KR101777320B1 - 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소기(combustor)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 농후연소(Rich Burn)와 희박연소(Lean Burn)에 따른 연소방식을 필요에 따라 전환하거나 병행하여 구현할 수 없는 데 더하여, 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)을 구현하기 위하여 추가적인 구성을 부가하여야 함으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 다단 연소방식으로 구성되어 단일의 연소기에서 농후연소(rich burn)와 희박연소(lean burn)를 선택적으로 수행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하고, 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)을 위한 별도의 구성이 필요 없이 FGR과 같은 효과를 얻을 수 있도록 구성되어 기존의 연소방식에 비해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있는 동시에, 적어도 둘 이상의 연소실 중 하나의 연소실의 형상을 벤츄리 형태로 형성하고, 공기주입구에 선회를 주는 것에 의해 연소기 구조를 개선하여 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기가 제공된다.
Description
본 발명은 연소기(combustor)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 다단 연소방식으로 구성되어 단일의 연소기에서 농후연소(rich burn)와 희박연소(lean burn)를 선택적으로 수행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)을 위한 별도의 구성이 필요 없이 FGR과 같은 효과를 얻을 수 있도록 구성되어 기존의 연소방식에 비해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하는 것에 의해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 동시에, 적어도 둘 이상의 연소실 중 하나의 연소실의 형상을 벤츄리 형태로 형성하고, 공기주입구에 선회를 주는 것에 의해 연소기 구조를 개선하여 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기에 관한 것이다.
종래, 일반적으로, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 연료전지용 개질기와 가열기 및 가스터빈(Gas Turbine) 등과 같은 여러 분야에 걸쳐 연소기(Combustor)가 널리 사용되고 있다,
또한, 이러한 연소기는, 연료를 연소시켜 동력을 얻는 구조적인 특징상 연비, 즉, 열효율과 같은 연소효율의 개선을 통하여 전체적인 성능을 향상시키는 것과 함께, 최근에는 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 질소산화물(NOx)과 같은 공해물질의 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 연소기에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1450867호에 따르면, 연료 및 공기분사 개구로 유도되는 연료 및 공기통로를 포함하는 연료 공기 분사 메커니즘을 구비하며, 연료 및 공기분사 개구는 가스터빈 연소기의 종방향의 유동축에 대하여 편심 위치에 역류 방향으로 배치되어 있도록 구성됨으로써, 연소기 내에서 연료와 공기의 혼합을 용이하게 할 수 있도록 구성되는 역류 분사 메커니즘을 구비한 가스 터빈 연소기가 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 연소기에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 국제공개특허공보 WO 2011/05893110호에 따르면, 가스터빈 연소기 및 가스터빈에 있어서, 연소기 내통에 대하여, 연소용 고압공기를 공급하는 공기통로와, 연료를 공급하는 파일럿노즐, 메인연료노즐, 톱햇노즐(top-hat nozzle)과, 필름공기(냉각용 공기)를 공급하는 개구부를 마련하는 동시에, 연소기 내통에 있어서의 연소 가스의 유동방향의 하류부 내벽면에 둘레방향을 따라서 축소부재를 마련하고, 이 축소부재를 필름공기의 흐름을 혼란시키지 않는 관통부를 제외하는 둘레방향에 있어서 소정 영역에 마련함으로써, 일산화탄소 등의 발생을 억제 가능하게 하는 동시에 불안정 연소의 발생을 억제 가능하도록 구성되는 가스 터빈 연소기 및 가스 터빈이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 연소기에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 국제공개특허공보 WO 2009/084587호에 따르면, 연소화염을 생성하는 내측 예혼합기 생성부 및 외측 예혼합기 생성부와, 이들 예혼합기 생성부를 내부에 가지는 내통과, 내통과 터빈의 입구부를 접속하는 미통을 구비하고, 외측 예혼합기 생성부가 내측 예혼합기 생성부의 외주를 둘러싸고 배치되며, 내측 예혼합기 생성부와 외측 예혼합기 생성부는 원통 형상의 스월러 링을 사이에 두고 배치되고, 예혼합기 생성부의 예혼합기 생성부 출구의 내벽면 중 연소기의 직경방향 외측의 내벽면이 직경 방향 내측의 내벽면보다도 연소화염의 축 방향으로 연장되어 있도록 구성되어, 예혼합기 생성부의 연소화염이 연장된 직경 방향 외측의 내벽면을 따라 매끄럽게 신장되고 미통의 축 방향으로 분산되어 안정화됨으로써, 연소진동의 발생이 억제될 수 있도록 구성되는 가스터빈의 연소기가 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 연소기에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0810033호에 따르면, 연소기와, 연소기의 출구에 설치되어 연소기에서 배출되는 예혼합가스가 점화되어 화염이 형성되는 연소실 및 재순환 통로를 포함하고, 상기한 연소기는 하단부에 외부로부터 연료가 유입되는 연료유입구와 외부로부터 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되며 상단부에 연료와 공기가 혼합된 예혼합가스가 배출되는 출구가 형성되는 연소기 본체, 연소기 본체 내부에 설치되며 연료유입구를 통해 유입되는 연료와 공기유입구를 통해 유입되는 공기가 혼합되어 예혼합가스가 형성되는 예혼합실 및 연소기 본체 내부에 설치되며 예혼합실에서 혼합된 예혼합가스를 출구로 분사시키는 헤드부를 포함하며, 상기한 재순환 통로는 연소실과 헤드부가 형성되는 연소기 본체를 연결하도록 설치되어 연소실에서 연소된 배기가스의 일부가 헤드부로 유입되도록 구성됨으로써, 연소실 내의 화염의 평균온도를 저하시키거나 산소 농도를 낮게 하여 NOx의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 배기 재순환 예혼합 연소장치가 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 연소기에 관련하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 연소기들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 일반적으로, 종래의 연소기들은, NOx와 같은 공해물질의 저감을 위해 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 공급함으로써 연소가스 유량을 증대시키는 것에 의해 화염의 온도를 낮추거나 산소 농도를 감소시켜 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되는 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR) 시스템을 구비하고 있으나, 이러한 배기가스재순환(FGR)을 구현하기 위해서는 기존의 연소기 구조에 추가적인 구성을 부가하여야 하며, 즉, 하류로 배출되는 고온의 배가스(Flue gas)를 상류의 연소기로 재순환시켜 공급하기 위해서는 배관 등으로 구성되는 유로가 필요하고, 경우에 따라서는 펌프, 블로어 등의 추가 동력이 요구되므로, 연소기 전체의 구성이 복잡해지고 그만큼 비용이 증가하며, 시스템 효율이 감소하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연소기들은, 기본적으로, 예를 들면, 농후연소(Rich Burn) 또는 희박연소(Lean Burn) 중 하나의 연소방식으로만 운전이 가능하고, 이러한 서로 다른 연소방식을 필요에 따라 전환하거나 병행하여 구현할 수 없는 경우가 대부분이었던 한계가 있는 것이었다.
즉, 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 병행하여 구현할 수 있다면, 이들 연소방식의 조합을 통하여 NOx와 같은 공해물질을 저감하거나, 별도의 추가적인 구성을 설치하지 않고도 배기가스재순환(FGR)과 같은 효과를 얻을 수 있도록 하는 것이 가능할 것으로 기대되나, 상기한 바와 같은 종래기술의 연소기들은 이와 같이 복합적인 연소방식을 구현할 수 있는 구성에 대하여는 제시된 바 없었다.
아울러, 상기한 바와 같이 NOx와 같은 공해물질의 저감을 위하여는, 연소기 내부에서의 혼합특성 및 기존의 시스템에 적용을 용이하게 할 수 있도록 연소기 구조를 구성하는 것이 바람직하나, 종래기술의 연소기들은 이와 같이 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 구성에 대하여도 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 하나의 장치로 농후연소와 희박연소를 병행하는 것과 같은 복합적인 연소방식의 구현이 어렵고, 또한, NOx와 같은 공해물질의 저감을 위한 배기가스재순환(FGR)을 구현하기 위해서는 별도의 추가적인 구성이 필요한 단점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위하여는, 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행할 수 있도록 구성되어 농후연소와 희박연소를 병행하는 것에 의해 NOx와 같은 공해물질을 저감하는 동시에, 별도의 추가적인 구성이 필요 없이 연소방식의 전환만으로 FGR과 같은 NOx 저감효과를 얻을 수 있도록 구성되는 것에 더하여, 연소기 구조의 개선을 통하여 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 연소기를 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1450867호 (2014.10.07.)
2. 국제공개특허공보 WO 2011/05893110호 (2011.05.19.)
3. 국제공개특허공보 WO 2009/084587호 (2009.07.09.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0810033호 (2008.02.27.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 농후연소(Rich Burn)와 희박연소(Lean Burn)에 따른 연소방식을 필요에 따라 전환하거나 병행하여 구현할 수 없는 데 더하여, 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)을 구현하기 위하여 추가적인 구성을 부가하여야 함으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결하기 위해, 다단 연소방식으로 구성되어 단일의 연소기에서 농후연소(rich burn)와 희박연소(lean burn)를 선택적으로 수행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)을 위한 별도의 구성이 필요 없이 FGR과 같은 효과를 얻을 수 있도록 구성되어 기존의 연소방식에 비해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하는 것에 의해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 동시에, 적어도 둘 이상의 연소실 중 하나의 연소실의 형상을 벤츄리 형태로 형성하고, 공기주입구에 선회를 주는 것에 의해 연소기 구조를 개선하여 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기에 있어서, 연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 제 1 연소실; 및 상기 제 1 연소실의 후단에 연결되어 상기 제 1 연소실에서 1차로 연소된 가스와 추가로 공급되는 공기 또는 추가로 공급되는 연료 또는 추가로 공급되는 공기와 연료가 2차로 연소되는 제 2 연소실을 포함하여 구성되고, 상기 제 1 연소실에 연료와 공기를 주입하여 1차로 연소시킨 후 생성된 1차 연소가스가 상기 제 2 연소실로 공급되고, 상기 제 2 연소실에 추가로 공기나 연료 또는 연료와 공기를 주입하여 2차 연소를 진행시키며, 각각의 연소단계에서 주입되는 연료와 공기의 양을 조절하는 것에 의해 상기 제 1 연소실과 상기 제 2 연소실에서 농후연소(rich burn)와 희박연소(lean burn)를 선택적으로 구현할 수 있도록 구성됨으로써, 단일의 연소기에서 연소방식의 조합을 통하여 혼합특성을 향상시켜 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, 추가적인 구성이 필요 없이 배기가스재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR)의 효과를 유도할 수 있도록 구성되어, 기존의 연소방식에 비해 NOx를 포함하는 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기가 제공된다.
여기서, 상기 연소기는, 상기 제 1 연소실에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 연료의 이론당량비에 해당하는 공기량에 비해 공기를 적게 공급하여 연소시키는 농후연소를 통해 발생된 고온의 혼합기를 상기 제 2 연소실로 이동시키고, 상기 제 2 연소실에서 2차 연소시, 상기 제 2 연소실의 후류에서 추가로 공급된 공기가 상기 제 2 연소실의 내외벽 사이의 유로를 따라 상류로 이동하면서 벽면을 냉각시킨 후 상기 제 2 연소실에 공급되어 상기 제 1 연소실에서 농후연소된 상태로 이동되어온 혼합공기와 만나 희박연소가 발생됨으로써, 상기 제 1 연소실에서 농후연소 후 상기 제 2 연소실에서 희박연소를 병행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx와 같은 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소기는, 상기 제 1 연소실에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 연료의 이론당량비에 해당하는 공기량에 비해 공기를 많이 공급하여 희박연소 조건으로 연소를 행하여 1차로 희박연소된 고온의 배가스(Flue gas)를 상기 제 2 연소실로 이동시키고, 상기 제 2 연소실에서 2차 연소시, 상기 제 1 연소실에서 희박연소된 고온의 배기가스 형태로 상기 제 2 연소실에 공급되는 상기 배가스에 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 주입하여 희박연소를 행함으로써, 상기 제 1 연소실에서 희박연소 후 상기 제 2 연소실에서도 다시 희박연소를 행하는 것에 의해 상기 FGR을 위한 별도의 구성을 설치할 필요 없이 배기가스를 재순환하는 상기 FGR의 효과를 유도하여 NOx를 포함하는 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 연소실은, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 1 연소실 내벽; 상기 제 1 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 1 연소실 외벽; 상기 제 1 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 1 연소실의 후류에 설치되는 제 1 연료주입구; 외부공기를 공급하기 위해 상기 제 1 연소실 외벽에 형성되는 제 1 공기주입구; 및 상기 제 1 연소실 내벽과 상기 제 1 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 1 연소실에 공급되는 제 1 연소용 공기가 상기 제 1 연소실의 벽면을 냉각한 후 상기 제 1 연소실 내부로 주입되도록 상기 제 1 연소실 내벽의 상기 제 1 공기주입구의 타측에 형성되는 제 1 연소용 공기주입구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 제 2 연소실은, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽; 상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽; 상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부; 상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구; 외부공기를 공급하기 위해 상기 제 2 연료주입구 보다 후류에 형성되는 제 2 공기주입구; 상기 제 2 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 이동하여 상기 제 2 연소실 내부로 유입되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 형성되는 제 2 연소용 공기주입구; 및 상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 연소기는, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽; 상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽; 상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부; 상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구; 상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부; 및 상기 제 1 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 2 연소실 배기부가 형성된 부분까지 이동한 후 상기 제 2 연소실 내부로 유입되는 것에 의해 상기 제 1 공기주입구를 통하여 공급된 공기가 벽면을 냉각하면서 공급되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 형성되는 제 2 연소용 공기주입구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 제 2 연소기는, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽; 상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽; 상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부; 상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구; 상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부; 상기 제 1 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 2 연소실 내부로 직접 유입되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 상기 제 1 공기주입구와 연통되어 형성되는 제 2 연소용 공기주입구; 및 상기 제 1 공기주입구를 통하여 공급된 공기가 벽면을 냉각하면서 공급되도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 상기 제 2 연소실 배기부 부분까지 연장하여 형성되는 유로상에 형성되는 복수의 관통홀 또는 막냉각이나 충돌냉각을 포함하는 냉각수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 2 연소용 공기주입구는, 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되어 상기 제 1 연소실 측의 벽면에 인접하여 형성됨으로써, 상기 제 2 연소실 내부에 반경방향 선회류를 형성하도록 구성되거나, 또는, 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되어 상기 제 1 연소실 측의 벽면과의 사이에 공간을 두고 형성됨으로써, 상기 제 2 연소실 내부에 축류형 선회류를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 제 2 연소실 배기부는, 출구단 부분의 형태가 직선 형태나, 각진 형태, 또는, 곡선 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기는, 각각의 상기 제 1 연소기 및 상기 제 2 연소기에 공급되는 연료공급 형태가 반경 방향 또는 축 방향으로 공급되거나, 또는, 상기 제 2 연소기에는 연료가 공급되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하기 위한 연소기의 운전방법에 있어서, 상기에 기재된 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기를 이용하여 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하도록 구성됨으로써, 각각의 연소실에서 수행되는 연소방식의 조합을 통하여 혼합특성을 향상시켜 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, FGR을 위한 별도의 구성을 설치할 필요 없이 상기 FGR의 효과를 유도하여 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 운전방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다단 연소방식으로 구성되어 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, 배기가스재순환(FGR)을 위한 별도의 구성이 필요 없이 FGR과 같은 효과를 얻을 수 있도록 구성되어 기존의 연소방식에 비해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 저감할 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기가 제공됨으로써, 농후연소와 희박연소에 따른 연소방식을 필요에 따라 전환하거나 병행하여 구현할 수 없는 데 더하여, FGR을 구현하기 위하여 추가적인 구성을 부가하여야 함으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 있었던 종래기술의 연소기들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하는 것에 의해 NOx와 같은 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 동시에, 적어도 둘 이상의 연소실 중 하나의 연소실의 형상을 벤츄리 형태로 형성하고, 공기주입구에 선회를 주는 것에 의해 연소기 구조를 개선하여 혼합특성 및 적용의 용이성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기가 제공됨으로써, FGR을 위한 별도의 구성이 필요 없이 간단한 구성만으로 종래에 비해 NOx와 같은 공해물질을 더욱 크게 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 1 실시예로서 NOx와 같은 공해물질을 저감하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 2 실시예로서 FGR 효과를 구현하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 제 2 연소실 배기부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연료공급 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 1 실시예로서 NOx와 같은 공해물질을 저감하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 2 실시예로서 FGR 효과를 구현하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 제 2 연소실 배기부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연료공급 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 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.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 크게 나누어, 연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 제 1 연소실(11)과, 제 1 연소실(11)의 후단에 연결되어 제 1 연소실(11)에서 1차로 연소된 혼합가스를 2차로 재연소시키는 제 2 연소실(12) 및 제 2 연소실(12)의 후단에 연결되어 2차 연소 후의 연소가스를 배출하기 위한 배기부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 제 1 연소실(11)에는, 연료를 공급하기 위한 제 1 연료주입구(14)와 공기를 공급하기 위한 제 1 공기주입구(15)가 설치되고, 제 2 연소실(12)에는, 연료를 공급하기 위한 제 2 연료주입구(16)와 공기를 주입하기 위한 제 2 공기주입구(17)가 설치되며, 이때, 제 2 연료주입구(16)는 필요에 따라 설치되지 않을 수도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 제 1 연소실(11)에 연료와 공기를 주입하여 1차로 연소시키고, 제 2 연소실(12)에서 다시 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 추가로 주입하여 2차 연소시키며, 이때, 각각의 연소단계에서 주입되는 연료와 공기의 양을 적절히 조절함으로써, 농후연소(Rich Burn)와 희박연소(Lean Burn)를 선택적으로 구현하고, 그것에 의해, 연소방식의 조합만으로 NOx와 같은 공해물질을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 추가적인 구성이 없이도 배기가스재순환(FGR)의 효과를 유도하여 NOx와 같은 공해물질의 발생을 효과적으로 저감할 수 있다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 1 실시예로서 NOx와 같은 공해물질을 저감하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, NOx를 저감하는 연소방법은, 먼저, 제 1 연소실(11)에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 이론당량비의 공기량보다 공기량을 적게 공급되도록 하여 농후연소 조건으로 연소를 행하고, 이와 같이 농후연소된 고온의 혼합기를 제 2 연소실(12)로 이동시킨 후, 제 2 연소실(12)에 공기를 주입하여 전체 이론당량비의 공기량보다 공기량이 많이 공급되도록 하여 희박연소를 유도한다.
따라서 상기한 바와 같이 제 1 연소실(11)에서 농후연소 후 제 2 연소실(12)에서 희박연소를 행함으로써(Rich Burn - Lean Burn), 제 2 연소실(12)에 공급되는 혼합공기는 1차 농후연소에 의해 연료가 남아있는 상태로 공급되므로, 제 2 연소실(12) 내에서 공기 또는 공기와 연료를 주입하여 희박연소시 배기부(13)로 배출되는 배기가스 내에 포함되는 NOx와 같은 공해물질을 저감할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 연소동작의 제 2 실시예로서 FGR 효과를 구현하는 연소방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, FGR 효과를 구현하는 연소방법은, 먼저, 제 1 연소실(11)에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 도 2에 나타낸 제 1 실시예와 달리, 이론당량비의 공기량보다 공기량이 많이 공급되도록 하여 희박연소 조건으로 연소를 행하고, 이와 같이 희박연소된 고온의 혼합기를 제 2 연소실(12)로 이동시킨 후, 제 2 연소실 내(12)에도 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 주입하여 마찬가지로 희박연소를 유도한다.
따라서 상기한 바와 같이 제 1 연소실(11)에서 희박연소 후 제 2 연소실(12)에서도 다시 희박연소를 행함으로써(Lean Burn - Lean Burn), 제 2 연소실(12)에 공급되는 혼합공기는 1차로 희박연소된 배기가스 형태로 공급되므로, 제 2 연소실(12) 내에서 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 주입하여 희박연소시 기존의 배기가스를 재순환하는 FGR과 같은 효과가 유도될 수 있으며, 그것에 의해, FGR을 위한 별도의 구성을 설치하지 않고도 FGR과 동일 내지 유사하게 배기부(13)로 배출되는 배기가스 내에 포함되는 NOx를 저감할 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 각각의 연소실(11, 12)에 공기를 주입시, 사이클론(Cyclone) 효과 및 선회에 의한 혼합특성 향상에 의해 각 연소실(11, 12) 내부 전체에서 고르게 연소가 일어나도록 구성될 수 있다.
즉, 도 4 내지 도 9를 참조하면, 도 4 내지 도 9는 각각 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 제 1 연소실(11)의 구체적인 구성은, 도 4 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 1 연소실 내벽(41), 제 1 연소실 내벽(41)의 외측에 형성되는 제 1 연소실 외벽(42), 제 1 연소실(11) 내부에 연료를 공급하기 위한 제 1 연료주입구(14), 외부공기를 공급하기 위해 제 1 연소실 외벽(42)에 형성되는 제 1 공기주입구(15) 및 제 1 공기주입구(15)를 통하여 주입된 공기가 제 1 연소실 내벽(41)과 제 1 연소실 외벽(42) 사이의 공간을 따라 이동하여 제 1 연소실(11) 내부로 유입되도록 제 1 연소실 내벽(41)의 제 1 공기주입구(15)의 타측에 형성되는 제 1 연소용 공기주입구(43)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제 2 연소실(12)은, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽(44), 제 2 연소실 내벽(44)의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽(45), 제 2 연소실(12) 내부에 연료를 공급하기 위한 제 2 연료주입구(16), 외부공기를 공급하기 위해 제 2 연소실 외벽(45)에 형성되는 제 2 공기주입구(17), 제 2 공기주입구(17)를 통하여 주입된 공기가 제 2 연소실 내벽(44)과 제 2 연소실 외벽(45) 사이의 공간을 따라 이동하여 제 2 연소실(12) 내부로 유입되도록 제 2 연소실 내벽(44)의 제 2 공기주입구(17)의 타측에 형성되는 제 2 연소용 공기주입구(46), 제 2 연소실 내벽(44)의 일단 측이 제 1 연소실(11)의 후단과 연결되어 제 1 연소실(11)에서 1차로 연소된 1차 연소가스가 제 2 연소실(12) 내부로 유입되도록 형성되는 제 2 연소실 입구부(47) 및 제 2 연소실(12)에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 배기구(48)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 제 1 연료주입구(14)는 제 1 연소실(11)의 후류에 설치되고, 제 1 연소용 공기주입구(43)는 제 1 연료주입구(14)보다도 후류에 설치되어, 제 1 연소실(11) 내부로 돌출되어 있는 제 2 연소실 입구부(47)의 과열을 방지할 수 있도록 구성될 수 있으며, 제 2 연료주입구(16)는 제 2 연소실(12) 후류에 설치되고, 제 2 연소용 공기주입구(46)는, 도시되지는 않았으나, 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되며, 제 2 연료주입구(16)보다도 후류에 설치되어 제 2 연소실(12) 내부로 돌출되어 있는 배기구(48)의 과열을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다.
아울러, 제 1 연소용 공기주입구(43)는, 제 1 연소실 내벽(41)과 제 1 연소실 외벽(42) 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 연소기의 최상류에 위치한 제 1 공기주입구(15)와 연결되도록 구성됨으로써, 제 1 연소실(11)에 공급되는 제 1 연소용 공기가 제 1 연소실(11)의 벽면을 냉각한 후 제 1 연소실(11) 내부로 주입되도록 구성될 수 있으며, 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되는 제 2 연소용 공기주입구(46)는, 제 2 연소실 내벽(44)과 제 2 연소실 외벽(45) 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 제 2 연소실(12) 상류부에 위치한 제 2 공기주입구(17)와 연결되도록 구성됨으로써, 제 2 연소실(12)에 공급되는 제 2 연소용 공기가 제 2 연소실(12) 벽면을 냉각한 후 제 2 연소실(12) 내부로 주입될 수 있도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 제 2 연소실 입구부(47)는, 제 1 연소실(11) 내부로 돌출되어 형성됨으로써 제 1 연소실(11) 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 제 2 연소실(12)로 유출되지 않고 제 1 연소실(11) 상류를 거쳐서 나오도록 하여 제 1 연소실(11) 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 제 2 연소실(12)로 유입되도록 하는 것에 의해 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 각각의 연소실(11, 12)이 내벽과 외벽을 가지는 이중관 형태로 형성됨으로써, 제 1 공기주입구(15)에 공기를 주입하면 제 1 연소실 내벽(41)과 제 1 연소실 외벽(42) 사이의 공간을 따라 반대측의 제 1 연소용 공기주입구(43)까지 이동하여 제 1 연소실(12) 내부로 진입하면서 제 1 연소실(11) 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과에 의해 연소실 전체에 걸쳐 유동이 고르게 분포하게 되고, 그것에 의해, 안정적인 연소를 유도할 수 있다.
마찬가지로, 제 2 연소실(12)에 있어서도, 제 2 공기주입구(17)에 공기를 주입하면 제 2 연소실 내벽(44)과 제 2 연소실 외벽(45) 사이의 공간을 따라 반대측의 제 2 연소용 공기주입구(46)까지 이동하여 제 2 연소실(12) 내부로 진입하며, 이때, 제 2 연소용 공기주입구(46)의 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되는 것에 의해 제 2 연소실(12) 내부에서도 연소실 전체에 걸쳐 유동이 고르게 발생하게 되고, 또한, 제 1 연소실(11)에서 1차 연소된 연소 배가스가 제 2 연소실 입구부(47)를 통하여 제 2 연소실 내부로 진입하여 2차 연소가 이루어진 후 제 2 연소실 배기부(48)를 통해 배기부(13)로 배출됨으로써, 연소실 전체에 걸쳐 안정적인 연소를 유도할 수 있다.
이때, 제 2 연소실(12)에 있어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 2 연소용 공기주입구(46)를 제 1 연소실(11)의 벽면에 인접하여 형성함으로써 연소실 내부에 반경방향 선회류를 형성하도록 구성되거나, 또는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 1 연소실(11)의 벽면과의 사이에 공간을 두고 제 2 연소용 공기주입구(46)를 형성함으로써 연소실 내부에 축류형 선회류를 형성하도록 구성될 수 있다.
즉, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같은 구성으로부터, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)를 이용하면, 연소용 공기와 연료가 각 연소실(11, 12)의 내부 벽면을 따라 하류에서 상류로 이동하는 것에 의해, 각각의 연소실(11, 12) 중심부를 따라 상류에서 하류로 이동하는 연소 배가스와 열 및 물질 전달이 활발해지게 되어 NOx와 같은 공해물질의 저감을 원활하게 하고, 배가스재순환(FGR) 연소가 안정적으로 이루어지도록 구성됨으로써, 높은 연소 효율을 달성하고 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 더욱 저감할 수 있도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 제 1 연소실(11)에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 이론당량비에 해당하는 공기량보다 공기량을 적게 공급하여 연소시키는 농후연소를 통해 발생된 고온의 혼합기를 제 2 연소실(12)로 이동시키고, 제 2 연소실(12)에서 2차 연소시, 제 2 연소용 공기주입구(46)를 통하여 추가로 공급된 공기가 농후연소된 상태로 제 1 연소실(11)에서 이동되어온 혼합공기와 만나 2차 희박연소가 발생됨으로써, 제 1 연소실(11)에서 농후연소 후 제 2 연소실(12)에서 희박연소를 병행하는 것에 의해 NOx와 같은 공해물질의 발생이 저감될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 제 1 연소실(11)에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 연료의 이론당량비에 해당하는 공기량에 비해 많은 공기량을 공급하여 연소시키는 희박연소를 통해 발생된 고온의 배가스(Flue gas)를 제 2 연소실(12)로 이동시키고, 제 2 연소실(12)에서 2차 연소시, 제 1 연소실(11)에서 희박연소된 고온의 배기가스 형태로 제 2 연소실(12)에 공급되는 배가스에 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 주입하여 희박연소를 행함으로써, 제 1 연소실(11)에서 희박연소 후 제 2 연소실(12)에서도 다시 희박연소를 행하는 것에 의해 FGR을 위한 별도의 구성을 설치할 필요 없이 배기가스를 재순환하는 FGR의 효과를 유도하여 NOx를 포함하는 공해물질을 더욱 저감할 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 구성에 따르면, 각각의 제 1 연소실(11) 및 제 2 연소실(12)에 공기 및 연료를 주입시, 사이클론(Cyclone) 효과 및 선회효과에 의해 각각의 제 1 연소실(11) 및 제 2 연소실(12) 내부의 벽면을 따라 하류에서 상류로 이동하는 제 1 연소용 공기와 연료 및 제 2 연소용 공기와 연료가 각각의 연소실의 중심부를 따라 상류에서 하류로 이동하는 연소 배가스와 열 및 물질의 전달을 촉진하며, 제 2 연소실(12)에 공기 및 연료를 주입시 선회효과에 의해 제 2 연소실 중심부를 따라 상류에서 하류로 이동하는 연소 배가스와 열 및 물질의 전달을 촉진하는 것에 의해 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하는 동시에, 배가스재순환(FGR) 연소가 안정적으로 이루어지도록 구성됨으로써, 연소효율 개선 및 NOx를 포함하는 공해물질 발생을 더욱 저감할 수 있다.
여기서, 도 4 및 도 5에 나타낸 실시예에서는, 각각의 연소실(11, 12)에 공기주입구(15, 17) 및 연료주입구(14, 16)가 각각 형성되어 있는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니다.
즉, 도 6 내지 도 9를 참조하면, 도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 다른 실시예의 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 6 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 제 2 연소실(12)에 제 2 공기주입구(17)가 형성되지 않고, 제 1 연소실 내벽(41)과 제 1 연소실 외벽(42) 사이의 공간을 통해 형성되는 유로가 제 2 연소실 내벽(44)과 제 2 연소실 외벽(45) 사이의 공간을 통하여 형성되는 유로와 연통되어, 제 1 공기주입구(15)를 통하여 공급된 공기가 제 2 연소실 내벽(44)과 제 2 연소실 외벽(45) 사이의 공간을 따라 이동하여 제 2 연소실(12) 내부로 공급되도록 구성될 수도 있다.
이때, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 제 1 공기주입구(15)를 통하여 공급되는 공기가 제 2 연소실 배기부(48)까지 이동한 다음 제 2 연소용 공기주입구(46)로 돌아오도록 유로를 형성함으로써, 제 1 공기주입구(15)를 통하여 공급된 공기가 벽면을 냉각하면서 공급되도록 구성될 수 있다.
또한, 이와 같이 제 2 연소실(12)에 제 2 공기주입구(17)가 형성되지 않는 경우에도, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제 2 연소용 공기주입구(46)를 제 1 연소실(11)의 벽면에 인접하여 형성함으로써 연소실 내부에 반경방향 선회류를 형성하도록 구성되거나, 또는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제 1 연소실(11)의 벽면과의 사이에 공간을 두고 제 2 연소용 공기주입구(46)를 형성함으로써 연소실 내부에 축류형 선회류를 형성하도록 구성될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 1 공기주입구(15)를 통하여 공급되는 공기가 제 2 연소실 배기부(48)까지 이동하지 않고 제 2 연소용 공기주입구(46)로 직접 공급되도록 구성될 수도 있으며, 이러한 경우는, 제 2 연소실 배기부(48)까지 유로를 연장하여 형성하고 벽면에 복수의 관통홀을 형성하거나, 또는, 막냉각이나 충돌냉각을 포함하는 냉각수단을 구비하여, 제 1 공기주입구(15)를 통하여 공급된 공기가 벽면 및 라이너를 냉각하면서 공급되도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 10을 참조하면, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 제 2 연소실 배기부(48)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 10a 내지 도 10c에 나타낸 바와 같이, 제 2 연소실 배기부(48)는, 도 10a에 나타낸 바와 같은 직선 형태나, 도 10b에 나타낸 바와 같은 각진 형태, 또는, 도 10c에 나타낸 바와 같은 곡선 형태로 형성될 수도 있는 등, 출구 화염의 형상을 제어하기 위하여 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)의 연료공급 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11a 내지 도 11d에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기(10)는, 각각의 연소기(11, 12)에 공급되는 연료가 반경 방향이나 축 방향으로 공급되거나, 또는, 제 2 연소기(12)에는 연료가 공급되지 않을 수도 있는 등, 필요에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기를 구현할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 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. 연소기 11. 제 1 연소실
12. 제 2 연소실 13. 배출부
14. 제 1 연료주입구 15. 제 1 공기주입구
16. 제 2 연료주입구 17. 제 2 공기주입구
41. 제 1 연소실 내벽 42. 제 1 연소실 외벽
43. 제 1 연소용 공기주입구 44. 제 2 연소실 내벽
45. 제 2 연소실 외벽 46. 제 2 연소용 공기주입구
47. 제 2 연소실 입구부 48. 제 2 연소실 배기부
12. 제 2 연소실 13. 배출부
14. 제 1 연료주입구 15. 제 1 공기주입구
16. 제 2 연료주입구 17. 제 2 공기주입구
41. 제 1 연소실 내벽 42. 제 1 연소실 외벽
43. 제 1 연소용 공기주입구 44. 제 2 연소실 내벽
45. 제 2 연소실 외벽 46. 제 2 연소용 공기주입구
47. 제 2 연소실 입구부 48. 제 2 연소실 배기부
Claims (11)
- 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기에 있어서,
연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 제 1 연소실; 및
상기 제 1 연소실의 후단에 연결되어 상기 제 1 연소실에서 1차로 연소된 가스와 추가로 공급되는 공기 또는 추가로 공급되는 연료 또는 추가로 공급되는 공기와 연료가 2차로 연소되는 제 2 연소실을 포함하여 구성되고,
상기 제 2 연소실은,
연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽;
상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽;
상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부;
상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구;
상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부;
상기 제 1 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 2 연소실 내부로 직접 유입되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 상기 제 1 공기주입구와 연통되어 형성되는 제 2 연소용 공기주입구; 및
상기 제 1 공기주입구를 통하여 공급된 공기가 벽면을 냉각하면서 공급되도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 상기 제 2 연소실 배기부 부분까지 연장하여 형성되는 유로상에 형성되는 복수의 관통홀 또는 막냉각이나 충돌냉각을 포함하는 냉각수단을 포함하여 구성되며,
상기 제 2 연소용 공기주입구는,
주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되어 상기 제 1 연소실 측의 벽면에 인접하여 형성됨으로써, 상기 제 2 연소실 내부에 반경방향 선회류를 형성하도록 구성되거나,
또는, 주입구가 선회를 주어 혼합특성을 향상시킬 수 있는 구조로 형성되어 상기 제 1 연소실 측의 벽면과의 사이에 공간을 두고 형성됨으로써, 상기 제 2 연소실 내부에 축류형 선회류를 형성하도록 구성되고,
상기 연소기는,
각각의 상기 제 1 연소실 및 상기 제 2 연소실에 공급되는 연료공급 형태가 반경 방향 또는 축 방향으로 공급되거나, 또는, 상기 제 2 연소실에는 연료가 공급되지 않도록 구성되며,
상기 제 1 연소실에 연료와 공기를 주입하여 1차로 연소시킨 후 생성된 1차 연소가스가 상기 제 2 연소실로 공급되고, 상기 제 2 연소실에 추가로 공기나 연료 또는 연료와 공기를 주입하여 2차 연소를 진행시키며, 각각의 연소단계에서 주입되는 연료와 공기의 양을 조절하는 것에 의해 상기 제 1 연소실과 상기 제 2 연소실에서 농후연소(rich burn)와 희박연소(lean burn)를 선택적으로 구현할 수 있도록 구성되는 동시에,
상기 제 1 연소실에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시 연료의 이론당량비에 해당하는 공기량에 비해 공기를 적게 공급하여 연소시키는 농후연소를 통해 발생된 고온의 혼합기를 상기 제 2 연소실로 이동시키고, 상기 제 2 연소실에서 2차 연소시 상기 제 2 연소실의 후류에서 추가로 공급된 공기가 상기 제 2 연소실의 내외벽 사이의 유로를 따라 상류로 이동하면서 벽면을 냉각시킨 후 상기 제 2 연소실에 공급되어 상기 제 1 연소실에서 농후연소된 상태로 이동되어온 혼합공기와 만나 희박연소가 발생되도록 구성됨으로써, 상기 제 1 연소실에서 농후연소 후 상기 제 2 연소실에서 희박연소를 병행하는 것에 의해 혼합특성을 향상시켜 NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 연소기는,
상기 제 1 연소실에 공기와 연료를 주입하여 1차 연소시, 연료의 이론당량비에 해당하는 공기량에 비해 공기를 많이 공급하여 희박연소 조건으로 연소를 행하여 1차로 희박연소된 고온의 배가스(Flue gas)를 상기 제 2 연소실로 이동시키고,
상기 제 2 연소실에서 2차 연소시, 상기 제 1 연소실에서 희박연소된 고온의 배기가스 형태로 상기 제 2 연소실에 공급되는 상기 배가스에 공기 또는 연료 또는 공기와 연료를 주입하여 희박연소를 행함으로써,
상기 제 1 연소실에서 희박연소 후 상기 제 2 연소실에서도 다시 희박연소를 행하는 것에 의해 FGR을 위한 별도의 구성을 설치할 필요 없이 배기가스를 재순환하는 FGR의 효과를 유도하여 NOx를 포함하는 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 제 3항에 있어서,
상기 제 1 연소실은,
연소를 위한 공간을 형성하는 제 1 연소실 내벽;
상기 제 1 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 1 연소실 외벽;
상기 제 1 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 1 연소실의 후류에 설치되는 제 1 연료주입구;
외부공기를 공급하기 위해 상기 제 1 연소실 외벽에 형성되는 제 1 공기주입구; 및
상기 제 1 연소실 내벽과 상기 제 1 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 1 연소실에 공급되는 제 1 연소용 공기가 상기 제 1 연소실의 벽면을 냉각한 후 상기 제 1 연소실 내부로 주입되도록 상기 제 1 연소실 내벽의 상기 제 1 공기주입구의 타측에 형성되는 제 1 연소용 공기주입구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 제 4항에 있어서,
상기 제 2 연소실은,
연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽;
상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽;
상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부;
상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구;
외부공기를 공급하기 위해 상기 제 2 연료주입구 보다 후류에 형성되는 제 2 공기주입구;
상기 제 2 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 이동하여 상기 제 2 연소실 내부로 유입되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 형성되는 제 2 연소용 공기주입구; 및
상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 제 5항에 있어서,
상기 제 2 연소실은,
연소를 위한 공간을 형성하는 제 2 연소실 내벽;
상기 제 2 연소실 내벽의 외측에 형성되는 제 2 연소실 외벽;
상기 제 1 연소실 내부에서 1차 연소가 완료된 연소가스가 상기 제 2 연소실로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 연소실 내벽의 일단 측이 상기 제 1 연소실 내부로 돌출되어 상기 제 1 연소실의 후단과 연결되는 것에 의해 상기 제 1 연소실 후류에서 주입되는 연료와 공기가 곧바로 상기 제 2 연소실로 유입되지 않고 상기 제 1 연소실 상류를 거쳐서 유입되도록 하여 상기 제 1 연소실 내부에서 사이클론(Cyclone) 효과가 유도될 수 있도록 이루어지는 제 2 연소실 입구부;
상기 제 2 연소실 내부에 연료를 공급하기 위해 상기 제 2 연소실 후류에 설치되는 제 2 연료주입구;
상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된 2차 연소가스를 배출하기 위한 제 2 연소실 배기부; 및
상기 제 1 공기주입구를 통하여 주입된 공기가 상기 제 2 연소실 내벽과 상기 제 2 연소실 외벽 사이의 공간에 형성되는 유로를 통해 상기 제 2 연소실 배기부가 형성된 부분까지 이동한 후 상기 제 2 연소실 내부로 유입되는 것에 의해 상기 제 1 공기주입구를 통하여 공급된 공기가 벽면을 냉각하면서 공급되도록 상기 제 2 연소실 내벽의 상기 제 2 연소실 입구부 측에 형성되는 제 2 연소용 공기주입구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 삭제
- 삭제
- 제 6항에 있어서,
상기 제 2 연소실 배기부는,
출구단 부분의 형태가 직선 형태나, 각진 형태, 또는, 곡선 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기.
- 삭제
- NOx를 포함하는 공해물질의 발생을 저감하기 위한 연소기의 운전방법에 있어서,
청구항 1항, 청구항 3항 내지 청구항 6항 및 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기를 이용하여 단일의 연소기에서 농후연소와 희박연소를 선택적으로 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연소기의 운전방법.
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| AMND | Amendment | ||
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| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |