 배경 기술은 연료중의 탄소분자와 수증기 중의 물분자가 혼합되어 수성가스화 반응이 발생하는 것과 이의 완전한 조건을 맞추기 위한 연료의 유증기화 및 미수성가스화 수증기의 확산에 따른 공기접촉 효과 상승, 수성가스화 됨에 따른 물의 연료화 효과 등이 동원되고 열역학 제2법칙의 잘못된 점이 이용된다.

(열역학 제2법칙은 문제가 많으며 잘못되었다. 그 단적인 하나의 예로써 생명체의 경우 저온열원이 없어도 열효율 100 ％가 아니며 생존하고 있다.)

액체연료를 무화하여 연소시키거나 연소중에 적정량의 스팀을 공급하여 연소효율이 개선된다는 기술이 알려져 있는바, 연료를 효과적으로 무화하고, 연료를 스팀과 함께 무화시켜 수성가스화의 촉진 또는 스팀과 연료를 혼합하여 연소실에 공급하는 방법이 이미 오래 전부터 연구되어 왔었다.

하지만 지금까지 보일러의 효율을 대폭적으로 상승시킬 수 있는 열역학적 이유와 원리에 대해 그 원인을 해결할 수 없었으므로 경우에 따라 효율이 증가되는 현상이 나타났을 뿐 그것을 재현하거나 이론적으로 정립할 수 없었다. 그러므로 그러한 원리를 이용한 버너와 노즐을 발명할 수 없었다.

본 발명은 액체 연료의 수성가스화 연소를 이루기 위한 열적 완전한 조건이 이루어지도록 구조적으로 과제를 해결하여 보일러의 효율을 대폭적으로 증가시킨다. 따라서 본 발명에서는 지금까지 열적 완전한 조건을 맞추기 위한 과제를 원리적 문제로부터 접근하여 해결시킴으로써 지금까지와는 달리 새로운 형태의 버너와 노즐이 창안되어진다.

액체 연료에 수증기를 혼합하여 연소시켜 수성가스화 및 무화의 촉진, 확산의 효과 등을 기하는 방식의 연소에 있어서 그러한 현상을 완전하게 이루어지게 하기 위해서는 먼저 연소 가스의 부피가 증가되고 열효율이 증가됨의 현상에 대한 지금까지의 발견하지 못했던 원인을 알아야 할 필요가 있다.

수증기와 연료를 혼합 연소하는 방식에 있어서 그 조건이 지금까지 맞춰지지 않았던 이유는 수증기와 연료간의 까다로운 열적 평형을 맞추기 어려웠던 이유가 가장 크다. 따라서 본 발명의 구조를 나열하기 이전에 그러한 형식의 버너와 노즐이 되어야 하는 이유의 상기가 필요하므로 지금까지 연료와 수증기간의 열적 평형 조건이 맞춰지기 까다로웠던 이유를 제시한다면 다음과 같다.

1) 연료와 수증기의 혼합 최적 조건은 연소 온도가 높으면서 적당한 스팀량이어야 한다.

2) 연료와 수증기가 혼합하여 수성가스화가 되기 위한 조건은 연료와 수증기의 혼합 온도가 약 400 ℃ 이상이 되어야 한다.

3) 물 또는 스팀 혼소를 기름과 적정한 비율＜약 1: 0.5＞로 하면 초기 연소 시작 온도가 내려갈 수 밖에 없다.

4) 수증기와 연료를 혼합 분사할 경우 수증기 량이 많으면 연소온도 감소가 발생하며 수증기 량이 적으면 확산효과가 적고 수성가스화 되는 비율이 적다.

5) 연료의 수성가스화는 고온에서 이루어지므로 연소전에는 일어날 수가 없는 조건이 되며 연소후에는 탄소량이 적어져 수성가스화 되는 비율이 적어진다.

6) 수증기를 과열증기화 시킬 경우 부피의 대폭적 증가가 따르므로 동일한 관의 공급에서 온도가 높아져도 부피증가로 인한 전체적 스팀의 비율이 적어진다. 따라서 수증기의 온도만을 높여도 문제가 따른다.

7) 물을 수증기화 시키지 않고 연료와 혼합 에멀젼 연소화를 기할 경우 물의 증발 잠열 손실에 의한 연소온도 감소가 필수적으로 일어나므로 수성가스화 비율이 떨어지고 오히려 열효율이 감소한다.

8) 수증기와 연료가 혼합 분사될 경우 수증기는 대기압 까지 단열 팽창되므로 대기압 포화증기 상태인 100 ℃ 까지 무조건 온도가 감소한다. 그러므로 연료와 혼합시 혼도가 더 감소되므로 수성가스화 반응 조건이 일어날 수가 없다.

9) 수증기의 조건 상태적으로 온도와 압력을 동시에 높게 하여야 하지만 이럴 경우 일반적 버너의 형태에서는 구조적으로 문제가 따른다.

10) 연료의 유증기화 연소를 시켜 온도와 압력을 높이는 것이 가장 합리적 대안이지만 이럴 결우 스케일의 발생에 따른 관 또는 노즐의 막힘문제를 해결하기 곤란하다.

11) 연료가 수성가스화 될 경우 부피가 현저히 증가하고 약 4:1 의 공기비 증가가 필요하다. 그러므로 기존의 버너로써 열소시는 공기량 부족으로 인한 많은 매연이 발생한다.

12) 연료와 수증기가 혼합하여 완전한 수성가스화가 될 경우 물과 연료의 적정 혼합 비율은 1:1.8 (탄소분자 16의 중유인 경우)이며 그러한 조건이 완전하게 일어나기 위해서는 촉매의 필요, 반응 조건의 필요 등이 따르는 까닭에 이를 맞추기가 매우 어렵다.

13) 만약 연료가 완전한 수성가스화가 되었을 경우, 수성가스가 수소가스화 촉매 반응으로 변화되어 추가적으로 발열량이 증가되는 효과를 고려치 않는다면 수성가스화 되는 그 자체 만으로 약 10200 Kcal/KG에서 12600 Kcal/KG 으로 되고 발열량 증대효과가 있다.

자세한 이유와 계산 제시는 생략하며 이는 물이 연료화 되는 효과가 나타남에 의해서이다.

14) 연료와 수증기가 혼합되어 완전한 수성가스화가 이루어지고 수성가스 중의 CO 성분이 촉매를 통한 반응으로 인하여 H2 가스화가 되었을 경우 연료의 발열량은 대폭적으로 증가되며 보일러 효율이 지금까지는 생각할 수 없었던 기대치로 매우 높게 나타나게 된다.

본 발명은 상기의 까다로운 조건들이 해결될 수 있도록 버너와 노즐을 구조적으로 가능한 해결코자 하는 창안이며 증기와 연료의 특성이 이용되어 수성가스화 비율을 높이고 미수성가스화 수증기에 의한 확산효과가 완전하게 일어나도록 하여 보일러의 효율을 대폭적으로 상승시키고자 하는 버너와 노즐이다. 상기의 문제들을 열역학적으로 해결하기 위해서는 연료와 수증기간에 다음의 조건들이 필요하다.

1) 연료와 수증기 간에 서로 임계 압력에 가까운 상태에서 혼합되어야 만 온도가 높은 상태에서 완전한 믹싱 효과가 일어나고 수성가스화가 촉진된다.

2) 수증기와 연료를 혼합 분사하는 상태에서는 과열증기 상태를 요구하지 않는다.

3) 연료의 온도가 수증기의 포화온도 보다 높아야 한다.

4) 유증기화 연소일 경우 노즐의 끝에서 발생하도록 되어야 한다.

5) 연소 버너의 내압이 높아야 한다. 따라서 내압 연소가 이루어지도록 해야 한다.

6) 연소공기의 대폭적 증가가 요구되므로 공기 공급팬의 회전수를 매우 올리 고, 또는 콤프레샤에 의한 압축공기를 사용하고 연소 버너의 내압을 이기도록 하여야 한다.

7) 고속의 공기에 의한 소화가 일어나지 않도록 분사 노즐의 역방향에서 공기를 주입할 필요가 있다.

8) 압력 연소로부터 가스 부피 확산이 최대한 이용되도록 버너에서 배출과 동시에 감압되어 부피 확산이 이루어지도록 해야 한다.

9) 연소의 후단부에 추가적으로 연소 공기를 공급하여야 한다.

본 버너와 노즐을 사용하여 보일러에서 연료의 연소 시는 연료중의 탄소와 수증기가 반응하여 수성가스화 되는 비율이 높아져 발열량의 대폭적 증가가 따르므로 연료가 가진 발열량보다 높게 나타나며, 또한 본 발명에서 수성가스화를 기하지 않은 수증기 혼합 방식의 유증기화 연소 방식에 있어서도 일부 수성가스화 및 수증기의 확산효과가 일어나므로 연료비가 훨씬 줄어들며 그것은 물이 연료화되는 효과가 있고 연료 자체가 가진 발열량 보다 훨씬 높게 나타난다.

또한 불완전 연소물질인 그을음이 발생하지 않고, 공해문제가 발생하지 않으며, 연통이 막히는 등의 고장이 발생하지 않으며 아황산가스, 질소산화물 등의 발생 비율이 훨씬 줄어든다.

도1은 노즐과 버너가 전체적으로 보일러에 장착되어 구성된 형태를 나타내기 위한 예시도이며 본 발명에서의 버너와 노즐의 구성 형태는 각각 다음과 같이 이루 어진다.

가. 외부 수성가스 생성 노즐(도6)

외부 수성가스 생성 노즐(26)은 도 6에 도시한 바와 같이 구성된다. 고온 고압의 연료와 수증기가 각각 오일 1차 가열기(25)와 오일 2차 가열기(2)를 거쳐 고온으로 가열된 후, 이때 유증기가 되지 않도록 오일의 포화 압력 이상으로 가열시키고, 보일러수로부터 나온 물이 버너 공급 물 2차 가열기(23)에서 가열되어 고온 고압의 수증기가 되고, 고온 고압의 오일과 혼합된 후, 외부 수성가스 생성 노즐(6)의 주입구로 유입된다.

수성가스 생성 노즐의 내부(6)는 수성가스화 니켈 촉매(26-1)가 유동 매체와 접촉 면적이 넓도록 다공질 형태로 내포되며, 거의 임계 압력과 온도에 가까운 열적 상태가 되어 연료와 수증기가 혼합되어 일부 수성화가 진행된 후 외부 수성가스 생성 노즐(6)로 유입되고 나머지는 노즐 내에서 변환되며, 변환된 수성가스중의 CO 는 촉매(26-1)와 반응하여 수소가스화가 이루어진다.

이때 분사압력 조절 스피링(26-6)에 의해 힘을 받고 있는 분사 압력 조절 몸체(26-5)로부터 분사 압력이 유입 오일과 수증기가 유증기화 형성되지 않는 포화압력 이상에 설정되어 분사되며 수소 가스화 진행된 후 수성가스화 노즐(3)로 유입되도록 된다. 또한 외부 수성가스 생성 노즐(6)에서의 분사압력 설정이 가능하도록 분사 압력 조절 스프링(26-6)의 세기를 조절하기 위한 분사 압력 조절 볼트(26-7)가 구성되며 유입 매체의 압력에 의해 테이프 형태의 분사 압력 조절 몸체(26-5)가 움직임으로 인해 스팀 오일 혼합 분사관(26-3) 내로 적정한 압력이 설정되어 분사 가 이루어지도록 구성된다.

나. 수성가스화 노즐(도5)

수성가스화 노즐(3)은 도1, 도2, 도4 에서와 같이 버너 케이스(1) 중앙부에 장착되어 수성가스 외부 생성 노즐(26)로부터 유입되는 가스 또는 보일러로부터 유입되는 스팀을 노즐 주입구에 공급 받으며, 노즐의 한쪽 측면에서는 오일을 공급받게 되어 오일 유증기화 분사 또는 수성가스화 분사가 이루어지도록 구성되어진다.

수성가스화 노즐(3)은 분사구(3-1)의 내측에 또하나의 분사구인 오일 유증기 노즐(3-2)이 내장되어 2단 콘트롤이 가능하도록 구성되며, 외측의 분사구(3-1)는 수성가스 또는 수증기 분사가 이루어지고 내측의 분사구인 유증기 노즐(3-2)에서는 포화 압력 이상으로 가압된 고온의 오일 만이 분사되며, 오일이 분사후 감압되어 유증기화가 이루어지도록 형성된다. 만약 스팀의 유입처에 수성가스 외부 생성노즐(26)로부터 수성가스가 유입될 시에는 내측의 분사구인 유증기 노즐(3-2)은 사용되어지지 않고 오일 압력 조절 스프링(3-9)의 세기를 오일 압력 조절 볼트(3-10)를 이용하여 강하게 조정하고 개방되어지지 않도록 이루어진다.

수성가스화 노즐(3)은 외부 조절부와 내부 조절부가 각각 독립적으로 작동될 수 있도록 내부 조절부는 외부 조절부와 같이 운동되고 각각의 조절부에는 스팀 가스 압력조절 핸들(3-7), 노즐지지몸체(3-5), 스팀 및 수성가스 공급관(3-3), 오일 압력 조절관(3-6), 오일 압력 조절 볼트(3-10) 등으로 이루어진다.

각각의 유동부에는 도5 와 같이 실(sealing)링이 유지될 수 있도록 래비린스 패킹 형태인 메커니컬 실로 이루어지고 Leak 되는 액체가 외부로 나오지 못하도록 오일 압력조절 볼트(3-10) 외부로 캡을 쒸워 완전히 밀폐하는 구조로 이루어진다.

다. 내압 연소버너(도2)

현재까지의 버너는 연소가 대기압 상태에서 이루어지고 제트엔진이나 가스터빈 등의 연소기는 주로 고압의 상태에서 연소가 이루어진다. 본 발명인 내압 연소버너는 상기 원리에서의 기술을 구조적으로 적용하기 위해 일반적 버너와는 달리 내압이 어느 정도 올라간 상태에서 연소가 이루어진 다음, 연소가스가 연소가스 배출홈(12)을 통하여 보일러 내로 유입되도록 이루어진다. 이는 수성가스화 노즐(3)로부터 분사되는 고압의 수증기 또는 수승가스, 유증기 등이 대기압까지 팽창되어 감온되는 현상을 방지하기 위해서이며 보일러 내에서의 감압에서는 완전한 과열증기 상태가 이루어지도록하기 위함이다. 이러한 원리적 기술을 적용하기 위해 내압 연소버너의 내측에는 고속으로 유입되는 공기로 인한 소화를 방지하기 위해 역방향의 공기를 소화방지 공기주입 배관(4)과 소화방지 공기노즐(10-1)을 통하여 주입하고, 또한 연소부의 압력에 따라 이의 공기량이 주 연소공기량과 량이 조절될 수 있도록 소화방지 공기 조절 댐퍼(20) 와 연소공기 조절 댐퍼(18)를 연동하여 조절 운전하도록 한다. 또한 수성가스화 연소의 특성상 많은 공기량이 필요하므로 연소공기 공급팬의 회전수를 매우 올리고 연소의 후단부에는 공기량이 부족해지지 않도록 후부 연소공기(9)를 후부 연소공기 주입배관(11)과 후부연소 공기 공급통(9-1)을 통하여 공급한다. 버너의 중앙부 노즐(3)의 외부에는 연소가스의 일부를 외부로 인출하여 오일, 노즐 등에서의 가열원으로 사용 가능하도록 연소가스 인출 통로(24)가 형성되어지고, 연소가스 배출홈(12)인 내부 버너 케이스부인 버너 케이스 냉각 공기 통로(13)에는 연소공기의 배출 및 과열에 의한 냉각이 이루어지도록 도3과 같이 버너 내측 케이스를 붙여 다수개의 연소가스 배출홈(12)이 형성되는 구조로 이루어진다.

라. 코일관형 내압 연소 버너(도4)

코일관형 내압 연소버너는 내압 연소버너와 동일한 원리로써 다만 구조적으로 연소가스 배출홈(12)을 코일관의 틈새를 좁게하여 연소가스의 배출이 이루어지도록 되게하는 구조이다. 코일관(1-1)의 내부에는 냉각용 공기 또는 물등의 매체를 주입하여 냉각이 이루어지도록 하고 가열된 매체는 오일, 물등의 가열 매체로 별도로 이용할 수 있도록 하는 구조로 이루어진다. 이외의 모든 구조와 원리는 내압 연소버너(도2)와 모두 동일하다.

본 발명은 산업용 보일러 열풍기 등과 같은 열기기의 연소시스템으로 사용될 수 있으며, 연료의 발열량을 지금까지의 생각에서는 상상되지 않을 정도로 매우 크게 증대시킨다. 이는 물이 연료화되는 효과가 이루어지며, 그리고 폐유소각시설 등과 같은 가연성 액체 페기물의 소각처리에도 이용될 수 있고, 특히 유해 배기가스 배출 감소에 매우 뛰어나게 된다.

도 1은 버너 및 주변 장치의 표시 상세도

도 2는 본 발명의 내압 연소 버너의 개략도

도 3은 내압 연소 버너의 A-A 면 단면도

도 4는 본 발명의 코일관형 내압 연소 버너의 개략도.

도 5는 본 발명의 수성가스화 노즐의 상세도.

도 6은 본 발명의 수성가스 외부 생성 노즐의 상세도.

※ 중요 구성품 번호

1 : 버너 케이스, 1-1 : 코일관, 1-2 : 코일관 인출관

2 : 오일1차 히터, 3 : 수성가스화 노즐,

3-1 : 분사구, 3-2 : 유증기 노즐, 3-3 : 스팀 및 수성가스 공급 관,

3-4 : 오일 공급관, 3-5 : 노즐지지 몸체, 3-6 : 오일 압력 조절관,

3-7 : 스팀 가스 압력조절 핸들, 3-8 : 스팀 가스 압력조절 스프링,

3-9 : 오일 압력조절 스프링, 3-10 : 오일 압력 조절 볼트

4 : 소화 방지 공기 주입배관, 5 : 착화기, 6 : 공기 안내 선회 판

7 : 소화 방지 공기 선회판, 8 : 후부 연소 공기 선회관,

9 : 후부 연소 공기, 9-1 : 후부연소 공기 공급통, 10 : 소화 방지 공기,

10-1 : 소화 방지 공기 노즐, 11 : 후부 연소 공기 주입배관,

12 : 연소가스 배출홈, 13 : 버너 케이스 냉각공기 통로,

14 : 버너 내측케이스, 15 : 공기통로, 16 : 연소압력 센스,

17 : 공기 분배 콘트롤라, 18 : 연소공기 조절 댐퍼,

19 : 후부 연소공기 조절 댐퍼, 20 : 소화방지 공기 조절 댐퍼,

21 : 버너 공급 워터 펌프, 22 : 버너 공급 물 1차 가열기,

23 : 버너 공급 물 2차 가열기, 24 : 연소가스 인출 통로,

25 : 오일 1차 가열기, 26 : 수성가스 외부 생성노즐,

26-1 : 수성가스화 니켈 촉매, 26-2 : 수성가스 외부 생성 노즐 케이스

26-3 : 스팀, 오일 혼합 분사관, 26-4 : 누설방지 메커니컬 실,

26-5 : 분사압력 조절 몸체, 26-6 : 분사압력 조절 스프링,

26-7 : 분사 압력 조절 볼트.

Claims (4)

1. 일정 길이의 원기둥 형상으로써, 스팀과 기름의 혼합 유입구 및 수성가스 배출구와 수성가스 니켈 촉매(26-1), 분사 압력 조절 몸체(26-5), 분사 압력 조절 스프링(26-6), 분사 압력 조절 볼트(26-7) 등의 조합 구성으로 이루어진 수성가스 외부 생성 노즐(도6).
2. 일정 길이의 원기둥 형상으로써 외부 노즐에는 스팀 및 수성가스 분사구(3-1), 스팀 및 수성가스 공급관(3-3), 오일 공급관(3-4), 노즐 지지몸체(3-5), 스팀 가스 압력조절 스프링(3-8)등으로 이루어져 구성되고 내부 노즐부에는 유증기 노즐(3-2), 오일 압력 조절관(3-6), 오일 압력 조절 스프링(3-9), 오일 압력 조절 볼트(3-10)등으로 이루어져 수성가스와 기름 및 스팀이 독립적 또는 혼합적으로 분사될 수 있도록 2단으로 구성된 수성가스화 노즐(도5).
3. 어느 정도의 내압이 걸려 연소가 이루어지도록 연소가스 배출홈(12)이 버너의 케이스에 형성되어지고 소화방지 장치 및 노내 온도 조절 장치(7, 10, 10-1), 후부 연소공기 부족량 주입 장치(8, 9, 9-1), 연소 가스 인출통로(24), 등이 버너의 내부에 장착되어 외부에서 공급 부위에 따른 공기량의 조절을 통한 온조 조절등이 자유롭게 이루어지도록 구성된 내압 연소버너(도2)
4. 내압 연소버너와 동일한 원리로써 내부의 구조는 내압 연소버너(도2)와 모두 동일하고 다만 연소가스 배출홈(12)이 코일관(1-1) 형으로 이루어져 코일의 틈새로 연소가스가 배출되어지고 코일관 내부에는 냉각용 매체가 흐르도록 구성된 코일관형 내압 연소 버너(도4)

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