KR20230096650A

KR20230096650A - 타공판 배열조정을 통한 열분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR20230096650A
Application number: KR1020210186346A
Authority: KR
Inventors: 이민정; 고창복; 이은경; 이대근; 곽영태; 김승곤; 정우남; 이후경; 김남수; 서동명
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-30

Abstract

본 발명은 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되는 예혼합장치; 일측이 상기 예혼합장치 타측에 연결되어 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되어 유동되는 혼합가스 공급관; 상기 혼합가스 공급관 타측에 연결되며 내부공간으로 상기 혼합가스가 유입되고 다수의 분사노즐을 통해 상기 혼합가스가 분사되는 혼합가스 분사부; 상기 혼합가스 분사부를 감싸도록 구성되어 상기 분사노즐을 통해 분사된 혼합가스가 분산공간으로 유입되는 혼합가스 분산실; 상기 혼합가스 분산실이 폐쇄되도록 상기 혼합가스 분산실 상면에 구비되는 세라믹 타공보드; 및 상기 세라믹 타공보드 상측에 구비되어 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 발생되지 않고 균일한 고체복사에너지를 발생시키는 다공체;를 포함하고, 상기 세라믹 타공보드에 형성되는 타공들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료, 공기 혼합기의 양을 제어하고 상기 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기에 관한 것이다.

Description

타공판 배열조정을 통한 열분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법{Thermal distribution improved porous combustion by adjusting arrangement of perforated plate}

본 발명은 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법에 관한 것이다.

근래에 들어 고유가와 지구 온난화 문제로 인해 고효율 에너지 기기 개발의 시급성이 증대되고 있다. 화석연료의 연소를 통해 스팀터빈이나 가스터빈 등을 구동하여 발전을 하는 기존의 발전 기술은 열역학적인 동력 사이클로서, 고온(TH)과 저온(TL)의 두 열원 사이에서 작동하는 동력 사이클의 최대 효율은 Carnot cycle의 효율(1-TL/TH)을 넘지 못한다. 한편 최근 각광을 받고 있는 연료전지는 열역학적 동력 사이클을 따르지 않고 연료의 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 기술로서, Carnot cycle의 효율 제한을 받지 않으므로 고효율화를 달성할 수 있는 기술로서 인식되고 있다.

열광전 발전(THERMOPHOTOVOLTAIC/TPV POWER GENERATION)도 열역학적 동력 사이클을 따르지 않는 직접 발전기술이다. 열광전 발전은 고온의 열원(HEAT SOURCE)에서 방사되는 광자(PHOTON)를 광전소자(PHOTOVOLTAIC/PV CELL)에 조사하여 발전하는 기술로서 태양광 발전기술과 일견 유사하다. 그러나 태양광 발전이 자연적으로 주어지는 태양 빛을 전기로 변환하는 수동적인 발전임에 반해, 열광전 발전은 인위적인 열원으로부터 빛을 발생시켜서 이를 전기로 변환하는 능동적인 발전기술이다. 따라서 열광전 발전의 에너지 변환은 열-> 광 -> 전의 순서로 이루어지며, 어떠한 열원이 가지고 있는 열에너지를 빛 혹은 복사에너지로 변환한 후 궁극적인 전기에너지로 변환하는 기술이다.

열광전 발전에서 에너지의 원천인 열에너지는 원자력발전에서 발생하는 열을 사용할 수도 있고, 산업공정 등에서 발생하는 고온의 폐열 혹은 태양열을 집광한 고온 태양열을 활용할 수도 있다. 그러나 일반적으로 현 단계에서 주 대상으로 연구되고 있는 열원은 연료가 가지는 화학에너지로부터 손쉽게 획득되는 연소 열원이며, 본 발명도 여기에 속한다.

따라서 연소 열원을 이용한 열광전 발전은, 열에너지를 생성하는 연소(BURNER)와, 열에너지로부터 복사에너지로의 변환을 담당하는 방사체(EMITTER)와, 복사에너지를 전기로 변환하는 광전소자로 구성된다.

종래 세라믹 다공체(foam)를 이용한 연소방식은 통상의 연소방식에 비하여 연료희박/연료농후 조건에서도 안정적인 연소가 가능하고 질소산화물(NOx)배출이 매우 적어서 에너지 절약형 친환경 연소기술로 인식되고 있다.

그러나 이러한 세라믹 다공체를 이용한 연소방식은 고부하 적정 공기비 연소시 역화가 발생하고 연소기의 대면적화에 제약이 있어서 산업용 가열설비에 적용하기 힘들다는 단점이 존재한다.

또한, 종래 금속섬유를 사용한 다공성 매트 또는 세라믹 타공판을 이용한 표면연소방식이 있으나 고온 고체복사 에너짖를 발생시키는 연소부하 및 공기비의 범위가 매우 좁은 문제점이 존재한다.

따라서 고온 산화/무산화 분위기 안정 연소가 가능한 대면적 고부하 다공체 연소기의 개발이 요구되어 본원발명의 발명자는 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법(등록특허 제10-2036286호)을 개시하였다.

도 1은 종래기술에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기의 정단면도를 도시한 것이고, 도 2는 종래기술에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기의 측단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3은 종래기술에 따른 혼합가스 분사부와, 세라믹 타공보드의 단면 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 4는 종래기술에 따라 연소중인 연소기의 다공체 측 사진, 도 5는 종래기술에 따른 세라믹 타공보드의 평면도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 예혼합장치(10), 혼합가스 공급관(20), 혼합가스 분사부(30), 혼합가스 분산실(40), 세라믹 타공보드(50), 다공체(60) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

세라믹 다공체(foam)를 이용한 연소방식은 통상의 연소방식에 비하여 연료희박/연료농후 조건에서도 안정적인 연소가 가능하고 질소산화물(NOx) 배출이 매우 적어서 에너지절약형 친환경 연소기술로 인식되고 있다.

한편 고부하 적정 공기비 연소시 역화가 발생하고 연소기의 대면적화에 제약이 있어서 산업용 고온 가열 설비에의 적용에는 무리가 있다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이, 종래 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기를 이용한 연소시스템의 경우 타공판의 타공 간의 피치가 모두동일하게 설계되어 짐을 알 수 있다.

따라서 세라믹 타공보드에서 균일한 타공 배열 형상으로 인해 고온의 열이 중앙으로 집중되어 세라믹 타공판의 사용온도를 초과하여 소손이 발생할 우려가 있다. 도 6은 균일한 타공배열을 갖는 세라믹 타공보드에서의 중심부 열집중을 나타낸 것이다.

대한민국 등록특허 제1080305호 대한민국 공개특허 제2004-0040577호 대한민국 등록특허 제1741033호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 타공보드에서 균일한 타공 배열 형상으로 인해 고온의 열이 중앙으로 집중되어 세라믹 타공판의 사용온도를 초과하여 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로, 연소기 측면으로의 염공간의 피치를 조절하므로써 연료-공기 혼합기의 공급을 효과적으로 재분배가 가능하고 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있는, 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 장방향의 대면적 다공체 연소기의 단위 면적당 연료-공기 혼합기의 양을 타공판 설계를 통해 제어하여, 균일한 열방출 특성 및 내구성 향상을 기대할 수 있는, 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에따르면, 실시 분야에 따라 대면적의 원판형태로 응용할 경우, 원주방향으로 동일하게 피치를 조절하여 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절할 수 있는, 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되는 예혼합장치; 일측이 상기 예혼합장치 타측에 연결되어 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되어 유동되는 혼합가스 공급관; 상기 혼합가스 공급관 타측에 연결되며 내부공간으로 상기 혼합가스가 유입되고 다수의 분사노즐을 통해 상기 혼합가스가 분사되는 혼합가스 분사부; 상기 혼합가스 분사부를 감싸도록 구성되어 상기 분사노즐을 통해 분사된 혼합가스가 분산공간으로 유입되는 혼합가스 분산실; 상기 혼합가스 분산실이 폐쇄되도록 상기 혼합가스 분산실 상면에 구비되는 세라믹 타공보드; 및 상기 세라믹 타공보드 상측에 구비되어 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 발생되지 않고 균일한 고체복사에너지를 발생시키는 다공체;를 포함하고, 상기 세라믹 타공보드에 형성되는 타공들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료, 공기 혼합기의 양을 제어하고 상기 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 타공보드의 타공간 피치는 중심부 보다 측면부 측에서 작아지도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 타공보드의 타공간의 피치가 중심부분에서 외측으로 갈수록 피치가 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 타공보드는 직사각형 형태이고, 상기 직사각형의 장방향으로의 타공 피치는 동일하고, 단방향으로의 타공피치는 단방향 중심선을 기준으로 외측으로 피치가 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 타공보드는 원판형태이고, 원주방향 간의 타공 간 피치는 동일하고, 반경방향으로의 타공 간 피치는 외측으로 갈수록 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 혼합가스 분사부의 분사노즐은 저판 상에 다수 형성되어 상기 혼합가스 분산실의 하부공간 측으로 분사되어, 역화가 방지되고, 상기 혼합가스 분사부의 측면은 하부측으로 경사진 경사면으로 구성되며, 상기 혼합가스 분산실은 내부 분산공간에 상기 혼합가스 분사부가 위치되도록 하부판과, 측판을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 혼합가스 분산실 상측에 연결되는 연소기 후레임 지지용 외피와, 상기 혼합가스 분산실의 측판의 하부로 연결되는 측벽 구성용 외피와, 상기 측벽 구성용 외피 하단에 연결되는 연소기 설치 고정용 플랜지를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 연소시스템으로서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 다공체 연소기; 상기 연소기의 예혼합장치에 연결된 연료공급관을 통해 연료가스를 공급하는 연료공급수단과, 상기 연료공급관 일측에 구비되는 연료공급밸브; 상기 예혼합장치에 연결된 산화제공급관을 통해 산화제를 공급하는 산화제공급수단과, 상기 산화제공급관 일측에 구비되는 산화제공급밸브; 다공체 측에 위치되어 화염을 감지하기 위한 화염감지기와, 점화장치; 세라믹 타공보드 입구측의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서; 상기 다공체 측의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서; 상기 산화제와 상기 연료의 유량을 측정하는 유량계; 및 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서와 상기 화염감지기에서 측정된 값을 기반으로 상기 산화제공급밸브와 상기 연료공급밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기를 이용한 연소시스템으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제3목적은 연소시스템의 작동방법에 있어서, 산화제공급수단과 연료공급수단을 가동하고 당량비를 설정, 입력하는 단계; 산화제공급밸브를 개방하고 유량계를 가동시키고 연료공급밸브를 개방하는 단계; 예혼합장치 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되는 단계; 일측이 예혼합장치에 연결된 혼합가스 공급관을 통해, 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되는 단계; 상기 혼합가스 공급관 타측에 연결된 혼합가스 분사부의 내부공간으로 상기 혼합가스가 유입되고, 혼합가스 분사부의 저판에 형성된 다수의 분사노즐을 통해 상기 혼합가스가 상기 혼합가스 분사부를 감싸도록 구성된 혼합가스 분산실의 하측을 향해 분사되어 공급되는 단계; 상기 혼합가스 분산실 상면에 구비되는 세라믹 타공보드 측으로 상기 혼합가스가 균일하게 공급되는 단계; 및 상기 세라믹 타공보드 상측에 구비된 다공체 내부에서 연소가 진행되는 단계;를 포함하고, 상기 세라믹 타공보드에 형성되는 타공들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료, 공기 혼합기의 양을 제어하고, 상기 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기를 이용한 연소시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 타공보드의 타공간의 피치가 중심부분에서 외측으로 갈수록 피치가 작아지도록 배열되고, 화염감지기가 화염을 감지하는 단계; 및 제1온도센서를 통해 상기 세라믹 타공보드 입구측 온도를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 제1온도센서에서 측정된 값이 설정된 온도값을 초과하는 경우, 제어부는 산화제공급밸브 또는 연료공급밸브를 제어하여 당량비 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법에 따르면, 세라믹 타공보드에서 균일한 타공 배열 형상으로 인해 고온의 열이 중앙으로 집중되어 세라믹 타공판의 사용온도를 초과하여 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로, 연소기 측면으로의 염공간의 피치를 조절하므로써 연료-공기 혼합기의 공급을 효과적으로 재분배가 가능하고 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법에 따르면, 장방향의 대면적 다공체 연소기의 단위 면적당 연료-공기 혼합기의 양을 타공판 설계를 통해 제어하여, 균일한 열방출 특성 및 내구성 향상을 기대할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기, 그 다공체 연소기를 이용한 연소시스템 및 그 작동방법에 따르면, 실시 분야에 따라 대면적의 원판형태로 응용할 경우, 원주방향으로 동일하게 피치를 조절하여 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래기술에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기의 정단면도,
도 2는 종래기술에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기의 측단면도,
도 3은 종래기술에 따른 혼합가스 분사부와, 세라믹 타공보드의 단면 사시도,
도 4는 종래기술에 따라 연소중인 연소기의 다공체 측 사진,
도 5는 종래기술에 따른 세라믹 타공보드의 평면도,
도 6은 중심부에 열이 집중되는 균일한 타공배열을 갖는 세라믹 타공보드,
도 7a 및 도 7b는 외측 부분에 타공간 피치를 감소시킨 세라믹 타공보드,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직사각형 세라믹 타공보드의 평면도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원판형태의 세라믹 타공보드의 평면도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기의 연소방법의 흐름도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기는 예혼합장치(10), 혼합가스 공급관(20), 혼합가스 분사부(30), 혼합가스 분산실(40), 세라믹 타공보드(50), 다공체(60) 등을 포함한다. 예혼합장치(10)는 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되게 된다. 그리고 혼합가스 공급관(20)은 하측이 예혼합장치(10) 상측에 연결되어, 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되게 된다.

혼합가스 분사부(30)는 혼합가스 공급관(20) 상측에 연결되며, 내부공간(31)으로 혼합가스가 유입되게 된다 혼합가스 분사부(30)는 내부공간(31)을 가지며 저판(32)에 다수의 분사노즐(33)이 형성된다. 따라서 이러한 다수의 분사노즐(33)을 통해 혼합가스가 하측으로 분사되게 된다.

즉, 혼합가스 분사부(30)의 분사노즐(33)은 저판(32) 상에 다수 형성되어 혼합가스 분산실(40)의 하부공간 측으로 분사되어, 역화가 방지될 수 있도록 구성된다.

또한, 혼합가스 분산실(40)은 혼합가스 분사부(30)를 감싸도록 구성되어 분사노즐(33)을 통해 분사된 혼합가스가 분산공간(43)으로 유입되게 된다. 그리고, 혼합가스 분사부(30)의 양측면은 하부측으로 경사진 경사면(34)으로 구성되게 된다. 즉, 혼합가스 분사부(30)의 측단면은 역사다리꼴 형태로 구성되게 된다.

따라서, 분사노즐(33)을 통해 하부측으로 분사된 혼합가스는 양측의 경사면(34)을 따라 유동되어 세라믹 타공보드(50) 측으로 균일하게 공급되고, 역화와 혼합가스 분산실(40) 상류측, 세라믹 타공보드(50)의 입구측의 과열이 방지되게 된다.

또한, 혼합가스 분산실(40)은 내부 분산공간(43)에 혼합가스 분사부(30)가 위치되도록 하부판(41)과, 측판(42)을 구비하고 있다.

그리고, 세라믹 타공보드(50)는 혼합가스 분산실(40)이 폐쇄되도록 혼합가스 분산실(40) 상면에 구비되며, 엎서 언급한 바와 같이, 혼합가스가 균일하게 공급되게 된다. 또한, 세라믹 타공보드(50) 상측에 다공체(60)가 구비되어, 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 발생되지 않고 균일한 고체복사에너지를 발생시키게 된다. 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 다공체(60)는 SiC Foam으로 구성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 타공보드(50)의 타공 간의 피치가 모두동일하게 설계되어 지게 되면, 균일한 타공 배열 형상으로 인해 고온의 열이 중앙으로 집중되어 세라믹 타공보드의 사용온도를 초과하여 소손이 발생할 우려가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 타공보드(50)에 형성되는 타공(51)들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료-공기 혼합기의 양을 제어하고, 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 세라믹 타공보드(50)에서 중심부 측의 열집중을 방지하기 위하여 세라믹 타공보드의 중심부보다 측면부 측에 타공(51)간의 피치가 작도록 배열될 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 외측 부분에 타공간 피치를 감소시킨 세라믹 타공보드를 도시한 것이다. 즉, 타공보드의 타공간의 피치가 중심부분에서 외측으로 갈수록 피치가 작아지도록 배열된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직사각형 세라믹 타공보드의 평면도를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 세라믹 타공보드가 직사각형 형태인 경우, 직사각형의 장방향으로의 타공 피치는 동일하고, 단방향으로의 타공피치는 단방향 중심선을 기준으로 외측으로 피치가 감소되도록 배열되게 된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원판형태의 세라믹 타공보드의 평면도를 도시한 것이다. 세라믹 타공보드가 대면적 원판형태인 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 원주방향 간의 타공 간 피치는 동일하고, 반경방향으로의 타공 간 피치는 외측으로 갈수록 감소되도록 배열될 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 세라믹 타공보드에서 균일한 타공 배열 형상으로 인해 고온의 열이 중앙으로 집중되어 세라믹 타공판의 사용온도를 초과하여 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로, 연소기 측면으로의 염공간의 피치를 조절하므로써 연료-공기 혼합기의 공급을 효과적으로 재분배가 가능하고 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 장방향의 대면적 다공체 연소기의 단위 면적당 연료-공기 혼합기의 양을 타공판 설계를 통해 제어하여, 균일한 열방출 특성 및 내구성 향상을 기대할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 실시 분야에 따라 대면적의 원판형태로 응용할 경우, 원주방향으로 동일하게 피치를 조절하여 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)의 하우징은, 혼합가스 분산실(40) 상측에 연결되는 연소기 후레임 지지용 외피(71)와, 혼합가스 분산실(40)의 측판(42)의 하부로 연결되는 측벽 구성용 외피(72)와, 측벽 구성용 외피(72) 하단에 연결되는 연소기 설치 고정용 플랜지(73)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 그리고, 연소기 후레임 지지용 외피(71)의 내면에는 단열체(74)가 구비되게 된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)의 연소방법에 대해 설명하도록 한다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)의 연소방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 예혼합장치(10) 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되게 된다(S1). 그리고, 예혼합장치(10)에 연결된 혼합가스 공급관(20)을 통해, 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되게 된다.

그리고, 혼합가스 공급관(20) 타측에 연결된 혼합가스 분사부(30)의 내부공간(31)으로 혼합가스가 유입되고(S2), 혼합가스 분사부(30)의 저판(32)에 형성된 다수의 분사노즐(33)을 통해 혼합가스가 혼합가스 분사부(30)를 감싸도록 구성된 혼합가스 분산실(40)의 하측을 향해 분사되어 공급되게 된다(S3).

그리고, 혼합가스 분산실(40) 상면에 구비되는 세라믹 타공보드(50) 측으로 혼합가스가 균일하게 공급되게 된다(S4). 앞서 언급한 바와 같이, 혼합가스 분사부(30)의 양측면은 하부측으로 경사진 경사면(34)으로 구성되어, 분사노즐(33)을 통해 하부측으로 분사된 혼합가스는 경사면(34)을 따라 유동되어 세라믹 타공보드(50) 측으로 균일하게 공급되고, 역화와 혼합가스 분산실(40) 상류측 과열이 방지되게 된다.

그리고, 세라믹 타공보드(50) 상측에 구비된 다공체(60) 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 발생되지 않고 균일한 고체복사에너지를 발생시키게 된다(S5).

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(110)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 그리고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기을 이용한 연소시스템의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 연소시스템은 예혼합장치(10)에 연결된 연료공급관(14)을 통해 연료가스를 공급하는 연료공급수단(16)과, 연료공급관(14) 일측에 구비되는 연료공급밸브(15)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 예혼합장치(10)에 연결된 산화제공급관(11)을 통해 산화제를 공급하는 산화제공급수단(13)과, 산화제공급관(11) 일측에 구비되는 산화제공급밸브(12)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 다공체(60) 측에 위치되어 화염을 감지하기 위한 화염감지기(81)와, 점화장치(82)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 그리고 세라믹 타공보드(50) 입구측의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서(91)와, 다공체(60) 측의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서(92)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 제2온도센서(92)는 다공체(60)의 표면온도, 다공체(60) 상부측으로 제1간격 이격된 위치, 제1간격보다 큰 제2간격으로 이격된 위치의 온도를 측정하기 위해 복수로 구성될 수도 있다.

또한, 산화제와 상기 연료의 유량을 측정하는 유량계(120)를 포함하여 구성된다. 그리고, 제어부(110)는 도 10에 도시된 바와 같이, 제1온도센서(91)와 상기 제2온도센서(92)와 화염감지기(81)에서 측정된 값을 기반으로 상기 산화제공급밸브(12)와 상기 연료공급밸브(15)를 제어하게 된다.

이하에서는 이러한 연소시의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 먼저, 제어부(110)를 통해 산화제공급수단(13)과 연료공급수단(16)을 가동하고 당량비를 설정, 입력하게 된다(S11, S12).

그리고 제어부(110)는 산화제공급밸브(12)를 개방하고(S13) 유량계(120)를 가동(S14)시키고 약 5초정도 대기후에 연료공급밸브(15)를 개방하게 된다(S15).

그리고, 예혼합장치(10) 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되고, 혼합가스 공급관(20)을 통해, 혼합가스가 혼합가스 분사부(30)의 내부공간(31)으로 유입되게 된다(S14). 그리고, 혼합가스 분사부(30)의 저판(32)에 형성된 다수의 분사노즐(33)을 통해 상기 혼합가스가 혼합가스 분사부(30)를 감싸도록 구성된 혼합가스 분산실(40)의 하측을 향해 분사되어 공급되게 된다.

그리고, 혼합가스 분산실(40) 상면에 구비되는 세라믹 타공보드(50) 측으로 상기 혼합가스가 균일하게 공급되고, 세라믹 타공보드(50) 상측에 구비된 다공체(60) 내부에서 연소가 진행되고, 화염감지기(81)가 화염을 감지하게 된다(S15). 그리고, 제1온도센서(91)를 통해 상기 세라믹 타공보드(50) 입구측 온도를 측정하게 된다(S19).

화염감지기(81)에 의해 화염이 감지되지 않는 경우(S16), 연료공급밸브(15)를 닫고 유량계(120)의 작동을 중단하고(S17), 약 10초 정도 대기하고, 재가동한 후 다시 연료공급밸브(15)를 개방하게 된다. 이러한 과정 2회 실시하는 상황에서도 화염이 감지되지 않으면 시스템을 정지시키도록 제어한다.

그리고, 제1온도센서(91)에서 측정된 값이 설정된 온도값을 초과하는 경우, 제어부(110)는 산화제공급밸브(12) 또는 연료공급밸브(15)를 제어하여 당량비 조절하게 된다. 구체적으로 당량비를 설정된 값만큼 증가시키고(S20), 상류온도가 설정된 값 이하로 되는 경우 정상운전시키고, 설정된 값을 계속 초과하는 경우 당량비를 설정된 값만큼 계속증가시키는 과정을 반복하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)를 이러한 구성을 채용하게 됨으로써, 고온 무산화 분위기 안정 연소가 가능하고, 강판 연속 열처리, 판유리 성형/열처리, 섬유/제지 건조, 석유화학 반응기 균일 가열용 에너지절약형 초저공해 연소를 실현시킬 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)에 따르면, 세라믹 타공보드(50)를 적용하여, 세라믹 다공체(60) 내부의 고온 연소열에 의한 혼합가스 분산실(40)의 과열 방지와 균일 분사 공급이 가능하며, 혼합가스 분사부(30)를 통한 혼합가스 역분사를 통해, 산화제와 연료가스의 2차 혼합과 대면적 다공체(60)로 균일 분산이 가능할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)에 따르면, 대면적화를 위한 연소기 단위 모듈의 구성이 가능하며, 다공체(60)의 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 존재하지 않으며 균일한 고온 고체복사에너지를 발생시킬 수 있어 근접 균일 가열이 가능하게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 다공체 연소기(100)에 따르면, 연료희박/연료농후 조건에서도 안정적인 연소가 가능하고 질소산화물(NOx) 배출이 매우 적으며, 고부하 적정 공기비 운전시에도 역화 발생을 억제하고 연소기의 대면적 module화가 가능하여 산업용 고온 가열 설비에 적용 가능하다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

10:예혼합장치
11:산화제공급관
12:산화제공급밸브
13:산화제공급수단
14:연료공급관
15:연료공급밸브
16:연료공급수단
20:혼합가스공급관
30:혼합가스분사부
31:내부공간
32:저판
33:분사노즐
34:경사면
40:혼합가스 분산실
41:하부판
42:측판
43:분산공간
50:세라믹 타공보드
51:타공
60:다공체
71:연소기 후레임 지지용외피
72:측면 지지용 외피
73:고정용 플랜지
74:단열체
81:화염감지기
82:점화장치
91:제1온도센서
92:제2온도센서
100:대면적 무산화 균일 신속 가열용 다공체 연소기를 이용한 연소기
110:제어부
120:유량계

Claims

내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되는 예혼합장치;
일측이 상기 예혼합장치 타측에 연결되어 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되어 유동되는 혼합가스 공급관;
상기 혼합가스 공급관 타측에 연결되며 내부공간으로 상기 혼합가스가 유입되고 다수의 분사노즐을 통해 상기 혼합가스가 분사되는 혼합가스 분사부;
상기 혼합가스 분사부를 감싸도록 구성되어 상기 분사노즐을 통해 분사된 혼합가스가 분산공간으로 유입되는 혼합가스 분산실;
상기 혼합가스 분산실이 폐쇄되도록 상기 혼합가스 분산실 상면에 구비되는 세라믹 타공보드; 및
상기 세라믹 타공보드 상측에 구비되어 내부에서 연소가 진행되고 가시화염이 발생되지 않고 균일한 고체복사에너지를 발생시키는 다공체;를 포함하고,
상기 세라믹 타공보드에 형성되는 타공들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료, 공기 혼합기의 양을 제어하고 상기 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
제 1항에 있어서,
상기 타공보드의 타공간 피치는 중심부 보다 측면부 측에서 작아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는
제 2항에 있어서,
상기 타공보드의 타공간의 피치가 중심부분에서 외측으로 갈수록 피치가 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
제 3항에 있어서,
상기 타공보드는 직사각형 형태이고, 상기 직사각형의 장방향으로의 타공 피치는 동일하고, 단방향으로의 타공피치는 단방향 중심선을 기준으로 외측으로 피치가 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
제 3항에 있어서,
상기 타공보드는 원판형태이고, 원주방향 간의 타공 간 피치는 동일하고, 반경방향으로의 타공 간 피치는 외측으로 갈수록 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
제 3항에 있어서,
상기 혼합가스 분사부의 분사노즐은 저판 상에 다수 형성되어 상기 혼합가스 분산실의 하부공간 측으로 분사되어, 역화가 방지되고, 상기 혼합가스 분사부의 측면은 하부측으로 경사진 경사면으로 구성되며, 상기 혼합가스 분산실은 내부 분산공간에 상기 혼합가스 분사부가 위치되도록 하부판과, 측판을 구비하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
제 6항에 있어서,
상기 혼합가스 분산실 상측에 연결되는 연소기 후레임 지지용 외피와, 상기 혼합가스 분산실의 측판의 하부로 연결되는 측벽 구성용 외피와, 상기 측벽 구성용 외피 하단에 연결되는 연소기 설치 고정용 플랜지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기.
연소시스템으로서,
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 다공체 연소기;
상기 연소기의 예혼합장치에 연결된 연료공급관을 통해 연료가스를 공급하는 연료공급수단과, 상기 연료공급관 일측에 구비되는 연료공급밸브;
상기 예혼합장치에 연결된 산화제공급관을 통해 산화제를 공급하는 산화제공급수단과, 상기 산화제공급관 일측에 구비되는 산화제공급밸브;
다공체 측에 위치되어 화염을 감지하기 위한 화염감지기와, 점화장치;
세라믹 타공보드 입구측의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서;
상기 다공체 측의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서;
상기 산화제와 상기 연료의 유량을 측정하는 유량계; 및
상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서와 상기 화염감지기에서 측정된 값을 기반으로 상기 산화제공급밸브와 상기 연료공급밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기를 이용한 연소시스템.
연소시스템의 작동방법에 있어서,
산화제공급수단과 연료공급수단을 가동하고 당량비를 설정, 입력하는 단계;
산화제공급밸브를 개방하고 유량계를 가동시키고 연료공급밸브를 개방하는 단계;
예혼합장치 내부로 산화제와 연료가스가 공급되어 예혼합되는 단계;
일측이 예혼합장치에 연결된 혼합가스 공급관을 통해, 산화제와 연료가스가 예혼합된 혼합가스가 토출되는 단계;
상기 혼합가스 공급관 타측에 연결된 혼합가스 분사부의 내부공간으로 상기 혼합가스가 유입되고, 혼합가스 분사부의 저판에 형성된 다수의 분사노즐을 통해 상기 혼합가스가 상기 혼합가스 분사부를 감싸도록 구성된 혼합가스 분산실의 하측을 향해 분사되어 공급되는 단계;
상기 혼합가스 분산실 상면에 구비되는 세라믹 타공보드 측으로 상기 혼합가스가 균일하게 공급되는 단계; 및
상기 세라믹 타공보드 상측에 구비된 다공체 내부에서 연소가 진행되는 단계;를 포함하고,
상기 세라믹 타공보드에 형성되는 타공들 간의 피치를 조절하여 단위 면적당 연료, 공기 혼합기의 양을 제어하고, 상기 다공체 평면에서 발생하는 열분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기를 이용한 연소시스템의 작동방법
제 9항에 있어서,
상기 타공보드의 타공간의 피치가 중심부분에서 외측으로 갈수록 피치가 작아지도록 배열되고,
화염감지기가 화염을 감지하는 단계; 및
제1온도센서를 통해 상기 세라믹 타공보드 입구측 온도를 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 제1온도센서에서 측정된 값이 설정된 온도값을 초과하는 경우, 제어부는 산화제공급밸브 또는 연료공급밸브를 제어하여 당량비 조절하는 것을 특징으로 하는 타공판 배열조정을 통한 열 분포 향상 다공체 연소기를 이용한 연소시스템의 작동방법.