KR101741256B1 - 기체 연료의 완전 연소 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 완전 연소 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG), 메탄가스, 바이오가스와 같은 기체 연료를 고온 조건에서 완전 연소시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사용하는 연료인 기체 연료와 연소 산화제인 공기의 혼합을 극대화하기 위해서 기체 연료가 연소실 내에 분출된 직후 강한 와류를 일으키면서 공기와 충돌되도록 하여, 연소실 내로 유입된 기체 연료와 공기가 원활하게 혼합되도록 함으로써, 연소실 내의 완전 연소 조건을 형성할 수 있도록 한 것이다. 본 발명에 의하면, 와류를 이용해 기체 연료와 공기의 혼합을 극대화하는 동시에 연소실 내 최적의 고온 조건을 형성하여 완전 연소를 유도할 수 있고, 결국 유해 가스 배출의 저감은 물론, 연료의 연소 효율 및 이용 효율의 향상이 가능해진다.
[색인어]
석유, 액체 유기성 폐기물, 폐유, 가스, 기체 연료, 연소 장치, 버너, 와류

Description

기체 연료의 완전 연소 장치 및 방법{Burner and method for complete combustion of gas fuel}

본 발명은 완전 연소 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG), 메탄가스, 바이오가스와 같은 기체 연료를 고온 조건에서 완전 연소시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

오늘날 연소 효율을 높이기 위해 사용하는 연료의 분사 방법과 더불어 연료를 연소시키는 방법, 공기를 주입하는 방법 등에 있어 다양한 연구가 진행되고 있다.

특히, 액체 유기성 폐기물(폐유)을 연료로 사용하는 연소장치(버너)의 경우, 폐기물을 처리한다는 점과 이를 연료로 사용하여 에너지(열에너지 등)를획득한다는 점에서, 환경보호 및 폐기물의 재활용, 에너지 획득의 경제적인 이득 등 많은 이점을 제공한다.

상기와 같은 연소 장치에서는 대기 중에서 100％ 연소가 이루어져야만 완전한 연소 효율을 얻을 수 있고, 더불어 유해물질의 배출을 최소화할 수 있다.

종래 강압분사방식의 연소 장치는 연료 자체를 분사하여 기체화시킨 다음 연소시키는 방법을 채택하고 있는데, 이러한 연소 방법은 연료를 충분히 기체화시키는데 한계가 있고, 이로 인해 상당량의 연료가 불완전 연소되면서 연소효율이 떨어지는 문제를 갖고 있다.

보통 연소 효율을 높이기 위해서는 충분한 공기를 주입하여 기체화를 조성할 수 있도록 해야 하고, 연소되지 않은 연료를 최대한 재연소 시켜 완전 연소를 유도해야 한다.

이때 주입되는 공기와 연소되지 않은 연료를 혼합시켜 완전 연소가 이루어지도록 하기 위해서는 주변의 환경을 자연발화가 가능한 온도 조건(예, 800℃ 이상의 온도 조건)으로 만들어주는 것이 필요하며, 이와 함께 연속적인 연료의 연소를 위하여 충분한 공기의 주입과 연료의 공급이 지속적으로 이루어져야 한다.

등록특허 제384065호에서는 위와 같은 점들을 고려한 액체 연료의 연소 방법을 제시하고 있다.

상기 액체 연료의 연소 방법은 고점도 및 저점도의 연료를 압축공기와 함께 소정의 압력으로 노즐 몸체의 길이방향을 따라 분사시키고, 이때의 혼합기가 노즐 몸체의 길이방향을 따라 방향을 달리하면서 굴절된 구조로 되어 있는 다수개의 환형 통로를 통과하도록 함으로써, 혼합기가 각 환형 통로에서 유동방향아 꺾이는 도중에 생기는 충돌력 및 단면적의 차이로 인한 압력의 변화, 그리고 충분한 공기의 공급에 따른 연료의 미립화를 이용하여 액체 연료를 연소시키는 방법이다.

이러한 액체 연료의 연소 방법에서는 액체 연료의 기체화를 위해 초기 예열을 충분하게 하여 필요한 온도 이상의 온도 조건을 조성한 후 연소를 시작하고, 또 압축공기의 주입으로 인해 점차적으로 온도 보전이 낮아지더라도 연소열의 온도를 활용함으로써 액체 연료의 충분한 기체화 및 완전 연소를 만족시킬 수 있다.

이와 같은 연소 방법에서는 점도가 높은 산업 폐기물인 폐유를 연료로 사용하는 경우 이때의 폐유를 완전 연소시키는 데에는 미흡한 점이 있다.

예를 들면, 폐유는 황, 납, 인 등 유해한 물질을 많이 함유하고 있기 때문에 정체시킨 다음 일정 온도로 예열하여 사용하고 있으며, 불완전 연소 환경에서는 불연물질인 회분을 많이 발생시키는 문제가 있다.

이러한 회분은 기체와 공간의 형성을 억제하는 동시에 열을 가하면 고체화되어 굳어지는 성질을 가지므로, 회분 성분이 굳어지지 않도록 하는 연소 조건이 필요하다.

폐유의 연소 시 회분 발생을 억제하고 완전 연소를 도모하기 위해서는 초기 예열 후 연소가 시작되는 시점부터 예열 보존 온도가 초기 온도보다 약 1200℃ 정도까지 유지된 상태가 되어야 한다.

액체 유기성 폐기물(폐유)의 완전 연소에 있어서, 세 가지 요건, 즉 첫째 물질의 기화를 위한 온도 유지, 둘째 기화된 기체와 공기의 혼합, 셋째 혼합기체를 자연발화 온도인 800℃ 이상의 온도로 지속 유지하는 조건을 만족시켜야만 완전 연소가 실현된다.

한편, 연료는 고체 연료, 액체 연료, 기체 연료로 구분된다.

이와 같이 연료의 종류로는 존재하는 형태에 따라 고체, 액체, 기체의 3가지 종류로 구분되지만, 이들 연료 모두 연소될 때는 기체상태에서 연소가 진행이 되며, 기체발생(기화)이 완료된 뒤 연소가 최종 완료되면 타르 또는 회분이 형성되게 된다. 특히, 탄소 성분의 기체화된 연료의 연소 과정에서, 불완전 연소된 탄소 성분의 기체는 공기 중에서 환원이 되어 고체의 분말로 떨어지게 된다.

오늘날 에너지 고갈 시대를 앞두고 있는 시점에서 산업 폐기물을 건류 가스화하여 에너지화하려는 정책이 이미 시행되고 있거나 시행을 앞두고 있고, 따라서 모든 기업들이 산업 폐기물로부터 획득한 가스의 에너지화를 위한 연구에 몰두하고 있는 실정이다.

액체 연료의 완전 연소 방법에 대해서는 등록특허 제825664호 "폐유의 완전 연소 버너 및 방법" 에서 제시되고 있다.

액체 연료의 기화는 액체 연료의 완전 연소 조건을 형성하는 과정에서 진행된다. 하지만, 이 과정에서 생성된 기체와, 고체 연료의 건류 과정에서 발생된 기체와, 가스화 공정을 거쳐 생성된 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG), 메탄가스, 바이오가스 등 기체는 연소 방법이 다를 수 밖에 없다.

그 이유는 가스화 공정을 거쳐 제조된 액화석유가스는 쉽게 점화가 이루어지지만 강제 기화 과정에서 생성된 기체는 점화가 잘 이루어지지 않기 때문이다.

강제 기화 과정에서 생성된 기체의 점화가 잘 이루어지지 않는 이유는, 액체 연료의 기화시에 수소 성분은 기화 과정에서 이미 연소 반응이 일어나 탄소 성분을 기화시키는데 열을 공급하는 역할을 하는데, 99％ 이상의 탄소 성분으로 구성된 기체의 경우 환원이 되지 않도록 더 높은 고온 조건을 통과시켜 자연 발화가 되도록 해야만 연소가 일어나기 때문이다.

이때 연소 장치(버너 등) 내에서 기체의 이동속도가 완만하여 연소에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있어야 하며, 이에 완전 연소가 이루어질 수 있는 것이다.

가스화 공정을 거쳐 이미 제조된 액화석유가스의 경우, 그 성분이 대략 수소 : 탄소 = 50 : 50 의 비율로 이루어져 있으며, 여기서 탄소 성분의 발열량이 수소 성분보다 배 이상 높다.

수소 성분의 인화점은 극히 낮은 반면, 탄소 성분은 그 발화점으로 약 800℃ 이상이 되어야만 발화가 가능하다. 액화석유가스 연료의 연소 과정에서, 수소 성분이 점화되고 수소 성분의 연소열로 탄소 성분의 연소를 위한 준비 과정이 진행될 때, 탄소 성분은 팽창하게 된다.

또한 연소 장치(버너 등)에서 탄소 성분은 팽창이 일어날 때 이동이 시작되지만, 수소 성분의 연소열로는 탄소 성분을 모두 연소시키지 못하기 때문에, 탄소 성분이 연소를 위한 열을 가진 채 이동하면서 미연소 상태로 대기 중에 방출된다.

산업 폐기물의 에너지화 과정에서 건류 가스화를 해야 하는 이유는, 산업 폐기물로부터 얻은 고체 연료가 발암물질을 함유한 폐기물이고, 이러한 고체 연료의 직접 연소 시에는 엄청난 환경문제를 야기하기 때문이다.

심각한 환경문제와 에너지 고갈 시대를 눈앞에 앞둔 현실에서 환경문제를 해결하면서 경제적 이익을 창출하기 위하여 고체 연료를 건류 가스화하여 에너지화하는 보다 개선된 방법이 필수적으로 요구되고 있다.

하지만, 탄소 성분이 대부분인 고체 연료의 경우, 건류 가스화된 기체의 이동 시 온도가 떨어지면서 탄소 알갱이로의 환원이 일어난다. 결국, 이러한 탄소 알갱이들이 연소 장치 내 이동통로를 막아버리는 등의 문제점이 있게 된다.

이와 같이 액체 연료의 기화 연소 방법과 제조된 가스 연료의 특수성 때문에 불완전 연소 요인이 있는 것이다. 따라서, 액화석유가스와 같이 가스화 공정을 통해 미리 제조된 가스 연료의 특수 요인을 제거하여 완전 연소를 실현할 수 있는 방법이 절실한 실정이다.

현재 특허로 개시되어 있는 폐유의 완전 연소 버너 및 방법의 경우, 액화석유가스나 액화천연가스, 메탄가스, 바이오가스 등 가스 종류의 기체 연료를 사용하는 것이 아니라, 액체유기성 산업폐기물, 즉 폐유를 원료로 사용하는 것으로서, 연소 장치(버너) 내에서 폐유(액체 연료)가 기화하여 형성된 기체 연료는, 이미 연소 조건 중 가장 중요한 조건인 온도 800℃ 이상의 조건을 연소 장치 내에서 형성하여, 공기와 혼합 후 쉽게 자연 발화 연소하기 때문에, 완전 연소에 영향을 받지 않는다.

하지만, 액화석유가스나 액화천연가스, 메탄가스, 바이오가스 등의 가스 종류는 공급과 동시에 낮은 온도(30℃ 이하)에서 기화되는 성질을 가지고 있어 인화점이 매우 낮다.

또한 연소 효율 역시 액체 연료보다 현저히 낮다.

그 이유는, 낮은 인화점에서 연소가 시작되면서 기체 연료는 급격한 팽창을 하게 되고 이로 인해 팽창된 기체 연료가 미연소 상태에서 연소실을 급히 빠져 나가버리기 때문이다.

이때 송풍팬(Fan)에서 공급되는 공기 중의 질소가 연소실 내의 열을 흡수하여 대기 중으로 급히 배출되고, 이로 인해 연소실 내 온도가 적정 온도보다 낮아지는 등 연소 조건 형성이 어려워져 미연소 가스가 발생하게 된다.

이러한 미연소 가스는 연소실 내의 열을 흡수하여 배출되기 때문에 연소실 내의 연소 조건은 더욱 악화되고, 결국 불완전 연소를 이루게 된다. 특히, 미연소 가스가 대기 중으로 방출되면 대기를 오염시켜 호흡기 질환을 일으키는 등 많은 문제를 야기하게 된다.

이와 같이 기체 연료를 사용하는 종래의 연소 장치에서 송풍팬에 의해 공급되는 차가운 공기와 기체 연료가 층을 이루어 혼합이 제대로 이루어지 않는 것은 기체 연료의 불완전 연소를 발생시키는 주 원인이 된다.

공기와 연료의 혼합 불량으로 인해 산소와 접촉되는 기체 연료는 연소가 잘 이루어지지만, 산소와 접촉하지 않은 기체 연료는 열을 흡수하여 미연소 상태에서 이동되므로, 연소 조건을 크게 악화시킨다. 이때 연소실의 온도를 최적의 온도 조건, 예컨대 800℃의 온도로 유지할 수 없기 때문에 연소 조건을 악화시키고 불완전 연소를 야기하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 액화석유가스나 액화천연가스, 메탄가스, 바이오가스와 같은 기체 연료를 연료로 사용하면서 연소실 내에서 기체 연료와 공기의 혼합을 극대화하여 완전 연소를 실현할 수 있는 기체 연료의 완전 연소 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 바람직한 실시예로서, 연소실로 공급되는 기체 연료가 이동하는 연료공급관과; 기체 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 자가발화가 가능한 온도로 연소실 내부를 예열하고, 상기 연료공급관의 기체 연료와 연소실로 공급되는 공기를 예열하기 위한 예열기와; 상기 연료공급관으로부터 기체 연료를 공급받아 연소실로 분출하는 노즐부와; 상기 연료실로 공급되는 공기의 공급통로를 형성하고, 예열기와 연소실, 노즐부를 둘러싸도록 설치되어 예열기와 연소실로부터 방출된 열에 의해 공기의 예열이 이루어지도록 구성되는 공기통로부;를 포함하되, 연소실 내 기체 연료와 공기의 원활한 혼합을 위해, 상기 노즐부는 연소실의 공기유입방향에 대해 수직방향이나 역방향 또는 경사방향으로 기체 연료를 분출하도록 분출방향이 설정된 연료노즐을 구비하여, 상기 연료노즐을 통해 분출된 기체 연료가 연소실로 유입된 공기와 충돌하는 동시에 와류를 형성하여 혼합되도록 된 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 예열가스공급관 및 예열실을 통해 연소실로 예열가스를 공급하고, 연소실로 분출되는 예열가스를 점화기로 점화시켜, 예열가스의 연소열 및 예열실의 방출 열로 기체 연료 및 공기의 이동경로와 연소실을 예열하는 예열 단계와; 연료공급관 및 노즐부를 통해 연소실로 기체 연료를 공급하는 연료 공급 단계와; 공기통로부를 통해 연소실로 공기를 공급하는 공기 공급 단계와; 예열된 기체 연료와 공기가 연소실 내에 계속 공급되어 혼합되는 상태에서 연소실 내 온도가 혼합기의 자기발화 온도로 상승하여 혼합기의 자기발화 및 연소가 이루어지는 자기발화 및 연소 단계;를 포함하되, 노즐부의 연료노즐로부터 기체 연료를 연소실의 공기유입방향에 대해 수직방향이나 역방향 또는 경사방향으로 분출시켜, 기체 연료가 연소실로 유입된 공기와 충돌하는 동시에 와류를 형성하도록 하고, 이 와류에 의해 연소실 내 기체 연료와 공기의 강제 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법을 제공한다.

이에 따라, 상기한 과제 해결 수단에 의하여 다음과 같은 효과가 있게 된다.

1) 사용하는 연료인 기체 연료와 연소 산화제인 공기의 혼합을 극대화하기 위해서 기체 연료가 연소실 내에 분출된 직후 강한 와류를 일으키면서 공기와 충돌되도록 하여, 연소실 내로 유입된 기체 연료와 공기가 원활하게 혼합되도록 함으로써, 연소실 내의 완전 연소 조건을 형성할 수 있게 된다.

2) 연소실 내부를 포함하여 기체 연료와 공기가 유입되는 이동통로를 예열하는 예열기를 구비하여, 기체 연료와 공기가 어느 정도 예열된 상태에서 고온의 연소실로 공급되도록 함으로써, 팽창된 기체 연료와 공기의 혼합을 극대화하는 동시에 연소실 내 고온의 완전 연소 조건을 형성할 수 있게 된다.

3) 와류를 이용해 기체 연료와 공기의 혼합을 극대화하는 동시에 연소실 내 최적의 고온 조건을 형성하여 완전 연소를 유도할 수 있고, 결국 유해 가스 배출의 저감은 물론, 연료의 연소 효율 및 이용 효율의 향상이 가능해진다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 완전 연소 장치를 도시한 사시도로서,
도 1a는 화염이 방출되는 전면부를 포함하여 도시한 전면사시도이고,
도 1b는 기체 연료가 공급되는 연료주입부 및 점화기의 커넥터 등 후면부 구성을 포함하여 도시한 후면사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 완전 연소 장치의 반단면 절개 사시도로서, 내부 구성을 보여주기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 완전 연소 장치의 종단면도로서, 연소 장치 내부에서 연료가 되는 기체 연료와 공기의 이동경로 및 혼합상태, 예열가스의 공급경로를 보여주기 위한 단면도이다.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 연소 장치 110 : 연료공급관
111 : 연료주입부 111a : 입구포트
112 : 연료분출구 120 : 예열기
121 : 예열가스주입부 121a : 입구포트
122 : 예열가스공급관 123 : 예열가스분출구
124 : 예열실 125 : 예열가스 노즐
126 : 점화기 127 : 점화봉
128 : 커넥터 130 : 노즐부
131 : 노즐바디 132 : 노즐캡
133 : 연료실 134 : 연료노즐
140 : 공기통로부 141 : 하우징
142 : 공기주입구 143 : 공기유입부
144 : 중간삽입관 145 : 내부관
145a : 공기분출구 146a, 146b, 146c : 밀폐부재
148 : 공기유로 148a : 제1공기유로
148b : 제2공기유로 149 : 쉬라우드
150 : 연소실 151 : 자기발화부

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 완전 연소 장치(100)를 도시한 사시도로서, 도 1a는 화염이 방출되는 전면부를 포함하여 도시한 전면사시도이고, 도 1b는 기체 연료가 공급되는 연료주입부(111) 및 점화기(126)의 커넥터(128) 등 후면부 구성을 포함하여 도시한 후면사시도이다.

첨부한 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 완전 연소 장치(100)의 반단면 절개 사시도로서, 내부 구성을 보여주기 위한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 완전 연소 장치(100)의 종단면도로서, 연소 장치(100) 내부에서 기체 연료(F)와 공기(A)의 이동경로 및 혼합상태, 예열가스(P.F)의 공급경로를 보여주기 위한 단면도이다.

본 발명은 기체 연료를 완전 연소시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 사용하는 연료인 기체 연료(F)와 연소 산화제인 공기(A)의 혼합을 극대화하기 위해서 기체 연료(F)가 연소실(150) 내에 분출된 직후 강한 와류를 일으키면서 공기(A)와 충돌되도록 하여, 연소실(150) 내로 유입된 기체 연료와 공기가 원활하게 혼합되도록 함으로써, 연소실(150) 내의 완전 연소 조건을 형성할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서 상기한 연소실(150) 내 와류의 발생은 기체 연료(F)를 연소실(150)로의 공기유입방향에 대해서 수직방향이나 역방향 또는 소정 각도의 경사방향으로 분출시킴으로써 실현되며, 기체 연료(F)가 연료노즐(134)을 통해 연소실(150)로 분출됨과 동시에 팽창되어 공기(A)(이 역시 연소실 내에서 팽창된 상태가 됨)와 혼합되고, 이렇게 공기(A)와 혼합된 상태에서 연소실(150) 내 형성된 고온 조건에 의해 혼합기의 자기발화가 일어나면서 연소가 일어나게 된다. 연소실(150)로 분출된 기체 연료(F)는 공기(A)와 충돌하는 동시에 와류를 형성하여 공기와의 혼합이 극대화될 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 연소 장치(100)는 연소실(150) 내부를 포함하여 기체 연료(F)와 공기(A)가 유입되는 이동통로를 예열하는 예열기(120)를 구비하여, 기체 연료(F)와 공기(A)가 어느 정도 예열된 상태에서 고온의 연소실(150)로 공급되도록 구성된다.

본 발명에서 기체 연료(F)는, 액체 연료(폐유 등)가 연소 장치(100) 내 고온에서 기화되어 발생하는 기체를 말하는 것이 아니라, 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG)와 같이 별도 가스화 공정을 거쳐 연료로 제공되는 기체를 말한다.

우선, 본 발명에 따른 연소 장치(100)의 구성에 대해 살펴보면, 중앙에 기체 연료(F)가 공급되는 연료공급관(110)이 배치된다.

그리고, 연료공급관(110)의 후미에는 기체 연료(F)가 주입되어 공급될 수 있도록 연료주입부(111)가 결합되어 설치되며, 이 연료주입부(111)의 입구포트(111a) 에는 외부의 가스공급부(LPG 가스통 등)(미도시됨)로부터 연결된 연료호스(미도시됨)가 호스연결용 피팅부품(미도시됨)을 매개로 연결된다.

이에 가스공급부로부터 공급된 연료, 즉 LPG나 LNG, 메탄가스, 바이오가스 등의 기체 연료(F)가 연료호스 및 연료주입부(111)를 통해 연료공급관(110)의 내부로 공급될 수 있으며, 연료공급관(110)의 내부로 주입된 기체 연료(F)는 관 내부에서 길이방향(축방향)을 따라 전방으로 이동하여 공급되게 된다.

연료공급관(110)의 전단부에는 공급된 기체 연료(F)가 배출되는 연료분출구(112)가 형성되어 구비된다.

또한 기체 연료(F)와 공기(A)가 혼합된 혼합기의 자기발화가 가능한 온도까지 연소실(150) 내부를 초기 예열하고 연료공급관(110)의 내부를 통해 공급되는 기체 연료(F) 및 연소실(150)로 공급되는 공기(A)를 예열하기 위한 예열기(120)가 연료공급관(110) 외곽 주변으로 설치 구성된다.

본 발명에 따른 연소 장치(100)에서 예열기(120)는 연료로 사용하는 기체 연료(F) 및 산화제로 사용하는 공기(A)의 이동경로와 그 주변을 일정 시간 동안 예열하고 연소실(150)로 분출된 예열가스(P.F)의 연소를 통해서 연소실(150) 내부 역시 함께 예열하여 자기발화가 가능한 고온 조건을 미리 형성시켜주는데 사용 목적이 있다.

예열기(120)는 예열가스주입부(121)를 통해 주입된 예열가스(P.F)를 하기 예열실(124)로 공급하는 예열가스공급관(122)과, 상기 예열가스공급관(122)으로부터 공급된 예열가스(P.F)가 연소실(150)로 공급되도록 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)과 연통된 예열실(124)과, 상기 예열실(124)로부터 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)로 분출되는 예열가스(P.F)를 점화하기 위한 점화기(126)를 포함하여 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 바람직한 실시예에서, 연료공급관(110)의 외곽 주변을 소정 간극을 가지고 둘러싸도록 예열가스공급관(122)이 설치된다.

또한 예열가스공급관(122)의 외곽 주변으로는 소정 용적의 내부공간을 가지도록 예열가스공급관(122)을 둘러싸는 예열실(124)이 형성되고, 예열실(124) 내부의 예열가스공급관(122)에는 예열가스(P.F)가 예열가스공급관(122) 내부로부터 예열실(124) 내부로 분출되어 공급될 수 있도록 다수개의 예열가스분출구(123)가 형성 구비된다.

또한 예열실(124)의 전단부에는 예열가스(P.F)가 연소실(150)로 분출되어 공급될 수 있도록 예열가스노즐(125)이 형성되어 구비된다.

그리고, 예열가스공급관(122)의 후미에는 예열가스(P.F)가 주입되어 공급될 수 있도록 예열가스주입부(121)가 결합되어 설치되며, 이 예열가스주입부(121)의 입구포트(121a)에는 외부의 가스공급부로부터 연결된 예열가스용 호스(미도시됨)가 호스연결용 피팅부품(미도시됨)을 매개로 연결된다.

예열가스(P.F)로는 연료로 사용하는 기체 연료(F)와 동일한 가스를 사용할 수 있는데, 가스공급부로부터 별도의 호스(예열가스용 호스)를 예열가스주입부(121)로 연결하여, 예열가스(P.F)가 가스공급부로부터 예열가스용 호스 및 예열가스주입부(121)를 통해 예열가스공급관(122)으로 공급되도록 한다.

예열가스공급관(122)의 내부로 공급된 예열가스(P.F)는 연료공급관(110)의 주변을 통과하여 이동하는 동안 예열가스분출구(123)를 통해 예열실(124)로 공급되며, 예열실(124)로 투입된 예열가스(P.F)는 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)로 공급될 수 있게 된다.

상기 예열가스공급관(122)은 연료공급관(110)의 후단부에서 전단부에 걸쳐 연료공급관(110)의 외곽 주변을 따라 길게 둘러싸도록 설치되며, 이때 예열실(124)은 예열가스공급관(122)의 외곽 주변을 따라 예열가스주입부(121) 바로 앞쪽부터 연소실(150) 내측으로 길게 설치된다.

본 발명의 연소 장치(100)에서 연료공급관(110)과 예열가스공급관(122)은 동축상에서 안팎으로 배치되는 이중관 구조로 설치될 수 있으며, 예열실(124) 또한 연료공급관(110)과 예열가스공급관(122)의 동축상에 위치되는 원통 구조로 설치될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 예열실(124)의 전단부는 원추형 구조로 형성되어 연소실(150) 내측으로 삽입된 구조로 설치될 수 있으며, 이때 전단의 경사면에 연소실(150)로 예열가스가 투입되는 예열가스노즐(125)이 형성되어 구비된다.

연료공급관(110)의 전단부에는 노즐부(130)가 고정 설치되는데, 노즐부(130)는 연료공급관(110)을 통해 공급되는 기체 연료를 연소실(150)로 투입하는 구성부로서, 상호 조립된 노즐바디(131)와 노즐캡(132)을 포함하여 구성된다.

노즐바디(131)는 연료공급관(110)의 전단부 외곽측에 고정 설치되는데, 직접적으로 고정되는 부위로서 보다 명확히는 연료공급관(110)의 외측으로 설치된 예열가스공급관(122)의 외주면상에 고정되어 장착되고, 노즐캡(132)은 노즐바디(131)의 전면에 고정되어 노즐부(130)를 구성하게 된다.

상기 노즐바디(131)와 노즐캡(132)은 기체 연료(F)가 연소실(150)로 공급될 수 있도록 연료 경로를 형성하는 구성부로, 노즐부(130)를 구성하는 노즐바디(131)와 노즐캡(132)에 의해 연료공급관(110)의 전단부에는 연료분출구(112)를 통해 분출된 기체 연료(F)가 통과하게 되는 밀폐된 연료실(133)이 형성된다.

즉, 노즐부(130) 내부에 밀폐된 구조의 연료실(133)이 형성되는 것으로, 연료실(133) 내에 연료공급관(110)의 연료분출구(112)가 위치되며, 상기 연료분출구(112)를 통해 연료공급관(110)의 내부와 연료실(133)의 내부가 연통되는 구조로 되어 있다.

노즐캡(132)은 연료분출구(112)를 포함하여 연료공급관(110)의 전단부 끝단을 둘러싸도록 설치되고, 노즐바디(131)와 조합된 상태에서 노즐캡(132)의 내부공간이 밀폐된 연료실(133)을 형성하게 된다.

연료실(133)은 연료공급관(110)을 통해 공급된 기체 연료(F)가 연료분출구(112)를 통해 분출된 뒤 노즐바디(131)에 관통 형성된 연료노즐(134)로 유입되기 전에 통과하게 되는 밀폐된 공간으로서, 연료공급관(110)에서 연료분출구(112)를 통해 분출된 기체 연료(F)가 연료실(133)을 통과한 뒤 노즐바디(131)의 연료노즐(134)을 통해 연소실(150)로 투입되게 된다.

노즐바디(131)와 노즐캡(132)으로 구성되는 노즐부(130)에서, 노즐바디(131)의 후면부는 후방으로 가면서 외경이 작아지는 원추형 구조로 형성되어, 노즐바디(131)의 후면부는 경사면으로 되어 있으며, 노즐캡(132)의 전면부는 전방으로 가면서 외경이 작아지는 원추형 구조로 형성되어, 노즐캡(132)의 전면부 역시 경사면으로 되어 있다.

도 3을 참조하면, 노즐바디(131)와 노즐캡(132)이 조합된 노즐부(130)의 전체적인 종방향 단면 형상은, 전, 후면이 각각 원추를 형성하는 경사면이고 측면(원주면)이 주변의 쉬라우드(149)와 일정 간극을 유지하는 육각 단면 형상임을 볼 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 노즐부(130)와 쉬라우드(149)는 연소 장치(100)의 전면부를 형성하는 구성부가 되는데, 연소 장치(100)의 전면부는 혼합기(기체 연료+공기)가 발화하여 발생하는 화염이 전방으로 뿜어지는 부위가 되며, 노즐부(130)의 측면과 쉬라우드(149)의 내측면 사이의 공간은 고온의 혼합기가 자기발화하여 연소되는 자기발화부(151)를 형성하게 된다. 이 자기발화부(151)에서 혼합기의 발화 및 연소가 이루어지면서 연소 장치(100)의 전방으로 화염이 뿜어지게 되는 것이다.

노즐바디(131)에 연료실(133)로 공급된 기체 연료(F)를 연소실(150) 내부에 후방으로 투입하는 다수개의 연료노즐(134)이 형성되며, 각 연료노즐(134)은 후방으로 길게 관통하는 다수개의 홀을 노즐바디(131)에 가공함으로써 형성된다.

연료노즐(134)은 노즐바디(131)에서 원주방향의 일정 간격으로 다수개가 설치될 수 있고, 각 연료노즐(134)이 연료실(133)과 연소실(150)을 연통시키는 홀이 된다.

바람직한 실시예에서, 각 연료노즐(134)은 연소실(150) 내부로 투입된 기체 연료(F)의 강력한 와류가 발생될 수 있도록 도 3에 나타낸 바와 같이 연료실(133)로부터 후방 및 경사방향으로 길게 형성될 수 있다.

연소실(150) 내의 강력한 와류 발생을 유도하기 위해서는 기체 연료(F)를 연소실(150)로 분출하는 연료노즐(134)의 방향, 즉 기체 연료(F)의 분출방향이 중요하게 고려되어야 하며, 연소실(150)로 유입되는 공기(A)의 유입방향에 대해 수직방향이나 역방향 또는 소정 각도의 경사방향으로 기체 연료(F)를 분출시킬 수 있도록 연료노즐(134)의 방향이 설정되는 것이 바람직하다.

도시한 실시예에서는 연료노즐(134)의 방향이 연소실(150) 전방에서 후방 및 경사방향으로 기체 연료(F)를 분출하도록 설정되어 있으며, 노즐출구가 연소실(150)로 공기를 분출시키는 공기분출구(145a)를 향하도록 설치되어, 연료노즐(134)을 통해 분출된 기체 연료가 공기분출구(145a)를 통해 유입되는 공기(A)의 유입방향에 대해 경사방향으로 분출될 수 있게 되어 있다.

결국, 연료노즐(134)을 통해 연소실(150) 내 후방 및 경사방향으로, 특히 공기(A)가 유입되는 공기분출구(145a)쪽을 향해 강하게 분출된 기체 연료(F)가, 연소실(150) 내에서 순간 팽창하는 동시에 연소실(150)로 유입된 공기(A)와 충돌하게 되고, 이러한 공기(A)와의 충돌로 인해 연소실(150) 내에서 후방 분출된 기체 연료(F)가 전방으로 역류 및 회전하는 형태가 되어 강한 와류를 형성하게 된다.

이러한 강한 와류 발생으로 연소실(150) 내부에서 기체 연료(F)와 공기(A)의 혼합이 극대화될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 연소 장치(100)는 공기(A)를 연소실(150)로 공급하기 위한 공급경로를 형성하는 공기통로부(140)를 포함하며, 이는 예열기(120)와 연소실(150)을 둘러싸도록 설치되어 예열기(120)와 연소실(150)로부터 방출된 열에 의해 공기의 예열이 이루어질 수 있도록 구성된다.

우선, 연료공급관(110) 및 예열기(120), 연소실(150), 노즐부(130)를 둘러싸도록 연소 장치(100) 외곽으로 하우징(141)이 설치되며, 하우징(141)의 후부 일측으로는 공기주입구(142)가 형성되어 구비된다.

상기 공기주입구(142)는 송풍팬(Fan)(미도시됨)에서 공급되는 공기가 주입되는 부분으로서, 송풍팬으로부터 연결된 덕트나 관(미도시됨)이 연결되는 부분이며, 송풍팬이 공급하는 공기가 이 덕트나 관을 통해 공기주입구(142)로 주입되게 된다.

일측에 공기주입구(142)가 형성된 상기 하우징(141)의 내부공간은 연소실(150)로 공급되는 공기의 이동경로, 즉 공기유로(148)를 형성하게 되는데, 하우징(141) 후부가 예열기(120)의 예열실(124) 주변을 둘러싸도록 설치되므로 공기주입구(142)를 통해 하우징(141) 내부로 주입된 공기가 예열실(124)로부터 방사되는 열에 의해 1차적으로 예열되도록 되어 있다.

하우징(141)의 내부공간에서 예열실(124) 주변의 공간은 공기주입구(142)로 유입된 공기가 통과하는 소정 용적의 공기유입부(143)로서, 이 공기유입부(143)로 유입된 공기가 예열기(120)의 예열실(124)로부터 방사되는 열에 1차 예열이 이루어지면서 팽창하게 된다.

또한 하우징(141)의 내부에는 공기유입부(143)로부터 연소실(150)로 이어지는 공기유로(148)가 형성되는데, 이 공기유로(148)를 형성하기 위해 상기 공기유입부(143) 전방으로는 하우징(141)의 내부에 위치되는 중간삽입관(144)과, 상기 중간삽입관(144)의 내부에 위치되는 내부관(145)이 설치된다.

상기 중간삽입관(144)과 내부관(145)은 동축상에 배치되는 이중관 구조로 하여 하우징(141)의 내부에 고정 설치될 수 있다. 이때 하우징(141)의 전단부와 내부관(145)의 전단부 사이가 밀폐부재(146a)에 의해 밀폐되고, 또한 중간삽입관(144)의 후단부와 내부관(145)의 후단부 사이가 밀폐부재(146b)에 의해 밀폐되어, 하우징(141)과 중간삽입관(144) 사이의 제1공기유로(148a)와 중간삽입관(144)과 내부관(145) 사이의 제2공기유로(148b)가 하나의 유로로 연결된 구조로 되어 있다.

즉, 하우징(141)과 중간삽입관(144)이 제1공기유로(148a)를, 중간삽입관(144)과 내부관(145)이 제2공기유로(148b)를 형성하는 바, 제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b)가 연통되어 하나의 공기유로(148)를 형성하게 되는 것이다.

또한 내부관(145)은 예열실(124)의 전단부 및 노즐부(130)의 노즐바디(131)와 함께 연소실(150)을 형성하는데, 내부관(145)의 내부공간에서도 후측부가 연소실(150)을 형성하며, 그 전측부의 내측면에는 쉬라우드(149)가 고정 설치된다.

쉬라우드(149)는 노즐부(130)의 측면과 소정의 간극을 가지도록 설치되며, 이 간극은 기체 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 자기발화 및 연소가 이루지는 자기발화부(151)가 된다. 상기 자기발화부(151)에서 혼합기의 자기발화 및 연소에 의해 발생한 화염이 연소 장치(100)의 전방으로 방출되도록 되어 있다.

자기발화부(151)는 쉬라우드(149) 내측면과 노즐부(130) 측면 사이의 간극에 의해 형성되는 공간이므로 연소실(150)의 내부용적에 비하여 작은 용적으로 되어 있고, 특히 단면적이 축소된 간극 부분이므로 혼합기의 연소시 열이 쉽게 누적될 수 있는 구조가 된다. 연소시 누적되는 열에 의해 자기발화에 요구되는 고온 유지(800℃)가 가능하여, 연소실(150)로부터 공급되는 혼합기의 지속적인 자기발화 및 연소가 가능한 구조가 된다.

내부관(145)에서 연소실(150)을 형성하는 후측부에는 제2공기유로(148b)에서 연소실(150)로 공기를 분출하는 다수개의 공기분출구(145a)가 형성되며, 제1공기유로(148a)는 하우징(141) 내 예열실(124) 주변의 공기유입부(143)와 연통된 구조가 되는 바, 결국 하우징(141)의 공기주입구(142), 공기유입부(143), 제1공기유로(148a), 제2공기유로(148b), 공기분출구(145a), 연소실(150)로 이어지는 공기유로(148)를 형성하게 된다.

제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b) 내에서 공기(A)의 유동방향은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 역방향이 되며, 제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b)가 모두 연소실(150) 및 노즐부(130), 자기발화부(151) 주변으로 위치되어, 제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b)를 이동하는 공기가 연소실(150) 및 자기발화부(151)로부터 방사되는 열에 의해 고온으로 예열된 후 공기분출구(145a)를 통해 연소실(150)로 투입될 수 있게 되어 있다.

특히, 하우징(141) 내부에 중간삽입관(144)과 내부관(145)이 이중관 구조로 설치되어, 제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b)가 내측의 연소실(150) 및 노즐부(130), 자기발화부(151) 전구간에 걸쳐 안팎의 이중으로 중첩된 유로 구조를 형성하는 바, 제1공기유로(148a)에서 전방으로 흐르는 동안 한번 예열된 공기(A)가 제2공기유로(148b)에서 그 역방향으로(후방으로) 유도되어 흐르면서 추가적으로 가열되는 형태가 되고, 결국 공기분출구(145a)를 통해 연소실(150)로 최종 공급되는 고온의 공기(A)에 의해 연소 중 연소실(150) 내 온도는 완전 연소가 가능한 고온의 조건을 유지할 수 있게 된다.

도시한 실시예에서는 제2공기유로(148b)에서 공기분출구(145a)를 통해 반경방향으로 공기(A)가 투입되도록 되어 있다.

도 3에서 도면부호 146c는 하우징(141)의 공기유입부(143)와 연소실(150)을 구획하면서 연소실(150)을 밀폐하는 밀폐부재로서, 예열실(124)과 내부관(145)의 후단부 사이에 설치되어 연소실(150)을 후방에서 밀폐하는 역할을 하게 된다.

또한 도면부호 126은 점화기를 나타내고, 도면부호 127은 점화기(126)의 점화봉을, 도면부호 128은 점화기(126)의 커넥터를 각각 나타낸다.

상기 점화기(126)는 전기 스파크 방식으로 점화하는 통상의 점화기(126)가 될 수 있는데, 하우징(141) 내부에 삽입되어 설치되며, 이때 점화봉(127)의 전단부가 연소실(150) 내부로 삽입되도록 설치된다.

점화기(126)는 전기 스파크가 발생하는 점화봉(127)의 끝단부가 예열실(124)의 전단부에 형성된 예열가스노즐(125)을 향하도록 설치되는 것이 바람직하며, 후단부의 커넥터(128)에는 점화전류를 인가하기 위한 케이블(미도시)이 연결된다.

본 발명의 연소 장치(100)에서는 가동 초기에 점화기(126)를 이용하여 예열실(124)로 공급된 예열가스(P.F)를 점화시키게 되는데, 예열가스주입부(121), 예열가스공급관(122), 예열실(124), 예열가스노즐(125)의 경로로 연소실(150)에 공급된 예열가스(P.F)를 연료로 사용하여 상기한 점화기(126)를 작동시켜 초기 점화를 시키게 된다.

예열가스(P.F)가 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)로 공급되는 상태에서, 커넥터(128)의 단자를 통해 점화기(126)로 전기신호가 인가되면, 점화기(126)가 작동하면서 점화봉(127)의 끝단에 스파크가 발생되고, 이에 예열가스노즐(125)에서 점화가 이루어지면서 예열실(124) 내부의 예열가스가 연소된다.

이렇게 예열실(124) 내부의 예열가스(P.F)가 연소됨으로써 예열기(120)가 작동하는 바, 연료공급관(110)을 통해 공급되는 기체 연료(F)가 주변의 예열실(124)로부터 전달되는 열에 의해 예열된 후 연소실(150)로 최종 공급되게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연소 장치(100)의 구성에 대해 상세히 설명하였는 바, 다음은 연소 과정을 단계적으로 상세히 설명하기로 한다.

1) 초기 예열 단계

초기 예열을 위한 예열기(120)를 작동시키는 단계이다. 가스공급부로부터 예열가스용 호스를 통해 연소 장치(100)로 예열가스가 공급되도록 하는데, 연소 장치(100)로 공급된 예열가스(P.F)는 예열가스주입부(121), 예열가스공급관(122), 예열실(124)의 경로로 공급되고, 최종적으로는 예열실(124)로부터 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)로 분출된다.

이와 같이 예열가스(P.F)가 공급되는 상태에서 점화기(126)를 작동시켜 점화봉(127)의 스파크로 예열가스를 점화함으로써 예열기(120)를 작동시킨다. 이 예열기(120)의 작동으로 기체 연료(F) 및 공기(A)의 이동경로와 그 주변을 일정 시간 동안 예열하고, 연소실(150)로 분출된 예열가스(P.F)의 연소를 통해서 연소실(150) 내부 역시 예열하여 자기발화가 가능한 고온 조건을 미리 형성시켜준다.

예열기(120)의 작동은 점화기(126)를 작동시켜 연소실(150)로 분출된 예열가스(P.F)를 점화시키는 것으로부터 시작되는데, 커넥터(128)의 단자를 통해 점화기(126)로 전기신호를 인가하여 점화봉(127) 끝단에 스파크가 발생되도록 하고, 이 스파크에 의해 예열가스노즐(125)을 통해 분출되는 예열가스가 점화되도록 한다.

이렇게 예열가스(P.F)의 점화가 이루어지면, 연소실(150)과 예열실(124) 내부의 예열가스가 연소되면서, 예열실(124)로부터 전달되는 열에 의해 기체 연료(F) 및 공기(A)의 이동경로와 그 주변이 예열되고, 연소실(150) 내 고온 조건이 형성될 수 있게 된다.

2) 연료 공급 단계

예열이 이루어지는 상태에서, 가스공급부로부터 연료호스를 통해 연소 장치(100)로 기체 연료가 공급되도록 하며, 연소 장치(100)로 공급된 기체 연료(F)는 연료주입부(111), 연료공급관(110), 연료실(133)의 경로로 공급되어, 최종적으로는 연료실(133)로부터 연료노즐(134)을 통해 연소실(150)로 분출된다.

상기의 경로를 통해 기체 연료(F)가 연소실(150)로 공급되는 동안, 예열실(124)을 포함하는 예열기(120)의 작동으로 기체 연료의 예열이 이루어지는데, 연료공급관(110)을 이동하는 동안 기체 연료의 1차적인 예열 및 팽창이 이루어지고, 연소실(150)로 분출될 때 기체 연료의 급격한 팽창이 이루어진다.

물론, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 연료공급관(110)이 연소실(150) 내측 중앙을 관통하는 구조로 되어 있으므로, 후술하는 연소 단계에서는 고온 조건으로 유지되는 연소실(150)의 열이 연료공급관(110)에 전달되어, 연소 중 연료공급관(110)을 이동하는 기체 연료가 연소실(150)의 열에 의해서도 예열된다.

3) 공기 공급 단계

송풍팬을 가동하여 덕트를 통해 연소 장치(100)로 공기가 공급되도록 하며, 연소 장치(100)로 공급된 공기(A)는 하우징(141)의 공기주입구(142), 공기유입부(143), 제1공기유로(148a), 제2공기유로(148b)의 경로로 공급되어, 최종적으로는 제2공기유로(148b)에서 공기분출구(145a)를 통해 연소실(150)로 분출된다.

상기의 경로를 통해 공기(A)가 연소실(150)로 공급되는 동안, 예열실(124)을 포함하는 예열기(120)의 작동으로 공기의 예열이 이루어지는데, 하우징(141) 내 공기유입부(143)와 제1 및 제2공기유로(148b)(예열되는 연소실로부터 열 공급이 이루어짐)에서 공기의 예열 및 팽창이 이루어지고, 이후 연소실(150)로 분출될 때 공기의 추가적인 팽창이 이루어진다(공기의 응집력이 작아짐).

물론, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1공기유로(148a)와 제2공기유로(148b)가 연소실(150)과 자기발화부(151) 주변으로 배치되므로, 이후의 연소 단계에서는 고온의 연소 조건으로 유지되는 연소실(150) 및 자기발화부(151)의 열이 제1 및 제2공기유로(148a,148b)로 전달되어, 상기 연소실(150) 및 자기발화부(151)의 열에 의해 제1 및 제2공기유로(148a,148b)를 통과하는 공기(A)가 예열된다.

이러한 공기 공급 단계는 예열 단계에 앞서 미리 실시할 수도 있다.

4) 기체 연료와 공기의 혼합, 자연발화 개시 및 연소 단계

기체 연료(F)와 공기(A)가 혼합되어 연소실(150)을 통과함으로써 자기발화가 일어나고, 이후 혼합기가 연소되는 단계이다.

예열가스(P.F)의 점화가 이루어지고 기체 연료(F)와 공기(A)가 연소실(150)에 공급되는 상태에서, 연료노즐(134)을 통해 연소실(150)로 분출되는 기체 연료(F)는 공기분출구(145a)를 통해 유입되는 공기(A)와 충돌되면서 강제 혼합되고, 이때 연소실(150)로의 공기유입방향에 대해 경사방향(또는 수직방향이나 역방향)으로 기체 연료(F)가 분출되면서 강한 와류가 발생한다. 이와 같이 연소실(150) 내로 분출된 기체 연료(F)와 공기(A)의 부피가 팽창함과 동시에 강한 와류에 의해 잘 혼합되면서, 연소실(150) 내 기체 연료와 공기의 혼합이 극대화될 수 있게 된다.

또한 초기 예열 및 예열가스의 연소열 누적으로 인해 연소실(150) 내 온도가 상승하여 자기발화가 가능한 고온 조건(800℃ 이상)이 형성되면, 자기발화부(151)에서 혼합기의 자기발화가 일어나게 되고, 이에 연소 장치(100)의 전면부(자기발화부)로부터 화염이 방출된다.

이후 자기발화부(151)에서 연소시 누적된 열에 의해 자기발화에 요구되는 고온 유지가 가능하게 되고, 연소실(150) 내에서도 열 누적에 의해 지속적인 고온 유지가 가능해진다. 자기발화부(151)는 노즐부(130)와 쉬라우드(149) 사이의 단면적이 축소된 간극 부분이므로 연소열이 쉽게 누적될 수 있는 구조이다.

상기한 바와 같이 연소실(150) 내에서 와류에 의해 기체 연료(F)와 공기(A)의 혼합이 극대화되고 혼합기의 자기발화가 가능한 고온 조건이 유지되면(완전 연소 조건 형성), 연소실(150) 내에서의 불완전연소가 최대한 억제되어 연소 효율이 극대화되고, 완전 연소가 실현될 수 있게 된다.

고온으로 유지되는 연소실(150) 내의 충돌 와류는 서로 다른 성분으로 구성된 층을 작은 공간에서 팽창시켜 기체의 혼합을 극대화하며, 혼합기가 고온의 연소실(150)을 통과하게 되면서 자기발화가 일어나 완전 연소가 실현되게 된다. 완전 연소가 이루어지면, 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 발생을 억제할 수 있고, 이에 환경오염을 최소화할 수 있게 된다.

연소 중에는 연소실(150) 및 자기발화부(151)에서 발생하는 열에 의해 연료공급관(110)의 기체 연료(F)와 하우징(141) 내 제1공기유로(148a) 및 제2공기유로(148b)의 공기(A)가 예열된 뒤 연소실(150)로 투입될 수 있다(연소실로 뜨거워진 공기가 공급). 따라서, 연소실(150) 내 혼합기의 자기발화 및 연소가 개시되고 나면 예열기(120)의 작동을 정지시켜 초기 예열을 중단한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 와류를 이용해 기체 연료(F)와 공기(A)의 혼합을 극대화하는 동시에 연소실(150) 내 최적의 고온 조건을 형성하여 완전 연소를 유도할 수 있고, 결국 유해 가스 배출의 저감은 물론, 연료의 연소 효율 및 이용효율의 향상이 가능해진다.

Claims (17)

1. 연소실(150)로 공급되는 기체 연료(F)가 이동하는 연료공급관(110)과;
   기체 연료(F)와 공기(A)가 혼합된 혼합기의 자기발화가 가능한 온도로 연소실(150) 내부를 예열하고, 상기 연료공급관(110)의 기체 연료(F)와 연소실(150)로 공급되는 공기(A)를 예열하기 위한 예열기(120)와;
   상기 연료공급관(110)으로부터 기체 연료(F)를 공급받아 연소실(150)로 분출하는 노즐부(130)와;
   상기 연소실(150)로 공급되는 공기(A)의 공급통로를 형성하고, 예열기(120)와 연소실(150), 노즐부(130)를 둘러싸도록 설치되어 예열기(120)와 연소실(150)로부터 방출된 열에 의해 공기(A)의 예열이 이루어지도록 구성되는 공기통로부(140);
   를 포함하되,
   연소실(150) 내 기체 연료(F)와 공기(A)의 원활한 혼합을 위해, 상기 노즐부(130)는 연소실(150)의 공기유입방향에 대해 수직방향이나 역방향 또는 경사방향으로 기체 연료(F)를 분출하도록 분출방향이 설정된 연료노즐(134)을 구비하여, 상기 연료노즐(134)을 통해 분출된 기체 연료(F)가 연소실(150)로 유입된 공기(A)와 충돌하는 동시에 와류를 형성하여 혼합되도록 된 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 예열기(120)는,
   예열가스주입부(121)를 통해 주입된 예열가스(P.F)를 하기 예열실(124)로 공급하는 예열가스공급관(122)과;
   상기 예열가스공급관(122)으로부터 공급된 예열가스(P.F)가 연소실(150)로 공급되도록 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)과 연통된 예열실(124)과;
   상기 예열실(124)로부터 예열가스노즐(125)을 통해 연소실(150)로 분출되는 예열가스(P.F)를 점화하기 위한 점화기(126);
   를 포함하며,
   상기 예열가스공급관(122)은 연료공급관(110)의 외곽 주변을 둘러싸도록 설치되고, 상기 예열실(124)은 예열가스공급관(122)의 외곽 주변을 둘러싸도록 형성되며, 상기 예열가스공급관(122)에 예열가스(P.F)가 예열실(124)로 분출되어 공급되는 예열가스분출구(123)가 형성된 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 예열가스공급관(122)과 예열실(124)이 연료공급관(110)과 동축상에 설치되는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐부(130)는,
   상기 연료공급관(110)의 전단부 외곽측에 고정 설치되는 노즐바디(131)와;
   상기 노즐바디(131)의 전면에 고정되는 노즐캡(132);
   을 포함하되,
   상기 노즐바디(131)와 노즐캡(132)이 서로 조립된 상태에서 연료공급관(110)의 연료분출구(112)를 통해 공급된 기체 연료(F)가 통과하게 되는 밀폐된 연료실(133)을 형성하고,
   상기 연료실(133)로 공급된 기체 연료(F)가 연소실(150)로 분출되도록 상기 노즐바디(131)에 연료실(133)과 연소실(150)을 연통하는 연료노즐(134)이 형성된 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 노즐캡(132)은 연료분출구(112)를 포함하여 연료공급관(110)의 전단부 끝단을 둘러싸도록 설치되어, 상기 노즐바디(131)와 조합된 노즐캡(132)의 내부공간이, 연료공급관(110)의 연료분출구(112)가 내부에 위치되는 상기 밀폐된 연료실(133)을 형성하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 연소실(150)은 노즐부(130)와 공기통로부(140)가 형성하는 공간으로서, 상기 연료공급관(110)이 연소실(150) 내측을 관통하는 구조로 되어 있고,
   상기 공기통로부(140) 내측면에 설치된 쉬라우드(149)와 노즐부(130) 측면이 혼합기의 자기발화 및 연소, 화염 분출이 일어나는 자기발화부(151)를 형성하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 노즐부(130)가 그 측면을 둘러싸는 쉬라우드(149)와 소정 간극을 유지하는 구조로 설치되어, 연소열 누적이 용이하도록, 쉬라우드(149) 내측면과 노즐부(130) 측면 사이의 단면적이 축소된 간극 부분이 상기 자기발화부(151)를 형성하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
8. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 연료노즐(134)은 노즐부(130) 내에서 후방 및 경사방향으로 길게 형성되어, 노즐출구에서 후방으로 분출된 기체 연료(F)가 연소실(150) 내 공기(A)와 충돌하여 전방으로 역류 및 회전하는 형태의 와류를 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
9. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 연료노즐(134)은 노즐출구가 공기통로부(140)의 연소실(150) 내 공기분출구(145a)를 향하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기통로부(140)는,
    상기 연료공급관(110) 및 예열기(120), 연소실(150), 노즐부(130)를 둘러싸도록 설치되는 하우징(141)을 설치하고,
    상기 하우징(141)의 내부에 공기주입구(142)로 유입된 공기(A)를 통과시켜 예열기(120)에 의해 1차 예열되도록 하는 공기유입부(143)와, 상기 공기유입부(143)를 통과한 공기(A)를 연소실(150) 및 노즐부(130) 주변으로 통과시켜 예열후 최종 연료실(133)로 공급하는 공기유로(148)를 형성하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 공기유로(148)는 하우징(141)의 내부에서 공기유입부(143) 전방으로 중간삽입관(144)과 내부관(145)을 이중관 구조로 설치함으로써 연소실(150) 및 노즐부(130) 주변에 안팎의 이중으로 중첩된 유로 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하우징(141)의 전단부와 내부관(145)의 전단부 사이가 밀폐부재(146a)에 의해 밀폐되고, 상기 중간삽입관(144)의 후단부와 내부관(145)의 후단부 사이가 밀폐부재(146b)에 의해 밀폐되어, 상기 하우징(141)과 중간삽입관(144) 사이의 제1공기유로(148a)와 상기 중간삽입관(144)과 내부관(145) 사이의 제2공기유로(148b)가 하나의 유로로 연결된 공기유로(148)를 형성하고,
    상기 내부관(145)에 제2공기유로(148b)에서 연소실(150)로 공기(A)를 분출하기 위한 공기분출구(145a)가 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 장치
13. 예열가스공급관 및 예열실을 통해 연소실로 예열가스를 공급하고, 연소실로 분출되는 예열가스를 점화기로 점화시켜, 예열가스의 연소열 및 예열실의 방출 열로 기체 연료 및 공기의 이동경로와 연소실을 예열하는 예열 단계와;
    연료공급관 및 노즐부를 통해 연소실로 기체 연료를 공급하는 연료 공급 단계와;
    공기통로부를 통해 연소실로 공기를 공급하는 공기 공급 단계와;
    예열된 기체 연료와 공기가 연소실 내에 계속 공급되어 혼합되는 상태에서 연소실 내 온도가 혼합기의 자기발화 온도로 상승하여 혼합기의 자기발화 및 연소가 이루어지는 자기발화 및 연소 단계;
    를 포함하되,
    노즐부의 연료노즐로부터 기체 연료를 연소실의 공기유입방향에 대해 수직방향이나 역방향 또는 경사방향으로 분출시켜, 기체 연료가 연소실로 유입된 공기와 충돌하는 동시에 와류를 형성하도록 하고, 이 와류에 의해 연소실 내 기체 연료와 공기의 강제 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 연료 공급 단계에서, 기체 연료가 예열실 및 예열가스공급관 내측의 연료공급관을 통해 공급되도록 하여 예열실의 방출 열에 의해 예열된 뒤 연소실로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법.
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기 공급 단계에서, 상기 공기통로부로 유입된 공기가 예열실 주변의 공기유입부를 통과하도록 하여 예열실의 방출 열에 의해 1차 예열 및 팽창이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 공기유입부를 통과한 공기가 연소실 및 노즐부 주변의 공기유로를 통과하도록 하여, 연소실 내 혼합기의 자기발화 및 연소가 이루어지는 동안에는 연소실의 방출 열에 의해 예열된 뒤 연료실에 최종 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법.
17. 청구항 13에 있어서,
    상기 연료노즐은 노즐부 내에서 후방 및 경사방향으로 길게 형성하여, 노즐출구에서 후방으로 분출된 기체 연료가 연소실 내 공기와 충돌하여 전방으로 역류 및 회전하는 형태의 와류를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 연료의 완전 연소 방법.

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