KR20130116304A - 버너의 연소 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화제 흐름과 연료 흐름을 공급하여 연소하는 버너의 연소 방법이며, 상기 산화제 흐름은 상기 연료 흐름의 주위 또는 상기 연료 흐름의 근처에서 분출하는 1차 산화제 흐름과, 복수의 2차 산화제 흐름으로 이루어지고, 상기 1차 산화제 흐름 및 복수의 상기 2차 산화제 흐름의 유량 중 적어도 하나를 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 흐름 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주고, 상기 산화제 흐름에 의해 공급되는 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율에 주기적 변화를 주며, 상기 산소 농도와 상기 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 두는 것에 의해 연소 상태가 주기적인 진동 상태가 되는 버너의 연소 방법을 제공한다.

Description

버너의 연소 방법{BURNER COMBUSTION METHOD}
본 발명은 버너의 연소 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 1월 26일 일본에 출원된 특허출원 제2011-014080호에 의거하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
NOx 절감 효과를 발휘하는 실용적 가치있는 버너의 연소방법을 제공할 수 있다. 본 발명은 버너의 연소방법에 대한 것이므로, 연소기를 사용하는 제조업에 폭넓게 이용할 수 있다.
최근, 지구환경 문제가 크게 부각되는 가운데, 질소 산화물(NOx) 절감은 중요한 과제 중 하나이며 시급한 과제이다. 이 NOx 절감 방법으로서는 발생 억제에 관한 기술이 중요하며, 배기가스 재순환, 희박(稀薄) 연소, 농담(濃淡) 연소, 다단(多段) 연소 등이 알려져 있고, 공업용에서 민생용에 이르기까지 널리 응용되고 있다. 이러한 기술을 적용한 낮은 NOx 연소기에 의해 어느 정도 NOx 대책은 진전되어 왔지만 보다 효과적인 NOx 절감 방법이 더욱 요구되고 있다.
이러한 과제를 해결하는 방법으로서 종래부터 연구개발이 진행되고 있는 NOx 절감 방법의 하나로, 연료, 산화제의 유량을 주기적으로 변화시켜서 일종의 시간적인 농담 연소를 실행하는 방법(이하 "강제 진동 연소"라 한다)이 있다(특허 문헌 1 ~ 6).
이들은 연료 또는 산화제의 한쪽 또는 연료 및 산화제 모두의 공급 유량을 진동 제어함으로써 연소 화염의 화학 양론 비율을 변화시켜 연료 과다 농도 연소 및 연료 희박 연소를 번갈아 형성하는 것으로 NOx의 절감을 실현하고 있다.
또한, 특허 문헌 7에는 산화제가 순수 산소에 의해 고농도로 부화(富化)되어 있는 경우의 맥동 연소, 이른바 강제 진동 연소를 이용한 NOx 절감 방법 및 그 방법을 실시하기 위한 장치에 대해서 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 8 ~ 14에는 연료나 산화제를 다단으로 로(爐) 내나 연소실에 분출하는 이른바 다단 연소 방법이 개시되어 있고, 낮은 NOx 효과에 대해서 언급하고 있다.
특허 문헌 1 : 유럽특허 제0046898호 명세서 특허 문헌 2 : 미국특허 제4846665호 명세서 특허 문헌 3 : 특허공개 평 6- 213411호 공보 특허 문헌 4 : 특허공개 2000-171005호 공보 특허 문헌 5 : 특허공개 2000- 1710032호 공보 특허 문헌 6 : 특허공개 2001- 311505호 공보 특허 문헌 7 : 특허공개 평 5- 215311호 공보 특허 문헌 8 : 특허공개 평 6- 257723호 공보 특허 문헌 9 : 특허공개 평 7- 233920호 공보 특허 문헌 10 : 특허 제4132409호 공보 특허 문헌 11 : 특허공개 2007- 232364호 공보 특허 문헌 12 : 특허공개 평 6- 213410호 공보 특허 문헌 13 : 특허공표 2004- 523721호 공보 특허 문헌 14 : 미국특허 제5601425호 명세서
그렇지만, 본원 발명자들이 절감 효과에 관한 추가 실험을 실시한 바에 의하면, NOx 절감 효과는 인정되었지만 실용적으로 가치있는 절감 효과는 얻지 못하여 보다 혁신적인 기술 개발이 필요함이 확인되었다.
이러한 배경을 기초로 실용적으로 가치있는 NOx 절감 방법이 요구되고 있지만, 유효 적절한 것은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본원 발명자들은 실용적으로 가치있는 NOx 절감 방법의 개발에 열심히 임해왔다. 그 결과, 버너에 복수의 산화제 흐름을 공급하고 연료 주위에서 분출되는 1차 산화제 흐름 및 원하는 거리로 떨어진 장소에서 분출되는 2차 산화제 흐름의 유량 중 적어도 하나에 주기적 변화를 일으키는 것에 의하여 종래보다도 대폭적으로 NOx 절감 효과가 나타나는 것을 발견했다.
즉, 본 발명은 다음의 수단을 제공한다.
(1) 산화제 흐름과 연료 흐름을 공급하여 연소하는 버너의 연소 방법이며, 상기 산화제 흐름은 상기 연료 흐름의 주위 또는 상기 연료 흐름의 주변에서 분출하는 1차 산화제 흐름과 복수의 2차 산화제 흐름으로 이루어지고, 상기 1차 산화제 흐름 및 복수의 상기 2차 산화제 흐름의 유량 중 적어도 하나를 주기적으로 변화시키는 동시에, 상기 산화제 흐름 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주고, 상기 산화제 흐름에 의해서 공급되는 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율에 주기적 변화를 주며, 상기 산소 농도와 상기 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 두는 것에 의해 연소 상태가 주기적인 진동 상태로 되는 버너의 연소 방법.
(2) 복수의 상기 2차 산화제 흐름이 상기 연료 흐름을 중심으로 한 대칭인 위치에서 분출하는 상기 (1)에 기재된 버너의 연소 방법.
(3) 상기 산화제 흐름의 유량에 대한 상기 1차 산화제 흐름의 유량 비율이 10% 이상 70% 이하인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 버너의 연소 방법.
(4) 상기 2차 산화제 흐름의 유량이 주기적으로 변화하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(5) 상기 2차 산화제 흐름의 유량의 주기적 변화의 주파수가 0.01㎐ 이상 20㎐ 이하인 상기(4)에 기재된 버너의 연소 방법.
(6) 주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차이가 0.2 이상이고, 1주기에서의 상기 산소 비율의 평균값이 1.0 이상인 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(7) 상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화가 동일한 주파수인 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(8) 상기 산소 농도와 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하인 상기 (7)에 기재된 버너의 연소 방법.
(9) 상기 연료 흐름의 유량이 주기적으로 변화하고, 상기 연료 흐름의 유량의 주기적 변화 및 상기 산소 비율의 주기적 변화가 동일한 주파수이고, 상기 연료 흐름의 유량과 상기 산소 비율의 주기 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하인 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(10) 상기 산화제 유체가 산소와 공기로 구성되어 있는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(11) 상기 산화제 유체가 산소와 연소 배기 가스로 구성되어 있는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 버너의 연소 방법.
(12) 상기 산소가 실질적으로 순수 산소인 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 버너의 연소 방법.
본 발명에 따라, NOx를 대폭적이고 확실하게 절감할 수 있는 버너의 연소 방법을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 새로운 연소기를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존 연소기에도 적용할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태인 버너의 개략을 나타낸 측면도이다.
도 2는, 본 발명의 제 1 실시형태인 버너의 개략을 나타내는 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 제 1 실시형태에 사용하는 연료 노즐의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 4a는, 본 발명의 제 1 실시형태에 사용하는 1차 산화제 노즐의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 4b는, 본 발명의 제 1 실시형태에 사용하는 2차 산화제 노즐의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 5는, 본 발명의 제 1 실시형태인 버너 배관의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 제 1 실시형태의 산소 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 나타내는 도면의 일 예이다.
도 7은, 본 발명의 제 1 실시형태의 산소 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 나타내는 도면의 일 예이다.
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 주파수와 전열 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시 예에서의 주파수와 NOx 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 예를 설명하지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 구성의 추가, 생략, 치환 및 기타 변경이 가능하다.
[제 1 실시형태]
이하, 본 발명을 적용한 제 1 실시형태인 버너의 연소 방법에 대하여 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 이용하는 도면은 특징을 알기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 표시하는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율이 실제와 동일하다고는 할 수 없다.
본 실시형태에 사용되는 버너(1)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 흐름(연료 유체)을 분출하는 연료 노즐(2)과, 1차 산화제 흐름(1차 산화제 유체)을 분출하는 1차 산화제 노즐(3)과, 2차 산화제 흐름(2차 산화제 유체)을 분출하는 복수의 2차 산화제 노즐(4)로 대략 구성되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 노즐(2)과, 1차 산화제 노즐(3)과, 2차 산화제 노즐(4)은 모두 통 모양으로 형성되어 있고, 그 길이 방향이 동일 방향이 되도록 형성되어 있다. 따라서, 연료 노즐(2)이 연료 흐름을 분출하는 방향과, 1차 산화제 노즐(3)이 산화제 흐름을 분출하는 방향과, 2차 산화제 노즐(4)이 산화제 흐름을 분출하는 방향은 모두 동일한 방향으로 되어 있다. 다만, 2차 산화제 노즐(4)이 분출하는 방향은 상기 형태에 한정되지 않고 반드시 동일한 방향일 필요는 없다. 2차 산화제 노즐(4)은 1차 산화제 노즐(3)의 길이 방향에 대해 바깥쪽으로 각도 20°까지의 범위에 설치되어 있으면 좋다.
또한, 연료 노즐(2)의 분출구가 설치된 분출면(2a)과, 1차 산화제 노즐(3)의 분출구가 설치된 분출면(3a)과, 2차 산화제 노즐(4)의 분출구가 설치된 분출면(4a)은 모두 동일 평면상에 형성되어 있다. 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 버너(1)를 측면에서 보았을 때는 연료 노즐(2)의 분출면(2a)과, 1차 산화제 노즐(3)의 분출면(3a)과, 2차 산화제 노즐(4)의 분출면(4a)은 일직선 형태로 보인다.
또한, 1차 산화제 노즐(3)은 연료 노즐(2)의 주위 또는 연료 노즐(2)의 근처에 설치되어 있다. 여기서, 주위 또는 근처에 설치되어 있다는 것은, 1차 산화제 노즐(3)과 연료 노즐(2)이 원하는 거리 내에 배치되어 있는 것을 말하며, 1차 산화제 노즐(3)이 실질적으로 연료 노즐(2)과 인접한 위치에 배치되어 있는 것을 말한다.
이에 따라, 연료 흐름을 분출하는 위치와 실질적으로 인접한 위치에서 산화제 흐름을 분출할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 노즐(2)과 1차 산화제 노즐(3)이 동일 축 상에 형성되어 있다. 구체적으로는 연료 노즐(2)은 원통형으로 형성되어 있으며, 1차 산화제 노즐(3)은 연료 노즐(2)의 외주를 둘러싸도록 형성되어 있다. 즉, 1차 산화제 노즐(3)은 단면 형상이 소정 폭(h)을 갖는 링 모양(도넛 모양)으로 형성되어 있고, 연료 노즐(2)은 링 모양으로 형성된 1차 산화제 노즐(3)의 안쪽 둘레 내에 배치되어 있다.
다만, 연료 노즐(2)과 1차 산화제 노즐(3)의 배치 위치에 대해서는 상기 형태에 한정되지 않고, 반드시 1차 산화제 노즐(3)의 단면 형상은 링 모양일 필요는 없고, 1차 산화제 노즐(3)이 실질적으로 연료 노즐(2)의 주변 또는 근처에 배치되어 있으면 좋다.
2차 산화제 노즐(4)은 연료 노즐(2)을 축 중심으로 한 대상(對象)인 위치에 복수 배치되어 있다. 따라서, 평면에서 볼 때에는 도 2에 나타낸 바와 같이, 2차 산화제 노즐(4)은 연료 노즐(2)에 대하여 점대칭의 위치에 배치되어 있다. 2차 산화제 노즐(4) 사이의 거리(l)는, 기준으로서 연료의 발열량이 100M㎈에서 10 ~ 50㎝가 바람직하고, 30 ~ 50㎝가 더 바람직하다. 또한, 원하는 발열량에서의 거리(l)는, 기준 발열량 100M㎈에 대하여 원하는 발열량의 1/3 곱셈법(乘則)에 의해 범위를 결정하면 좋다.
다만, 복수의 2차 산화제 노즐(4)의 배치 위치는 상기 형태에 한정되지 않고, 연료 흐름이나 1차 산화제 흐름이나 2차 산화제 흐름의 유속 등을 감안하여 연료 노즐(2)에서 원하는 거리의 범위 내에 배치되어 있으면 좋다.
도 1 및 도 2에서는 2차 산화제 노즐(4)을 2개 배치하는 경우에 대해서 묘사되어 있지만, 이에 한정되지 않고 3개 이상이어도 상관없다. 3개 이상인 경우는 평면에서 볼 때에, 각 2차 산화제 노즐(4)을 정점으로 하는 도형의 중심 위치에 연료 노즐(2)이 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 이하에서는, 2차 산화제 노즐(4)을 2개 설치한 경우에 대해서 설명한다.
이어서, 각 노즐에 유체를 공급하는 배관에 대해서 설명한다.
연료 노즐(2)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 흐름을 공급하는 연료 공급 배관(5)이 접속되어 있다. 연료 흐름으로서는, 전형적으로는 천연 가스(LNG)를 예시할 수 있지만, 중유 등의 액체 연료이어도 상관없다.
또한, 연료 공급 배관(5)에는 연료 흐름의 유량에 주기적 변화를 주는 강제 진동 수단(50)이 설치되어 있다. 이 강제 진동 수단(50)은, 구체적으로는 연료 공급 배관(5)에 설치된 유량 조절 밸브(51)와, 유량 조절 밸브(51)를 제어하는 유량계(52)를 포함하는 컨트롤 유닛을 가리킨다.
1차 산화제 노즐(3)에는 도 4a에 나타낸 바와 같이, 1차 산화제 흐름을 공급하는 1차 산화제 공급 배관(11)이 접속되어 있다. 1차 산화제 공급 배관(11)은 상류(上流)에서 공기를 공급하는 1차 공기 공급 배관(6)과, 산소를 공급하는 1차 산소 공급 배관(7)과로 분기하고 있다. 1차 산화제 흐름은 공기와 산소의 혼합 가스이며, 공기 대신에 질소 가스, 탄산 가스, 연소 배기 가스 등을 사용하여도 상관없다. 산소로는 실질적인 순수 산소, 예를 들면 공업용 순수 산소를 사용하는 것이 바람직하다.
1차 공기 공급 배관(6) 및 1차 산소 공급 배관(7)에는 각각 공기의 유량이나 산소 유량에 주기적 변화를 주는 강제 진동 수단(60, 70)이 설치되어 있다. 이 강제 진동 수단(60, 70)은, 구체적으로는 1차 공기 공급 배관(6) 또는 1차 산소 공급 배관(7)에 설치된 유량 조절 밸브(61, 71)와, 유량 조절 밸브(61, 71)를 제어하는 유량계(62, 72)를 포함한 컨트롤 유닛인 것을 각각 가리킨다.
1차 산화제 흐름으로서 산소 농도가 고정된 산화제를 사용하는 경우는 미리 상기 농도로 고정된 산화제를 공급하면 충분하므로 1차 산화제 공급 배관(11)은 상류에서 분기할 필요가 없고, 1차 산화제 공급 배관(11)에 강제 진동 수단(도시 생략)을 설치하면 좋다.
2차 산화제 노즐(4)은 1차 산화제 노즐(3)과 동일 형태로 제어된다. 즉, 2차 산화제 노즐(4)에는 도 4b에 나타낸 바와 같이, 2차 산화제 흐름을 공급하는 2차 산화제 공급 배관(12)이 접속되어 있다. 2차 산화제 공급 배관(12)은 상류에서 공기를 공급하는 2차 공기 공급 배관(8)과 산소를 공급하는 2차 산소 공급 배관(9)과로 분기하고 있다. 2차 산화제 흐름은 공기와 산소의 혼합 가스이며, 공기 대신에 질소 가스, 탄산 가스, 연소 배기 가스 등을 사용하여도 상관없다. 산소로서는 실질적인 순수 산소, 예를 들어 공업용 순수 산소를 사용하는 것이 바람직하다.
2차 공기 공급 배관(8) 및 2차 산소 공급 배관(9)에는 각각 공기의 유량이나 산소의 유량에 주기적 변화를 주는 강제 진동수단(80, 90)이 설치되어 있다. 이 강제 진동수단(80, 90)은, 구체적으로는 2차 공기 공급 배관(8) 또는 2차 산소 공급배관(9)에 설치된 유량 조절 밸브(81, 91)와, 유량 조절 밸브(81, 91)를 제어하는 유량계(82, 92)를 포함하는 컨트롤 유닛인 것을 각각 가리킨다.
2차 산화제 흐름으로서 산소농도가 고정된 산화제를 사용하는 경우는 미리 상기 농도로 고정된 산화제를 공급하면 충분하므로 2차 산화제 공급 배관(12)은 상류에서 분기할 필요가 없고, 1차 산화제 공급 배관(12)에 강제 진동 수단(도시 생략)을 설치하면 좋다.
또한, 2차 산화제 노즐(4)은 2개 설치되어 있어서 도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 산화제 공급 배관(12)은 하류에서 2개로 분기하고 있고, 각각 2차 산화제 노즐(4)로 2차 산화제 흐름을 공급하도록 형성되어 있다.
따라서, 각 2차 산화제 노즐(4)에 공급하는 2차 산화제 흐름의 유량 및 산소 농도를 주기적으로 변화시키는 경우는 모두 같은 주기로 변화하게 된다.
이상의 배관(5, 11, 12)을 통해서 각 노즐(2, 3, 4)에는 연료 흐름 내지 산화제 흐름이 공급된다. 각 강제 진동 수단(50, 60, 70, 80, 90)을 제어함으로써 각 노즐(2, 3, 4)에서 분출되는 유체의 유량이 제어된다.
<유량 제어>
다음으로, 각 노즐(2, 3, 4)에서 공급되는 유체의 유량 제어에 대해서 설명한다.
이하의 설명에서는 편의상 1차 산소 공급 배관(7) 및 2차 산소 공급 배관(9)에서는 순수 산소가, 1차 공기 공급 배관(6) 및 2차 공기 공급 배관(8)에서는 공기(산소 농도는 약 21 %), 연료 공급 배관(5)에서는 액화 천연 가스(LNG)가 공급되는 것으로 한다.
먼저, 산화제 흐름의 유량 및 산화제 흐름 중의 산소 농도의 관계에 대해서, 1차 산화제 흐름을 예로 설명한다. 2차 산화제 흐름도 동일 형태인 관계이다.
1차 산화제 흐름을 구성하는 공기와 순수 산소의 유량은 각각 강제 진동 수단(60) 및 강제 진동 수단(70)에 의해서 변화시킬 수 있다.
1차 산화제 흐름의 유량을 일정하게 하는 경우, 순수 산소와 공기의 유량을 동시에 일정하게 하면 산소 농도는 일정하게 된다.
한편, 1차 산화제 흐름의 유량을 일정하게 하면서도, 예를 들어 도 6에 나타낸 바와 같이, 순수 산소의 유량 및 공기 유량의 주기적 변화를 동일 파형, 동일 변동폭으로 하고 위상차를 π로 하면, 산소 농도를 주기적으로 변화시킬 수도 있다. 이렇게 구성하면 순수 산소의 유량과 공기 유량의 증감은 상쇄되므로 1차 산화제 흐름의 유량 자체는 일정하게 제어된다.
이 경우, 순수 산소 및 공기 유량의 최소값을 모두 0이 되도록 제어함으로써 1차 산화제 흐름 중의 산소 농도를 약 21% ~ 100% 범위에서 변화시킬 수 있다.
즉, 순수 산소의 유량이 0인 경우, 1차 산화제 흐름의 산소 농도는 공기의 산소 농도와 같게 되고, 산소 농도는 약 21%가 된다. 반대로, 공기의 유량이 0인 경우는 1차 산화제 흐름은 순수 산소만으로 구성되고 산소 농도는 100%가 된다.
또한, 1차 산화제 흐름의 유량을 주기적으로 변화시키는 경우는, 예를 들어 도 7에 나타낸 바와 같이, 공기를 일정량으로 공급하면서 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키면 좋다. 이 경우는 순수 산소의 유량이 최대가 될 때에 산소 농도는 최대가 되고, 순수 산소의 유량이 최소가 될 때 산소 농도는 최소가 된다.
예를 들어, 순수 산소 유량의 최대값을 공기의 유량과 동일하게 되도록 하고 최소값을 0이 되도록 제어하면 산소 농도는 약 21% ~ 61%의 범위에서 주기적으로 변화하게 된다. 즉, 순수 산소의 유량이 최대일 때는 순수 산소와 공기의 유량 비율이 1 대 1이 되고, 1차 산화제 흐름 중의 산소 농도는 약 61%가 된다. 또한, 순수 산소 유량이 최소가 되는 때는 1차 산화제 유체는 공기만으로 구성되게 되고, 산소 농도는 약 21 %가 된다.
1차 산화제 흐름의 유량을 주기적으로 변화시키는 방법으로서, 공기의 유량을 일정하게 하고, 순수 산소의 유량을 정기적으로 변화시키는 방법에 대해서 설명했지만, 순수 산소의 유량을 일정하게 하고, 공기의 유량을 주기적으로 변화시켜도 좋고, 또한, 양쪽의 유량을 주기적으로 변화시켜도 상관없다.
이상과 같이하여 산화제 흐름의 유량과 산소 농도를 제어한다.
여기서 산소 비율에 대해서 설명한다. 산소 비율은 산화제 흐름으로, 버너(3) 및 버너(4)에 공급되는 공급 산소량을 버너(2)에 공급되는 연료 유체를 연소시키는데 필요한 이론상 필요한 산소량으로 나눈 값을 말한다. 따라서, 이론적으로는 산소 비율 1.0인 상태가 산소를 과부족 없이 사용하여 완전 연소할 수 있는 상태라고 할 수 있다. LNG 연소의 이론상 필요한 산소량은 LNG 조성에 따라 다르지만, 몰비(mole ratio)로 해서 대략 LNG의 2.3배이다.
이어서, 본 실시형태의 연료 흐름, 1차 산화제 흐름 및 2차 산화제 흐름의 제어에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는 연료 흐름의 유량을 일정하게 하고, 1차 산화제 흐름과 2차 산화제 흐름의 유량 중 적어도 하나를 주기적으로 변화시킨다. 또한, 1차 산화제 흐름과 2차 산화제 흐름으로 이루어진 산화제 흐름 중의 산소 농도가 주기적으로 변화하도록 제어하는 동시에, 산소 비율도 주기적 변화를 준다.
이 산소 농도의 주기적 변화와 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 갖도록 제어한다. 특히, 낮은 산소 비율이면서 높은 산소 농도 상태와, 높은 산소 비율이면서 낮은 산소 농도 상태가 주기적으로 발생하도록 제어하는 것이 바람직하다.
여기서 주기적 변화에 차이를 마련하는 것은 파형, 주파수, 위상이 완전히 일치하는 경우 이외를 말하는 의미이다. 예를 들어, 산소 비율 및 산소 농도의 파형이 모두 정현파이고, 동일한 주파수라 하더라도 위상에 차이가 발생하고 있는 것이라면 주기적 변화에 차이를 둔 것이 된다.
상기와 같은 제어의 일 예로서, 1차 산화제 흐름에 공급하는 공기의 유량과 순수 산소 유량을 모두 일정하게 하고, 2차 산화제 흐름에 공급하는 순수 산소의 유량을 일정하게 하여 2차 산화제 흐름에 공급하는 공기의 유량에 주기적 변화를 주도록 제어하는 것을 들 수 있다.
이 경우, 1차 산화제 흐름의 유량은 일정하지만, 2차 산화제 흐름의 유량은 주기적으로 변화를 하고 있다.
또한, 산화제 흐름 전체로 보면, 1차 산화제 흐름에 공급되는 공기와 순수 산소 및 2차 산화제 흐름에 공급되는 순수 산소의 유량은 일정하지만, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 주기적으로 변화하기 때문에 산소 농도도 주기적으로 변화한다. 구체적으로는 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소 농도는 최소가 되고, 반대로 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소 농도는 최대가 된다.
또한, 연료 흐름의 유량이 일정하므로 이론상 필요한 산소량은 일정하게 된다.
산화제 흐름 전체로 보면, 공급되는 산소의 절대량은 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소량은 최대가 되고, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소량은 최소가 된다.
따라서, 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율은 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소 비율은 최대가 되고, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소 비율은 최소가 된다.
즉, 상기 제어의 예에 의하면, 산소 농도가 최소일 때에 산소 비율은 최대가 되고, 산소 농도가 최대일 때에 산소비율은 최소가 되어 산소 농도와 산소 비율의 주기적 변화에는 차이가 생기게 된다.
상기 제어는 하나의 예이며, 이러한 제어에 한정되는 것이 아니라 적절하게 1차 산화제 흐름에 공급되는 공기와 순수 산소 및 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기와 순수 산소의 유량을 원하는 범위에서 제어하면 좋다.
특히, 2차 산화제 흐름의 유량을 주기적으로 변화하는 것이 바람직하며, 그때는 주파수가 0.01㎐ 이상 20㎐ 이하인 것이 바람직하고, 0.02㎐ 이상 2㎐ 이하인 것이 더 바람직하다.
또한, 산화제 흐름의 유량에서 차지하는 1차 산화제 흐름의 유량은 시간 평균으로 10% 이상 70% 이하인 것이 바람직하고, 10% 이상 50% 이하인 것이 더 바람직하다.
반대로 말하면, 산화제 흐름의 유량에서 차지하는 2차 산화제 흐름의 유량은 시간 평균 30% 이상 90% 이하인 것이 바람직하고, 50% 이상 90% 이하인 것이 더 바람직하다.
또한, 산화제 흐름 중의 산소 농도는 5% 이상 100% 이하인 것이 바람직하고, 21% 이상 100% 이하인 것이 더 바람직하다.
산소 비율에 대해서는 주기적으로 변화하도록 제어하지만, 산소 비율의 상한과 하한의 차이(즉, 산소 비율 진폭)가 0.2 이상인 것이 바람직하다. 또한, 산소 비율의 시간 평균이 1.0 이상인 것이 바람직하고, 1.05 이상인 것이 더 바람직하다.
또한, 산소 비율과 산소 농도의 주기적 변화는 동일 주파수인 것이 바람직하고, 그때는 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하인 것(즉, 산소 비율과 산소 농도의 위상차의 절대값이 π/2 이상인 것)이 바람직하고, 위상차가 π인 것이 더 바람직하다.
본 실시형태의 버너의 연소 방법에 의하면, 산화제 흐름이 연료 흐름의 주변 또는 근처에서 분출하는 1차 산화제 흐름과 복수의 2차 산화제 흐름으로 구성되기 때문에, 종래와 같이 1개의 산화제 흐름에 의해서 연소하는 경우와 비교하여 산화제 흐름의 공급 방법이 다르다. 게다가, 산소 농도 및 산소 비율을 주기적으로 변화시키고, 그러한 주기적인 변화에 차이를 두는 것으로, NOx를 대폭적이면서 확실하게 줄일 수 있다.
또한, 버너에 의한 연소는 주로 용해로나 가열로 등의 열 이용 설비나 장비의 이용이 상정(想定)되고 있는 경우, 당연하지만 에너지 절약의 관점에서 열 이용 효율의 향상도 지상 명제(至上命題)이며, 또한, 탄산가스의 배출 억제도 요구된다. 본 실시형태의 버너의 연소 방법에 의하면 이러한 요구도 만족시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 버너의 연소방법은 새로이 연소기를 설계하는 경우뿐만 아니라, 기존 연소기에서의 버너에도 적용할 수 있다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 본 발명을 적용한 제 2 실시형태인 버너의 연소 방법에 대해서 설명한다.
본 실시형태는 제 1 실시형태의 변형 예이며, 동일 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
본 실시형태는 제 1 실시형태와 비교하면, 연료 흐름의 유량을 주기적으로 변화시키도록 제어하는 점이 다르고, 그외의 버너의 구성은 동일하다.
본 실시형태의 연료 흐름의 유량은 주기적으로 변화하고 있고, 연료 흐름의 유량의 주기적 변화와 산소 비율의 주기적 변화가 동일 주파수로 제어되고 있다.
또한, 연료 흐름의 유량과 산소 비율의 주기적 변화의 위상차는 π/2 이상 3π/2 이하(즉, 연료 흐름의 유량과 산소 비율의 주기적 변화의 위상차의 절대값이 π/2 이상)로 제어되고, 이 위상차는 π인 것이 바람직하다.
이러한 제어의 일 예로서, 1차 산화제 흐름에 공급하는 1차 공기의 유량과 1차 산소의 유량을 모두 일정하게 하고, 2차 산화제 흐름에 공급하는 순수 산소의 유량을 일정하게 하고, 2차 산화제 흐름에 공급하는 공기의 유량에 주기적 변화를 주어 이 주기적 변화와 위상차가 π가 되도록 연료 흐름의 유량을 제어하는 것을 들 수 있다.
이 경우, 1차 산화제 흐름의 유량은 일정하지만, 2차 산화제 흐름의 유량은 주기적으로 변화를 하고 있다.
또한, 2차 산화제 흐름의 유량이 주기적으로 변화하기 때문에 산소 농도도 주기적으로 변화하고, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소 농도는 최소가 되고, 반대로 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소 농도는 최대가 된다.
산화제 흐름 전체로 보면, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소량은 최대가 되고, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소량은 최소가 된다.
한편으로, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 연료 흐름의 유량은 최소가 되고, 이론상 필요한 산소량은 가장 작아진다. 이에 대해, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 연료 흐름의 유량은 최대가 되고, 이론상 필요한 산소량은 최대가 된다.
따라서, 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율은 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최대일 때에 산소 비율은 최대가 되고, 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기의 유량이 최소일 때에 산소비율은 최소가 된다.
즉, 상기 제어의 예에 의하면, 산소 농도가 최소일 때에 산소 비율은 최대이면서 연료 흐름의 유량은 최소가 되고, 산소 농도가 최대일 때에 산소 비율은 최소이면서 연료 흐름의 유량은 최소가 되도록 산소 농도, 산소 비율 및 연료 흐름의 유량의 주기적 변화가 제어된다.
상기 제어는 하나의 예이며, 이러한 제어에 한정되는 것이 아니라 적절한 연료 흐름, 1차 산화제 흐름에 공급되는 공기와 순수 산소 및 2차 산화제 흐름에 공급되는 공기와 순수 산소의 유량을 원하는 범위에서 제어하면 좋다.
본 실시형태의 버너의 연소 방법도, 제 1 실시형태와 마찬가지로 종래와 같이 1개의 산화제 흐름에 의해서 연소하는 경우와 비교하여 산화제 흐름의 공급 방법이 다르기 때문에 NOx를 대폭적이고 확실하게 절감할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시형태에 따라 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다는 것은 말할 것도 없다.
예를 들어, 연료 흐름의 유량이나 1차 산화제 흐름 및 2차 산화제 흐름을 구성하는 공기 또는 산소 유량을 주기적으로 변화시킬 때는 정현파를 나타내는 주기적인 변화뿐만 아니라, 유량 변화가 구형파나 삼각파 같은 공급 패턴이어도 상관없다.
이하, 2차 산화제 흐름의 유량을 주기적으로 변화시켜서 버너를 연소한 때의 NOx 절감 효과에 대해서 실시 예를 보여서 설명한다. 본 발명은 이하의 실시 예에 한정되는 것이 아니라 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시 할 수 있다
[실시 예 1]
실시 예 1에서는, 직육면체의 시험로 측면에 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 1차 산화제 노즐(3)을 연료 노즐(2)의 외주를 둘러싸도록 배치하고, 2개의 2차 산화제 노즐(4)을 동일 평면상에서 연료 노즐(2)을 축을 중심으로 좌우 대칭인 위치에 배치한 버너(1)를 사용하여 실험을 실시했다. 2개의 2차 산화제 노즐(4) 사이의 거리(l)를 50㎝로 하고, 2차 산화제 노즐(4)에서 분출하는 2차 산화제 흐름의 유속을 100m/s로 했다. 시험로 바닥에는 노즐의 분출 방향과 직교하는 방향으로 복수의 수냉관(水冷管)을 배치하고, 각 수냉관의 입구와 출구에는 온도 측정용 저항체를 삽입했다.
연료는 LNG를 사용하고 연료 흐름의 유량은 일정하게 하여 평균 시간에서의 산소 비율을 1.05, 평균 시간에서의 산화제 흐름(1차 산화제 흐름과 2차 산화제 흐름의 합계) 중의 산소 농도는 일반적으로 배출 가스의 절감을 기대할 수 있는 40%로 했다.
또한, 시간 평균으로 1차 산화제 흐름에 포함된 산소의 유량과 2차 산화제 흐름에 포함된 산소 유량의 합계량(즉, 버너(1)에 공급되는 산소량)에 대한 1차 산화제 흐름에 포함된 산소의 유량을 30%로 하고, 2차 산화제 흐름에 포함된 산소의 유량을 70%로 했다. 다시 말해서, 1차 산화제 흐름에서는 이론상 필요한 산소량의 31.5%의 산소가 공급되고, 2차 산화제 흐름에서는 시간 평균으로 이론상 필요한 산소량의 73.5%가 공급되도록 했다.
1차 산화제 흐름의 유량은 일정하게 하고, 2차 산화제 흐름의 산소와 공기의 유량을 주기적으로 변화시키도록 했다. 산소 농도는 21% 이상 100% 이하가 되도록 하고, 산소 비율은 0.6 이상 1.5 이하로 하여 그 주기를 0.017㎐ ~ 100㎐의 범위에서 변화시켜서 시험을 실시하고 NOx 배출량, CO 농도, 전열 효율을 측정하였다. NOx 배출량의 결과를 도 8에, CO 농도의 결과를 도 9에, 전열 효율의 결과를 도 10에 나타낸다. 또한, NOx 배출량은 굴뚝에서 흡입 펌프를 사용하여 연속적으로 배기 가스를 흡입하여 화학 발광식의 연속식 NOx 농도 측정장치를 이용하여 측정하였다. CO 농도는 굴뚝에서 흡입펌프를 사용하여 연속적으로 배기 가스를 흡입하고 적외선 흡수식의 연속식 CO 농도 측정장치를 이용하여 측정하였다. 전열 효율은 시험로 바닥에 배치한 수냉관을 흐르는 물의 온도 변화와 유량에서 전열량을 계산하여 구했다.
시험 결과의 해석에 있어서, 종래기술로서 연료 노즐 주위에 산화제 노즐이 배치된 구조의 버너를 이용하여 산소 농도를 40%로 고정하고, 통상적으로 연소시켰을 경우의 NOx 배출량, CO 농도 및 전열 효율을 측정하였다. 이값을 각각 기준치 NOx(ref), 기준치 CO(ref), 기준치 전열 효율(ref)로 했다.
도 8 내지 도 10에서는 가로축(橫軸)은 주파수를 나타내고 있고, 세로축(縱軸)은 기준치 NOx(ref)를 사용하여 규격화된 NOx 배출량(NOx/NOx(ref)) 또는 기준치 CO(ref)를 사용하여 규격화한 CO 농도(CO/CO(ref)) 또는 기준치 전열 효율(ref)를 사용하여 규격화 한 전열 효율(전열 효율/전열 효율(ref))을 나타내고 있다.
도 8에서 알 수 있듯이, 2차 산화제 흐름을 이용해 그 유량을 주기적으로 변화시키는 것으로, NOx 배출량을 대폭으로 절감할 수 있었다. 또한, 2차 산화제 흐름의 유량의 주파수가 20㎐ 부분에서 NOx 배출량이 급격히 증가하는 경향이 있으며, 주파수는 20㎐ 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 도 9에서 알 수 있듯이, 2차 산화제 흐름을 사용할지 여부 및 그 유량의 주기적 변화의 주파수는 CO 농도에 그다지 영향을 주지 않는 경향이 있다.
또한, 도 10에서 알 수 있듯이, 2차 산화제 흐름의 유량을 주기적으로 변화시키는 것으로, 전열 효율을 향상시킬 수 있었다. 또한, 전열 효율은 2차 산화제 흐름의 주파수에는 그다지 영향을 받지 않는 경향이 있다.
[실시 예 2]
다음으로, 실시 예 2에서는 2개의 2차 산화제 노즐(4) 사이의 거리(l)를 변경하여 NOx 배출량에 미치는 영향을 조사했다. 구체적으로는 2개의 2차 산화제 노즐(4)의 사이의 거리(l)를 10, 20, 30, 40, 50㎝의 5가지 조건에 대한 2차 산화제 흐름의 주파수를 0.017㎐ ~ 100㎐ 범위로 변화시켰다. 다른 조건은 실시 예 1과 동일한 조건에서 실시했다.
NOx 배출량을 측정한 결과를 도 11에 나타낸다.
도 11에서 알 수 있듯이, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 실시 예 1에서의 기준치 NOx(ref)에 의해서 규격화된 NOx 배출량을 나타내고 있다.
도 11에서 밝혀진 바와 같이, 2차 산화제 노즐(4) 사이의 거리(l)를 크게 함에 따라 NOx 배출량은 감소한다. 또한, 2차 산화제 흐름 유량의 주파수가 20㎐일 때 급격히 NOx 배출량이 증가하는 경향이 있으므로, 주파수는 20㎐ 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
실시 예 2에서도 CO 농도를 측정한 결과, 노즐 사이의 거리는 CO 농도에 그다지 영향을 주지 않는 경향이 있었다.
또한, 실시 예 2에서도 전열 효율을 측정했지만, 노즐 사이의 거리는 전열 효율에 그다지 영향을 미치지 않는 경향이 있었다.
[실시 예 3]
다음으로, 실시 예 3에서는 노즐 직경을 변경하는 것으로 2차 산화제 흐름의 유속을 변경하여 NOx 배출량에 미치는 영향을 조사했다. 구체적으로는 2차 산화제 흐름의 유속이 10m/s, 20m/s, 30m/s, 60m/s, 100m/s, 200m/s, 300m/s의 7가지 조건에 대한 2차 산화제 흐름의 주파수를 0.017㎐ ~ 100㎐의 범위에서 변화시켰다. 다른 조건은 실시 예 1과 동일한 조건에서 실시했다.
NOx 배출량을 측정한 결과를 도 12에 나타낸다. 도 12에서 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 실시 예 1에서 기준치 NOx(ref)를 바탕으로 규격화된 NOx 배출량을 나타내고 있다.
도 12에서 알 수 있듯이, 2차 산화제 흐름의 유속을 증가시키면, NOx 배출량이 감소하는 경향이 있다. 특히, 유속이 20m/s 이상인 것이 바람직하고, 60m/s 이상인 것이 더 바람직한 것임을 알 수 있다.
실시 예 3에서도 CO 농도를 측정한 것 결과, 2차 산화제 흐름의 유속은 CO 농도에 그다지 영향을 주지 않는 경향이 있었다.
또한, 실시 예 3에서도 전열 효율을 측정했지만, 2차 산화제 흐름의 유속은 전열 효율에 그다지 영향을 미치지 않는 경향이 있었다.
1 : 버너
2 : 연료 노즐
3 : 1차 산화제 노즐
4 : 2차 산화제 노즐
5 : 연료 공급 배관
11 : 1차 산화제 공급 배관
12 : 2차 산화제 공급 배관
50, 60, 70, 80, 90 : 강제 진동 수단

Claims (12)

  1. 산화제 흐름과 연료 흐름을 공급하여 연소하는 버너의 연소방법이며,
    상기 산화제 흐름은 상기 연료 흐름의 주위 또는 상기 연료 흐름의 근처에서 분출하는 1차 산화제 흐름과 복수의 2차 산화제 흐름으로 이루어지고,
    상기 1차 산화제 흐름 및 복수의 상기 2차 산화제 흐름의 유량 중 적어도 하나를 주기적으로 변화시키는 동시에,
    상기 산화제 흐름 중의 산소 농도에 주기적인 변화를 주고,
    상기 산화제 흐름에 의해 공급되는 공급 산소량을 이론상 필요한 산소량으로 나눈 산소 비율에 주기적 변화를 주며,
    상기 산소 농도와 상기 산소 비율의 주기적 변화에 차이를 두는 것에 의해 연소 상태가 주기적인 진동 상태가 되는 버너의 연소 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상기 2차 산화제 흐름이 상기 연료 흐름을 중심으로 한 대칭인 위치에서 분출하는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화제 흐름의 유량에 대한 상기 1차 산화제 흐름의 유량 비율이 10% 이상 70% 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 산화제 흐름의 유량이 주기적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 산화제 흐름의 유량의 주기적 변화의 주파수가 0.01㎐ 이상 20㎐ 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주기적으로 변화하는 상기 산소 비율의 상한과 하한의 차이가 0.2 이상이고,
    1주기에서 상기 산소 비율의 평균값이 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 농도 및 상기 산소 비율의 주기적 변화가 동일한 주파수인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소 농도와 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 흐름의 유량이 주기적으로 변화하고,
    상기 연료 흐름의 유량의 주기적 변화 및 상기 산소 비율의 주기적 변화가 동일한 주파수이며,
    상기 연료 흐름의 유량과 상기 산소 비율의 주기적 변화의 위상차가 π/2 이상 3π/2 이하인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 유체가 산소와 공기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 유체가 산소와 연소 배기 가스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 산소가 실질적으로 순수 산소인 것을 특징으로 하는 버너의 연소 방법.
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