KR102018297B1 - 과열증기를 이용한 연소버너장치 - Google Patents

과열증기를 이용한 연소버너장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과열증기를 이용한 연소버너장치에 관한 것으로서, 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과, 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 내관을 에워싸게 형성되어 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과, 내관의 하단과 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과, 제1바닥판의 하방으로 연장되어 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와, 제1바닥판에 장착되며 연료분사노즐과, 증기분사노즐이 마련된 노즐본체와, 연료분사노즐을 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와, 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 권선부분으로부터 연장된 일단은 노즐본체의 증기분사노즐과 연통되게 연결된 가열관과, 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 분무상태로 가열관 내로 공급하는 분무처리부를 구비한다. 이러한 과열증기를 이용한 연소버너장치에 의하면, 초기 워밍업 시간을 단축시킬 수 있고 연소 구조를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

과열증기를 이용한 연소버너장치{Combustion burner apparatus using superheated steam}
본 발명은 과열증기를 이용한 연소버너장치에 관한 것으로서, 상세하게는 과열증기 생성 구조를 개선하여 가동 효율을 향상시킨 연소버너장치에 관한 것이다.
일반적인 연료 연소장치는 연료공급원으로부터 공급되는 연료를 노즐을 통해 분사하고, 분사된 연료가 연소실 내부에서 연소 되게 하는 구조로 되어 있다.
이와 같이 연료만을 직접 연소시키는 연료 연소장치는 연료원 고유의 화력으로 제한되고, 벙커시유와 같은 저렴한 액상 연료를 적용하는 경우 연소시 불완전 연소로 인한 대기오염을 야기시키는 단점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에는 저렴한 액상연료를 물을 가열하여 얻은 고온의 증기와 함께 분사하여 연소시킴으로써 연료의 미분화 및 활성화를 통해 완전연소를 유도하고 화력을 보강하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
즉, 연소되는 화염에 가열되어 물을 증기화 하기 위한 나선형상으로 말아진 금속 코일관과 같은 가열된 증기 발생관을 통과시켜 고압의 증기를 얻고 이를 직접 액상의 연료와 함께 분사하면서 연소 되도록 하는 증기를 이용한 연료 연소장치가 개발된 바 있다. 이처럼 벙커시유와 같은 저렴한 액상연료를 완전 연소시키고 화력을 보강하기 위해서는 수증기가 고온이 되면, 수소와 산소로 해리되는 열분해 성질은 프랑스의 화학자 라부아지에(서기 1743 ~ 1794)가 주장한 원리로 금속관을 고열로 가열하여 적열시키고 그 금속관에 물을 통과시키면 수소가 발생함을 확인한 실험으로 500℃ 정도에서 탄소(C)가 공급되면, 물은 이산화탄소와 수소가스로 분해된다고 알려진바 있다(C + 2H2O →CO2 + 2H2 ↑). 또한, 고온의 수증기와 함께 연료가 고압으로 분사되도록 함으로써 연료는 고온에 의해 활성화된 상태로 미세하게 분사되어 보다 화력이 강해지고, 완전연소를 유도할 수 있게 되는 것이다.
그러나 지금까지 개발된 증기를 이용한 연료 연소장치는 증기 발생관에 물을 공급하기 위해서 별도의 펌핑장치가 요구되고, 펌핑장치에 의한 물의 공급은 무조건 일정한 양이 공급되는 것이어서 증기의 발생량을 자체적으로 조절할 수 없는 단점을 갖는 것이어서 예열 및 점화가 곤란하고, 연료와 증기의 분사량 조절도 곤란할 뿐만 아니라 물의 공급 압력조절이 실패할 경우 증기 발생관에 물이 고이거나 심지어는 연료와 증기가 분사되어야 할 노즐에 물이 분사되는 폐단을 갖는다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-0841803호가 제안되었는바, 이는 고압의 증기를 연료 주입노즐에 동시에 공급하여 연소시키는 기술로서, 증기와 연료가 혼합되어 분사되면서 연소가 이루어지나, 완전 연소의 기능이 떨어져서 열효율 및 열화력 저감과 연소시 공해물질이 배출되는 단점이 있기에 이를 개선 시킬 필요가 있었다.
한편, 등록특허 제10-1292141호에 개시된 연소버너장치는 증기발생관을 초기에 가열하기 위해 연료가스 이외의 가스공급관을 통해 연소시키는 구조로 되어 있어 구조가 복잡하며, 증기발생관 내에 공급된 물이 습증기화되고, 이후 포화증기 및 과열증기로 변화되는 과정을 거쳐야함으로써 공급된 물이 과열증기로 생성되기 까지 시간이 많이 소요되 초기 워밍업 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 초기 워임업 시간을 단축시킬 수 있고 연소 구조를 단순화 할 수 있는 과열증기를 이용한 연소버너장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치는 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과; 상기 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 상기 내관을 에워싸게 형성되어 상기 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과; 상기 내관의 하단과 상기 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 상기 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과; 상기 제1바닥판의 하방으로 연장되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와; 상기 제1바닥판에 장착되며 연료분사노즐과, 증기분사노즐이 마련된 노즐본체와; 상기 연료분사노즐을 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 상기 권선부분으로부터 연장된 일단은 상기 노즐본체의 증기분사노즐과 연통되게 연결된 가열관과; 상기 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 분무상태로 상기 가열관 내로 공급하는 분무처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물을 수관을 통해 공급하는 물공급부와; 상기 수관을 가열하여 1차 예열하는 예열기와; 상기 예열기를 거친 물을 상기 수관으로부터 상기 가열관의 타단 내로 진입되게 설치된 분사관의 노즐을 통해 분무상태로 분출하는 분무기;를 구비한다.
또한, 상기 보조공간에 결합되어 상기 메인연소공간으로 공기를 송풍하는 제1송풍기와; 상기 외관에 접속되어 상기 이격공간을 통해 상기 내관 상부의 공간으로 공기를 공급하는 제2송풍기;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내관의 상부 외주면에는 상기 제2송풍기를 통해 공급된 공기를 간섭하여 나선 형태로 진행되게 상호 이격되게 경사지게 돌출되어 연장된 복수개의 나선 블레이드;를 더 구비할 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 내관 상부의 상기 외관 내부에 설치되며 하부가 넓고 상부가 좁은 중공을 갖으며 외주면에 다수의 통공이 타공된 절두 원추형 질소산화물 저감부재;를 더 구비하며, 상기 질소산화물 저감부재는 내주면이 팔라듐(Pd)으로 코팅되어 있고, 외주면에 로듐(Rh)으로 코팅된 것이 적용된다.
본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치에 의하면, 초기 워밍업 시간을 단축시킬 수 있고 연소 구조를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 본체에 대한 평면도이고,
도 3은 도 1의 나선 블레이드가 형성된 부분을 발췌하여 도시한 부분발췌 절단 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 본체에 대한 평면도이고, 도 3은 도 1의 나선 블레이드가 형성된 부분을 발췌하여 도시한 부분발췌 절단 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치(100)는 본체(110), 노즐본체(150), 가열관(160), 분무처리부(170), 제1송풍기(181), 제2송풍기(182)를 구비한다.
본체(110)는 공급된 연료를 연소할 수 있도록 되어 있고, 내관(121), 외관(131), 제1바닥판(125), 보조공간 형성부(127)를 구비한다.
내관(121)은 메인 연소공간(112)을 형성하며 상방으로 연장되어 있다. 내관(121)은 상하로 관통되며 속이 빈 원통관 형상으로 형성되어 있다.
외관(131)은 내관(121)에 대해 이격되는 이격공간(133)을 형성하도록 내관(121)을 에워싸게 형성되어 내관(121)보다 더 높게 상방으로 연장되어 있다.
외관(131)과 내관(121) 사이의 이격공간(133)은 내관(121)에 대한 단열기능과 함께 제2송풍기(182)를 통해 공급되는 공기에 의해 내관(121) 상부에서의 완전 연소가 이루어질 수 있는 2차 공기 공급경로를 제공한다. 외관(131)의 내관(121) 상부에 연장된 상단은 내경이 점진적으로 좁아지게 형성되어 있다. 외관(131) 상부와 내관(121) 상부는 조립성 및 내부 장착요소의 장착 편의성을 위해 외경이 확장되는 방향으로 연장된 플랜지(136)를 통해 상호 분리 및 결합될 수 있게 형성되어 있다.
제1바닥판(125)은 내관(121)의 하단과 외관(131)의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 이격공간(133)의 하부를 폐쇄시키게 설치되어 있고, 내관(121)의 메인 연소공간(112)과 보조공간(128)은 공기의 유입이 가능하게 연통되게 형성되어 있다.
보조공간 형성부(127)는 제1바닥판(125)의 하방으로 연장되어 메인 연소공간(112)과 연통되는 보조공간(128)을 형성한다. 보조공간 형성부(127)는 노즐본체(150)에 접속되는 요소를 수용할 수 있는 공간도 제공한다.
노즐본체(150)는 제1바닥판(125)의 중앙에 장착되며 연료분사노즐(151)과, 증기분사노즐(153)이 마련되어 있다. 노즐본체(150)는 증기분사노즐(151)이 중앙에 배치되어 있고, 연료분사노즐(153)은 증기분사노즐(151)을 중심으로 원주방향을 따라 3개가 상호 이격되게 배치되어 있다.
연료공급부(155)는 연료분사노즐(153)을 통해 연소용 연료를 공급한다. 연료공급부(155)로부터 연료분사노즐(153)로 접속된 연료공급관(157)에는 연료공급을 조정하는 제1밸브(158)가 장착되어 있다.
점화장치(159)는 연료분사노즐(153)을 통해 분사되는 연료를 초기에 점화할 수 있게 노즐본체(150)에 장착되어 있다.
가열관(160)은 내관(121) 내에 설치된 지지체(165)에 일부가 수용되게 지지되며 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분(160a)을 갖으며 권선부분(160a)으로부터 연장된 일단은 노즐본체(150)의 증기분사노즐(151)과 연통되게 연결되어 있다. 가열관(160)의 타단과 권선부분(160a) 사이에는 직선상으로 연장된 인입부분(160a)이 마련되어 있다.
분무처리부(170)는 가열관(160)의 타단을 통해 접속되어 물을 미립상태로 안개화되게 하는 분무상태로 가열관(160) 내로 공급한다. 분무처리부(170)는 물공급부(172)와, 예열기(174), 고압분사부(175) 및 분사관(176) 및 노즐(177)을 구비한다.
물공급부(172)는 분사관(176)과 직렬상으로 연장된 수관(173)을 통해 물을 공급한다. 물공급부(172)는 물이 저수된 탱크 또는 수관(173)을 통해 물을 공급하는 상용 물공급관 등 다양한 방식으로 구축될 수 있다.
예열기(174)는 수관(173) 외측에 장착되어 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가열하여 1차 예열한다. 예열기(174)는 수관(173)을 에워싸면서 가열할 수 있는 히터 등 다양한 방식으로 가열할 수 있게 구축될 수 있다. 예열기(174)에 의해 가열되는 물의 온도는 장치 규모 및 공급용량과 관련하여 적절하게 적용하면 된다.
고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 수관(173)과 직렬상으로 접속된 분사관(176)의 노즐(177)을 통해 안개와 같은 연무상태로 분무되게 고압상태로 공급한다. 고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가압상태로 펌핑하여 공급하는 펌프가 적용될 수 있다.
분사관(176)은 고압분사부(175)로부터 연장되어 가열관의 타단 내로 진입되게 설치되어 있고 종단에 노즐이 장착되어 있다. 여기서, 고압분사부(175), 분사관(176) 및 노즐(177)이 분무기로서 적용되었다.
참조부호 178은 분사관(176)의 유로를 개폐하는 밸브이다.
제1송풍기(181)는 보조공간 형성부(127)의 하부에 보조공간(128)과 연통되게 마련된 제1송풍관(129)에 결합되어 메인연소공간(112)으로 공기를 송풍한다.
제2송풍기(182)는 외관(131)에 대해 경사지게 접속되어 이격공간(133)과 연통되는 제2송풍관(132)을 통해 접속되어 이격공간(133)을 통해 내관(121) 상부의 공간으로 공기를 공급한다.
나선 블레이드(141)는 내관(121)의 상부 외주면에 제2송풍기(182)를 통해 공급된 공기를 간섭하여 나선 형태로 진행되게 다수개가 상호 이격되게 경사지게 돌출되어 연장되어 있다. 이러한 나선 블레이드(141)들은 나선형태로 소용돌이 치게 공기흐름을 생성함으로써 내관(121) 상부로 진행하는 연소 기체에 대해 2차 연소를 보다 활성화 상태로 촉진시켜 연소효율을 향상시킨다.
질소산화물 저감부재(190)는 내관(121) 상부의 외관(131) 내부에 설치되며 하부가 넓고 상부가 좁은 중공을 갖으며 외주면에 다수의 통공(192)이 타공된 절두 원추형 형상으로 형성되어 있다. 질소산화물 저감부재(190)는 내주면(194)이 팔라듐(Pd)으로 코팅 처리되어 있고, 외주면(196)에 로듐(Rh)으로 코팅처리되어 있다. 이러한 질소산화물 저감부재(190)는 연소과정에서 질소와 산소가 반응하여 불안정한 상태로 생성되는 질소산화물을 질소와 산소로 분해되게 변환시키는 촉매 변환기로서 기능하여 대기오염을 감소시키는 기능을 한다.
이러한, 과열증기를 이용한 연소버너장치에 의하면, 초기에 연료공급부(155)로부터 공급된 연료를 점화장치(159)로 점화하고, 연료의 연소의 의해 가열관(160) 가열되는 상태에서 분사관(176) 및 노즐(177)을 통해 연무상태로 물이 공급됨으로써 가열관(160) 내에서의 과열증기화 되는 과정 및 시간이 대폭 단축된다. 또한, 연소과정에서 생성된 질소산화물도 질소산화물 저감부재(190)에 의해 저감되게 처리된다.
이상에서 설명된 과열증기를 이용한 연소버너장치에 의하면, 초기 워밍업 시간을 단축시킬 수 있고 연소 구조를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 본체 150: 노즐본체
160: 가열관 170: 분무처리부
181: 제1송풍기 182: 제2송풍기

Claims (5)

  1. 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과;
    상기 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 상기 내관을 에워싸게 형성되어 상기 내관보다 더 높게 상방으로 연장되고, 상기 내관보다 더 높게 연장된 상부 부분은 내경이 점진적으로 좁아지게 형성된 외관과;
    상기 내관의 하단과 상기 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 상기 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과;
    상기 제1바닥판의 하방으로 연장되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와;
    상기 제1바닥판에 장착되며 연료분사노즐과, 증기분사노즐이 마련된 노즐본체와;
    상기 연료분사노즐을 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와;
    상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 상기 권선부분으로부터 연장된 일단은 상기 노즐본체의 증기분사노즐과 연통되게 연결된 가열관과;
    상기 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 분무상태로 상기 가열관 내로 공급하는 분무처리부;를 구비하고,
    상기 분무 처리부는
    물을 수관을 통해 공급하는 물공급부와;
    상기 수관을 가열하여 1차 예열하는 예열기와;
    상기 예열기를 거친 물을 상기 수관으로부터 상기 가열관의 타단 내로 진입되게 설치된 분사관의 노즐을 통해 분무상태로 분출하는 분무기;를 구비하며,
    상기 보조공간에 결합되어 상기 메인연소공간으로 공기를 송풍하는 제1송풍기와;
    상기 외관에 경사지게 접속되어 상기 이격공간을 통해 상기 내관 상부의 공간으로 공기를 공급하는 제2송풍기와;
    상기 내관의 상부 외주면에는 상기 제2송풍기를 통해 공급된 공기를 간섭하여 나선 형태로 진행되게 상호 이격되게 경사지게 돌출되어 연장된 복수개의 나선 블레이드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 내관 상부의 상기 외관 내부에 설치되며 하부가 넓고 상부가 좁은 중공을 갖으며 외주면에 다수의 통공이 타공된 절두 원추형 질소산화물 저감부재;를 더 구비하며,
    상기 질소산화물 저감부재는 내주면이 팔라듐(Pd)으로 코팅되어 있고, 외주면에 로듐(Rh)으로 코팅된 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
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