KR20140026700A - 부분 예혼합형 축열식 산소 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 연소방법 - Google Patents

부분 예혼합형 축열식 산소 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 연소방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부분 예혼합형 축열식 순산소 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 연소장치에 있어서, 내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실; 축열체로 구성되고 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실; 및 연소실과 축열실 사이에 구비되고, 연소모드시 축열실에서 예열된 산소 일부를 연소실 내로 분사시키고, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스를 축열실로 유입시키는 산소노즐채널과 산소노즐채널과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 축열실에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 축열실로 유입시키는 연료노즐채널을 구비하는 연소노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치에 관한 것이다.

Description

부분 예혼합형 축열식 산소 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 연소방법{Regenerative oxyfuel combustion system with fuel partial premixing and combustion method}
본 발명은 부분 예혼합형 축열식 순산소 연소 장치 및 그 연소장치를 이용한 연소방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 산화제로서 공기 대신 산소를 사용하고, 산소를 고온으로 예열하여 연료소비 및 연소배가스량을 획기적으로 저감하며, 저 과잉산소 무산화분위기 완전연소를 실현하여 피열물의 표면산화를 억제하기 위한 공업가열용 직화식 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치에 관한 것이다.
통상의 연소시스템은 연료를 공급하기 위한 연료공급부와 산화제를 공급하기 위한 산화제공급부 그리고 산화제와 연료가 분사되는 연소노즐 등을 포함하고 있다. 이러한 연소시스템 중 연소시 발생되는 배가스의 열량을 저장하기 위한 축열실을 갖는 축열식 연소시스템이 존재한다.
종래 이러한 축열식 연소시스템의 경우 산화제로서 공기를 사용하였다. 그리고, 축열식 연소시스템에 구비되는 축열실에 저장되는 열원으로 공급되는 공기를 예열하는데 사용되었다.
또한, 연소효율을 높이고 무산화 분위기를 유지하기 위해, 산화제를 예열하고, 투입되는 연료의 일부를 연소실 투입 전에 미리 개질(부분 산화)하는 단계가 필요하다.
또한, 최근 산화제로서 공기가 아닌 순산소를 사용하는 연소시스템이 존재하는데, 산화제로서 순산소를 사용하게 되는 경우 연소효율을 증대시킬 수 있고, 배가스에 NOx 등의 유해물질을 저감시킬 수 있고, 물과 이산화탄소만을 배가스로 배출시키게 되므로 이산화탄소의 포집이 용이하다는 장점을 갖게 된다.
도 1은 종래 산소 연소장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상의 산소 연소장치는 연소가 발생되는 연소실과 산소공급수단에 의해 연소실로 산소를 공급하기 위한 산소노즐채널과 연료공급수단에 의해 연소실로 연료를 공급하기 위한 연료노즐채널을 갖는 연소노즐을 포함하고 있음을 알 수 있다.
그러나, 이러한 산화제를 순산소로 사용하게 되는 경우 기존의 축열식 연소시스템을 적용하기 힘든 문제가 존재하였다. 즉, 기존의 축열식 연소시스템을 산화제로 산소만을 이용하는 순산소 연소 시스템에 그대로 적용하게 되는 경우, 예열에 필요한 열량에 비해 연소시 발생되는 배가스가 갖고 있는 열량이 상대적으로 크기 때문에 결국 배가스의 열량을 제대로 활용할 수 없고, 전체 시스템의 밸런스를 맞출 수 없게 되는 문제가 존재하게 된다.
또한, 종래 공기를 산화제로 사용하는 축열식 연소장치의 경우 고온으로 예열된 공기를 사용함에도 연료의 완전연소를 위해서 일정량 이상의 과잉공기를 사용하게 되고, 따라서 공업가열로의 연소실은 산화분위기를 유지하게 되어 피열물의 표면산화에 의한 피열물 손실이 발생되게 되는 문제가 존재하였다. 또한, 대량의 연소용 공기의 사용으로 가열로의 압력은 운전조건 이상으로 높아져 연소배가스의 일부를 직접 배출하여 로압을 제어하는데 다른 잉여 열손실이 발생되게 되는 문제가 존재하였다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 산화제로서 공기 대신 산소를 사용하고, 산소를 고온으로 예열하고 과잉상소(공기 중의 산소)량을 최소화하되 연료의 완전연소가 가능하도록 부분 예혼합 연소 기능을 부여하여 가열로의 연소실을 무산화분위기로 유지하게 됨으로써 피열물의 표면산화를 억제하고, 아울러 공기연소 대비 연소배가스량을 저감하여 연소배가스의 상당량을 직접 배출하지 않고도 로압을 적정수준으로 유지할 수 있으므로 잉여 열손실을 저감할 수 있는 부분 예혼합형 축열식 산소연소장치를 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은 연소장치에 있어서, 내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실; 축열체로 구성되고 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실; 및 연소실과 축열실 사이에 구비되고, 연소모드시 축열실에서 예열된 산소 일부를 연소실 내로 분사시키고, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스를 축열실로 유입시키는 산소노즐채널과 산소노즐채널과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 축열실에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소가 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 축열실로 유입시키는 연료노즐채널을 구비하는 연소노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치로서 달성할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 연소장치에 있어서, 내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실; 연소실의 일측과 타측 각각에 구비되며 축열체로 구성되고 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실; 및 연소실과 축열실 사이 각각에 구비되고, 연소모드시 축열실에서 예열된 산소 일부를 연소실 내로 분사시키고, 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스를 축열실로 유입시키는 산소노즐채널과 산소노즐채널과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 축열실에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 축열실로 유입시키는 연료노즐채널을 구비하는 연소노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치로서 달성될 수 있다.
산소노즐채널 및 연료노즐채널은 슬릿형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널의 출력단과 산소노즐채널의 출력단의 사이간격은 산소노즐채널의 출력단 높이의 2배 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널 내로 연료를 공급하는 연료공급관은 복수로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널의 외면에는 연료노즐채널의 길이방향으로 내열성 금속판이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널의 내부에는 내열성 다공체가 삽입설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
산소노즐채널과 연결되고 내부에 점화봉이 설치되어 산소노즐채널로 공급되는 산소를 점화시키기 위한 점화관과 점화관으로 점화용 연료를 공급시키기 위한 점화용 연료공급관을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널과 산소노즐채널의 단면 높이는 연소실측으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연소모드시 축열실로 산소를 공급하기 위한 산소공급수단 및 연소모드시 연료공급관으로 연료를 공급하기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
축열체는 세라믹재질의 구형체, 하니컴 또는 다공체로 충진된 것을 특징으로 할 수 있다.
연소실 내부 온도를 측정하는 제1온도측정수단; 축열실의 온도를 측정하는 제2온도측정수단 및 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 축열실의 모드를 변경하고, 산소공급수단과 연료공급수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 제3목적은 산소공급수단에 의해 축열실로 산소가 공급되어 예열되는 단계; 예열된 산소 일부가 연소노즐의 산소노즐채널로 유입되어 연소실로 분사되는 단계; 예열된 나머지 산소가 연소노즐의 연료노즐채널로 유입되고, 연료공급관에 의해 연료노즐채널로 연료가 유입되어 산소와 혼합되어 연소실 분사되는 단계; 연소실 내에서 연료가 연소되는 단계; 및 축열모드로 전환되어 연소실에서 발생된 배가스가 산소노즐채널과 연료노즐채널을 통해 축열실을 유입되어 축열실을 가열하고 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은 산소공급수단에 의해 연소실의 일측과 타측 각각에 구비된 제1축열실과 제2축열실 중 연소모드인 제1축열실로 산소가 공급되어 예열되는 단계; 예열된 산소 일부가 제1축열실과 연소실 사이에 구비된 연소모드인 제1연소노즐의 산소노즐채널로 유입되어 연소실로 분사되는 단계; 예열된 나머지 산소가 제1연소노즐의 연료노즐채널로 유입되고, 연료공급관에 의해 제1연소노즐의 연료노즐채널로 연료가 유입되어 산소와 혼합되어 연소실 분사되는 단계; 연소실 내에서 연료가 연소되는 단계; 및 연소실에서 발생된 배가스가 축열모드인 제2연소노즐의 산소노즐채널과 연료노즐채널을 통해 축열모드인 제2축열실을 유입되어 제2축열실을 가열하고 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법으로서 달성될 수 있다.
연료공급수단에 의해 복수로 구성된 연료공급관으로 연료를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐채널 외면에 연료노즐채널의 길이방향으로 내열성 금속판이 설치되어 연료노즐채널로 유입된 연료가 예열되고, 부분산화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료노즐 채널 내부에 내열성 다공체가 삽입 설치되어 연료노즐채널로 유입된 연료가 예열되고, 부분 산화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
점화용 연료공급관에 의해 내부에 점화봉이 설치되어 산소노즐채널로 공급되는 산소를 점화시키기 위한 점화관으로 점화용 연료를 공급시키기 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제어부가 제1온도측정수단에 의해 측정된 연소실 내부 온도값와 제2온도측정수단에 의해 측정된 축열실 온도값을 기반으로 축열실의 모드를 변경하고, 산소공급수단과 연료공급수단을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제어부가 제1온도측정수단에 의해 측정된 연소실 내부 온도값와 제2온도측정수단에 의해 측정된 축열실 온도값을 기반으로 산소공급수단과 연료공급수단을 제어하고, 제1축열실을 축열모드로 변환시키고 제2축열실을 연소모드로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 산화제로서 공기 대신 산소를 사용하게 됨으로써 연소안정성을 향상시키고, 연소배가스량 저감을 통한 열손실을 최소화하며, 산소를 고온 예열함으로써 연소성이 극대화되고, 슬릿형 연료 노즐 채널 내로 별도로 공급되는 연료는 축열과정에서 고온으로 가열된 내열성 금속재(또는 내열성 다공체)와 열교환을 통해 예열되는 동시에 예열된 연료는 슬릿형 연료노즐 채널 내에서 축열실로부터 유입된 일정량의 고온 산소와 부분 예혼합(부분산화)되고 별도의 슬릿형 노즐을 갖는 고온 산소와 상대적으로 넓은 표면적으로 분사 혼합되어 초 저 과잉산소비 완전연소(무산화 완전연소)가 가능하게 되는 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래 산소 연소장치의 단면도,
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 2b는 도 2a의 A-A 단면도,
도 2c는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 2d는 본 발명의 제1실시예에 따른 축열모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법의 흐름도,
도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실이 연소모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실이 축열모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법의 흐름도,
도 6a는 본 발명의 제3실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 6b는 도 5a의 B-B 단면도,
도 6c는 도 5a의 C-C 단면도,
도 6d는 본 발명의 제3실시예에 따른 연소모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 6e는 본 발명의 제3실시예에 따른 축열모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 제1축열실이 연소모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도,
도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 제1축열실이 축열모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치의 단면도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2b는 도 2a의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)는 내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실(10), 축열체로 구성되고 축열모드시 연소실(10)에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실(40) 및 연소실(10)과 축열실(40) 사이에 구비되고, 연소모드시 축열실(40)에서 예열된 산소 일부를 연소실(10) 내로 분사시키고, 축열모드시 연소실(10)에서 발생된 배가스를 축열실(40)로 유입시키는 산소노즐채널(2)과 산소노즐채널(2)과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 축열실(40)에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 축열실(40)로 유입시키는 연료노즐채널(3)을 구비하는 연소노즐(20) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.
축열실(40)은 내부가 축열체로 충진되어 있고, 축열체는 통상의 축열기능을 갖는 세라믹 체질의 구형체, 하니컴 또는 다공체로 구성될 수 있다. 이러한 축열실(40)은 후에 설명되는 바와 같이, 연소모드시에는 산소공급수단에 의해 산소가 유입되어 산소가 예열되고, 축열모드시에는 연소실(10)에서 연소에 의해 발생된 배가스가 유입되어 축열체를 가열하게 된다.
또한, 연소노즐(20)은 연료노즐채널(3)와 산소노즐채널(2)이 형성되어 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 슬릿형으로 구성된다. 따라서 연소실(10)에서 평탄한 화염을 발생시킬 수 있게 된다. 그리고, 후에 설명되는 바와 같이, 축열실(40)로 유입되어 예열된 산소 일부는 산소노즐채널(2)로 유입되게 되고, 나머지 예열된 산소는 연료노즐채널(3)로 유입되게 된다. 산소노즐채널(2)와 연료노즐채널(3)로 유입되는 예열된 산소의 비는 입력단의 산소노즐채널(2)의 단면적과 연료노즐채널(3)의 단면적의 비에 따라 결정되게 된다.
또한, 연료노즐채널(3)의 출력단과 산소노즐채널(2)의 출력단 사이의 거리는 산소노즐채널(2)의 출력단의 높이의 2배 이상이 됨이 바람직하다. 그리고, 연료노즐채널(3)의 일측에는 연료공급수단에 의해 연료가 공급되는 연료공급관(30)이 구비되어 있다. 따라서 연료노즐채널(3)에서는 연료공급관(30)에 의해 연료가 유입되고, 예열된 산소가 유입되게 된다.
그리고, 연료노즐채널(3)의 길이방향을 따라 도 2a에 도시된 바와 같이, 내열성 금속판(31)이 설치되어 지거나, 연료노즐채널(3)의 내부에 내열성 다공체가 삽입설치되어 질 수 있다. 따라서 축열모드시 배가스가 연료노즐채널(3)을 통과하면서 배가스의 열에 의해 내열성 금속판(31) 또는 내열성 다공체가 가열되게 되고, 연소모드기 연료가 예열됨과 동시에 연료와 산소의 부분 예혼합에 의한 부분산화가 발생되게 된다.
또한, 산소노즐채널(2)의 일측에는 점화관(50)이 더 구비될 수 있다. 이러한 점화관(50) 내부에는 점화봉(51)이 설치되며, 점화관(50) 일측으로 점화용 연료공급관(52)이 구비되어 점화관(50) 내부로 점화용 연료가 공급되도록 구성될 수 있다.
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)를 이용한 연소방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 2c는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2d는 본 발명의 제1실시예에 따른 축열모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 산소공급수단에 의해 연소모드인 축열실(40)로 산소가 공급되고 축열실(40)을 통과하면서 산소가 예열되게 된다(S1). 그리고, 예열된 산소 일부는 연소노즐(20)의 산소노즐채널(2)로 유입되게 되고(S2), 예열된 나머지 산소는 연소노즐(20)의 연료노즐채널(3)로 유입되며 동시에 연료공급수단에 의해 연료가 연료공급관(30)을 통해 연료노즐채널(3)로 유입되게 된다(S3). 그리고, 연료노즐채널(3)내에서 연료와 예열된 산소가 예혼합되면서 연료가 예열되고, 내열성 금속판(31)과 열교환되면서 부분산화가 발생되게 된다.
그리고 산소노즐채널(2)에 의해 예열된 산소가 연소실(10) 내로 분사되게 되고, 연료노즐채널(3)에 의해 예혼합 및 부분산화된 연료가 연소실(10)로 분사되어 연소되게 된다(S4).
이러한 과정은 모드가 변경될 때까지 계속되게 된다. 또한, 본 발명은 연소실(10)의 내부 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과 축열실(40)의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 포함할 수 있고, 제어부는 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기초로 모드를 변경할지를 판단하게 된다(S5).
제어부의 제어신호에 의해 모드가 변경되는 경우 연소모드가 축열모드로 전환되게 된다. 축열모드로 전환되게 되면, 산소공급수단과 연료공급수단에서 산소와 연료공급이 중단되고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 연소노즐(20)의 산소노즐채널(2)과 연료노즐채널(3)을 통해 축열실(40)로 유입되게 된다(S6). 배가스가 축열실(40)을 통과하게 되면서 축열실(40)이 가열되게 된다(S7). 이러한 축열모드가 완료된 경우에는 다시 연소모드로 전환되게 된다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실(40-1)이 연소모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 제1축열실(40-1)이 축열모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)는 연소실(10)의 일측과 타측 각각에 연소노즐(20)과 축열실(40)을 구비하고 있다. 즉, 연소실(10)을 기준으로 연소노즐(20)과 축열실(40)이 대칭을 이루로 있음을 알 수 있다.
각각의 연소노즐(20)의 구성과 축열실(40)의 구성은 제1실시예와 동일하다. 이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 작동방법, 즉, 연소방법을 중심으로 설명하도록 한다. 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1축열실(40-1)과 제1연소노즐(20-1)이 연소모드로 작동하고, 제2축열실(40-2)과 제2연소노즐(20-2)이 축열모드로 작동하게 되는 경우, 산소공급수단에 의해 산소가 연소모드인 제1축열실(40-1)로 유입되어 산소가 예열되게 된다(S10). 그리고, 제1축열실(40-1)에서 예열된 산소 일부는 연소모드인 제1연소노즐(20-1)의 산소노즐채널(2)로 유입되고(S20), 예열된 산소 나머지는 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)로 유입되게 된다(S30).
그리고, 제1연소노즐(20-1)에 구비된 연료공급관(30)을 통하여 연료공급수단에서 공급된 연료가 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)로 유입되어(S40) 연료와 산소가 예혼합되게 된다. 그리고, 앞서 언급한 바와 같이, 연료노즐채널(3)에는 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체가 구비되어 연료가 예열됨과 동시에 부분산화가 일어나게 된다.
그리고, 산소노즐채널(2)에 의해 분사된 산소와 연료노즐채널(3)에 의해 분사된 예열되고 부분산화된 연료가 연소되어 화염을 발생시키게 된다. 그리고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 축열모드인 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)와 산소노즐채널(2)을 통과하여 축열모드인 제2축열실(40-2)로 유입되게 된다(S60). 이때, 배가스가 연료노즐채널(3)을 통과하게 되면서 연료노즐채널(3)에 구비된 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체를 가열하게 된다. 그리고, 배가스가 축열모드인 제2축열실(40-2)을 통과하면서 제2축열실(40-2)을 가열하고 외부로 배출되게 된다(S70).
모드가 변경되기 전까지 이러한 과정이 반복되게 되고, 제어부에 의해 모드가 변경되게 되면 제1축열실(40-1)과 제1연소노즐(20-1)이 축열모드로 전환되고, 제2축열실(40-2)과 제2연소노즐(20-2)이 연소모드로 전환되게 된다.
본 발명의 제2실시예에 따른 연소장치(100)는 연소실(10)의 내부 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과 축열실(40)의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 포함할 수 있고, 제어부는 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기초로 모드를 변경할지를 판단하게 된다
모드가 변경되게 되는 경우, 제어부는 산소공급수단이 제1축열실(40-1)이 아닌 연소모드로 변환된 제2축열실(40-2)로 산소를 공급하도록 제어하게 된다. 따라서 산소공급수단에 의해 연소모드인 제2축열실(40-2)로 산소가 유입되어 예열되게 된다(S90).
그리고, 제2축열실(40-2)에서 예열된 산소 일부는 도 4b에 도시된 바와 같이, 연소모드인 제2연소노즐(20-2)의 산소노즐채널(2)로 유입되고(S100), 예열된 산소 나머지는 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)로 유입되게 됨을 알 수 있다(S110).
그리고, 제2연소노즐(20-2)에 구비된 연료공급관(30)을 통하여 연료공급수단에서 공급된 연료가 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)로 유입되어(S120) 연료와 산소가 예혼합되게 된다. 그리고, 앞서 언급한 바와 같이, 연료노즐채널(3)에는 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체가 구비되어 연료가 예열됨과 동시에 부분산화가 일어나게 된다.
그리고, 산소노즐채널(2)에 의해 분사된 산소와 연료노즐채널(3)에 의해 분사된 예열되고 부분산화된 연료가 연소되어 화염을 발생시키게 된다(S130). 그리고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 축열모드인 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)와 산소노즐채널(2)을 통과하여 축열모드인 제1축열실(40-1)로 유입되게 된다(S140). 이때, 배가스가 연료노즐채널(3)을 통과하게 되면서 연료노즐채널(3)에 구비된 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체를 가열하게 된다. 그리고, 배가스가 축열모드인 제1축열실(40-1)을 통과하면서 제1축열실(40-1)을 가열하고 외부로 배출되게 된다(S150).
이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 6a 본 발명의 제3실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6b는 도 5a의 B-B 단면도를 도시한 것이고, 도 6c는 도 5a의 C-C 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)는 기본적으로 본 발명의 제1실시예와 동일한 기능을 수행하게 된다. 다만, 제1실시예에서와 달리, 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 복수의 연료공급관(30)을 구비하고 있고, 산소노즐채널(2)의 단면높이가 입력단 측에서 점진적으로 감소되는 형상을 갖고 있으며, 연료노즐채널(3)의 경우, 입력단과 연료공급관(30) 사이에 위치한 연료노즐채널(3)은 연소실(10) 측으로 갈수록 점진적으로 단면높이가 감소되고, 연료공급관(30)이 연결된 부분에서 출력단까지는 단면높이가 점진적으로 증가되는 형상으로 구비됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 동작방법 즉, 연소방법은 제1실시예와 동일하다. 도 6d는 본 발명의 제3실시예에 따른 연소모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이고, 도 6e는 본 발명의 제3실시예에 따른 축열모드인 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 산소공급수단에 의해 연소모드인 축열실(40)로 산소가 공급되고 축열실(40)을 통과하면서 산소가 예열되게 된다. 그리고, 예열된 산소 일부는 연소노즐(20)의 산소노즐채널(2)로 유입되게 되고, 예열된 나머지 산소는 연소노즐(20)의 연료노즐채널(3)로 유입되며 동시에 연료공급수단에 의해 연료가 복수의 연료공급관(30)을 통해 연료노즐채널(3)로 유입되게 된다. 그리고, 연료노즐채널(3) 내에서 연료와 예열된 산소가 예혼합되면서 연료가 예열되게 된다.
그리고 산소노즐채널(2)에 의해 예열된 산소가 연소실(10) 내로 분사되게 되고, 연료노즐채널(3)에 의해 예혼합 및 부분산화된 연료가 연소실(10)로 분사되어 연소되게 된다.
이러한 과정은 모드가 변경될 때까지 계속되게 된다. 또한, 본 발명은 앞서 언급한 바와 같이, 연소실(10)의 내부 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과 축열실(40)의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 포함할 수 있고, 제어부는 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기초로 모드를 변경할지를 판단하게 된다.
제어부의 제어신호에 의해 모드가 변경되는 경우 연소모드가 축열모드로 전환되게 된다. 축열모드로 전환되게 되면, 산소공급수단과 연료공급수단에서 산소와 연료공급이 중단되고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 연소노즐(20)의 산소노즐채널(2)과 연료노즐채널(3)을 통해 축열실(40)로 유입되게 된다. 배가스가 축열실(40)을 통과하게 되면서 축열실(40)이 가열되게 된다. 이러한 축열모드가 완료된 경우에는 다시 연소모드로 전환되게 된다.
이하에서는 본 발명의 제4실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 제1축열실(40-1)이 연소모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 제1축열실(40-1)이 축열모드로 작동되는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)는 연소실(10)의 일측과 타측 각각에 연소노즐(20)과 축열실(40)을 구비하고 있다. 즉, 연소실(10)을 기준으로 연소노즐(20)과 축열실(40)이 대칭을 이루로 있음을 알 수 있다.
각각의 연소노즐(20)의 구성과 축열실(40)의 구성은 제3실시예와 동일하다. 또한, 제4실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치(100)의 작동방법, 즉, 연소방법은 앞서 언급한 제2실시예에 따른 부분 예혼합형 축열식 산소연소장치(100)의 작동방법과 동일하다.
즉, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1축열실(40-1)과 제1연소노즐(20-1)이 연소모드로 작동하고, 제2축열실(40-2)과 제2연소노즐(20-2)이 축열모드로 작동하게 되는 경우, 산소공급수단에 의해 산소가 연소모드인 제1축열실(40-1)로 유입되어 산소가 예열되게 된다. 그리고, 제1축열실(40-1)에서 예열된 산소 일부는 연소모드인 제1연소노즐(20-1)의 산소노즐채널(2)로 유입되고, 예열된 산소 나머지는 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)로 유입되게 된다.
그리고, 제1연소노즐(20-1)에 구비된 복수의 연료공급관(30)을 통하여 연료공급수단에서 공급된 연료가 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)로 유입되어 연료와 산소가 예혼합되고 연료가 부분산화되게 된다.
그리고, 산소노즐채널(2)에 의해 분사된 산소와 연료노즐채널(3)에 의해 분사된 예열되고 부분산화된 연료가 연소되어 화염을 발생시키게 된다. 그리고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 축열모드인 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)와 산소노즐채널(2)을 통과하여 축열모드인 제2축열실(40-2)로 유입되게 된다. 그리고, 배가스가 축열모드인 제2축열실(40-2)을 통과하면서 제2축열실(40-2)을 가열하고 외부로 배출되게 된다.
모드가 변경되기 전까지 이러한 과정이 반복되게 되고, 제어부에 의해 모드가 변경되게 되면 제1축열실(40-1)과 제1연소노즐(20-1)이 축열모드로 전환되고, 제2축열실(40-2)과 제2연소노즐(20-2)이 연소모드로 전환되게 된다.
본 발명의 제4실시예에 따른 연소장치(100)는 연소실(10)의 내부 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과 축열실(40)의 내부온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 포함할 수 있고, 제어부는 제1온도측정수단과 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기초로 모드를 변경할지를 판단하게 된다
모드가 변경되게 되는 경우, 제어부는 산소공급수단이 제1축열실(40-1)이 아닌 연소모드로 변환된 제2축열실(40-2)로 산소를 공급하도록 제어하게 된다. 따라서 산소공급수단에 의해 연소모드인 제2축열실(40-2)로 산소가 유입되어 예열되게 된다.
그리고, 제2축열실(40-2)에서 예열된 산소 일부는 도 7b에 도시된 바와 같이, 연소모드인 제2연소노즐(20-2)의 산소노즐채널(2)로 유입되고, 예열된 산소 나머지는 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)로 유입되게 됨을 알 수 있다.
그리고, 제2연소노즐(20-2)에 구비된 복수의 연료공급관(30)을 통하여 연료공급수단에서 공급된 연료가 제2연소노즐(20-2)의 연료노즐채널(3)로 유입되어, 연료와 산소가 예혼합되게 된다. 그리고, 앞서 언급한 바와 같이, 연료노즐채널(3)에는 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체가 구비되어 연료가 예열됨과 동시에 부분산화가 일어나게 된다.
그리고, 산소노즐채널(2)에 의해 분사된 산소와 연료노즐채널(3)에 의해 분사된 예열되고 부분산화된 연료가 연소되어 화염을 발생시키게 된다. 그리고, 연소실(10)에서 발생된 배가스는 축열모드인 제1연소노즐(20-1)의 연료노즐채널(3)와 산소노즐채널(2)을 통과하여 축열모드인 제1축열실(40-1)로 유입되게 된다. 이때, 배가스가 연료노즐채널(3)을 통과하게 되면서 연료노즐채널(3)에 구비된 내열성금속판(31) 또는 내열성다공체를 가열하게 된다. 그리고, 배가스가 축열모드인 제1축열실(40-1)을 통과하면서 제1축열실(40-1)을 가열하고 외부로 배출되게 된다.
1:종래 연소장치
2:산소노즐채널
3:연료노즐채널
10:연소실
20:연소노즐
20-1:제1연소노즐
20-2:제2연소노즐
30:연료공급관
31:내열성 금속판
40:축열실
40-1:제1축열실
40-2:제2축열실
50:점화관
51:점화봉
52:점화용 연료 공급관
100:부분 예혼합형 축열식 순산소 연소 장치

Claims (20)

  1. 연소장치에 있어서,
    내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실;
    축열체로 구성되고 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실; 및
    연소실과 축열실 사이에 구비되고, 연소모드시 상기 축열실에서 예열된 산소 일부를 상기 연소실 내로 분사시키고, 축열모드시 상기 연소실에서 발생된 배가스를 상기 축열실로 유입시키는 산소노즐채널과 상기 산소노즐채널과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 상기 축열실에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소가 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 상기 축열실로 유입시키는 연료노즐채널을 구비하는 연소노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  2. 연소장치에 있어서,
    내부로 산소와 연료가 공급되어 연소가 발생되는 연소실;
    상기 연소실의 일측과 타측 각각에 구비되며 축열체로 구성되고 축열모드시 연소실에서 발생된 배가스가 유입되어 가열되고, 연소모드시 산소가 유입되어 유입된 산소를 예열시키는 축열실; 및
    상기 연소실과 상기 축열실 사이 각각에 구비되고, 연소모드시 상기 축열실에서 예열된 산소 일부를 상기 연소실 내로 분사시키고, 축열모드시 상기 연소실에서 발생된 배가스를 상기 축열실로 유입시키는 산소노즐채널과 상기 산소노즐채널과 특정간격 이격되어 구비되며 연소모드시 연료공급관에 의해 내부로 연료가 유입되고 상기 축열실에서 예열된 나머지 산소가 유입되어 연료와 산소 예혼합되고, 축열모드시 배가스를 상기 축열실로 유입시키는 연료노즐채널을 구비하는 연소노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소노즐채널 및 상기 연료노즐채널은 슬릿형태를 갖는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료노즐채널의 출력단과 상기 산소노즐채널의 출력단의 사이간격은 상기 산소노즐채널의 출력단 높이의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  5. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료노즐채널 내로 연료를 공급하는 연료공급관은 복수로 구성되는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  6. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료노즐채널의 외면에는 상기 연료노즐채널의 길이방향으로 내열성 금속판이 설치되는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  7. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료노즐채널의 내부에는 내열성 다공체가 삽입설치되는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  8. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소노즐채널과 연결되고 내부에 점화봉이 설치되어 상기 산소노즐채널로 공급되는 산소를 점화시키기 위한 점화관과 상기 점화관으로 점화용 연료를 공급시키기 위한 점화용 연료공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료노즐채널과 상기 산소노즐채널의 단면 높이는 연소실측으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  10. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    연소모드시 상기 축열실로 산소를 공급하기 위한 산소공급수단 및
    연소모드시 상기 연료공급관으로 연료를 공급하기 위한 연료공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 축열체는 세라믹재질의 구형체, 하니컴 또는 다공체로 충진된 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    연소실 내부 온도를 측정하는 제1온도측정수단;
    상기 축열실의 온도를 측정하는 제2온도측정수단 및
    상기 제1온도측정수단과 상기 제2온도측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 축열실의 모드를 변경하고, 상기 산소공급수단과 상기 연료공급수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소장치.
  13. 산소공급수단에 의해 축열실로 산소가 공급되어 예열되는 단계;
    예열된 산소 일부가 연소노즐의 산소노즐채널로 유입되어 연소실로 분사되는 단계;
    예열된 나머지 산소가 연소노즐의 연료노즐채널로 유입되고, 연료공급관에 의해 연료노즐채널로 연료가 유입되어 산소와 예혼합되어 연소실 분사되는 단계;
    연소실 내에서 연료가 연소되는 단계; 및
    축열모드로 전환되어 연소실에서 발생된 배가스가 상기 산소노즐채널과 상기 연료노즐채널을 통해 상기 축열실을 유입되어 상기 축열실을 가열하고 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  14. 산소공급수단에 의해 연소실의 일측과 타측 각각에 구비된 제1축열실과 제2축열실 중 연소모드인 제1축열실로 산소가 공급되어 예열되는 단계;
    예열된 산소 일부가 제1축열실과 연소실 사이에 구비된 연소모드인 제1연소노즐의 산소노즐채널로 유입되어 연소실로 분사되는 단계;
    예열된 나머지 산소가 상기 제1연소노즐의 연료노즐채널로 유입되고, 연료공급관에 의해 상기 제1연소노즐의 연료노즐채널로 연료가 유입되어 산소와 예혼합되어 연소실 분사되는 단계;
    연소실 내에서 연료가 연소되는 단계; 및
    연소실에서 발생된 배가스가 축열모드인 제2연소노즐의 산소노즐채널과 연료노즐채널을 통해 축열모드인 제2축열실로 유입되어 상기 제2축열실을 가열하고 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  15. 제 13항 또는 제14항에 있어서,
    연료공급수단에 의해 복수로 구성된 상기 연료공급관으로 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  16. 제 13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 연료노즐채널 외면에 상기 연료노즐채널의 길이방향으로 내열성 금속판이 설치되어 상기 연료노즐채널로 유입된 연료가 예열되고, 부분산화되는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  17. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 연료노즐채널 내부에 내열성 다공체가 삽입 설치되어 상기 연료노즐채널로 유입된 연료가 예열되고, 부분산화되는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  18. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    점화용 연료공급관에 의해 내부에 점화봉이 설치되어 상기 산소노즐채널로 공급되는 산소를 점화시키기 위한 점화관으로 점화용 연료를 공급시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    제어부가 제1온도측정수단에 의해 측정된 연소실 내부 온도값와 제2온도측정수단에 의해 측정된 축열실 온도값을 기반으로 상기 축열실의 모드를 변경하고, 상기 산소공급수단과 상기 연료공급수단을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
  20. 제 14항에 있어서,
    제어부가 제1온도측정수단에 의해 측정된 연소실 내부 온도값와 제2온도측정수단에 의해 측정된 축열실 온도값을 기반으로 상기 산소공급수단과 상기 연료공급수단을 제어하고, 상기 제1축열실을 축열모드로 변환시키고 상기 제2축열실을 연소모드로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 예혼합형 축열식 산소 연소방법.
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