KR100827869B1 - 연료공급장치 및 연료공급방법 - Google Patents

연료공급장치 및 연료공급방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 및 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비의 제어성을 개선할 수 있는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공함과 동시에, 새로운 연소특성을 발휘할 수 있는 연소장치 및 연소방법을 제공한다. 연소장치의 연료공급장치는 연료공급수단, 연소가스도입장치, 수증기공급장치, 혼합장치 및 연료가스도입장치를 구비한다. 연소가스도출장치는 연소영역에 생성된 연소가스를 연소영역으로부터 로외로 도출한다. 혼합장치는 로외로 도출된 연소가스 및 수증기공급장치의 수증기 중 적어도 하나와 연료공급수단의 연료를 혼합한다. 연료가스도입장치는 연소가스, 수증기 및 연료의 혼합유체를 연료가스로서 연소영역에 도입하고, 연료가스류를 연소용공기와 혼합시킨다. 연소가스를 로외로 도출한 후에 연료와 혼합하는 공정과, 연료가스류를 연소용공기와 다시 혼합하는 공정,이 단계적으로 실행되어, 연료 및 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비의 제어성이 향상된다. 또한, 이같은 연료가스류를 제어함으로써 화염특성을 제어하여, 새로운 특성을 갖는 화염을 연소영역에 형성할 수 있게 된다.
연료공급장치, 연소장치, 연료공급수단, 연소가스도출장치, 수증기공급장치, 혼합장치, 연료가스도입장치

Description

연료공급장치 및 연료공급방법{DEVICE AND METHOD FOR FEEDING FUEL}
본 발명은 연료공급장치 및 연료공급방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 및 연소용공기의 혼합 제어성이나 연료의 연소특성, 나아가 연소영역의 화염특성등을 개선하기 위한 연료공급장치 및 연료공급방법에 관한 것이다.
관식가열로, 금속가열로, 요업소성로, 금속용융로, 가스화용융로 또는 보일러등의 공업로, 혹은 라디안트 튜브(Radiant Tube)버너등의 연소가열식 방열장치는, 탄화수소계 연료를 공급하는 연료공급장치와, 연소용공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료 및 연소용공기를 혼합하고 또한 연료를 연소시키는 버너 등의 연소장치,를 구비한다. 연소장치에서 혼합된 연료 및 연소용공기는 확산연소에 의한 화염을 연소영역에 생성한다. 이런 종류의 연소장치에서는 연소용공기의 실제공기량은 연료의 완전연소를 위하여 연료의 이론공기량을 초과하는 과잉공기비로 설정되고, 연소용공기 및 연료의 혼합비(공연비)는 일반적으로 14 내지 15정도로 설정된다. 버너 공급 전에 있어서 연료 및 연소용공기의 예(豫)혼합은, 예기치 못한 역화현상을 발생시킬 우려가 있기 때문에 일반적으로는 채용되고 있지 않고, 연소용공기 및 연료는 공기토출구 및 연료분사구로부터 버너스로트(Burner Throat)또는 로내(爐內)영역에 도입되어, 주로 버너의 기부(基部)영역에서 혼합된다. 예를 들면, 버너 는 유량차를 갖는 연료분사류와 공기류를 소망에 따라 혼합하기 위하여 선회류(旋回流)형 또는 보염판(保炎板)형 등의 보염기를 구비하고, 보염기는 착화가능한 고온순환류를 연료 및 공기의 혼합영역에 형성하며, 이에 따라 화염이 꺼지는 것을 방지하여 화염의 안정성을 확보한다.
한편, 로내에 생성된 연소가스는 로내영역을 순환한다. 로내연소가스는 연소용공기 및 연료가 로내로 유입됨에 따라서 로외(爐外)로 배출된다. 고온의 연소가스는 열회수가 가능한 많은 열량을 여전히 보유하고 있기 때문에 열교환장치 또는 폐열보일러 등의 폐열회수수단을 통하여 외계로 배기된다. 일반적으로, 폐열회수수단은 연소용공기를 예열하거나 혹은 열매체로서 효과적으로 이용할 수 있는 유체를 가열한다.
로내연소가스의 일부는 연소용공기 및/또는 연료의 분류(噴流)와 혼합된 로내 재순환류를 형성하여 착화를 촉진함과 동시에, 저산소농도의 완만한 연소반응을 촉진한다. 연소가스순환류와 연소용공기 또는 연료와의 혼합은, 화염의 국소발열을 방지함과 동시에, 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하는데 효과적인 관계로 최근 들어 특별히 중시되고 있다.
연료분류, 연소용공기류 및 연소가스재순환류의 혼합과정 및 혼합비는, 연소용 공기토출구 및 연료분사구의 위치, 구조 및 형상, 나아가 연소로의 형태 및 구조 등에 따라 다르며, 또한 로내영역에서의 각종 유체의 혼합제어는, 로온도, 열부하 및 로내순환류의 변동 등 예측곤란한 각종 제어요인과 관련되어 있기 때문에, 연료, 연소용공기 및 로내연소가스의 혼합과정 및 혼합비는 쉽게 제어하기는 어렵 다. 특히, 조업상태에 상응하여 열부하 및 로온도가 비교적 크게 변동하는 연소로에 있어서는, 연소가스재순환류와 공기 및/또는 연료와의 혼합은 연소용공기온도의 저하시에 연소안정성을 저해할 우려가 있어, 이것을 피하기 위한 대책이 필요하다. 따라서, 연료, 연소용공기 및 로내연소가스의 혼합과정 및 혼합비를 임의로 가변제어하여 연소영역의 연소반응을 항상 적정화시킬 수 있는 연료공급장치의 개발이 요구되고 있다.
또한, 본원출원인이 개발한 연소법으로서, 연소용공기를 800℃이상의 초고온으로 예열하여, 고온예열공기를 혼합영역 또는 연소영역에 도입하는 초고온공기연소법이 알려져 있다. 800℃이상으로 가열된 고온예열공기에 의한 화염의 연소모드는, 400℃이하의 예열공기에 의한 통상 화염의 연소모드, 혹은 400℃ 내지 800℃의 온도범위에서 가열된 예열공기에 의한 천이화염의 연소모드에 비하여, 매우 광범위한 공기비의 연소분위기에서 안정적으로 연소된다. 초고온공기연소법에서의 연소안정성은, 공기예열온도의 고온화에 따라 반응속도가 증대되어, 연소특성이 종래의 것과 비교하여 완전히 상이한 것이라고 볼 수 있다. 특히, 연소용공기 또는 연소용혼합기(混合氣)를 연료의 자기착화온도 보다도 높은 온도로 가열했을 때, 착화과정에서 외부착화를 필요로 하지 않는 연소반응을 실현할 수 있다. 게다가, 초고온예열공기연소법에 따르면, 실화(失火)현상을 피하면서 연소용공기의 공급유속을 상당히 고속화하여, 연소용공기를 고속류로서 혼합영역 또는 연소영역에 공급할 수 있다. 더욱이, 이와 같은 초고온공기연소법에 따라 연소영역에 형성된 화염에서는, 화염용적의 증대 및 화염휘도의 저하 등의 현상이 관찰되는 한편, 국부열발생현상 은 억제되어, 그 결과 연소영역의 온도장(溫度場)은 균일화된다.
여기에서, 관식가열로 등의 가열장치에 관한 복사 및 대류전열효과의 연구는, 종래에는 피가열관의 국소적인 과열을 방지한 상태에서 로내에 원하는 온도장을 형성하는 연소장치나, 피가열관의 배치 및 구조 등의 개발을 주로 의도한 것이었다. 그러나, 공연비(空燃比)가 10을 초과하는 종래의 연소장치에서는 공기 및 연료의 혼합은 일반적으로 공기류의 온도, 유량, 유속 및 방향성등의 제어에 의해 지배되는 경향이 있고, 연소영역에 생성되는 화염의 특성은 실질적으로 공기류의 물성(物性) 및 유체특성에 의해 대체로 결정되어 버린다. 예를 들면, 혼합영역에서 연소반응한 연료 및 공기는 연소장치 근방에서 모두 연소되므로, 화염은 연소장치의 근방에서만 형성되는 것에 불과하고 피가열물의 근방에는 도달하기 어렵다. 이에 대하여, 연료유체의 도달거리등을 증대시키기 위하여, 연료공급압력을 증대시키거나 또는 연료노즐의 지름을 축소시켜, 이에 따라 연료의 블로잉(blowing) 속도를 고속화할 수 있다고 하더라도, 연료유체는 공기유량에 비해서 매우 소량이기 때문에, 연료유체의 유세(流勢)는 다량의 공기류의 유세에 의해 소거되어, 토출직후에 실세(失勢)되어 버리기 때문에, 연료유체의 도달거리를 증대시키기에는 부족하다.
한편, 상기 초고온공기연소법에 따르면, 공기비 및 공연비를 절감하고 또한 연소가스의 로내순환유량을 증대한 결과로서, 완만한 연소반응을 로내에 유지하고 로내의 온도장을 균일화하는 것이 가능해 진다. 그러나, 이러한 종류의 연소법에 있어서, 공기류의 공급유속은 비교적 고속으로 설정되는 경향이 있다. 이 때문에, 연료 및 공기의 혼합을 제어하는 것이 공기류를 제어하는 것에 의존하는 경향이 한 층 더 현저하게 나타나게 된다.
또한, 초고온공기연소법에서는 연료분사류, 연소용공기류 및 로내순환류의 혼합상태가 연소반응을 제어하는데 있어 중요한 요인이 된다는 것이 이미 판명된 바 있으며, 이들 3종의 유체의 혼합제어를 중시한 장치구성을 채용해야할 필요가 있다. 그러나, 로내연소가스의 순환류를 연료 또는 공기류와 로내영역에서 혼합하는 종래의 연소법으로는, 이러한 각종 유체의 혼합을 확실하게 제어한다는 것은 실무적으로 매우 곤란한 일이다. 따라서, 로내로 토출되는 연료류 자체의 제어성을 향상시키고, 연료류를 제어함으로써 화염의 위치, 확산상태 및 도달거리를 제어함과 동시에, 연료, 연소용공기 및 연소가스의 혼합위치 및 혼합비의 제어성을 향상시킬 수 있는 새로운 연소법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 그 목적은, 연료 및 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비의 제어성을 향상시킬 수 있는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한, 로내연소가스재순환류를 제어하는 것에 의존하지않고, 연소가스와 연료를 임의로 혼합할 수 있는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 새로운 연소특성을 갖는 연료가스를 생성시키는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연소영역에 유입되는 연료류의 제어성을 향상시키고, 연료류를 제어함으로써 화염특성을 제어할 수 있는 연소장치 및 연소방법, 나아가 피가열물에 작용하는 화염의 특성을 제어할 수 있는 가열장치 및 가열방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 연소영역의 고온연소가스를 로외(爐外)로 도출하여 연료와 혼합하거나, 또는 연소가스에 수증기를 첨가하여 연소가스중의 수증기량을 조절한 후에 연료와 혼합하거나, 또는 고온의 수증기를 연료와 혼합함으로써, 연료 및 연소가스의 혼합을 확실하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 연소특성을 갖는 다량의 연료가스를 생성할 수 있는 것을 보여주며, 이러한 지식에 의거하여 본원 발명을 달성한 것이다.
즉, 본 발명에 따르면, 연소용연료를 공급하는 연료공급수단과, 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연소용공기공급수단,을 구비한 연료공급장치에 있어서,
로외로 도출된 연소가스 및/또는 수증기 공급수단의 수증기와, 상기 연료공급수단의 연료,를 혼합하는 혼합장치와;
상기 연소가스 및/또는 수증기와 상기 연료와의 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하여, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합시키는 연료가스 도입장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 연소용연료 및 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연료공급방법에 있어서,
로외로 도출된 연소가스 및/또는 수증기 공급수단의 수증기를 혼합영역에 공급하고,
상기 연소용연료를 상기 혼합영역에 공급하여 상기 연소가스 및/또는 수증기와 상기 연료와의 혼합유체를 생성하고,
상기 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합하여, 상기 연료가스의 연소반응을 상기 연소영역에 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료공급방법을 제공한다.
본 발명의 상기 구성에 따르면, 연료는 연소영역으로부터 로외로 도출된 연소가스와 수증기공급수단의 수증기와 쌍방향 또는 한방향으로 혼합된다. 연료를 연소가스 및/또는 수증기와 혼합하는 공정과, 혼합유체를 연소용공기와 다시 혼합하는 공정이 단계적으로 실행되기 때문에, 연료, 연소용공기, 연소가스 및/또는 수증기의 혼합제어의 임의성 및 확실성은 대폭 향상된다. 연료와, 연소가스 및/또는 수증기와,의 혼합영역에는 희박한 연료를 함유하는 비교적 다량의 혼합유체가 생성된다. 혼합유체는 로내연소가스의 순환류와는 독립되어 제어가능한 운동량(모멘텀, momentum)을 갖는 다량의 연소가스류로서 연소영역에 도입된다. 따라서, 로내로 도입된 연료가스류는 로내연소가스의 순환류로부터 실질적으로 영향을 받지 않고 연소용공기류와 혼합되며, 따라서 연료 및 연소가스의 혼합과정 및 혼합비는 로내연소가스의 재순환류의 제어에 의존하지 않고 연료공급장치의 제어 하에서 가변제어된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서 연료공급수단은, 연료를 혼합장치에 연속적으로 공급한다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 연료공급장치는 복수의 혼합장치를 갖음과 동시에 혼합장치에 대한 연소가스 및/또는 수증기의 유로를 절환시키는 유로절환장치를 갖는다. 연료공급수단은 유로절환장치와 동기하여 연료의 공급로를 절환시키는 연료제어수단을 구비한다.
바람직하게 연소가스는 10% 이하의 산소농도를 갖고 연소가스 및/또는 수증기와, 연료와의 혼합비는 1:1 ~20:1의 범위에 설정되고 연료가스 및/또는 수증기와 연소용 공기와의 혼합비는 1:10 ~ 20:10의 범위에 설정되고 연소역에 유입하는 연료가스의 유속은 10m/s ~ 150m/s 의 범위에 설정된다.
다른 관점에서 보면 본 발명은, 상기 구성의 연료공급장치와, 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연소용공기공급수단,을 구비한 것을 특징으로 하는 연소장치를 제공한다. 본 발명은 또한, 상기 구성의 연료공급방법을 사용하여, 혼합유체를 연료가스로서 연소영역에 도입하고, 연료가스를 연소용공기와 혼합하여 연료가스의 연소반응을 연소영역에 발생시키는 것을 특징으로 하는 연소방법을 제공한다.
이와 같은 구성에 따르면, 독립되어 제어가능한 운동량을 갖는 다량의 연료가스류가 연소영역에 도입되기 때문에, 연소영역에 생성되는 화염의 특성은 연소용공기류의 제어에만 의존하지 않고, 연소영역에 도입되는 연료가스류의 제어에 의해서도 제어할 수 있다. 또한, 연료는 로외연소가스 및/또는 수증기와 미리 혼합된 후에 연소용공기와 혼합되기 때문에, 로내순환류와, 공기 또는 연료,를 로내에서 혼합하는 종래방식의 연료법에 비해, 연료 및 연소용공기의 혼합제어의 자유로움 및 확실성을 대폭 향상시킬 수 있다.
또 다른 관점에서 보면 본 발명은, 상기 구성의 연소장치를 구비한 가열장치를 제공함과 동시에, 상기 구성의 연소방법으로 생성된 화염에 의해 피가열물을 가열하는 가열방법을 제공한다.
본 발명의 상기 구성에 따르면, 희박한 연료를 함유하는 비교적 다량의 연료가스를 제어함으로써, 연소영역에 생성되는 화염의 특성을 제어하고, 이에 따라 연소영역의 연소발열반응을 조정함과 동시에, 피가열물에 대한 화염의 복사 및 대류전열작용을 개선할 수 있다.
바람직하게 가열장치는 연소용공기 및 연료를 냉각하는 사이에 연소역에 도입하는 보조연소장치를 구비한다. 연료가스도입장치는 연료가스류를 연소용공기류와 평행하게 연소역으로 도입하고 또는 연료가스류를 연소용 공기류와 교차하는 방향으로 소역으로 도입한다. 연료가스류를 연소용공기류와 대향하는 방향으로 연소역으로 도입하는 것도 바람직하다. 가열장치는 예를 들면 관식가열로, 금속가열로, 요업소성로, 금속용접로, 가스화용접로, 보일러 또는 라디안트 튜브(Radiant Tube)의 어느 하나를 구성한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서 상술한 연소방법 보다 생성한 화염에 의해 피가열물이 가열된다. 피가열물은 복수의 수열세그먼트로부터 이루어지고 세그먼트의 사이에 화염이 생성한다. 연료가스를 실질적으로 일정 위치에서 연소역에 도입함과 동시에 연소용공기를 실질적으로 일정한 위치에서 연소역으로 도입하는 것이 가능하다. 연료가스를 연소역에 도입하는 위치 및 연소용공기를 연소역에 도입하는 위치를 소정시간 마다 변위시키는 것도 바람직하다. 바람직하게는 냉각사이에는 연료를 연소용공기에 혼합하고 연료 및 연소용 공기의 연소발열 반응에 의해 연소역의 온도를 상승시키는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 연소가스 및 연소용공기에 의한 화염이 피가열물에 직접 접한다. 본 발명의 다른 실시형태에 있어서는 피가열물의 표면에 연장하여 유동하는 연료가스류가 형성되고 저산소농도의 환원연소 환경이 피가열물의 근방에 형성된다.
본 명세서에서 '연료가스'라는 용어는 연소가스 및/또는 수증기와 연료를 혼합하여 이루어진 혼합유체로서, 연소용공기와 연소반응 할 수 있는 연료성분을 함유하는 가스유체를 의미한다. 연료가스중의 연료성분은 고온의 연소가스 및/또는 수증기와의 혼합에 의해 활성화되는 반면, 저산소농도의 연소가스는 연료성분의 연 소반응을 억제한다. 이와 같은 연료가스는 활성화된 희박한 연료성분을 포함하는 저산소농도의 고온연료가스로서 연소영역에 도입되어, 종래의 연료와는 다른 새로운 연소특성을 발휘한다. 예를 들면, 로내로 도입된 연료가스는 로내연소가스와 혼합할 필요없이, 연소용공기와 완만하게 연소반응하며, 이에 따라 국소발열 및 질소산화물(NOx)의 생성을 억제한 광범위하고 비교적 저온인 확산연소화염을 로내에 생성한다.
소망에 따라, 연소가스 및/또는 수증기의 일부는 연소용공기와 혼합된다. 연소가스 및/또는 수증기에 의해 희석된 저산소농도의 연소용공기는 연소영역에 도입되어 고온 또는 저산소농도의 상기 연료가스와 혼합된다. 연료가스중의 연료성분은 저산소농도의 연소용공기와 더욱 완만하게 연소반응하여, 국소발열을 억제한 광범위하고 저온인 화염을 연소영역에 생성한다.
또한 연소가스중의 수증기, 고온연소가스와의 혼합 또는 열교환에 의해 수열(受熱)된 고온의 수증기, 혹은, 별도의 수증기가열수단에 의해 700℃이상으로 가열된 고온의 수증기는, 연료탄화수소의 열분해반응 및/또는 수증기개질(改質)반응을 발생시키기 때문에, 연료탄화수소는 비교적 다량의 탄화수소라디칼(Radical), 수소, 탄소 또는 일산화탄소등을 포함하는 양질의 개질가스로 개질된다. 따라서, 연소용공기와 혼합되기 전에 중유(重油)등 비교적 중질 또는 저질, 혹은 저품위의 탄화수소계연료를 경질 또는 양질, 혹은 고품위의 탄화수소계연료가스로 개질시킬 수 있다.
도 1∼도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내는 연료공급장치의 블록흐름도.
도 5는 도 1A 및 도 1B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략단면도.
도 6은 도 1B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 다른 구성의 연소장치의 개략종단면도.
도 7은 도 6에 나타낸 연료혼합장치의 작용을 개략적으로 나타낸 블록흐름도.
도 8은 도 1C에 나타낸 구성의 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 9는 도 2A 및 도 2B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 10은 도 2B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 11은 도 3A에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 12는 도 3B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 13은 도 3C에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 14는 도 4에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도.
도 15 및 도 16은 도 14에 나타낸 수증기가열장치의 구성을 나타낸 단면도.
도 17∼도 22는 본 발명의 제1∼제6 실시예에 따른 연료공급장치 및 연소장치를 나타낸 단면도.
도 23은 본 발명에 따른 가열장치의 실시예를 나타낸 개략평면도.
도 24 및 도 25는 가열장치의 변형예를 나타낸 개략평면도로서, 도 24는 가열장치의 냉간시의 운전형태를 나타낸 것이고, 도 25는 가열장치의 열간시의 운전형태를 나타낸 것이다.
도 26은 본 발명에 따른 연속소성형가열로의 개략종단면도.
도 1A에 나타낸 연료공급장치는, 연소가스를 연소영역으로부터 도출하는 연소가스도출로와, 연료 및 연소가스 혼합영역과, 연료를 혼합영역에 공급하는 연료공급로,를 갖는다. 연소영역에 생성된 고온의 연소가스는 연소가스도출로를 통하여 연소영역으로부터 로외로 도출된다. 소정유량의 연소가스가 연소배기가스로서 계외(系外)로 배출되고, 연소가스의 남은 부분은 혼합영역에 도입된다. 소망에 따라, 수증기발생장치의 수증기가 연소가스로 주입되고, 연소가스중의 수증기량이 조절된다. 탄화수소계연료가 연료공급로를 통하여 혼합영역에 도입되어 연소가스와 혼합되며, 그 결과, 연료를 연소가스에 의해 희석하여 이루어진 고온의 혼합가스(연료가스)가 혼합영역에 생성된다.
연소가스는 일반적으로 0%∼10% 범위의 잔존산소농도를 갖는 것에 불과하며, 따라서, 연료공급로의 연료는 연소가스와 실질적으로 연소반응할 필요없이 연소가스에 혼합된다. 연소가스의 온도는 연소영역의 온도와 실질적으로 동일하며, 따라서 소량의 저온연료를 혼합한 혼합가스는 연소가스의 온도보다도 약간 낮은 온도, 예를 들면, 800℃∼1200℃범위의 온도를 여전히 보유한다. 이와 같은 고온의 혼합 가스에 있어서, 연소가스중의 수증기는 연료를 개질하고 활성화하여, 그 결과 상온의 연료에 비해서 연소반응 하기가 쉽다. 이에 반해, 저산소농도의 연소가스는 연료의 연소반응을 억제한다.
연소가스의 유량은 연료공급량에 비해서 매우 크며, 따라서 혼합가스는 희박한 연료를 함유한 다량의 연료가스로서 연소영역에 도입된다. 연소용공기가 연소용공기공급로를 통해서 연소영역에 도입되고, 혼합가스류는 연소영역의 연소가스순환류로부터 실질적으로 영향을 받지 않고 연소영역에서 연소용공기류와 혼합되어 연소반응한다.
연료로서는 기체, 액체, 고체 또는 반고체 연료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 메탄 등의 탄화수소계 기체연료를 상기 연료로서 사용했을 경우, 기체연료는 연소가스에 의해 희석된 고온의 연료가스로서 연소영역에 유입된다. 연료 및 연소가스의 혼합과정 및 도입과정에서 생길 수 있는 연료의 열분해반응 및/또는 수증기개질반응에 의해, 비교적 다량의 탄화수소라디칼, 수소, 탄소 또는 일산화탄소 등을 포함한 양질의 개질가스를 생성하여, 이것을 연료가스로서 연소영역에 공급하는 것도 가능하다. 또한, 탄화수소계의 액체연료를 상기 연료로서 사용했을 경우, 증발과정 및 열분해과정을 포함한 연료의 개질반응이 혼합영역 및 도입로에서 진행되어, 양질의 연료가스(개질가스)를 연소영역에 공급할 수 있다. 또한, 미분탄(微粉炭)등의 고체연료를 연료로서 사용했을 경우, 연료는 고온의 연소가스 중으로 부유(浮游)하여, 혼합영역 또는 도입로에서 열분해되며, 이에 따라 탄화수소라디칼, 수소, 탄소 및 일산화탄소를 포함하는 고품위의 연료가스를 연소영역에 공급하 는 것이 가능해 진다. 이와 같은 연료탄화수소의 개질작용에는 연소가스중의 수증기가 실질적으로 영향을 끼치고 있다고 할 수 있으므로, 상기 수증기발생장치는 연소가스중의 수증기량을 늘리기 위해서, 소망에 따라 수증기를 연소가스에 첨가하여 연료의 수증기개질반응을 촉진한다.
도 1A에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략단면도가 도 5A에 도시되어 있다. 연소장치는 연소실(1), 강제급기팬(2) 및 연소용공기공급장치(30)를 구비함과 동시에, 연료공급장치를 구성하는 연료혼합장치(10) 및 배기가스순환팬(3)을 구비한다. 급기팬(2)은 외기흡입로(OA)를 통하여 흡인한 외기를 연료용공기공급로(CA)로 압송한다. 공기공급장치(30)는 연소실(1)로 개구된 연소용공기토출구(35)를 구비하고, 공급로(CA)의 연소용공기는 토출구(35)로부터 연소실(1)내로 유입된다. 배기가스순환팬(3)은 연소가스도출구(90) 및 연소가스도출로(EX, ER)를 통하여 연소실(1)의 연소가스를 유인하고, 연소가스를 연소가스도입로(RG)로부터 연료혼합장치(10)에 공급한다. 수증기보일러 등의 수증기발생장치(8)가 수증기공급로(ST)를 통하여 연소가스도입로(RG)에 접속되어, 150∼300℃의 과열수증기를 가스에 주입하고, 연소가스 중의 수증기량을 조절한다. 또한, 연소가스의 일부는 배기유로(EG)를 통하여 계외로 배기된다.
공기공급장치(30)의 내측에 배치된 연료혼합장치(10)는 연료노즐(11), 연소가스도입부(12), 혼합영역(15) 및 연료가스분사구(16)를 구비한다. 연료노즐(11)은 연료공급로(F)의 공급연료를 혼합영역(15)에 분사하고, 연소가스도입부(12)는 연소가스도입로(RG)의 연소가스(및 수증기)를 혼합영역(15)에 도입한다. 혼합영역(15) 은 연료와 연소가스(및 수증기)를 혼합하여, 혼합가스(연료가스)를 연소실(1)에 분사한다. 연소실(1)에 분사하는 혼합가스의 유량, 분사압력 및 방향은, 연료노즐(11) 및 연소가스도입부(12)가 분사하는 연료 및 연소가스의 유량, 분사압력 및 방향에 의해 제어됨과 동시에, 혼합영역(15)의 구조에 의해 규제된다.
연소실(1)에 분사한 혼합가스는 공기공급장치(30)가 토출하는 연소용공기와 혼합되어 연소한다. 연소용공기와 대체로 동등한 유량을 갖는 혼합가스는, 연소용공기류의 운동량(모멘텀)에 상당하는 운동량을 갖기 때문에, 온도차에 의한 부력 및 연소용공기류의 방향성 및 유세(流勢)로부터 실질적으로 영향을 받을 것 없이, 연료혼합장치(10)가 설정한 방향으로 유동하여 연소용공기와 혼합된다. 저산소농도의 연소가스에 의해 연소반응이 억제된 혼합가스는 연소용공기와 완만하게 연소반응하기 때문에, 연소영역에 확산되는 혼합가스는 소기의 도달거리를 확보하고, 연소화염은 연료혼합장치(10) 및 공기공급장치(30)의 근방에만 국소적이면서 집중적으로 발생하는 것이 아니라, 로내의 소정영역에 소망에 따라 발생된다.
이와 같은 연료공급법에 따르면, 연소가스를 로외로 도출한 후에 연료와 혼합하는 공정과, 연료 및 연소가스의 혼합유체를 연소용공기와 다시 혼합하는 공정,이 단계적으로 실행된다. 혼합가스의 조성 및 유량은 혼합영역(15)에 도입되는 연소가스(및 수증기)의 유량, 연료공급로(F)의 연료공급량, 나아가 연소가스 및 연료의 혼합비에 따라 가변 제어된다. 연소가스 및 연료의 혼합비는 바람직하게는 1:1∼20:1의 범위로 설정된다. 혼합영역에 생성된 고온의 혼합가스는 연료자체의 공급유량보다도 훨씬 많은 유량의 연료가스로 연소영역에 공급되기 때문에, 로내의 연 소가스순환류와 혼합되어 소세(消勢)됨이 없이 연소용공기와 혼합된다. 따라서, 연료가스 및 연소용공기의 혼합비, 혼합위치, 혼합형태 및 연소특성은, 연소용공기류 및 연료가스류 양쪽을 조절함으로써 제어된다. 연료가스 및 연소용공기의 혼합비는 바람직하게는 1:10∼20:10의 범위로 설정된다. 또한, 연소영역에 유입되는 연료가스의 유속은 바람직하게는 10∼150m/s의 범위로 설정된다. 이렇게 하여, 연료 및 연소가스의 혼합과정 및 혼합비는 로내연소가스의 재순환류의 영향을 실질적으로 받지 않고 임의로 제어할 수 있다. 따라서, 연료, 연소용공기 및 연소가스의 혼합제어의 임의성 및 확실성은 대폭 향상된다. 더구나, 혼합가스(연료가스)는 연소가스(및 수증기)에 의해 증량되기 때문에, 혼합가스의 유속, 유량 및 방향성 등을 제어함에 따라, 연소반응의 영역, 화염의 위치 및 방향성 등을 제어할 수 있게 된다.
또한, 상기 혼합가스는 활성화한 희박한 연료성분을 함유하는 저산소농도의 고온연료가스로서, 연소영역에 도입되어 연소용공기와 완만하게 연소반응한다. 그 결과, 화염의 국소발열 및 질소산화물(NOx)의 생성을 억제한 상태에서 유리한 광범위하고 비교적 저온인 확산연소화염이 로내에 생성된다. 또한 상기 연료공급장치에 따르면, 로온도 및 열부하가 변동되는 가열로 등에 있어서, 로온도 및 열부하의 변동에 상응하여 연료 및 연소용공기의 혼합비를 가변제어할 수 있기 때문에, 실무적으로 매우 유리하다.
본 발명의 다른 실시형태가 도 1B에 도시되어 있다. 도 1B에 나타낸 연료공급장치에서는, 도출로, 혼합영역 및 도입로를 포함한 순환회로는, 가스유체를 강제순환시키는 강제순환팬등의 순환장치를 구비함과 동시에, 순환장치의 열부하 및 열 응력을 경감시키기 위해서, 연소가스를 과도하게 냉각시키는 열교환장치를 구비한다. 열교환장치는 고온의 연소가스를 과도하게 냉각시키는 냉각부와, 강온(降溫)된 연소가스를 재열하는 가열부,를 갖는다. 냉각부는 연소영역으로부터 도출된 연소가스를 200℃ 내지 300℃정도의 온도로 냉각시키고, 가열부는 냉각부에서 수열(受熱)된 현열(顯熱)을 냉각후의 연소가스로 방열한다. 냉각부에서 강온된 연소가스는 소망에 따라 수증기발생장치의 수증기와 혼합된 후, 가열부에서 도출직후의 온도와 동등한 온도로 승온된다. 또한 연소용공기는 연소용공기를 800℃이상, 바람직하게는 1000℃이상의 초고온영역에서 예열하는 공기예열장치를 통하여 연소영역에 공급된다.
도 5B는 도 1B에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략단면도이다. 연소장치는 도 5A에 나타낸 연소장치와 실질적으로 동일한 연소실(1), 강제급기팬(2), 배기가스순환팬(3), 수증기발생장치(8), 연료혼합장치(10) 및 공기공급장치(30)를 구비한다. 연소장치는 또한, 열교환장치(13, 33) 및 강제배기팬(4)을 가지며, 열교환장치(13, 33)는 각각 복수의 구획으로 분할된 축열체(14, 34)를 구비한다. 열교환장치(13)는 도 1B에 나타낸 냉각부 및 가열부를 구성하고, 열교환장치(33)는 도 1B에 나타낸 공기예열장치를 구성한다. 열교환장치(13, 33)로서, 디스크회전식 유로전환장치(20, 40)를 구비한 고속전환식 축열형 열교환기를 바람직하게 사용하고, 축열체(13, 14)로서, 다수의 협소유로를 갖는 하니콤(Honeycomb)구조의 세라믹제 축열체를 바람직하게 사용할 수 있다. 이러한 형식의 열교환장치의 구조는 예를 들면, 본원출원인에 의한 특원평 7-284825호(특개평 9-126675호 공보) 등에 상세하게 개시되어 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
외기흡입로(OA) 및 공기공급로(CA)에 접속된 급기팬(2)은 연소용공기를 열교환장치(33)에 도입하고, 배기팬(4)은 연소가스도출구(91), 배기유로(E1), 열교환장치(33) 및 배기유로(E2)를 통하여 연소실(1)의 연소가스를 유인한다. 축열체(34)의 각 구획은 고온의 연소배기가스와 저온의 연소용공기에 교호적으로 전열접촉, 연소배기가스가 보유하는 현열을 연소용공기에 열전달하여, 연소용공기를 800℃이상의 초고온영역으로 가열한다. 고온의 연소용공기는 고온공기공급로(SA)를 통하여 공기공급장치(30)에 공급되고, 토출구(35)로부터 연소실(1)내로 유입된다. 한편, 200℃ 내지 300℃ 정도로 강온된 배기유로(E2)의 연소배기가스는 배기유로(E3)로부터 계외로 배기된다.
배기가스순환로(R3, R4)에 접속된 배기가스순환팬(3)은 연소가스도출구(90), 연소가스도출로(EX) 및 열교환장치(13)를 통하여 연소실(1)의 연소가스를 유인한다. 축열체(14)의 저온구획이 고온의 연소가스와 전열접촉하여 축열되며, 또한 연소가스를 냉각시킨다. 강온된 연소가스는 순환팬(3)에 의해 가압되고, 소망에 따라 수증기발생장치(8)의 수증기와 혼합된 후, 축열에 의해 승온된 축열체(14)의 고온구획과 전열접촉한다. 연소가스(및 수증기)는 축열체(14)를 냉각시킴과 동시에, 축열체(14)로부터 수열하여, 800℃이상, 바람직하게는 1000℃이상의 초고온영역으로 가열되어, 고온의 연소가스로서 연소가스도입로(RG)로부터 연료혼합장치(10)로 공급된다. 소망에 따라, 연소가스의 일부는 연소배기가스로서 배기유로(EG)로부터 계외로 배기된다.
도 1B 및 도 5B에 나타낸 실시형태에 따르면, 연료공급장치는 냉각부 및 가열부를 구성하는 열교환장치(13)를 사이에 둔 연소가스의 순환회로(EX, RG)를 구비하고 있어, 순환팬(3)의 열부하 및 열응력은 대폭 경감된다. 연료공급장치는 또한, 연소용공기를 상기 초고온영역으로 예열하는 열교환장치(33)와 관련되어 있어, 연소실(1)의 연소영역에는 초고온예열공기가 공급된다.
일반적으로, 이러한 초고온예열공기에 의한 연소반응은 고속의 연소용공기류의 존재하에서 원활하게 진행된다는 것이 판명된 바 있어, 연소용공기류의 유속은 10m/s이상의 고속으로 설정할 수 있다. 고속의 공기류는 로내순환류를 활성화할 뿐만 아니라, 광범위한 연소반응영역을 연소실(1)내에 형성한다. 또한, 저산소농도의 연소가스를 다량으로 포함하는 혼합가스는 초고온영역에 예열된 연소용공기와 혼합되어 자기착화하고, 저산소농도의 고온연소분위기를 로내에 형성한다. 혼합가스중의 연료성분은 고온연소분위기에 의한 연소반응의 촉진, 연소가스(및 수증기)와의 예혼합에 의한 연료의 활성화, 저산소농도에 따른 연소반응의 억제, 나아가, 고속류에 의한 연소반응의 광역화 등의 작용을 받아, 광범위한 영역에서 완만하게 연소반응하고, 비교적 저온으로 또한 광역의 연소화염을 연소영역에 생성한다. 이와 같은 저산소농도의 고온연소분위기는 화염의 국소발열 및 질소산화물(NOx)의 생성을 효과적으로 억제한다.
도 6은 도 1B에 도시된 연료공급장치를 구비한 다른 구성의 연소장치를 나타내는 개략종단면도이다. 도 6A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 6B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다. 또한, 도 6에서 상기 각 실시형태의 각 구성요 소와 실직적으로 동일한 또는 균등한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 부여하고 있다.
도 6에 나타낸 연소장치는 한 쌍의 연료혼합장치(10A, 10B) 및 한 쌍의 공기공급장치(30A, 30B)를 구비한다. 연소장치는 열교환장치의 구성에 관한 것으로, 도 5B에 나타낸 연소장치와 상이하며, 연료혼합장치(10A, 10B)는 각각 축열체(14)를 내장하고, 공기공급장치(30A, 30B)는 각각 축열체(34)를 내장한다. 축열체(14, 34)로서 하니콤구조의 세라믹제 축열체를 바람직하게 사용할 수 있다. 연소장치는 또한, 연소가스의 유로를 전환하는 유로전환장치(20)와, 연소용공기의 유로를 전환하는 유로전환장치(40),를 구비한다. 유로전환장치(20, 40)는 60초 이하로 설정된 소정의 시간간격마다 제1 위치(도 6A)또는 제2 위치(도 6B)로 교호적으로 전환된다.
제1 연소공정(도 6A)에서, 급기팬(2)은 외기흡입로(OA)의 외기를 공기공급로(CA)로부터 유로전환장치(40)로 도입하고, 연소용공기는 급배기유로(L1)를 통하여 공기공급장치(30A)로 공급된다. 연소용공기는 공기공급장치(30A)의 축열체(34)와 전열접촉하여, 축열체(34)의 방열작용에 의해 상기 초고온영역으로 가열되고, 그 후에 공기토출구(35)로부터 연소실(1)로 유입된다. 배기팬(4)은 공기공급장치(30B), 급배기유로(L2), 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2, E3)을 통하여 연소실(1)의 연소가스를 계외로 배기한다. 공기공급장치(30B)의 축열체(34)는 고온의 연소배기가스와 전열접촉하여 가열되고, 연소가스는 강온된다.
배기가스순환팬(3)은 연료혼합장치(10B), 배기가스순환로(R2, R3) 및 유로전환장치(20)를 통하여 연소실(1)의 연소가스를 유인하고, 유로전환장치(20) 및 배기 가스순환로(R4, R1)을 통하여 연소가스를 연료혼합장치(10A)에 공급한다. 연료혼합장치(10B)를 유통하는 연소실(1)의 고온연소가스는 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)와 전열접촉하여 냉각됨과 동시에, 축열체(14)를 가열한다. 강온된 연소가스는 소망에 따라 수증기발생장치(8)의 수증기와 혼합된 후, 순환팬(3)의 순환압력하에서 연료혼합장치(10A)에 공급되고, 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)를 유통하여, 고온의 축열체(14)와의 열교환에 의해 상기 초고온영역으로 가열된다. 연료혼합장치(10A)의 연료노즐(11)은 가열 후의 연소가스(및 수증기)에 연료를 토출하고, 연소가스 및 연료의 혼합가스는 연료가스로서 연료가스 분사구(16)로부터 연소실(1)내로 유입된다.
제2 연소공정(도 6B)에 있어서, 연소용공기는 외기흡입로(OA), 공기공급로(CA), 유로전환장치(40) 및 급배기유로(L2)를 통하여 공기공급장치(30B)로 공급된다. 연소용공기는 공기공급장치(30B)의 축열체(34)와 열교환하여, 상기 초고온영역으로 가열되고, 고온의 연소용공기로서 공기토출구(35)로부터 연소실(1)로 유입된다. 배기팬(4)은 공기공급장치(30A), 급배기유로(L1), 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2, E3)를 통하여 연소가스를 계외로 배기한다. 공기공급장치(30A)의 축열체(34)는 고온의 연소가스와 전열접촉하여 가열되고, 연소배기가스는 냉각된다.
배기가스순환팬(3)은 연료혼합장치(10A), 배기가스순환로(R1, R3) 및 유로전환장치(20)를 통해 연소실(1)의 연소가스를 유인하고, 유로전환장치(20) 및 배기가스순환로(R4, R2)를 통하여 연소가스를 연료혼합장치(10B)에 공급한다. 연소실(1) 의 고온연소가스는 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)와 전열접촉하여 냉각되며, 축열체(14)를 가열한다. 강온된 연소가스는 소망에 따라 수증기발생장치(8)의 수증기와 혼합된 후, 순환팬(3)의 순환압력하에서 연료혼합장치(10B)에 공급되고, 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)와 열교환하여 상기 초고온영역에 가열된다. 연료혼합장치(10B)의 연료노즐(11)은 가열 후의 연소가스(및 수증기)에 연료를 토출하고, 연소가스 및 연료의 혼합가스는 연료가스로서 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1)내로 유입된다.
도 7은 도 6에 나타낸 연료혼합장치(10A, 10B)의 작용을 개략적으로 나타낸 블록흐름도로서, 도 7A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 7B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
상기 연소장치의 구성에 따르면, 연소실(1)의 연소가스는 한 쪽의 연료혼합장치(10)를 통하여 연소영역으로부터 도출되고, 배기가스순환팬(3)의 순환압력하에서 순환로(R1, R2)를 순환하여, 소망에 따라 수증기를 첨가한 후, 다른 쪽의 연료혼합장치(10)에 공급되고, 재열후에 연료와 혼합되어, 연료가스로서 연소영역에 도입된다. 고온연소가스의 현열은 로외도출시에 축열체(14)에 과도하게 축열되어, 연료와 혼합되기 직전의 저온연소가스로 방열된다. 제1 및 제2 연소공정이 단시간에 교호적으로 반복실행되어, 연소가스(및 수증기)는 연속적으로 냉각되고 또한 재열된다.
마찬가지로, 제1 및 제2 연소공정을 반복함으로써, 연소용공기는 축열체(34)(도 6)를 통하여 연소가스의 현열을 계속적으로 수열하고, 연속적으로 초고온영역으로 예열된다. 혼합가스 및 연소용공기는 인접한 연료혼합장치(10) 및 공기공급장치(30)로부터 연소실(1)로 각각 도입되고, 연소실(1)의 연소영역에는 상술한 바와 같이 완만한 연소반응, 연료가스류의 용적 및 유속의 증대, 연소용공기의 유속증대 등에 따른 광범위하고 또한 비교적 저온의 연소화염이 생성된다.
본 발명의 또 다른 실시형태가 도 1C에 도시되어 있다. 도 1C에 도시된 연료공급장치는 도 1B에 나타낸 실시형태와 유사하여, 연소가스의 냉각부 및 가열부, 공기예열장치,를 구비한다. 그러나, 본 실시형태에 있어서, 혼합영역(15)은 가열부와 순환장치와의 사이에 배치된다. 이러한 실시형태에 의하면, 연료는 냉각부에서 강온된 연소가스(및 수증기)와 혼합되고, 혼합영역의 혼합가스는 가열부에서 상기 초고온영역으로 가열된다. 가열부의 혼합가스의 승온과정에 의해 혼합가스의 열분해반응 및 수증기개질반응이 발생하고, 혼합가스는 비교적 다량의 탄화수소라디칼, 수소, 탄소 또는 일산화탄소 등을 포함한 양질의 연료가스로 개질된다.
도 8은 도 1C에 나타낸 구성의 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도로서, 도 8A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 8B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다. 상기 각 실시형태의 각 구성요소와 실질적으로 동일 또는 균등한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하였다.
도 8에 나타낸 연소장치는 축열체(14)를 내장한 연료혼합장치(10A, 10B)와, 축열체(34)를 내장한 공기공급장치(30A, 30B)와, 연소가스 및 연소용공기의 유로를 전환하는 유로전환장치(20, 40),을 구비한 점에 있어서 도 6에 나타낸 연소장치와 유사하다. 그러나 도 8에 나타낸 연소장치에서는, 축열체(14)는 연소실(1)과 혼합 영역(15)과의 사이에 설치되고, 축열체(14)의 협소유로는 연소실(1)과 혼합영역(15)을 상호연통한다.
제1 연소공정(도 8A)에 있어서, 연료혼합장치(10A)의 연소가스도입부(12)에 공급된 저온의 연소가스(및 수증기)는 연료혼합장치(10A)의 연료노즐(11)로부터 토출된 연료와 혼합되고, 연소가스(및 수증기)와 연료와의 혼합가스는 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)를 유통하여, 고온의 축열체(14)와의 열교환에 의해 상기 초고온영역으로 가열된다. 고온의 연료가스는 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1)내로 유입된다.
제2 연소공정(도 8B)에 있어서, 연료혼합장치(10B)의 연소가스도입부(12)에 공급된 저온의 연소가스(및 수증기)는 연료혼합장치(10B)의 연료노즐(11)로부터 토출된 연료와 혼합되고, 연소가스(및 수증기)와 연료와의 혼합가스는 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)를 유통하여, 고온의 축열체(14)와의 열교환에 의해 상기 초고온영역으로 가열된 후, 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1)내로 유입된다.
혼합가스는 연료혼합장치(10A, 10B)의 축열체(14)를 유통하는 사이에 수열되고, 열분해반응하여 비교적 양질의 연료가스로 개질된다. 연료혼합장치(10A, 10B)로부터 연소실(1)내로 분사한 혼합가스는 인접한 연소용공기토출구(35)로부터 연소영역으로 유입되는 고온의 연소용공기와 혼합되어, 저산소농도이며 또한 고온의 연소분위기에 의한 광범위한 연소화염을 연소실(1)내에 생성한다.
도 2A, 도 2B 및 도 2C에는 본 발명의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 도 2 A, 도 2B 및 도 2C는 도 1A, 도 1B 및 도 1C의 각 실시형태와 대체로 상응한 구성을 갖지만, 도 2에 나타낸 각 실시형태에서는 연소가스의 일부가 연소용공기와 혼합된다. 도 2A에 나타낸 연료공급장치에 있어서, 로외로 도출된 연소가스(및 수증기)는 연료와의 혼합영역으로 도입될 뿐만 아니라, 연소용공기와의 혼합영역으로도 도입된다. 도 2B에 나타낸 연료공급장치는 고온예열공기와 고온연소가스를 혼합하는 혼합영역을 구비하고 있고, 가열부에서 재열된 연소가스(및 수증기)의 일부가 고온예열장치에 의해 초고온으로 예열된 연소용공기와 혼합된다. 도 2C에 나타낸 연료공급장치는 연소용공기와 저온연소가스(및 수증기)를 혼합하는 혼합영역을 구비하고 있고, 냉각부에서 200℃ 내지 300℃정도의 온도영역으로 강온된 연소가스(및 수증기)의 일부가 고온으로 예열되기 전의 상온공기와 혼합된다.
이와 같은 실시형태에 따르면, 연소용공기와 연소가스(및 수증기)와의 혼합에 의해 연소용공기의 산소농도가 저하되고, 연소용공기의 연소반응성이 억제된다. 저산소농도의 연소용공기는 마찬가지로 연소가스(및 수증기)에 의해 희석된 저산소농도의 연료가스와 혼합되어 저산소농도의 연소분위기를 연소영역에 형성한다. 그 결과, 연소영역에는 완만한 연소반응이 진행되어, 광범위하고 균등한 화염이 생성된다.
도 9A, 도 9B 및 도 10은 도 2에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도이다. 도 9 및 도 10에 있어서, 상기 각 실시형태의 각 구성요소와 실질적으로 동일한 또는 균등한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하였다.
도 9A 및 도 9B에 나타낸 연소장치는 공기공급장치(30)에 접속된 연소가스도 입로(RG)의 분류로(R5)를 구비한다. 연소가스도입로(RG)를 유통하는 연소가스(및 수증기)는 분류로(R5)의 분기부에서 분류되고, 연소가스(및 수증기)의 일부는 공기공급장치(30)에서 연소용공기와 혼합된다.
도 10에 나타낸 연소장치에서는 배기가스순환로(R1)의 분기로(R5)가 공기 공급장치(30A)에 접속되고, 배기가스순환로(R2)의 분기로(R6)가 공기공급장치(30B)에 접속된다. 제1 연소공정(도 10A)에서 배기가스순환로(R1)의 연소가스(및 수증기)는 분기로(R5)로부터 부분적으로 공기공급장치(30A)에 도입되어 연소용공기와 혼합된다. 제2 연소공정(도 10B)에서 배기가스순환로(R2)의 연소가스(및 수증기)는 분기로(R6)로부터 부분적으로 공기공급장치(30B)에 도입되어 연소용공기와 혼합된다.
도 3A, 도 3B 및 도 3C에는 본 발명의 또 다른 실시형태가 나타나 있다. 도 3에 나타낸 실시형태는 연소가스 중의 수증기의 작용을 특히 중시한 구성으로서, 연소가스의 열에 의해 700℃이상, 바람직하게는 1000℃이상, 더욱 바람직하게는 1500℃이상의 초고온으로 가열된 수증기가 연료와 혼합된다. 즉, 상술한 각 실시형태에서는 연료에 포함된 탄화수소의 개질반응은 주로 연료가스 중의 고온수증기의 존재에 따라 효과적으로 진행되고 있다고 볼 수 있지만, 본 실시형태에서는 이와 같은 고온수증기의 작용을 더욱 현재화(顯在化)하기 위하여, 연료가스가 보유하는 현열(顯熱)을 수증기에 전열(傳熱)하여 수증기를 700℃이상의 초고온으로 가열하여, 고온의 수증기를 연료와 혼합하도록 하고 있다. 고온수증기는 개질재(改質材) 또한 고온열매체로서 기능하고, 연료는 고온수증기의 작용에 따라 비교적 다량의 탄화수소라디칼, 수소, 탄소 또는 일산화탄소 등을 포함하는 양질의 연료로 개질되 어, 고온의 연소용 공기와 혼합되어 연소한다. 또한 도 3A 및 도 3B에 나타낸 장치에서는 연소가스는 수증기를 가열한 후, 계외(系外)로 배기된다.
도 11, 도 12 및 도 13은 도 3의 각 도에 나타낸 연료공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도이다. 도 11 내지 도 13의 각 도에 나타낸 연소장치는 도 6에 나타낸 연소장치와 유사한 전체구성을 구비한다. 그러나 본 실시형태에서는 수증기 발생장치(8)의 수증기가 수증기 공급로(ST)를 통하여 유로전환장치(20) 및/또는 외기흡입로(OA)에 공급된다. 수증기는 축열체(14, 34)를 전열접촉하고, 700℃이상의 고온으로 가열된 후, 연료와 혼합된다. 또한 도 11에는 연소장치의 제1 연소공정(도 11A) 및 제2 연소공정(도 11B)이 나타나 있으며, 도 12 및 도 13에는 연소장치의 제1 연소공정만이 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시형태가 나타나 있다. 도 4에 나타낸 실시형태는 고온수증기를 연료와 혼합하여 연료의 개질반응을 촉진하는 점에 있어서 도 3에 나타낸 실시형태와 유사하지만, 본 실시형태에서는 연료공급장치는 수증기를 고온으로 가열하는 수증기가열장치를 더 구비한다. 수증기가열용의 연료 및 연소용공기가 수증기가열장치의 연소실로 공급되고, 수증기발생장치의 수증기는 연소실의 연소열을 수열하여 700℃이상의 고온으로 가열된다. 고온수증기는 혼합영역으로 공급되어 연료와 혼합되어서 연료를 개질한다. 연료 및 고온수증기의 혼합기(混合氣)는 양질의 연료가스로서 고온의 연소용공기와 다시 혼합되어 연소장치의 연소영역에서 연소된다.
도 14는 도 4에 나타낸 연소공급장치를 구비한 연소장치의 개략종단면도이 며, 도 15 및 도 16은 수증기가열장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 수증기가열장치(80)는 수증기공급로(LS)를 통하여 수증기발생장치(8)에 접속됨과 동시에, 고온수증기공급로(HS)를 통하여 유로전환장치(20)에 접속된다. 고온수증기는 제1 연소공정(도 14A)에서 연료혼합장치(10A)의 혼합영역(15)으로 도입되며, 제2 연소공정(도 14B)에서 연소혼합장치(10B)의 혼합영역(15)으로 도입된다. 양쪽 연소공정 모두에서 고온수증기는 연료노즐(11)로부터 토출된 연료와 혼합된 후, 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1) 내로 유입된다. 고온수증기는 혼합영역(15)에 고온분위기를 형성함과 동시에, 탄화수소계연료와 수증기개질반응하여 연료를 양질의 연료가스로 개질한다.
도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 수증기가열장치(80)는 가열로본체(88), 4방밸브(95) 및 전환제어밸브(85, 86, 87)을 구비한다. 가열로본체(88)는 좌우한쌍의 하니콤형 축열체(81), 연소실(82), 연소용공기토출부(83) 및 연소노즐(84)을 갖는다. 연소용공기공급로(SA) 및 연료공급로(SF)의 공기 및 연료가 제어밸브(85, 86)의 제어하에 공기토출부(83) 및 연료노즐(84)로부터 연소실(82)의 어느 한 방향으로 교호적으로(교대로) 공급되고, 수증기공급로(LS)의 수증기가 4방밸브(95)의 제어하에 축열체(81)의 어느 한 방향으로 교호적으로(교대로) 공급된다. 연소실(82)에 생성된 고온의 연소가스는 축열체(81)를 가열한 후, 배기로(EA) 및 배기유로(EG)로부터 배기된다. 비교적 저온의 수증기는 분배로(L1) 또는 분배로(L2)로부터 고온의 축열체(81)로 공급되고, 축열체(81)에 전열접촉하여 800℃이상의 고온으로 가열된 후, 공급로(HS)로 유출되어 유로전환장치(20)(도 14)에 공급된다. 소망에 따라 제어밸브(87)를 개방하여, 배기가스순환로(R3)의 연소가스 일부 또는 전량을 연소가스유로(EB)로부터 수증기공급로(LS)로 도입, 수증기공급로(LS)의 수증기류에 혼합하여도 좋다.
이하 도 17내지 도 26을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한 이하의 각 도면에서 도 1 내지 도 16에 나타낸 각 구성요소와 실질적으로 동일 또는 균등한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호가 부여되고 있다.
도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치를 나타낸 단면도이다. 도 17A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 17B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
도 17에 나타낸 연소장치는 도 6에 나타낸 연소장치의 구성을 더욱 구체화한 것으로서, 공기공급장치(30A, 30B), 유로전환장치(40) 및 급기팬(2)을 구비함과 동시에, 연료공급장치를 구성하는 연료혼합장치(10A, 10B), 유로전환장치(20) 및 배기가스순환팬(3)을 구비한다. 유로전환장치(20, 40)는 제1 위치(도 17A) 또는 제2 위치(도 17B)로 교호적으로 전환된다. 연료혼합장치(10A, 10B) 및 공기공급장치(30A, 30B)는 소정의 경사각도를 이루며 연소실(1)의 로본체(W)에 고정된다. 장치(10A, 30A)의 중심축선은 연소실(1) 내의 연소영역에서 교차되도록 배향되며, 장치(10B, 30B)의 중심축선은 연소실(1) 내의 연소영역에서 교차되도록 배향된다.
연료혼합장치(10A, 10B)는 원통형케이싱(17)과, 케이싱(17) 내에 수용된 축 열체(14)와, 축열체(14)의 중심부를 관통하는 연료노즐(11),로 대략 구성된다. 케이싱(17)의 선단부는 재두(載頭)원추형의 축경부(16A)를 가지며, 연료가스분사구(16)가 축경부(16a)의 선단에서 개구된다. 연료노즐(11)의 연료분사구(11a)가 연료가스분사구(16)보다 약간 안쪽으로 들어간 위치에 배치되어, 혼합영역(15)이 연료가스분사구(16)과 연료분사구(11a)와의 사이에 형성된다. 케이싱(17)의 바닥부는 바닥판(19)에 의해 폐쇄되며, 연료가스도입부(12)가 축열체(14)와 바닥판(19)과의 사이에 형성된다. 도입부(12)는 연소가스포트(18)와 연통되며, 포트(18)는 배기가스순환로(R1, R2)에 접속된다. 연료노즐(11)은 바닥판(19)을 관통하여 연료공급장치(F1, F2)에 접속되며, 연료공급제어밸브(V1, V2)가 연료공급관(F1, F2)에 각각 설치된다.
공기공급장치(30A, 30B)는 원통형케이싱(37)과, 케이싱(37) 내에 수용된 축열체(34),로 대략 구성된다. 케이싱(37)의 선단부는 재두(載頭)원추형의 축경부(36a)를 가지며, 연소용공기토출구(35)가 축경부(36a)의 선단에서 개구된다. 케이싱(37)의 바닥부는 바닥판(39)에 의해 폐쇄되고, 연소용공기도입부(32)가 축열체(34)와 바닥판(39)과의 사이에 형성된다. 도입부(32)는 연소용공기포트(38)와 연통되며, 포트(38)는 급배기유로(L1, L2)에 접속된다.
축열체(14, 34)는 다수의 정방형단면의 셀공을 구비한 격자상의 세라믹제 하니콤구조체로 이루어진다. 하니콤구조체는 케이싱(17, 37) 내에 들어갈 수 있는 단면치수 및 전장을 가지며, 각 셀공은 연소가스 또는 연소용공기를 유통할 수 있는 협소유로를 구성한다. 셀벽의 벽두께 및 각 셀벽의 피치(간격)는 바람직하게는 축 열체의 용적효율의 최대치에 상응하고 또한 0.7 내지 1.0의 범위내의 온도효율을 달성할 수 있는 벽두께 및 피치로 설정된다.
유로전환장치(20)는 제1 위치 또는 제2 위치에 선택적으로 전환제어가능한 고속전환식의 4방밸브로 이루어지고, 중심회전축(25)에 고정된 판상의 밸브본체(26)를 갖는다. 유로전환장치(20)는 배기가스순환로(R1, R2)에 각각 접속된 급배기포트(21, 22)와, 배기가스순환로(R3, R4)에 각각 접속된 바이패스포트(23, 24),를 구비한다. 순환로(R3)는 배기가스순환팬(3)의 흡인구에 접속되며, 순환로(R4)는 순환팬(3)의 토출구에 접속된다. 순환로(R4)에는 배기유로(EG) 및 수증기공급로(ST)가 접속되며, 소망에 따라 연소가스의 일부가 계외(系外)로 배기되고, 수증기발생장치(도시되지 않음)의 수증기가 순환로(R4)의 연소가스류에 주입된다.
유로전환장치(40)는 유로전환장치(20와 동시에 제1 위치 및 제2 위치로 전환제어가능한 고속전환식의 4방밸브로 이루어지며, 중심회전축(45)에 고정된 판상의 밸브본체(46)를 갖는다. 유로전환장치(40)는 연료용공기공급로(CA)에 접속된 급기포트(41), 배기유로(E2)에 접속된 배기포트(42), 급배기유로(L1, L2)에 각각 접속된 급배기포트(43, 44),를 구비한다.
제1 연소공정(도 17A)에서 유로전환장치(20, 40)는 제1 위치로 유지된다. 연소실(1)의 연소가스는 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)를 통하여 배기가스순환팬(3)으로 흡인된다. 연소가스는 순환팬(3)에 의해 가압되며, 소망에 따라 공급로(ST)의 수증기를 첨가한 후, 연료공급장치(10A)의 축열체(14)를 통하여 동(同)혼합영역(15)으로 토출한다. 연료공급제어밸브(V1)는 연료혼합장치(10A)의 연료노즐(11)로 연료를 공급하고, 연료는 연료혼합장치(10A)의 혼합영역(15)으로 토출된다. 연료와 연소가스(및 수증기)는 혼합영역(15)에서 혼합되며, 혼합가스는 연료가스로서 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1) 내로 유출된다. 연소실(1)의 연소가스는 또한 공기공급장치(30B)의 축열체를 통하여 급배기유로(L2)로 도출되며, 배기팬(도시되지 않음)의 배기유인압력하에 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2)를 통하여 계외로 배기된다. 급기팬(2)은 연료용공기공급로(CA), 유로전환장치(40) 및 급배기유로(L1)를 통하여 연료용공기를 공기공급장치(30A)의 축열체(34)에 도입하고, 축열체(34)를 유통한 연소용공기는 연소용공기토출구(35)로부터 연소실(1) 내로 유출된다. 장치(10A, 30A)로부터 토출된 연료가스류 및 연소용공기류는 연소실(1) 내에서 혼합되고, 연료가스는 연소된다.
제2 연소공정(도 17B)에서 유로전환장치(20, 40)는 제2 위치로 유지된다. 연소실(1)의 연소가스는 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)를 통하여 배기가스순환팬(3)으로 흡인된다. 연소가스는 순환팬(3)에 의해 가압되며 또한 소망에 따라 공급로(ST)의 수증기를 첨가한 후, 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)를 통하여 혼합영역(15)으로 토출한다. 연료공급제어밸브(V2)는 연료혼합장치(10B)의 연료노즐(11)로 연료를 공급하고, 연료는 연료혼합장치(10B)의 혼합영역(15)으로 토출한다. 연료와 연소가스(및 수증기)는 혼합영역(15)에서 혼합되며, 혼합가스는 연료가스로서 연료가스분사구(16)로부터 연소실(1) 내로 유출된다. 연소실(1)의 연소가스는 또한, 공기공급장치(30A)의 축열체(14)를 통하여 급배기유로(L1)로 도출 되며, 배기팬(도시되지 않음)의 배기유인압력하에 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2)를 통하여 계외로 배기된다. 급기팬(2)은 연료용공기공급로(CA), 유로전환장치(40) 및 급배기유로(L2)를 통하여 연소용공기를 공기공급장치(30B)의 축열체(34)로 도입하고, 축열체(34)를 유통한 연소용공기는 연소용공기토출구(35)로부터 연소실(1) 내로 유출된다. 장치(10B, 30B)로부터 토출된 연소가스류 및 연소용공기류는 연소실(1) 내에서 혼합되고, 연소가스는 연소된다.
유로전환장치(20, 40)는 60초 이하로 설정된 소정의 시간간격으로 제1 위치 또는 제2 위치로 교호적으로 전환되며, 제1 연소공정(도 17A) 및 제2 연소공정(도 17B)은 교호적으로 실행된다. 연료혼합장치(10A, 10B)의 각 축열체(14)는, 고온의 연소가스에 전열접촉하여 연소가스를 냉각시키는 축열작용과, 냉각된 연소가스에 전열접촉하여 연소가스를 초고온영역으로 가열하는 방열작용,을 반복한다. 따라서 배기가스 순환로(R3, R4)의 연소가스온도는 저하되기 때문에, 배기순환팬(3)의 열부하 및 열응력은 경감되는 한편, 혼합영역(15)으로 토출되는 연소가스(및 수증기)는 도출직후의 온도보다도 조금 낮은 온도로 재열(再熱)된다. 공기공급장치(30A), (30B)의 각 축열체(34)는, 고온의 연소가스에 전열접촉하여 연소가스를 냉각시키는 축열작용과, 저온의 연소용공기에 전열접촉하여 연소용공기를 초고온영역으로 가열시키는 방열작용,을 반복한다. 따라서 연소배기가스가 보유하는 현열(顯熱)은 축열체를 통하여 연소용공기로 열전달하고, 연소용공기토출구(35)로부터 토출되는 연소용공기는 계속적으로 초고온영역으로 예열된다.
이와 같이 고온의 연소용공기 및 고온의 혼합가스의 분사류(噴射流)가 연료 가스분사구(16) 및 연소용공기토출구(35)로부터 연소영역으로 분류(噴流)되고, 연료혼합장치(10) 및 공기공급장치(30)의 중심축선의 교차영역에서 혼합되어, 저산소농도의 고온연소분위기가 교차영역에 형성된다. 유로단면적을 제한한 연료가스분사구(16) 및 연소용공기토출구(35)에서의 연료가스 및 연소용공기의 유속은 예를 들면 10m/s를 넘는 고속으로 설정되며, 고속의 연료가스류 및 연소용공기류가 연소실(1) 내로 유입된다. 연소용공기의 유량과 대략 동등한 유량을 갖는 연료가스류는 연소용공기류와 동등한 운동량을 가지며, 따라서 연소용공기류와 독립된 연료가스류의 제어를 실행하는 것이 가능하게 된다.
즉, 종래의 로내재순환가스류에 의한 연료의 희석법에서는, 연료분류(噴流)와 로내연소가스류를 로내영역에서 혼합함으로써, 연료 및 연소 가스를 혼합했던 것에 비하여, 본 발명에서는 연료분사구(11a)로부터 분사된 연료는 축열체(14)의 로내측단면으로부터 토출된 고온의 연소가스(및 수증기)와 혼합, 다량의 고온연소가스(및 수증기)를 포함하는 혼합가스류(연료가스분류)로서 혼합영역(15)으로부터 로내로 유입된다. 연료는 로내에 유입되기 전에 이미 고온연소가스와 혼합되기 때문에, 로내연소가스류와의 혼합을 특별하게 필요로 하지 않는다. 또한 로내에 도입되는 연료가스분류는 로내연소가스순환류의 영향을 실질적으로 받지 않는 충분한 운동량을 가져, 연소용공기류와 충돌혼합하여 완만하게 연소반응한다. 이와 같은 연료공급법에 따르면, 로내의 연소가스순환류의 영향을 받지 않고 연료가스류와 연소용공기류와의 혼합위치 및 혼합영역을 임의로 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한 연료 및 연소가스는 혼합영역(15)에서 혼합되기 때문에 연료와 연소가 스(및 수증기)와의 혼합과정 및 혼합비를 임의로 설정함과 동시에, 이러한 제어를 확실하게 실행할 수 있으며, 또한 연료가스류는 충분한 운동량을 갖기 때문에, 원하는 로내위치에서 연소용공기류와 혼합될 수 있다. 이렇게 하여 상기 구성에 따르면, 연료, 연소가스(및 수증기), 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비를 확실하게 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한 수증기의 주입에 의해 비교적 다량의 수증기를 포함하는 연소가스는 고온으로 가열된 후 연료와 혼합되기 때문에, 연료는 연소가스중의 고온수증기의 개질작용에 의해 비교적 양질 또는 고품위의 연료로 개질된다. 여기에서 고온의 연소가스 및 수증기는 연료탄화수소의 수증기개질반응(흡열반응)에 필요한 현열(顯熱)을 혼합영역(15)에 공급하는 고온열매체 또는 열원으로서도 작용한다.
아울러, 이와 같은 다량의 연료가스류에 의한 연소법은, 소량의 연료유체를 다량의 연소용공기류와 혼합하는데 지나지 않는 종래의 연소법과는 이하에서 설명하는 바와 같이 전혀 다르다.
즉, 고온 또한 저산소농도의 연소가스(및 수증기)는 연료의 연소반응을 억제하고 또한 연료의 운동량을 대폭적으로 증대시키는 고온의 연료캐리어 또는 연료증량수단으로서 기능하고, 한편 고온의 연소용공기는 저산소농도의 연소분위기에서 연료가스의 자기착화에 의해 연료가스의 완만한 연소반응을 발생시키는 산화제로서 작용한다. 운동량이 증대된 연료유체는 로내온도차에 따른 부력의 영향을 쉽게 받지 않으며, 또한 연소용공기와의 불균일하고 또한 국소적인 혼합에 의한 불완전연소 또는 국소발열을 방지한다. 또한 독립제어가능한 운동량을 갖는 연료유체는, 로 내순환류의 영향을 쉽게 받지 않으므로, 연료유체와 연소용공기와의 혼합위치, 혼합상태 및 혼합속도 등을 연료가스의 제어에 따라 규제하며, 이에 따라 화염의 위치 및 특성을 소망에 따라 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한 종래의 고속전환식 축열형 연소장치에서는 연소배기가스의 배기구와 공기 및 연료의 토출구가 로벽면에서 인접배치된 결과, 토출구의 연료분류가 배기구로 숏 패스되어 버리는 경향이 있으며, 더욱이 급배기의 전환동작이 단시간에 반복된 결과, 로내순환류의 진동 등이 발생하고, 이러한 영향에 따라 연료분류의 진동, 또는 연료 및 공기의 혼합기(混合氣)의 진동이 발생하기 쉬운 경향이 있다. 이와 같은 유체진동은 연소분위기에서의 연료의 농담, 진동연소, 나아가서는 불안정한 연소반응을 발생시킬 가능성이 있어, 이것을 확실하게 피할 수 있는 대책이 요구되었다. 이에 비하여, 상기 구성의 연소장치에 따르면, 연료유체의 운동량의 증가에 따라 연료와 연소용공기를 연소영역에서 적정하게 또한 확실하게 혼합하고 안정적으로 연소하기 때문에, 상기 연료숏패스나 혼합기(混合氣) 진동 등의 발생을 방지할 수 있다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치의 단면도이다. 도 18A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 18B는 연소장치의 제 2 연소공정을 나타낸다.
도 18에 나타낸 실시예는 상기 제1 실시예와 실질적으로 같은 구조를 갖는 유로전환장치(20, 40), 급기팬(2) 및 배기가스순환팬(3)을 구비하고, 유로전환장치(20, 40)는 소정의 시간간격으로 제1 위치(도 18A) 또는 제2 위치(도 18B)로 교호적으로 전환된다. 본 예에서 연료혼합장치(10)는 상기 제1 실시예의 연료혼합장치(10A, 10B)를 실질적으로 일체화한 구조를 가지며, 공기공급장치(30)는 상기 제1 실시예의 공기공급장치(30A, 30B)를 실질적으로 일체화한 구조를 갖는다.
연료혼합장치(10)는 한 쌍의 축열체(14A, 14B)를 구비한다. 제1 연소공정(도 18A)에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 제2 축열체(14B)를 통하여 로외로 도출되며, 배기가스순환팬(3)에 의해 가압된 후, 소망에 따라 수증기공급로(ST)의 수증기를 첨가한다. 연소가스(및 수증기)는 제1 축열체(14A)로부터 혼합영역(15)으로 토출되어, 연료노즐(11)이 분사하는 연료와 혼합, 연료가스로서 연소실(1) 내에 유입된다. 제2 연소공정(도 18B)에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 제1 축열체(14A)를 통하여 로외로 도출되며, 배기가스순환팬(3)에 의해 가압된 후, 소망에 따라 수증기공급로(ST)의 수증기를 첨가한다. 연소가스(및 수증기)는 제2 축열체(14B)로부터 혼합영역(15)로 토출되어, 연료노즐(11)이 분사하는 연료와 혼합, 연료가스로서 연소실(1) 내에 유입된다. 유로전환장치(20)는 제1 및 제2 위치로 교호적으로 전환제어되며, 축열체(14A, 14B)는 축열작용 및 방열작용을 반복한다. 연료공급관(F1)의 연료공급제어밸브(V1)는 연소노즐(11)에 대하여 항상 연료를 공급한다. 연료는 혼합영역(15)으로 항상 토출되며, 축열체(14A) 또는 축열체(14B)의 일측 방향으로부터 토출된 고온의 연소가스(및 수증기)와 혼합되어 혼합가스(연료가스)를 연속적으로 생성한다.
마찬가지로, 공기공급장치(30)도 또한, 한 쌍의 축열체(34A, 34B)와, 축열체(34A, 34B) 사이에 배치된 연료노즐(31),을 구비한다. 제1 연소공정(도 18A) 에있어서, 연소실(1)의 연소가스는 제2 축열체(34B)를 통하여 로외로 도출되어, 배기유로(E2)로부터 계외로 배기되며, 한편 연소용공기는 급기팬(2)의 급기주입압력하에 제1 축열체(34A)로부터 연소실(1) 내로 도입된다. 제2 연소공정(도 18B)에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 제1 축열체(34A)를 통하여 로외로 도출되어 배기유로(E2)로부터 계외로 배기되며, 한편 연소용공기는 급기팬(2)의 급기주입압력하에 제2 축열체(34B)로부터 연소실(1) 내로 도입된다. 유로전환장치(40)는 유로전환장치(20)와 동시에 제1 위치 또는 제2 위치로 전환제어되며, 축열체(34A, 34bB)는 축열작용 및 방열작용을 반복한다. 연료노즐(31)은 연료공급제어밸브(V3)를 구비한 연료공급관(F3)에 접속된다. 연료노즐(31)은 연소장치의 기동시와 같이 로온도가 비교적 저온인 시기(냉간시(冷間時))에만 연료를 공급한다. 연료노즐(31)의 선단에 위치한 연료분사구는 연료를 분사하여, 비교적 다량의 산소를 포함한 연료용공기에 의한 연료의 연소반응을 연소영역에 일으킨다. 연료노즐(31)은 로온도가 소정온도로 상승한 시기(열간시(熱間時))에 연료의 분사를 정지한다.
연료혼합장치(10) 및 공기공급장치(30)는 소정의 경사각도를 이루며 연소실(1)의 로본체(W)에 고정되며, 장치(10, 30)의 중심축선은 연소실(1)의 연소영역에서 교차하도록 배향된다. 공기공급장치(30)로부터 연소실(1) 내로 유입된 연소용공기는 연료혼합장치(10)로부터 연소실(1) 내로 유입된 혼합가스(연소가스)와 혼합되어 연소반응한다.
이와 같은 연소장치에 따르면, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 연료, 연소가스(및 수증기), 그리고 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비의 제어성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료노즐(11)의 연료분사시기를 전환제어할 필요 없이 연료를 연료노즐(11)로부터 연속적으로 분사할 수 있다. 또한 상기 연료노즐(31)의 연료분사를 열간시(熱間時)에 계속하여도 좋고, 이 경우 연료노즐(31)의 연료분사량은 열간시로 제한된다.
도 19는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치의 단면도이다. 도 19A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 19B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
도 19에 나타낸 실시예는 상기 제1 및 제2 실시예와 실질적으로 같은 구조를 갖는 유로전환장치(20, 40), 급기팬(2) 및 배기가스순환팬(3)을 구비하고, 유로전환장치(20, 40)는 소정의 시간간격으로 제1 위치(도 19A) 또는 제2 위치(도 19B)로 교호적으로 전환된다. 각 연료노즐(11)은 유로전환장치(20, 40)와 동기제어되어 교호적으로 연료를 분사한다.
본 예의 연료공급장치는 복합연소장치(50A)에 구성된 연료혼합장치(10A)와, 복합연소장치(50B)에 구성된 연료혼합장치(10B),를 구비한다. 이와 같은 연료공급장치의 구성은 도 6에 나타낸 실시형태를 더욱 구체화한 것이다.
복합장치(50A)를 구성하는 연료혼합장치(10A)는 연료노즐(11), 축열체(14),케이싱(17) 및 연소가스도입부(12)를 구비하고, 공기공급장치(30A)는 연료혼합장치(10A)의 외측에 배치된 축열체(34), 케이싱(37) 및 연소용공기도입부(32)를 구비한다. 연소가스포트(18)는 배기가스순환로(R1)에 접속되며, 연소용공기포트(38)는 급배기유로(L1)에 접속된다. 또한 연료노즐(11)은 연 료공급제어밸브(V1)를 구비한 연료공급관(F1)에 접속된다.
복합장치(50B)는 복합장치(50A)의 연료혼합장치(10A) 및 공기공급장치(30A)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는 연료혼합장치(10B) 및 공기공급장치(30B)로 이루어지며, 복합장치(50B)의 각 부 구성은 복합장치(50A)와 대칭적으로 구성된다. 복합장치(50B)의 연소가스포트(18)는 배기가스순환로(R2)에 접속되고, 연소용공기포트(38)는 급배기유로(L2)에 접속된다.
또한 연료혼합장치(10B)의 연료노즐(11)은 연료공급제어밸브(V2)를 구비한 연료공급관(F2)에 접속된다.
제1 연소공정(도 19A)에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 복합장치(50B)의 축열체(14, 34)를 통하여 배기가스순환로(R2) 및 급배기유로(L2)로 도출된다. 순환로(R2)의 연소가스는 유로전환장치(20)를 통하여 배기가스순환팬(3)으로 유인된다. 연소가스는 순환팬(3)에 의해 가압되며 또한 소망에 따라 수증기를 주입한 후, 축열체(14)로부터 혼합영역(15)으로 토출되며, 연료노즐(11)이 분사하는 연료와 혼합되어 연소실(1) 내로 유입된다. 한편, 급배기유로(L2)의 연소가스는 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2)를 통하여 계외로 배기된다. 또한 연소용공기는 복합장치(50A)의 축열체(34)를 유통하여 복합장치(50A)의 토출구(35)로부터 연소실(1)로 유입된다.
제2 연소공정(도 19B)에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 복합장치(50A)의 축열체(14, 34)를 통하여 배기가스순환로(R1) 및 급배기유로(L1)로 도출된다. 순환로(R1)의 연소가스는 유로전환장치(20)를 통하여 배기가스순환팬(3)으로 유인된다. 연소가스는 순환팬(3)에 의해 가압되며 또한 소망에 따라 수증기를 주입한 후, 복합장치(50B)의 축열체(14)로부터 혼합영역(15)으로 토출되며, 연료노즐(11)이 분사하는 연료와 혼합되어 연료실(1) 내로 유입된다. 한편, 급배기유로(L1)의 연소가스는 유로전환장치(40) 및 배기유로(E2)를 통하여 계외로 배기된다. 또한 연소용공기는 복합장치(50B)의 축열체(34)를 유통하여 복합장치(50B)의 토출구(35)로부터 연소실(1)로 유입된다.
유로전환정치(20, 40)은 60초 이하로 설정된 소정의 시간간격으로 제1 위치 또는 제2 위치로 동기전환제어되며, 축열체(14, 34)는 축열작용 및 방열작용을 반복한다. 복합장치(50A, 50B)로부터 토출된 연료가스류 및 연소용공기류는 연소실(1) 내의 연소영역에서 혼합되어 연소반응한다.
이와 같은 실시예에 따르면, 연료노즐(11)의 연료유체는 축열체(14)로부터 유출되는 고온연소가스류의 중심부에 분사되며, 연소가스류의 중심부로부터 연소가스와 혼합된다. 연소용공기류는 연소가스류를 둘러싸도록 축열체(34)로부터 유출되며, 연소가스류의 외연(외부 가장자리)영역으로부터 연소가스 및 연료의 혼합가스(연료가스)와 반응한다. 따라서 연소가스(및 수증기)류는 연료분사류와 연소용공기류를 확실하게 격절(隔絶)하는 환상(고리모양)의 간섭대를 형성하며, 연료유체는 연소용공기와 직접 반응하지 않고, 연소가스(및 수증기)와 혼합한 후에 연소용공기와 반응한다.
도 20은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치의 단면도이다. 도 20A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 20B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
도 20에 나타낸 실시예는 도 1C 및 도 8에 나타낸 실시형태를 더욱 구체화한 구성으로서, 연료노즐(11)은 연소가스도입부(12)에 배치되며, 연소가스도입부(12)는 혼합영역(15)으로서 기능한다. 즉, 제1 연소공정(도 20A)에 있어서, 연료혼합장치(10A)의 연료노즐(11)이 분사한 연료는 연소가스도입부(12) 내의 혼합영역(15)에서 저온의 연소가스(및 수증기)와 혼합되며, 혼합가스는 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)를 유통하여 고온의 축열체(14)에 의해 가열된다. 한편, 제2 연소공정(도 20B)에 있어서, 연료혼합장치(10B)의 연료노즐(11)이 분사한 연료는 연소가스도입부(12) 내의 혼합영역(15)에서 저온의 연소가스(및 수증기)와 혼합되며, 혼합가스는 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)를 유통하여 고온의 축열체(14)에 의해 가열된다. 본 예에서 연료혼합장치(10A, 10B)의 연료가스분출구(18) 및 연소용공기토출구(35)는 축경부(縮徑部)를 구비하지 않으며, 분사구(16) 및 토출구(35)는 비교적 큰 유로면적을 갖는다. 분사구(16) 및 토출구(35)로부터 분사된 고온의 혼합가스 및 연소용공기는 연소실(1) 내의 연소영역에서 혼합되어 연소반응한다. 기타 구성 및 작동형태는 도 17에 나타낸 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 혼합가스는 연료혼합장치(10A, 10B)의 축열체(14)를 유통하는 동안에 수열(受熱)되어 고온으로 가열된 후, 연소실(1) 내의 연소영역에서 고온의 연소용공기와 혼합되어, 저산소농도이면서 고온의 연소분위기의 광범위한 연소화염을 연소실(1) 내에 생성한다.
도 21은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치의 단면도이다. 도 21A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내며, 도 21B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
도 21은 도 2 및 도 10에 나타낸 실시형태를 더욱 구체화한 구성으로서, 공기공급장치(30A, 30B)의 연소용공기도입부(32)는 연소가스도입포트(60)를 통하여 배기가스순환로(R1, R2)의 분기로(R5, R6)와 연통한다. 포트(60)를 통하여 도입부(32)로 도입된 연소가스(및 수증기)는 연소용공기와 혼합되며, 연소용공기 및 연소가스의 혼합유체는 축열체(34)에 의해 상기 초고온영역으로 예열된 후, 토출구(35)로부터 로내로 유입된다. 이와 같은 구성에 따르면, 연료와 마찬가지로 연소용공기도 또한 로내 도입 전에 연소가스(및 수증기)와 혼합되어 연소용공기의 연소방응성은 저하된다. 연소가스 및 연소용공기의 혼합기는 로내에 도입되어, 마찬가지로 연소가스(및 수증기)에 의해 희석된 연료가스류와 로내연소영역에서 충돌혼합하여 저산소농도의 완만한 연소반응을 일으킨다. 또한 도 21에 나타낸 연소장치의 기본구성 및 작동은 도 17에 나타낸 실시예와 실질적으로 동일하기 때문에, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 22는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료공급장치를 구비한 연소장치의 단면도이다. 도 22A 및 도 22B는 연소장치의 제1 연소공정 및 제2 연소공정을 각각 나타낸다.
도 22는 도 3 및 도 11에 나타낸 실시형태를 더욱 구체화한 구성으로서, 배기유로(EG)가 순환팬(3)의 토출구에 접속되고, 수증기발생장치(8)의 수증기공급로(ST1)가 유로전환장치(20)의 바이패스포트(24)에 접속된다. 수증기발생장치(8)는 또한, 수증기공급로(ST2)를 통하여 외기(外氣)흡입로(OA)로 공급된다. 수증기발생장치(8)의 수증기는 수증기공급로(ST1: ST2)를 통하여 유로전환장치(20) 및 외기흡입로(OA)로 공급되어, 축열체(14, 34)와 전열접촉하여 700℃이상의 고온으로 가열된다. 혼합영역(15)으로 토출된 고온수증기는 연료노즐(11)의 탄화수소계연료와 혼합되며, 연료는 탄화수소의 수증기개질반응에 의해, 비교적 다량의 탄화수소라디칼, 수소, 탄소 또는 일산화탄소를 포함하는 양질의 연료로 개질된다. 이와 같은 구성에 따르면, 중질유(重質油) 등의 비교적 중질 또는 저질, 또는 저품위의 탄화수소계연료를 경질 또는 양질 또는 고품위의 연료로 개질 할 수 있다. 개질 후의 연료를 포함하는 연료가스는 연소용공기토출구(35)로부터 로내로 유출된 고온공기 및 고온수증기와 다시 혼합되며, 저산소농도이면서 고온인 연소분위기의 광범위한 연소화염을 연소실(1) 내에 생성한다.
도 23은 본 발명에 따른 연소장치를 구비한 가열장치의 실시예를 나타낸 개략평면도이다. 도 23A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, 도 23B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
가열장치는 수증기개질로 등의 관식가열로로서 구성되며, 피가열유체가 유통가능한 다수의 피가열관(5)이, 가열장치의 연소실(1) 내에 비교적 과밀하게 배열된다. 피가열관(5)은 가열장치의 수열(受熱) 세그먼트를 구성한다. 연소장치는 도 16에 나타낸 연소장치와 실질적으로 동일한 구성을 갖는 연료혼합장치(10A, 10B), 공기공급장치(30A, 30B), 유로전환장치(20, 40), 급기팬(2) 및 배기가스순환팬(3)을 구비하고, 유로전환장치(20, 40)는 제1 위치(도 23A) 및 제2 위치(도 23B)로 교호적으로 전환된다.
가열장치는 또한 로온도가 비교적 낮은 냉간시, 예를 들면 가열장치의 기동 시 등에 연소작동하는 보조연소장치(도시되지 않음)를 구비하고, 보조연소장치의 작동은 로온도가 상승한 열간시기에 정지된다. 연료혼합장치(10A, 10B)는 보조연소장치의 연소작동에 의해 로온도가 상승한 열간시에 작동한다. 제1 연소공정에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 연료혼합장치(10B) 및 공기공급장치(30B)의 축열체(14, 34)를 통하여 로외로 도출된다. 소정유량의 연소가스는 배기유로(E2)로 송출되고, 소정유량의 연소가스는 수증기를 첨가한 후 연료혼합장치(10A)의 축열체(14)를 유통하여 동 혼합영역(15)으로 유입, 연료와 혼합된 후, 연료가스로서 연소실(1) 내로 도입된다. 공기공급장치(30A)는 축열체(34)에 의해 예열된 상기 초고온영역의 연소용공기를 연소실(1) 내로 도입한다. 제2 연소공정에 있어서, 연소실(1)의 연소가스는 연료혼합장치(10A) 및 공기공급장치(30A)의 축열체(14, 34)를 통하여 로외로 도출된다. 소정유량의 연소가스는 배기유로(E2)로 송출되고, 소정유량의 연소가스는 수증기를 가열한 후, 연료혼합장치(10B)의 축열체(14)를 유통하여 동 혼합영역(15)으로 유입, 연료와 혼합된 후, 연료가스로서 연소실(1) 내로 도입된다. 공기공급장치(30B)는 축열체(34)에 의해 예열된 상기 초고온영역의 연소용공기를 연소실(1) 내로 도입한다.
연료혼합장치(10A) 및 공기공급장치(30A)는 피가열관(5)을 배열한 로내중앙영역을 향하여 배향되어 있으며, 저산소농도이면서 고온인 고속연소가스류는 피가 열관(5)이 밀집된 로내중앙영역에서 고온이면서 고속인 연소용공기류와 교차혼합충돌하여 연소반응한다. 이와 같은 가열법은 화염자체의 복사전열효과 및 대류전열효과에 의해 관의 전둘레를 균등하게 가열하는 것을 의도한 것으로서, 이것은 관식가열로에서의 종래의 가열법, 즉 관의 전둘레를 균등하게 가열하기 위하여 화염으로부터의 가스방사전열 및 로벽으로부터의 고체방사전열에 의존하여 관의 양면을 가열하지 않을 수 없는 종래의 가열과는 본질적으로 다르다.
본 예에 있어서, 연료혼합장치(10)가 분사한 다량 또한 희박한 연료가스류는, 로내중앙영역에서 고온의 연소용공기와 교차충돌하여, 저산소농도이면서 고온인 연소분위기의 완만한 연소화염을 로내중앙영역에 생성한다. 연소가스를 다량으로 포함하는 연료가스는 저산소농도의 연소분위기를 형성하여 연료성분의 연소반응을 억제하는 한편, 고온의 연소용공기는 연료성분의 자기착화를 촉진함과 동시에, 저산소농도의 연소분위기에서의 연료성분의 연소반응을 가능하게 한다. 그 결과, 연료가스는 연소용공기와 혼합한 직후에 모두 다 연소되는 것이 아니라 연료가스 중의 연소성분은 고온이면서 저산소농도인 연소분위기하에서 완만하게 확산연소된다. 이와 같은 연소반응 하에서는 화염은 안정적이며, 화염의 국소발열은 쉽게 발생하지 않는다.
이와 같은 가열법에 따르면, 피가열관(5)의 국소과열을 방지하기 위하여 피가열관으로부터 화염을 이간(離間)시겼던 종래의 가열법과 달리, 피가열관(5)의 국소과열을 발생시키지 않고, 피가열관의 근방 또는 바로 근처에 화염을 생성하여 피가열관(5)의 전둘레를 실질적으로 균일하게 가열할 수 있다.
또한 상기 가열장치의 구성에 따르면, 고속의 연료가스류 및 연소용공기류는, 피가열관(5)이 밀집된 로내중앙영역에서 교차충돌, 로내가스를 유인하여 로내가스의 대류를 활성화시킴과 동시에, 계속적으로 또한 불규칙적인 화염의 거동을 피가열관(5)의 근방에 항상 발생시킨다. 그 결과, 비교적 고밀도로 배치된 피가열관(5)은 저산소농도이면서 고온인 연소분위기하에 생성되는 화염용적의 증대, 화염온도의 균일화 등과 더불어 화염의 유동 및 로내가스대류의 활성화 등의 작용을 받아 전둘레에 걸쳐서 균등하게 수열된다. 나아가 제1 연소공정 및 제2 연소공정의 전환이 단시간에 반복실시된 결과, 화염의 위치 및 특성은 연소공정의 전환제어에 따라서도 단시간에 변동된다. 즉, 연소영역전체의 온도장 및 가열작용은 이러한 연소공정의 전환동작에 따라서도 균등화된다.
이와 같은 화염자체의 제어에 따른 복사전열효과 및 대류전열효과의 균등화에 따라, 피가열관(5)의 배관밀도를 증대할 수 있게 되며, 이것은 종래형식의 가열로의 소형화를 가능하게 할 뿐만 아니라, 새로운 구조의 가열로의 설계 등을 가능하게 하므로, 실무적으로 대단히 유리하다.
도 24 및 도 25는 가열장치의 변형예를 나타낸 가열장치의 개략평면도이다. 가열장치의 냉간시의 운전형태가 도 24에 나타나 있으며, 가열장치의 열간시의 운전형태가 도 25에 나타나 있다. 또한 각 도면에서 A도면은 연소장치의 제1 연소공정을 나타내고, B도면은 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
가열장치는 수증기개질로 등의 관식가열로로서 구성되며, 피가열유체를 유통할 수 있는 다수의 피가열관(5)이 가열장치의 연소실(1) 내에 비교적 과밀하게 배 열된다. 도 24 및 도 25에 나타낸 연소장치는 도 23에 나타낸 연소장치와 유사한 구성을 갖는다. 그러나 공기가열장치(30A, 30B)는 냉간시에 연료를 불어넣는 연료노즐(31)을 구비하여 냉간시에 연소작동한다. 도 24에 나타낸 냉간시의 작동모드에있어서, 공기가열장치(30A, 30B)는, 공기가열장치로부터 연료 및 연소용공기를 불어넣고 또한 공기가열장치(30B)로부터 연소배기가스를 배기하는 제1 연소공정(도 24A)과, 공기가열장치(30B)로부터 연료 및 연소용공기를 불어넣고 또한 공기가열장치(30A)로부터 연소배기가스를 배기하는 제2 연소공정(도 24B),을 소정의 시간간격으로 교호적으로 실행한다. 연료혼합장치(10A, 10B)는 공기가열장치(30A, 30B)와 연동하여 연소가스의 도출 및 도입을 반복하지만, 연료노즐(11)은 연료를 토출하지 않으며, 따라서 연료혼합장치(10A, 10B)는 일반적인 배기가스재순환장치로서 기능하는 것에 지나지 않는다.
이에 반해, 도 25에 나타낸 열간시의 작동모드에 있어서, 연료노즐(31)은 연료분사를 정지하고, 공기가열장치는 고온공기를 로내로 도입하고 또한 로내연소가스의 일부를 로외로 배기하는 연소공기도입·도출수단으로서만 기능하며, 한편 연료혼합장치(10A, 10B)는, 연료혼합장치(10A)로부터 연료, 연소가스 및 수증기의 혼합기(연료가스)를 불어넣고 또한 연료혼합장치(10B)로부터 연소가스를 도출하는 제1 연소공정(도 25A)과, 연료혼합장치(10B)로부터 연료, 연소가스 및 수증기의 혼합기(연료가스)를 불어넣고 또한 연료혼합장치(10A)로부터 연소가스를 도출하는 제2 연소공정(도 25B),을 소정의 시간간격으로 교호적으로 실행한다. 즉, 로온도의 상승에 따라서 로내에 생성된 고온의 연소가스는 로외로 도출된 후, 수증기 및 연 료와 혼합되어 고온의 연료가스로서 로내에 재도입, 고온의 연소용공기와 혼합되어 연소실(1) 내에서 연소된다.
각 연소공정에 있어서, 공기가열장치(10) 및 연료혼합장치(10)는 연소용공기 및 연료가스를 직교방향으로 로내에 도입하고, 연소용공기 및 연료가스는 상호유인작용에 따라 주로 로내중앙영역에서 혼합되어, 상기한 바와 같이 고온이면서 저산소농도인 연소분위기의 화염을 피가열관(5) 근방에 생성한다.
도 26은 본 발명에 따른 연소장치의 구성을 연속소성형가열로에 배설한 실시예를 나타낸 가열장치의 개략종단면도이다. 도 26A는 연소장치의 제1 연소공정을 나타내며, 도 26B는 연소장치의 제2 연소공정을 나타낸다.
도 26에 나타낸 가열장치는 철강소재 또는 도자기소재 등의 워크를 환원연소분위기에 따라 연속소성하는 철강가열로 또는 요업소성로 등의 환원연소존을 구성한다. 연료혼합장치(10A, 10B) 및 공기공급장치(30A, 30B)는 가열로의 로본체(W)에 배설되고, 반송장치(7) 위를 연속반송하는 워크(6)에 작용하는 화염을 로내에 형성한다. 상술한 실시예와 마찬가지로 제1 및 제2 연소공정이 소정의 시간간격으로 교호적으로 실행되며, 연료혼합장치(10A, 10B) 및 공기공급장치(30A, 30B)로부터 유출되는 연소가스 및 고온연소용공기는 워크(6)의 근방에 화염을 형성한다.
연료혼합장치(10A, 10B)로부터 로내로 토출된 연료가스는 워크(6)의 표면을 따라서 유동하는 하층류를 형성하고, 공기공급장치(30A, 30B)로부터 토출된 고온연소공기는 연료가스류의 상측을 유동하는 상층류를 형성한다. 저산소농도의 연료가스류는 워크(6)의 상면근방에 환원연소분위기를 형성하고, 연료가스 및 고온연소공 기가 생성되는 화염은 환원염으로서 워크(6)의 표면에 작용한다.
이와 같은 구성에 따르면, 로내의 중앙영역에 위치하는 워크(6)에 비하여, 평면형상의 화염을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 피가열물의 산화를 방지하기 위하여, 연료분류(噴流)에 의한 환원소성분위기를 피가열물의 주위에 형성하고, 이에 따라 산화작용을 억제한 피가열물의 가열을 수행할 수 있다. 예를 들면 본 예의 연소장치에 따르면, 환원염연소분위기에 따라 소재의 소둔(燒鈍) 또는 환원염소성을 수행하는 금속가열로 또는 요업소성로 등에서 소재의 근방에 유동되는 저산소농도의 평면적인 연료가스류를 형성하며, 이에 따라 소재근방에 환원염소성분위기를 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위내에서 다양한 변형 또는 변경이 가능하며, 이 변형예 또는 변경예도 또한 본 발명의 범위내에 포함되는 것인 것은 말할 것도 없다.
예를 들면, 상기 각 실시예에서는 4방벨브구조의 전환밸브를 유로전환장치로서 사용하고 있지만, 복수의 개폐밸브를 조합한 구성의 유로전환장치를 사용해도 좋다.
또한 연료혼합장치 및 공기가열장치의 구조는 상기 실시예의 구조에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 다수의 축열체를 내장한 형식의 축열형 열교환기를 연료혼합장치 및 공기가열장치로서 사용해도 좋다.
또한 상기 가열장치의 구성에서, 연료혼합장치 및 공기가열장치를 서로 대향 하는 위치에 배치하고, 연료가스류 및 연소용공기류를 대향류로서 로내에 도입해도 좋다.
또한 상기 수증기공급수단으로서 공장 또는 제조플랜트 내의 프로세스 증기공급계(系) 등을 사용해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상기 구성에 따르면 연료 및 연소용공기의 혼합과정 및 혼합비의 제어성을 향상시킬 수 있는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 연료공급장치 및 연료공급방법에 따르면, 로내연소가스재순환류의 제어에 의존하지 않고 연소가스와 연료를 임의로 혼합할 수 있다.
또한 본 발명의 연료공급장치 및 연료공급방법에 따르면, 새로운 연소특성을 갖는 연료가스를 생성하는 연료공급장치 및 연료공급방법을 제공할 수 있다.
다른 관점에서 보면, 본 발명에 따르면 연소영역에 유입되는 연료류의 제어성을 향상시키고, 연료류의 제어에 의한 화염특성의 제어를 가능하게 하는 연소장치 및 연소방법, 나아가서는 피가열물에 작용하는 화염의 특성을 제어할 수 있는 가열장치 및 가열방법을 제공할 수 있다.

Claims (62)

  1. 연소용연료를 공급하는 연료공급수단과, 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연소용공기공급수단,을 구비한 연료공급장치에 있어서,
    수증기를 포함하는 연소가스와, 상기 연료공급수단의 연료,를 혼합하는 혼합장치와;
    상기 연소가스는 수증기와 상기 연료와의 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합시키는 연료가스도입장치와; 및
    상기 연소가스를 700℃이상의 온도로 가열하고 또는 상기 혼합유체를 700℃이상의 온도로 가열하는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합장치는 상기 연소가스와 상기 연료를 혼합하는 혼합영역을 가지고,
    상기 연소가스와 상기 연료는 상기 혼합영역에 도입되어 상기 연소영역으로 도입가능한 연료가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
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  10. 제 2 항에 있어서, 연료가스도입장치는 상기 연소영역으로 개구되는 연료가스분사구를 가지며, 상기 혼합영역은 상기 연료가스분사구 내부에 배치되어 상기 연소영역과 유통되는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  11. 제 1 항, 제 2 항 및 제 10 항 중의 어느 한 항에 기재된 연료공급장치와, 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연소용공기공급수단,을 구비한 것을 특징으로 하는 연소장치.
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  14. 연소용연료 및 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연료공급방법에 있어서,
    수증기를 포함하는 연소가스를 혼합영역에 공급하고,
    상기 연소용연료를 상기 혼합영역에 공급하여 상기 연소가스와 상기 연료와의 혼합유체를 생성하고,
    상기 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 상기 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합하여 상기 연료가스의 연소반응을 상기 연소영역에 발생시키며,
    상기 연소가스는 700℃이상의 고온으로 가열된 후 상기 연료와 혼합하고 또는 상기 연료와 혼합 후 700℃이상의 고온으로 가열되는 것을 특징으로 하는 연료공급방법.
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  18. 제 14 항에 있어서, 상기 연소가스의 일부를 상기 연소용공기와 혼합하고, 산소농도가 저하된 상기 연소용공기에 대하여 상기 연료가스를 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료공급방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 수증기를 상기 연소가스에 첨가하여 이 연소가스의 수증기함유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료공급방법.
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  28. 제 14 항, 제 18 항 및 제 19 항 중의 어느 한 항에 기재된 연료공급방법을 사용하여, 상기 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합하여 상기 연료가스의 연소반응을 상기 연소영역에 발생시키는 것을 특징으로 하는 연소방법.
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  42. 연료가스를 생성하는 연료가스 생성장치에 있어서,
    수증기를 공급하는 수증기 공급수단과;
    연료 및 수증기를 혼합하는 혼합역과;
    연료가 혼합 또는 연료가 부유한 수증기에 전열접촉하여 상기 수증기를 700℃ 이상의 온도로 가열하고 상기 가열에 의해 연료가스를 생성하는 축열체;
    상기 축열체는 다수의 협소한 유로를 갖는 하니콤(honey com) 구조의 세라믹스제 축열체로 상기 유로를 통하는 연소배가스에 전열접촉하여 축열하고 상기 유로를 통하는 상기 수증기에 전열접촉하여 방열하는 것을 특징으로 하는 연료가스생성장치.
  43. 연료가스를 생성하는 연료가스 생성장치에 있어서,
    수증기를 공급하는 수증기 공급수단과;
    수증기에 전열접촉하여 상기 수증기를 700℃ 이상의 온도로 가열하는 축열체와;
    상기 축열체로부터 나오는 700℃ 이상의 수증기의 흐름에 연료를 혼합하는 것에 의해 연료가스류를 생성하는 혼합역을 갖고,
    상기 축열체는 다수의 협소한 유로를 갖는 하니콤 구조의 세라믹스제 축열체로 상기 유로를 통하는 연소배가스에 전열접촉하여 축열하고 상기 유로를 통하는 상기 수증기에 전열접촉하여 방열하는 것을 특징으로 하는 연료가스생성장치.
  44. 삭제
  45. 삭제
  46. 연료가스를 생성하는 연료가스 생성방법에 있어서,
    하니콤 구조의 세라믹스제 축열체의 다수의 협소유로에 연소배가스를 통해 축열체를 가열하고 축열체에 축열하고,
    연료 및 수증기를 혼합하고,
    연료가 혼합 또는 연료가 부유한 수증기류를 유로로 통하는 수증기류를 상기 축열체와 전열접촉시켜 축열체의 방열에 의해 수증기류를 700℃ 이상의 온도로 가열하여 연료가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료가스 생성방법.
  47. 연료가스를 생성하는 연료가스 생성방법에 있어서,
    하니콤 구조의 세라믹스제 축열체의 다수의 협소유로에 연소배가스를 통해 축열체를 가열하고 축열체에 축열하고,
    수증기류를 유로로 통하는 수증기류를 상기 축열체와 전열접촉시켜 축열체의 방열에 의해 수증기류를 700℃ 이상의 온도로 가열하고,
    상기 축열체로부터 나오는 700℃ 이상의 수증기의 흐름에 연료를 혼합하여 연료가스류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료가스생성방법.
  48. 삭제
  49. 제46항 또는 제47항에 있어서,
    탄화수소계 연료를 상기 수증기류에 혼합하고 수소를 포함하는 연료가스류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료가스 생성방법.
  50. 제46항 또는 제47항에 있어서,
    탄화수소계 연료를 상기 수증기류에 혼합하고 일산화탄소를 포함하는 연료가스류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료가스 생성방법.
  51. 삭제
  52. 삭제
  53. 연소용연료를 공급하는 연료공급수단과, 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연소용공기공급수단,을 구비한 연료공급장치에 있어서,
    수증기공급수단의 수증기와, 상기 연료공급수단의 연료,를 혼합하는 혼합장치와;
    상기 수증기와 상기 연료와의 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합시키는 연료가스도입장치와; 및
    상기 수증기를 700℃이상의 온도로 가열하고 또는 상기 혼합유체를 700℃이상의 온도로 가열하는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 혼합장치는 상기 수증기와 상기 연료를 혼합하는 혼합영역을 가지고, 상기 가열수단은 로외로 도출한 고온의 연소가스에 전열접촉하여 축열되며 또한 수증기에 전열접촉하여 방열하는 축열체를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  55. 제 53 항에 있어서,
    상기 혼합장치는 상기 수증기와 상기 연료를 혼합하는 혼합영역을 가지고, 연료가스도입장치는 상기 연소영역으로 개구되는 연료가스분사구를 가지며, 상기 혼합영역은 상기 연료가스분사구 내부에 배치되어 상기 연소영역과 유통되는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  56. 삭제
  57. 삭제
  58. 연소용연료 및 연소용공기를 연소영역에 공급하는 연료공급방법에 있어서,
    수증기공급수단의 수증기를 혼합영역에 공급하고,
    상기 연소용연료를 상기 혼합영역에 공급하여 상기 수증기와 상기 연료와의 혼합유체를 생성하고,
    상기 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 상기 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합하여 상기 연료가스의 연소반응을 상기 연소영역에 발생시키며,
    상기 수증기는 700℃이상의 고온으로 가열된 후 상기 연료와 혼합하고 또는 상기 연료와 혼합 후 700℃이상의 고온으로 가열되는 것을 특징으로 하는 연료공급방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 수증기의 일부를 상기 연소용공기와 혼합하고, 산소농도가 저하된 상기 연소용공기에 대하여 상기 연료가스를 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료공급방법.
  60. 삭제
  61. 삭제
  62. 제 58 항 또는 제 59 항에 기재된 연료공급방법을 사용하여, 상기 혼합유체를 연료가스로서 상기 연소영역에 도입하고, 이 연료가스를 상기 연소용공기와 혼합하여 상기 연료가스의 연소반응을 상기 연소영역에 발생시키는 것을 특징으로 하는 연소방법.
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