KR102437328B1 - 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법 - Google Patents

내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법 Download PDF

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곽영태
고창복
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Abstract

본 발명은 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 일측이 개방되며 상기 챔버보다 작은 내경을 갖는 출력단과, 상기 산화제 챔버와 상기 출력단 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부가 구비된 산화제공급실; 상기 산화제공급실의 출력단이 감싸도록 구성되며, 내부 중앙부에 구비되어 연료가 공급되는 연료챔버와, 입구단으로 상기 산화제공급실의 산화제가 유입되어 연료와 산화제가 혼합되어 분사되는 복수의 분사채널을 갖는 분사블록; 상기 분사블록의 연료챔버와 각각의 상기 분사채널 사이에 구비되어 상기 연료챔버 내의 연료가 상기 분사채널로 분사되는 연료분사용 오리피스; 및 상기 산화제공급실의 출력단 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성되어 연소에 의한 배기가스를 재순환시키는 내부 재순환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기에 관한 것이다.

Description

내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법{Partially Premixed Annular Rich-Lean Jet Oxygen-enriched Burner with forrced internal flue-gas recirculation}
본 발명은 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 관한 것이다.
종래, 일반적으로, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 연료전지용 개질기와 가열기 및 가스터빈(GasTurbine) 등과 같은 여러 분야에 걸쳐 연소기(Combustor)가 널리 사용되고 있다.
에너지 고갈 문제와 환경문제로 인해 최근 연소시스템인 고효율, 저공해 연소가 필수적이며 이를 구현하기 위해 버너의 성능 향상 연구와 운전방식의 개선을 위한 연소제어 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
기존의 대표적인 저공해 연소기법은 연료다단기술, 공기다단기술, 연소가스 재순환 기술, 연소가스내부재순환기술, 재연소기법, OFA기법 등이 있다. 그러나 이러한 연소기법은 추가 외부장치가 필요하거나 복잡한 구조의 주변장치의 구성이 필요하고, 저공해를 위한 한계가 존재한다는 단점이 있다. 따라서 최근 상기한 단점을 극복하기 위해 다수의 저공해 연소기법을 통합 최적화하는 연소기술이 연구/개발되고 있다.
종래 공개특허 10-2016-0144975는 버너(종래기술 1)에 대한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, MILD 연소가 일어나는 버너에 있어서, 조연제가 공급되는 방출기에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하기 위한 시스템, 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환에 적합한 열교환시스템, 조연제를 포함하고 있거나 또는 포함하지 않은 재순환연도가스 속으로 연료를 직접 주입하기 위한 시스템, 및 조연제 방출기의 출구주위의 영역 내에서 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 형성 및 뒤이어 이 혼합물을 상기 연소실로 도입하는 것을 포함하는 버너에 대해 기재하고 있다.
또한, 공개특허 10-2017-0003052(종래기술 2)는 도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 연소 노즐, 상기 연소 노즐의 상단마다 마련되는 연소 노즐 가이드, 상기 연소 노즐 가이드 상단에 마련되는 엔드 커버, 상기 연소 노즐 각각이 삽입되는 프리믹스 노즐, 상기 프리믹스 노즐 개구를 포함하는 튜브 플레이트 및 상기 튜브 플레이트의 외주면을 감싸는 캡, 을 포함하고 상기 캡은 적어도 하나 이상의 홀을 포함하는 다공성 플레이트인 가스터빈 연소기에 대해 기재하고 있다.
그리고, 등록특허 10-1738946(종래기술 3)는 분할화염기술, 공기다단기술, 연료 부분예혼합기술 및 연료가스 재순환기술을 최적화하여 화염을 구성하므로, 고효율 저공해 연소에 대한 성능이 우수한 연소기에 대해 기재하고 있다. 이러한 종래 초저공해 연소기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합된 연료 및 공기가 연소되어 제1화염을 생성하는 화염생성부; 및 화염생성부의 일부위가 인입되고, 연소실 내 제2화염의 영역으로 연소가스 또는 공기를 공급하는 다단공기공급부를 포함하여 구성된다.
또한, 공개특허 10-2017-0047869 는 연소기(combustor)(종래기술 4)에 관한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 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 연소기에 대한 것이다.
그러나, 종래 연료 및 산화제용 독립 직분사 또는 동축 노즐 구조를 갖는 공업용 연소기의 경우는 운전 연소부하(연료량) 및 공기비(공기량)에 대하여 연료와 산화제의 혼합특성이 결정되기 때문에 연료와 산화제의 혼합 특성을 조절하기 위해서는 분사 노즐의 위치 또는 분사각도 또는 노즐별 분사 운동량 제어를 위한 별도의 제어장치가 요구되는 문제점이 존재한다.
또한, 화염안정성 확보를 위해 선회익(와류용 발생 날개)을 사용하는 공업용 가스연소기 역시, 운전 연소부하(연료량) 및 공기비(공기량)에 대하여 연료와 산화제의 혼합특성이 결정되기 때문에 연료와 산화제의 혼합특성을 제어하기 위해서는 선회익의 각도 또는 연료분사관의 축방향 위치(분사위치) 제어장치가 요구되게 된다. 따라서 종래의 공업용 연소기는 연소특성 제어 운전범위가 매우 제한적이라는 단점이 존재한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본원발명자는 연료 과농­희박 예혼합형 공업용 가스연소기를 제안한 바 있다(등록 특허 제10-2014828호). 도 5는 종래기술 5에 따른 연료 과농­희박 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도, 도 6은 도 5의 A-A 단면도를 도시한 것이다.
연료 과농­희박 예혼합형 공업용 가스연소기는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 산화제공급실(10)과, 분사블록(20), 연료분사용 오리피스(25)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 산화제공급실(10)은 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버(11)와, 일측이 개방되며 상기 챔버보다 작은 내경을 갖는 출력단(12)과, 상기 산화제 챔버(11)와 상기 출력단(12) 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부(13)가 구비된다.
그리고 분사블록(20)은 상기 산화제공급실(10)의 출력단(12)이 감싸도록 구성되며, 내부 중앙부에 구비되어 연료가 공급되는 연료챔버(21)와, 입구단으로 상기 산화제공급실(10)의 산화제가 유입되어 연료와 산화제가 혼합되어 분사되는 복수의 분사채널(22)을 갖는다. 또한 연료분사용 오리피스(25)는 분사블록(20)의 연료챔버(21)와 각각의 상기 분사채널(22) 사이에 구비되어 상기 연료챔버(21) 내의 연료가 분사채널(22)로 분사되도록 구성된다.
이러한 연료 과농­희박 예혼합형 공업용 가스연소기는 일정한 연소부하 및 공기비 운전 조건에서 연소특성(화염형상/배출물) 제어가 가능하고, 일정한 연소부하 및 공기비 운전 조건에서 연소기 출구 원주방향으로 연료 과농/희박 다단 예혼합 가스 형성이 가능하게 된다. 또한 산화제로서 산소를 추가 분사하여 공간적 산소농도를 조절함으로써 화염형상 및 화염온도를 조절할 수 있으며, 교축부를 갖는 산화제 공급실 및 복수개의 분사채널(직선형 또는 나선형)을 갖는 분사 블록과, 분사채널 내로 단수 또는 복수개의 연료분사용 오리피스 형성하여, 분사채널 별 연료분사용 오리피스 직경, 단면, 형태, 개수를 달리하여 연료분사량 차이에 따른 분사채널 별 연료 과농 또는 연료 희박 예혼합 분사로 분사블록 출구단에서 원주방향 다단 예혼합 효과 및 특성을 확보할 수 있게 된다.
질소산화물 총량제 시행에 따라 설비에서 배출되는 질소산화물의 순시 농도 뿐만 아니라 연간 배출량의 총합이 할당량을 초과할 경우 심각한 환경 부담 비용이 발생하게 된다.
이에 따라 철강 분야에서는 SCR 설비와 같은 후처리 설비를 확대 적용하였으나, 강화되는 환경규제에 대응하기 위해서는 연소 시스템 자체에서의 저NOx 배출 특성이 더욱 중요한 상황이다.
복사관 가열시스템의 주요 성능 지표는 턴다운비, 표면온도균일도, NOx 등이다.
종래기술 5에 따른 연료 과농희박 예혼합형 공업용 가스 연소기(등록 특허 10-2014828)를 소둔로의 복사관 가열 시스템에 적용할 경우 연료-산화제 혼합성능 향상에 의해 국부 가열에 의한 복사관 소손이 발생할 우려가 있다.
대한민국 공개특허 10-2016-0144975 대한민국 공개특허 10-2017-0003052 대한민국 등록특허 10-1738946 대한민국 공개특허 10-2017-0047869
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소둔로의 복사관 가열 시스템에 적용할 경우 연료-산화제 혼합성능 향상에 의해 국부 가열에 의한 복사관 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로 연소가스 일부를 다시 복사관 내부에서 재순환 시켜 화염의 온도를 낮출 수 있고, 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있으며, 내부 재순환관의 S, L, δ, θ 등의 형상 최적화를 통해 내부 재순환 가스의 비율을 조절하여, 복사관 벽면의 균일도를 향상 시킬 수 있고, 내부 재순환관의 출구교축부의 각도(θ)의 조절읕 통해 출구단의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관의 온도 균일화를 향상 시킬 수 있는, 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 예혼합형 공업용 가스연소기로서, 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 일측이 개방되며 상기 챔버보다 작은 내경을 갖는 출력단과, 상기 산화제 챔버와 상기 출력단 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부가 구비된 산화제공급실; 상기 산화제공급실의 출력단이 감싸도록 구성되며, 내부 중앙부에 구비되어 연료가 공급되는 연료챔버와, 입구단으로 상기 산화제공급실의 산화제가 유입되어 연료와 산화제가 혼합되어 분사되는 복수의 분사채널을 갖는 분사블록; 상기 분사블록의 연료챔버와 각각의 상기 분사채널 사이에 구비되어 상기 연료챔버 내의 연료가 상기 분사채널로 분사되는 연료분사용 오리피스; 및 상기 산화제공급실의 출력단 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성되어 연소에 의한 배기가스를 재순환시키는 내부 재순환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 분사채널에 의해 화염이 형성되며, 연소에 의한 상기 배기가스는 상기 내부 재순환관과 상기 출력단과의 후방 이격공간으로 통해 재순환되어 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되며, 상기 복사관 내부의 차압에 의해 상기 배기가스가 상기 내부 재순환관으로 재순환되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 내부 재순환관 내부로 배기가스를 재순환시켜 상기 복사관의 온도 균일도를 증가시키고, 상기 복사관 내부 화염 온도를 낮추고 NOx의 농도를 저감시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 내부 재순환관은, 상기 출력단의 외면과 특정간격 이격되며 내경이 일정하게 연장되는 몸체부와, 상기 몸체부 전단과 연결되어 전방측으로 점진적으로 내경이 축소되는 출구 교축부를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 내부 재순환관은, 상기 몸체부의 후방측에 내경이 상기 몸체부의 내경보다 크고 후방끝단면이 상기 산화제공급실의 교축부 입구단과 특정간격 이격되도록 구비된 후단부와, 상기 후단부와 상기 몸체부 사이에 내경이 점진적으로 감소되도록 구비되는 후방교축단과, 상기 출구교축부와 상기 몸체부 사이에 점진적으로 내경이 증가되는 확장단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 출구교축부의 각도 조절을 통해 화염 배출속도를 제어하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 상기 복사관의 온도균일도를 향상시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 내부 재순환관과 상기 산화제 공급실 간의 간격과, 상기 몸체부의 길이와 몸체부 내면과 출력단 외면과의 이격거리 조절을 통해 상기 내부 재순환으로 재순환되는 배기가스의 재순환량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
본 발명의 제2목적은 복사관 내부 가열을 위해 적용되는 가스연소기의 작동방법으로서, 산화제공급실의 내부로 산화제가 공급되고, 상기 산화제공급실의 출력단이 감싸도록 구성된 분사블록 내부 중앙부에 구비된 연료챔버로 연료가 공급되는 단계; 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와 상기 출력단 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부에서 다수의 분사채널의 입구단으로 상기 산화제공급실의 산화제가 유입되는 단계; 상기 분사블록의 연료챔버와 각각의 상기 분사채널 사이에 구비된 다수의 연료분사용 오리피스를 통해 상기 연료챔버 내의 연료가 각각의 상기 분사채널로 분사되어 연료와 산화제가 혼합되는 단계; 각각의 분사채널의 토출단을 통해 연료와 산화제가 혼합 분사되는 단계; 및 상기 산화제공급실의 출력단 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성된 내부 재순환관을 통해 연소에 의한 배기가스를 재순환시키는 단계;를 포함하고, 상기 내부 재순환관은, 상기 출력단의 외면과 특정간격 이격되며 내경이 일정하게 연장되는 몸체부와, 상기 몸체부 전단과 연결되어 전방측으로 점진적으로 내경이 축소되는 출구 교축부를 갖고, 상기 복사관 내부의 차압에 의해 상기 배기가스가 상기 내부 재순환관 내부로 재순환되어 출력되는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 소둔로의 복사관 가열 시스템에 적용할 경우 연료-산화제 혼합성능 향상에 의해 국부 가열에 의한 복사관 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로 연소가스 일부를 다시 복사관 내부에서 재순환 시켜 화염의 온도를 낮출 수 있고, 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있으며, 내부 재순환관의 S, L, δ, θ 등의 형상 최적화를 통해 내부 재순환 가스의 비율을 조절하여, 복사관 벽면의 균일도를 향상 시킬 수 있고, 내부 재순환관의 출구교축부의 각도(θ)의 조절읕 통해 출구단의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관의 온도 균일화를 향상 시킬 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술 1에 따른 버너의 조연제 순환을 보여주는 사시도,
도 2는 종래기술 2에 따른 가스터빈의 연소기와, 연소기의 구성,
도 3은 종래기술 3에 따른 연소기의 측면에 대한 단면도,
도 4는 종래기술 4에 따른 다단연소를 이용한 초저 NOx 연소기의 구체적인 구성 및 내부에서의 유동 흐름을 개략적으로 나타내는 도면,
도 5는 종래기술 5에 따른 연료 과농­희박 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도,
도 6은 도 5의 A-A 단면도,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기의 구성, 기능 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도를 도시한 것이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기(100)는 산화제공급실(10)과, 분사블록(20)과, 연료공급관(30)과, 연료공급용 오리피스(25), 내부재순환관(40) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
산화제공급실(10)은 전체 공업용 가스연소기(100)의 하우징을 구성하며, 산화제챔버(11)와, 교축부(13)와, 출력단(12)을 포함하여 구성된다. 산화제공급단(14)을 통해 산화제 챔버(11) 내부로 산화제가 공급되며, 산화제 공급실(10)의 일측으로는 끝단이 개방된 관형태의 출력단(12)이 구비된다.
또한, 산화제챔버(11)의 직경은 출력단(12)의 직경보다 크게 구성되며, 산화제챔버(11)와 출력단(12) 사이에는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 일측방향으로 점진적으로 직경이 축소되는 즉 입구단(13-1)에서 출구단(13-2)측으로 직경이 점진적으로 감소되는 교축부(13)가 구비됨을 알 수 있다.
그리고 분사블록(20)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 일부가 산화제공급실(10)의 출력단(12)에 감싸도록 구성되며 전체적으로 원통형의 형태를 가지고 있음을 알 수 있다.
그리고 분사블록(20)의 타측면 내부 중앙부에 연료챔버(21)가 구비되어 연료가 공급되고, 외측면에는 원주방향으로 서로 특정간격 이격되며 길이방향으로 형성된 다수의 분사채널(22)이 구비되게 된다. 이러한 분사채널(22)의 입구단(23)으로 산화제공급실(10)의 산화제가 유입되어 연료와 산화제가 혼합되어 분사채널(22)의 토출단(24)을 통해 분사되게 된다.
그리고 연료공급관(30)은 산화제 챔버(11)의 타측면에 관통되며, 일측끝단이 분사블록(20)의 연료챔버(21) 측과 장착단(31)을 통해 탈부착 가능하도록 결합되게 된다. 따라서 연료공급관(30)의 타측끝단으로 유입된 연료는 연료공급관(30)을 통해 분사블록(20)의 연료챔버(21)로 공급되게 된다.
또한, 이러한 분사블록(20)의 연료챔버(21)와 각각의 분사채널(22) 사이에 연료분사용 오리피스(25)가 구비되어 연료챔버(21) 내의 연료가 분사채널(22)로 분사되게 된다.
이러한 분사채널(22)은, 분사블록(20)의 외측면에서 내측으로 오목한 홈형태로, 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되며, 길이방향이 직선형 또는 나선형으로 형성되게 된다.
또한, 이러한 복수의 분사채널(22) 각각의 폭과 높이는 산화제 설계유량에 따라 서로 다르게 형성될 수 있다.
그리고, 연료분사용 오리피스(25)는 연료챔버(21)과 분사채널(22)의 폭방향 중앙 사이에 형성되며, 단면형태는 원형, 타원형, 또는 사각형 등으로 구성될 수 있다.
이러한 연료분사용 오리피스(25)는, 각각의 분사채널(22)에서 설계된 혼합 연료 농도(연료 과농, 연료 희박)에 기반하여, 각 분사채널(22) 내에서의 개수, 단면적, 단면형태가 다르게 구성될 수 있다.
삭제
즉, 이러한 구성을 통해 산화제공급실(10)의 교축부(13) 내에서 원주방향으로 연료 혼합농도를 달리하는 연료-산화제 혼합가스는 원통형 분사블록(20)에 형성된 분사채널(22) 내로 분할되고, 원통형 분사블록(20) 토출단의 원주방향으로 특정한 연료농도를 갖는 혼합가스가 분사채널(22)을 통해 분사되고, 착화 혼합 또는 서로 이웃한 분사채널(22)의 혼합가스 간의 혼합 및 착화를 통해 상이한 연소특성이 구현될 수 있다.
이러한 예혼합형 공업용 가스연소기가 복사관 가열을 위해 적용될 경우, 혼합이 너무 잘이루어져 화염이 뻣지 못하고, 복사관의 균일 가열이 아닌 국부적 가열이 발생될 수 있는 단점이 존재한다.
복사관 가열시스템의 주요 성능 지표는 턴다운비, 표면온도균일도, NOx 등이다. 본 발명의 실시예에서는 소둔로의 복사관 가열 시스템에 적용할 경우 연료-산화제 혼합성능 향상에 의해 국부 가열에 의한 복사관 소손이 발생할 우려를 방지하기 위하여, 내부 재순환관(40)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 내부 재순환관(40)은 산화제공급실(10)의 출력단(12) 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성되어 연소에 의한 배기가스를 내부로 재순환시키도록 구성된다.
즉, 분사채널(22)에 의해 화염이 형성되며, 연소에 의한 배기가스는 내부 재순환관(40)과 출력단(12)과의 후방 이격공간으로 통해 재순환되어 출력되게 된다.
또한 내부 재순환관(40)을 통해 내부로 배기가스를 재순환시켜 출력시킴과 동시에, 내부 재순환관의 출구 측에 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관의 온도 균일화를 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 복사관 내부 공간에 설치되며, 복사관 내부의 차압에 의해 배기가스가 내부 재순환관(40)으로 재순환되게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 내부 재순환관(40) 내부로 배기가스를 재순환시켜 상기 복사관(1)의 온도 균일도를 증가시키고, 복사관(1) 내부 화염 온도를 낮추고 NOx의 농도를 저감시킬 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 내부 재순환관(40)은 도 7에 도시된 바와 같이, 출력단(12)의 외면과 특정간격 이격되며 내경이 일정하게 연장되는 몸체부(41)와, 몸체부(41) 전단과 연결되어 전방측으로 점진적으로 내경이 축소되는 출구 교축부(42)를 가지고 있음을 알 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 내부 재순환관(40)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 후단부(43), 후방교축단(44), 몸체부(41), 확장단(45), 출구교축부(42)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
후단부(43)는 몸체부(41)의 후방측에 내경이 몸체부(41)의 내경보다 크고 후방끝단면이 산화제공급실(10)의 교축부 입구단(13-1)과 특정간격 이격되도록 구비된다. 따라서 배기가스는 후단부(43)의 후방끝단면과 교축부 입구단(13-1)의 특정간격(S)의 이격공간을 통해 내부로 재순환 유입되게 된다. 즉, 이러한 특정간격(S)의 조절을 통해 내부 재순환관으로 유입되는 배기가스의 재순환량을 조절할 수 있게 된다.
그리고 후방교축단(44)은 후단부(43)와 몸체부(41) 사이에 내경이 점진적으로 감소되도록 구비되도록 구성된다. 그리고 확장단(45)은 출구교축부(42)와 몸체부(41) 사이에 점진적으로 내경이 증가되도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 출구교축부(42)의 각도(θ), 길이 조절을 통해 화염 배출속도를 제어하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 상기 복사관의 온도균일도를 향상시키게 된다.
그리고 특정간격(S)과, 몸체부의 길이(L), 그리고 몸체부 내면과 출력단 외면과의 이격거리(δ) 조절을 통해 내부 재순환으로 재순환되는 배기가스의 재순환량을 조절할 수 있다.
따라서, 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 소둔로의 복사관 가열 시스템에 적용할 경우 연료-산화제 혼합성능 향상에 의해 국부 가열에 의한 복사관 소손이 발생할 우려를 해결하기 위한 수단으로 연소가스 일부를 다시 복사관 내부에서 재순환 시켜 화염의 온도를 낮출 수 있고, 또한, 내부 연소가스의 유입에 의해 질소산화물의 농도를 감소시킬 수 있으며, 내부 재순환관의 S, L, δ, θ 등의 형상 최적화를 통해 내부 재순환 가스의 비율을 조절하여, 복사관 벽면의 균일도를 향상 시킬 수 있고, 내부 재순환관의 출구교축부의 각도(θ)의 조절읕 통해 출구단의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관의 온도 균일화를 향상 시킬 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10:산화제공급실
11:산화제 챔버
12:출력단
13:교축부
13-1:입구단
13-2:출구단
20:분사블록
21:연료챔버
22:분사채널
23:분사채널 입구단
24:분사채널 토출단
25:연료분사용 오리피스
30:연료공급관
40:내부 재순환관
41:몸체부
42:출구교축부
43:후단부
44:후방교축단
45:확장단
100:내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기

Claims (10)

  1. 예혼합형 공업용 가스연소기로서,
    내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 일측이 개방되며 상기 챔버보다 작은 내경을 갖는 출력단과, 상기 산화제 챔버와 상기 출력단 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부가 구비된 산화제공급실;
    상기 산화제공급실의 출력단이 감싸도록 구성되며, 내부 중앙부에 구비되어 연료가 공급되는 연료챔버와, 입구단으로 상기 산화제공급실의 산화제가 유입되어 연료와 산화제가 혼합되어 분사되는 복수의 분사채널을 갖는 분사블록;
    상기 분사블록의 연료챔버와 각각의 상기 분사채널 사이에 구비되어 상기 연료챔버 내의 연료가 상기 분사채널로 분사되는 연료분사용 오리피스; 및
    상기 산화제공급실의 출력단 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성되어 연소에 의한 배기가스를 재순환시키는 내부 재순환관;을 포함하고,
    상기 분사채널에 의해 화염이 형성되며, 연소에 의한 상기 배기가스는 상기 내부 재순환관과 상기 출력단과의 후방 이격공간으로 통해 재순환되어 출력되며, 상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되며, 상기 복사관 내부의 차압에 의해 상기 배기가스가 상기 내부 재순환관으로 재순환되고, 상기 내부 재순환관 내부로 배기가스를 재순환시켜 상기 복사관의 온도 균일도를 증가시키고, 상기 복사관 내부 화염 온도를 낮추고 NOx의 농도를 저감시키며,
    상기 내부 재순환관은, 상기 출력단의 외면과 특정간격 이격되며 내경이 일정하게 연장되는 몸체부와, 상기 몸체부 전단과 연결되어 전방측으로 점진적으로 내경이 축소되는 출구 교축부를 가지고, 상기 몸체부의 후방측에 내경이 상기 몸체부의 내경보다 크고 후방끝단면이 상기 산화제공급실의 교축부 입구단과 특정간격 이격되도록 구비된 후단부와, 상기 후단부와 상기 몸체부 사이에 내경이 점진적으로 감소되도록 구비되는 후방교축단과, 상기 출구교축부와 상기 몸체부 사이에 점진적으로 내경이 증가되는 확장단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 출구교축부의 각도 조절을 통해 화염 배출속도를 제어하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 상기 복사관의 온도균일도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 내부 재순환관과 상기 산화제 공급실 간의 간격과, 상기 몸체부의 길이와 몸체부 내면과 출력단 외면과의 이격거리 조절을 통해 상기 내부 재순환으로 재순환되는 배기가스의 재순환량을 조절하는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기.
  9. 삭제
  10. 복사관 내부 가열을 위해 적용되는, 제 1항, 제 7항 또는 제 8항에 따른 가스연소기의 작동방법으로서,
    산화제공급실의 내부로 산화제가 공급되고, 상기 산화제공급실의 출력단이 감싸도록 구성된 분사블록 내부 중앙부에 구비된 연료챔버로 연료가 공급되는 단계;
    내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와 상기 출력단 사이에 점진적으로 직경이 축소되는 교축부에서 다수의 분사채널의 입구단으로 상기 산화제공급실의 산화제가 유입되는 단계;
    상기 분사블록의 연료챔버와 각각의 상기 분사채널 사이에 구비된 다수의 연료분사용 오리피스를 통해 상기 연료챔버 내의 연료가 각각의 상기 분사채널로 분사되어 연료와 산화제가 혼합되는 단계; 및
    각각의 분사채널의 토출단을 통해 연료와 산화제가 혼합 분사되는 단계; 및
    상기 산화제공급실의 출력단 외면과 특정간격 이격되어 출구 측으로 연장형성된 내부 재순환관을 통해 연소에 의한 배기가스를 재순환시키는 단계;를 포함하고,
    상기 내부 재순환관은, 상기 출력단의 외면과 특정간격 이격되며 내경이 일정하게 연장되는 몸체부와, 상기 몸체부 전단과 연결되어 전방측으로 점진적으로 내경이 축소되는 출구 교축부를 갖고, 상기 복사관 내부의 차압에 의해 상기 배기가스가 상기 내부 재순환관 내부로 재순환되어 출력되는 것을 특징으로 하는 내부 배기가스 재순환 예혼합형 공업용 가스연소기의 작동방법.

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