KR910006235B1 - 저농도 산화질소 연소장치 - Google Patents

저농도 산화질소 연소장치 Download PDF

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바부콕그 히다찌 가부시기가이샤
요꼬다 이찌로오
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Abstract

내용 없음.

Description

저농도 산화질소 연소장치
제1도는 본 발명에 따른 연소장치의 한 실시예를 도시한 단면도.
제2도는 제1도의 연소장치를 A방향으로 본 측면도.
제3도는 제1도의 부분(B)에 대한 다른 실시예를 도시한 단면도.
제4도는 제1도의 연소장치를 A방향으로 본 도면으로서 환상단부판에 분사되는 부공(副孔) 가스의 분사방향을 도시한 설명도.
제5도는 제1도의 부분(B)에 대한 다른 실시예를 도시하는 단면도.
제6도는 제5도의 도시한 부분을 C방향으로 본 측면도.
제7도는 제1도의 부분(B)에 대한 또 다른 실시예를 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 유류공급관 3 : 유류분사노즐
6 : 미분탄공급관 9 : 화염보유판
11 : 가스공급관 12 : 가스노즐
12A : 주공(主空) 12B : 부공(副空)
19 : 2차내측슬리이브 20 : 2차공기공급관
25 : 3차안내슬리이브 26 : 환상단부판
28 : 돌출부 34 : 2차외측슬리이브
36 : 돌출부 44 : 환상공간부
본 발명은 저농도 산회질소(Nox) 연소장치에 관한 것이며, 특히 가스, 기름, 석탄을 동일축을 따라 공급하여 연소시킴으로서 배기가스내에 함유된 산화질소의 함유량을 감축시킨 보일러등의 연소장치에 관한 것이다.
본 발명에 관련된 종래의 것으로서 기름과 석탄을 동일축을 따라 공급하여 연소시키는 저농도 산화질소 연소장치가 미합중국 특허번호 4,545,307(일본극 특허 출원 공개번호 제7802071호 1985년)로서 제시된 바 있으나, 세종류의 연료, 즉 가스와 거름과 석탄을 동일축을 따라 공급하여 연소시키는 저농도 산화질소 연소장치는 현재까지 제시된바 없었다.
그러한 이유는 동일축을 따라 공급되는 가스, 기름 및 석탄을 연소시키는 버어너에 있어서 가스공급관이 3차공기(연소공기)의 선회통로내에 설치됨으로서 유동(流動) 저항이 커져서 3차공기에게 강력한 선회력을 줄 수 없었기 때문이다.
특히 화염내에서 탈질(脫窒) 반응을 일으키는 방식의 저농도 산화질소 연소장치에 있어서, 강력한 공기의 선회력이 필요조건중의 하나로서 요구되기 때문에, 선회력이 약하면 저농도 산화질소 연소를 달성할 수 없다. 또 다른 이유는 예를 들어 석탄이 연소할때, 가스노즐에 재가 부착되거나 가스노즐이 소실됨으로서 노출구가 폐쇄될 위험이 있었기 때문이다. 또한 석탄 연소 보일러에 있어서, 화로의 길이가 통상 깊기 때문에 화로의 길이방향의 1차공명주파수가 낮아져서 연소진동이 발생할 가능성이 크다.
이상 설명한 바와 같이 종래 기술상의 문제점은 첫째로, 가스공급관 때문에 연소공기의 선회가 방해받음으로서 강력한 선회력을 줄 수 없게 되어 화염내의 탈질반응을 이용하는 저농도 산화질소 연소를 달성할 수 없다는 점과, 둘째로, 석탄만을 연소시키는 경우에 석탄재가 노출구에 부착됨으로서 가스노즐이 폐쇄되거나 소실될 위험이 있다는 점과, 셋째로, 석탄은 연소시키기가 다른 연료 즉 가스나 기름에 비하여 용이하지 않은 연료이기 때문에 화로의 용적을 크게 설계해야 하고 따라서 화로의 길이가 깊어짐으로서 1차 공명주파수가 낮아져서 가스연소시에 연소진동을 위압시킬 가능성이 크다는 점이다.
따라서 본 발명은 연소공기의 선회를 방해하지 않고 노즐의 폐쇄를 방지하며, 연소진동을 방지함으로서 종래기술상의 단점을 해소하여 동일축을 따라 공급되는 가스, 기름 및 석탄중 한가지 연료이상을 저농도 산화질소 연소시키는 연소장치를 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
이상과 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 저농도 산화질소 연소장치는 다음과 같이 구성된다.
즉, 연소화로의 측벽상에 마련된 버어너목(burner throat)속으로 삽입되어 공기를 미분된 석탄과 함께 연소화로내로 공급하기 위한 미분탄공급관과 미분탄공급관내로 미분된 석탄과 공기를 공급하는 장치와 미분탄공급관속으로 삽입되는 보조연료공급관과 보조연료공급관의 종단부에 부설되는 노즐과 내부에 미분탄공급관이 삽입됨으로서 미분탄 공급관과 동심적으로 부설되는 2차공기공급관과 2차공기공급관과 미분탄공급관 사이에 형성된 2차공기통로와 2차공기공급관의 외주면상에 형성되는 3차공기통로와 2차공기통로와 3차공기통로속으로 공기 또는 산소함유 가스를 공급하는 장치와 상기 미분탄공급관의 출구를 둘러싸는 식으로 부설되는 화염보유장치와 유류공급관속으로 유류를 공급하는 장치와 2차공기공급관의 내주면상에 마련되는 환상공간부와 환상공간부속으로 축방향으로 이동가능하게 삽입되는 가스공급관과 가스공급관의 종단부에 부설되는 가스노즐과 가스공급관에 가스를 공급하는 장치로 구성된다.
본 발명의 구성상 주요 특징을 열거하면 다음과 같다.
즉, 첫째로 가스공급관이 삽입되는 환상공간부를 2차내측슬리이브와 2차외측슬리이브와 이들 슬리이브의 양단부에 부설되는 환상단부판으로서 구성하였고 2차외측슬리이브를 2차공기공급관의 일부로서 공통적으로 마련하는 한편, 통상 등 간격 배열되는 다수의 구멍이 구비된 환상단부판속으로 가스공급관들을 삽입시킨 이상의 환상공간부의 제시에 따라서 3차공기통로와 2차공기통로가 완전히 격리되어 강력한 선회공기가 제공되고 가스공급관을 상기 환상공간부내에 배치함으로서 2차공기와 3차공기의 선회강도에 악영향을 끼치지 않게 되며 유동저항이 발생하지 않게 된다는 것이다.
둘째로, 환상단부판을 2차내측슬리이브와 2차외측슬리이브의 종단부에 마련되어 이들 슬리이브를 상호 접속함으로서 2차공기의 분사구와 3차공기의 분사구를 격리시켜서 3차공기의 선회강도를 증가시키는 동시에 1차공기 때문에 연소영역에서 감소된 화염을 강화한다는 것이다.
셋째로, 석탄만을 연소시키는 경우에 재때문에 가스노즐이 폐쇄되거나 소실되는 것을 방지하기 위해 가스공급관을 일정거리만큼 인출하여 가스노즐을 2차내측슬리이브와 2차외측슬리이브를 통하여 공급되는 냉각공기에 의해 냉각시키도록 구성하였다는 것이다.
여기서 가스공급관은 상기 환상공간부와 환상단부만을 관통하여 배치하되 축방향으로 이동가능하게 하여 가스공급관의 인출하는 거리를 가스노즐이 환상단부판의 구멍으로부터 돌출하지 않는만큼으로 제한할 수도 있는 반면 가스공급관을 환상공간부로부터 완전히 인출할 수도 있도록 하였다.
이상과 같이 가스공급관을 일정거리만큼 인출함으로서 가스공급관을 프레임으로부터의 복사열로부터 보호할 수 있고 2차공기로서 냉각시킬 수 있으므로 가스노즐을 열로부터 보호할 수 있게 된다.
이제부터 첨부도면에 따른 본 발명의 실시예를 참조 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명에 따라서 3가지 연료, 즉 가스, 기름, 석탄을 연소시키는 버어너에 대한 단면도이다.
이러한 연소장치는 연소화로의 측벽상의 버어너목(40)속으로 미분탄공급관(6)을 삽입하고 종단부에 유류분사노즐(3)이 부설된 유류공급관(2)을 미분탄공급관(6)속으로 삽입하여 미분탄공급관(6)의 외주면상에 2차공기통로를 형성하기 위해 2차공기공급관(20)을 2중관형태로 부설하고 2차공기공급관(20)사이에 2차공기통로를 형성시키고 상기2차공기공급관(20)은 미분탄공급관(6)과 동심적으로 미분탄공급관(6)의 외주면상에 마련하며, 2차공기공급관(20)의 외주면상에 3차공기통로를 형성시키고 화염보유판(9)를 미분탄공급관(6)의 종단부에 부설하여 미분탄공급관(6)을 둘러싸고 환상공간부(44)를 2차공기공급관(20)의 내주면상에 마련하되 2차외측슬리이브(34)와 2차내측슬리이브(19)로서 둘러싸고 환상단부판(26)을 양 슬리이브(19) 및 (34)의 단부에 부설함으로서 환상공간부(44)를 마련하고 상기 환상단부판(26)에 가스공급관(11)을 삽입하는 용도로서 다수의 구멍을 형성하고 가스공급관(11)을 상기 환상공간부(44)내에 축방향으로 이동가능하게 삽입하고 가스공급관(11)의 종단부에는 가스노즐(12)을 마련함으로서 구성된다.
상기에서 화염보유판(9)을 구비하는 미분탄공급관(6)과 2차공기공급관(20)의 구조 및 배열은 미합중국 특허번호 4,545,307의 것과 동일할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 버어너에 있어서 기름이 제일 먼저 유류공급관(2)를 통하여 공급되어 유류분사노즐(34)에 의해 연소화로 속으로 분사된다.
유류를 분사하는 방법은 2가지가 있는데 한가지는 압축분사법이고 다른 한가지는 중기 또는 공기에 의한 2유체분사법이며 본 발명에는 이들 중 어느하나를 적용할 수 있다.
버어너의 점화 및 시동용으로서 주로 유류공급관(2)과 유류분사노즐(3)을 사용하지만 가스연료를 버어너의 점화용 보조연료로서 이용할때는 유류공급관(2)과 유류분사노즐(3)은 가스공급관(11)과 가스노즐(12)로서 대치될 수 있다.
한편, 석탄은 분쇄기에 의해 미분된후 1차공기에 의해 미분탄공급관(6)을 통하여 반송된다. 1차공기에 의해 반송됨으로서 가속된 미분탄은 미분탄공급관(6)의 내벽상에 부설되는 벤튜리(venturi)(5)에 의해 감속되고 선회기(7)에 의해 약한 선회력을 받은 후 1차공기분사구(8)를 통하여 연소화로 속으로 투입되어 연소된다.
화염보유판(9)은
Figure kpo00001
자형의 단면형태를 가지며, 미분탄공급관(6)의 분사구(8)의 분사구(8)에 부설되고 미합중국 특허번호 4,545,307에 기술된 바와 같은 것으로서 화염보유판(9)의 단면형태가
Figure kpo00002
자형이라는 것은 화염보유판(9)의 일부가 미분탄공급관(6)의 축방향에 거의 직각으로 형성되고 다른 일부는 미분탄공급관(6)의 축방향과 평행으로 연소화로를 향해 연장되는 식으로 형성되거나 일정각도로 확대되는 식으로 형성됨으로서 확염보유판(9)의 단면형태가
Figure kpo00003
자형을 이루게 됨을 의미한다.
상기에서 1차공기분사구(8)로부터 분사된 미분탄 이후 화염보유판(9)의 하류측에서 발생된 선회기류에 의해서 선회하면서 연소화로 내로 반송되므로 연소화로내에는 안정된 화염이 형성된다.
여기서 연소공기는 바람상자벽(14)과 보일러벽(15)으로 구성되는 바람상자(16)속으로 강자통풍기에 의해 공급된다.
이후 바람상자(16)내의 연소공기는 일부가 슬라이드댐퍼(slide damper)(17)에 의해 개폐가 조절되는 2차공기흡입구(18)을 거쳐 미분탄공급관(6)과 2차내측슬리이브(19)간의 환상통로를 통과하면서 2차베인(vane)(21)에 의해 선회력을 받은후 2차분사구(22)를 통하여 연소화로내로 공급되고 나머지 일부의 연소공기는 보일러벽(15)의 후면상에 마련된 3차공기저항기(23)에 의해 선회기류를 형성하면서 3차분사구(24)를 거쳐서 연소화로내로 공급된다.
한편 연료가스(10)는 가스매니포울드(13)로 공급된후 다수의 가스공급관(11)을 거쳐 가스노즐(12)을 통하여 연소화로내로 공급된다. 여기서 가스노즐(12)이 구비된 가스공급관(11)은 버어너의 축방향으로 일정거리만큼 이동가능한 구조로 되어 있다.
즉 가스공급관(11)들은 환상단부판(26)내의 구멍에 의해 느슨하게 지탱되고 있으므로 인출이 용이한 구조로 되어 있다. 또한 한개 이상의 냉각용 공기구(29)가 2차내측슬리이브(19)에 마련되어 가스노즐(12)을 냉각시키고 가스노즐(12)에 재가 부착되는 것을 방지한다.
또한 2차공기공급관(20)과 일부를 공통으로 점하는 2차외측슬리이브(34)의 종단부에는 3차안내슬리이브(25)가 제1도에 도시된 바와 같이 마련되어 2차공기의 유통을 규제하고 가스연소시에는 화염보유판으로서의 역할을 수행한다.
이제부터 제1도의 방향(A)에서 본 발명의 연소장치(제2도)를 설명하기로 한다.
즉, 본 연소장치의 중심축상에는 유류분사노즐(3)이 배치되며 1차공기분사구(8)가 이 유류분사노즐(3)을 둘러싸고 다시 화염보유판(9)이 1차공기분사구(8)의 외주면상에 마련된다.
여기서 화염보유판(9)은 요철형태의 돌출부(36)를 구비하여 부분적으로 1차공기분사구(8)내로 돌출함으로서 화염보유판(9)상에 난류가 유발되어 연소율이 증가되고 화염 보유작용도 향상된다.
화염보유판(9)의 외주면상에는 2차공기분사구(22)가 배치되고 2차 공기분사구(22)의 외주면상에는 방사상 연장된 형태를 가진 3차안내슬리이브(25)가 배치되며 3차안내슬리이브(25)의 외주면상에는 3차공기분사구(24)가 마련된다.
제1도의 A방향으로 본 버어너를 부분적으로 도시하는 제4도를 설명하기로 한다.
제4도에는 환상단부판(26)과 3차안내슬리이브(25) 및 가스노즐(12)이 도시되었다.
가스노즐(12)을 구체적으로 설명하면 가스를 연소화로내로 직접 분사하는 주공(12A)이 중심부로부터 약간 이탈되게 형성됨으로서 화염의 선회를 유도하고 부공(12B)은 가스분사방향이 제4도에 도시된 바와 같이 환상단부판(26)을 향하도록 부공가스(27)를 발생시키게 형성되었다.
이러한 부공가스(27)에 의해서 환상단부판(26)과 3차안내슬리이브(25)로부터 하향 분사되는 안정한 화염을 형성할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에서 특히 석탄과 기름을 연소시킬때 3차공기분사구(24)가 환상단부판(26)의 폭만큼 2차공기분사구(22)로부터 이격되었기 때문에 고온환원분위기에서 충분한 1차공기의 영역을 확보할 수 있게 된다. 또한 3차공기는 가스노즐(12)로 인한 유동저항을 초래함이 없이 강력한 선회공기를 공급할 수 있다.
따라서 1차공기와 2차공기를 연소공기로하여 연소되는 화염의 외곽에 있는 미연소의 연료도 3차공기에 의해 연소될 수 있게 된다. 또한 화염의 안정도가 전체적으로 강화됨으로서 연소화로내의 압력변화가 감소되며 버어너의 부하조정범위(turndown ratio)가 증가된다. 그리고 화염안정도가 증가됨에 따라서 확실한 화염검사를 실시할 수 있게 된다.
제1도의 B부분에 대한 본 발명의 다른 실시예를 도시한 제3도를 참조 설명한다. 즉 제3도의 실시예에서는 제1도의 환상단부판(26)중 직각 부분 대신에 3차안내슬리이브(25)를 경사연장시켜서 경사진 환상단부판(26A)를 형성하였다는 점이 제1도의 실시예와 구별되는 차이점이며 이와 같은 구조에서도 성취되는 효과는 제1도의 실시예와 동일하다.
제1도의 B부분에 대한 또 다른 실시예를 도시한 제5도를 참조 설명한다. 제5도의 실시예가 제1도의 실시예와 다른 점은 2차공기분사구(22)의 중심부쪽을 면하는 직경이 작은 돌출부(28)가 환상단부판(26)의 내주면상에 마련된다는 점이다.
이러한 돌출부(28)는 제5도를 방향(C)에서 본 도면인 제6도에 도시된 바와 같이 화염보유판(9)의 내주면의 돌출부와 동일한 구조를 가진다. 이러한 돌출부(28)가 있으므로 인하여 환상단부판(26)상의 가스화염의 안정도는 더욱 강화될 수 있게 된다.
제1도의 부분(B)에 대한 또 다른 실시예를 단면도로서 도시한 제7도를 참조 설명하기로한다.
이 실시예에서는 2차공기공급관(20)과 2차외측슬리이브(34)가 서로 이격됨으로서 이들 사이에 환상간극(30)이 형성되어 냉각용 공기가 통과하고 따라서 3차안내슬리이브(25)가 효과적으로 냉각되며 용융된 재성분이 3차안내슬리이브(25)속으로 유입되는 것이 방지되거나 용융된 재성분의 고형화가 냉각공기로 인하여 가속되어 3차안내슬리이브(25)상에 스케일(scale) 및 클링커(clinken)가 형성되는 것이 방지된다. 3차 안내슬리이브(25)를 제1도에 도시된 바와 같이 환상단부판(26)에 직각으로 부설하는 경우에 3차안내슬리이브(25)의 외경과 환상공간부(44)의 평균수력학적지금간의 차이(A)는 버어너목(40)의 내경과 환상공간부(44)의 평균수력학적 지름간의 차이(B)에 대해 30%이상인 것이 좋다.
즉, A≥0.30×B
한편, 3차안내슬리이브(25)를 제3도에 도시한 바와 같이 환상단부판(26A)으로부터 연장하여 마련하는 경우 3차안내슬리이브(25)의 외경과 환상공간부(44)의 평균수력학적지름간의 차이(A)는 버어너목(40)의 내경과 환상공간부(44)의 평균수력학적 지름간의 차이(B)에 대해 40%이상인 것이 좋다.
즉, A≥0.40×B
이상과 같은 3차안내슬리이브(25)와 환상공간부(44)의 구조에 의해서 2차공기통로와 3차공기통로는 더욱 명확히 분리되고 화염안정도는 증대된다. 한편 미분탄공급관(6)에 공급되는 연료로서 석탄 대신 석유코우크스와 같은 미분고체연료를 사용할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 대한 설명에 이어서 본 발명의 효과면을 설명하면 다음과 같다. 즉 본 발명에 따라서 2종 이상의 연료, 예컨대 가스, 기름, 석탄등을 동일장치로서 함께 연소시키는 것이 가능하다.
따라서 2기 이상의 연소장치를 사용하거나 버어너를 개조하지 않고서도 동일한 연소장치로서 경제성 있는 연료를 선택적으로 연소시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따라서 사용연료에 관계없이 저농도의 산화질소를 배출하는 연소가 실현 가능함으로서 탈질촉매를 이용하는 배기가스상의 탈질처리에 대한 의존도를 감소시킬 수 있고 따라서 암모니아의 소비량도 감소시킬 수 있게 된다.

Claims (13)

  1. 연소화로의 측벽상에 형성된 버어너목(40)속으로 삽입되어 연소공기와 함께 미분탄을 연소화로내로 공급하는데 이용되는 미분탄공급관(6)과, 미분탄관 연소공기를 미분탄공급관(6)속으로 공급하는 장치와, 미분탄공급관(6)속으로 삽입되는 보조연료공급관(2)과 보조연료공급관의 종단부에 마련되는 노즐(3)과, 미분탄공급관(6)의 외주면상에 미분탄공급관(6)과 동심적으로 부설되는 2차공기공급관(20)과 2차공기공급관(20)과 미분탄공급관(6)사이에 형성되는 2차공기통로와, 2차공기공급관(20)의 외주면상에 형성되는 3차공기통로와, 상기 2차공기통로와 3차공기통로속으로 산소를 함유한 연소공기를 공급하는 장치와, 미분탄공급관(6)의 출구를 둘러싸게 부설되는 화염보유장치(19)와, 보조연료공급관(2)으로 유류 또는 가스를 공급하는 장치와, 2차공기공급관(20)의 안쪽면을 따라 마련되는 환상공간부(44)와, 환상공간부(44)속으로 축방향으로 이동 가능하게 삽입되는 가스공급관(11)들과 가스공급관(11)의 종단부에 부설되는 가스노즐(12)과, 상기 가스공급관(11)에 가스를 공급하는 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  2. 제1항에 있어서 환상공간부(44)는 2차공기공급관(20)의 외주면상에 형성되는 환상공간을 2차외측슬리이브(34)와 2차내측슬리이브(19)로서 둘러싸고 이들 슬리이브의 양단부에 환상단부판(26)을 부설함으로서 형성되며 환상단부판(26)은 가스공급관(11)들을 삽입하는 다수의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  3. 제2항에 있어서, 2차외측슬리이브(34)가 2차공기공급관(20)의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  4. 제1항에 있어서 2차공기공급관(20)의 종단부에는 안내슬리이브가 마련되는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  5. 제1항에 있어서, 가스노즐(12)에는 가스의 주분사공인 주공(12A)이외에 분사가스가 환상단부판(26)으로 공급되도록 형성된 부공(12B)이 부설되는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  6. 제1항에 있어서, 화염보유장치는 미분탄공급관(6)의 종단부를 둘러싸는 식으로 마련되며 자형단면을 가진 판인 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  7. 제6항에 있어서, 미분탄공급관(6)의 종단부에 부설되는 화염보유장치가 구비하는 돌출부(36)는 미분탄공급관(6)의 중심부를 향해 돌출하고 돌출부(36)의 내경은 미분탄공급관(6)의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  8. 제7항에 있어서 돌출부(36)의 내측 테두리는 요철형인 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  9. 제1항에 있어서 2차공기공급관(20)의 중심부를 향해 돌출한 돌출부(28)를 구비하는 환상단부판(26)은 2차공기공급관(20)의 종단부에 부설되며 돌출부(28)의 내경은 2차공기공급관(20)의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  10. 제9항에 있어서 돌출부(28)의 내측 테두리는 요철형인 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  11. 제2항에 있어서 2차외측슬리이브(34)의 종단부에는 3차안내슬리이브(25)가 부설되며, 3차안내슬리이브(25)의 타단부가 연장되어 환상단부판(26)을 형성하는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  12. 제2항에 있어서 2차외측슬리이브(34)상 또는 2차내측슬리이브(19)상에는 2차공기의 일부를 유도하기 위한 1개 또는 다수의 구멍이 부설되는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
  13. 제2항에 있어서 2차외측슬리이브(34)와 2차공기공급관(20)사이에는 환상간극(30)의 형성되어 2차공기의 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 저농도 산화질소 연소장치.
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