KR20130086296A - 버너의 연소 방법 - Google Patents

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KR20130086296A
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타이요 닛폰 산소 가부시키가이샤
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Abstract

로(1)에 있어서, 2 개 이상의 버너(2)를 대향시켜 설치하고 연소시키는 버너의 연소 방법이며,
각 버너(2)에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의해, 공급 산소량을 이론적 필요 산소량으로 나눈 산소 비율을 주기적으로 변화시켜 상기 버너(2)를 주기적인 진동 상태에서 연소하고,
상기 버너(2)의 진동 상태의 주기적인 변화에 대해 적어도 하나의 버너(2)의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너(2)의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방식을 채용한다.

Description

버너의 연소 방법{Burner Combustion Method}
본 발명은 버너의 연소 방법에 관한 것이다.
지구 환경 문제가 크게 부각되는 현재에 있어서, NOx로 표시되는 질소 산화물의 감소는 중요한 과제의 하나이며 급선무이다. NOx 삭감 방법으로는 발생 억제에 관한 기술이 중요하며, 배기 가스 재순환, 희박(稀薄) 연소, 농담(濃淡) 연소, 다단(多段) 연소 등을 들 수 있고, 산업용에서 민생용에 이르기까지 널리 응용되고 있다. 이러한 기술을 적용한 저(低) NOx 연소기에 의해, 어느 정도 NOx 대책은 진전되어 왔지만, 보다 효과적인 NOx 저감(低減) 방법이 더욱 요구되고 있다.
종래로부터 연구 개발이 진행되어 온 NOx 저감 방법의 하나로 연료 또는 산화제로 되는 공기 등의 유량을 주기적으로 변화시켜 일종(一種)의 시간적인 농담 연소를 행하는 방법(이후, 강제 진동 연소라 함.)이 제안되어 왔다(특허 문헌 1 ~ 6 참조).
이들은 연료 유체 또는 산화제 유체의 한쪽을, 또는 연료 유체 및 산화제 유체의 양쪽의 공급 유량을 변화시키는 것으로, 연소 화염의 산소 비율(공급 산소량을 이론적 필요 산소량으로 나눈 값)을 변화시켜 연료 과농도 연소 및 연료 희박 연소를 교대로 형성하는 것으로 연소 가스 중의 NOx의 저감을 실현하고 있다.
또한, 특허 문헌 7에는, 산화제로서 순수 산소를 이용하는 것으로, 고 농도로 하는 경우의 맥동 연소 이른바 강제 진동 연소를 이용한 질소 산화물의 저감 방법 및 그 방법을 실시하기 위한 장치에 대하여 개시되어 있다.
일반적인 가열로 및 용해로에서는 복수의 버너가 설치되어 있으며, 각 버너에 강제 진동 연소를 적용하는 경우, 연소 조건 및 진동주기를 적정하게 제어하지 않으면 대폭적인 NOx 저감 효과를 얻을 수 없다.
특허 문헌 1 : 유럽 특허 제0046898호 명세서 특허 문헌 2 : 미국 특허 제4846665호 명세서 특허 문헌 3 : 일본특허공개 평6-213411호 공보 특허 문헌 4 : 일본특허공개 2000-171005호 공보 특허 문헌 5 : 일본공개특허 2000-1710032호 공보 특허 문헌 6 : 일본공개특허 2001-311505호 공보 특허 문헌 7 : 일본공개특허 평5-215311호 공보
그러나, 발명자들이 이들 선행 기술에 의한 NOx 저감 효과를 확인하기 위하여 추가 시험을 실시한 결과, 상기 선행 기술의 몇 개에서는 NOx 저감 효과가 확인되었지만, 실용적으로 가치있는 저감 효과는 얻을 수 없다는 것을 알았다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래에 비해 크게 NOx 저감 효과를 발휘하는 실용적으로 가치있는 버너의 연소 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 출원 발명자들은 실용적으로 가치있는 NOx 저감 방법의 개발에 주력 해왔다. 그 결과, 버너에 공급되는 연료 유체의 유량 또는 산화제 유체의 유량의 적어도 한쪽에 주기적 변화를 일으키는 동시에 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시켜 강제 진동 연소하는 것으로, 종래보다 대폭적으로 NOx 저감 효과가 발현하는 것을 발견했다.
즉, 본 발명의 제 1 형태는, 로(爐)에서 2 개 이상의 버너를 대향시켜 설치하고 연소시키는 버너의 연소 방법이며,
각 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중, 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의하여 공급 산소량을 이론적 필요 산소량으로 나눈 산소 비율을 주기적으로 변화시켜 상기 버너를 주기적인 진동 상태로 연소하고,
상기 버너의 진동 상태의 주기적인 변화에 대해, 적어도 하나의 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차(差)를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법이다.
상기 제 1 형태는, 상기 각 버너에 공급하는 연료 유체의 유량의 주기적 변화와, 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수는 20㎐ 이하인 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수는 0.02㎐ 이상인 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차(差)는 0.2 이상이고, 1주기에서의 상기 산소 비율의 평균값은 1.0 이상인 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 상기 버너 모두에 있어서, 산소 비율의 주기적 변화 또는 산소 농도의 주기적 변화 중 적어도 하나를 동기(同期)하여 연소시키는 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 대향하여 배치된 상기 버너끼리의 진동 상태의 주기적 변화의 위상 차는 π인 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 1 개 이상의 버너로 이루어지는 버너 어레이를 이용하여 연소시키는 경우에 있어서,
상기 로의 측벽에 2 조 이상의 버너 어레이가 배치되어 있고,
상기 각 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 상기 버너 어레이와 인접하여 배치된 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와의 위상 차는 π인 것이 바람직하다.
상기 제 1 형태는, 1 개 이상의 버너로 이루어지는 버너 어레이를 이용하여 연소시키는 경우에 있어서,
상기 로의 측벽이 대향하고 있으며, 한쪽의 측벽에 n 조의 버너 어레이가 배치되어 있고,
상기 각 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 상기 버너 어레이와 인접하여 배치된 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와의 위상 차는 2π / n 인 것이 바람직하다 .
상기 제 1 형태는, 적어도 하나의 상기 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것에 의해, 로 내 압력을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2의 형태는 로에 있어서, 2 개 이상의 버너를 대향시켜 설치하고 연소시키는 버너의 연소 장치이며,
각 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중, 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의해, 공급 산소량을 이론적 필요 산소 량으로 나눈 산소 비율을 주기적으로 변화시켜 상기 버너를 주기적인 진동 상태로 연소하고,
상기 버너의 진동 상태의 주기적 변화에 대해, 적어도 하나의 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 장치이다.
상기 제 2의 형태는, 상기 연소 장치가 상기 연료를 공급하는 연료 공급 배관, 산소를 공급하는 산소 공급 배관 및 공기를 공급하는 공기 공급 배관을 포함, 공급되는 산소와 공기에 의해 상기 산화제가 형성되며,
상기 연소 장치가 상기 배관의 각각에 공급되는 연료, 산소 및 공기의 흐름에 강제적으로 진동을 가하는 강제 진동 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제 2의 형태는 상기 로 내에, 상기 로 내의 분위기 상황을 파악하는 검지기가 배치되어 있고,
상기 연소 장치가 상기 검지기에 의해 검출된 데이터를 기초로 상기 연료 유체 또는 상기 산화제 유체의 유량, 또는 상기 강제 진동의 주기를 변경하는 제어 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, NOx를 대폭적이고 확실하게 저감할 수 있는 연소 방법을 얻을 수 있다. 본 발명은 새로운 가열로를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존의 가열로에서의 연소 버너에도 적용하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 2는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 사용되는 버너의 공급 배관을 나타내는 모식도이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는, 본 발명의 제 1 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는, 본 발명의 제 2 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 5는, 본 발명의 제 2 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 6은, 본 발명의 제 3 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 7은, 본 발명의 제 3 실시 형태의 로를 나타내는 평면도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 CO 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 비율과 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시 예에서의 산소 비율과 CO 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 본 발명의 연소 장치를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명을 적용한 일 실시 형태인 버너의 연소 방법에 대해서 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 사용되는 도면은 특징을 알기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 표시하는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율이 실제와 같다고는 한정할 수 없다.
[제 1의 실시형태]
<연소 장치>
본 발명의 제 1 실시형태에 사용되는 연소 장치는 도 1 및 도 2에서와 같이, 로(1)와, 로(1) 내에 연소 화염(3)을 형성하는 버너(2)와, 버너(2)에 연료 유체 및 산화제 유체를 공급하는 각종 배관(5, 6, 7, 8)과를 구비한 구성으로 되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 로(1)는 가열로이거나, 용해로여도 좋고, 길이 방향으로 연장하고 서로 대향하여 배치된 측벽(1a)과 측벽(1b)와를 구비하고 있다. 측벽(1a)에는 복수의 버너(2a)가 설치되어 있고, 측벽(1b)에도 복수의 버너(2b)가 설치되어 있다. 이와 같이, 로(1)는 길이 방향의 양 측벽(1a, 1b)에 연소 화염(3a, 3b)을 형성하는 버너(2a, 2b)가 설치된 이른바 사이드 버너 식(side burner type)의 구성으로 되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 측벽(1a)에 설치되는 버너(2a)의 개수와 측벽(1b)에 설치되는 버너(2b)의 개수를 동일하게 하고 있지만, 달라도 상관없다.
각 버너(2a, 2b)는 각각 설치된 측벽(1a) 또는 측벽(1b)에서 대향하는 측벽(1b) 또는 측벽(1a)을 향하여 연소 화염(3a, 3b)을 형성하도록 배치되어 있다. 즉, 버너(2a)는 측벽(1b)을 향하여 연소 화염(3a)을 형성하고, 버너(2b)는 측벽(1a)을 향하여 연소 화염(3b)을 형성한다. 버너(2a)의 연소 화염(3a)과, 버너(2b)의 연소 화염(3b)은 로(1) 내에서 각각 서로 다르게 배치되어 연소 화염(3)을 형성하고 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 각 버너(2)는 주기적인 진동 상태에서 연소를 하지만(강제 진동 연소), 그때, 진동 상태는 1 개 이상의 버너(2)로 이루어지는 버너 어레이 단위로 제어된다.
본 실시 형태에서는 측벽(1a)에 설치된 모든 버너(2a)에 의해 버너 어레이(14a)가 형성되어 있으며, 버너(2a)의 진동 상태는 모두 동일하게 제어되고 있다. 또한, 측벽(1b)에 설치된 모든 버너(2b)에 의해 버너 어레이(14b)가 형성되어 있으며, 버너(2b)의 진동 상태도 모두 동일하게 제어되고 있다. 각 버너(2)의 연소에 대해서는 후술한다.
다음으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 버너(2)에는 연료 유체를 공급하는 연료 공급 배관(5)과, 산화제 유체를 공급하는 산화제 공급 배관(6)이 연결되어 있다. 또한, 산화제 공급 배관(6)은 상류에서 산소 공급 배관(7)과 공기 공급 배관(8)과로 분기한 구성으로 되어 있다.
연료 공급 배관(5), 산소 공급 배관(7) 및 공기 공급 배관(8)에는 각각 공급되는 유체의 흐름에 강제적으로 진동을 가하는 강제 진동 수단(51, 71, 81)이 설치되어 있다.
여기서, 유체의 흐름에 강제적으로 진동을 가한다는 것은 유체의 유량을 주기적으로 조정하는 것을 말한다. 강제 진동 수단(51, 71, 81)이란, 구체적으로는 각 공급 배관(5, 7, 8)에 설치된 유량 조절 밸브(52, 72, 82) 및 유량 조절 밸브(52, 72, 82)를 제어하는 유량계(53, 73, 83)를 포함하는 컨트롤 유닛을 가리킨다.
연료 공급 배관(5)에 의해서 공급되는 연료는, 버너(2)의 연료로 적합한 것이면 어떤 것이라도 상관없다, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG) 등을 들 수 있다.
산소 공급 배관(7)에서는 산소가 공급되지만, 이 산소는 반드시 순수 산소일 필요는 없고, 후술하는 산소 농도와의 관계에서 적절히 원하는 것을 사용하면 좋다.
공기 공급 배관(8)에서는 공기가 공급되지만, 공기로서 대기 중에서 채취한 공기 이외에, 연소 배기 가스를 사용하는 것도 가능하다. 연소 배기 가스를 사용한 경우는 산소 농도를 21 %(공기 중의 산소 농도) 미만으로 낮출 수 있다.
또한, 로(1) 내에는 로(1) 내의 상황에 적시에 대응하기 위해, 도 12에 나타낸 바와 같이 각종 검지기가 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 로(1) 내의 온도를 온도 센서(9)로 측정함과 동시에, 로(1)에서 연통(10)을 통해서 배출되는 배기(NOx, CO, CO2, O2)의 농도를 연속 배기 가스 농도 측정 장치(11)로 측정한다. 또한, 이러한 검지기에 의해서 검출된 데이터는 데이터 기록 유닛(12)에 기록된다. 이 데이터를 기초로 로(1) 내의 분위기 상황을 파악하여 자동적으로 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량, 강제 진동의 주기 등을 적절히 변경하는 제어 시스템(13)을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 제어 시스템(13)은 컨트롤 유닛(14)을 통해서 각종 배관에서 공급되는 유체의 흐름에 강제적으로 진동을 가하고, 그 결과, 버너(2)에서의 진동 연소(15)의 진동 상태가 주기적으로 변화한다.
<산화제 유체의 유량 및 산화제 유체 중의 산소 농도>
다음으로, 산화제 유체의 유량 및 산화제 유체 중의 산소 농도에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 편의상 산소 공급 배관(7), 공기 공급 배관(8) 및 연료 공급 배관(5)에서는 각각 순수 산소, 공기(산소 농도는 약 21 %) 및 액화 천연 가스(LNG)가 공급되는 것으로 설명한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 산소 농도의 단위는 vol %로 표시된다.
본 실시 형태에서는, 산화제 유체는 순수 산소 및 공기로 구성되어 있다. 강제 진동 수단(71, 81)에 의해 산소 공급 배관(7)에서 공급되는 순수 산소의 유량과 공기 공급 배관(8)에서 공급되는 공기의 유량의 일방 또는 쌍방이 경시적(經時的)으로 봐서 주기적으로 변화하도록 제어되고 있다.
순수 산소의 유량 및 공기의 유량은, 산화제 유체 중의 산소 농도가 주기적으로 변화하고 있다면, 어떻게 제어되고 있어도 상관없다. 또한, 순수 산소의 유량 및 공기 유량의 합(즉, 산화제 유체의 유량)은 일정하거나 주기적으로 변화하여도 상관없다.
산화제 유체의 유량을 일정하게 하는 경우는, 예를 들어 순수 산소의 유량 및 공기의 유량의 주기적 변화를 동일 파형, 동일 변동폭으로 하고, 위상 차를 π로 하면 좋다. 이렇게 구성하면 순수 산소의 유량과 공기 유량의 증감은 상쇄되기 때문에 버너(2)에 공급되는 산화제 유체의 유량은 일정하게 제어되는 것이 된다.
또한, 이 경우는 순수 산소 및 공기의 유량의 최소값은 모두 0이 되도록 제어되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제어하는 것에 의해 산화제 유체 중의 산소 농도를 약 21 % ~ 100 % 범위에서 변화시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 산화제 유체 중에 차지하는 순수 산소의 유량이 0인 경우, 산화제 유체의 산소 농도는 공기의 산소 농도와 동일하게 되어 산소 농도는 약 21 %가 된다. 반대로, 산화제 유체 중에 차지하는 공기의 유량이 0인 경우는, 산화제 유체는 순수 산소만으로 구성되게 되어 산소 농도는 100 %가 된다.
한편, 산화제 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 경우는, 예를 들어 공기를 일정량으로 공급하면서 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키면 좋다. 이 경우는, 순수 산소의 유량이 최대가 될 때에 산화제 유체 중의 산소 농도는 최대가 되고, 순수 산소의 유량이 최소가 될 때에 산화제 유체 중의 산소 농도는 최소가 된다.
예를 들어, 순수 산소의 유량의 최대치를 공기의 유량과 동일하게 되도록 하고, 최소값을 0이 되도록 제어하면 산화제 유체 중의 산소 농도는 약 21 % ~ 약 61 %의 범위에서 주기적으로 변화하게 된다. 즉, 순수 산소의 유량이 최대일 때는, 순수 산소와 공기의 유량 비율이 1 대 1이 되고, 산화제 유체 중의 산소 농도는 약 61 %가 된다. 또한, 순수 산소의 유량이 최소가 될 때는, 산화제 유체는 공기만으로 구성되는 것이 되어 산소 농도는 약 21 %가 된다.
또한, 산화제 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 방법으로, 공기의 유량을 일정하게 하고, 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키는 방법에 대해 설명하였지만, 순수 산소의 유량을 일정하게 하여 공기의 유량을 주기적으로 변화시켜도 좋고, 또한, 양쪽의 유량을 주기적으로 변화시켜도 상관없다.
<연료 유체의 유량>
연료 유체의 유량은, 산화제 유체의 유량을 주기적으로 변화시키고 있는 경우에는 일정하거나 주기적으로 변화하고 있어도 상관없다. 한편, 산화제 유체의 유량을 일정하게 하는 경우는 연료 유체의 유량을 주기적으로 변화시키게 된다.
<산소 비율>
다음으로, 산소 비율에 대해서 설명한다. 여기서 산소 비율이란, 산화제 유체로서 버너(2)에 공급되는 공급 산소량을 버너(2)에 공급되는 연료 유체를 연소시키는 데 필요한 이론적 필요 산소량으로 나눈 값을 말한다. 따라서, 이론적으로는 산소 비율 1.0의 상태가 산소를 과부족 없이 사용하여 완전 연소할 수 있는 상태라 말할 수 있다.
또한, LNG의 연소에서의 이론적 필요 산소량은, LNG 조성에도 따르지만, 몰(㏖) 비율로 해서 대략 LNG의 2.3 배이다.
본 실시 형태에서는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽이 주기적으로 변화하고 있고, 또한, 산화제 유체 중의 산소 농도도 주기적으로 변화하고 있기 때문에 산소 비율도 주기적 변화하고 있다.
예를 들어, 산화제 유체의 유량을 일정하게 하고, 연료 유체의 유량을 주기적으로 변화시키는 경우는 산화제 유체의 유량을 1로 하고, 산화제의 산소 농도를 21 ~ 100 %의 범위에서 주기적으로 변화시켜 연료 유체(LNG)의 유량을 0.05 ~ 0.65의 범위에서 주기적으로 변화시키면 산소 비율은 0.14 ~ 8.7의 범위에서 주기적으로 변화한다. 연료 유체(LNG)의 유량 Qf [N㎥ / h], 산화제 유량 QO2 [N㎥ / h], 산화제의 산소 농도 XO2 [vol %], 산소 비율 m [-]의 관계는 식 (1)로 표시된다 :
m = (QO2 × XO2 / 100) / (Qf × 2.3) ㆍㆍㆍ (1)
또한, 산화제 유체의 유량이 주기적으로 변화하는 경우는 연료 유체의 유량을 일정하게 하는 것이 가능해진다. 이때, 예를 들어 산화제 유체의 유량을 1 ~ 2의 범위에서 변화시키고 산화제의 산소 농도를 21 ~ 61 %의 범위에서 변화시켜 연료 유체(LNG)의 유량을 0.3으로 공급하면, 산소 비율은 0.3 ~ 1.75의 범위에서 주기적으로 변화한다. 연료 유체(LNG)의 유량, 산화제 유량, 산화제의 산소 농도, 산소 비율의 관계는 식 (1)과 같은 식으로 표시된다.
또한, 산소 비율의 주기적 변화의 주파수는 크면 NOx의 절감 효과가 충분히 인정받지 못하게 되므로 20㎐ 이하인 것이 바람직하고, 5㎐ 이하인 것이 더 바람직하다. 반대로, 산소 비율의 주기적 변화의 주파수는 너무 작으면 CO의 발생량이 증가해 버리므로 0.02㎐ 이상인 것이 바람직하고, 0.03㎐ 이상인 것이 더 바람직하다.
또한, 산소 비율의 상한과 하한의 차가 작으면 NOx의 절감 효과가 충분하게는 인정받지 못하게 되므로 산소 비율의 상한과 하한의 차는 0.2 이상인 것이 바람직하다.
또한, 산소 비율의 시간 평균치(1주기의 평균치)는, 작으면 연료 유체가 불완전 연소 되므로 1.0 이상인 것이 바람직하고, 1.05 이상인 것이 보다 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는 연료 유체(LNG)의 유량 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽, 및 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시켜서 산소 비율을 주기적으로 변화시킨다.
이러한 주기적인 변화는 연료 유체의 유량, 산소 유량 및 공기의 유량을 변화시키는 것으로 제어되고 있다. 예를 들어, 연료 유체의 유량을 0.5 ~ 1.5의 범위에서 변화시키고 산소의 유량을 1.2 ~ 1.7, 공기의 유량을 0 ~ 9.2의 범위에서 변화시켜서 공급하면 산소 비율은 0.5 ~ 2.7의 범위에서 주기적으로 변화하고, 산소 농도는 30 ~ 100 %의 범위에서 주기적으로 변화한다.
<버너의 연소>
다음으로, 버너(2)의 연소에 대해서 설명한다. 각 버너(2)는 공급되는 연료 유체의 유량, 산화제 유체의 유량 및 산화제 유체 중의 산소 농도의 변화에 따라 시간적인 농담 연소를 하고, 진동 상태가 주기적으로 변화하여 연소한다. 또한 본 발명에서 진동 상태란, 구체적으로는 연료 또는 산화제의 적어도 한쪽의 유량을 변화시키는 것에 의해, 연소 상태가 변동하는 것을 의미한다.
본 실시 형태에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 로(1) 내에는 복수의 버너(2)가 설치되어 있지만, 각 버너(2)의 진동 상태의 주기적인 변화(진동주기)와 대향하여 배치된 버너(2)의 진동주기와의 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다.
여기서, 대향하여 배치된 버너(2)란, 대향하는 측벽(1a, 1b)의 대항하는 위치에 설치된 것을 가리키지만, 엄밀한 의미에서 대향하는 위치에 배치되는 것을 요구하는 것은 아니고, 대항하는 위치에 가장 가까운 버너(2)인 것을 가리킨다. 예를 들어, 버너(2a1)에 대향하는 버너(2)란 버너(2b1)를 가리키며, 버너(2a2)에 대향하는 버너(2)란 버너(2b2)인 것을 가리킨다.
본 실시 형태에서는 측벽(1a)에 배치된 모든 버너(2a)에 의해 버너 어레이(14a)가 형성되어 있으며, 각 버너(2a)는 연료 유체의 유량, 공기의 유량, 산소 유량의 주기적 변화가 모두 동기(同期)하고 있다. 또한, 측벽(1b)에 배치된 모든 버너(2b)에 의해 버너 어레이(14b)가 형성되어 있으며, 각 버너(2b)도 모두 동기하고 있다. 따라서, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 측벽(1a)에 배치된 버너(2a)가 가장 강하게 연소할 때에는 측벽(1b)에 배치된 버너(2b)가 가장 약하게 연소한다. 반대로, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 측벽(1a)에 배치된 버너(2a)가 가장 약하게 연소할 때 측벽(1b)에 배치된 버너(2b)가 가장 강하게 연소한다.
각 버너(2a)는 모든 연료 유체의 유량, 공기의 유량, 산소 유량의 주기적 변화가 동기하고 있기 때문에 산소 비율과 산소 농도의 주기적 변화도 동기하고 있다. 또, 여기서 말하는 동기(同期)란, 파형, 주파수, 위상이 동일하다는 것을 가리키고, 변동폭은 반드시 동일하지 않아도 상관없다. 예를 들어, 버너(2a1)와 버너(2a2)에서 변동폭이 달라도 상관없다.
또한, 버너(2b)에 대해서도 마찬가지로, 각 버너(2b)는 모든 산소 비율 및 산소 농도의 주기적 변화는 동기하고 있지만, 변동폭은 달라도 상관없다.
산소 비율을 동기시키면, 한쪽의 측벽(1a, 1b)에 설치된 버너(2a, 2b)가 동시에 산소 비율이 낮은 조건이 되기 때문에 산소 부족 영역이 넓어지며, NOx 절감 효과가 커지게 되어 바람직하다. 또한, 산소 농도를 동기시키면, 한쪽 측벽(1a, 1b)에 설치된 버너(2a, 2b)가 동시에 산소 농도의 낮은 조건이 되기 때문에 국소적인 고온 영역이 형성되지 않고, NOx의 저감 효과가 크게 되어 바람직하다.
또한, 버너(2a)와 버너(2b)의 관계에 대해 위상 차가 π일뿐만 아니라, 산소 비율 또는 산소 농도의 주기적 변화 중 적어도 하나는 동일 주파수, 동일 파형인 것이 바람직하다.
또한, 대향하는 버너(2)끼리는 변동폭이 동일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 버너(2a1)와 버너(2b1)는 산소 비율 및 산소 농도의 주기적 변화가 동일 파형, 동일 주파수, 동일 변동폭으로 위상 차가 π가 되도록 구성되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같은 본 실시형태의 버너의 연소 방법에 의하면, NOx의 발생량을 대폭적이고 확실하게 저감할 수 있다.
즉, 종래의 버너의 연소 방법에서는 버너에 공급되는 연료 유체의 유량 또는 산화제 유체 유량의 적어도 한쪽만을 변화시켜 산소 비율만을 주기적으로 변화시켜 왔다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는 연료 유체의 유량 또는 산화제 유체의 유량의 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키고 있다. 이에 따라, 종래보다 대폭으로 NOx 저감 효과를 발현할 수 있다.
또한, 로에 배치된 복수의 버너에 대해 진동 상태의 주기적인 변화(진동주기)를 모두 동일하게 한 경우, 큰 NOx 저감 효과를 얻을 수 있지만, 버너에의 연료 유체와 산화제 유체의 유량이 크게 변동하기 때문에, 로 내 압력의 변화가 커지게 된다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는, 버너(2)의 진동 상태의 주기적인 변화에 대해 적어도 하나의 버너(2)의 진동주기와, 다른 버너(2)의 진동주기와에 위상 차를 두고 있다. 이에 따라, 큰 NOx 저감 효과를 얻음과 동시에, 로(1) 내에 공급되는 연료 유체와 산화제 유체의 유량 변동이 작게 되기 때문에, 버너(2)가 로(1)에 미치는 압력을 균일화시킬 수 있다.
특히, 대향하여 설치된 버너(2)끼리의 위상 차를 π로 하는 것으로, 보다 NOx 저감 효과를 얻음과 동시에, 로(1) 내의 압력을 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 버너의 연소 방법은 새로운 가열로를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존의 가열로나 연소로에서의 버너에도 적용하는 것이 가능하다.
[제 2의 실시형태]
다음으로, 본 발명을 적용한 제 2 실시 형태에 따른 버너의 연소 방법에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태는 제 1 실시 형태의 변형 예이며, 같은 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
본 실시 형태는, 제 1의 실시형태와는 인접한 버너(2)의 진동주기에 위상 차를 두고 있는 점이 다르며, 그외는 제 1 실시 형태와 동일하다.
도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에서도 측벽(1a) 및 측벽(1b)에 각각 복수의 버너(2a) 및 버너(2b)가 설치되어 있다. 각 버너(2)는 각각 1 개만으로 각 버너 어레이(24)를 형성하고 있다. 즉, 측벽(1a)에 설치된 각 버너(2a)는 각각 버너 어레이(24a)를 형성하고 있으며, 측벽(1b)에 설치된 각 버너(2b)는 각각 버너 어레이(24b)를 형성하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 인접한 버너(2)는 진동주기의 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다. 예를 들어, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 버너(2a1)가 가장 강하게 연소할 때에는 인접하여 배치된 버너(2a2)와 버너(2a3)는 가장 약하게 연소한다. 한편, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 버너(2a1)가 가장 약하게 연소할 때에는 인접하여 배치된 버너(2a2)와 버너(2a3)는 가장 강하게 연소한다.
이때, 각 버너(2)의 진동주기는 각각 대향하는 버너(2)의 진동주기와 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다. 예를 들어, 버너(2a1)와 각각 대향하는 버너(2b1)의 진동주기의 위상 차는 π이며, 버너(2a2)와, 그것과 대향하는 버너(2b2)의 진동주기의 위상 차는 π이다.
본 실시 형태에서도, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키고 있기 때문에 종래보다도 대폭으로 NOx 저감 효과를 발현할 수 있다.
또한, 각 버너(2)의 진동주기가 각각 인접한 버너(2)의 진동주기와 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다. 그 결과, 길이 방향에 따라서 높은 산소 비율과 낮은 산소 농도에서 연소하는 버너(2)와, 낮은 산소 비율과 높은 산소 농도로 연소하는 버너(2)가 교대로 배치되게 된다. 이에 따라, 혼합이 촉진되어 로 내의 온도 분포가 더 균일화됨으로써, NOx 발생량을 더 저감할 수 있다. 또한, 배기 가스 중의 CO 농도를 더 낮출 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 버너 어레이(24)가 1 개의 버너(2)로 구성되는 경우에 대해 설명하였지만, 복수의 버너(2)로 구성되어 있어도 상관없다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 로(1)의 측벽(1a)에 복수 개의 버너(2a)로 이루어지는 버너 어레이(34a)를 복수 조 설치, 측벽(1b)에 복수 개의 버너(2b)로 이루어지는 복수 조의 버너 어레이(34b)를 설치하도록 하여도 상관없다. 그 경우는 각 버너 어레이(34)를 구성하는 버너(2)와, 상기 버너 어레이(34)와 인접한 버너 어레이(34)를 구성하는 버너(2)에서 진동주기의 위상 차가 π가 되도록 제어하면 좋다. 예를 들어, 버너 어레이(34a1)를 구성하는 버너(2a)와, 버너 어레이(34a2) 및 버너 어레이(34a3)를 구성하는 버너(2a)의 진동주기의 위상 차이를 π로 하면 좋다.
[제 3의 실시형태]
다음으로, 본 발명을 적용한 제 3의 실시 형태에 따른 버너의 연소 방법에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태는 제 1 실시 형태의 변형 예이며, 동일형태의 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
본 실시 형태도, 제 1의 실시형태와는 인접한 버너(2)의 진동주기에 차를 두고 있는 점이 다르며, 그외에는 제 1 실시 형태와 동일하다.
즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에서는 로(1)의 측벽(1a) 및 측벽(1b)에 각각 n 개의 버너(2a) 및 버너(2b)가 설치되어 있다. 각 버너(2)는 각각 1 개만으로 각 버너 어레이(44)를 형성하고 있다. 즉, 측벽(1a)에 설치된 각 버너(2a)는 각각 버너 어레이(44a)를 형성하고 있으며, 측벽(1b)에 설치된 각 버너(2b)는 각각이 버너 어레이(44b)를 형성하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 인접한 버너(2)의 진동주기와 위상 차가 2π / n이 되도록 제어되고 있다. 예를 들어, 측벽(1a)에 버너(2a)가 4 개 설치된 경우는 버너(2a1)의 진동주기와, 인접하여 배치된 버너(2a2)와 버너(2a3)의 진동주기와는 위상 차가 π / 2가 되도록 제어되며, 버너(2a2)의 진동주기와 버너(2a3)의 진동주기와는 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다.
이때, 각 버너(2)의 진동주기는 각각 대향하는 버너(2)의 진동주기와 위상 차가 π가 되도록 제어되고 있다. 예를 들어, 버너(2a1)와, 그것과 대향하는 버너(2b1)의 진동주기의 위상 차는 π이며, 버너(2a2)와, 그것과 대향하는 버너(2b2)의 진동주기의 위상차는 π이다.
본 실시 형태에서도 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키고 있기 때문에 종래보다 대폭으로 NOx 저감 효과를 발현할 수 있다.
또한, 로의 측벽에 배치된 버너(2)의 개수가 n 개일 때에 각 버너(2)의 진동주기가 각각 인접하는 버너의 진동주기와 위상 차가 2π / n가 되도록 제어되고 있다. 이에 따라, 로(1) 내에 공급되는 연료 유체와, 산화제 유체의 유량 변동이 작게 억제되기 때문에 보다 로(1) 내의 압력을 균일화할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 버너 어레이(44)가 1 개의 버너(2)로 구성되는 경우에 대해 설명하였지만, 복수의 버너(2)로 구성되어 있어도 상관없다.
즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 로(1)의 측벽(1a)에 복수 개의 버너(2a)로 이루어지는 버너 어레이(54a)를 n 조 설치하고, 측벽(1b)에도 복수 개의 버너(2b)로 이루어지는 버너 어레이(54b)를 n 조 설치하도록 하여도 상관없다. 그 경우는 버너 어레이(54)를 구성하는 버너(2)와, 상기 버너 어레이(54)와 인접하는 버너 어레이(54)를 구성하는 버너(2)와에서 진동주기의 위상 차가 2π / n가 되도록 제어하면 좋다. 예를 들어, 로(1)의 측벽(1a)에 2 개의 버너(2a)로 이루어지는 버너 어레이(54a)를 4 조 설치한 경우는 버너 어레이(54a1)를 구성하는 버너(2a)와 버너 어레이(54a2) 및 버너 어레이(54a3)를 구성하는 버너(2a)의 진동주기의 위상 차를 π / 2로 하면 좋다.
이상, 본 발명을 실시형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능함은 물론이다.
이하, 연료 유체를 LNG로 하고, 산소 농도 99.6 %의 산소와 공기와로 산화제 유체를 형성하고, 산소 비율과 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시켜 강제 진동 연소시킨 경우의 NOx 저감 효과에 대해 실시 예를 보여서 설명한다. 본 발명은 이하의 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.
[실시 예 1]
실시 예 1에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 로(1) 내에 8 개의 버너(2)가 배치된 연소 장치를 이용하여 실험을 실시했다. 구체적으로는 모든 버너(2)의 산소 비율과 산화제 중의 산소 농도의 파형, 변동폭 및 주파수를 동일하게 하고, 산화제 중의 산소 농도는 33 ~ 100 %의 범위에서 산소 비율은 0.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화하도록 하고, 주파수를 모두 0.033㎐로 했다. 이때, 1주기에서의 산화제 중의 산소 농도의 평균치(시간 평균치)를 40 %로 하고, 산소 비율의 평균치를 1.05로 했다. 또한, 산소 농도와 산소 비율의 주기적 변화의 위상 차가 π가 되도록 했다.
또한, 측벽(1a)에 설치된 버너(2)의 진동주기와, 측벽(1b)에 설치된 버너(2)의 진동주기는 위상 차가 π가 되도록 했다.
또한, 연소 배기 가스 중의 NOx 농도는 연통에서 흡인(吸引) 펌프를 이용하여 연속적으로 배기 가스를 흡인하고, 화학 발광 식의 연속식 NOx 농도 측정 장치를 이용해 측정했다.
시험 결과의 해석에 있어서, 같은 장치를 이용하여 종래의 산소 부화 연소(정상 연소)를 실시한 경우의 연소 배기 가스 중의 NOx의 농도를 측정하고, 이값을 기준 값(NOx(ref))으로 했다.
실시 예 1에서는 NOx 농도의 값은 90ppm, NOx(ref)의 값은 850ppm이 되어, NOx(ref)와 비교하여 NOx 농도는 약 90 % 감소했다.
비교를 위해, 종래의 강제 진동 연소와 같이, 산소 농도를 40 %로 고정하고, 산소 비율만을 0.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화시키는 이외에는, 실시 예 1과 같은 조건에서 시험을 실시했다.
비교 예 1에서는 NOx의 농도의 값은 410ppm, NOx(ref)의 값은 850ppm이 되며, NOx(ref)와 비교하여 NOx 농도는 약 50 % 감소에 그쳤다.
[실시 예 2]
다음으로, 실시 예 2에서는 버너(2)의 진동 주파수의 NOx 농도 저감 효과에 미치는 영향을 조사하기 위해, 주파수 이외를 실시 예 1과 동일 조건으로 설정하고, 산소 비율과 산화제 중의 산소 농도의 주파수를 0.017 ~ 100㎐의 범위로 바꾸었다. 이때, 산소 비율과 산화제 중의 산소 농도의 주파수는 동일하게 했다.
또한, 연소 배기 가스 중의 CO 농도는, 연통에서 흡인 펌프를 이용하여 연속적으로 배기 가스를 흡인하고, 적외선 흡수식의 연속식 CO 농도 측정 장치를 이용해 측정했다.
NOx 농도의 결과를 표 1 및 도 8에, CO 농도의 결과를 표 2 및 도 9에 나타낸다.
또한, CO 농도의 시험 결과의 해석에 있어서, 같은 장치를 이용하여 종래의 산소 부화 연소(정상 연소)를 실시한 경우의 연소 배기 가스 중의 CO 농도를 측정하고, 이값을 기준 값(CO(ref))으로 했다. 또한, 도 8 및 도 9에서 횡축은 산소 농도 및 산소 비율의 주파수를 나타내며, 종축은 기준치 NOx(ref)를 사용하여 규격화한 NOx 농도(NOx / NOx(ref)), 또는 기준 값(CO(ref))을 사용하여 규격화한 CO 농도(CO / CO(ref))를 나타내고 있다. 또한, 비교를 위해 NOx 농도에 대해서는 종래의 강제 진동 연소에서와 같이, 산소 농도를 40 %로 고정하고 산소 비율 만을 0.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화시킨 경우의 결과에 대해서도 표 1 및 도 8에 나타낸다.
주파수 실시 예 2 비교 예
0.017 0.1 0.45
0.02 0.1 0.45
0.025 0.115 0.465
0.033 0.13 0.475
0.067 0.15 0.5
0.2 0.2 0.55
1 0.4 0.68
5 0.8 0.9
10 0.87 0.95
20 0.94 0.98
25 0.98 1
50 1 1
100 1 1
표 1 및 도 8에서 알 수 있듯이, 주파수를 20㎐ 이하로 하는 것으로, 급격히 NOx가 감소하는 경향이 있으며, 산소 비율 및 산화제 중의 산소 농도의 주기적 변화의 주파수는 20㎐ 이하로 하면, NOx 농도 저감 효과가 더 얻어지는 것을 알 수 있다.
주파수 실시 예2
0.017 1.5
0.02 1.3
0.025 1.1
0.033 1
0.067 0.95
0.2 0.92
1 0.9
5 0.9
10 0.9
20 0.9
25 0.9
50 0.9
100 0.9
표 2 및 도 9에서 알 수 있듯이, 주파수가 0.017 ~ 100㎐ 범위에서는 CO 농도는 주파수에 의한 영향을 별로 받지 않고, 특히 0.02㎐ 이상이면 주파수에 의한 영향을 더 받지 않는 것을 알 수 있다.
[실시 예 3]
다음으로, 실시 예 3에서는 연료 유량을 일정하게 하고, 산소 비율의 변동폭이 NOx 농도 저감 효과에 미치는 영향을 조사했다. 구체적으로는 산소 농도를 30 ~ 100 %의 범위에서 주기적으로 변화시켜 산소 비율을 변동시키는 범위를 바꾸어 NOx 농도를 측정했다.
산소 비율의 하한을 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5로 한 각각의 경우에 대해서, 산소 비율의 상한을 1.1 ~ 7의 범위에서 변화시켜 배기 가스 중의 NOx 농도를 측정했다.
또한, 산소 비율의 시간 평균치를 1.05, 산화제 유체 중의 산소 농도를 40 %로 했다. 예를 들어, 산소 비율(m)이 0.5 ~ 5의 경우, m < 1.05로 되는 연소 시간을 m > 1.05의 시간보다 길게 하도록 하고, 반대로, 산소 비율(m)이 0.2 ~ 1.2의 경우, m < 1.05로 되는 연소 시간을 m > 1.05의 시간보다 짧게 하도록 조정했다. 여기서, 연료 유량이 일정하며, 산소 비율, 산소 농도의 평균은 일정하기 때문에 어느 일정 시간에 사용되는 산소량은 같게 된다.
NOx 농도의 측정 결과를 표 3 및 도 10에, CO 농도의 측정 결과를 표 4 및 도 11에 나타낸다. 또한, 도 10 및 도 11의 횡축은 산소 비율의 상한치(mmax)이며, 종축은 규격화된 NOx 농도 또는 규격화된 CO 농도이고, 표 3 및 표 4의 값은 규격화된 NOx 농도 또는 규격화된 CO 농도이다.
mmax mmin=0.1 mmin=0.2 mmin=0.3 mmin=0.4 mmin=0.5
1.1 0.35 0.4 0.43 0.47 0.52
1.6 0.17 0.21 0.24 0.27 0.3
2 0.12 0.14 0.17 0.19 0.23
3 0.1 0.115 0.135 0.15 0.17
4 0.09 0.11 0.12 0.125 0.135
5 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105
6 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08
7 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08
mmax mmin=0.1 mmin=0.2 mmin=0.3 mmin=0.4 mmin=0.5
1.1 1.5 1.02 0.93 0.9 0.9
1.6 1.52 1.04 0.93 0.92 0.92
2 1.55 1.05 0.94 0.93 0.93
3 1.6 1.07 1.02 0.96 0.95
4 1.65 1.1 1.05 0.98 0.97
5 1.9 1.13 1.09 1.03 1.02
6 2.2 1.32 1.27 1.22 1.17
7 3 2.17 1.92 1.72 1.47
표 3, 표 4, 도 10 및 도 11에서 산소 비율의 하한치(mmin)가 커지게 됨에 따라 NOx 농도는 높아지고, CO 농도가 떨어지는 경향을 알 수 있다.
표 3 및 도 10에서 mmin = 0.5의 그래프는, mmax가 커지게 됨(산소 비율 진폭이 커지게 됨)에 따라 NOx가 감소해 가지만, mmax > 5에서는 NOx 농도는 일정하게 된다. 또한, mmin = 0.3의 그래프는, mmin = 0.5 그래프보다 NOx 농도는 내려가지만, mmin = 0.2와, mmin = 0.3에서는 거의 변하지 않는다.
따라서, NOx 농도와 CO 농도의 쌍방을 낮추고 싶을 때는 산소 비율의 하한치(mmin)는 0.3인 것이 바람직하다.
또한, 표 4 및 도 11에서 산소 비율의 상한치(mmax)가 커지게 됨에 따라 CO 농도가 상승하는 것을 알 수 있고, 특히 mmax > 6이 되면, CO 농도가 급격히 상승하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서 배기 가스 중의 NOx 농도와 함께 CO 농도를 낮추소 싶을 때는 산소 비율을 0.3 이상 6 이하의 범위에서 변동시키는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
[실시 예 4]
실시 예 4에서는, 산소 농도의 변동폭의 영향을 조사하기 위해 연료 유량을 일정하게 하고, 산소 비율을 0.5 ~ 1.6의 범위에서 변화시켜 산소 농도의 변동 폭을 바꾸어 NOx 배출량의 영향을 조사했다. 시험에서는 산소 농도 하한을 33 %로 하고 산소 농도의 상한치(Cmax)를 50 ~ 100 %의 범위에서 변화시켰다. 평균의 산소 비율은 1.05, 산화제 중 산소 농도는 40 %로 했다.
또한, 산소 비율 및 산소 농도의 주파수를 0.067㎐로 하고, 산소 비율과 산소 농도의 주기적 변화의 위상 차를 π로 했다. 결과를 표 5에 나타낸다.
산소농도최고치
Cmax 		NOx 농도
NOx/Nox(ref)
50 0.55
60 0.4
70 0.35
80 0.33
90 0.31
100 0.3
표 5에서 산소 농도의 변동 폭을 크게 하면 NOx 농도의 감소 효과가 더 커지는 것을 알 수 있다.
[실시 예 5]
다음으로, 실시 예 5에서는 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 버너(2)의 진동주기를 각각 인접한 버너(2)의 진동주기와 위상을 π 늦추어 운전한 경우의 NOx 농도 저감 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는 모든 버너(2)의 산소 비율과 산소 농도의 주기적 변화에 대해서, 각각 파형, 진동폭 및 주파수를 같게 하고, 하나 걸러서 위상을 π 늦추어 연소시켰다. 또한, 각 버너(2)의 진동주기는 각각 대향하는 위치에 설치된 버너(2)의 진동주기와 위상이 π 어긋나도록 했다.
또한, 산화제 중의 산소 농도는 33 ~ 100 %의 범위에서, 산소 비율은 0.5 ~ 1.6의 범위에서 주기적으로 변화시키도록 했다. 이때, 시간 평균의 산소 농도는 40 %로 하고, 산소 비율은 1.05가 되도록 했다. 산소 농도와 산소 비율의 주기적 변화의 주파수를 0.033㎐로 시험을 실시했다. 산소 농도와 산소 비율의 주기적 변화의 위상 차는 π로 했다.
NOx 농도의 측정 결과를 표 6에 나타낸다. 또한 CO 농도의 측정 결과를 표 7에 나타낸다.
NOx/NOxref
실시예 1 0.3
실시예 5 0.21
CO/COref
실시예 1 0.90
실시예 5 0.73
표 6으로부터 실시 예 5에서는 NOx 농도는 실시 예 1에 비해 더욱 떨어지는 것을 알았다. 또한, 표 7로부터 실시 예 5에서는 CO 농도는 실시 예 1에 비해 더욱 떨어지는 것을 알았다.
[실시 예 6]
다음으로, 실시 예 6에서는 한쪽 4 개의 버너의 위상을 π / 2 씩 늦추어 운전한 경우의 NOx 농도 저감 효과에 대해 조사했다. 구체적으로는, 실시 예 1과 마찬가지로 모든 버너(2)의 산소 비율과 산소농도의 파형, 변동폭 및 주파수를 같게 하여 도 6에 나타낸 바와 같이, 측벽(1a) 및 측벽(1b)에 각각 배치된 4 개의 각 버너(2)의 진동주기를 각각 인접한 버너(2)의 진동주기와 위상 차가 π / 2가 되도록 해서 연소시켰다. 또한, 각 버너(2)의 진동주기는 대향하는 버너(2)의 진동주기와 위상이 π 어긋나도록 했다.
NOx 농도를 측정하면, 실시 예 1과 동등으로 NOx / NOx(ref) = 0.3이었다. 또한, 실시 예 6에서는 로의 압력 변동폭을 측정한 결과, ± 1㎜Aq 이하이며, 정상 연소시와 동등한 압력 변동까지 억제되었다.
NOx 저감 효과를 발휘하는 실용적으로 가치 있는 버너의 연소 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
1 : 로
1a, 1b : 측벽
2, 2 a, 2b, 2a1, 2a2, 2a3, 2b1, 2b2, 2b3 : 버너
3, 3 a, 3b : 연소 화염
14a, 14b, 24, 24 a, 24b, 34, 34 a, 34b, 44, 44 a, 44b, 54, 54 a, 54b : 버너 어레이
5 : 연료 공급 배관
6 : 산화제 유체 공급 배관
7 : 산소 공급 배관
8 : 공기 공급 배관
9 : 온도 센서
10 : 연통
11: 연속 배기 가스 농도 측정 장치(NOx, CO, CO2, O2)
12 : 데이터 기록 유닛
13 : 제어 시스템
14 : 컨트롤 유닛
15 : 진동 연소

Claims (13)

  1. 로에 있어서, 2 개 이상의 버너를 대향시켜 설치하고 연소시키는 버너의 연소 방법이며,
    각 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의해 공급 산소량을 이론적 필요 산소 량으로 나눈 산소 비율을 주기적으로 변화시켜 상기 버너를 주기적인 진동 상태에서 연소하고,
    상기 버너의 진동 상태의 주기적인 변화에 대해 적어도 하나의 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 버너에 공급하는 연료 유체의 유량의 주기적 변화와, 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 20㎐ 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 비율의 주기적 변화의 주파수가 0.02㎐ 이상인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차가 0.2 이상이며, 1주기에서의 상기 산소 비율의 평균치가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너 모두에서, 산소 비율의 주기적 변화 또는 산소 농도의 주기적 변화 중 적어도 하나를 동기하여 연소시키는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대향하여 배치된 상기 버너끼리의 진동 상태의 주기적 변화의 위상 차가 π인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 개 이상의 버너로 이루어지는 버너 어레이를 이용하여 연소시키는 경우에 있어서,
    상기 로의 측벽에 2 조 이상의 버너 어레이가 배치되어 있으며,
    상기 각 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 상기 버너 어레이와 인접하여 배치된 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와의 위상 차가 π인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 개 이상의 버너로 이루어지는 버너 어레이를 이용하여 연소시키는 경우에 있어서,
    상기 로의 측벽이 대향하고 있으며, 한쪽의 측벽에 n 조의 버너 어레이가 배치되어 있고,
    상기 각 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 상기 버너 어레이와 인접하여 배치된 버너 어레이를 구성하는 버너의 진동 상태의 주기적 변화와의 위상 차가 2π / n인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  10. 제1 항 내지 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것에 의해, 로 내 압력을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  11. 로에 있어서, 2 개 이상의 버너를 대향시켜 설치하고 연소시키는 버너의 연소 장치에 있어서,
    각 버너에 공급하는 연료 유체 또는 산화제 유체의 유량 중 적어도 한쪽을 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 유체 중의 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 것에 의해, 공급 산소량을 이론적 필요 산소 량으로 나눈 산소 비율을 주기적으로 변화시켜 상기 버너를 주기적인 진동 상태에서 연소하고,
    상기 버너의 진동 상태의 주기적인 변화에 대해, 적어도 하나의 버너의 진동 상태의 주기적 변화와, 다른 버너의 진동 상태의 주기적 변화와에 위상 차를 두는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연소 장치가 상기 연료를 공급하는 연료 공급 배관, 산소를 공급하는 산소 공급 배관 및 공기를 공급하는 공기 공급 배관을 포함, 공급되는 산소와 공기에 의해 상기 산화제가 형성되고,
    상기 연소 장치가 상기 배관의 각각에 공급되는 연료, 산소 및 공기의 흐름에 강제적으로 진동을 가하는 강제 진동 수단을 구비하는 버너의 연소 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 로 내에, 상기 로 내 분위기 상황을 파악하는 검지기가 배치되어 있고,
    상기 연소 장치가 상기 검지기에 의해 검출된 데이터를 기초로 상기 연료 유체 또는 상기 산화제 유체의 유량, 또는 상기 강제 진동의 주기를 변경하는 제어 시스템을 구비하는 버너의 연소 장치.
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