KR20170138042A - 초저질소산화물 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소가스의 내부 재순환 및 연료 최적화를 통한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것으로, 본 발명은, 연소로; 일측이 상기 연소로 내에 삽입되되, 삽입된 일측 및 외주면이 상기 연소로의 내면과 소정간격 이격되어 위치하는 버너; 상기 버너의 중앙에 위치하는 주연료분사체; 상기 주연료분사체를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너의 일측단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료분사체; 상기 버너의 외주면에서 상기 보조연료분사체의 단부가 위치하는 근방에 위치하는 연료 재순환 포트; 및 상기 연소로 내에서 발생하는 연소가스에 포함된 CO농도를 감지하는 센서;를 포함하는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.

Description

초저질소산화물 연소장치{Low NOx Burner}

본 발명은 연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하되, 보다 효율적인 연소가스 유동을 위한 버너의 구성과 연료 분배 최적제어를 통하여 연소가스의 내부재순환을 보다 효율적으로 구현한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것이다.

현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다. 주된 환경 오염원으로는 질소 산화물(NOx), 이산화탄소(CO₂) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.

기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2 의 화학식을 갖는 질소 산화물(NOx)의 생성이 불가피하다. 이의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다. 연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다. 특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.

질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx), 급속 질소산화물(Prompt NOx), 및 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 1600℃ 이상의 고온에서 반응하여 생성되는 것이고, 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소 초기에 생성되는 것이며, 연료 질소산화물은 연료 중에 함유된 질소 성분의 반응에 의해 생성된다. 이와 같은 질소 산화물의 대책에 있어서도 천연가스와 같은 기체연료에는 연료 중에 질소성분이 함유되어 있지 않기 때문에 Thermal NOx 및 Prompt NOx에 관련된 사항을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.

질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하였다.

이로 인해 현재 시도되고 있는 저 NOx 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR, selective catalytic reduction) 등이 있다. 최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거하는 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있다.

상기와 같이 NOx를 저감하기 위한 종래의 방법으로서, 특허문헌 1에는 질소 산화물(NOx)의 발생량을 저감할 수 있게 하기 위하여 연소용 공기를 일반공기와 배가스를 혼합하여 3단계로 나누어 공급하되 각 단의 혼합비를 각각 다르게 함으로써, 다단 연소에 의한 국부고온역 생성을 최소화하고, 연소영역을 확장하여 보일러 내부의 균일가열을 이루기 위한, 액체 및 가스용 배가스 재순환 3단버너를 제공한다.

상기 특허문헌 1에서는 배기가스를 재순환시키기 위한 요소로서 복수의 배가스 공급관, 재순환덕트, 및 댐퍼 등의 별도의 장치들을 구비함으로써 배기가스를 연소로 내로 재유입되도록 하지만, 상기 장치들이 연소로의 외부에 별도로 장치되어야 하므로 필요 공간이 많아진다는 단점이 있다.

한편, 특허문헌 2는, 본 출원인에 의해 선출원된 등록 특허를 참조하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 연소로(1') 내에서 발생하는 연소가스(3', 4')를 연소로의 외부 연결통로가 아닌 연소로(1') 내부에서 별도의 장치 없이 버너(2') 내부로 전달되도록 하는 내부 재순환 기술을 제공하지만, 연소로(1') 내의 일부 영역에서의 연소가스(4') 유동을 효과적으로 이용하고 있지는 못하며, 공급되는 연료의 양의 제어에 대하여 고려하지 않는 단점이 있다.

KR 10-2005-0117417 A KR 10-1512352 B1

이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 연소로의 중심 영역으로 산화제를 공급하게 하는 동시에 다중 화염장이 형성된 연소로 내에서 발생하는 연소가스를 연소로의 외부 연결통로가 아닌 연소로 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 적용한 초저질소산화물 연소장치로서, 연소로 내 재순환 영역에서 유동하는 연소가스의 보다 원활한 재순환 및 연료 분배 최적 제어를 통하여 질소산화물 저감효과를 향상시키는 초저질소산화물 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소로; 일측이 상기 연소로 내에 삽입되되, 삽입된 일측 및 외주면이 상기 연소로의 내면과 소정간격 이격되어 위치하는 버너; 상기 버너의 중앙에 위치하는 주연료분사체; 상기 주연료분사체를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너의 일측단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료분사체; 상기 버너의 외주면에서 상기 보조연료분사체의 단부가 위치하는 근방에 위치하는 연료 재순환 포트; 및 상기 연소로 내에서 발생하는 연소가스에 포함된 CO농도를 감지하는 센서;를 포함하며, 상기 주연료분사체를 통하여 상기 연소로로 공급되는 주연료는 기설정된 양보다 적은 양으로 공급되며, 상기 보조연료분사체를 통하여 상기 연소로로 공급되는 보조연료는 상기 주연료가 상기 기설정된 양보다 적게 공급되는 만큼 추가로 공급되어 상기 연소로 내에서 연소가 이루어지고, 상기 센서에 의해 감지되는 상기 연소로 내의 CO 농도가 기설정된 농도 이상인 경우, 공급되는 상기 주연료의 양을 증가시키며, 상기 연소에 의해 발생하여 상기 연소로의 내주면과 상기 버너의 외주면 사이로 유동하는 연소가스가 상기 보조연료분사체로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 상기 연료 재순환 포트를 통하여 상기 버너 내부로 유입되어 재연소가 이루어지는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.

상기 주연료분사체와 상기 보조연료분사체 사이에 위치하는 재순환 유도부를 더 포함하며, 상기 보조연료분사체는 상기 주연료분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에서 소정간격을 유지하도록 복수개가 배치되고, 상기 재순환 포트 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 보조연료분사체 사이의 간격으로 유동하여 상기 재순환 유도부로 유입되어 상기 주연료분사체로 공급되는 산화제와 혼합되어 상기 주연료분사체로 공급되는 주연료와 함께 연소되는 것이 바람직하다.

상기 재순환 유도부는 상기 보조연료분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 분사 노즐은 상기 주연료분사체와 상기 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 주연료분사체와 상기 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것이 바람직하다.

상기 분사 노즐과 상기 주연료분사체의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부;를 더 포함하며, 상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 주연료분사체와 상기 재순환 유도부 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 연소로 내부에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.

또한, 연소가스의 원활한 유동을 유도하는 재순환 포트의 구성을 통하여 연소가스의 재순환을 최적화 함에 따라 연소로 내의 연소가스가 다단으로 유동하여 보다 원활히 연소됨으로써 초저질소산화물 운전이 가능하며, 재순환에 의한 연소가스가 산화제 및 연료와 함께 연소됨으로써 연소로 내 화염이 안정되도록 한다.

또한, 공급되는 연료 분배의 최적제어를 통하여 추가적인 질소산화물의 저감이 가능하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 측면 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 측면 개략도로서, 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 도시한다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 측면 개략도로서, 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 도시한다.
도 4는, 종래 연소장치의 측면 개략도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 나타내는 순서도이다.
도 6은, NOx 발생량을 나타낸 것으로, 기존의 재순환 다단 연소 장치(특허문헌 2)로서, 재순환 포트가 미적용된 경우의 NOx 발생량 및 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치로서 재순환 포트가 적용된 경우에서의 NOx 발생량을 나타낸다.
도 7은, NOx 발생량을 나타낸 것으로, 연료 분배 최적제어가 미적용된 경우와 적용된 경우의 NOx 발생량을 각각 나타낸다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 초저질소산화물 연소장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치를 상세히 설명하기로 한다.

초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성 설명

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(100)의 전체적인 구성을 살핀다.

초저질소산화물 연소장치(100)는 연소로, 일측이 상기 연소로 내에 삽입되는버너(5), 상기 버너(5)의 중앙부에 위치하는 주연료분사체(10), 주연료분사체(10)를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너(5)의 일측단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료분사체(20), 상기 버너(5)의 외주면에서 상기 보조연료분사체(20)의 단부가 위치하는 지점 근방에 위치하는 연료 재순환 포트(21) 및 상기 주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20)의 사이에 위치하는 산화제 재순환 유도부(40)를 포함한다.

버너(5)는 일측이 연소로(1) 내에 삽입되되, 그 외주연이 연소로(1)의 내주면과 소정간격 이격되도록 위치한다.

구체적으로, 버너(5)는 그 선단부(6)가 연소로(1)로 삽입되는 삽입면(도 2에서 보아 연소로(1)의 하측면)으로부터 소정간격(a) 이격되도록 삽입되며, 이로써, 연소로 내에서 발생하는 연소가스의 재순환 영역이 구분될 수 있다.

주연료분사체(10)는 주연료라인(51)에 연결되는 이송부(13) 및 상기 이송부(13)에 직접 연결되는 주연료분사부(11)를 포함한다. 상기 이송부(13)는 주연료를 주연료분사부(11)까지 안전하게 이송하기 위한 것으로서 직경이 균일하게 형성될 수 있다.

주연료분사부(11)는 일 실시예로서 점점 그 직경이 확대되는 형상을 가질 수 있고공급된 주연료를 그 외주면을 통해 분사한다. 즉, 주연료분사부(11)의 외주면에 형성된 분사홀(미도시)을 통해 주연료분사부(11) 내로 진입한 연료가 각 연료 분사체(10,20) 사이의 내부 공간으로 분사된다(도 2의 도면부호 15 참조). 즉, 주연료분사부(11) 내의 연료는 유입되는 산화제 상에 상기 주연료분사부(11)의 반경 방향을 따라 분사된다.

한편, 주연료분사체(10)의 내부를 따라 중심 산화제 분사체(85)가 배치될 수 있다. 여기에서, 중심 산화제 분사체(85)의 끝단에 노즐 삽입이 가능하게 구성함으로써 공기 공급량을 조절할 수 있게 한다. 상기 중심 산화제 분사체(85)는 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 주연료분사체(10)의 중심축을 따라 유동하게 한 후 연소로(1)의 화염 중심부인 1차 화염 공간(72)에 공급하게 한다.

이를 통해 화염 중심부인 1차 화염 공간(72)에 화염과 산화제의 혼합 효과를 촉진하여 적염 형성을 억제함으로써 청염 형성을 유도한다. 더불어, 화염 중심부 주변의 국부적 고온 영역을 감소함으로써 질소산화물의 발생을 1차적으로 저감하게 한다.

보조연료분사체(20)는 주연료분사체(10)를 중심으로 동일 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 보조연료분사체(20)의 갯수는 한정되지 않으나, 6개 내지 12개의 보조연료분사체(20)가 배치되고, 바람직하게는 8개의 보조연료분사체(20)가 균등한 간격을 유지한 채 배치될 수 있다. 보조연료분사체(20)의 선단은 연소로(1) 내에 위치하는 버너(5)의 일측으로 부터 타측으로 인입되어 위치한다.

다시말해, 보조연료분사체(20)의 선단은 버너(5)의 선단부(6)로부터 연소로의 상기 삽입면(도 1에서 보아 하측면)을 향하여 소정간격 이격되어 위치한다.

보조연료분사체(20)로부터 분사되는 연료는 연소로(1) 내에서 연소되면서 연소로(1) 내에 회전 유동을 발생하게 한다.

상기와 같이 버너(5)를 연소로(1) 내에 보다 깊게 삽입함으로서, 연소로(1) 내에서 발생하는 연소가스의 재순환 영역이 연소로(1) 내에서 명확하게 구분되어, 연소가스의 유동이 원활하게 되고, 상기한 보조연료분사체(20)의 위치로 인하여 후술할 연소가스의 재순환이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.

주연료분사체(10) 및 보조연료분사체(20)는 공히 중공의 원통형 관으로서 구성될 수 있다. 주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20) 사이의 공간으로는 산화제 공급부(80)로부터 산화제가 공급된다. 상기 산화제는 주연료분사체(10) 선단에 구비된 스월러(30)를 통해 축방향 또는 접선 방향 모멘텀이 형성된 상태로 연소로(1) 내부로 공급되거나 스월러(30)를 통함이 없이 직접적으로 연소로(1) 내로 공급될 수 있다.

주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20) 사이의 공간으로 빠르게 공급되는 산화제의 유속으로 인하여 저압상태가 된다.

상기 주연료분사체(10) 및 보조연료분사체(20)에는 연료공급부(50)로부터 연료가 주연료(Main fuel)와 보조연료(2nd fuel)로 나뉘어져 공급된다. 구체적으로, 연료거 연료공급부(50)로부터 필터(미도시)를 거쳐 불순물이 제거되고 펌프(미도시)에 의해 펌핑된 후에 제1라인(51)과 제2라인(52)으로 분기되어 각 연료분사체(10, 20)에 연결된다. 상기 라인들(51,52)에는 각각 솔레노이드 밸브(55, 56)가 설치되어 주연료(Main fuel)와 보조연료(2nd fuel)로 공급되는 각 연료를 적절히 공급 및 차단하도록 할 수 있다.

연료 재순환 포트(21)는 버너(5)의 선단부(6)와 연소로(1)의 삽입면 사이에 위치한다. 구체적으로는 보조연료분사체(20)의 단부가 위치하는 지점에 슬릿 형태로 위치하며, 이를 통해 연소로 내에서 발생하는 연소가스가 버너(5) 내부로 유입되어 상기 보조연료분사체(20) 및/또는 후술할 산화제 재순환 유도부(40) 측으로 유동하여 연소가 이루어짐으로써, 연소가스에 포함된 질소산화물이 감소된다.

산화제 재순환 유도부(40)는 연소로(1)의 개구부(미도시) 상에서 보조연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41, Forced Internal recirculation sleeve), 내부 재순환 슬리브(41)로부터 연장되는 연결 가이드(43), 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45) 및 산화제 재순환 유도부(40)의 내부 하단에 경사지게 배치되는 경사부재(47)를 포함한다.

내부 재순환 슬리브(41)는 연소가스의 최초 유입부인 버너(5)의 선단에서 후단으로 갈수록 개구부 중심을 향하도록 경사지게 배치된다. 즉, 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로 갈수록 점점 내부 폭이 넓어진다. 연결 가이드(43)는 내부 재순환 슬리브(41)를 통해 유입된 연소가스의 완만한 유동을 가능하게 하는 것으로서 일정한 폭을 유지한다.

분사 노즐(45)은 내부 재순환 슬리브(41) 및 연결 가이드(43)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 주연료분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 공간으로 분사하게 한다. 분사된 연소가스는 산화제와 함께 연소로(1) 내부로 유동한다. 상기 분사 노즐(45)은 주연료분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치된다. 즉, 주연료분사체(10)와 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시킴으로써 오리피스 형태의 구조를 구현한다. 상기와 같은 분사 노즐(45)의 배치 구조는 주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20) 사이의 공간으로 공급되는 산화제의 유동 속도를 더욱 빠르게 함으로써 고속으로 연소로(1) 내로 유동하게 한다.

즉, 주연료분사체(10)와 분사 노즐(45) 사이의 공간이 좁아짐으로써 베르누이 정리에 의해서 산화제의 유속이 증가하게 된다. 이와 같은 구조를 통해 연소로(1) 내에서 발생하는 유동은 모멘텀의 증가를 가능하게 한다.

경사부재(47)는 연결 가이드(43)와 분사 노즐(45)의 경계선 상에 배치되는 구조체로서 연소가스가 유동할 수 있는 폭을 조절하여 결과적으로 유속을 조절하게 된다.

공기 다단 슬리브(60)는 중공 원통 형상의 구조체로서 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 공기 다단 슬리브(60)의 내부 및 외부로 분리 공급하게 구성함으로써 산화제의 다단 공급을 가능하게 하고, 이를 통해 결과적으로 연소로(1) 내부에 다단 화염을 용이하게 형성하게 한다.

재순환 촉진 돌기부(90)는 공기 다단 슬리브(60)의 외주면 상에 배치된다. 구체적으로, 상기 재순환 촉진 돌기부(90)는 산화제 재순환 유도부(40)를 구성하는 분사 노즐(45) 및 공기 다단 슬리브(60) 사이의 공간을 좁히는 기능을 수행하게 된다. 상기와 같은 구조를 통해서 연소로(1)에서부터 산화제 재순환 유도부(40)를 통해 유동하는 연소가스의 유속은 재순환 촉진 돌기부(90) 인근을 지나면서 상승하게 된다. 이를 통해 산화제 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)로 재유입되는 연소가스의 박리(separation)를 방지하게 되고, 결과적으로 연소가스의 재순환을 촉진한다.

초저질소산화물 연소장치의 연소 과정 설명

다음으로는 도 2 내지 도 3 및 도 5를 더 참조하여, 본 발명에 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 연소 과정 및 효과에 대해서 설명한다.

초저질소산화물 연소장치로 연료 및 산화제가 공급되어 연소가 이루어진다(S100).

여기서, 공급되는 연료는 주연료와 보조연료로 나뉘어 공급되는데, 주연료는 기설정된 양(예를 들면, 산화제와의 이론당량비)보다 적게 공급되고, 보조연료는 주연료가 적게 공급되는 만큼 추가로 공급된다.

산화제 공급부(80)를 통해 산화제가 공급되고, 공급된 산화제 중 일부는 주연료분사체(10) 내부의 중심 산화제 분사체(85)를 통해 유동한다.

이와 동시에 연료공급부(50)로부터 주연료가 제1연료라인(51)을 거쳐 주연료분사체(10)로 공급된다.

주연료분사체(10) 내를 유동하는 주연료는 주연료분사부(11)의 외주면을 통해 반경 방향으로 분사되는 과정을 거치는데, 상기와 같이 분사된 주연료는 산화제와 반응하여 예혼합 영역(78)을 형성한다. 여기에서, 상기 주연료분사부(11)는 연소로(1) 방향으로 향할수록 확개되는 형상을 가지므로 분사되는 연료가 넓은 부위에 걸친 예혼합 영역(78)을 형성할 수 있게 한다.

예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 주연료분사체(10)의 선단을 통하여 또는 스월러(30)를 통해 축방향 모멘텀(Axial momentum) 및 접선 방향 모멘텀(Tangential momentum)을 가진 상태로 연소로(1) 내로 분사되어, 1차 화염 공간을 이루며 연소된다.

다음으로는, 연료공급부(50)로부터 연료가 제2연료라인(52)을 거쳐 보조연료분사체(20)로 공급된다. 보조연료분사체(20)를 통해 1차 화염 공간(72)의 상부 측으로 분사되는 보조연료는 1차 화염 공간(72)에서 미반응된 산화제와 반응하는 과정을 통해 2차 화염 공간(74)을 형성한다. 1차 화염 공간(72)에서의 가연성 가스 중 일부는 스월러(30) 외곽으로 공급되는 예혼합기와 혼합되어 1차 화염의 후류로 이동하여 2차 화염 공간(74)을 형성하게 된다.

주연료분사체(10)에서 분사된 연료는 연소로(1) 내에서의 다단 공기유동에 의해 1차 화염 공간(72)을 형성하게 되고 보조연료분사체(20)에서 분사된 연료는 주연료분사체(10)의 1차 화염 공간(72)에서 전달된 열에 의한 분위기 온도와 잔류 산소에 의해 부분적인 산화 반응을 하게 되어 여러 가연성 가스 종으로 전환되어 화염 후류에서 2차 화염 공간(74)을 구성하게 된다. 따라서, 상기 연료농후영역과 연료희박영역을 포함한 연소로 내에서 다단으로 구성된 화염 상태가 명확히 구분되어 조성된다.

다시말해, 1차 연료 분사체(10)의 반경 방향을 따라 분사되는 주연료가 산화제와 예비 혼합되어 예혼합 영역(78)을 형성하고, 상기 예혼합 영역(78)으로부터 연소로(1) 내에 공급된 예혼합기가 1차 화염 공간(72)을 형성하고, 1차 화염 공간(72)의 후단으로 2차 연료 분사체(20)로부터 보조 연료를 분사하여 최종 화염의 형태를 이루도록 한다.

상기와 같이, 연소로(1) 내에는 주연료분사체(10) 및 보조연료분사체(20)에 의해 분사되는 연료에 의해 다단 화염 공간이 형성된다. 상기 1차 화염 공간(72)의 후단부에는 2차 화염 공간(74)이 만들어진다. 2차 화염 공간(74)은 연소로(1)의 내부 측으로 더 진입한 공간에 1차 화염 공간(72)을 둘러싸는 형태로 형성된다.

상기 1, 2차 화염 공간(72, 74)을 포함하는 다단 화염 공간에서의 연소가스(75)는 상기한 산화제의 공급에 의해 주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20)사이에 형성되는 저압에 의해 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되어 유동함에 따라 주연료분사체(10)와 보조연료분사체(20) 사이에 형성되는 예혼합 영역(78)측으로 유동하며 연소로(1) 내에서 연소 된다.

이와 별도로 연소로(1)의 내주면과 버너(5)의 외주면 사이의 공간에는 재순환 영역이 형성된다. 이러한 재순환 영역에서 와류 형태로 연소가스(76)가 유동한다.

상기와 같은 연소과정을 통하여 연소로(1) 내부 재순환 영역에서 발생한 연소가스(76)는 버너(5)의 외주면 및 연소로(1)의 내주면 사이 공간인 재순환 영역을 통하여 유동한다.

재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)는, 보조연료분사체(20)의 선단에서 고속으로 분사되는 연료에 의해 형성되는 저압에 의하여 연료 재순환 포트(21)로 유입된다.

이와 같이 연료 재순환 포트(21)로 유입된 연소가스(76) 보조연료분사체(20)의 선단에서 분사되는 연료와 혼합되어 연소로(1) 내부로 공급되어 연소 될 수 있다.

또한, 다른 실시예로서, 연소로(1) 내부와 산화제 재순환 유도부(40)의 외주연이 연통되도록 함으로써, 재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)의 일부는 산화제 재순환 유도부(40)롤 공급되는 산화제에 의한 저압에 의해 유동하여, 이격되어 위치한 각 보조연료분사체(20) 사이를 통하여 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되고, 주연료분사체(10)의 주위로 유동하여 예혼합 영역(78)과 혼합되어 연소로(1) 내 1차 화염 공간(72)으로 공급됨으로써 연소가 이루어질 수 있다.

또한, 재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)의 나머지 일부는 상기와 같이, 보조연료분사체(20)의 선단에서 고속으로 분사되는 연료에 의해 형성되는 저압에 의하여, 연료 재순환 포트(21)를 통하여 연소로(1) 내로 유입되어 연소 된다. 한편, 산화제 재순환 유도부(40)로부터 산화제의 유동 공간으로 배출되는 연소가스는 재순환 촉진 돌기부(90)에 의해 그 유동 속도가 증가됨으로써 연소 가스 및 산화제의 유속을 상승시키는 동시에 박리를 방지할 수 있다.

상기의 과정을 거쳐 예혼합기 및 연소가스가 1차 화염 공간(72)에 유입되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 연소로(1) 내에서 화염을 이루도록 한다.

그리고, 연소로(1) 내의 CO 농도를 실시간으로 감지한다(S200).

상기와 같은 연소가 이루어지는 동안, 연소로(1)에 설치되는 센서(미도시)를 통하여 연소로(1) 내의 CO 농도를 실시간으로 감지하여 모니터링 한다.

상기와 같이 주연료를 적게 공급하여 연소를 행하기 때문에, 다소 불완전 연소가 이루어지며, CO가 발생하게 되는데, 불완전 연소로 인하여 발생하는 CO의 농도를 실시간으로 감지한다.

그리고, 연소로(1) 내의 CO 농도를 기설정된 CO 농도와 비교하여(S300), 연소로(1)내의 CO 농도가 기설정된 농도 미만이면, 그 상태로 연소 및 모니터링을 계속 수행하고, 연소로(1)내의 CO 농도가 기설정된 농도 이상이면, 공급되는 주연료의 양을 증가시킨다(S400).

도 6은 기존의 재순환 다단 연소 장치(특허문헌 2)와 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 있어서, NOx 발생량을 각각 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 있어서, 연료 분배 최적 제어의를 적용하지 않은 경우와, 연료 분배 최적 제어를 적용한 경우의 NOx 발생량을 각각 나타낸다.

상기 도 6 내지 도 7을 참조하면, 재순환 포트(21)의 구성 및 공급되는 연료 분배 최적제어를 통하여, 연소로(1)내의 부하를 줄이면서도, NOx 생성을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 연소로 내에서 발생하는 연소가스가 별도의 동력을 요함이 없이 산화제와 함께 연소로에 재유입되어 반응함으로써 연료 중 질소 성분의 산화에 의한 질소산화물 생성을 원천적으로 저감할 수 있고, 여기에 기존의 연소장치와는 다른 구조를 통하여 연소로 내에서 발생하는 연소가스의 다단 재순환을 통하여 연소가스의 재순환을 보다 원활하게 이루어지도록 하고, 공급되는 연료 분배 최적 제어를 통하여 보다 향상된 질소산화물 저감 효과를 얻을 수 있다.

1: 연소로
5: 버너
10: 주연료분사체
11: 주연료분사부
21: 연료 재순환 포트
20: 보조연료분사체
30: 스월러
40: 산화제 재순환 유도부
41: 내부 재순환 슬리브
43: 연결 가이드
45: 분사 노즐
47: 경사부재
50: 연료 공급부
51: 제 1 연료라인
52: 제 2 연료라인
55, 56: 솔레노이드 밸브
60: 공기 다단 슬리브
72: 1차 화염 공간
74: 2차 화염 공간
76: 재순환 영역의 연소가스
78: 예혼합 영역
80: 산화제 공급부
85: 중심 산화제 분사체
90: 재순환 촉진 돌기부
100: 초저질소산화물 연소장치

Claims (5)

1. 연소로(1);
   일측이 상기 연소로(1) 내에 삽입되되, 삽입된 일측 및 외주면이 상기 연소로(1)의 내면과 소정간격 이격되어 위치하는 버너(5);
   상기 버너(5)의 중앙에 위치하는 주연료분사체(10);
   상기 주연료분사체(10)를 감싸듯이 위치하되, 그 단부가 상기 버너(5)의 일측단부로부터 소정간격 타측으로 인입되어 위치하는 보조연료분사체(20);
   상기 버너(5)의 외주면에서 상기 보조연료분사체(20)의 단부가 위치하는 근방에 위치하는 연료 재순환 포트(21); 및
   상기 연소로(1) 내에서 발생하는 연소가스에 포함된 CO농도를 감지하는 센서;를 포함하며,
   상기 주연료분사체(10)를 통하여 상기 연소로(1)로 공급되는 주연료는 기설정된 양보다 적은 양으로 공급되며,
   상기 보조연료분사체(20)를 통하여 상기 연소로(1)로 공급되는 보조연료는 상기 주연료가 상기 기설정된 양보다 적게 공급되는 만큼 추가로 공급되어 상기 연소로(1) 내에서 연소가 이루어지고,
   상기 센서에 의해 감지되는 상기 연소로(10) 내의 CO 농도가 기설정된 농도 이상인 경우, 공급되는 상기 주연료의 양을 증가시키며,
   상기 연소에 의해 발생하여 상기 연소로(1)의 내주면과 상기 버너(5)의 외주면 사이로 유동하는 연소가스가 상기 보조연료분사체(20)로 분사되는 보조연료의 유속에 의해 상기 연료 재순환 포트(21)를 통하여 상기 버너(5) 내부로 유입되어 재연소가 이루어지는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주연료분사체(10)와 상기 보조연료분사체(20) 사이에 위치하는 산화제 재순환 유도부(40)를 더 포함하며,
   상기 보조연료분사체(20)는 상기 주연료분사체(10)를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되고,
   상기 연료 재순환 포트(21) 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 주연료분사체(10)와 상기 보조연료분사체(20) 사이로 공급되는 산화제의 유속에 의해 상기 산화제 재순환 유도부(40)로 유입되어 상기 연소로(1) 내로 유동하여 연소되는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 산화제 재순환 유도부(40)는 상기 보조연료분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41), 상기 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드(43), 상기 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45)을 포함하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 분사 노즐(45)은 상기 주연료분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 주연료분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시키는,
   초저질소산화물 연소장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 분사 노즐(45)과 상기 주연료분사체(10)의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부(90);를 더 포함하며,
   상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 주연료분사체(10)와 상기 산화제 재순환 유도부(40) 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는,
   초저질소산화물 연소장치.
   

Images