WO2023121108A1 - 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법 - Google Patents

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WO2023121108A1
WO2023121108A1 PCT/KR2022/020185 KR2022020185W WO2023121108A1 WO 2023121108 A1 WO2023121108 A1 WO 2023121108A1 KR 2022020185 W KR2022020185 W KR 2022020185W WO 2023121108 A1 WO2023121108 A1 WO 2023121108A1
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WO
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fuel
concentration gradient
supply pipe
industrial gas
oxidizing agent
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PCT/KR2022/020185
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French (fr)
Inventor
이민정
곽영태
고창복
이은경
이대근
김승곤
정우남
이후경
서동명
김남수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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Publication date
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    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/02—Structural details of mounting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/08—Disposition of burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste

Definitions

  • the present invention relates to an industrial gas combustor using a radial fuel concentration gradient and an operating method thereof.
  • combustors are widely used in various fields such as thermal power plants, waste treatment combustion furnaces, gasifiers, fuel cell reformers and heaters, and gas turbines.
  • Existing representative low-emission combustion techniques include fuel multi-stage technology, air multi-stage technology, combustion gas recirculation technology, combustion gas internal recirculation technology, re-combustion technique, and OFA technique.
  • this combustion technique has disadvantages in that an additional external device is required or a peripheral device having a complicated structure is required, and there is a limit for low emission. Therefore, recently, in order to overcome the above disadvantages, a combustion technology that integrates and optimizes a number of low-emission combustion techniques is being researched/developed.
  • Prior Publication No. 10-2016-0144975 relates to a burner (Prior Art 1), and as shown in FIG. 1, in a burner in which MILD combustion occurs, recirculation flue gas is directly sucked from a combustion chamber by an emitter supplied with a combustion agent.
  • a burner comprising the formation of a mixture of fuel-recycled flue gas-combustible in the combustion chamber and subsequent introduction of this mixture into the combustion chamber.
  • Patent Publication No. 10-2017-0003052 discloses at least one combustion nozzle, a combustion nozzle guide provided at each top of the combustion nozzle, and an end provided at the top of the combustion nozzle guide.
  • a gas turbine combustor comprising a cover, a premix nozzle into which each combustion nozzle is inserted, a tube plate including an opening of the premix nozzle, and a cap surrounding an outer circumferential surface of the tube plate, wherein the cap is a porous plate including at least one hole. is written about.
  • Registered Patent No. 10-1738946 configures the flame by optimizing the split flame technology, air multi-stage technology, fuel partial pre-mixing technology and fuel gas recirculation technology, are listed.
  • a conventional ultra-low emission combustor includes a flame generating unit for generating a first flame by combusting mixed fuel and air; and a multi-stage air supply unit into which a portion of the flame generating unit is introduced and supplies combustion gas or air to a region of a second flame in the combustion chamber.
  • Patent Publication No. 10-2017-0047869 relates to a combustor (prior art 4), and as shown in FIG. 4, it is composed of a multi-stage combustion method, and rich burn and lean combustion are performed in a single combustor.
  • the mixing characteristics are improved to reduce the generation of pollutants including NOx, and the same effect as FGR without the need for a separate configuration for flue gas recirculation (FGR)
  • FGR flue gas recirculation
  • It is configured to obtain a more pollutant such as NOx compared to the existing combustion method, and at the same time, by forming the shape of one of the combustion chambers in the form of a venturi and giving a turn to the air inlet
  • It relates to an ultra-low NOx combustor using multi-stage combustion configured to improve mixing characteristics and ease of application by improving the structure of the combustor.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a fuel-rich-lean pre-mixed industrial gas combustor according to Prior Art 5
  • FIG. 6 is a cross-sectional view A-A of FIG.
  • the fuel-rich-lean pre-mixed industrial gas combustor includes an oxidizing agent supply chamber 10, an injection block 20, and an orifice 25 for fuel injection.
  • the oxidizing agent supply chamber 10 includes an oxidizing agent chamber 11 into which an oxidizing agent is supplied, an output end 12 having one side open and having a smaller inner diameter than the chamber, and between the oxidizing agent chamber 11 and the output end 12. A narrowing portion 13 having a gradually reduced diameter is provided.
  • the injection block 20 is configured to surround the output end 12 of the oxidant supply chamber 10, and is provided in the inner central portion to supply fuel to the fuel chamber 21 and the inlet end of the oxidant supply chamber 10. It has a plurality of injection channels 22 through which the oxidizer is introduced and the fuel and oxidizer are mixed and injected.
  • a fuel injection orifice 25 is provided between the fuel chamber 21 of the injection block 20 and each injection channel 22 so that the fuel in the fuel chamber 21 is injected into the injection channel 22. It consists of
  • This fuel-rich-lean pre-mixed industrial gas combustor can control combustion characteristics (flame shape/emissions) under constant combustion load and air ratio operating conditions, and provides rich/lean fuel in multiple stages in the circumferential direction of the combustor outlet under constant combustion load and air ratio operating conditions. Premixed gas formation becomes possible.
  • the flame shape and flame temperature can be controlled by additionally injecting oxygen as an oxidizing agent to adjust the spatial oxygen concentration, and the oxidizing agent supply chamber having a restrictor and a spray block having a plurality of spray channels (straight or spiral), and a single flow into the spray channel Alternatively, a plurality of orifices for fuel injection are formed, and the diameter, cross-section, shape, and number of fuel injection orifices for each injection channel are changed to achieve rich or lean fuel pre-mixed injection according to the difference in fuel injection amount according to the injection channel. It is possible to secure the directional multi-stage pre-mixing effect and characteristics.
  • post-processing facilities such as SCR facilities have been extensively applied in the steel field, but the low NOx emission characteristics of the combustion system itself are more important in order to respond to strengthened environmental regulations.
  • the main performance indicators of the radiant tube heating system are turndown ratio, surface temperature uniformity, and NOx.
  • the fuel rich and lean premixed industrial gas combustor (Registration Patent No. 10-2014828) according to Prior Art 5 has the advantage of being able to adjust the air-fuel ratio independently by configuring blocks in which fuel and oxidizer vertically intersect in the circumferential direction, but There is a disadvantage in that the pressure loss is large because the passage of movement is limited.
  • the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, as a means to solve the problem that the air movement path is restricted by the block and the pressure loss is large, the main
  • the flow disturbance of the oxidant (air) which is a flow flow
  • An object of the present invention is to provide an industrial gas combustor using a radial fuel concentration gradient and an operating method thereof.
  • the present invention by forming a continuous linear concentration gradient, it is possible to adjust the air-fuel ratio in the radial direction and to control the local fuel-air mixture ratio in more detail.
  • the purpose is to provide a used industrial gas burner and its operation method.
  • An object of the present invention is to provide an industrial gas combustor using a radial fuel concentration gradient and an operating method thereof, which enable more independent combustion control since the concentration gradient can be adjusted separately from the flame generated at the boundary.
  • An object of the present invention is to provide an industrial gas combustor using a directional fuel concentration gradient and an operating method thereof.
  • a first object of the present invention is an industrial gas combustor comprising: an oxidizing agent supply chamber having an oxidizing agent chamber into which an oxidizing agent is supplied; and an oxidizing agent supply chamber having an output end through which the supplied oxidizing agent is output to the front side with the front side being open; a fuel supply pipe supplying fuel to the inside through a supply end and located inside the oxidizer chamber to supply fuel to the output end; and a fuel injection unit provided at the front end surface of the fuel supply pipe and injecting the fuel supplied through the fuel supply pipe toward the front side to have a concentration gradient.
  • the fuel injection unit includes a plurality of fuel injection nozzles extending in a radial direction from the front end surface of the fuel supply pipe and spaced apart from each other by a specific interval in the circumferential direction of the fuel supply pipe, each of the fuel injection nozzles It may be characterized in that a plurality of multi-stage injection nozzles for injecting the fuel are provided on the front surface so that the fuel injection amount increases in a radial direction based on the central axis in the longitudinal direction of the fuel supply pipe.
  • the multi-stage injection nozzle is composed of an injection hole, and the injection hole may be characterized in that it is configured to gradually increase in diameter in a radial direction relative to a central axis in the longitudinal direction of the fuel supply pipe.
  • the concentration gradient is adjusted by adjusting the diameter of the injection hole.
  • the industrial gas combustor may be characterized in that it is installed in the inner space of the radiant tube for heating the radiant tube.
  • It may be characterized in that it further comprises a flame guide unit connected to the front side of the output end to adjust the flame discharge speed of the exit end.
  • the flame guide unit may be characterized in that it has an outlet end having a diameter smaller than the diameter of the output end, and a throttling portion provided between the outlet end and the output end and gradually decreasing in diameter toward the front side.
  • constriction part may be characterized in that it is composed of a curved shape having a curvature.
  • the industrial gas combustor is installed in the inner space of the radiant pipe for heating the radiant pipe, and the angle and curvature of the restrictor are adjusted to adjust the flame discharge speed at the outlet end to mix exhaust gas by secondary recirculation of the surrounding flow It may be characterized in that the temperature of the radiation tube is uniformized by improving the.
  • a second object of the present invention is a method of operating a gas combustor applied for heating the inside of a radiant tube, comprising: supplying an oxidant to an oxidant chamber of an oxidant supply chamber, and supplying fuel through a supply end of a fuel supply pipe; oxidizing agent is outputted through an output end opened in front of the oxidizing agent chamber, and fuel supplied through a fuel injection unit provided at a front end surface of the fuel supply pipe is injected toward the front side to have a concentration gradient; And adjusting the flame discharge speed of the outlet end by a flame guide unit connected to the front side of the output end; including, wherein the fuel injection part is formed extending in a radial direction from the front end surface of the fuel supply pipe, and mutually the fuel It includes a plurality of fuel injection nozzles disposed at a specific interval in the circumferential direction of the supply pipe, and on a front surface of each of the fuel injection nozzles, the fuel is injected so that the fuel injection amount increases in a radial direction
  • the main flow By minimizing the flow disturbance of the phosphorus oxidizer (air), installing a plurality of fuel multi-stage injection nozzles in the radial direction, adjusting the size of the flame hole, applying a linear fuel multi-stage technique, and forming a continuous concentration gradient.
  • the concentration gradient can be adjusted separately from the flame generated at the boundary where the combustion reaction starts, so that more independent combustion control is possible.
  • the exhaust gas by the secondary recirculation of the ambient flow is controlled by adjusting the flame discharge speed at the outlet end through the angle adjustment of the restrictor. It has the effect of improving the temperature uniformity of the radiant tube by improving the mixing.
  • FIG. 1 is a perspective view showing circulation of a burner according to prior art 1;
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the side of the combustor according to Prior Art 3;
  • FIG. 4 is a view schematically showing the specific configuration of the ultra-low NOx combustor using multi-stage combustion according to Prior Art 4 and the flow flow therein;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a fuel rich-lean pre-mixed industrial gas combustor according to Prior Art 5;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view A-A of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an industrial gas combustor using a fuel concentration gradient according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a partial perspective view of an industrial gas combustor using a fuel concentration gradient according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a B-B cross-sectional view of Figure 7;
  • FIG. 10 illustrates a fuel concentration graph according to a radial direction according to an embodiment of the present invention.
  • oxidant supply unit 20 injection block 21: fuel chamber
  • injection channel 23 injection channel inlet end 24: injection channel discharge end
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an industrial gas combustor using a fuel concentration gradient according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a partial perspective view of an industrial gas combustor using a fuel concentration gradient according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a BB cross-sectional view of FIG. 7 .
  • FIG. 10 illustrates a fuel concentration graph according to a radial direction according to an embodiment of the present invention.
  • the industrial gas combustor using the fuel concentration gradient may include an oxidizer supply chamber, a fuel supply pipe, a fuel injection unit, and the like.
  • the oxidizing agent supply chamber 10 includes an oxidizing agent chamber 11 through which an oxidizing agent is supplied to the inside through an oxidizing agent supplying unit 14, and an output terminal 12 having an open front side and outputting the supplied oxidizing agent to the front side. is configured to have
  • the fuel supply pipe 30 is supplied with fuel to the inside through the supply end 31 and is located inside the oxidizer chamber to supply fuel to the output end.
  • the fuel injection unit is provided on the front end surface side of the fuel supply pipe 30 and is configured to inject the fuel supplied through the fuel supply pipe 30 toward the front side to have a concentration gradient.
  • the front end surface of the fuel supply pipe 30 is composed of a closed surface, and a plurality of fuel injection nozzle parts 32 are formed at the front end side of the fuel supply pipe 30.
  • Each may be configured to extend in the radial direction and to be spaced apart from each other at a specific interval in the circumferential direction of the fuel supply pipe 30.
  • each fuel injection nozzle unit 32 is provided on the front surface of each fuel injection nozzle unit 32 to inject fuel so that the fuel injection amount increases in the radial direction relative to the central axis in the longitudinal direction of the fuel supply pipe 30.
  • the multi-stage injection nozzle 33 may be composed of injection holes, and as shown in FIGS. 8 and 9, these injection holes are gradually formed in the radial direction relative to the central axis in the longitudinal direction of the fuel supply pipe 30. It can be configured to increase in diameter.
  • the concentration gradient can be adjusted by adjusting the diameter of the injection hole.
  • the industrial gas combustor 100 according to an embodiment of the present invention may be installed in the inner space of the radiant tube 1 for heating.
  • the oxidizer air
  • the oxidizer air
  • the industrial gas combustor 100 using a radial fuel concentration gradient according to an embodiment of the present invention, by forming a continuous linear concentration gradient, it is possible to adjust the air-fuel ratio in the radial direction, and the local fuel-air mixing ratio can be controlled more precisely.
  • the concentration gradient can be adjusted separately from the flame generated at the boundary where the combustion reaction starts, enabling more independent combustion control.
  • the industrial gas combustor using the fuel concentration gradient is connected to the front side of the output end and adjusts the flame discharge speed of the exit end 42.
  • a flame guide unit (40) may be configured.
  • the flame guide unit 40 is provided with an outlet end 42 having a diameter smaller than that of the output end 12, and between the outlet end 42 and the output end 12, and the diameter gradually decreases toward the front. It may be configured to have a narrowing portion 41 .
  • the bridge portion 41 may be configured in a curved shape having a curvature as shown in FIGS. 7 and 8 .
  • the industrial gas combustor 100 may be installed in the inner space of the radiant pipe 1 for heating the radiant pipe 1, and by adjusting the angle and curvature of the restrictor 41, the outlet end 42 ), the temperature of the radiant tube 1 can be made uniform by adjusting the flame discharge speed of the radiant tube 1 by improving the mixing of the exhaust gas by the secondary recirculation of the surrounding flow.
  • the flame discharge speed of the outlet end 42 is adjusted by adjusting the angle and curvature of the restrictor 41 to It is possible to improve the temperature uniformity of the radiant tube 1 by improving exhaust gas mixing by secondary recirculation.

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  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)

Abstract

본 발명은 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 전방측이 개방되어 공급된 산화제가 전방측으로 출력되는 출력단을 갖는 산화제공급실; 공급단을 통해 내부로 연료가 공급되며 산화제챔버 내부에 위치되어 상기 출력단 측으로 연료를 공급하는 연료공급관; 및 상기 연료공급관의 전방끝단면 측에 구비되어 상기 연료공급관을 통해 공급된 연료를 농도구배를 갖도록 상기 전방측으로 분사시키는 연료분사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기에 관한 것이다.

Description

연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법
본 발명은 반경방향 연료농도 구배를 이용한 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 과농-희박 예혼합형 공업용 가스연소기를 제안한 바 있다(등록 특허 제10-2014828호). 도 5는 종래기술 5에 따른 연료 과농-희박 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도, 도 6은 도 5의 A-A 단면도를 도시한 것이다.
연료 과농-희박 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 과농-희박 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 토출단에서 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)는, 연료와 산화제가 수직으로 교차하는 블록이 원주 방향으로 구성하여 독립된 공연비를 조정할 수 있는 이점이 있었으나 블록에 의해 공기의 이동 통로가 제한되어 압력 손실이 큰 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 블록에 의해 공기의 이동 통로가 제한되어 압력 손실이 크다라는 문제점을 해결하기 위한 수단으로, 주요 유동 흐름인 산화제(공기)의 유동 방해를 최소화하고, 다수의 연료 다단 분사 노즐을 반경 방향으로 설치하고, 염공의 사이즈를 조절하여, 선형적인 연료 다단 기법을 적용하고, 연속적인 농도구배를 형성시킬 수 있는, 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연속적인 선형 농도구배를 형성하게 됨으로써, 반경 방향으로의 공연비 조정이 가능하며, 국부적인 연료-공기 혼합비율을 보다 세밀하게 제어할 수 있는, 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
기존 2차 연료 분사에 의한 연료 다단 연소 기법의 경우, 연소 부화 및 화염 주변의 유동 특성에 따라 종속적으로 저NOx 배출특성이 구현되는 단점존재하나, 본 발명의 실시예에 따르면, 연소 반응이 시작되는 경계에서 생성되는 화염과 별개로 농도 구배를 조절할 수 있어 보다 독립적인 연소제어가 가능한, 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 교축부의 각도조절을 통해 출구단의 화염 배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관의 온도 균일화를 향상 시킬 수 있는, 반경방향 연료농도 구배를 이용한 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 공업용 가스연소기로서, 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 전방측이 개방되어 공급된 산화제가 전방측으로 출력되는 출력단을 갖는 산화제공급실; 공급단을 통해 내부로 연료가 공급되며 산화제챔버 내부에 위치되어 상기 출력단 측으로 연료를 공급하는 연료공급관; 및 상기 연료공급관의 전방끝단면 측에 구비되어 상기 연료공급관을 통해 공급된 연료를 농도구배를 갖도록 상기 전방측으로 분사시키는 연료분사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 연료분사부는, 상기 연료공급관의 전방끝단면에서 반경방향으로 연장형성되고 서로 상기 연료공급관의 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 연료분사노즐부를 포함하고, 상기 연료분사노즐부 각각의 전방면에는 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 연료분사량이 증대되도록 상기 연료를 분사시키는 복수의 다단분사노즐이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 다단분사노즐은 분사홀로 구성되며, 상기 분사홀은 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 점진적으로 직경이 커지도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 분사홀의 직경을 조정하여 농도구배를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 출력단의 전방측에 연결되어 출구단의 화염배출속도를 조절하는 화염가이드유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 화염가이드유닛은, 상기 출력단의 직경보다 작은 직경을 갖는 출구단과, 상기 출구단과 상기 출력단 사이에 구비되며 전방측으로 점진적으로 직경이 감소되는 교축부를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 교축부는 곡률을 갖는 만곡 형상으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되고, 상기 교축부의 각도, 곡률을 조절하여 출구단의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 상기 복사관의 온도를 균일화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 복사관 내부 가열을 위해 적용되는 가스연소기의 작동방법으로서, 산화제공급실의 산화제챔버로 산화제가 공급되고, 연료공급관의 공급단을 통해 연료가 공급되는 단계; 산화제가 상기 산화제챔버의 전방에 개방된 출력단을 통해 출력되고, 상기 연료공급관의 전방끝단면 측에 구비된 연료분사부를 통해 공급된 연료가 농도구배를 갖도록 상기 전방측으로 분사되는 단계; 및 상기 출력단의 전방측에 연결된 화염가이드유닛에 의해 출구단의 화염배출속도가 조절되는 단계;를 포함하고, 상기 연료분사부는, 상기 연료공급관의 전방끝단면에서 반경방향으로 연장형성되고 서로 상기 연료공급관의 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 연료분사노즐부를 포함하고, 상기 연료분사노즐부 각각의 전방면에는 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 연료분사량이 증대되도록 상기 연료를 분사시키는 복수의 다단분사노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 블록에 의해 공기의 이동 통로가 제한되어 압력 손실이 크다라는 문제점을 해결하기 위한 수단으로, 주요 유동 흐름인 산화제(공기)의 유동 방해를 최소화하고, 다수의 연료 다단 분사 노즐을 반경 방향으로 설치하고, 염공의 사이즈를 조절하여, 선형적인 연료 다단 기법을 적용하고, 연속적인 농도구배를 형성시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 연속적인 선형 농도구배를 형성하게 됨으로써, 반경 방향으로의 공연비 조정이 가능하며, 국부적인 연료-공기 혼합비율을 보다 세밀하게 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
기존 2차 연료 분사에 의한 연료 다단 연소 기법의 경우, 연소 부화 및 화염 주변의 유동 특성에 따라 종속적으로 저NOx 배출특성이 구현되는 단점존재하나, 본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 연소 반응이 시작되는 경계에서 생성되는 화염과 별개로 농도 구배를 조절할 수 있어 보다 독립적인 연소제어가 가능한 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기 및 그 작동방법에 따르면, 교축부의 각도조절을 통해 출구단의 화염 배출속도를 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 과농-희박 예혼합형 공업용 가스연소기의 단면도,
도 6은 도 5의 A-A 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 부분 사시도,
도 9는 도 7의 B-B 단면도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반경 방향에 따른 연료농도 그래프를 도시한 것이다.
<부호의 설명>
10:산화제공급실 11:산화제 챔버 12:출력단
13:교축부 13-1:입구단 13-2:출구단
14:산화제공급부 20:분사블록 21:연료챔버
22:분사채널 23:분사채널 입구단 24:분사채널 토출단
25:연료분사용 오리피스 30:연료공급관 31:연료공급관의 공급단
32:연료분사노즐부 33:다단분사노즐 40:화염가이드유닛
41:교축부 42:출구단
100:반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 구성, 기능에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 단면도를 도시한 것이다.
그리고 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 부분 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 9는 도 7의 B-B 단면도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반경 방향에 따른 연료농도 그래프를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기는 산화제공급실과, 연료공급관, 연료분사부 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산화제공급실(10)은 산화제공급부(14)를 통해 내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버(11)와, 전방측이 개방되어 공급된 산화제가 전방측으로 출력되는 출력단(12)을 갖도록 구성된다.
그리고 연료공급관(30)은 공급단(31)을 통해 내부로 연료가 공급되며 산화제챔버 내부에 위치되어 출력단 측으로 연료를 공급하도록 구성된다.
또한 연료분사부는 연료공급관(30)의 전방끝단면 측에 구비되어 연료공급관(30)을 통해 공급된 연료를 농도구배를 갖도록 전방측으로 분사시키도록 구성된다.
보다 구체적으로 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 연료공급관(30)의 전방끝단면은 폐쇄면으로 구성되고, 복수의 연료분사노즐부(32)는 연료공급관(30)의 전방끝단측에서 각각 반경방향으로 연장형성되고 서로 연료공급관(30)의 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되도록 구성될 수 있다.
또한 이러한 연료분사노즐부(32) 각각의 전방면에는 연료공급관(30)의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 연료분사량이 증대되도록 연료를 분사시키는 복수의 다단분사노즐(33)이 구비되게 된다.
본 발명의 실시예에서 다단분사노즐(33)은 분사홀로 구성될 수 있으며, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 이러한 분사홀은 연료공급관(30)의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 점진적으로 직경이 커지도록 구성될 수 있다.
이러한 분사홀의 직경을 조정하여 농도구배를 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 공업용 가스연소기(100)는 복사관(1) 가열을 위해 복사관 내부 공간에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블록에 의해 공기의 이동 통로가 제한되어 압력 손실이 크다라는 도 5 및 도 6에 도시된 종래기술 5의 문제점을 해결하기 위한 수단으로, 주요 유동 흐름인 산화제(공기)의 유동 방해를 최소화하고, 다수의 연료 다단분사노즐(33)을 반경 방향으로 설치하고, 분사홀의 염공 사이즈를 조절하여, 선형적인 연료 다단 기법을 적용하고, 연속적인 농도구배를 형성시킬 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기(100)에 따르면, 연속적인 선형 농도구배를 형성하게 됨으로써, 반경 방향으로의 공연비 조정이 가능하며, 국부적인 연료-공기 혼합비율을 보다 세밀하게 제어할 수 있게 있다.
기존 2차 연료 분사에 의한 연료 다단 연소 기법의 경우, 연소 부화 및 화염 주변의 유동 특성에 따라 종속적으로 저NOx 배출특성이 구현되는 단점존재하나, 본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기에 따르면, 연소 반응이 시작되는 경계에서 생성되는 화염과 별개로 농도 구배를 조절할 수 있어 보다 독립적인 연소제어가 가능하게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기는 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 출력단의 전방측에 연결되어 출구단(42)의 화염배출속도를 조절하는 화염가이드유닛(40)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 화염가이드유닛(40)은, 출력단(12)의 직경보다 작은 직경을 갖는 출구단(42)과, 이러한 출구단(42)과 출력단(12) 사이에 구비되며 전방측으로 점진적으로 직경이 감소되는 교축부(41)를 갖도록 구성될 수 있다.
그리고 이러한 본 발명의 실시예에 따른 교축부(41)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 곡률을 갖는 만곡 형상으로 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 공업용 가스연소기(100)는 복사관(1) 가열을 위해 복사관(1) 내부 공간에 설치될 수 있고, 교축부(41)의 각도, 곡률을 조절하여 출구단(42)의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관(1)의 온도를 균일할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반경방향 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기에 따르면, 교축부(41)의 각도, 곡률조절을 통해 출구단(42)의 화염 배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 복사관(1)의 온도 균일화를 향상 시킬 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 공업용 가스연소기로서,
    내부로 산화제가 공급되는 산화제 챔버와, 전방측이 개방되어 공급된 산화제가 전방측으로 출력되는 출력단을 갖는 산화제공급실;
    공급단을 통해 내부로 연료가 공급되며 산화제챔버 내부에 위치되어 상기 출력단 측으로 연료를 공급하는 연료공급관; 및
    상기 연료공급관의 전방끝단면 측에 구비되어 상기 연료공급관을 통해 공급된 연료를 농도구배를 갖도록 상기 전방측으로 분사시키는 연료분사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료분사부는,
    상기 연료공급관의 전방끝단면에서 반경방향으로 연장형성되고 서로 상기 연료공급관의 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 연료분사노즐부를 포함하고,
    상기 연료분사노즐부 각각의 전방면에는 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 연료분사량이 증대되도록 상기 연료를 분사시키는 복수의 다단분사노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다단분사노즐은 분사홀로 구성되며, 상기 분사홀은 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 점진적으로 직경이 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 분사홀의 직경을 조정하여 농도구배를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 출력단의 전방측에 연결되어 출구단의 화염배출속도를 조절하는 화염가이드유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 화염가이드유닛은,
    상기 출력단의 직경보다 작은 직경을 갖는 출구단과, 상기 출구단과 상기 출력단 사이에 구비되며 전방측으로 점진적으로 직경이 감소되는 교축부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 교축부는 곡률을 갖는 만곡 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 공업용 가스연소기는 복사관 가열을 위해 상기 복사관 내부 공간에 설치되고,
    상기 교축부의 각도, 곡률을 조절하여 출구단의 화염배출속도를 조절하여 주위류의 2차 재순환에 의한 배기가스 혼합을 향상시켜 상기 복사관의 온도를 균일화하는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기.
  10. 복사관 내부 가열을 위해 적용되는 가스연소기의 작동방법으로서,
    산화제공급실의 산화제챔버로 산화제가 공급되고, 연료공급관의 공급단을 통해 연료가 공급되는 단계;
    산화제가 상기 산화제챔버의 전방에 개방된 출력단을 통해 출력되고, 상기 연료공급관의 전방끝단면 측에 구비된 연료분사부를 통해 공급된 연료가 농도구배를 갖도록 상기 전방측으로 분사되는 단계; 및
    상기 출력단의 전방측에 연결된 화염가이드유닛에 의해 출구단의 화염배출속도가 조절되는 단계;를 포함하고,
    상기 연료분사부는, 상기 연료공급관의 전방끝단면에서 반경방향으로 연장형성되고 서로 상기 연료공급관의 원주방향으로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 연료분사노즐부를 포함하고, 상기 연료분사노즐부 각각의 전방면에는 상기 연료공급관의 길이방향 중심축 기준 반경방향으로 연료분사량이 증대되도록 상기 연료를 분사시키는 복수의 다단분사노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료농도 구배를 이용한 공업용 가스연소기의 작동방법.
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