KR101512352B1 - Low NOx Burner using forced internal recirculation of flue gas and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연소가스의 내부 재순환을 통한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 적용한 초저질소산화물 연소장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an ultra low NO x combustion apparatus through internal recirculation of combustion gas, and more particularly, to an ultra-low NO x combustion apparatus that internally recirculates combustion gas to the inside of a combustion chamber, And an ultra low NOx combustion apparatus using recirculation technology.
현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다. 주된 환경 오염원으로는 질소 산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.At present, the main energy source of mankind is hydrocarbon fossil fuel. However, environmental pollution caused by combustion products of fossil fuels is seriously raised. In addition to nitrogen oxides (NOx) and carbon dioxide (CO 2 ), the main sources of environmental pollution include carbon monoxide (CO) and soot generated by incomplete combustion of fuel.
기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2 의 화학식을 갖는 질소 산화물(NOx)의 생성이 불가피하다. 이의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다. 연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다. 특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.In conventional combustors using fossil fuels, it is inevitable to produce nitrogen oxides (NOx) having chemical formulas of NO and NO2 by chemical reaction at the time of combustion. The low NOx combustion technology for suppressing the generation of NOx has been developed to improve the structure of the combustor such as the mixture form of the fuel and the air and the air-fuel ratio. Nitrogen oxides generated in the combustion process react with other oxygen in the atmosphere and cause environmental problems such as smog and atmospheric ozone increase. In particular, emissions from these combustion processes are harming the environment and human health, and countries are tightening regulations on an increasingly stringent level.
질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx), 급속 질소산화물(Prompt NOx), 및 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 1600℃ 이상의 고온에서 반응하여 생성되는 것이고, 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소 초기에 생성되는 것이며, 연료 질소산화물은 연료 중에 함유된 질소 성분의 반응에 의해 생성된다. 이와 같은 질소 산화물의 대책에 있어서도 천연가스와 같은 기체연료에는 연료 중에 질소성분이 함유되어 있지 않기 때문에 Thermal NOx 및 Prompt NOx에 관련된 사항을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.The types of nitrogen oxides can be classified into thermal NOx, rapid NOx, and fuel NOx depending on the cause. The thermal nitrogen oxides are produced by the reaction of nitrogen in the air with oxygen at a high temperature of 1600 ° C or higher. Rapid nitrogen oxides are generated at the initial stage of combustion in the combustion of hydrocarbon-based fuels. The fuel nitrogen oxides react with the nitrogen components contained in the fuel Lt; / RTI > Even in the countermeasures against such nitrogen oxides, it is effective to control matters related to thermal NOx and Prompt NOx because gaseous fuels such as natural gas do not contain nitrogen components in the fuel.
질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하였다.Nitrogen oxides cause photochemical smog and acid rain and are known to have serious effects on flora and fauna. For a long time many researchers have studied various ways to reduce NOx.
이로 인해 현재 시도되고 있는 저 NOx 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR, selective catalytic reduction) 등이 있다. 최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거하는 재연소 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있다.As a result of this, low NOx methods currently being tried include exhaust gas recirculation, water or steam injection, multi-stage combustion of air and fuel, selective non-catalytic reduction (SNCR), selective catalytic reduction (SCR) catalytic reduction). Recently, advanced countries are attempting to recycle NOx in the afterburning region, and it is known that NOx reduction efficiency and economic efficiency are high.
상기와 같이 NOx를 저감하기 위한 종래의 방법으로서, 대한민국공개특허 제10-2005-0117417호를 예로 들 수 있다. 상기 제10-2005-0117417호 상에서는 질소 산화물(NOx)의 발생량을 저감할 수 있게 하기 위하여 연소용 공기를 일반공기와 배가스를 혼합하여 3단계로 나누어 공급하되 각 단의 혼합비를 각각 다르게 함으로써, 다단 연소에 의한 국부고온역 생성을 최소화하고, 연소영역을 확장하여 보일러 내부의 균일가열을 이루기 위한, 액체 및 가스용 배가스 재순환 3단버너를 제공한다.As a conventional method for reducing NOx as described above, Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0117417 is exemplified. In order to reduce the amount of nitrogen oxides (NOx) generated on the above-mentioned No. 10-2005-0117417, combustion air is supplied in three stages by mixing general air and flue gas, A three-stage burner recirculation flue gas for liquid and gas is provided for minimizing the generation of localized high temperature by burning and extending the combustion region to achieve uniform heat inside the boiler.
반면, 상기 인용문헌에서는 배기가스를 재순환시키기 위한 요소로서 복수의 배가스 공급관, 재순환덕트, 및 댐퍼 등의 별도의 장치들을 구비함으로써 배기가스를 연소로 내로 재유입되도록 하지만, 상기 연소로의 외부에 별도로 장치되어야 하므로 필요 공간이 많아진다는 단점이 있다.
On the other hand, in the cited document, separate devices such as a plurality of exhaust gas supply pipes, recirculation ducts, and dampers are provided as elements for recirculating the exhaust gas so that the exhaust gas is re-introduced into the combustion furnace, There is a disadvantage in that a required space is increased.
한편, 본 발명자에 의해 선출원된 등록 특허인 제1203189호를 참조하면, 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 제공하지만, 연소로의 중심부에서 희박 화염을 형성하게 위한 구체적 구성이나 질소 산화물의 형성을 줄일 수 있는 구체적인 인자에 대한 설명은 부족하다는 한계가 있다.
Meanwhile, referring to the registered patent No. 1203189 filed by the present inventor, there is provided an internal recirculation technique in which combustion gas generated in a combustion chamber is transferred not in an external connection passage of a combustion chamber but in a combustion chamber without a separate device, There is a limit to the specific structure for forming a lean flame at the center of the furnace or the description of specific factors that can reduce the formation of nitrogen oxides.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 연소로의 중심 영역으로 산화제를 공급하게 하는 동시에 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되도록 하는 내부재순환 기술을 적용한 초저질소산화물 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide an apparatus and a method for supplying an oxidizing agent to a central region of a combustion furnace, And an object of the present invention is to provide an ultra-low nitrogen oxide combustion apparatus employing an internal recirculation technique that allows the combustion to be carried out without any problems.
또한, 본 발명은 주연료를 공급하는 1차연료 분사체 및 보조 연료를 공급하는 2차연료 분사체로 이루어진 다단의 연료공급노즐구조를 통해 고효율 및 저공해 구조의 화염장을 형성하는 것을 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a high-efficiency and low-pollution firing field through a multi-stage fuel supply nozzle structure composed of a primary fuel injection body for supplying a main fuel and a secondary fuel injection for supplying an auxiliary fuel.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치는 연소로 내부로 주연료를 공급하는 1차연료 분사체; 상기 1차연료 분사체 주위로 적어도 하나 이상으로 배치되며, 그 선단이 상기 연소로의 내부에 진입하도록 배치되는 2차연료 분사체; 상기 연소로에서 발생한 연소가스를 유체역학적 힘에 의해 상기 연소로에 재순환시키는 재순환 유도부; 상기 1차연료 분사체와 2차연료 분사체로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이의 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및 공기 다단을 위해 상기 1차연료 분사체를 둘러싸도록 배치되는 공기 다단 슬리브;를 포함하고, 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제는 상기 공기 다단 슬리브의 내외부를 통해 다단으로 공급하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultra low NO x combustion apparatus comprising: a primary fuel injector for injecting a main fuel into a combustion furnace; A secondary fuel injector disposed at least in the periphery of the primary fuel injector and disposed so that its tip enters the combustion furnace; A recirculation inducing unit for recirculating the combustion gas generated in the combustion furnace to the combustion furnace by a hydrodynamic force; A fuel supply unit for supplying fuel to the primary fuel injection body and the secondary fuel injection body; An oxidant supplier for supplying an oxidant to a space between the primary fuel injector and the secondary fuel injector; And an air multistage sleeve arranged to surround the primary fuel injection body for air multistage, wherein the oxidant supplied from the oxidant supply part is supplied in multiple stages through the inner and outer portions of the air multistage sleeve.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 공기 다단 슬리브의 직경을 D, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때, 예혼합강도를 나타내는 제1 성능 지수, η1는 하기의 식으로 설정되는 것이 바람직할 수 있다.A first performance index η 1 indicating premixed strength when defining a discharge hole diameter of the primary fuel injection body as B, a diameter of the air multistage sleeve as D, and an inner diameter of the recirculation induction portion as C, . ≪ / RTI >
상기 제1 성능 지수의 값은 0.3 내지 0.5의 범위인 것이 바람직할 수 있다.The value of the first figure of merit may preferably be in the range of 0.3 to 0.5.
상기 초저질소산화물 연소장치는, 상기 1차연료 분사체의 선단에 배치되는 스월러; 및 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 상기 1차 연료 분사체의 내부를 따라 상기 연소로 내로 이송하는 중심 산화제 분사부;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The ultra low nitrogen oxide combustion apparatus may further include: a swirl chamber disposed at a front end of the primary fuel injection body; And a central oxidant injecting part for injecting the oxidant supplied from the oxidant supplying part into the combustion furnace along the inside of the primary fuel injecting body.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 스월러의 직경을 A로 정의할 때, 노즐형상계수를 나타내는 제2 성능 지수, η2는 하기의 식으로 설정되며, 상기 제2 성능 지수의 값은 1.5 내지 2.0의 범위인 것이 바람직할 수 있다.A second performance index, η 2 , which represents a nozzle shape coefficient, when the discharge port diameter of the primary fuel injection device is defined as B and the diameter of the swirler is defined as A, The value may preferably be in the range of 1.5 to 2.0.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 스월러의 직경을 A, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때, 선회류계수를 나타내는 제3 성능 지수, η3는 하기의 식으로 설정되며, 상기 제3 성능 지수의 값을 0.55 내지 0.75 사이의 범위인 것이 바람직할 수 있다.A third performance index η 3 indicating the swirl index when the diameter of the discharge port of the primary fuel injection body is B, the diameter of the swirler is A, and the inner diameter of the recirculation induction portion is C, And the value of the third figure of merit is preferably in the range of 0.55 to 0.75.
FIR 포트 사이의 거리를 E, 연료 파이프의 직경을 E로 정의할 때, 재순환부 유속을 나타내는 제4 성능 지수, η4는 하기의 식으로 설정되는 것이 바람직할 수 있다.When the distance between the FIR ports is defined as E, and the diameter of the fuel pipe is defined as E, a fourth performance index representing the recirculation flow rate,? 4 , may be preferably set as follows.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때, 연소기 출구 유속을 나타내는 제5성능 지수, η5는 하기의 식으로 설정되는 것이 바람직할 수 있다.When a discharge port diameter of the primary fuel injection body is defined as B and an inner diameter of the recirculation induction portion is defined as C, a fifth performance index representing the combustor outlet flow rate,? 5 , may be preferably set as follows.
상기 초저질소산화물 연소장치는, 상기 공기 다단 슬리브의 외면에 부설되는 재순환 촉진 돌기부;를 더 포함하며, 상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 재순환 유도부와 상기 공기 다단 슬리브 사이로 유동하는 상기 연소가스의 유속을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.The ultra low nitrogen oxide combustion apparatus may further include a recirculation promoting protrusion laid on the outer surface of the air multi-stage sleeve, wherein the recirculation promoting protrusion increases the flow rate of the combustion gas flowing between the recirculating induction portion and the air multi- May be preferred.
상기 2차연료 분사체는 상기 1차연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되며, 상기 2차연료 분사체는 그 반경 방향으로 연료를 분사하는 것이 바람직할 수 있다.It is preferable that a plurality of the secondary fuel injection bodies are disposed so as to be spaced apart from each other on the same circumference around the primary fuel injection body and that the secondary fuel injection body injects fuel in the radial direction thereof have.
상기 2차연료 분사체의 반경방향 분사각도는 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하는 각도와 교번적으로 인접한 상기 2차 연료 분사체를 향한 각도 사이에서 연료를 분사하는 것이 바람직할 수 있다.It may be preferable that the radial injection angle of the secondary fuel injection body injects fuel between an angle toward the adjacent secondary fuel injection body and an angle toward the alternately adjacent secondary fuel injection body.
상기 2차연료 분사체의 축방향 연료 분사 각도는 10°에서 80°범위인 것이 바람직할 수 있다.It is preferable that the axial fuel injection angle of the secondary fuel injection body is in the range of 10 ° to 80 °.
상기 1차연료 분사체의 연료분사속도 는 바람직하게 20에서 50의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.The fuel injection speed of the primary fuel injector Is preferably set in the range of 20 to 50. [
2차연료 분사체의 연료분사속도, 은 바람직하게 하기 식의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.The fuel injection speed of the secondary fuel injection body, Is preferably set in the range of the following formula.
상기 재순환 유도부는 상기 2차연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The recirculating induction unit may include an internal recirculating sleeve disposed to be inclined with respect to the secondary fuel injector, a connecting guide extending from a rear end of the internal recirculating sleeve, and a moving member connected to a rear end of the connecting guide to change a moving direction of the combustion gas Spray nozzles < / RTI >
상기 분사 노즐은 상기 1차연료 분사체와 상기 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 1차연료 분사체와 상기 상기 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.The injection nozzle may be arranged to be inclined between the primary fuel injection body and the recirculation induction portion so as to reduce the width between the primary fuel injection body and the recirculation induction portion, which is the space of the oxidant.
상기 1차연료 분사체는 공급되는 상기 주연료를 그 반경 방향 및 접선 방향으로 분사하는 것이 바람직할 수 있다.It is preferable that the primary fuel injector injects the supplied main fuel in its radial direction and tangential direction.
상기 2차연료 분사체의 선단은 상기 1차연료 분사체의 선단에 비해 상기 연소로의 내부로 더 진입하여 배치되는 것이 바람직할 수 있다.It is preferable that the tip of the secondary fuel injector is disposed further into the combustion furnace than the tip of the primary fuel injector.
상기 1차연료 분사체는 상기 연소로 내부에 연료농후영역인 1차 공간을 형성하고, 상기 2차연료 분사체는 상기 1차 공간의 후단부에 연료희박영역인 2차 공간을 형성하여 다단 화염을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
Wherein the primary fuel injection body forms a primary space which is a fuel rich region inside the combustion furnace and the secondary fuel injection body forms a secondary space which is a fuel lean region at the rear end of the primary space, May be desirable.
본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치는 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.The ultra low nitrogen oxide combustion apparatus according to the present invention allows the combustion gas generated in the combustion chamber in which the multi-flame field is formed to be transferred through the internal recirculation technique without any additional device in the combustion chamber, not in the external connection passage of the combustion chamber.
이처럼 내부 재순환 유도체의 형상을 최적화함에 의해 연소로 내의 연소가스가 외부 동력 없이 열 및 유체 역학적 유도 기술에 의해 흡입되는 산화제와 혼합되어 연소됨으로써 초저질소산화물 운전이 가능하게 한다. By optimizing the shape of the internal recycle derivative, the combustion gas in the combustion furnace is mixed with the oxidizing agent sucked in by the heat and hydrodynamic induction technique without external power, and burned, thereby enabling the ultra low nitrogen oxide operation.
본 발명은 산화제를 화염 중심부에 공급함으로써 희박 화염을 형성하기 위한 공기 공급 과정을 가능하게 하거나 화염 중심부의 국부적 고온 열점에 의한 질소 산화물 생성 증가를 방지한다. 이를 통해 스월러 및 연료 분사체 선단의 과열현상을 억제하게 한다.The present invention provides an air supply process for forming a lean flame by supplying an oxidant to the center of the flame, or prevents an increase in nitrogen oxide production due to local hot spots at the center of the flame. This prevents the overheating of the swirler and the fuel spray tip.
또한, 본 발명은 재순환 유도부 및 공기 다단 슬리브 등의 구조를 통해서 연소로에서 발생하는 연소가스의 원활한 재순환 유동을 가능하게 하고, 이로써 종래에 보염 역할에 중요한 중심부의 재순환 유동에 반하는 유동으로 인한 화염의 불안정 현상이 발생하는 것을 방지한다.Further, the present invention enables a smooth recirculating flow of the combustion gas generated in the combustion furnace through the structure of the recirculating induction portion and the air multistage sleeve, and thereby enables the combustion of the flame due to the flow contrary to the recirculating flow of the central portion, Thereby preventing occurrence of instability phenomenon.
또한, 별도의 동력 공급 장치를 요하지 않아 설치의 단순화를 가능하게 하는 동시에, 연소가스의 순환 효율을 증가하게 한다.Further, since no separate power supply device is required, it is possible to simplify the installation and increase the circulation efficiency of the combustion gas.
또한, 본 발명은 재순환 유도부를 거친 연소가스가 산화제와 함께 연소로 상에 재공급되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 안정된 화염을 이루도록 한다.
In addition, according to the present invention, the combustion gas passing through the recirculation inducing unit is supplied again to the combustion furnace along with the oxidizing agent and is burnt, thereby forming a stable flame.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성도,
도 2는 도 1의 연소장치를 연소로 내부에서 바라본 형태로서, 2차연료 분사체로부터 보조 연료가 분사되는 일 실시예를 보이는 도면,
도 3은 도 1의 연소장치를 연소로 내부에서 바라본 형태로서, 2차연료 분사체로부터 보조 연료가 분사되는 다른 실시예를 보이는 도면,
도 4는 중요 성능 지수를 구성하는 기호가 도시된 도면,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명인 초저질소산화물 연소장치의 중요 성능 지수를 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 전체적인 구성도, 및
도 7은 2차연료 분사체의 축방향 연료 분사 각도를 설명하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ultra low nitrogen oxide combustion apparatus according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a view of the combustion apparatus of FIG. 1 viewed from the inside of the combustion furnace, showing an embodiment in which an auxiliary fuel is injected from a secondary fuel injector,
FIG. 3 is a view showing another embodiment in which auxiliary fuel is injected from a secondary fuel injector as seen from the inside of a combustion furnace of FIG. 1,
FIG. 4 is a drawing showing the symbols constituting the important figure of merit,
5A to 5F are graphs showing important performance indices of the ultra low NOx combustion apparatus of the present invention,
FIG. 6 is an overall configuration diagram of an ultra low nitrogen oxide combustion apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG.
7 is a view for explaining the axial fuel injection angle of the secondary fuel injection body.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.These and other objects, features and other advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. The embodiments described are provided by way of illustration for the purposes of illustration and are not intended to limit the scope of the invention.
본 발명의 초저질소산화물 연소장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.Each component constituting the ultra low nitrogen oxide combustion apparatus of the present invention may be used integrally or individually as needed. In addition, some components may be omitted depending on the usage pattern.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 초저질소산화물 연소장치를 상세히 설명하기로 한다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an ultra low nitrogen oxide combustion apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
초저질소산화물Ultra low nitrogen oxide 연소장치의 전체적인 구성 설명 Overall configuration of the combustion device
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(100)의 전체적인 구성을 살핀다.First, referring to FIG. 1, the overall configuration of the ultra low nitrogen
초저질소산화물 연소장치(100)는 연소로(1)의 전방에 형성된 개구부의 중앙에 배치되는 1차연료 분사체(10), 1차연료 분사체(10)를 둘러싸는 동시에 개구부 내측에 밀착하게 배치되는 2차연료 분사체(20), 1차연료 분사체(10)의 선단에 배치되는 스월러(30), 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이에 배치되는 재순환 유도부(40), 1차연료 분사체(10)와 스월러(30)를 둘러싸도록 배치되는 공기 다단 슬리브(60), 및 공기 다단 슬리브(60)의 외면에 부설되는 재순환 촉진 돌기부(90)를 포함한다. 상기 재순환 유도부(40)는 2차연료 분사체(20)에 인접하여 배치된다.The ultra-low nitrogen
1차 연료 분사체(10)는 제 1 연료라인(51)에 연결되는 이송부(13) 및 상기 이송부(13)에 직접 연결되는 확대부(11)를 포함한다. 상기 이송부(13)는 주연료를 확대부(11)까지 안전하게 이송하기 위한 것으로서 내구성이 강한 재질로 제조하는 것이 바람직하고 직경이 균일하게 형성될 수 있다.The primary
확대부(11)는 일 실시예로서 점점 그 직경이 확대되는 형상을 가질 수 있고공급된 주연료를 그 외주면을 통해 분사한다. 즉, 확대부(11)의 외주면에 형성된 분사홀(미도시)을 통해 확대부(11) 내로 진입한 연료가 연료 분사체(10,20) 사이의 내부 공간으로 방사상으로 분사된다(도 1의 도면부호 15 참조). 즉, 확대부(11) 내의 연료는 유입되는 산화제 상에 상기 확대부(11)의 반경 방향을 따라 분사된다.The
한편, 1차 연료 분사체(10)의 내부를 따라 중심 산화제 분사부(85)가 배치될 수 있다. 여기에서, 중심 산화제 분사부(85)의 끝단에 노즐 삽입이 가능하게 구성함으로써 공기 공급량을 조절할 수 있게 한다. 상기 중심 산화제 분사부(85)는 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 1차 연료 분사체(10)의 중심축을 따라 유동하게 한 후 연소로(1)의 화염 중심부인 1차 공간(72)에 공급하게 한다. On the other hand, a central
이를 통해 화염 중심부인 1차 공간(72)에 화염과 산화제의 혼합 효과를 촉진하여 적염 형성을 억제함으로써 청염 형성을 유도한다. 더불어, 화염 중심부 주변의 국부적 고온 영역을 감소함으로써 질소산화물의 발생을 저감하게 한다.
Thereby promoting the mixing effect of the flame and the oxidizing agent in the
2차연료 분사체(20)는 1차연료 분사체(10)를 중심으로 동일 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 구체적으로 6개 내지 12개의 2차연료 분사체(20)가 배치되고, 바람직하게는 8개의 2차연료 분사체(20)가 균등한 간격을 유지한 채 배치된다. 상기 2차연료 분사체(20)의 선단은 1차연료 분사체(10)의 선단과 비교하여 연소로(1)의 내부로 더 진입하여 배치된다. 상기 2차연료 분사체(20)의 선단 구조는 일 방향으로 기울어지게 경사각이 정해질 수 있다. 구체적으로는, 연소로(1)의 중심을 향하는 방향으로 점점 개구부(3)로부터 멀어지는 형태로 경사지게 정해질 수 있다.The secondary
2차연료 분사체(20)로부터 분사되는 연료는 상기 2차연료 분사체(20)의 반경 방향으로 분사될 수 있다. 상기 2차연료 분사체(20)는 그 축 방향이 아닌 반경 방향으로 보조 연료를 분사하게 함으로써 연소로(1) 내에 회전 유동을 발생하게 한다. 본 발명에서는 복수의 2차연료 분사체(20)가 배치되는 원주 상에서 시계 또는 반시계 방향으로 보조 연료가 방출되도록 할 수 있다(도 2의 도면 부호 25 또는 도 3의 도면 부호 25' 참조). 도면 상에서는 일례로서 시계 방향으로 분사되는 형태를 도시하고 있다.The fuel injected from the secondary
본 발명에서 복수의 2차연료 분사체(20) 중 어느 하나로부터의 연료 분사 방향은 인접한 다른 2차연료 분사체(20)를 향하도록 설정된다(도 2 참조). 한편, 다른 실시예로서 복수의 2차연료 분사체(20) 중 어느 하나로부터의 연료 분사 방향은 교번적으로 인접한 다른 2차연료 분사체(20)를 향하도록 설정된다(도 3 참조). 또 한편으로, 복수의 2차연료 분사체(20) 중 어느 하나로부터의 반경방향 분사각도는 인접한 2차연료 분사체를 향하는 각도와 교번적으로 인접한 다른 2차연료 분사체를 향한 각도 사이에서 연료를 분사할 수 있다.In the present invention, the fuel injection direction from any one of the plurality of secondary
도 3에서는 배열된 8개의 2차연료 분사체(20) 중 4개의 2차연료 분사체(20)에서만 연료가 분사되는 것을 도시하지만, 이는 분사 방향을 명확하게 표시하기 위한 것으로서 모든 2차연료 분사체(20)에서 연료가 분사되는 것으로 한다. 3 shows that only four secondary
1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)는 공히 중공의 원통형 관으로서 구성된다. 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이의 공간으로는 산화제 공급부(80)로부터 산화제가 공급된다. 상기 산화제는 스월러(30)를 통해 축방향 또는 접선 방향 모멘텀이 형성된 상태로 연소로(1) 내부로 공급되거나 스월러(30)를 통함이 없이 직접적으로 연소로(1) 내로 공급된다. The primary
상기 1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)에는 연료공급부(50)로부터 액체 연료가 1차연료(Main fuel)와 2차연료(2nd fuel)로 나뉘어져 공급된다. 연료공급부(50)로부터 필터(미도시)를 거쳐 불순물이 제거되고 펌프(미도시)에 의해 펌핑된 후에 제1라인(51)과 제2라인(52)으로 분기되어 연료 분사체(10,20)에 연결된다. 상기 라인들(51,52)에는 각각 솔레노이드 밸브(55,56)가 설치되어 1차연료(Main fuel)와 2차연료(2nd fuel)로 공급되는 액체연료를 적절히 공급 및 차단하도록 할 수 있다.Liquid fuel is supplied to the primary
스월러(30)는 1차 연료 분사체(10)의 선단에 배치되어 1차 연료 분사체(10)의 축방향과는 사선으로 예혼합기가 공급될 수 있도록 한다. 더불어, 사선으로 공급되는 예혼합기는 선회 유동을 하며 와류의 발생을 가능하게 한다(도 2의 도면부호 32 참조). 상기의 기능을 구현하기 위하여 스월러(30)는 그 일 실시예로서 중공 원통 형상의 몸체와 상기 몸체 내부에 축 방향과는 사선으로 배치되는 날개 형상의 안내판을 구비할 수 있다. 상기 몸체의 내부로는 안내판의 일측단에 연결고정되는 중공 원통형의 삽입공(미도시)이 형성된다. 삽입공에는 1차연료 분사체(10)가 관통하여 고정됨으로써, 스월러(30)는 1차연료 분사체(10)의 선단부를 둘러싸도록 배치된다.
The
재순환 유도부(40)는 연소로(1)의 개구부(미도시) 상에서 2차연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41,Forced Internal recirculation sleeve), 내부 재순환 슬리브(41)로부터 연장되는 연결 가이드(43), 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐(45) 및 재순환 유도부(40)의 내부 하단에 경사지게 배치되는 경사부재(47)를 포함한다.The
내부 재순환 슬리브(41)는 연소가스의 최초 유입부인 선단에서 후단으로 갈수록 개구부(3) 중심을 향하도록 경사지게 배치된다. 즉, 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로 갈수록 점점 내부 폭이 넓어진다. 연결 가이드(43)는 내부 재순환 슬리브(41)를 통해 유입된 연소가스의 완만한 유동을 가능하게 하는 것으로서 일정한 폭을 유지한다.The
분사 노즐(45)은 내부 재순환 슬리브(41) 및 연결 가이드(43)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이의 공간으로 분사하게 한다. 분사된 연소가스는 산화제와 함께 연소로(1) 내부로 유동한다. 상기 분사 노즐(45)은 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치된다. 즉, 1차연료 분사체(10)와 재순환 유도부(40) 사이의 폭을 감소시킴으로써 오리피스 형태의 구조를 구현한다. 상기와 같은 분사 노즐(45)의 배치 구조는 1차연료 분사체(10)와 2차연료 분사체(20) 사이의 공간으로 공급되는 산화제의 유동 속도를 빠르게 함으로써 고속으로 연소로(1) 내로 유동하게 한다.The
즉, 1차연료 분사체(10)와 분사 노즐(45) 사이의 공간이 좁아짐으로써 베르누이 정리에 의해서 산화제의 유속이 증가하게 된다. 이와 같은 구조를 통해 연소로(1) 내에서 발생하는 유동은 모멘텀의 증가를 가능하게 한다.That is, since the space between the primary
경사부재(47)는 연결 가이드(43)와 분사 노즐(45)의 경계선 상에 배치되는 구조체로서 연소가스가 유동할 수 있는 폭을 조절하여 결과적으로 유속을 조절하게 된다.
The
공기 다단 슬리브(60)는 중공 원통 형상의 구조체로서 산화제 공급부(80)로부터 공급되는 산화제를 공기 다단 슬리브(60)의 내부 및 외부로 분리 공급하게 구성함으로써 산화제의 다단 공급을 가능하게 하고, 이를 통해 결과적으로 연소로(1) 내부에 다단 화염을 용이하게 형성하게 한다.
The air
재순환 촉진 돌기부(90)는 공기 다단 슬리브(60)의 외주면 상에 배치된다. 구체적으로, 상기 재순환 촉진 돌기부(90)는 재순환 유도부(40)를 구성하는 분사 노즐(45) 및 공기 다단 슬리브(60) 사이의 공간을 좁히는 기능을 수행하게 된다. 상기와 같은 구조를 통해서 연소로(1)에서부터 재순환 유도부(40)를 통해 유동하는 연소가스의 유속은 재순환 촉진 돌기부(90) 인근을 지나면서 상승하게 된다. 이를 통해 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)로 재유입되는 연소가스의 박리(separation)를 방지하게 되고, 결과적으로 연소가스의 재순환을 촉진한다.
The
다음으로 도 4 내지 도 5e를 참조하여, 초저질소산화물 연소장치(100)의 성능을 결정할 수 있는 중요 성능 지수에 대해 설명한다.Next, with reference to Figs. 4 to 5E, a description will be given of important performance indexes capable of determining the performance of the ultra low nitrogen
상기 중요 성능 지수를 결정하는 수식에 사용되는 기호는 다음과 같이 정의된다.The symbol used in the equation for determining the important figure of merit is defined as follows.
A : 스월러(30)의 직경, B : 연료헤드의 직경, C : 재순환 유도부(40)의 내부 직경, D : 공기 다단 슬리브(60)의 직경, E : FIR 포트 사이의 거리, F : 연료 파이프의 직경A is the diameter of the
여기에서, 연료헤드의 직경은 1차연료 분사체(10)의 토출구의 직경인 동시에 확대부(11) 중 스월러(30)에 결합되는 부분의 직경이고, 연료 파이프의 직경은 1차연료 분사체(10) 중 연료가 유입되는 이송부(13)의 직경이고, FIR 포트 사이의 거리는 재순환 유도부(40) 중 분사 노즐(45) 사이의 거리를 의미한다.
Here, the diameter of the fuel head is the diameter of the discharge port of the
먼저, 제1 성능 지수, η1는 예혼합강도를 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. First, the first performance index,? 1 , represents the pre-mix strength, and can be set by the following equation.
제1 성능 지수는 전체 산화제 공급 면적에 대한 내부 버너 면적의 비를 지칭하는 것으로서, 예혼합 공기 면적과 순수 산화제 공급 면적의 비를 나타낸다. The first figure of merit refers to the ratio of the internal burner area to the total oxidizer feed area and represents the ratio of premixed air area to pure oxidant feed area.
도 5a를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제1 성능 지수의 값을 0.3 내지 0.5 사이의 범위에 존재하게 한다. 바람직하게는 0.4 일 수 있다.
Referring to FIG. 5A, in order to keep the incidence rate of nitrogen oxides below 20, the value of the first figure of merit is in the range of 0.3 to 0.5. Preferably 0.4.
다음, 제2 성능 지수, η2는 노즐형상계수를 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. Next, the second performance index, eta 2, represents the nozzle shape coefficient, which can be set by the following equation.
제2성능 지수는 스월러 직경과 연료헤드 직경 간의 비를 지칭하는 것으로서, 급속 예혼합 버너 헤드의 설계 지표로 활용된다. The second figure of merit refers to the ratio between the swirler diameter and the fuel head diameter and is used as a design index of the rapid premix burner head.
도 5b를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제2 성능 지수의 값은 바람직하게는 1.5 내지 2.0 사이의 범위에 존재한다.
Referring to FIG. 5B, in the present invention, the value of the second figure of merit is preferably in the range of 1.5 to 2.0 in order to keep the incidence of nitrogen oxides below 20.
다음, 제3성능 지수, η3는 선회류계수를 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. Next, the third performance index, eta 3 , represents the swirl index, which can be set by the following equation.
제3성능 지수는 전체 산화제 공급 면적에 대한 스월 면적의 비를 지칭하는 것으로서, 전체 산화제 공급 면적에서 스월러가 차지하는 면적의 비로서 선회 강도를 나타낼 수 있다. The third figure of merit refers to the ratio of the swirl area to the total oxidant feed area, which can represent the swirl strength as a ratio of the area occupied by the swirl in the total oxidant feed area.
도 5c를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제3 성능 지수의 값을 0.55 내지 0.75 사이의 범위에 존재하게 한다. 바람직하게는 약 1.42 일 수 있다.
Referring to FIG. 5C, in order to keep the incidence of nitrogen oxides below 20, the value of the third performance index is in the range of 0.55 to 0.75. Preferably about 1.42.
다음, 제4성능 지수, η4는 재순환부 유속을 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. Next, the fourth performance index,? 4, represents the recirculation flow rate, and can be set by the following equation.
제4성능 지수는 분사 노즐(45)의 단부 사이의 면적 중 이송부(13)의 면적을 제외한 영역을 통한 유동 속도를 의미한다.The fourth performance index means a flow velocity through an area of the area between the end portions of the
도 5d를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제4 성능 지수의 값을 45 내지 60 사이의 범위에 존재하게 한다.
Referring to FIG. 5D, in order to keep the incidence rate of nitrogen oxides below 20, the value of the fourth performance index is in the range of 45 to 60.
다음, 제5성능 지수, η5는 연소기 출구 유속을 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. Next, the fifth performance index,? 5, represents the combustor outlet flow rate, and can be set by the following equation.
제5성능 지수는 연결 가이드(43)의 내부 면적 중 연료 헤드의 면적을 제외한 영역을 통한 유동 속도를 의미한다.The fifth performance index means a flow velocity through an area excluding the area of the fuel head in the inner area of the
도 5e를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제5 성능 지수의 값을 30 내지 50 사이의 범위에 존재하게 한다.Referring to FIG. 5E, in order to keep the incidence rate of nitrogen oxides below 20, the value of the fifth performance index is in the range of 30 to 50.
여기에서, 1차연료 분사체의 연료분사속도는 바람직하게 20에서 50의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.Here, the fuel injection speed of the primary fuel injector Is preferably set in the range of 20 to 50. [
그리고, 2차연료 분사체의 연료분사속도 은 바람직하게 하기 식의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.The fuel injection speed of the secondary fuel injector Is preferably set in the range of the following formula.
한편, 도 1을 참조할때 2차연료 분사체(20)로부터 분사되는 연료는 상기 2차연료 분사체(20)의 축방향에 수직한 평면에 대하여 θ 값이 10˚에서 80˚사이에서의 범위로 분사되는 것이 바람직할 수 있다.
1, the fuel injected from the
다음, 제6성능 지수,η6는 예혼합비를 나타내는 것이며, 하기의 식으로 설정할 수 있다. Next, the sixth performance index,? 6 , represents the preliminary mixing ratio, and can be set by the following equation.
제6성능 지수는 전체 연료 유량에 대한 예혼합된 연료 유량의 비를 의미한다.The sixth performance index means the ratio of the pre-mixed fuel flow rate to the total fuel flow rate.
도 5f를 참조하면, 본 발명에서는 질소 산화물의 발생률을 20 이하로 유지하기 위해서 제6 성능 지수의 값을 4 내지 22 사이의 범위에 존재하게 한다. 상기에서 확인 가능하듯이, 예혼합비는 낮을수록 질소 산화물 저감 효과가 좋을 수 있지만 5% 미만의 조건에서는 화염 불안정 현상이 발생한다는 단점이 있게 된다.
Referring to FIG. 5F, in order to keep the incidence of nitrogen oxides below 20, the value of the sixth performance index is in the range of 4 to 22. As can be seen from the above, the lower the premixing ratio, the better the nitrogen oxide reduction effect, but the disadvantage is that the flame instability phenomenon occurs under the condition of less than 5%.
한편, 본 발명에서는 추가적인 성능 지수로서 연료 속도 및 헤드의 형상 등을 고려하여 진행 가능할 수 있지만 모든 연료 헤드의 형상을 포함하는 데에는 한계가 있을 수 있다.
In the present invention, it is possible to proceed with consideration of the fuel speed and the shape of the head as additional performance indices, but there may be a limit to include the shape of all the fuel heads.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(200)의 전체적인 구성을 살핀다.Next, referring to FIG. 6, the overall configuration of the ultra low nitrogen oxide combustion apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention will be described.
이하에서는 제 1 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치(100)와 비교하여 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고 상이한 부분에 대해서 중점적으로 설명한다.Hereinafter, the same components as those of the ultra low nitrogen
초저질소산화물 연소장치(200)에서는 제 1 실시예(100)와는 상이하게 공기 다단 슬리브(60)는 제거되는 반면에, 재순환 촉진 돌기부(90')가 1차연료 분사체(10)의 이송부(13)의 외주면에 배치되는 것을 특징으로 한다. The air
즉, 1차연료 분사체(10)의 외측으로 공급되는 산화제는 공기 다단 슬리브(60)를 통한 분리 공급 없이 재순환 유도부(40)를 거친 연소가스와 전체적으로 혼합되어 연소로(1) 방향으로 유동하게 된다.That is, the oxidant supplied to the outside of the
상기에서와 같이, 제 2 실시예에 따른 저질소산화물 연소장치(200)는 공기 다단 슬리브(60)의 배치 여부 및 재순환 촉진 돌기부(90')의 배치 위치가 차이가 있을 뿐, 다단으로 연료 및 산화제를 공급한다는 점 및 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)에서 유동하는 연소가스를 다시 상기 연소로(40)로 재공급한다는 점에서는 그 핵심적인 기술적 특징을 공유한다.
As described above, the low NOx combustion apparatus 200 according to the second embodiment differs from the low-NOx combustion apparatus 200 in that the air
초저질소산화물Ultra low nitrogen oxide 연소장치의 다단 연소 과정 설명 Describe the multi-stage combustion process of the combustion device
다음으로는 도 1을 다시 참조하여, 본원 발명의 다단 연료 연소 과정에 대해서 설명한다.Next, the multi-stage fuel combustion process of the present invention will be described with reference to FIG.
먼저, 산화제 공급부(80)를 통해 산화제가 공급되고, 공급된 산화제 중 일부는 1차 연료 분사체(10) 내부의 중심 산화제 분사부(85)를 통해 유동한다. 이와 동시에 연료공급부(50)로부터 연료가 제 1 연료라인(51)을 거쳐 1차 연료 분사체(10)로 공급된다.First, an oxidizing agent is supplied through the oxidizing
1차 연료 분사체(10) 내를 유동하는 주연료는 확대부(11)의 외주면을 통해 반경 방향으로 분사되는 과정을 거치는데, 상기와 같이 분사된 주연료는 산화제와 반응하여 예혼합 영역(78)을 형성한다. 여기에서, 상기 확대부(11)는 연소로(1) 방향으로 향할수록 확개되는 형상을 가지므로 분사되는 연료가 넓은 부위에 걸친 예혼합 영역(78)을 형성할 수 있게 한다.The main fuel flowing in the primary
예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 스월러(30)를 통해 연소로(1)에 방출되어 1차 공간(72)을 형성한다. 1차 공간(72)에 공급되는 공기를 분석하면 다음과 같다. 예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 스월러(30)를 통해 축방향 모멘텀(Axial momentum) 및 접선 방향 모멘텀(Tangential momentum)을 가진 상태로 연소로(1) 내로 전달된다.The pre-mixer formed in the premixed
상기의 과정에서 재순환 유도부(40)를 거친 연소가스가 예혼합기와 함께 1차 공간(72)에 공급된다. 재순환 유도부(40)로부터 산화제의 유동 공간으로 배출되는 연소가스는 재순환 촉진 돌기부(90)에 의해 그 유동 속도가 증가되어짐으로써 연소 가스 및 산화제의 유속을 상승시키는 동시에 박리를 방지할 수 있다. 상기의 과정을 거쳐 예혼합기 및 연소가스가 1차 공간(72)에 유입되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 안정된 화염을 이루도록 한다. 1차 공간(72)은 약 50% 이상의 연료가 분사되어 연소하는 주 화염 공간 영역이다.In the above process, the combustion gas passing through the
다음으로는, 연료공급부(50)로부터 연료가 제 2 연료라인(52)을 거쳐 2차 연료 분사체(20)로 공급된다. 2차 연료 분사체(20)를 통해 1차 공간(72)의 상부 측으로 분사되는 보조연료는 1차 공간(72)에서 미반응된 산화제와 반응하는 과정을 통해 2차 공간(74)을 형성한다. 1차 공간(72)에서의 가연성 가스 중 일부는 스월러(30) 외곽으로 공급되는 예혼합기와 혼합되어 1차화염의 후류로 이동하여 연료 희박상태의 화염을 구성하게 된다. 상기 연료 희박상태의 화염이 2차 공간(74)을 형성하게 된다.Next, fuel is supplied from the
상기와 같이, 본 발명은 1차 연료 분사체(10)의 반경 방향을 따라 분사되는 주연료가 산화제와 예비 혼합되어 예혼합 영역(78)을 형성하고, 상기 예혼합 영역(78)으로부터 연소로(1) 내에 공급된 예혼합기가 1차 공간(72)을 형성하고, 1차 공간(72)의 후단으로 2차 연료 분사체(20)로부터 보조 연료를 분사하여 최종 화염의 형태를 이루도록 한다. As described above, according to the present invention, the main fuel injected along the radial direction of the
상기와 같이, 연소로(1) 내에는 1차연료 분사체(10) 및 2차연료 분사체(20)에 의해 분사되는 연료에 의해 다단 화염 공간이 형성된다. 상기 1차 공간(72)의 후단부에는 2차 공간(74)이 만들어진다. 2차 공간(74)은 연소로(1)의 내부 측으로 더 진입한 공간에 1차 공간(72)을 둘러싸는 형태로 형성된다.As described above, the multistage flame space is formed in the
한편, 상기 1,2차 공간(72,74)을 포함하는 다단 화염 공간과 별도로 연소로(1) 내에는 자기 재순환 영역(76)이 형성된다. 상기 자기 재순환 영역(76)은 연소로(1)의 내측 모서리 영역에 형성되는 것으로 와류 형태로 연소가스가 유동할 수 있다.
On the other hand, in addition to the multi-stage flame space including the first and
1차연료 분사체(10)에서 분사된 연료는 연소로(1) 내에서의 다단 공기유동에 의해 안정적인 연료농후영역인 1차 공간(72)을 형성하게 되고 2차연료 분사체(20)에서 분사된 연료는 1차연료 분사체(10)의 1차 화염에서 전달된 열에 의한 분위기 온도와 잔류 산소에 의해 부분적인 산화 반응을 하게 되어 여러 가연성 가스 종으로 전환되어 화염 후류에서 연료희박상태의 화염공간인 2차 공간(74)을 구성하게 된다. 따라서, 상기 연료농후영역과 연료희박영역을 포함한 연소로 내에서 다단으로 구성된 화염 상태가 명확히 구분되어 조성된다.The fuel injected from the
이러한 원리가 적용된 초저질소산화물 연소장치(100)의 화염은 기본적으로 연료 농후와 연료 희박영역이 명확하게 구분된 형태로서, 화염 내 국부적인 고온영역을 최소화하여 Thermal NOx 생성을 최대한 억제하게 된다. 더불어, 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(1)에서 발생한 연소가스가 별도의 동력을 요함이 없이 산화제와 함께 연소로(1)에 재유입되어 반응함으로써 연료 중 질소 성분의 산화에 의한 Fuel NOx 생성을 원천적으로 저감할 수 있다.
The flame of the ultra low
상술한 바와 같이, 본 발명인 초저질소산화물 연소장치는 다중 화염장이 형성된 연소실 내에서 발생하는 연소가스를 내부재순환 기술을 적용하여 상기 연소실의 외부 연결통로가 아닌 연소실 내부에서 별도의 장치 없이 전달되게 한다.As described above, the ultra low nitrogen oxide combustion apparatus of the present invention allows the combustion gas generated in the combustion chamber in which the multi-flame field is formed to be transferred without an additional device inside the combustion chamber, not through the external connection passage of the combustion chamber, by applying the internal recirculation technique.
본 발명에서는 주연료를 연소로 내에 분사되는 연료 분사체의 축방향으로 화염에 직접 분사하는 것이 아니라 반경 방향 또는 접선 방향으로 분사하는 방식을 통하여 예혼합기를 형성하고, 형성된 상기 예혼합기를 갖고 예혼합 화염 형태의 초기화염을 형성함으로써 기존의 연료다단연소기에서 확산화염형태의 초기화염에서 형성되던 고온 반응영역을 제거할 수 있다.In the present invention, the main fuel is injected in a radial direction or a tangential direction instead of directly injecting the main fuel into the flame in the axial direction of the fuel injection body injected into the combustion furnace, and the pre- By forming the flame-shaped initial flame, it is possible to eliminate the high-temperature reaction zone that was formed in the initial flame of the diffusion flame type in the conventional fuel multi-stage combustor.
더불어, 본 발명은 재순환 유도부를 거친 연소가스가 산화제와 함께 연소로 상에 재공급되어 연소되는 과정을 겪게 됨으로써 화염의 열용량을 높여 안정적으로 화염의 온도를 낮추도록 한다.In addition, according to the present invention, the combustion gas passing through the recirculation induction unit is supplied again to the combustion furnace along with the oxidizing agent to undergo combustion, thereby increasing the heat capacity of the flame and stably lowering the temperature of the flame.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. It will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the appended claims. And equivalents should also be considered to be within the scope of the present invention.
1 : 연소로
10 : 1차연료 분사체
20 : 2차연료 분사체
30 : 스월러
40 : 재순환 유도부
41 : 내부 재순환 슬리브
43 : 연결 가이드
45 : 분사 노즐
47 : 경사부재
50 : 연료 공급부
51 : 제 1 연료라인
52 : 제 2 연료라인
55,56 : 솔레노이드 밸브
60 : 공기 다단 슬리브
72 : 1차 공간
74 : 2차 공간
76 : 재순환 영역
78 : 예혼합 영역
80 : 산화제 공급부
85 : 중심 산화제 분사부
90 : 재순환 촉진 돌기부
100: 초저질소산화물 연소장치1: Combustion furnace
10: primary fuel injector
20: secondary fuel injector
30: Swallar
40: recirculation induction part
41: internal recirculating sleeve
43: Connection Guide
45: injection nozzle
47: inclined member
50: fuel supply unit
51: first fuel line
52: Second fuel line
55, 56: Solenoid valve
60: air multistage sleeve
72: primary space
74: Secondary space
76: recirculation zone
78: Premix area
80: oxidant supplier
85: central oxidizing agent spraying part
90: Recirculation promoting protrusion
100: Ultra low nitrogen oxide combustion device
Claims (22)
상기 1차연료 분사체 주위로 적어도 하나 이상으로 배치되며, 그 선단이 상기 연소로의 내부에 진입하도록 배치되는 2차연료 분사체;
상기 연소로에서 발생한 연소가스를 유체역학적 힘에 의해 상기 연소로에 재순환시키는 재순환 유도부;
상기 1차연료 분사체와 2차연료 분사체로 연료를 공급하는 연료공급부;
상기 1차연료 분사체와 상기 2차연료 분사체 사이의 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부;
상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 상기 1차 연료 분사체의 내부를 따라 상기 연소로 내로 이송하는 중심 산화제 분사부;
공기 다단을 위해 상기 1차연료 분사체를 둘러싸도록 배치되는 공기 다단 슬리브; 및
상기 공기 다단 슬리브의 외면에 부설되는 재순환 촉진 돌기부;를 포함하며,
상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제는 상기 공기 다단 슬리브의 내외부를 통해 다단으로 공급되고,
상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 재순환 유도부와 상기 공기 다단 슬리브 사이로 유동하는 상기 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
A primary fuel injector for injecting fuel into the combustion furnace;
A secondary fuel injector disposed at least in the periphery of the primary fuel injector and disposed so that its tip enters the combustion furnace;
A recirculation inducing unit for recirculating the combustion gas generated in the combustion furnace to the combustion furnace by a hydrodynamic force;
A fuel supply unit for supplying fuel to the primary fuel injection body and the secondary fuel injection body;
An oxidant supplier for supplying an oxidant to a space between the primary fuel injector and the secondary fuel injector;
A central oxidant spraying part for spraying the oxidant supplied from the oxidant supply part into the combustion furnace along the inside of the primary fuel spraying body;
An air multistage sleeve disposed to surround the primary fuel injection body for air multistage; And
And a recirculation promoting protrusion laid on an outer surface of the air multistage sleeve,
The oxidant supplied from the oxidant supply unit is supplied in multiple stages through the inner and outer portions of the air multistage sleeve,
Wherein the recirculation promoting protrusion increases the flow rate of the combustion gas flowing between the recirculating induction portion and the air multi-stage sleeve.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 공기 다단 슬리브의 직경을 D, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때,
예혼합강도를 나타내는 제1 성능 지수, η1는 하기의 식으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
The method according to claim 1,
When the discharge hole diameter of the primary fuel injection body is defined as B, the diameter of the air multistage sleeve is defined as D, and the internal diameter of the recirculation inducing portion is defined as C,
Lt; RTI ID = 0.0 > 1 , < / RTI >
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 제1 성능 지수의 값은 0.3 내지 0,5 사이의 범위인 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
3. The method of claim 2,
Characterized in that the value of the first figure of merit is between 0.3 and 0.5.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 초저질소산화물 연소장치는,
상기 1차연료 분사체의 선단에 배치되는 스월러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
The method according to claim 1,
In the ultra low nitrogen oxide combustion apparatus,
And a swirler disposed at a front end of the primary fuel injection body.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 스월러의 직경을 A로 정의할 때,
노즐형상계수를 나타내는 제2 성능 지수, η2는 하기의 식으로 설정되며,
상기 제2 성능 지수의 값은 1.5 내지 2.0 사이의 범위인 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
5. The method of claim 4,
When the discharge port diameter of the primary fuel injector is defined as B and the diameter of the swirler as A,
A second figure of merit showing the nozzle shape coefficient, eta 2, is set by the following equation,
Characterized in that the value of the second figure of merit is in the range between 1.5 and 2.0,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 스월러의 직경을 A, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때,
선회류계수를 나타내는 제3 성능 지수, η3는 하기의 식으로 설정되며,
상기 제3 성능 지수의 값을 0.55 내지 0.75 사이의 범위인 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
5. The method of claim 4,
The diameter of the discharge port of the primary fuel injection body is B, the diameter of the swirler is A, and the inner diameter of the recirculation inducing portion is C,
A third performance index, < RTI ID = 0.0 > eta 3 , < / RTI &
And the value of the third figure of merit is in the range of 0.55 to 0.75.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
FIR 포트 사이의 거리를 E, 연료 파이프의 직경을 E로 정의할 때,
재순환부 유속을 나타내는 제4 성능 지수, η4는 하기의 식으로 설정되며,
상기 제4 성능 지수의 값은 45 내지 60 사이의 범위인 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
5. The method of claim 4,
When the distance between the FIR ports is defined as E and the diameter of the fuel pipe is defined as E,
The fourth performance index, < RTI ID = 0.0 > 4 , < / RTI &
Wherein the value of the fourth figure of merit is in the range of between 45 and 60,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체의 토출구 직경을 B, 상기 재순환 유도부의 내부 직경을 C로 정의할 때,
연소기 출구 유속을 나타내는 제5성능 지수, η5는 하기의 식으로 설정되며,
상기 제5 성능 지수의 값은 30 내지 50 사이의 범위인 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
5. The method of claim 4,
When the discharge port diameter of the primary fuel injection body is defined as B and the inner diameter of the recirculation inducing portion is defined as C,
A fifth performance index, < RTI ID = 0.0 > 5 , < / RTI &
Wherein the value of the fifth figure of merit is in the range of between 30 and 50,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 2차연료 분사체는 상기 1차연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 일정한 간격을 유지하도록 복수개가 배치되며, 상기 2차연료 분사체는 그 반경 방향으로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
The method according to claim 1,
Wherein a plurality of the secondary fuel injection bodies are disposed so as to be spaced apart from each other on the same circumference around the primary fuel injection body and the secondary fuel injection body injects fuel in a radial direction thereof ,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 2차연료 분사체의 반경방향 분사각도는 인접한 상기 2차연료 분사체를 향하는 각도와 교번적으로 인접한 상기 2차연료 분사체를 향한 각도 사이에서 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
Characterized in that the radial injection angle of the secondary fuel injection body injects fuel between an angle toward the adjacent secondary fuel injection body and an angle toward the alternately adjacent secondary fuel injection body,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 2차연료 분사체로부터의 연료는 상기 2차연료 분사체의 축방향에 수직한 평면에 대하여 10˚에서 80˚사이에서 분사되는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
Characterized in that the fuel from the secondary fuel injection body is injected between 10 DEG and 80 DEG with respect to a plane perpendicular to the axial direction of the secondary fuel injection body.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체는 공급되는 상기 주연료를 그 반경 방향 및 접선 방향으로 분사하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the primary fuel injector injects the main fuel supplied thereto in a radial direction and a tangential direction thereof.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체를 통해 분사되는 연료의 분사속도 는 20에서 50m/s 사이에서 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
14. The method of claim 13,
The injection speed of the fuel injected through the primary fuel injection body Characterized in that the fuel is injected between 20 and 50 m / s,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 2차연료 분사체를 통해 분사되는 연료의 분사속도는 하기의 식으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
15. The method of claim 14,
The injection speed of the fuel injected through the secondary fuel injector Is set to the following formula: < EMI ID =
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 재순환 유도부는 상기 2차연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
The recirculating induction unit may include an internal recirculating sleeve disposed to be inclined with respect to the secondary fuel injector, a connecting guide extending from a rear end of the internal recirculating sleeve, and a moving member connected to a rear end of the connecting guide to change a moving direction of the combustion gas Characterized in that it comprises an injection nozzle
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 분사 노즐은 상기 1차연료 분사체와 상기 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 산화제의 유동 공간인 상기 1차연료 분사체와 상기 상기 재순환 유도부 사이의 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
17. The method of claim 16,
Wherein the injection nozzle is disposed obliquely between the primary fuel injection body and the recirculation induction portion to reduce the width between the primary fuel injection body and the recirculation induction portion,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 2차연료 분사체의 선단은 상기 1차연료 분사체의 선단에 비해 상기 연소로의 내부로 더 진입하여 배치되는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
Wherein a tip end of the secondary fuel injection body is further arranged to enter into the combustion furnace as compared with a tip end of the primary fuel injection body.
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체는 상기 연소로 내부에 연료농후영역인 1차 공간을 형성하고, 상기 2차연료 분사체는 상기 1차 공간의 후단부에 연료희박영역인 2차 공간을 형성하여 다단 화염을 형성하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the primary fuel injection body forms a primary space which is a fuel rich region inside the combustion furnace and the secondary fuel injection body forms a secondary space which is a fuel lean region at the rear end of the primary space, ≪ / RTI >
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
상기 1차연료 분사체의 연료유량과 상기 2차연료 분사체의 연료유량의 비를 나타내는 하기의 식은 제6성능 지수,η6는 예혼합비를 나타내는 것이며, 4에서 22의 범위에서 운전하는 것을 특징으로 하는,
초저질소산화물 연소장치.
21. The method of claim 20,
The following equation expressing the ratio of the fuel flow rate of the primary fuel injector to the fuel flow rate of the secondary fuel injector is a sixth performance index and η 6 is a preliminary mixing ratio and is operated in the range of 4 to 22 As a result,
Ultra low nitrogen oxide combustion device.
(a) 공기 다단 슬리브를 통해 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제를 연소로 내부에 공급하는 단계;
(b) 상기 산화제 공급부로부터의 산화제를 중심 산화제 분사부를 통해 상기 연소로 내부에 공급하는 단계;
(c) 연료공급부로부터의 연료를 상기 1차연료 분사체로 공급하는 단계;
(d) 재순환 유도부를 통해 상기 연소로 내의 연소가스가 유체역학적 힘에 의해 상기 연소로에 재순환되는 단계;
(e) 재순환되는 상기 연소가스가 상기 재순환 촉진 돌기부를 지나며 유속이 증가되는 단계;
(f) 상기 연료공급부로부터의 연료를 2차연료 분사체로 공급하는 단계; 및
(g) 상기 1차연료 분사체 및 2차연료 분사체에 의해 분사되는 연료에 의해 상기 연소로 내에 다단 화염 공간이 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연소장치의 운전 방법.A method for operating a combustion apparatus according to claim 1,
(a) supplying an oxidant supplied from an oxidant supply through an air multistage sleeve into a combustion furnace;
(b) supplying an oxidant from the oxidant supply unit into the combustion furnace through a central oxidant injection unit;
(c) supplying fuel from the fuel supply unit to the primary fuel injector;
(d) recirculating the combustion gas in the combustion furnace through the recirculation induction portion to the combustion furnace by a hydrodynamic force;
(e) increasing the flow rate of the recirculated combustion gas through the recirculation promoting protrusions;
(f) supplying fuel from the fuel supply unit to the secondary fuel injector; And
(g) forming a multi-stage flame space in the combustion furnace by fuel injected by the primary fuel injection body and the secondary fuel injection body.
A method of operating a combustion device.
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