WO2020059974A1 - 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템 - Google Patents

친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템 Download PDF

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WO2020059974A1
WO2020059974A1 PCT/KR2019/000159 KR2019000159W WO2020059974A1 WO 2020059974 A1 WO2020059974 A1 WO 2020059974A1 KR 2019000159 W KR2019000159 W KR 2019000159W WO 2020059974 A1 WO2020059974 A1 WO 2020059974A1
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WO
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plasma
oil
plasma steam
steam
combustion
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/000159
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English (en)
French (fr)
Inventor
정춘실
이현구
이봉주
Original Assignee
주식회사 세지테크
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/05—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste oils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/08—Preparation of fuel
    • F23K5/10—Mixing with other fluids
    • F23K5/12—Preparing emulsions

Definitions

  • the present invention relates to a plasma steam burner system for eco-friendly combustion, and more specifically, in the process of combustion treatment of an oil to be treated, such as waste oil or low-grade fuel oil, by using plasma steam, the combustion efficiency is increased while nitrogen oxide is used. It relates to a plasma steam burner system for environmentally friendly combustion that can reduce the production of NOx.
  • wastes such as waste oil and waste are disposed of by landfill or incineration.
  • incineration it is legally regulated because air pollutants such as volatile organic compounds or nitrogen oxides are generated or harmful substances are released. Doing.
  • low-grade fuel oils such as bunker C oil, renewable fuel oil, heavy oil, and waste oil have high viscosity and low combustion efficiency due to entanglement at low temperatures, resulting in soot from incomplete combustion.
  • most of the smoke generated at this time causes air pollution including nitrogen oxides.
  • the present invention is to solve the problems as described above, the present invention is to supply waste oil such as waste oil or treated oil such as low-grade fuel oil in the form of plasma steam using microwave to increase combustion efficiency and at the same time for combustion in the combustion process It is to provide a plasma steam burner system for eco-friendly combustion that can minimize or eliminate the use of air to fundamentally exclude or reduce the generation of nitrogen oxides.
  • the oil to be treated including waste oil or low-grade fuel oil, is mixed with a certain amount of water to be emulsified.
  • the pre-treatment unit 10 including a hot water supply 12 to supply water at a constant temperature and an emulsifier 14 connected to the stock solution tank 11 and the hot water supply 12 at the same time to mix the stock solution and water.
  • a magnetron 20 provided separately from the pre-processing unit 10 to generate microwaves
  • a waveguide 21 connected to the magnetron 20 and extended to transmit microwaves
  • a plasma generator 50 that is connected to one side of the waveguide 21 and to which the emulsifier 14 is connected to the other side to inject plasma-activated oil in the form of plasma steam;
  • a plasma steam burner system for eco-friendly combustion which comprises a plasma steam burner (30) that is equipped with the plasma generator (50) to burn the oil to be treated by plasma steam.
  • the plasma steam burner 30 or the plasma generator 50 is built in the body (31,51) torch (T) to ignite the oil to be treated;
  • Plasma steam burner system for eco-friendly combustion characterized in that it comprises a dielectric resonator (44) provided on the side of the torch (T) to tune the microwaves transmitted through the waveguide (21) to a certain frequency. do.
  • the waveguide 21 is coupled to the end of the tube in the form of a window and at the same time it is provided with a coupling iris 27 that can be adjusted to the size of the window for eco-friendly combustion
  • a plasma steam burner system is provided.
  • the waveguide 21 is a plasma steam burner for eco-friendly combustion characterized in that the shaft portion 26 in the tapered form is formed on the end side coupled to the plasma steam burner 30 A system is provided.
  • the plasma steam burner 30 is formed in the center of the body 31, the first injection path 35 to eject the target oil in the form of plasma steam;
  • a plurality of mixing flow passages 36 arranged concentrically on the outside of the first injection path 35 and into which the target oil in the form of plasma steam is injected;
  • a plurality of second injection paths 37 disposed concentrically on the outside of the mixing flow passage 36 and supplied with an oil to be treated in an emulsion state;
  • a plasma steam burner system for eco-friendly combustion is provided, characterized in that a communication path (39) connecting the mixing flow path (36) and the second injection path (37) is formed.
  • the combustion air is replaced by the plasma steam itself.
  • the spraying effect of the oil to be treated is increased and the particles are atomized to help complete combustion, and the plasma steam burner 30
  • a dielectric resonator 44 is provided on the side of the torch T to tune microwaves or a coupling iris 27 is provided at the pipe end of the waveguide 21 to control microwaves by the system itself as the size of the window is adjusted.
  • the waveguide 21 of the present invention is formed with a tapered shaft portion 26 at the end side, thereby increasing the directionality of the microwaves to increase the transfer efficiency, and plasma steam and oil stock solution and the oil to be treated in a mixed form It has the advantage of being able to supply the to-be-treated oil with optimized combustion conditions by easily adjusting the mixing ratio or discharge amount of the to-be-treated oil.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a conceptual diagram illustrating a comparison of the combustion form
  • Figure 3 is a block diagram showing a partial configuration of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram illustrating another example according to the configuration of FIG. 4
  • Figure 7 is a side view showing another example according to the configuration of Figure 4
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A-A 'in FIG. 7;
  • the present invention is provided with a pre-treatment unit 10 for emulsifying the oil to be treated by mixing waste oil with a certain amount of water, so as to burn the oil to be treated supplied by the pre-treatment unit 10 It is configured to include a plasma steam burner 30 and a magnetron 20 connected to it to supply microwaves.
  • the pre-treatment unit 10 is provided with a hot water supply 12 for supplying water at a constant temperature separately from the undiluted liquid tank 11 and the undiluted liquid tank 11, in which the undiluted liquid such as waste oil or low-grade fuel oil is stored. It includes an emulsifier (14) adapted to produce an emulsified treatment oil by mixing the undiluted liquid (11) and the undiluted liquid supplied from the hot water supply (12) and water at a certain ratio.
  • Emulsion pre-processor 13 can be provided at the rear end of the feeder 12 to properly adjust the pressure state or temperature of the hot water.
  • the to-be-processed oil supplied by the pre-treatment unit 10 is jetted in a fine particle form from the plasma steam burner 30 side to be burned, and the combustion process for the to-be-treated oil in the emulsion state is illustrated conceptually. If you do:
  • general combustion occurs only in the primary atomization (1).
  • the combustion temperature and ignition temperature of heavy oil are about 530 ° C, and the thermal decomposition temperature (300 ° C or higher) is low, so solid carbonization due to incomplete combustion Steam is produced.
  • emulsion combustion has primary atomization (1) and secondary atomization (2).
  • thermal decomposition is lower than the thermal decomposition temperature (over 300 °C) of heavy oil, so the evaporation point of water droplets is lower than 250 °C.
  • the second atomization (2) increases the contact with steam, shortening the combustion time and reducing pollutants such as soot due to complete combustion.
  • the steam particles inside the fuel droplets are overheated to a boiling point or higher and become unstable, and then the steam particles are first vaporized and expanded due to a difference in boiling point with the fuel.
  • the fuel droplets are explosively destroyed by the expansion of steam particles, and the fuel is refined.
  • the characteristic of the emulsion combustion is that the combustion effect increases as the rotation of the air increases and the contact with the steam increases due to an increase in the fuel spray momentum.
  • the magnetron 20 is a device that generates microwaves of various kW according to its own capacity, and the waveguide 21 for transmitting microwaves is connected to the magnetron 20.
  • an isolator 22, a focusing tube 23, a tuner 24, etc. may be sequentially provided, and a controller capable of controlling the operation of the device, etc. on one side, or taking observations and measures through a monitor ( 25) is provided.
  • the magnetron 20, the isolator 22, the focusing tube 23, the tuner 24, and the like can be used, and in the case of the waveguide 21, the end side is tapered.
  • the waveguide 21 is formed with a stepped shaft 26 as shown in the drawing, thereby providing a directionality in which microwaves move in a specific direction as the cross-sectional area of the pipe gradually decreases.
  • the plasma steam burner 30 is formed on one side of the body 31, an inlet 32 through which the oil to be treated is injected, and an outlet 33 through which a combustion flame is ejected on the other side is formed.
  • a plasma generator 50 is mounted on one side of the body 31 so as to provide plasma steam from the outside to the inside.
  • the plasma steam burner 30 is a plasma flame that is processed by the plasma ignition area (a) formed by the plasma generator 50 is diffused toward the discharge port (33) is the oil to be supplied to the injection port 32 side ( This causes b), and the discharge port 33 may be formed with an expansion portion 34 in a funnel shape that is wider toward the outside so as to be radiated while the plasma flame b is expanded.
  • the plasma generator 50 is attached to one side of the body 51 such as a discharge tube for supplying the oil to be treated in the form of plasma steam and input required for combustion. It is configured to include an injector 52 configured to supply gas and a torch T to ignite the oil to be treated, and a waveguide 21 for transmitting microwaves is connected to one side of the body 51.
  • the injector 52 may be injected with a steam-type treated oil to supply a spiral flow pattern, and in the process, in the form of plasma steam by microwaves transmitted by the waveguide 21 It is activated, and the plasma steam is ignited by the torch T to burn the oil to be treated.
  • Plasma steam can be used as input gas (combusted air) instead of the existing air.
  • Conventional microwave induction type plasmas do not use electrodes, and are different from conventional corona induction type, dielectric discharge type, and arc induction type. Otherwise, there is no need to worry about electrode replacement and damage.
  • the plasma steam burner 30 of the present invention uses a plasma combustion technology that utilizes plasma steam as an oxidant, which converts radicals such as H * , OH * , O * activated by converting steam into plasma by microwaves. It is used to generate a flame.
  • OH * is a strong oxidizing agent that can improve the combustion efficiency when injecting the oil to be treated in an emulsion state, and the plasma combustion technology has no heat loss during ignition and flame formation, so the thermal efficiency can be greatly improved compared to the classical combustion technology. It is.
  • nitrogen oxides which are air pollutants due to the nitrogen component in the air.
  • the nitrogen contained in air or fuel is thermal NOx during combustion. , It produces nitrogen oxides such as Fuel NOx, and it is obvious that these nitrogen oxides can be reduced by reducing the input of air in the combustion process.
  • FIG. 6 another example of the plasma steam burner 30 is provided with a body 31 in the form of a housing or tube of a certain size, which extends from the magnetron 20 on one side of the body 31
  • the waveguide 21 is connected, and the viewports 40 and 41 in the axial direction and the radial direction may be formed on the other side.
  • the torch T and the waveguide directly on the plasma steam burner 30 side shows the structure to be connected.
  • a torch T for ignition is provided, and a tuning ring 42 for adjusting the size of the flame around the torch T or a ceramic spacer 43 for insulation is provided.
  • a dielectric resonator 44 is installed at the flame side of the torch T to tune the microwaves transmitted through the waveguide 21 to a certain frequency so that plasma can be generated under optimal conditions.
  • a coupling iris 27 in the form of a window is provided at the end of the waveguide on the side of the waveguide 21.
  • the coupling iris 27 is provided so that the size of the window is adjusted, so that impedances are connected when circuits of different characteristics are connected. Matching is easy, thereby providing convenience in application to various sizes of waveguides 21 or systems.
  • the plasma steam burner 30 according to another embodiment of the present invention includes a first injection path 35 on the body 31 and a plurality of mixing flow paths 36 , A plurality of second injection paths 37 and a plurality of third injection paths 38 are formed.
  • the first injection path 35 is located in the center
  • the mixing flow path 36 is located on a concentric circle of a certain diameter around the first injection path 35
  • the mixing flow path 36 The second and third injection paths 37 and 38 may be located in the same concentric circle on the outer periphery.
  • the first injection path 35 is a passage through which plasma steam is injected, and the first injection path 35 may include a venturi region v for increasing a flow velocity, and an end portion has a funnel shape to eject plasma steam.
  • the extended area w of can be formed.
  • the second injection path 37 is a passage through which the treated oil in the form of emulsion is supplied, and the mixing flow passage 36 is plasma steam for mixing with the processed oil in the form of emulsion supplied to the second injection path 37.
  • This is to form a passage for supply.
  • the mixing flow passage 36 is communicated to the second injection path 37 by the communication path 39 at the front end side, and the margin region m forming a free space therein is wider than the passage to smoothly mix. It can be formed to be possible.
  • the third injection path 38 is a passage through which only the treated oil in the emulsion state is similarly supplied to the second injection path 37, the third injection path 38 communicates with the mixing flow passage 36. If not, the total amount of oil to be treated during combustion can be determined according to the number.
  • a first discharge port 45 and a second discharge port 46 of different lengths L1 and L2 may be formed in the second injection path 37 and the third injection path 38, respectively.
  • the spraying distance of the to-be-processed oil injected at different lengths (L1, L2) can be differentiated, whereby the to-be-processed oil injected by the second outlet (46) is the first outlet (45). It is possible to burn in multiple stages because it is sprayed farther than the mixed-type treated oil injected from).

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Abstract

본 발명은 폐유나 저급 연료유 등과 같은 피처리유의 연소처리하는 과정에서 플라즈마 스팀을 혼합 사용하여 연소효율을 높일 수 있는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 폐유나 저급 연료유를 포함한 피처리유를 일정량의 물에 혼합하여 에멀전화하는 전처리부(10)와; 마이크로파에 의해 활성화된 피처리유를 플라즈마 스팀형태로 분사하도록 된 플라즈마생성기(50)와; 상기 플라즈마생성기(50)가 장착되어 플라즈마 스팀에 의해 피처리유를 연소시키도록 된 플라즈마 스팀버너(30)를 포함하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.

Description

친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템
본 발명은 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐유나 저급 연료유 등과 같은 피처리유의 연소처리하는 과정에서 플라즈마 스팀을 혼합 사용하여 연소효율을 높임과 동시에 질소산화물 형태로 된 녹스(NOx)의 생성을 줄일 수 있는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템에 관한 것이다.
일반적으로 폐유나 쓰레기 등과 같은 폐기물은 매립이나 소각 등의 방법으로 처리하게 되는데, 소각처리 과정에서는 휘발성 유기화합물이나 질소산화물 등과 같은 대기오염을 발생시키거나 인체에 유해한 물질이 배출됨으로 인해 이를 법적으로 규제하고 있다.
이러한 폐기물의 소각처리 중에서 벙커C유, 재생연료유, 중유 등의 저급 연료유나 폐유의 특성상 점성이 클 뿐만 아니라 저온에서 엉김현상 등으로 인해 연소효율이 낮게 되고, 이에 따라 불완전 연소로 인한 매연이 발생되는데, 이때에 발생되는 매연은 대부분 질소산화물을 포함하여 대기오염을 야기하는 것이다.
종래에는 이러한 질소산화물을 저감하기 위해, 배기가스 재순환, 2단 연소, 물/수증기 분사법, 선택적 촉매 환원법, 선택적 무촉매 환원법 등과 같이 다양한 방법이 제시되고 있으나, 저급 연료유의 경우에는 질소산화물이 크게 줄지 않음으로 인해 저감효과가 크지 않은 방법이다.
이를 해소하기 위하여, 국내 등록특허공보 제10-1739651호나 국내 공개특허공보 제10-2013-0041854호 등에는 브라운가스를 이용하는 보일러가 제시되고 있는데, 이러한 경우에도 액체연료인 저급 연료유의 연소효율을 높이고, 저급 연료유로 인한 대기오염 물질 최소화하는 방법은 아직 구체화되지 않고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 폐유와 같은 폐유나 저급 연료유와 같은 피처리유를 마이크로파를 이용한 플라즈마 스팀형태로 공급하여 연소효율을 높임과 동시에 연소과정에서 연소용 공기를 사용하는 것을 최소화하여 질소산화물의 생성을 원천적으로 배제하거나 저감시킬 수 있는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 폐유나 저급 연료유를 포함한 피처리유를 일정량의 물에 혼합하여 에멀전화하도록 구비되되, 피처리유 원액이 저장된 원액탱크(11)와, 상기 원액탱크(11)와는 별도로 구비되어 일정 온도의 물을 공급하도록 된 온수공급기(12) 및 상기 원액탱크(11)와 온수공급기(12)에 동시에 연결되어 원액과 물을 혼합하도록 된 에멀전화기(14)를 포함한 전처리부(10)와;
상기 전처리부(10)와는 별도로 구비되어 마이크로파를 생성하도록 된 마그네트론(20)과;
상기 마그네트론(20)에 연결되어 마이크로파를 전달하도록 연장 형성된 도파관(21)과;
상기 도파관(21)이 일측에 연결됨과 동시에 타측에 상기 에멀전화기(14)가 연결되어 마이크로파에 의해 활성화된 피처리유를 플라즈마 스팀형태로 분사하도록 된 플라즈마생성기(50)와;
상기 플라즈마생성기(50)가 장착되어 플라즈마 스팀에 의해 피처리유를 연소시키도록 된 플라즈마 스팀버너(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 플라즈마 스팀버너(30) 또는 플라즈마생성기(50)에는 바디(31,51) 상에 내장되어 피처리유를 점화시키도록 된 토치(T)와;
상기 토치(T) 측에 구비되어 상기 도파관(21)을 통해 전달되는 마이크로파를 일정 주파수로 동조시키도록 된 유전체 공진기(44)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 도파관(21)에는 관의 단부에 윈도우 형태로 결합됨과 동시에 윈도우의 크기를 조절할 수 있도록 된 커플링 아이리스(27)가 구비된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 도파관(21)은 상기 플라즈마 스팀버너(30)에 결합되는 단부측에 테이퍼진 형태의 축관부(26)가 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 플라즈마 스팀버너(30)에는 바디(31)의 중심부에 형성되어 플라즈마 스팀형태의 피처리유가 분출되는 제1 주입로(35)와;
상기 제1 주입로(35)의 외측에 동심원상으로 배치되어 플라즈마 스팀형태의 피처리유가 주입되는 복수의 혼합용 유로(36)와;
상기 혼합용 유로(36)의 외측에 동심원상으로 배치되어 에멀전 상태의 피처리유가 공급되는 복수의 제2 주입로(37)와;
상기 혼합용 유로(36)와 제2 주입로(37)를 연결하는 연통로(39)가 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템이 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 폐유나 저급 연료유와 같은 피처리유를 스팀형태로 공급하여 마이크로파에 의해 플라즈마 스팀으로 활성화한 상태로 연소가 이루어짐에 따라, 플라즈마 스팀 자체에 의해 연소공기를 대체하여 연소과정 중에 공기를 사용하는 것을 최소화하여 써말녹스(thermal NOx) 생성원을 원천적으로 차단하고, 질소의 환원조건을 유지하여 퓨얼녹스(fuel NOx)의 형성을 억제하여 연소효율을 높임과 동시에 질소산화물 형태로 된 녹스(NOx)의 생성을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 전처리부(10)에 의해 유류 원액과 물을 혼합하여 에멀전화시킴에 따라, 피처리유의 분무효과를 높임과 동시에 입자를 미립화하여 완전연소에 도움을 주며, 플라즈마 스팀버너(30)의 토치(T) 측에 유전체 공진기(44)가 구비되어 마이크로파를 동조시키거나 도파관(21)의 관 단부에 커플링 아이리스(27)가 구비되어 윈도우의 크기를 조절함에 따라 시스템 자체에 의한 마이크로파를 최적화된 상태로 전달하여 플라즈마 생성이나 그에 따른 연소과정에서의 연소효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 도파관(21)은 단부측에 테이퍼진 축관부(26)가 형성되어 마이크로파가 진행하는 방향성을 높여 전달효율을 증대시킬 수 있고, 플라즈마 스팀과 유류 원액 및 이를 혼합한 형태로 피처리유를 공급할 수 있도록 구비되어 피처리유의 혼합비나 토출량 등을 용이하게 조절하여 최적화된 연소조건으로 피처리유를 분사시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 구성도
도 2는 연소형태를 비교 설명한 개념도
도 3은 는 본 발명의 일부 구성을 도시한 구성도
도 4는 본 발명의 다른 구성을 도시한 구성도
도 5는 본 발명의 또 다른 구성을 도시한 구성도
도 6은 도 4의 구성에 따른 다른예를 구성도
도 7은 도 4의 구성에 따른 또 다른예를 도시한 측면도
도 8은 도 7의 A-A'에 따른 단면도
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 폐유를 일정량의 물에 혼합하여 피처리유를 에멀젼화하는 전처리부(10)가 구비되고, 이 전처리부(10)에 의해 공급되는 피처리유를 연소시키도록 된 플라즈마 스팀버너(30)와 이에 연결되어 마이크로파를 공급하도록 된 마그네트론(20) 등을 포함하여 구성된 것이다.
구체적으로, 상기 전처리부(10)는 폐유나 저급 연료유 등의 원액이 저장되는 원액탱크(11)와 이 원액탱크(11)와는 별도로 일정 온도를 물을 공급하도록 된 온수공급기(12)가 구비되고, 상기 원액탱크(11)와 온수공급기(12)로부터 공급되는 원액과 물을 일정 비율로 혼합하여 에멀전화된 피처리유를 생성하도록 된 에멀전화기(14)를 포함하고, 필요에 따라서는 상기 온수공급기(12)의 후단에 온수의 압력상태나 온도 등을 적절하게 조절할 수 있도록 된 에멀전 전처리기(13)가 구비될 수 있는 것이다.
이러한 전처리부(10)에 의해 공급되는 피처리유는 플라즈마 스팀버너(30) 측에서 미세한 입자형태로 분사되어 연소가 이루어지는데, 이러한 에멀전 상태의 피처리유에 대한 연소과정을 개념적으로 나타낸 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반연소는 1차 미립화(①)만 일어나는데, 예를 들면 중유의 연소온도, 착화온도는 530℃ 가량으로 열분해온도(300℃ 이상)가 낮아 불완전연소로 인한 고체 탄화스팀이 생성되는 것이다. 이에 반해, 에멀전연소는 1차 미립화(①) 및 2차 미립화(②)가 일어나는데, 예를 들면 중유의 열분해온도(300℃이상)보다 수적의 기화폭발점(250℃ 이하)이 낮기 때문에 열분해가 일어나기 전에 2차 미립화(②)로 스팀과의 접촉이 커져 연소시간이 단축되며 완전연소로 인한 매연 등 오염물질이 감소한다.
이러한 에멀전연소는 연료 액적 내부의 스팀 입자는 비점 이상으로 과열되어 불안정한 상태가 된 후에, 연료와의 비등점 차이로 스팀 입자가 먼저 기화하면서 팽창하게 된다. 스팀 입자 팽창에 의해 연료 액적이 폭발적으로 파괴되면서 연료가 미세화되는데, 이러한 에멀전연소의 특징은 연료 분무 운동량 증가로 공기의 회전이 증가하고 스팀과의 접촉이 늘어남에 따라 연소효과가 커지는 것이다.
또한 이와 같은 전처리부(10)에 의해 공급되는 피처리유를 플라즈마 스팀형태로 생성하기 위한 마그네트론(20)과 플라즈마 스팀버너(30)에 대한 세부적인 구성을 도 3과 도 4에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마그네트론(20)은 자체의 용량에 따라 다양한 kW의 마이크로파를 발생시키는 장치이고, 이 마그네트론(20)에는 마이크로파를 전달하기 위한 도파관(21)이 연결되는데, 상기 도파관(21) 상에는 아이솔레이터(22), 집속관(23), 튜너(24) 등이 순차적으로 구비될 수 있고, 일측에 장치의 동작 등을 제어하거나 모니터를 통하여 관찰 및 조치를 취할 수 있도록 된 컨트롤러(25)가 구비된 것이다.
이러한 구성에 있어서, 상기 마그네트론(20), 아이솔레이터(22), 집속관(23), 튜너(24) 등은 공지된 것을 사용할 수 있는 것이고, 상기 도파관(21)의 경우에는 단부측이 테이퍼진 형태를 취하게 되는데, 이러한 도파관(21)은 도면에서와 같이 계단형의 축관부(26)가 형성되어 관의 단면적이 점진적으로 줄어듦에 따라 마이크로파가 특정한 방향으로 진행되는 방향성을 제공하게 된다.
한편 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 스팀버너(30)는 바디(31)의 일측은 피처리유가 주입되는 주입구(32)가 형성되고, 타측에 연소화염이 분출되는 토출구(33)가 형성되며, 상기 바디(31)의 일측에는 외부에서 내부로 관통되게 장착되어 플라즈마 스팀을 제공하도록 된 플라즈마생성기(50)가 장착된 것이다.
이러한 플라즈마 스팀버너(30)는 상기 주입구(32) 측으로 공급되는 피처리유가 상기 플라즈마생성기(50)에 의해 형성되는 플라즈마 점화영역(a)에 의해 점화되어 상기 토출구(33) 측으로 확산되는 플라즈마 화염(b)을 일으키게 되는데, 상기 토출구(33)는 플라즈마 화염(b)이 확장되면서 방사되도록 외측으로 갈수록 폭이 넓어지는 깔때기 형태로 된 확장부(34)가 형성될 수 있는 것이다.
한편, 상기 플라즈마생성기(50)에 대한 세부적인 구성을 도 5에 의해 설명하면 다음과 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마생성기(50)는 피처리유를 플라즈마 스팀형태로 공급하기 위한 방전튜브와 같은 바디(51)와 이 바디(51)의 일측에 부착되어 연소에 필요로 하는 입력가스를 공급하도록 된 주입기(52) 및 피처리유를 점화시키는 토치(T)를 포함하여 구성된 것이며, 상기 바디(51)의 일측에는 마이크로파를 전달하는 도파관(21)이 연결된 것이다.
이러한 구성에 있어서, 상기 주입기(52)에 의해서는 스팀형태의 피처리유가 주입되어 나선형태의 흐름패턴으로 공급할 수 있고, 이 과정에서 상기 도파관(21)에 의해 전달되는 마이크로파에 의해 플라즈마 스팀형태로 활성화되며, 이 플라즈마 스팀을 토치(T)에 의해 점화하여 피처리유를 연소시키게 된다.
이러한 플라즈마 스팀은 기존의 공기 대신에 입력가스(연소공기)로 활용할 수 있는 것으로, 통상의 마이크로파 유도방식 플라즈마는 전극을 사용하지 않음에 따라 종래의 코로나 유도방식, 유전체 방전방식, 아크 유도방식과는 달리 전극의 교체 및 손상을 우려하지 않아도 된다.
이와 같은 본 발명의 플라즈마 스팀버너(30)는 플라즈마 스팀을 산화제로 활용하는 플라즈마 연소기술을 사용하는 것으로, 이는 마이크로파에 의해 스팀을 플라즈마로 만들어서 활성화된 H*, OH*, O* 등의 라디칼을 이용하여 화염을 발생시키는 것이다. 특히 OH*는 강산화제로서 에멀전 상태의 피처리유를 주입할 때 연소효율을 개선할 수 있으며, 플라즈마 연소기술은 착화 및 화염 형성과정에서 열손실이 없으므로 고전적인 연소기술에 비해 열효율이 크게 개선할 수 있는 것이다.
또한 통상적으로 공기를 입력가스로 사용하는 경우에 공기 중의 질소성분으로 인해 대기오염 물질인 질소산화물이 발생되는 것을 줄일 수 있는 것으로, 공기나 연료 속에 포함된 질소는 연소과정에서 써말녹스(Thermal NOx), 퓨얼녹스(Fuel NOx)와 같은 질소산화물을 생성하는데, 이러한 질소산화물은 연소과정에서 공기의 투입을 줄임으로 인해 저감시킬 수 있는 것은 자명한 것이다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 스팀버너(30)의 다른예에는 일정 크기의 하우징이나 튜브 형태로 된 바디(31)가 구비되는데, 이 바디(31)의 일측에는 마그네트론(20)으로부터 연장되는 도파관(21)이 연결되고, 타측에 축방향 및 레디얼방향의 뷰포트(40,41)가 형성될 수 있는 것이다. 이는 전술된 일례에서 상기 플라즈마생성기(50) 측에 토치(T)가 구비되고, 도파관(21)이 연결되는 구조와는 달리 상기 플라즈마 스팀버너(30) 측에 직접적으로 토치(T)와 도파관(21)이 연결되는 구조를 나타낸 것이다.
이러한 바디(31) 내에는 점화를 위한 토치(T)가 구비되고, 이 토치(T)의 주위에 화염의 크기를 조절하는 튜닝링(42)이나 단열을 위한 세라믹 스페이서(43) 등이 구비되는데, 특히 토치(T)의 화염구 측에는 유전체 공진기(44)가 설치되어 상기 도파관(21)을 통해 전달되는 마이크로파를 일정 주파수로 동조시켜 최적의 조건으로 플라즈마를 생성할 수 있도록 한 것이다.
또한 상기 도파관(21) 측에는 관의 단부에 윈도우 형태로 된 커플링 아이리스(27)가 구비되는데, 이 커플링 아이리스(27)는 윈도우의 크기가 조절되도록 구비되어 다른 특성의 회로를 접속할 경우에 임피던스 정합이 용이하고, 이에 의해 다양한 크기의 도파관(21)이나 시스템에 적용하는 데에 편리함을 제공할 수 있게 된다.
또한 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 스팀버너(30)는 바디(31) 상에 제1 주입로(35), 복수의 혼합용 유로(36), 복수의 제2 주입로(37) 및 복수의 제3 주입로(38) 등이 형성된 것이다.
여기에서, 상기 제1 주입로(35)는 중심부에 위치하고, 이 제1 주입로(35)를 중심으로 일정 직경의 동심원상에 혼합용 유로(36)가 위치되며, 상기 혼합용 유로(36)의 외곽에 동일 동심원상으로 제2 및 제3 주입로(37,38)가 위치될 수 있는 것이다.
상기 제1 주입로(35)는 플라즈마 스팀이 주입되는 통로인데, 이 제1 주입로(35)는 유속을 증가시키기 위한 벤츄리영역(v)이 포함될 수 있고, 단부는 플라즈마 스팀이 분출되도록 깔때기 모양의 확장영역(w)이 형성될 수 있는 것이다.
한편, 상기 제2 주입로(37)는 에멀전 형태의 피처리유가 공급되는 통로이고, 혼합용 유로(36)는 제2 주입로(37)에 공급되는 에멀전 형태의 피처리유와 혼합하기 위한 플라즈마 스팀이 공급되는 통로를 형성하는 것이다. 이러한 혼합용 유로(36)는 선단측에서 연통로(39)에 의해 제2 주입로(37)에 연통되고, 내측에 여유공간을 형성하는 마진영역(m)이 통로에 비해 넓게 형성되어 원활한 혼합이 가능하도록 형성될 수 있는 것이다.
또한 상기 제3 주입로(38)는 상기 제2 주입로(37)에 유사하게 에멀전 상태의 피처리유 만이 공급되는 통로이기는 하나, 이 제3 주입로(38)는 혼합용 유로(36)에 연통되지 않음에 따라 그 개수에 따라 연소과정에서의 피처리유의 전체적인 공급량이 결정될 수 있는 것이다.
한편, 상기 제2 주입로(37)와 제3 주입로(38)에는 각각 다른 길이(L1,L2)로 된 제1 토출구(45)와 제2 토출구(46)가 형성될 수 있는데, 이 토출구(45,46)에 의해서는 서로 다른 길이(L1,L2)에 분사되는 피처리유의 분사거리가 차별될 수 있고, 이에 의해 제2 토출구(46)에 의해 분사되는 피처리유가 제1 토출구(45)에서 분사되는 혼합형태의 피처리유에 비해 멀리 분사되어 다단으로 연소가 가능할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (5)

  1. 폐유나 저급 연료유를 포함한 피처리유를 일정량의 물에 혼합하여 에멀전화하도록 구비되되, 피처리유 원액이 저장된 원액탱크(11)와, 상기 원액탱크(11)와는 별도로 구비되어 일정 온도의 물을 공급하도록 된 온수공급기(12) 및 상기 원액탱크(11)와 온수공급기(12)에 동시에 연결되어 원액과 물을 혼합하도록 된 에멀전화기(14)를 포함한 전처리부(10)와;
    상기 전처리부(10)와는 별도로 구비되어 마이크로파를 생성하도록 된 마그네트론(20)과;
    상기 마그네트론(20)에 연결되어 마이크로파를 전달하도록 연장 형성된 도파관(21)과;
    상기 도파관(21)이 일측에 연결됨과 동시에 타측에 상기 에멀전화기(14)가 연결되어 마이크로파에 의해 활성화된 피처리유를 플라즈마 스팀형태로 분사하도록 된 플라즈마생성기(50)와;
    상기 플라즈마생성기(50)가 장착되어 플라즈마 스팀에 의해 피처리유를 연소시키도록 된 플라즈마 스팀버너(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 스팀버너(30) 또는 플라즈마생성기(50)에는 바디(31,51) 상에 내장되어 피처리유를 점화시키도록 된 토치(T)와;
    상기 토치(T) 측에 구비되어 상기 도파관(21)을 통해 전달되는 마이크로파를 일정 주파수로 동조시키도록 된 유전체 공진기(44)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관(21)에는 관의 단부에 윈도우 형태로 결합됨과 동시에 윈도우의 크기를 조절할 수 있도록 된 커플링 아이리스(27)가 구비된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관(21)은 상기 플라즈마 스팀버너(30)에 결합되는 단부측에 테이퍼진 형태의 축관부(26)가 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 스팀버너(30)에는 바디(31)의 중심부에 형성되어 플라즈마 스팀형태의 피처리유가 분출되는 제1 주입로(35)와;
    상기 제1 주입로(35)의 외측에 동심원상으로 배치되어 플라즈마 스팀형태의 피처리유가 주입되는 복수의 혼합용 유로(36)와;
    상기 혼합용 유로(36)의 외측에 동심원상으로 배치되어 에멀전 상태의 피처리유가 공급되는 복수의 제2 주입로(37)와;
    상기 혼합용 유로(36)와 제2 주입로(37)를 연결하는 연통로(39)가 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 연소를 위한 플라즈마 스팀버너시스템.
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