KR101133434B1 - 고온 ｆｇｒ을 이용한 저공해 연소장치 - Google Patents

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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 연소장치(100)를 개시한다. 본 발명은, 외부에서 내부로 관통하는 공기주입홀을 구비하고, 내부에서 물질이 연소되는 주연소실과, 상기 주연소실에 배치되어 상기 물질을 연소시키도록 에너지를 공급하는 주연소버너와, 상기 주연소실의 외부에 배치되어 상기 주연소실에서 연소된 고온의 연소가스가 유동하는 하우징과, 상기 하우징을 감싸도록 형성되는 외부공기가 유입되는 공기자켓층을 포함하고, 상기 하우징은, 상기 하우징의 외부로부터 내부로 관통하도록 상기 하우징에 설치되어 상기 공기자켓층의 외부공기가 유입되며, 상기 공기주입홀로 상기 외부공기를 공급하는 공기분사노즐을 구비하고, 상기 공기주입홀은 상기 공기분사노즐에서 공급되는 상기 외부공기에 의하여 내부로 유인된 상기 하우징을 유동하는 연소가스를 상기 외부공기와 혼합하여 혼합가스를 생성하고, 상기 혼합가스를 상기 주연소실 내부로 공급한다.

Description

고온 ＦＧＲ을 이용한 저공해 연소장치{Low pollutant emission combustion using high-temperature FGR}
본 발명은 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 FGR을 이용한 저공해 연소장치에 관한 것이다.
연소과정에서 발생하는 대표적인 대기오염물질은 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 및 온실가스인 이산화탄소(CO2) 등을 들 수 있다. 이러한 공해물질 중 황산화물은 현재 기술적으로 후처리에 의존할 수 밖에 없지만 일산화탄소, 질소산화물 및 이산화탄소를 연소과정에서 그 생성량을 기술적으로 최소화할 수 있다. 이 중에서도 후처리에 가장 많은 비용이 지출되는 공해물질이 질소산화물이다.
질소산화물의 배출 저감 방안으로는 대부분 생성된 질소산화물을 다시 환원시키는 후처리에 의존하고 있어 후처리설비의 설치와 유지에 막대한 비용을 지출하고 있다.
화력발전소의 경우를 예를 들면, 질소산화물의 후처리에 사용되는 SCR은 연간 촉매 교체비용을 40억원에 달하며 사용되는 암모니아의 양은 연간 20억원에 달한다. 이러한 실정에서 현재 가동되고 있는 52기의 발전소에서 연소과정에서 NOx의 발생농도를 50%만 줄일 수 있어도 연간 830억원의 NOx 후처리 비용을 줄일 수 있다. 이런 실정은 가연성폐기물이나 RDF, RPF의 소각에서도 마찬가지이다.
또한, 화석연료의 고갈에 따라 사용이 확대되고 있는 가연성폐기물, RDF, RPF, 바이오매스, 하폐수 슬러지, 저급 석탄류 등의 연소과정에서 배출되는 공해물질의 저감은 매우 중요한 이슈로 대두되고 있다.
이들 고체 연료는 대부분 고온에서 연소되며 또한, 원료 자체에 질소의 함량이 높은 관계로 가스연료에 비해 연소나 소각과정에서 생성되는 질소산화물의 농도가 상대적으로 매우 높으므로 후처리 비용 또한 크게 높아진다. 따라서 연소나 소각과정에서 질소산화물의 생성을 저감할 수 있는 기술이 주목을 받고 있다.
일반적인 연소과정에서 나타나는 화염은 화염대의 아주 좁은 영역에서 고온부가 나타나게 되고, 이 고온부에서 공기 중의 질소성분이 산소와 반응하여 질소산화물을 생성하게 된다.(도 1참고)
따라서 이 고온부를 없애거나 줄여주게 되면 NOx의 생성이 저감되게 되는데, 이러한 연소기술 중의 하나가 MILD(Moderate and Intense Low-oxygen Dilution)연소기술이다.
즉 우리가 일반적으로 흔히 볼 수 있는 [도 2의 첫 번째 그림]에서와 같은 연소화염과는 달리 MILD연소화염은 [도 2의 두 번째 그림]에서 보는 바와 같이 가시적인 화염대가 뚜렷이 나타나지 않고 화염이 연소실 전체에 아주 고르게 퍼지게 된다. 이런 이유로 고온의 화염대에서 생성되는 NOx의 생성을 극소화시킬 수 있는 것이다.
그런데, 이렇게 가시화염대가 나타나지 않는 MILD연소를 구현하기 위해서는 우선 산화제인 공기의 분류에 고온의 연소가스를 재순환시켜 혼합함으로써 산소가 분류의 좁은 영역에 집중되지 않게 하는 동시에 공기와 연소가스의 혼합분류를 연료의 착화온도 이상으로 예열시켜서 연료에 공급하는 방법이 필요하다.
연소가스와 공기 분류의 혼합은 연소가스를 재순환시켜 공기류에 혼합하면 해결된다.
그러나, 공기분류 혹은 혼합기의 분류를 연료의 착화온도 이상인 약 1000℃ 가까이 예열시키기 위해서는 일반적인 열교환기로는 어려우며 [도 3]에 나타난 바와 같이 복잡한 형태의 세라믹을 이용한 고온용의 축열식 열교환장치가 필요하게 된다.
그러나, 이러한 열교환장치로 인해 장치 가격이 상승하고 동시에 장치가 복잡해지는 한계점이 있다.
본 발명의 실시예들은, 고체연료를 연소시키기 위한 주연소실 내에 산화제인 공기 또는 연료물질을 공급함에 있어서 고온의 연소 연소가스를 연료물질 또는 공기의 분류에 유인시켜 연료물질 또는 공기류를 단시간 내에 소각 대상물의 착화온도 이상으로 가열하는 동시에 연소가스를 공기류에 재순환 혼합시켜 산소 농도를 분산/희석시킴으로써 MILD연소를 구현하여 NOx의 생성을 저감시키는 동시에 고온의 공기와 연료의 혼합에 의해 연소성을 향상시켜 일산화탄소를 저감하며, 연소가스의 배열을 고효율로 회수함으로써 열효율을 향상시켜 이산화탄소의 배출량도 줄일 수 있는 연소장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 외부에서 내부로 관통하는 공기주입홀을 구비하고, 내부에서 물질이 연소되는 주연소실과, 상기 주연소실에 배치되어 상기 물질을 연소시키도록 에너지를 공급하는 주연소버너와, 상기 주연소실의 외부에 배치되어 상기 주연소실에서 연소된 고온의 연소가스가 유동하는 하우징과, 상기 하우징을 감싸도록 형성되는 외부공기가 유입되는 공기자켓층을 포함하고, 상기 하우징은, 상기 하우징의 외부로부터 내부로 관통하도록 상기 하우징에 설치되어 상기 공기자켓층의 외부공기가 유입되며, 상기 공기주입홀로 상기 외부공기를 공급하는 공기분사노즐을 구비하고, 상기 공기주입홀은 상기 공기분사노즐에서 공급되는 상기 외부공기에 의하여 내부로 유인된 상기 하우징을 유동하는 연소가스를 상기 외부공기와 혼합하여 혼합가스를 생성하고, 상기 혼합가스를 상기 주연소실 내부로 공급하는 연소장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 주연소실은 제 1 내화재층으로 형성되고, 상기 제1 내화재층의 외측에 배치되는 단열재층을 구비하고, 상기 공기분사노즐로부터 유입되는 외부공기와 상기 연소가스와 혼합된 혼합가스가 상기 제 1 내화재층과 상기 단열재층 사이로 공급될 수 있다.
또한, 상기 공기주입홀은 상기 주연소실의 내벽과 소정각도를 형성할 수 있다.
또한, 상기 공기주입홀의 단면적은 상기 외부의 단면적이 상기 내부의 단면적보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 공기주입홀은 상기 주연소실의 내벽의 접선방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 상기 주연소실의 일부 또는 전체 외벽으로부터 소정간격 이격되어 상기 주연소실을 감싸도록 형성되고, 외부에서 내부로 관통하도록 상기 공기분사노즐이 구비하는 제 2 내화재층과, 상기 제 2 내화재층을 외면을 감싸도록 배치되는 상기 공기분사노즐로 외부공기를 공급하는 공기자켓층을 구비할 수 있다.
또한, 상기 공기분사노즐의 단면적은 상기 하우징의 외부측 단면적이 상기 하우징의 내부측 단면적보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 공기분사노즐은 상기 하우징의 내면과 소정각도를 형성할 수 있다.
또한, 상기 공기분사노즐의 일단은 상기 공기주입홀의 일단과 소정간격 이격되거나 상기 공기주입홀의 내부로 소정길이 삽입되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 공기분사노즐은 상기 주연소실의 길이방향으로 복수개가 형성되고, 상기 복수개의 공기분사노즐의 내경은 상기 주연소실의 전면으로부터 후면으로 갈수록 순차적으로 커지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징에 설치되어 상기 공기분사노즐에서 공급되는 외부공기와 상기 연소가스가 혼합된 혼합가스를 상기 공기주입홀로 공급하는 이젝터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기자켓층은 복수개로 형성되고, 상기 복수개의 공기자켓층은 서로 분리되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 공기자켓층에 공급되는 외부공기의 양은 각 공기자켓층이 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 연소가 진행되는 주연소실과, 상기 주연소실과 사이에서 공간을 형성하고, 상기 공간으로 고온의 연소가스가 유동하도록 상기 주연소실을 감싸도록 배치되는 하우징과, 상기 하우징에 삽입되어 상기 공간으로 외부공기를 공급하는 공기분사노즐과, 상기 공기분사노즐을 통하여 공급되는 상기 외부공기와 상기 연소가스를 혼합하여 혼합가스를 생성하여 상기 주연소실로 상기 혼합가스를 유동시키도록 상기 주연소실과 상기 하우징 사이에 형성되는 벤튜리부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기분사노즐의 일단은 절곡지게 형성되고, 상기 공기분사노즐의 절곡지게 형성되는 부분의 끝단은 상기 벤튜리부를 통과하는 상기 혼합가스의 공기흐름 방향과 평행하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 벤튜리부는 상기 하우징으로부터 연장되어 상기 주연소실 측으로 돌출되어 형성되는 부분과 상기 주연소실 측으로부터 연장되어 상기 하우징 측으로 돌출되어 형성되는 부분으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 벤튜리부는, 상기 연소가스가 유입되는 유인부와, 상기 유인부로부터 연장되어 형성되고, 단면적이 작아지도록 형성되는 축관부와, 상기 축관부로부터 연장되어 형성되고, 상기 축관부의 일단의 면적과 동일하게 형성되어 상기 외부공기와 상기 연소가스가 혼합되는 교축부와, 상기 교축부로부터 연장되어 형성되고, 단면적이 커지도록 형성되는 환관부를 구비할 수 있다.
또한, 연료물질은 상기 공기분사노즐을 유동하여 상기 공기주입홀을 통하여 상기 주연소실로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실 내에 연료와 공기를 공급하면서 연소시키되, 연소과정에서 생성된 고온의 연소가스의 일부를 다시 연료와 공기의 분류에 동시에 재순환 혼합하거나, 연료 또는 공기의 분류에 재순환 혼합하여 연소함으로써, 연료나 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 전체 연소실에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 마일드(MILD) 연소를 달성함으로써, NOx와 CO의 생성을 극소화하는 동시에 CO2의 생성도 줄일 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 화염 내부의 온도 분포를 보여주는 개념도이다.
도 2는 일반 예혼합연소화염과 MILD연소화염을 보여주는 사시도이다.
도 3은 일반적인 고온예열용 열교환기를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연소장치를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연소장치를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연소장치를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연소장치를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연소장치를 보여주는 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 연소장치(100)는 다양한 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 연소장치(100)는 폐기물을 소각시키는 소각장치를 포함할 수 있다. 또한, 연소장치(100)는 연료를 점화시켜 동력을 생성하는 내연기관을 포함할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 연소장치(100)가 소각장치를 포함하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연소장치(100)를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 연소장치(100)는 소각물질(S)이 투입되는 투입구(110)를 포함한다. 투입구(110)는 일단이 외부에 개방되어 소각물질(S)을 투입할 수 있도록 형성될 수 있다.
연소장치(100)는 투입구(110)와 연결되도록 결합하는 주연소실(120)을 포함한다. 이때, 주연소실(120)은 내부에 배치되는 주연소버너(121)를 포함할 수 있다. 또한, 주연소실(120)은 외관을 형성하는 제 1 내화재층(122)을 포함할 수 있다.
주연소실(120)은 외부에서 내부로 관통하도록 형성되는 공기주입홀(123)을 구비할 수 있다. 또한, 주연소실(120)은 투입구(110)에서 유입되는 소각물질(S)이 유입되는 소각물질투입부(124)를 구비할 수 있다.
공기주입홀(123)은 주연소실(120)의 내벽과 소정각도를 형성할 수 있다. 이때, 공기주입홀(123)은 주연소실(120)의 내벽의 접선방향으로 형성될 수 있다. 따라서 공기주입홀(123)은 외부에서 유입되는 공기와 연소가스를 혼합하여 주연소실(120) 내부로 공급할 수 있다.
한편, 공기주입홀(123)은 단면적이 가변하도록 형성될 수 있다. 구체적으로 공기주입홀(123)의 단면적은 주연소실(120)의 외부와 주연소실(120)의 내부가 서로 상이하게 형성될 수 있다. 이때, 공기주입홀(123)의 단면적은 주연소실(120)의 외부로부터 주연소실(120)의 내부로 올수록 작아지도록 형성될 수 있다.
연소장치(100)는 주연소실(120)의 외부에 배치되어 연소가스가 유동하는 하우징(130)을 포함한다. 이때, 하우징(130)은 공기주입홀(123)로 외부공기를 공급하는 공기분사노즐(133)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(130)은 연소가스를 외부로 유출시키는 가스배출부(132)를 구비할 수 있다.
공기분사노즐(133)은 단면적이 상이하게 형성될 수 있다. 구체적으로 공기분사노즐(133)의 단면적은 하우징(130)의 외부측이 하우징(130)의 내부측보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 공기분사노즐(133)은 하우징(130)의 내면과 소정각도를 형성될 수 있다. 예를 들면, 공기분사노즐(133)은 하우징(130) 내면의 접선과 예각, 직각 또는 둔각을 형성할 수 있다. 이때, 공기분사노즐(133)의 일단은 공기주입홀(123)의 일단과 소정간격 이격되도록 배치되거나, 공기주입홀(123)의 내부로 소정길이만큼 들어가도록 배치될 수 있다. 따라서 공기분사노즐(133)은 제 1 내화재층(122)과 제 2 내화재층(131)을 유동하는 연소가스를 외부 공기와 혼합하여 공기주입홀(123)로 공급할 수 있다.
공기분사노즐(133)은 복수개를 포함할 수 있다. 이때, 복수개의 공기분사노즐(133)은 주연소실(120)의 전면에 형성되는 제 1 공기분사노즐(133a)을 포함할 수 있다. 또한, 복수개의 공기분사노즐(133)은 주연소실(120)의 길이방향으로 제 1 공기분사노즐(133a)로부터 소정간격 이격되어 형성되는 제 2 공기분사노즐(133b)을 포함할 수 있다. 복수개의 공기분사노즐(133)은 제 2 공기분사노즐(133b)로부터 소정간격 이격되도록 주연소실(120)의 후면에 형성될 수 있다.
이때, 제 1 공기분사노즐(133a) 내지 제 3 공기분사노즐(133c)의 내경은 각각 상이하게 형성될 수 있다. 구체적으로 제 1 공기분사노즐(133a)의 내경은 제 2 공기분사노즐(133b)의 내경보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 제 2 공기분사노즐(133b)의 내경은 제 3 공기분사노즐(133c)의 내경보다 작게 형성될 수 있다. 따라서 제 1 공기분사노즐(133a) 내지 제 3 공기분사노즐(133c)의 내경에 따라 주연소실(120)에서 생성되는 연소의 형태가 가변할 수 있다.
한편, 하우징(130)은 주연소실(120)의 외벽으로부터 소정간격 이격되어 배치되는 제 2 내화재층(131)을 포함할 수 있다. 이때, 제 2 내화재층(131)에는 공기분사노즐(133)이 관통하도록 설치될 수 있다.
또한, 하우징(130)은 제 2 내화재층(131)을 감싸도록 형성되는 공기자켓층(140)을 포함할 수 있다. 이때, 공기자켓층(140)은 외부로부터 공기가 유입되어 공기분사노즐(133)로 공기를 공급할 수 있다.
공기자켓층(140)은 제 1 공기분사노즐(133a) 내지 제 3 공기분사노즐(133c)의 위치에 따라 공기자켓부(140)를 각각 분리하여 (예를들면 제1공기자켓, 제2공기자켓, 제3공기자켓으로 칸을 나누어) 공기를 공급할 수 있다.
한편, 연소장치(100)은 투입구(110)에 결합하여 소각물질(S)을 주연소실(120) 내부로 공급하는 투입부(150)를 포함할 수 있다. 이때, 투입부(150)는 자동 또는 수동으로 작동할 수 있다.
연소장치(100)는 주연소실(120)과 하우징(130)에 결합하는 부연소실(160)을 포함할 수 있다. 이때, 부연소실(160)은 주연소실(120)에서 발생한 연소가스를 연소시켜 완전연소가 되도록 보조할 수 있다.
한편, 부연소실(160)은 연소가스를 연소시키도록 열을 공급하는 부연소버너(161)를 포함할 수 있다. 또한, 부연소실(160)의 상태를 확인하는 확인창(162)을 포함할 수 있다.
연소장치(100)는 주연소실(120) 및 부연소실(160)에서 소각된 후 발생하는 연소잔재(Ash,C)을 배출시키는 배출부(170)를 포함할 수 있다. 이때, 배출부(170)은 주연소실(120) 및 부연소실(160)에서 발생하는 연소잔재(C)가 저장되었다가 외부로 인출하도록 형성될 수 있다.
한편, 연소장치(100)의 작동을 살펴보면, 주연소실(120)에서 연소된 연소가스는 부연소실(160)을 거쳐 주연소실(120) 및 하우징(130) 사이에 형성된 가스유동통로(191)를 통해 가스배출부(132)로 배출될 수 있다. 이 연소가스는 공기자켓층(140)으로부터 공급된 공기가 공기분사노즐(133)을 통해 분사될 때 이 공기 분류에 의해 벤튜리형의 공기주입홀(123)로 유인(entrain)된다.
즉, 공기 분류가 공기주입홀(123)의 벤튜리형 입구부에서 분사되고 동시에 유인된 고온의 연소가스와 직접 혼합됨으로써 순간적으로 고온으로 가열되는 동시에 연소가스의 희석효과로 인해 공기류의 산소가 분산되어 산소의 집중영역이 없어진다.
공기와 연소가스의 혼합기체는 다시 주연소실(120)의 벽면에 형성된 공기주입홀(123)을 통해 주연소실(120)의 연료물질과 접촉하여 마일드연소가 이루어진다. 마일드연소는 기존의 연소방식에서 산소가 집중되어 연소되는 고온의 화염영역을 주연소실(120)의 전역에 걸쳐 분산시킴으로써 고온의 좁은 화염대에서 주로 생성되는 열적 NOx(theraml NOx)의 생성을 극소화하며 동시에 고온의 공기와 연료의 혼합에 의해 연소성을 향상시켜 일산화탄소를 저감시키고, 연소가스의 배열을 고효율로 회수함으로써 열효율을 향상시켜 이산화탄소의 배출도 저감한다.
또한, 이 공기주입홀(123)에서 분사되는 분류는 연소가스의 혼합에 의하여 연료물질의 착화온도 이상으로 예열되어 있으며 동시에 연소가스에 의하여 산소가 분산되어 있어 마일드 연소를 형성한다. 그러나 전체에 걸쳐 같은 양의 공기가 공급되면 연소가 주연소실(120)의 전면에서부터 일시에 일어날 수 있으므로 투입부(150)에 가까운 곳에서부터 주연소실(120)의 길이방향으로 영역을 나누어 공기분사노즐(133)의 크기를 순차적으로 크게 하거나, 공기자켓층(140)을 분리하여 공기공급량을 조절함으로써 주연소실(120)에서의 연소속도를 조절한다.
예를 들면 주연소실(120)의 길이방향으로 3개의 영역으로 나눌 경우, 투입부(150)쪽에 가까운 쪽 (a)에는 연소가스유량에 비해 공기량을 적게 공급함으로써 고온의 연소가스와 혼합된 공기류가 고체상의 연료물질을 공기 부족상태의 화염으로 열분해하고 열분해과정에서 생성된 촤 (char)의 탄소분이 연소가스 중의 H2O 및 CO2와 반응하여 CO 및 H2와 소량의 탄화수소가스를 생성하는 가스화 반응을 일으키도록 한다.
다음의 중간부분 (b)에서는 보다 많은 공기를 공급하여 (a)부에서 가스화된 연료를 보다 빠르게 연소시킨다. 이 부분에서 대부분의 연료가 연소되며 잔류한 고체상의 연료와 미연가스는 (c)부에서 완전히 연소되도록 한다.
즉, 가스화부(도 4의 (a)부분)와 중간연소부(도 4의 (b)부분) 및 최종연소부(도 4의 (c)부분)로 구분하여 연소시킴으로써 고온의 연소영역이 한 부분에만 집중되는 것을 피하고 열을 분산시켜 CO 및 NOx의 생성을 방지한다.
한편, RPF나 연소잔재(C) 등 고체연료물질의 연소는 연소속도가 가스상 연료에 비해 상대적으로 느리므로 주연소실(120)의 벽면에서 공기주입홀(123)에 의한 공기와 연소가스의 혼합기체를 강선회를 주어 분사함으로써 연료물질과 공기와의 혼합을 강선회류에 의해 고속으로 이루어지게 함으로써 연소를 고속으로 이루어지게 하는 동시에 연소과정에서 발생하는 미연분을 최소화할 수 있다.
즉 완전연소 효율을 높이는 동시에 고형분의 연소잔재(C)를 고온연소를 통해 연소잔재(C)의 용융온도 이상으로 가열하여 용융함으로써 슬랙형태로 배출할 수 있다. 주연소실(120)의 출구에는 중앙부에 가스상의 연소생성물이 배출되는 주연소실가스배출부(125)가 있으며 그 하부 경사로의 종단부에는 용융슬랙 또는 연소잔재(C)의 연소잔재배출부(126)가 있다. 이 구조에서는 연소잔재(C)가 주연소실(120)에서 형성되는 사이클론 연소의 강한 선회류에 의하여 고온으로 연소 용융되어 슬랙형태로 배출되도록 되어있는 구조이다.
따라서 연소장치(100)는 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실(120) 내에 공기(산화제)를 분사시키면서 고온의 연소가스의 일부를 공기의 분류에 재순환 혼합하여 연소함으로써, 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 주연소실(120) 전면에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 MILD연소를 달성함으로써, CO 및 NOx의 생성을 극소화하는 동시에 열효율을 높여 CO2의 배출도 저감할 수 있는 효과를 가진다. 이와는 반대로 연료의 분류에 고온의 연소가스를 재순환하여 상기 목적을 달성할 수도 있으며, 연료와 공기분류에 동시에 고온의 연소가스를 유입할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연소장치(200)를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참고하면, 연소장치(100)는 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 투입구(210), 주연소실(220), 하우징(230), 공기자켓층(240), 부연소실(260), 투입부(250) 및 배출부(270)를 포함할 수 있다. 이때, 주연소실(220), 하우징(230), 공기자켓층(240), 투입부(250), 부연소실(260) 및 배출부(270)는 상기 도 4에서 설명한 바와 유사하게 형성되므로 이하에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 연소장치(200)는 투입구(210)에 결합하는 이송부(280)를 포함할 수 있다. 이때, 이송부(280)는 일부가 주연소실(220)의 내부에 배치될 수 있다.
이송부(280)는 투입구(210)의 외측에 배치되는 구동부(281)를 포함할 수 있다. 또한, 이송부(280)는 구동부(281)에 결합하는 프레임(282)를 포함할 수 있다. 또한, 이송부(280)는 프레임(282)에 결합하는 교반부(283)를 포함할 수 있다.
한편, 구동부(281)는 전기에너지를 통하여 작동하는 모터(미도시)나 유압을 이용하는 유압실린더(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 프레임(282)은 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 프레임(282)은 길이가 가변하도록 형성될 수 있다. 또한, 프레임(282)은 구동부(281)에 결합하여 회전하도록 형성될 수 있다.
교반부(283)는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 프레임(282)이 길이가 가변하도록 형성되는 경우, 교반부(283)는 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 또한, 교반부(283)는 원호형의 가동격자 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 플레이트형이나 상기 원호형의 가동격자는 복수개가 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 교반부(283)가 플레이트 형태로 형성되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
한편, 연소장치(200)의 작동을 살펴보면, 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 연소가스와 공기 분류에 혼합되어 공기 분류의 온도를 상승시킬 수 있다. 이하에서는 연소장치(200)의 작동방법은 상기 도 4에서 설명한 바와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기와 같은 작용이 발생되는 동안, 주연소실(220)에서는 연료물질의 연소잔재(C)가 발생하게 된다. 이때, 고체상의 연료물질에서 잔류하는 회분을 완전히 용융시킬 수 없는 연료물질의 경우에는 연소잔재(C)를 배출하기 위해서는 인위적으로 연소잔재(C)를 이동시켜야 한다. 동시에 연료물질을 교반하여 연소가 더욱 활성화되도록 하는 역할도 필요하다.
이때, 주연소실(220)에서 하부를 교반부(283)를 통하여 연료물질 및 연소잔재(C)를 이송하여 교반 및 배출이 원활하게 이루어지도록 한다. 이때, 교반부(283)가 원호형의 가동화격자인 경우에도 유사하게 연료물질 및 연소잔재(C)를 이송시킬 수 있다.
따라서 연소장치(200)는 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실(220) 내에 연료와 공기(산화제)를 분사시키면서 고온의 연소가스의 일부를 연료와 공기의 분류에 재순환 혼합하여 연소함으로써, 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 주연소실(220) 전면에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 MILD연소를 달성함으로써, CO 및 NOx의 생성을 극소화하는 동시에 열효율을 높여 CO2의 배출을 저감할 수 있는 효과를 가진다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연소장치(300)를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 연소장치(300)는 투입구(310), 주연소실(320), 하우징(330), 투입부(350) 및 배출부(370)을 포함할 수 있다. 이때, 투입구(310), 투입부(350) 및 배출부(370)는 도 4 및 도 5에서 설명한 바와 유사하게 형성되므로 이하에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 주연소실(320)은 제 1 내화재층(322)의 외면에 소정간격 이격되어 배치되는 단열재층(327)을 포함할 수 있다. 이때, 단열재층(327)은 제 1 내화재층(322)을 감싸도록 배치될 수 있다.
제 1 내화재층(322)과 단열재층(327) 사이에는 외부의 공기와 연소가스가 혼합된 혼합가스가 유동할 수 있다. 이때, 상기의 혼합가스는 제 1 내화재층(322)의 외벽을 관통하도록 형성되는 공기주입홀(323)로 공급될 수 있다.
한편, 하우징(330)은 주연소실(320)에 결합할 수 있다. 구체적으로 하우징(330)은 주연소실(320)에서 발생하는 고온의 연소가스가 유동할 수 있다. 이때, 하우징(330)은 상기에서 설명한 바와 같이 제 2 내화재층(331), 공기분사노즐(333), 가스배출부(332)를 포함할 수 있다. 또한, 하우징(330)은 배출부(370)과 결합하여 연소잔재(C)를 배출부(370)로 배출시킬 수 있다.
연소장치(300)는 하우징(330)에 설치되는 이젝터(395)를 포함할 수 있다. 이때, 이젝터(395)는 공기분사노즐(333)로부터 공급되는 공기가 유동할 수 있다. 또한, 이젝터(395)는 가스배출부(332) 부분에 설치되어, 공기와 연소가스가 혼합된 상기 혼합가스가 이젝터(395) 내부를 유동할 수 있다.
한편, 이젝터(395)는 단열재층(327)과 연결될 수 있다. 이때, 상기 혼합가스는 단열재층(327)과 제 1 내화재층(322) 사이로 공급되어 공기주입홀(323)로 공급될 수 있다.
연소장치(300)의 작동을 살펴보면, 상기 도 4 및 상기 도 5에서 설명한 바와 유사하게 작동할 수 있다.
구체적으로 주연소실(320)에서 소각된 후 발생하는 연소가스는 하우징(330) 내부로 이동할 수 있다. 연소가스는 가스배출부(332)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 이때, 공기분사노즐(333)에서 유입되는 공기는 베르누이 정리에 의하여 고온의 연소가스를 유인되어 혼합가스를 형성할 수 있다.
이때, 혼합가스는 이젝터를 통하여 제 1 내화재층(322)과 단열재층(327) 사이로 이동할 수 있다. 혼합가스는 제 1 내화재층(322)과 단열재층(327) 사이를 이동하다가 공기주입홀(323)로 유입되어 주연소실(320)로 공급될 수 있다.
따라서 연소장치(300)는 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실(320) 내에 연료를 공급하고 공기(산화제)의 분류에 고온의 연소가스를 재순환 혼합하여 연소함으로써, 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 주연소실(320) 전면에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 MILD연소를 달성함으로써, CO 및 NOx의 생성을 극소화하며, 동시에 열효율을 높여 CO2의 배출량도 저감할 수 있는 효과를 가진다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연소장치(400)를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참고하면, 연소장치(400)는 투입구(410), 주연소실(420), 하우징(430), 배출부(470) 및 이송부(480)를 포함할 수 있다. 이때, 주연소실(420), 하우징(430), 배출부(470) 및 이송부(480)는 상기 도 4 내지 도 5에서 설명한 바와 유사하게 형성되므로 이하에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 주연소실(420)의 외부에는 하우징(430)이 배치될 수 있다. 이때, 하우징(430)은 주연소실(420)의 일부를 감싸도록 형성될 수 있다.
또한, 하우징(430)의 외면에는 공기자켓층(440)이 형성될 수 있다. 이때, 공기자켓층(440)의 하우징(430)의 외면을 감싸도록 형성될 수 있으며, 외부로부터 송풍기(미도시)에 의하여 공급되는 외부공기가 일시적으로 저장될 수 있다.
공기자켓층(440)은 서로 분리되어 복수개가 형성될 수 있다. 예를 들면, 공기자켓층(440)은 복수개로 형성되고, 복수개의 공기자켓층(440)은 제 1 공기자켓층(441)과, 제 1 공기자켓층(441)과 서로 분리되어 인접하는 제 2 공기자켓층(442)을 포함할 수 있다. 또한, 복수개의 공기자켓층(440)은 제 2 공기자켓층(442)과 서로 분리되어 인접하는 제 3 공기자켓층(443)을 포함할 수 있다.
이때, 복수개의 공기자켓층(440)이 제 1 공기자켓층(441) 내지 제 3 공기자켓층(443)을 포함하는 것은 실시예에 불과하며 필요에 따라 개수는 선택이 가능할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 복수개의 공기자켓층(440)이 제 1 공기자켓층(441) 내지 제 3 공기자켓층(443)을 포함하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
한편, 제 1 공기자켓층(441) 내지 제 3 공기자켓층(443)으로 공급되는 외부공기의 양은 서로 상이할 수 있다. 예를 들면, 제 1 공기자켓층(441)로 공급되는 외부공기의 양은 제 2 공기자켓층(442)으로 공급되는 외부공기의 양보다 작을 수 있다. 또한, 제 2 공기자켓층(442)으로 공급되는 외부공기의 양은 제 3 공기자켓층(443)으로 공급되는 외부공기의 양보다 작을 수 있다.
이때, 제 1 공기자켓층(441) 내지 제 3 공기자켓층(443)으로 공급되는 외부공기의 양은 순차적으로 커질 수 있다.
따라서 연소장치(400)는 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실(420) 내에 연료를 공급하고, 공기(산화제)의 분류에 고온의 연소가스의 일부를 재순환 혼합하여 연소함으로써, 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 주연소실(320) 전면에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 MILD연소를 달성함으로써, CO 및 NOx의 생성을 극소화하는 동시에 열효율을 높여 CO2의 배출량을 저감할 수 있는 효과를 가진다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연소장치(500)를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참고하면, 연소장치(500)는 연소가 진행되는 주연소실(520)을 포함한다. 주연소실(520)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 주연소실(520)은 원통형으로 형성될 수 있고, 사각기둥 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 주연소실(520)이 원통형으로 형성되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
연소장치(500)는 주연소실(520)로부터 소정간격 이격되어 공간을 형성하는 하우징(530)을 포함한다. 이때, 하우징(530)은 주연소실(520)을 감싸도록 배치될 수 있다. 따라서 하우징(530)과 주연소실(520) 사이의 공간으로 고온의 연소가스가 유동할 수 있다.
한편, 연소장치(500)는 하우징(530)에 설치되는 공기분사노즐(531)을 포함한다. 공기분사노즐(531)은 하우징(530)에 삽입되도록 형성되어 주연소실(520)과 하우징(530) 사이의 공간으로 외부공기를 분사하여 고온의 연소가스를 유인하여 혼합할 수 있다.
공기분사노즐(531)은 일단이 절곡지게 형성될 수 있다. 이때, 공기분사노즐(531)의 절곡되는 부분의 끝단은 주연소실(520)과 하우징(530) 사이의 공간을 유동하는 기체의 흐름방향과 평행하도록 형성될 수 있다.
한편, 연소장치(500)는 하우징(530)과 주연소실(520) 사이에 형성되는 벤튜리부(570)를 포함한다. 이때, 벤튜리부(570)는 공기분사노즐(531)을 통하여 공급되는 외부공기와 연소가스를 혼합하여 혼합가스를 생성할 수 있다.
이때, 벤튜리부(570)는 하우징(530) 및 주연소실(520)과 일체로 형성될 수 있다. 구체적으로 벤튜리부(570)는 하우징(530)의 일부와 주연소실(520)의 일부는 각각 하우징(530)과 주연소실(520)이 형성하는 내부공간으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 돌출되는 부분의 단면적은 서로 상이하게 형성될 수 있다. 이하에서는 벤튜리부(570)의 형상에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 벤튜리부(570)는 연소가스가 유입되는 유인부(571)를 포함할 수 있다. 유인부(571)는 압력 차이에 의하여 연소가스를 유인부(571) 내부로 흡입할 수 있다. 벤튜리부(570)는 유인부(571)로부터 연장되어 형성되고, 단면적이 점점 작아지도록 형성되는 축관부(572)를 포함할 수 있다. 이때, 축관부(572)는 단면적이 작아지면서 연소가스의 속도를 높여주는 역할을 수행한다. 또한, 공기분사노즐(531)의 끝단부는 축관부(572)의 입구측에 배치되어 외부공기를 분사함으로써 음압을 형성하고 연소가스의 유동을 도와준다. 특히 축관부(572) 내부에서 외부공기와 연소가스가 혼합되어 혼합가스를 생성할 수 있다.
한편, 벤튜리부(570)는 축관부(572)로부터 연장되어 형성되는 교축부(573)를 포함할 수 있다. 교축부(573)는 축관부(572)의 일단의 면적과 동일하도록 형성되어 혼합가스의 유속을 유지시킬 수 있다.
벤튜리부(570)는 교축부(573)로부터 연장되어 형성되는 확관부(574)를 포함할 수 있다. 이때, 확관부(574)는 단면적이 점차적으로 커지도록 형성되어 혼합가스의 유속을 줄여주고 압력을 높여주어 교축부(573)를 통과하는 혼합가스를 확산시키는 역할을 수행한다.
또한, 확관부(574)는 주연소실(520)과 연결되어 혼합가스를 주연소실(520)로 분사하는 역할을 수행한다. 특히 확관부(574)에서 주연소실(520)로 분사되는 부분은 주연소실(520)의 벽면과 소정각도를 형성하여 주연소실(520)로 유입되는 혼합가스를 통하여 주연소실(520)에 선회류를 형성시킬 수 있다.
특히 공기분사노즐(531)에서 분사하는 정압(+압)의 공기분류로 인해 벤튜리부(570)의 교축부(573)에서 유속이 빨라지면 음압(-압)이 형성되므로 고온의 연소가스를 유인(entrain)할 수 있게 된다. 즉, 이 원리를 이용하게 되면 유인하고자 하는 연소가스의 온도가 일반적인 소각로 출구온도인 850℃ 이상이 되어도 공기류와 직접 혼합시키면서 재순환이 가능한 것이다.
이렇게 850℃ 이상의 고온의 연소가스를 재순환시킬 수 있는 방법은 본 발명에서 제시된 방법이 가장 간단하고 경제적인 방법인 것이다.
한편, 연소장치(500)는 하우징(530)에 설치되는 예열버너(580)를 포함할 수 있다. 이때, 예열버너(580)는 주연소실(520)을 예열하여 착화온도 이상으로 가열하여 주연소실(520)의 연소를 수행시킬 수 있다..
또한, 연소장치(500)는 주연소실(520)로 연료물질을 공급하는 연료공급부(590)를 포함할 수 있다. 연료공급부(590)는 연료물질을 주연소실(520)에 적합하도록 공급하여 주연소실(520)의 연소를 생성시킬 수 있다.
따라서 연소장치(500)는 연료의 착화온도 이상으로 예열된 주연소실(520) 내에 연료와 외부공기(산화제)를 분사시키면서 고온의 연소가스의 일부를 연료와 공기의 분류에 재순환 혼합하여 연소함으로써, 공기를 고온으로 예열하기 위한 별도의 열교환기 없이도 화염대에 집중되는 고온부가 발생하지 않으면서 주연소실(520) 전면에 걸쳐 고른 온도로 분산되게 하는 MILD연소를 달성함으로써, CO 및 NOx의 생성을 극소화하는 동시에 열효율을 높여 CO2의 배출량을 저감할 수 있는 효과를 가진다.
한편, 상기와 같은 실시예를 통하여 실험을 수행하여 보면, 저온의 재순환가스의 공해저감효과는 매우 미미하며 연소상태의 불안정을 야기하는 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 이에 대한 해결방안이 연료물질의 착화온도 이상으로 고온의 연소가스를 재순환시키는 방법인 것이다.
그림에서 가로축의 연소가스 재순환율 K는 다음과 같이 정의된다.
K = (재순환 연소가스의 질량유량) / (연료의 질량유량+공기의 질량유량)
Figure 112011066705437-pat00001
참고문헌 : Wuning J., Flameless Oxidation von Brennstoff mit hochvorgewarmter Luft, Chemical Ingenieur Tech. 1991, 63(12), 1243-1245.
즉 연료와 공기의 질량유량이 일정하다고 할 때 재순환 연소가스의 질량유량이 증가할수록 K가 커지는 것이다. 그런데 위의 그림에서 보는 바와 같이 온도가 낮고 재순환율이 작은 경우(즉, 자발착화온도 이하의 영역에서 노란색 부분을 제외한 영역)에서는 화염이 버너에 부착하여 안정된 연소가 이루어지나 재순환율이 조금만 높아지면, 일례로 그림에서 500℃의 재순환가스 온도에서 재순환율이 0.5만 되어도 화염이 유지되지 않으며, 불씨나 점화원에 의하여 폭발하거나 하는 위험영역으로 들어가게 된다.
자발착화온도 이상의 영역에서 A영역은 다소 재순환율이 높아지지만 안정된 화염이 형성되나 1000℃의 온도에서도 재순환율은 0.8이하로 연소가스의 재순환율은 극히 제한되게 된다.
즉, 자발착화온도이상에서는 재순환율을 최소 2.5 이상으로 높여야 비로소 매우 안정된 화염영역으로 들어가서 공해저감효과가 나타나게 되는데 연소가스를 별도의 장치를 통하여 재순환율을 높이게 되면 별도의 열공급을 통하여 연소가스를 자발착화온도 이상으로 가열하여야 하므로 가열하여야 할 재순환 연소가스의 양도 증가하게 되고 온도를 높이기 위해서 필요한 별도의 열공급이 크게 증가하여야 한다.
본 발명에서 추구하고자 하는 연소영역은 그림 5의 C영역으로 재순환율 2.5 이상의 영역에서 재순환 연소가스의 온도를 자발착화온도 이상으로 유지되는 영역으로 이 영역에서는 질소산화물과 같은 대표적인 공해물질이 크게 감소하게 되는 영역인 것이다.
즉, 상기 그럼의 C영역이 안정된 연소를 구현하기 위해서는 송풍기 등의 재순환 장치를 이용하여 수행하는 재순환방식은 온도의 측면에서 도저히 도달할 수 가 없는 영역인 것으로 본 발명에서의 재순환방식만이 저공해 연소의 목적을 달성할 수가 있는 것이다.
다음 그림은 본 발명의 연소방식과 기존의 연소방식을 비교한 화염을 동일한 노출로 촬영한 것이다.
Figure 112011066705437-pat00002
Figure 112011066705437-pat00003
기존 공기만을 분사하여 고체연료를 연소시킬 경우의 화염에서는 그림의 좌측 사진에서 보는 바와 같이 화염대의 고온부가 밝게 나타나고 있다. 이 고온부는 공기가 집중적으로 연료와 혼합되어 연소하는 화염대로써 불규칙적으로 나타난다. 사진에서 보는 바와 같이 흰색의 고온부와 노란색의 저온부가 뚜렷이 구별되고 있다. 열적으로 생성되는 질소산화물은 이와 같이 고온의 화염대에서 집중적으로 발생하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 고온연소가스 재순환을 이용한 연소화염은 상기 그림의 우측 사진에서 보는 바와 같이 화염대가 뚜렷이 구별되지 않으며 전체적으로 고른 화염밝기를 나타내고 있다. 이것이 고온 재순환의 효과로 전체 화염의 온도가 균일하여 특별히 화염대에서 관찰되는 고온부가 나타나지 않는다.
이 두 화염에서의 질소산화물의 생성농도를 연소실 출구에서 측정한 결과가 다음 그림에 게재되어 있다.
Figure 112011066705437-pat00004
이 그림에서 보는 바와 같이 기존의 공기연소에서보다 고온 재순환(FGR)을 적용하였을 때가 무려 60% 이상의 NOx생성 저감효과를 나타내었다. 일반적으로 기체연료에서는 이러한 고온 재순환의 NOx저감효과가 잘 알려져 있으나 이와 같이 고체연료를 사용한 경우에 나타나는 NOx저감 효과는 세계적으로도 알려져 있지 않으며 그 성능 측면에서 볼 때 세계에서 가장 앞선 기술 수준으로 볼 수 있다.
또한, 통상의 연소에서는 NOx의 생성농도가 낮아지면 CO의 생성이 증가하나 본 발명의 연소에서는 NOx와 CO가 동시에 저감되며, 고온 연소가스의 재순환에 따른 열효율의 향상으로 CO2의 배출량도 저감된다.
특히 석유자원의 고갈에 따라 하수 슬러지, 유기성 폐기물과 같은 폐기물 연료 및 석탄 등의 고체연료의 사용이 급증하고 있는 실정이다. 현재 소각로나 발전소에서 생성되는 질소산화물(NOx)의 배출은 저감하기 위한 후처리설비인 SCR의 설치비용과 운영비용은 막대하다.
화력발전소를 예로 들면 SCR 1기에 소요되는 촉매비용만 36억원이며, 1년에 12억원이 촉매 개체에 소요되며, 환원제인 암모니아 비용만도 20억원을 상회한다.
국내 가동 중인 화력발전소는 52기에서 NOx 발생을 50%만 저감할 수 있어도 한해 832억원을 화력발전소에서만 절감할 수 있다.
더욱 운영 개소가 많은 소각로에 본 기술이 적용되면 그 경제적 효과는 막대하다. 특히, 본 기술의 실시예들은 세계적으로 선례가 없으므로 기술 선점 및 수출증대의 측면에서 매우 중요하다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100,200,300,400,500 : 연소장치
110,210,310,410 : 투입구
120,220,320,420,520 : 주연소실
130,230,330,430,530 : 하우징
140,240,340,440,540 : 공기자켓층
150,250,350,450 : 투입부
170,270,370,470 : 배출부

Claims (18)

  1. 외부에서 내부로 관통하는 공기주입홀을 구비하고, 내부에서 물질이 연소되는 주연소실과,
    상기 주연소실에 배치되어 상기 물질을 연소시키도록 에너지를 공급하는 주연소버너와,
    상기 주연소실의 외부에 배치되어 상기 주연소실에서 연소된 고온의 연소가스가 유동하는 하우징과,
    상기 하우징을 감싸도록 형성되는 외부공기가 유입되는 공기자켓층을 포함하고,
    상기 하우징은, 상기 하우징의 외부로부터 내부로 관통하도록 상기 하우징에 설치되어 상기 공기자켓층의 외부공기가 유입되며, 상기 공기주입홀로 상기 외부공기를 공급하는 공기분사노즐을 구비하고,
    상기 공기주입홀은 상기 공기분사노즐에서 공급되는 상기 외부공기에 의하여 내부로 유인된 상기 하우징을 유동하는 연소가스를 상기 외부공기와 혼합하여 혼합가스를 생성하고, 상기 혼합가스를 상기 주연소실 내부로 공급하는 연소장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주연소실은 제 1 내화재층으로 형성되고, 상기 제1 내화재층의 외측에 배치되는 단열재층을 구비하고,
    상기 공기분사노즐로부터 유입되는 외부공기와 상기 연소가스와 혼합된 혼합가스가 상기 제 1 내화재층과 상기 단열재층 사이로 공급되는 연소장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기주입홀은 상기 주연소실의 내벽과 소정각도를 형성하는 연소장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기주입홀의 단면적은 상기 외부의 단면적이 상기 내부의 단면적보다 크게 형성되는 연소장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기주입홀은 상기 주연소실의 내벽의 접선방향으로 형성되는 연소장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 주연소실의 일부 또는 전체 외벽으로부터 소정간격 이격되어 상기 주연소실을 감싸도록 형성되고, 외부에서 내부로 관통하도록 상기 공기분사노즐이 구비하는 제 2 내화재층과,
    상기 제 2 내화재층을 외면을 감싸도록 배치되는 상기 공기분사노즐로 외부공기를 공급하는 공기자켓층을 구비하는 연소장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사노즐의 단면적은 상기 하우징의 외부측 단면적이 상기 하우징의 내부측 단면적보다 작게 형성되는 연소장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사노즐은 상기 하우징의 내면과 소정각도를 형성하는 연소장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사노즐의 일단은 상기 공기주입홀의 일단과 소정간격 이격되거나 상기 공기주입홀의 내부로 소정길이 삽입되도록 배치되는 연소장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사노즐은 상기 주연소실의 길이방향으로 복수개가 형성되고,
    상기 복수개의 공기분사노즐의 내경은 상기 주연소실의 전면으로부터 후면으로 갈수록 순차적으로 커지도록 형성되는 연소장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징에 설치되어 상기 공기분사노즐에서 공급되는 외부공기와 상기 연소가스가 혼합된 혼합가스를 상기 공기주입홀로 공급하는 이젝터를 더 포함하는 연소장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기자켓층은 복수개로 형성되고,
    상기 복수개의 공기자켓층은 서로 분리되도록 형성되는 연소장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 복수개의 공기자켓층에 공급되는 외부공기의 양은 각 공기자켓층이 서로 상이한 연소장치.
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