KR20200066469A - 화염 복합형 저공해 연소기 - Google Patents

화염 복합형 저공해 연소기 Download PDF

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KR20200066469A KR1020180152632A KR20180152632A KR20200066469A KR 20200066469 A KR20200066469 A KR 20200066469A KR 1020180152632 A KR1020180152632 A KR 1020180152632A KR 20180152632 A KR20180152632 A KR 20180152632A KR 20200066469 A KR20200066469 A KR 20200066469A
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Abstract

본 발명은 화염 복합형 저공해 연소기에 관한 것으로, 본 발명은, 연소로; 상기 연소로 일측에 위치하는 예혼합 공급관 및 상기 예혼합 공급관의 상기 연소로 측 선단에 위치하는 메탈화이버 매트를 구비하는 예혼합 버너; 및 상기 예혼합 버너 둘레 측에 위치하는 공기 공급부, 상기 공기 공급부의 외측에 위치하는 연료 분사부, 및 상기 연료 분사부의 선단에 위치하며 상기 연료 분사부의 선단보다 직경이 큰 혼합 노즐 및 상기 연료 분사부 선단과 상기 혼합 노즐 사이의 상기 직경 차이에 의해 형성되는 재순환 유입부를 구비하는 재순환 버너;를 포함하는 화염 복합형 저공해 연소기를 제공한다.

Description

화염 복합형 저공해 연소기{Combined flame type Low pollution burner}
본 발명은 연소기에 관한 것으로, 상세하게는 다단 연소를 통한 분할 화염의 형성 및 연소시 발생하는 배가스의 내부 재순환을 최적화 하여 질소산화물을 저감하는 화염 복합형 저공해 연소기에 관한 것이다.
보일러 등에 구비되는 연소기의 경우, 연료에 포함된 질소나, 고온 연소 또는 급격한 연소에 따라 오염물질인 질소산화물(NOx)이 발생하며, 질소산화물을 저감하기 위하여 여러가지 기술이 연구되어 왔다.
이러한 연소기법들은 추가적으로 별도의 외부장치 및 복잡한 구조의 주변기기들을 필요로 한다.
관련 선행기술을 살핀다.
특허문헌 1에는 특허문헌 1에는 연소로에서 배출되는 배가스를 외기와 혼합하여 다시 연소로로 재순환 시키는 외부 재순환 기술이 적용된 연소장치가 개시된다.
그러나, 외부 재순환 기술의 경우 연소로에서 배출되는 배가스를 연소로로 압송하여 재유입시키기 위한 송풍장치 등의 추가적인 구성이 필요하다는 단점이 있다.
특허문헌 2에는 본 출원인에 의한 등록특허로서, 재순환 유도부를 통하여 연소로 내의 연소가스를 재순환시켜 질소 산화물을 저감하는 연소장치가 개시된다.
그러나 이러한 연소장치는 연소가스를 재순환 시키기 위한 재순환 유도부 구성이 복잡하여 소형화가 어렵고, 수관식 보일러와 같은 특정 보일러에서만 성능이 보장된다는 단점이 있다.
KR 2017-0073104 A KR 1,512,352 B1
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조로 다단 연소 및 내부재순환을 통하여 질소산화물의 저감이 가능한 연소기를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소로; 상기 연소로 일측에 위치하는 예혼합 공급관 및 상기 예혼합 공급관의 상기 연소로 측 선단에 위치하는 메탈화이버 매트를 구비하는 예혼합 버너; 및 상기 예혼합 버너 둘레 측에 위치하는 공기 공급부, 상기 공기 공급부의 외측에 위치하는 연료 분사부, 및 상기 연료 분사부의 선단에 위치하며 상기 연료 분사부의 선단보다 직경이 큰 혼합 노즐 및 상기 연료 분사부 선단과 상기 혼합 노즐 사이의 상기 직경 차이에 의해 형성되는 재순환 유입부를 구비하는 재순환 버너;를 포함하는 화염 복합형 저공해 연소기를 제공한다.
상기 혼합 노즐은 상기 연료 분사부의 선단 측을 항하여 직경이 점점 커지도록 형성된 확대부를 포함한다.
상기 혼합 노즐은 상기 연료 분사부의 선단 측으로부터 내주면의 직경이 점점 작아지도록 경사지게 형성되는 테이퍼부를 포함한다.
상기 연료 분사부로부터 상기 혼합 노즐을 통하여 분사되는 연료에 의해 상기 연소로 내의 연소가스가 상기 재순환 유입부로 유입되어 상기 혼합 노즐을 통하여 연소로 내로 다시 유입되어 재연소된다.
상기 예혼합 공급관으로 공급되는 연료 및 공기는 이론공연비보다 연료량이 적은 연료희박상태로 공급된다.
상기 공기 공급부로 공급되는 공기 및 상기 연료 분사부로 공급되는 연료는 이론공연비보다 연료량이 많은 연료과잉상태로 공급된다.
본 발명에 따른 화염 복합형 저공해 연소기에 의하면, 다단 연소에 의한 연소로 내 분할 화염 형성을 통하여 질소산화물의 저감이 가능하다.
그리고, 스월러나 보염판을 구비하지 않고도 안정적인 화염 형성이 가능하다.
또한, 비교적 간단한 구조를 통하여 효과적으로 연소가스의 내부 재순환을 실현할 수 있어 송풍장치 등의 설비 없이 추가적인 질소산화물 저감이 가능하여 다양한 방식의 보일러에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 연소 실험을 통해 얻은 결과이며, 기존의 연소기의 연소에 의해 발생하는 질소산화물 농도와, 본 발명에 따른 연소기에서의 질소산화물 농도를 비교한 그래프이다.
도 5는 가시화 장치를 이용해 혼합 노즐의 각 실시예에 따른 유동실험을 진행한 결과 그래프이다.
도 6은 연소 실험을 통해 혼합 노즐의 각 실시예 및 부하의 변화에 따라 배가스 내 질소산화물 농도를 측정한 결과 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기를 설명한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기는, 연소로(100), 예혼합 버너(200) 및 재순환 버너(300)를 포함한다. 이하 상기 각 구성을 상세히 설명한다.
연소로(100)는 그 내부에 연소가 이루어질 수 있는 소정공간이 마련된다.
연소로(100)의 내부로 연료 및 공기(산화제)가 공급되어 연소가 이루어진다.
예혼합 버너(200) 는 연소로(100)의 일측에 위치한다.
구체적으로는, 예혼합 버너(200) 는 그 선단 부분이 연소로(100) 일측에 삽입되어 위치한다. 이하, 연소로(100) 측을 선단, 그 반대편(도면에서 보아 선단으로부터 하측)을 후단이라 한다.
예혼합 버너(200) 는 예혼합 공급관(220) 및 메탈화이버 매트(210)를 구비한다.
예혼합 공급관(220)은 후단으로부터 1차 연료 및 1차 공기가 공급된다.
예혼합 공급관(220)으로 공급된 1차 연료 및 1차 공기는 예혼합 공급관(220) 내를 유동하며 혼합되어 예혼합기를 형성하며, 형성된 예혼합기는 연소로(100) 내부로 유입된다.
상기 예혼합 공급관(220)으로 공급되는 1차 연료 및 1차 공기는 이론공연비보다 연료량이 적은 연료희박상태로 공급된다.
메탈화이버 매트(210)는 예혼합 공급관(220)의 선단에 위치한다.
메탈화이버 매트(210)는 금속섬유로 이루어지는 구성으로, 예혼합 공급관(220)을 통하여 연소로(100) 내부로 공급되는 예혼합기가 메탈화이버 매트(210) 표면에서 연소가 이루어진다.
메탈화이버 매트(210)의 특성으로 인하여 예혼합 공급관(220)으로 공급되는 예혼합기가 연료희박상태에서도 안정적으로 확산되어 연소로(100) 내 중앙부근에 최적 크기의 1차 화염 영역(101)을 형성한다.
또한, 메탈화이버 매트(210)를 사용하여 표면 연소를 구현하기 때문에, 기존의 버너에서와 같이 화염의 안정적인 확산과 유지를 위한 스월러나 보염기 등의 구성이 별도로 구비될 필요가 없다는 장점을 갖는다.
재순환 버너(300)는 예혼합 버너(200) 의 둘레 측에 위치하며, 공기 공급부(320), 연료 분사부(310), 혼합 노즐(330), 및 재순환 유입부(340)를 구비한다.
공기 공급부(320)는 예혼합 버너(200) 의 둘레를 감싸듯이 위치한다, 구체적으로 예혼합 버너(200) 의 외주면으로부터 소정간격 이격되어 위치하는 격벽(321)에 의해 예혼합 버너(200) 와 격벽(321) 사이에 형성되는 공간이다.
상기 격벽(321)은 선단 측을 향하여 점점 넓어지는 형태를 이루도록 구성되어 공급되는 공기가 후술한 연료 분사부(310)에서 분사되는 2차 연료 측으로 유동되도록 한다.
공기 공급부(320)를 통하여 연소로(100) 내부로 2차 공기가 공급된다.
연료 분사부(310)는 공기 공급부(320)의 외측, 즉 공기 공급부(320)의 둘레 측에 위치하며, 연료 분사부(310)를 통하여 2차 연료가 연소로(100) 내부로 분사되어 공급된다.
연료 분사부(310)는 복수개가 구비되어, 복수의 연료 분사부(310)가 상기 공기 공급부(320)의 외측을 둘러싸는 형태로 위치할 수 있다.
연료 분사부(310)를 통하여 연소로(100) 내부로 공급된 2차 연료와 상기 2차 공기가 연소되면서 연소로(100) 내부에 2차 화염 영역(102)이 형성된다.
한편, 상기 공기 공급부(320) 및 연료 분사부(310)를 통하여 연소로(100) 내부로 공급되는 2차 공기 및 2차 연료는 이론 공연비보다 연료량이 많은 연료과잉상태가 되도록 공급된다.
혼합 노즐(330)은 연료 분사부(310)의 선단 측에 위치하며, 혼합 노즐(330) 일측이 상기 연료 분사부(310)의 선단 측으로부터 연소로(100) 내부 방향으로 일직선으로 연장되는 튜브 형태를 이루며, 본 실시형태에서와 같은 형상의 혼합 노즐(330)을 이하에서 스무스 튜브(smooth tube) 타입의 혼합 노즐이라고도 칭할 수 있다.
혼합 노즐(330)은 그 직경이 연료 분사부(310)의 직경보다 크도록 구성된다.
따라서, 연료 분사부(310)의 선단과 혼합 노즐(330)의 사이에 이격된 공간이 형성되며, 이 공간이 재순환 유입부(340)가 된다.
연료 분사부(310)에서 분사되는 2차 연료가 혼합 노즐(330) 내를 통과하여 연소로(100) 내부로 공급되며, 공급되는 2차 연료와 상기 2차 공기가 연소되면서 연소로(100) 내부에 2차 화염 영역(102)이 형성된다.
상기와 같이 연료 및 공기를 다단으로 공급하여 연소로(100) 내에 분할 화염을 형성함으로써 질소산화물의 경감이 가능하다.
또한, 상기한 재순환 버너(300) 의 연료 분사부(310)에서 혼합 노즐(330)로 분사되어 공급되는 2차 연료의 유속에 의해 혼합 노즐(330) 내부에는 부압이 발생하게 된다.
혼합 노즐(330) 내에 발생한 부압에 의해 연소로(100) 내의 연소에 의해 발생하는 연소가스(103)가 재순환 유입부(340)로 유입되어, 혼합 노즐(330) 내로 분사되는 2차 연료와 혼합되어 연소로(100) 내로 재공급되어 재연소됨으로써 질소산화물 저감효과를 추가로 얻을 수 있다.
도 4는, 연소 실험을 통해 얻은 결과이며, 기존의 버너 스월러 또는 보염판이 구비되는 연소기의 연소에 의해 발생하는 질소산화물 농도와, 본 실시예에서와 같이 버너 선단에 메탈화이버 매트(210)가 적용된 연소기 및 메탈화이버 매트(210)와 스무스 튜브 타입의 혼합 노즐이 함께 적용된 연소기에서의 질소산화물 농도를 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 기존의 연소기보다 버너 선단에 메탈화이버 매트(210)가 적용된 연소기에서의 질소산화물 발생량이 현저히 낮으며, 또한, 메탈화이버 매트(210)와 스무스 튜브 타입의 혼합 노즐가 함께 적용된 연소기에서의 질소산화물 발생량이 가장 낮음을 알 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예의 구성 및 연소과정에 대하여 설명한다.
이하 다른 실시예들의 설명에서는 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 상기 제1실시예와의 차이점을 중심으로 설명하며, 그 외 제1실시예와 같은 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
본 실시예에서는 혼합 노즐(330)의 일측, 즉, 후단부가 연료 분사부(310)의 선단 측을 항하여 직경이 점점 커지도록 형성된 확대부(331)가 형성된다. 이하, 확대부(331)를 포함하는 혼합 노즐(330)을 익스펜딩 튜브(expanding tube) 타입의 혼합 노즐이라 칭할 수 있다.
상기한 확대부(331)의 구성을 통하여 혼합 노즐(330) 전체의 직경을 확대하지 않고도 재순환 유입부(340)를 이루는 공간을 확대할 수 있고, 따라서 연소로(100) 내의 연소가스(103)가 재순환 유입부(340)로 유입되는 유량이 많아지므로, 보다 효과적인 질소산화물 저감이 가능하다.
도 3을 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 화염 복합형 저공해 연소기의 구성 및 연소과정을 나타낸 개략도이다.
본 실시예에서는 혼합 노즐(330)의 일측, 즉, 후단부의 내주면이 경사진 테이퍼부(332)가 형성된다. 테이퍼부(332)에 의해 혼합 노즐(330)의 내경이 후단부로부터 점점 작아진다.
이하, 테이퍼부(332)를 포함하는 혼합 노즐(330)을 컨트랙션 튜브(contraction tube) 타입의 혼합 노즐이라 칭할 수 있다.
이와 같은 테이퍼부(332)의 구성을 통하여 혼합 노즐(330)의 재순환 유입부(340)를 공간을 확대할 수 있어, 연소가스(103)가 재순환 유입부(340)로 유입되는 유량이 많아진다.
또한, 혼합 노즐(330)의 외주면은 직선형태를 유지하므로, 연소가스(103)가 연소로(100)로부터 재순환 유입부(340)로 유입되는 흐름을 저해하지 않으므로, 더욱 효과적인 질소산화물 저감이 가능하다.
도 5는 가시화 장치를 이용해 상기 혼합 노즐(330)의 각 실시예에 따른 유동실험을 진행한 결과 그래프이다.
직경이 같은 경우 스무스 타입의 혼합 노즐보다 익스펜션 및 컨트랙션 타입 혼합 노즐의 재순환 유량이 많으며, 타입이 같은 경우에는 혼합 노즐의 직경이 클수록 재순환 유량이 많음을 알 수 있다.
또한, 연료 분사부(310)(fuel nozzle)와 혼합 노즐(330)(mixing nozzle)의 이격거리가 길수록 흡입량이 많음을 알 수 있다.
도 6은 연소 실험을 통해 상기 혼합 노즐(330)의 각 실시예 및 부하의 변화에 따라 배가스 내 질소산화물 농도를 측정한 결과 그래프이다.
상기 도 5에서와 동일한 경향으로, 직경이 같은 경우 스무스 타입의 혼합 노즐보다 익스펜션 및 컨트랙션 타입 혼합 노즐의 질소산화물 저감 효과가 크며, 타입이 같은 경우에는 혼합 노즐(330)의 직경이 클수록 질소산화물 저감 효과가 큼을 알수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 화염 복합형 저공해 연소기에 의하면, 다단 연소에 의한 연소로 내 분할 화염 형성을 통하여 질소산화물의 저감이 가능하고. 그리고, 스월러나 보염판을 구비하지 않고도 안정적인 화염 형성이 가능하며, 또한, 비교적 간단한 구조를 통하여 효과적으로 연소가스의 내부 재순환을 실현할 수 있어 송풍장치 등의 설비 없이 추가적인 질소산화물 저감이 가능하여 다양한 방식의 보일러에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 연소로
200: 예혼합 버너
210: 메탈화이버 매트(metal fiber mat)
220: 예혼합 공급관
300: 재순환 버너
310: 연료 분사부
320: 공기 공급관
330: 혼합 노즐
331: 확대부
332: 테이퍼부
340: 재순환 유입부

Claims (6)

  1. 연소로(100);
    상기 연소로(100) 일측에 위치하는 예혼합 공급관(220) 및 상기 예혼합 공급관(220)의 상기 연소로(100) 측 선단에 위치하는 메탈화이버 매트(210)를 구비하는 예혼합 버너(200); 및
    상기 예혼합 버너(200) 둘레 측에 위치하는 공기 공급부(320), 상기 공기 공급부(320)의 외측에 위치하는 연료 분사부(310), 및 상기 연료 분사부(310)의 선단에 위치하며 상기 연료 분사부(310)의 선단보다 직경이 큰 혼합 노즐(330) 및 상기 연료 분사부(310) 선단과 상기 혼합 노즐(330) 사이의 상기 직경 차이에 의해 형성되는 재순환 유입부(340)를 구비하는 재순환 버너(300);를 포함하는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 노즐(330)은,
    상기 연료 분사부(310)의 선단 측을 항하여 직경이 점점 커지도록 형성된 확대부(331)를 포함하는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 노즐(330)은,
    상기 연료 분사부(310)의 선단 측으로부터 내주면의 직경이 점점 작아지도록 경사지게 형성되는 테이퍼부(332)를 포함하는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사부(310)로부터 상기 혼합 노즐(330)을 통하여 분사되는 연료에 의해 상기 연소로(100) 내의 연소가스가 상기 재순환 유입부(340)로 유입되어 상기 혼합 노즐(330)을 통하여 연소로(100) 내로 다시 유입되어 재연소되는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 예혼합 공급관(220)으로 공급되는 연료 및 공기는 이론공연비보다 연료량이 적은 연료희박상태로 공급되는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기 공급부(320)로 공급되는 공기 및 상기 연료 분사부(310)로 공급되는 연료는 이론공연비보다 연료량이 많은 연료과잉상태로 공급되는,
    화염 복합형 저공해 연소기.
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