KR101446915B1 - 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로 - Google Patents

역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공업로(industrial furnace)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점과, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있는 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하여 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공된다.

Description

역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로{Reverse air injection type flameless combustion industrial furnace}
본 발명은 공업로(industrial furnace)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 고온의 화염 영역의 존재로 인해 환경오염 물질인 질소산화물(NOx) 발생과 열전달면 오염 및 내구성에 대한 문제가 발생하였던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위한 무화염 연소 공업로에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 고온의 예열공기를 사용하여 연료와 공기를 같은 방향으로 투입함으로 인해 열전달면의 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling)과 슬래그(Slagging) 발생의 문제가 있었던 기존의 무화염 연소방식 공업로들의 단점을 개선하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써, 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 관한 것이다.
종래, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등 여러 분야에 걸쳐 공업로(industrial furnace)가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 종래의 공업로에 대한 대표적인 예로서는, 예를 들면, 연료와 공기를 연소로에 투입하기 전에 미리 혼합하여 공급하는 혼합 연소방식 공업로가 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소를 위한 연소로(furnace)(11)과, 연료(Fuel)와 공기(Air)를 혼합하여 연소로(11)에 공급하기 위한 혼합기(mixer)(12)와, 혼합기(12)를 통해 공급된 연료를 연소시키기 위한 버너(burner)(13) 및 연소로(11) 내의 열을 순환시키기 위한 열교환기(heat exchanger)(14)를 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)는, 연료(Fuel)와 공기(Air)를 연소로(11)에 투입하기 전에 혼합기(12)에 의해 미리 혼합하여 공급함으로써, 혼합된 연료와 공기의 급격한 연소반응에 의해 적은 공간에서 높은 에너지를 발생 가능하여, 일반적으로, 미분탄, 가스연료, 가솔린엔진 연소 및 석탄 발전소, 열병합 발전소, 자동차, 가정용 연소장치에 주로 사용된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)는, 눈으로 보이는 가시 화염이 존재하는 화염 영역(flame zone)(15)이 생성되어, 이러한 화염영역(15) 부분의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 아울러, 적은 공간에서 발생하는 화염을 안정적으로 유지하기 위해 운전범위가 제한적인 단점이 있다.
더욱이, 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)는, 1000도 정도의 낮은 온도에서는 CO 발생이 높아지므로 1500도 정도의 고온 화염을 유지해야 하나, 이를 위하여 복사 열전달에 의한 안전한 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 부착물(Fouling)과 클링커(Clinker) 현상에 의해 열전달면 오염의 문제가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 종래의 혼합 연소방식 공업로(10)의 단점을 개선하기 위해, 공기 또는 연료를 여러 단계로 나누어 연소로에 공급하는 다단 연소방식 공업로(20)가 제시된 바 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 종래의 다단 연소방식 공업로(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 다단 연소방식 공업로(20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연소로(21), 혼합기(22), 버너(23) 및 열교환기(24)를 포함하여 구성되는 점은 상기한 혼합 연소방식 공업로(10)와 유사하나, 기존의 혼합 연소방식의 높은 화염온도에 의한 문제를 저감하기 위해 공기 또는 연료를 여러 단계로 나누어 연소로(11)에 공급하여 다단계로 연소가 이루어지도록 구성되는 점이 다르다.
따라서 상기한 바와 같은 다단 연소방식 공업로(20)를 이용하면, 기존의 혼합 연소방식에 비하여 다단 연소에 의한 온도 저감에 따른 NOx 저감 효과가 있으나, 이와 같이 다단 연소방식을 사용하더라도, 기존의 혼합 연소방식과 마찬가지로 고온의 화염영역(25)이 존재함으로 인해 NOx 발생과 열 전달면 오염 및 내구성 문제가 여전히 발생하게 된다.
여기서, 상기한 바와 같은 기존의 혼합 및 다단 연소방식의 문제점을 해결하기 위해, 예를 들면, FLOX(Flameless Oxidation) 및 MILD(Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 등과 같이, 불꽃이 없는 상태에서 연소를 가능하게 하는 무화염 연소방식의 공업로가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 무화염 연소방식이 대표적인 예로서는, 예를 들면, 고온의 예열공기를 이용하는 고온공기연소(HiTAC) 방식이 있다.
그러나 고온공기연소(HiTAC) 방식의 경우, 일반적으로, 공기를 1000℃ 가까이 예열시키기 위해 복잡한 구조의 축열재생식 열교환기를 필요로 하며, 이는 버너의 비용 상승과 더불어 내구성 저하의 원인이 되는 문제가 있다.
이에 비해, MILD 방식은 복잡한 구조의 열교환기 없이 초저 NOx를 실현하기 위한 것으로, 발전소나 소각로 내부의 산소 농도와 공기의 예열 온도가 높을수록 고온대의 온도는 상승하나, 산소의 농도를 낮추면 고온대의 온도가 낮아지는 것을 이용하여 질소산화물의 생성반응을 억제하는 방식이다.
아울러, 무화염 연소방식의 공업로들에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0803764호(2008.02.05.)에 개시된 바와 같은 "무화염 축열식 연소설비"와, 한국 등록특허공보 제10-1191739호(2012.10.08.)에 개시된 바와 같은 "고효율, 저 NOx 가열시스템" 및 한국 등록특허공보 제10-1221335호(2013.01.07.)에 개시된 바와 같은 "무화염 연소 혼합장치 및 이 장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템" 등을 참조할 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 무화염 연소방식 공업로들은, 대부분 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해, 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고 국부적 가열이 이루어지는 문제 및 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생의 문제가 여전히 남아 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같이, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점과, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있는 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위하여는, 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생할 수 있도록 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성함으로써, NOx 및 불완전 연소물질의 생성이 감소되어 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 연소방식의 공업로를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있도록 구성되는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 있어서, 연소작업이 이루어지는 연소로; 상기 연소로 내에서 연료를 연소시키기 위해 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너; 상기 연소로 내의 열을 전달하기 위한 열교환기; 상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및 상기 연소로 내에 공기를 공급하기 위해 상기 연료주입구의 반대측의 상기 연소로의 타단부에 형성되는 적어도 하나의 공기주입구를 포함하여 구성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공된다.
여기서, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 공기를 공급하기 위한 공기공급수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기공급수단은, 상기 공기주입구를 통하여 고속으로 공기를 주입하기 위한 에어펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐을 더 포함하여 구성되고, 상기 노즐의 개수를 변화시켜 주입되는 공기의 유속을 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 공업로는, 상기 공기주입구를 통하여 주입되는 공기의 일부를 상기 연료주입구 측으로 배분하여 상기 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공업로는, 상온의 공기 또는 미리 정해진 일정 온도로 가열된 예열공기를 상기 공기주입구를 통해 상기 연소로 내에 주입하여 연소를 위한 연소공기로서 사용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 공업로는, 연료와 공기가 상기 연소로의 양단부에서 각각 주입됨에 따라 전체 연소로 내에서 균일한 연소반응이 발생됨으로써, 상기 연소로 내에서 균일한 온도장에 따라 NOx의 발생이 감소되고, 상기 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 상기 연소로 내에서 난류 혼합이 증가됨으로써, 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO를 포함하는 불완전 연소물질의 배출이 저감되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 공업로는, 상기 연소실 내의 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling) 및 슬래그(Slagging) 발생을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공업로는, 가스 연소뿐만 아니라, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응에도 적용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 이용하여 가스, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응을 일으키는 작업을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연소방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공됨으로써, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점을 모두 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공됨으로써, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성하도록 구성됨으로써, 고속의 공기주입에 의한 강한 난류 혼합이 발생하고 연료와 공기를 먼 거리에서 투입함에 따라 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생하여 낮은 NOx가 생성되고, 높은 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO와 같은 불완전 연소물질도 낮게 배출되어 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 동시에, 상온의 공기에서 고온의 예열공기까지 모두 활용 가능한 넓은 운전범위를 가지고, 가스 연소현상뿐만 아니라 기름, 석탄, 폐기물 등 액체/고체연료 연소, 가스화 반응에도 고효율의 반응효율을 가지는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소실 내 균일한 온도분포에 의해 열전달 면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제를 해결하여, 열교환기 재료비용 감소 및 열전달 효율 증대의 효과를 얻을 수 있으며, 그것에 의해, 고급 열전달 성능과 균일한 반응성능이 필요한 시설에 폭넓게 적용 가능한 데 더하여, 공기 노즐의 개수를 변화시켜 투입 공기 유속을 제어할 수 있으며, 연료에 일부의 공기를 배분하여 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성될 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 혼합 연소방식 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 다단 연소방식 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 성능을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결하기 위해, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 연소가 이루어지는 연소로(31), 연료를 연소시키기 위한 버너(32) 및 연소로(31) 내의 열 전달을 위한 열교환기(33)를 포함하여 구성되는 점은 종래의 공업로들과 유사하나, 연료와 공기를 혼합하여 연소로에 공급하는 혼합기가 없는 점이 종래의 공업로들과 다르다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료를 공급하기 위한 연료주입구(34)와, 공기를 공급하기 위한 공기주입구(35)가 각각 반대 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
더 상세하게는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 연료주입구(34)가 연소로(31)의 일단부에 설치되는 버너(32)에 연결되어 연료만이 공급되고, 그 반대측의 연소로(31)의 타단부에 적어도 하나의 공기주입구(35)가 형성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성된다.
여기서, 이와 같이 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성하는 구성은 종래의 일반적인 공업로에서는 시도되지 않은 방식으로서, 즉, 기존의 무화염 연소방식(FLOXTM, MILD) 또한, 연료와 공기를 같은 방향으로 주입하는 구성은 제시된 바 있으나, 본 발명과 같이 연료와 공기를 서로 역방향으로 주입하는 구성은 제시된 바 없었다.
또한, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 도시되지는 않았으나, 공기주입구(35)를 통하여 공기를 공급하기 위한 수단으로서, 예를 들면, 에어펌프 등과 같은 공기공급수단을 더 포함하여, 고속으로 공기 주입이 가능하도록 구성될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)는, 공기주입구(35)를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐의 개수를 변화시켜 투입 공기 유속을 제어할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 더욱이, 주입되는 공기의 일부를 연료주입구(34)에 배분하여 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성될 수도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 에어펌프와 같은 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 연소로 내에서 강한 난류 혼합이 발생하고, 연료와 공기를 먼 거리에서 투입함에 따라 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생되며, 그것에 의해, 연소실 내 무화염 연소현상 발생 및 균일한 온도분포 형성이 가능해진다.
또한, 기존의 무화염 연소방식은 고온의 예열공기를 사용하는 것이 일반적이었으나, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 상온의 공기에서 고온의 예열공기까지 모두 연소를 위한 연소공기로서 활용 가능하여 넓은 운전범위를 가지게 된다.
아울러, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 전체 연소실 공간에서 1000 도씨 내외의 균일한 온도장에서 반응이 발생함에 따라 낮은 NOx가 생성되고, 높은 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO와 같은 불완전 연소물질도 낮게 배출되어, 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 연소실 내 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물 및 슬래그 발생 문제를 해결하여, 열교환기의 재료비용 감소와 열전달 효율 증대의 이중 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 구성에 따르면, 가스 연소 현상뿐만 아니라, 기름, 석탄, 폐기물 등 액체 및 고체연료의 연소, 가스화 반응에도 고효율의 반응효율을 가지며, 그것에 의해, 화력 발전소, 각종 공업로, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등과 같이, 높은 열전달 성능과 균일한 반응 성능이 필요한 시설에 에 폭넓게 적용이 가능하다.
계속해서, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성된 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 성능을 검증하기 위해, 기존의 혼합 연소방식의 공업로와 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 각각 이용하여 연소실험을 수행한 실험결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 도 4는 상기한 바와 같이 하여 구성된 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)의 성능을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 연소실험을 위한 실험장치는, 연료가 연소되는 버너측에서 연소가스가 배출되는 배출구까지 복수의 온도센서(41)를 일렬로 설치하여 연소로 전체의 온도 분포를 측정 가능한 동시에, 가스배출구측에 가스센서(42)를 부착하여 배출가스의 성분을 분석할 수 있도록 구성된다.
여기서, 상기한 복수의 온도센서(41)는, 예를 들면, K형 열전대(K-type Thermo couples)를 이용하여 구성될 수 있고, 또한, 가스센서(42)는, 예를 들면, TESTO-330 2LL 가스분석기(Gas Analyzer)를 이용하여 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 연료로서 메탄(Methane)을 5 ~ 15 lpm 주입하였고, 공기는 70 ~ 200 lpm 주입하여 연소실험을 진행하였다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 혼합 연소방식의 공업로를 이용하여 연소실험을 수행한 결과, 연소로의 버너 부분에서 가스배출구 부분까지의 온도 편차는, 최고 온도인 버너 부근의 온도 1135℃에서 최저 온도인 가스배출구 온도 748℃까지 대략 400℃ 정도의 온도편차가 발생하였음을 알 수 있다.
또한, 종래의 혼합 연소방식의 공업로의 배출가스 성분은, 도 5에 나타낸 바와 같이, CO 680 ppm에 NOx 22 ppm이 각각 배출되었음을 알 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용하여 연소실험을 수행하기 위한 실험장치의 전체적인 구성 및 실험 결과를 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용한 연소실험의 결과는, 먼저, 온도 분포에 있어서, 차가운 연료와 공기가 각각 주입되는 버너와 공기주입구 부분이 온도가 가장 낮은 801℃ 및 888℃이고, 최고온도는 연료와 공기가 만나는 중간 부분의 939℃이며, 최고 온도와 최저 온도 사이의 온도편차가 약 130℃ 정도로서, 도 5에 나타낸 종래의 혼합 연소방식 공업로의 400℃에 비해 비교적 균일한 온도분포를 나타내고 있고, 이는, 연소로의 전체 공간에서 균일한 반응이 발생하는 것을 나타내는 것이다.
또한, 배출가스의 성분은, 도 6에 나타낸 바와 같이, CO가 3ppm이고, NO는 6ppm가 검출되어, 마찬가지로 종래의 혼합 연소방식 공업로에 비해 유해물질의 배출 또한 크게 감소할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 연소실험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로(30)를 이용하면, 종래의 혼합 연소방식의 공업로에 비해 균일한 온도분포를 가지는 동시에 유해물질의 배출도 감소할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 구현함으로써, 본 발명에 따르면, 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공됨으로써, 화염영역의 높은 온도에 의해 고농도의 NOx가 발생하고, 고열내성의 공업로 재질이 필요하며, 운전범위가 제한적인 데 더하여, 열전달 설계에 어려움이 따르고, 고온의 온도에서 발생하는 재 성분의 용융에 의한 열전달면 오염의 문제가 있었던 종래의 혼합 연소방식 및 다단 연소방식 공업로들의 문제점을 모두 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로가 제공됨으로써, 고온의 예열공기를 연료와 동일 방향으로 주입함으로 인해 연소실 공간 전체에 대하여 균일한 온도장이 형성되지 못하고, 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제가 있었던 종래의 무화염 연소방식 공업로들의 문제점을 해결할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성하도록 구성됨으로써, 고속의 공기주입에 의한 강한 난류 혼합이 발생하고 연료와 공기를 먼 거리에서 투입함에 따라 전체 연소실 공간에서 균일한 연소반응이 발생하여 낮은 NOx가 생성되고, 높은 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO와 같은 불완전 연소물질도 낮게 배출되어 연소효율과 산성가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 동시에, 상온의 공기에서 고온의 예열공기까지 모두 활용 가능한 넓은 운전범위를 가지고, 가스 연소현상뿐만 아니라 기름, 석탄, 폐기물 등 액체/고체연료 연소, 가스화 반응에도 고효율의 반응효율을 가지는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연소실 내 균일한 온도분포에 의해 열전달 면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물과 슬래그 발생 문제를 해결하여, 열교환기 재료비용 감소 및 열전달 효율 증대의 효과를 얻을 수 있으며, 그것에 의해, 고급 열전달 성능과 균일한 반응성능이 필요한 시설에 폭넓게 적용 가능한 데 더하여, 공기 노즐의 개수를 변화시켜 투입 공기 유속을 제어할 수 있으며, 연료에 일부의 공기를 배분하여 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성될 수 있는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 혼합 연소방식 공업로 11. 연소로
12. 혼합기 13. 버너
14. 열교환기 15. 화염영역
20. 다단 연소방식 공업로 21. 연소로
22. 혼합기 23. 버너
24. 열교환기 25. 화염영역
30. 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로
31. 연소로 32. 버너
33. 열교환기 34. 연료주입구
35. 공기주입구 41. 온도센서
42. 가스센서

Claims (10)

  1. 연료 및 연소가스 흐름의 역방향으로 공기를 주입하여 연소반응을 형성함으로써 전체 연소실 내에 균일한 온도분포를 형성하는 것에 의해 NOx 및 불완전 연소물질의 생성을 감소하는 동시에, 연소효율과 산성가스 문제를 모두 해결할 수 있도록 구성되는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로에 있어서,
    연소작업이 이루어지는 연소로;
    상기 연소로 내에서 연료를 연소시키기 위해 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너;
    상기 연소로 내의 열을 전달하기 위한 열교환기;
    상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구;
    상기 연소로 내에 공기를 공급하기 위해 상기 연료주입구의 반대측의 상기 연소로의 타단부에 형성되는 적어도 하나의 공기주입구; 및
    상기 공기주입구를 통하여 고속으로 공기를 주입하기 위한 에어펌프를 포함하여 이루어지는 공기공급수단을 포함하여 구성됨으로써,
    상기 연료의 주입방향과 반대 방향으로 상기 공기가 공급되도록 상기 연소로의 양단부에서 상기 연료와 상기 공기가 각각 주입됨에 따라 전체 연소로 내에서 균일한 연소반응이 발생되며,
    상기 연소로 내에서 균일한 온도장에 따라 NOx의 발생이 감소되고,
    상기 공기공급수단에 의한 고속의 공기주입에 의해 상기 연소로 내에서 난류 혼합이 증가됨으로써 난류 혼합에 의한 연소반응 촉진에 의해 CO를 포함하는 불완전 연소물질의 배출이 저감되며,
    상기 연소실 내의 균일한 온도분포에 의해 열전달면에 국부적 가열 및 재의 용융에 따른 부착물(Fouling) 및 슬래그(Slagging) 발생을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 공기주입구를 통하여 공기를 주입하기 위한 노즐을 더 포함하여 구성되고,
    상기 노즐의 개수를 변화시켜 주입되는 공기의 유속을 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상기 공기주입구를 통하여 주입되는 공기의 일부를 상기 연료주입구 측으로 배분하여 상기 버너 부분의 온도를 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 공업로는,
    상온의 공기 또는 미리 정해진 일정 온도로 가열된 예열공기를 상기 공기주입구를 통해 상기 연소로 내에 주입하여 연소를 위한 연소공기로서 사용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 공업로는,
    가스 연소뿐만 아니라, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응에도 적용 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로.
  10. 청구항 1항, 4항 내지 6항 및 9항 중 어느 한 항에 기재된 역방향 공기주입 방식을 이용한 무화염 연소 공업로를 이용하여 가스, 액체 또는 고체 연료의 연소나 가스화 반응을 일으키는 작업을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연소방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20080131823A1 (en) * 2004-07-07 2008-06-05 Tidjani Niass Homogeous Combustion Method and Thermal Generator Using Such a Method

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