KR20240064585A - 암모니아 연료 연소장치 - Google Patents

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KR20240064585A
KR20240064585A KR1020237035286A KR20237035286A KR20240064585A KR 20240064585 A KR20240064585 A KR 20240064585A KR 1020237035286 A KR1020237035286 A KR 1020237035286A KR 20237035286 A KR20237035286 A KR 20237035286A KR 20240064585 A KR20240064585 A KR 20240064585A
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combustion
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유사쿠 가와모토
슈헤이 다구치
가즈나리 나카이
리나 오오쿠라
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쥬가이로 고교 가부시키가이샤
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Abstract

암모니아 공급관(11)을 통해 공급되는 암모니아 가스(NH3)와 공기 공급관(12)을 통해 공급되는 연소용 공기(Air)를 연소 버너(10)에 의해 혼합해 노(1) 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에 있어서, 탄화수소계 연료(CmHn)가 보조연료 공급관(21)을 통해 공급되는 분사장치(20)를 상기의 연소 버너 근방에 설치하고, 상기의 분사장치에 의해, 탄화수소계 연료를 상기의 연소 버너에 의한 화염을 향해 노 내에 분사해 연소시킨다.

Description

암모니아 연료 연소장치
본 발명은, 암모니아 연료를 연소용 공기와 혼합해 연소 버너에 의해 노 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에 관한 것이다. 특히, 암모니아 연료(예를 들면, 암모니아 가스)를 연소용 공기와 혼합해 연소 버너에 의해 노 내에서 연소시킬 때, 암모니아 연료 외에 탄화수소계 연료를 노 내에 공급하고, 암모니아 연료를 탄화수소계 연료에 의해 노 내에서 충분히 연소시키도록 한 점에 특징을 갖는 것이다.
연료를 연소용 공기와 혼합해 연소시키는 연소장치에 있어서는, 일반적으로, 연료로서 탄화수소계 연료를 이용한 것이 사용되고 있다.
그러나, 이와 같이 탄화수소계 연료를 연소용 공기와 혼합해 연소시키도록 한 경우, 이산화탄소(CO2) 등의 온실효과가스가 많이 발생하는 문제가 있었다.
그리고, 최근에는, 이산화탄소(CO2) 등의 온실효과가스를 삭감하는 것이 요구되어, 연료에 탄화수소계 연료 이외의 것을 이용하는 것이 검토되고 있다.
또한, 종래부터, 연소장치에서의 연료로서, 암모니아 연료를 이용하는 것이 알려져 있는데, 암모니아 연료는 탄화수소계 연료에 비해 연소성이 나빠, 완전 연소시키는 것이 어렵고, 또한 저온에서의 연소 시에 실화(失火)가 용이한 한편, 강하게 연소시키면, 화염 온도가 높아져, NOx의 발생량이 증가하는 문제가 있었다.
그리고, 상기와 같이 연소성이 나쁜 암모니아 연료를 연소시킬 때, 특허문헌 1에서는, 저연소성 연료의 암모니아와 연소용 공기를 미리 혼합해 균일화시킨 후, 이렇게 미리 혼합한 가스를, 선회기(swirler)에 의해 선회해 강하게 교반하면서 연소시켜, 암모니아의 연소성을 높이도록 한 것이 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 나타낸 바와 같이, 암모니아와 연소용 공기를 미리 혼합한 가스를, 선회기에 의해 선회해 강하게 교반하면서 연소시키도록 한 경우, 종래의 경우와 마찬가지로, 암모니아가 한번에 연소되어 화염 온도가 높아져, NOx의 발생이 많아지는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 2에 있어서는, 연소기 버너의 원주를 따라, 암모니아를 연소시키는 암모니아 버너와 천연가스를 연소시키는 천연가스 버너를 번갈아 설치하고, 암모니아와 천연가스를, 각각 암모니아 버너와 천연가스 버너에서 연소하게 한 것이 제안되어 있다.
그러나, 연소기 버너의 원주를 따라, 암모니아 버너와 천연가스 버너를 번갈아 설치하기 위해서는 설비비용이 많이 드는 동시에, 암모니아의 연소 화염과 천연가스의 연소 화염이 별개로 되기 때문에, 전체 연소가 불안정하게 되어, 천연가스와의 비율을 균일하게 변경해 연소시키는 것이 어렵고, 또한 암모니아를 완전히 연소하게 하는 것도 매우 어려웠다.
일본국 특개2016-130619호 공보 일본국 특개2020-139700호 공보
본 발명은, 암모니아 연료를 연소용 공기와 혼합해 버너에 의해 노 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에서의 상기와 같은 문제를 해결하는 것을 과제로 하는 것이다.
즉, 본 발명은, 상기와 같이 암모니아 연료를 연소용 공기와 혼합해 버너에 의해 노 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에 있어서, 암모니아 연료 외에 탄화수소계 연료를 노 내에 공급하여, 암모니아 연료를 탄화수소계 연료에 의해 노 내에서 충분히 연소할 수 있도록 하는 것을 과제로 하는 것이다.
본 발명에 관한 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 암모니아 공급관을 통해 공급되는 암모니아 연료와 공기 공급관을 통해 공급되는 연소용 공기를 연소 버너에 의해 혼합해 노 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에서, 탄화수소계 연료가 보조연료 공급관을 통해 공급되는 분사장치를 상기의 연소 버너 근방에 설치하고, 상기의 분사장치에 의해, 탄화수소계 연료를 상기의 연소 버너에 의한 화염을 향해 노 내에 분사해 연소시키도록 했다.
그리고, 본 발명에 관한 암모니아 연료 연소장치와 같이, 암모니아 공급관을 통해 공급되는 암모니아 연료와 공기 공급관을 통해 공급되는 연소용 공기를 혼합해 노 내에서 연소시키는 연소 버너의 근방에, 보조연료 공급관을 통해 탄화수소계 연료가 공급되는 분사장치를 설치하고, 이 분사장치에 의해 탄화수소계 연료를, 연소 버너에 의해 암모니아 연료와 연소용 공기를 혼합해 노 내에서 연소시킨 화염을 향해 분사해 연소하게 하면, 연소성이 낮은 암모니아 연료가 분사장치에 의해 분사된 탄화수소계 연료에 의해 충분히 연소되는 동시에, 탄화수소계 연료만을 연소시키는 경우에 비해, 이산화탄소(CO2)의 발생이 억제된다.
또한, 암모니아 연료가 연소하고 있는 곳에 탄화수소계 연료를 첨가하므로, 화염이 하나가 되어 연소가 안정적이다.
여기서, 본 발명에 관한 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기의 암모니아 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 암모니아 연료의 양을 조정하는 암모니아 조정밸브와, 상기의 공기 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 연소용 공기의 양을 조정하는 공기 조정밸브와, 상기의 보조연료 공급관을 통해 분사장치에 공급하는 탄화수소계 연료의 양을 조정하는 보조연료 조정밸브와, 상기의 암모니아 조정밸브와 공기 조절밸브와 보조연료 조정밸브를 제어하는 제어장치를 설치할 수 있다.
이렇게 하면, 상기의 제어장치에 의해, 상기의 공기 조정밸브를 제어하여 공기 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 연소용 공기의 양을 조정하는 동시에, 상기의 암모니아 조정밸브를 제어하여 암모니아 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 암모니아 연료의 양을 조정하고, 나아가 상기의 보조연료 조정밸브를 제어하여 보조연료 공급관을 통해 분사장치를 공급하고, 이 분사장치로부터 연소 버너에 의한 화염을 향해 분사하는 탄화수소계 연료의 양을 조정함으로써, 상기와 마찬가지로 암모니아 연료와 탄화수소계 연료를 안정적으로 연소시켜 원하는 발열량을 얻는 것이 용이하게 실시되는 동시에, 암모니아 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 암모니아 연료와, 보조연료 공급관을 통해 분사장치로부터 연소 버너에 의한 화염을 향해 분사하는 탄화수소계 연료와의 비율을 균일하게 변경시켜, 원하는 발열량을 얻을 수 있도록 제어하는 것도 간단하게 실시할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 관한 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기의 암모니아 연료에 액체 암모니아를 이용해, 상기의 암모니아 공급관을 통해 액체 암모니아를 상기의 연소 버너에 미스트 형태로 공급할 수 있다. 이와 같이, 암모니아 연료에 액체 암모니아를 이용해, 상기의 암모니아 공급관을 통해 액체 암모니아를 상기의 연소 버너에 미스트 형태로 공급하면, 암모니아 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 암모니아 연료를 가스화할 필요가 없어, 암모니아 연료를 가스화할 설비비용이 저감되는 동시에, 암모니아 연료를 가스의 상태로 연소 버너에 안내하는 경우에 비해, 암모니아 공급관의 배관 등이 간단하게 되어 설비를 소형화할 수 있다.
본 발명의 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기와 같이 암모니아 공급관을 통해 공급되는 암모니아 연료와 공기 공급관을 통해 공급되는 연소용 공기를 혼합해 노 내에서 연소시키는 연소 버너의 근방에, 보조연료 공급관을 통해 탄화수소계 연료가 공급되는 분사장치를 설치하고, 이 분사장치에 의해 탄화수소계 연료를, 연소 버너에 의해 암모니아 연료와 연소용 공기를 혼합해 노 내에서 연소된 화염을 향해 분사해 연소시키도록 했기 때문에, 연소성이 낮은 암모니아 연료가 분사장치에 의해 분사된 탄화수소계 연료에 의해 충분히 연소되는 동시에, 탄화수소계 연료만을 연소시키는 경우에 비해, 이산화탄소(CO2)의 발생이 억제되었다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 암모니아 연료 연소장치의 개략설명도이다.
도 2는, 상기의 실시형태에 관한 암모니아 연료 연소장치에 있어서, 암모니아 연료에 액체 암모니아를 이용하고, 암모니아 공급관을 통해 액체 암모니아를 연소 버너 내에 미스트 형태로 공급하는 변경예를 나타낸 개략설명도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관한 암모니아 연료 연소장치를 첨부도면에 근거하여 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명에 관한 암모니아 연료 연소장치는, 하기의 실시형태에 나타낸 것에 한정되지 않고, 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에 있어서, 적절히 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시형태에 관한 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 노(1)에 설치한 연소 버너(10)에, 암모니아 공급관(11)을 통해 암모니아 연료인 암모니아 가스(NH3)를 공급하는 동시에, 공기 공급관(12)를 통해 연소용 공기(Air)를 공급하고, 상기의 암모니아 가스(NH3)와 연소용 공기(Air)를 연소 버너(10)에서 혼합해 노(1) 내에서 연소시키도록 하고 있다.
그리고, 이 실시형태의 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기의 암모니아 공급관(11)에 암모니아 조정밸브(11a)를 설치하고, 이 암모니아 조정밸브(11a)를 제어장치(30)에 의해 제어하여, 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 가스(NH3)의 양을 조정하는 동시에, 상기의 공기 공급관(12)에 공기 조정밸브(12a)를 설치하고, 이 공기 조정밸브(12a)를 상기의 제어장치(30)에 의해 제어하여, 연소 버너(10)에 공급하는 연소용 공기(Air)의 양을 조정하도록 하고 있다.
또한, 이 실시형태의 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기의 연소 버너(10) 근방에 분사장치(20)를 설치해, 이 분사장치(20)에 보조연료 공급관(21)을 통해 천연가스 등의 탄화수소계 연료(CmHn)를 공급하게 하고, 상기의 보조연료 공급관(21)에 보조연료 조정밸브(21a)를 설치해, 이 보조연료 조정밸브(21a)를 상기의 제어장치(30)에 의해 제어하고, 분사장치(20)에 공급하는 탄화수소계 연료(CmHn)의 양을 조정하여, 이와 같이 분사장치(20)에 공급된 탄화수소계 연료(CmHn)를, 상기의 연소 버너(10)에 의해 연소된 화염을 향해 분사해 연소시키도록 하고 있다.
여기서, 이 실시형태의 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 상기와 같이 제어장치(30)에 의해, 상기의 공기 공급관(12)에 설치한 공기 조정밸브(12a)를 제어하여, 연소 버너(10)에 공급하는 연소용 공기(Air)의 양을 조정하는 동시에, 암모니아 공급관(11)에 설치한 암모니아 조정밸브(11a)를 제어하고, 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 가스(NH3)의 양을 조정하여, 상기의 암모니아 가스(NH3)를 상기의 연소용 공기(Air)와 연소 버너(10)에서 혼합해 노(1) 내에서 연소시키도록 하고, 또한 상기의 제어정치(30)에 의해, 상기와 같이 보조연료 공급관(21)에 설치한 보조연료 조정밸브(21a)를 제어하여, 분사장치(20)에 공급하는 탄화수소계 연료(CmHn)의 양을 조정하고, 이 분사장치(20)에 공급된 탄화수소계 연료(CmHn)를, 상기의 연소 버너(10)에 의해 연소된 화염을 향해 분사해 연소시키도록 하고 있다.
이렇게 하면, 연소성이 낮은 암모니아 가스(NH3)가, 분사장치(20)에서 연소 버너(10)의 화염을 향해 분사된 탄화수소계 연료(CmHn)에 의해 연소가 어시스트되어 충분히 연소되는 동시에, 탄화수소계 연료(CmHn)만을 연소시키는 경우에 비해, 이산화탄소(CO2)의 발생이 억제된다.
또한, 상기와 같이 제어장치(30)에 의해, 상기의 공기 조정밸브(12a)를 제어하여 연소 버너(10)에 공급하는 연소용 공기(Air)의 양을 조정하는 동시에, 상기의 암모니아 조정밸브(11a)를 제어하여 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 가스(NH3)의 양을 조정하고, 나아가 상기의 보조연료 조정밸브(21a)를 제어하여, 분사장치(20)에서 연소 버너(10)에 의한 화염을 향해 분사하는 탄화수소계 연료(CmHn)의 양을 조정하면, 상기의 암모니아 가스(NH3)와 탄화수소계 연료(CmHn)에 의한 연소를 제어하여, 원하는 발열량이 용이하게 얻어지게 된다.
또한, 상기의 제어장치(30)에 의해, 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 가스(NH3)의 양과, 분사장치(20)에서 연소 버너(10)에 의한 화염을 향해 분사하는 탄화수소계 연료(CmHn) 양의 비율을 변경시켜, 원하는 발열량을 얻을 수 있게 하는 것도 간단히 실시할 수 있고, 예를 들면, 노(1) 내의 온도가 상승해 암모니아 가스(NH3)가 연소하기 쉽게 된 경우에는, 상기의 제어장치(30)에 의해, 암모니아 조정밸브(11a)를 제어하여, 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 가스(NH3)의 양을 증가시키는 한편, 보조연료 조정밸브(21a)를 제어하여, 분사장치(20)에서 연소 버너(10)에 의한 화염을 향해 분사하는 탄화수소계 연료(CmHn)의 양을 감소시키도록 조정할 수 있다.
또한, 이 실시형태의 암모니아 연료 연소장치에 있어서는, 암모니아 연료로서 암모니아 가스(NH3)를 이용하도록 하였으나, 도 2에 나타낸 바와 같이, 암모니아 연료로서 액체 암모니아(liq. NH3)를 이용하는 것도 가능하다.
그리고, 상기와 같이 암모니아 연료로서 액체 암모니아(liq. NH3)를 이용하는 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제어장치(30)에 의해, 암모니아 조정밸브(11a)를 제어하여, 암모니아 공급관(11)을 통해 적당량의 액체 암모니아(liq. NH3)를 연소 버너(10)에 공급하고, 이렇게 공급된 액체 암모니아(liq. NH3)를 분무노즐(11b)에 의해 연소 버너(10) 내에 분무해, 이렇게 분무된 액체 암모니아 (liq. NH3)를 상기와 같이 공기 공급관(12)을 통해 연소 버너(10)에 공급된 연소용 공기(Air)와 혼합해, 노(1) 내에서 연소시키도록 한다.
여기서, 상기와 같이 암모니아 연료에 액체 암모니아(liq. NH3)를 이용해, 액체 암모니아(liq. NH3)의 상태에서 연소 버너(10)에 공급하게 한 경우, 연소 버너(10)에 공급하는 암모니아 연료를 가스화할 필요가 없어져, 암모니아 연료를 가스화할 설비비용이 저감되는 동시에, 암모니아 연료를 가스의 상태에서 연소 버너(10)로 안내하는 경우에 비해, 암모니아 공급관(11)의 배관 등이 간단하게 되어 설비를 소형화할 수 있게 된다.
1 --- 노
10 --- 연소 버너
11 --- 암모니아 공급관
11a --- 암모니아 조정밸브
11b --- 분무노즐
12 --- 공기 공급관
12a --- 공기 조정밸브
20 --- 분사장치
21 --- 보조연료 공급관
21a --- 보조연료 조정밸브
30 --- 제어장치
Air --- 연소용 공기
CmHn --- 탄화수소계 연료
NH3 --- 암모니아 가스
liq. NH3 --- 액체 암모니아

Claims (3)

  1. 암모니아 공급관을 통해 공급되는 암모니아 연료와 공기 공급관을 통해 공급되는 연소용 공기를 연소 버너에 의해 혼합해 노 내에서 연소시키는 암모니아 연료 연소장치에 있어서, 탄화수소계 연료가 보조연료 공급관을 통해 공급되는 분사장치를 상기의 연소 버너 근방에 설치하고, 상기의 분사장치에 의해, 탄화수소계 연료를 상기의 연소 버너에 의한 화염을 향해 노 내에 분사해 연소시키는 것을 특징으로 하는 암모니아 연료 연소장치.
  2. 청구항 1의 기재에 있어서,
    상기의 암모니아 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 암모니아 연료의 양을 조정하는 암모니아 조정밸브와, 상기의 공기 공급관을 통해 연소 버너에 공급하는 연소용 공기의 양을 조정하는 공기 조정밸브와, 상기의 보조연료 공급관을 통해 분사장치에 공급하는 탄화수소계 연료의 양을 조정하는 보조연료 조정밸브와, 상기의 암모니아 조정밸브와 공기 조정밸브와 보조연료 조정밸브를 제어하는 제어장치를 설치한 것을 특징으로 하는 암모니아 연료 연소장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2의 기재에 있어서,
    상기의 암모니아 연료에 액체 암모니아를 이용해, 상기의 암모니아 공급관을 통해 액체 암모니아를 상기의 연소 버너에 미스트 형태로 공급하는 것을 특징으로 하는 암모니아 연료 연소장치.
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