KR100786785B1

KR100786785B1 - 저공해 예혼합 연소기

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Publication number: KR100786785B1
Application number: KR1020060129614A
Authority: KR
Inventors: 김세원; 신명철
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2007-12-18

Abstract

본 발명은 기체연료를 사용하는 연소기에 관한 것으로서, 특히 상용 가스를 연료로 사용하는 버너에서 배출되는 질소산화물과 일산화탄소의 배출량을 줄일 수 있는 저공해 예혼합 연소기에 관한 것이다. 개시된 본 발명에 의하면, 기체연료를 사용하는 연소기에 있어서, 하단부에 외부의 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되는 연소기 외통, 연소기 외통의 하면을 관통하여 연소기 외통의 높이 방향으로 설치되며, 외부의 기체연료를 연소기 외통 내부로 공급하는 연료공급파이프, 연료공급파이프의 상단과 연결되어, 연료공급파이프를 통해 공급되는 기체연료를 분사시키는 연료헤드부, 연료헤드부의 상단에 설치되는 선회기를 포함하며, 공기유입구를 통해 공급되는 공기는 연료헤드부에서 분사되는 기체연료와 선회기 하단부의 일정 공간인 예혼합 영역에서 예혼합된 후, 선회기를 통해 선회유동하면서 연소기 외부로 분사되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기가 제공된다.

연소기, 예혼합, 질소산화물, 일산화탄소, 보염기, 선회기

Description

저공해 예혼합 연소기{A PREMIXING BURNER FOR DECREASING POLLUTION}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기의 구성도.

도 2는 도 1의 연소기에 포함된 연료헤드부와 연소기 외통의 상부를 나타낸 구성도.

도 3은 도 2의 연료헤드부에 형성된 연료분사구를 나타낸 구성도.

도 4는 도 1의 연소기에 포함된 선회기를 나타낸 구성도.

도 5는 도 1의 연소기에 포함된 보염기를 나타낸 구성도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

10 : 보염기 11a : 보염공

11 : 보염원판 12 : 보염지지대

20 : 선회기 21 : 선회기 지지대

22 : 선회기 베인(Vane) 30 : 연료헤드부

31 : 연료 분사구 40 : 연료공급파이프

50 : 공기유입구 60 : 연소기 외통

70 : 예혼합 영역

본 발명은 기체연료를 사용하는 연소기에 관한 것으로서, 특히 상용 가스를 연료로 사용하는 버너에서 배출되는 질소산화물과 일산화탄소의 배출량을 줄일 수 있는 저공해 예혼합 연소기에 관한 것이다.

기체연료를 사용하는 연소기는 액체연료를 사용하는 연소기와는 달리 황산화물(SOx)이나 분진 등의 발생이 거의 없어, 대기오염방지 대책과 관련해서는 질소산화물(NOx)과 같은 오염물질에 대해서만 고려하면 족하다.

질소산화물은 NO, NO2 등의 NOx 형태로 존재하며, 광화학 스모그를 생성하거나 산성비의 원인이 되는 질산과 질산염으로 전환되어 환경오염을 유발한다. 이러한 질소산화물은 전국적으로 한해 수백만 톤이 발생하며 전체 대기오염물질의 상당량을 차지하고 있다는 사실은 잘 알려져 있다.

이러한 질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx)과 급속 질소산화물(Prompt NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 반응하여 생성되는 것이며 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소초기에 생성되는 것이다. 각각의 질소산화물의 생성 메커니즘은 아래와 같다.

첫째로, 열적 질소산화물의 경우 아래와 같이 4가지의 화학반응 경로로 생성 된다.

O₂ → 2O

O + N₂ → NO + N 식(1)

N + O₂ → NO + O

N + OH → NO + H

여기서 평형 상태에서 계산된 질소 원자에 관한 산소 원자 농도를 고려한 이론상의 최대 질소 산화물 생성률은 아래와 같다.

d[NO]/dt = 1.45x10¹⁷T^-1/2

exp[-69460/T(k)] 식(2)

[O₂]_eq ¹ ^/2[N₂]_eq mol/cc s

위의 식(1)과 식(2)에서와 같이 열적 질소산화물의 생성률은 화염 온도와 산소 농도에 의존하며, 1200℃ 이상의 고온에서는 21℃ 정도의 화염 온도 상승 시 열적 질소산화물의 생성률은 2 배정도 증가한다. 따라서 열적 질소산화물의 생성률은 화염 온도와 큰 관련이 있음을 알 수 있다.

둘째로, 급속 질소산화물의 경우 탄화수소계 연료가 분해되는 과정에서 라디칼이 생성되며, 생성된 라디칼은 주변의 질소와 결합되면서 카본 라디칼을 형성한다. 이러한 카본 라디칼은 연소장의 화염 전반부에서 급격히 산화되면서 급속 질소산화물로 생성된다. 특히 연료 공기비가 0.6 이하인 연료 농후 조건에서는 이러한 과정은 더욱 빠르게 진행되어 보다 많은 양의 급속 질소산화물이 생성된다. 이와 같은 화학 반응 경로는 아래와 같다.

CH + N₂ = HCN + N

N + H₂ = NH + H

NH +H₂ = NH₃

HCN + O₂ = NO +HCO

위 반응에서 생성되는 NO는 NO2로 전환되고 이 과정은 아래와 같다.

NO + HO₂ → NO₂ + OH(생성)

NO₂ + H → NO + OH(소멸)

NO₂ + O → NO + O₂ (소멸)

위의 식에서 HO₂ 라디칼은 다음 과정으로 생성된다.

H + O₂ → HO₂

지금까지 살펴본 질소산화물의 생성 메커니즘을 고찰해보면, 첫째로 열적 질소산화물의 생성을 줄이기 위해서는 연소기의 국부적인 고온 화염대를 억제해야 하고, 둘째로 급속 질소산화물의 생성을 줄이기 위해서는 연소기의 연료 농후 영역을 억제해야 한다는 사실을 알 수 있다.

질소산화물의 배출량을 억제하기 위한 종래의 기술에 따른 연소기의원리는 기술적으로 크게 세가지로 분류될 수 있다. 첫째로 연소로 내에서 질소산화물의 생성을 억제하는 메커니즘, 둘째로 생성된 질소 산화물을 연소로 내에서 환원시키는 탈질 메커니즘, 셋째로 질소산화물의 생성 억제와 탈질이 조합된 복합적 메커니즘이다. 이러한 메커니즘이 구현된 현재의 기술은 주로 다단 공기 공급 연소기술이다.

다단 공기 공급 연소기술과 같은 종래의 기술에 따른 연소기는 3단으로 이루어진 공기 공급부와 각각의 공기 공급부에 설치되는 선회기 및 연소기 중심에 위치하는 연료 공급부와 연료분사노즐을 포함한다.

이러한 연소기는 다단 공기 공급을 통해 연료를 재순환시킴으로써 화염 내 최대 온도 영역을 국부적으로 형성시켜 열적 질소산화물의 생성을 억제하는 효과가 있으나, 연료 농후 영역에서 발생하는 급속 질소산화물의 생성은 여전히 억제하지 못한다. 더욱이 일반적인 다단 연소기에서는 열적 질소산화물이 줄어들면 반대로 일산화탄소의 배출이 증가하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 연소기 내의 연료 농후 영역의 생성을 억제하고, 연소기 화염온도를 낮은 수준에서 균일하게 분포시킴으로써 열적 질소산화물 및 급속 질소산화물의 배출량을 최소화할 수 있는 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 더욱이 연소기의 완전연소를 유도함으로써 일산화탄소의 배출량 역시 최소할 수 있는 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러 연소기 내부에서 기체연료와 공기를 예혼합시킴으로써 점화시 안정적인 화염을 유지하고 역화를 방지할 수 있음과 동시에, 연소기에 포함되는 선회기 및 보염기를 통해 화염의 생성 길이를 단축시켜 체적당 단위 열부를 증가시킴으로써 높은 열효율을 가지는 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기는, 기체연료를 사용하는 연소기에 있어서, 하단부에 외부의 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되는 연소기 외통; 상기 연소기 외통의 하면을 관통하여 상기 연소기 외통의 높이 방향으로 설치되며, 외부의 기체연료를 상기 연소기 외통 내부로 공급하는 연료공급파이프; 상기 연료공급파이프의 상단과 연결되어, 상기 연료공급파이프를 통해 공급되는 기체연료를 분사시키는 연료헤드부; 상기 연료헤드부의 상단에 설치되는 선회기;를 포함하며, 상기 공기유입구를 통해 공급되는 공기는 상기 연료헤드부에서 분사되는 기체연료와 상기 선회기 하단부의 일정 공간인 예혼합 영역에서 예혼합된 후, 상기 선회기를 통해 선회유동하면서 연소기 외부로 분사되는 것을 특징으로 한다.

상기 연료헤드부는, 상기 연료공급파이프와 연결된 부분으로부터 로 직경이 증가되는 깔때기 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

더욱이 상기 연료헤드부의 상단 직경 D1은, 상기 연료헤드부가 상기 연료공급파이프와 연결된 부분의 직경 D3의 1 배 내지 5 배의 크기로 형성되는 것이 바람 직하다.

한편 상기 공기와 상기 기체연료가 예혼합되는 상기 예혼합 영역의 혼합거리는, 상기 연소기 외통의 직경 D2에서 상기 연료헤드부의 상단 직경 D1을 뺀 값(D2-D1)의 2배 내지 3배 인 것이 바람직하다.

상기 연료헤드부의 외주면에는, 상기 기체연료가 분사될 수 있도록 복수의 연료분사구가 형성되며, 상기 연료분사구는 상기 연료헤드부의 표면과 1 도 내지 90 도의 각도로 상기 기체연료를 분사하도록 형성되는 것이 바람직하다.

아울러 상기 연료분사구의 직경은, 상기 연료분사구를 통해 분사되는 상기 기체연료의 유속이 10 내지 50 m/s 가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 복수의 연료분사구는, 상기 연료헤드부의 외주면을 일정한 간격으로 둘러싸는 배열로 형성되며, 상기 복수의 연료분사구의 배열은 가지런한 배열 또는 엇갈린 배열 중의 어느 하나의 배열로 형성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 선회기는, 상기 연료헤드부의 상단에 안착되는 선회기 지지대;와, 상기 선회기 지지대로부터 상부 방향으로 돌출되어 상기 예혼합된 가스를 선회유동시키는 선회기 베인;을 포함하는 것이 바람직하다.

더욱이 상기 선회기 베인은, 상기 선회기 지지대의 수평면으로부터 연장되는 수평선과 15 도 내지 60 도의 각도 방향으로 돌출되는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기는, 연소기 의 내부로 기체연료를 공급하는 연료공급파이프(40), 연료공급파이프(40)와 연결되면서 연속되게 형성되는 연료헤드부(30), 연료헤드부(30)의 상단에 안착되는 선회기(20), 연료공급파이프(40) 및 연료헤드부(30)를 둘러싸며 내부 공간을 갖는 연소기 외통(60) 및 연소기 외통(60)의 내부 공간으로 공기를 공급하는 공기유입구(50)를 포함한다. 또한 선회기(20)의 상단에는 보염기(10)가 설치된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기의 구성을 설명하기 위한 필수 요소를 도시한 것이므로, 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기에는 일반적인 연소기에 포함되는 알려진 기술에 의한 점화시스템이나 공기공급원 등과 같은 일반적인 장치들이 포함됨은 물론이다.

따라서 일반적인 연소기에 적용되는 연소기 외통(60)과 연료공급파이프(40) 및 공기유입구(50)의 재질과 형상은 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기에도 적용될 수 있는 것이다.

연소기 외통(60)은 저공해 예혼합 연소기의 외관을 형성한다. 이러한 연소기 외통(60)은 일정한 내경을 가지며 형성되는 원통형의 상단을 가진다. 이러한 연소기 외통(60)의 상단은 연료헤드부(30) 및 연료공급파이프(40)를 둘러싸며, 연료헤드부(30)와 연료공급파이프(40)와의 사이에 내부 공간을 형성한다.

공기유입구(50)는 연료헤드부(30) 및 연료공급파이프(40)와 연소기 외통(60)과의 사이에 형성된 내부 공간에 공기를 주입한다. 주입되는 공기는 기체연료와 혼합되어 연소되기 위한 공기를 의미한다. 공기유입구(50)는 공기공급원(미도시)를 통해 공급된 공기를 주입하는 것으로 이러한 과정과 장치는 일반적인 것으로 상세 한 설명은 생략한다.

여기서 연소기 외통(60)과 공기유입구(50)는 일체로 형성된 하나의 외부 하우징으로 이해할 수 있다.

연료공급파이프(40)는 공기유입구(50)와는 별도의 소스를 통해 공급되는 기체연료를 연료헤드부(30)로 전달하는 기능을 수행한다. 연료공급파이프(40)가 연료헤드부(30)와 연결되는 부분은 분리되지 않으며 연속되게 형성된다.

도 1을 참조하면, 공기유입구(50)를 통해 유입되는 공기와 연료공급파이프(40)를 통해 유입되는 기체연료는, 연료헤드부(30)와 연소기 외통(60)의 사이에 형성되는 내부 공간에서 예혼합되면서 선회기(20)를 통해 분사된다. 이러한 과정을 본 발명의 구성에 대한 상세한 설명과 함께 아래에서 기술한다.

도 2를 참조하면, 연료헤드부(30)는 연료공급파이프(40)와 연결된 부분으로부터 직경이 증가되는 깔때기 형상으로 형성된다. 여기서 깔때기는 나팔꽃 모양으로 된, 밑에 구멍이 뚫린 기구로 윗부분은 폭이 넓고 아랫부분은 폭이 좁은 용기를 의미한다. 연료헤드부(30)는 이와 같은 깔때기의 형상으로 형성된다. 일반적인 원뿔 형상을 뒤집어 놓은 것과 같다.

따라서 연료헤드부(30)의 직경은 연료공급파이프(40)와 연결된 부분의 직경 D3로부터 연료헤드부(30) 상단의 직경 D1 까지 증가된다. 여기서 연료헤드부(30)가 연료공급파이프(40)와 '연결된 부분'이란 연료공급파이프(40)의 끝단과 연료헤드부(30)의 하단이 연결된 부분을 의미한다. 다만 '연결된 부분'이란 직경 'D3'를 정의하기 위해 사용된 개념으로 이해하면 족하다.

이와 같은 연료헤드부(30)의 직경 D3와 D1의 관계는 바람직하게, D1이 D3보다 1 배 내지 5배의 크기로 형성된다.

연료헤드부(30)의 이러한 형상은 연소기 외통(60)과 연료헤드부(30)의 사이에 형성된 내부 공간에서 예혼합된 기체가 유동하는 면적을 점차 감소시켜, 일정한 유량으로 연소기 외부로 배출되는 예혼합된 기체의 분사 속도를 증가시키게 된다. 따라서 선회기(20) 외부로 분출되는 화염의 역화 및 공급되는 예혼합된 기체의 유동 박리를 억제하는 기능을 수행한다.

여기서 '예혼합'은 기체연료와 공기유입구(50)를 통해 공급되는 공기를 연소기 내부에서 미리 혼합한 후에 분사하는 것을 말한다. 이러한 예혼합을 통해 분사되는 가스가 발화되면 화염면과 같은 고온의 반응면이 형성되면서 화염이 스스로 전파되는 효과가 있다.

다시 도 1을 참조하면, 공기유입구(50)를 통해 공급되는 공기와 연료헤드부(30)를 통해 분사되는 기체연료가 예혼합되는 영역(70)은 연료헤드부(30)의 높이 방향으로 특정되는 혼합거리(Lm, 도 2 참조)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 바람직하게 혼합거리(Lm, Mixing Length)는 연소기 외통(60)의 직경 D2에서 연료헤드부(30) 상단 직경 D1 을 뺀 값에 2 내지 3을 곱한 값으로 특정된다. 여기서 D2에서 D1을 뺀 값, 즉 'D2-D1'은 유체역학에서 사용되는 일반용어로서'수력직경'으로 이해된다. 이와 같은 수력직경 값의 2 내지 3배가 되는 값이 혼합거리(Lm)가 된다.

이러한 혼합거리는 연료헤드부(30)에 형성되는 복수의 연료분사구(31)의 설 계 위치에 따라 형성되는데, 적절한 혼합거리의 설계를 통해 기체연료와 공기의 혼합율을 증가시킬 수 있다. 완전혼합을 위한 거리는 수력직경의 2배 내지 3배로 결정된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 연료헤드부(30)에는 연료공급파이프(40)로부터 공급되는 기체연료가 분사될 수 있도록 복수의 연료분사구(31)가 형성된다. 도 2에서 보이듯이 복수의 연료분사구(31)는 깔때기 형상의 연료헤드부(30)의 외주면을 둘러싸면서 일정한 배열로 형성된다.

연료분사구(31)는 연료헤드부(30)의 표면과 1 도 내지 90도의 각도로 기체연료를 분사하도록 형성된다. 기체연료는 연료공급파이프(40)를 통해 일정한 압력과 속도로 공급되고 연료헤드부(30)의 상단은 선회기로 밀폐되므로 기체연료는 자연스럽게 연료분사구(31)를 통해 배출된다.

바람직하게 연료분사구(31)는, 도 3에서처럼 연료헤드부(30) 표면과 90도의 각도로 기체연료를 분사시킬 수 있도록 형성된다. 따라서 이와 같은 90 도의 분사각을 형성하여 공기유입구(50)를 통해 공급되는 공기와 기체연료와의 혼합율을 증가시킨다.

연료분사구(31)의 직경은 연료분사구(31)를 통해 분사되는 기체연료의 유속이 10 내지 50 m/s가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 것처럼, 기체연료는 연료공급파이프(40)를 통해 일정한 압력과 속도로 공급되고 연료헤드부(30)의 상단은 선회기로 밀폐되므로 기체연료는 자연스럽게 연료분사구(31)를 통해 배출된다. 이 때 연료분사구(31)의 직경과 분사되는 기체연료의 유속은 반비례할 것 이다. 따라서 연료분사구(31)의 직경을 조절함으로써 분사되는 기체연료의 유속을 조절할 수 있으며, 분사되는 기체연료의 유속은 공기유입구(50)로부터 공급되는 공기와의 혼합율에 영향을 미친다. 따라서 설계자는 연료공급파이프로부터 공급되는 기체연료의 고정된 압력과 속도를 기초로 10 내지 50 m/s 의 유속으로 기체연료가 분사될 수 있는 연료분사구(31)의 직경을 설계할 수 있을 것이다.

도 3을 참조하면, 복수의 연료분사구(31)는 연료헤드부(30)의 외주면을 일정한 간격으로 둘러싸는 배열로 형성된다. 도 3에서 보이듯이, 연료분사구(31)가 배열되는 형태에는 '가지런한 배열'과 '엇갈린 배열'의 어느 하나의 형태가 될 수 있다.

'가지런한 배열'은 복수의 연료분사구(31)가 각각 수직과 수평으로 정렬되며, 네 개의 연료분사구(31)가 하나의 사각형 격자를 형성하는 배열을 의미한다.

'엇갈린 배열'은 복수의 연료분사구(31)가 수평으로 정렬되면서 연료헤드부(30)의 상하 수직 방향에서는 사선으로 정렬되며, 세 개의 연료분사구(31)가 하나의 삼각형 격자를 형성하는 배열을 의미한다.

이와 같은 연료분사구(31)의 배열 방법은 설계자의 의도에 따라 자유롭게 결정될 수 있으며, 다른 형태의 배열 방법이 사용될 수도 있을 것이다. 어느 경우에나 연료분사구(31)의 적절한 배열은 분사되는 기체연료가 공기유입구(50)를 통해 공급되는 공기와 충분히 혼합되게 하는 것이면 족하다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기는 선회기(20)를 포함한다. 일반적으로 연소기에 포함되는 선회기는 연소기로부터 분출되 는 혼합가스에 일정한 방향으로 회전력을 부가하여 균일한 혼합을 유지, 증가시키는 장치이다. 이러한 선회기의 기능을 수행하기 위해 종래의 기술에 의해 다양한 형상의 선회기가 제공된 바 있으며, 이러한 선회기들은 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기에 적용될 수 있다.

다만 도 4를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기에 포함되는 선회기(20)는 연료헤드부(30)의 상단에 안착되는 선회기 지지대(21)와 선회기 지지대(21)로부터 돌출되어 선회기 이전의 연소기 내부에서 예혼합된 가스를 선회유동시키는 선회기 베인(Vane, 22)을 포함한다.

선회기 베인(22)의 형상에는 특별한 제한이 없으며, 예혼합된 가스에 회전력을 부가하기 위해서는 일정한 각도로 굴곡되면서 돌출되는 날개 형상이 사용될 수 있을 것이다. 다만, 도 4를 참조하면, 선회기 베인(22)은 선회기 지지대(21)의 수평면으로부터 연장되는 수평선과 15 도 내지 60 도의 각도 방향으로 돌출되는 것이 바람직하다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기는 선회기의 상단에 설치되는 보염기(10)를 포함한다. 연소기에 사용되는 보염기(Diffuser Impeller)는 일반적으로 연소기 화염의 안정과 지속적인 연소를 유지시켜주는 기능을 수행하는 장치이다.

따라서 보염기(10)는 선회기(20)로부터 분사되는 예혼합된 기체가 발화되어 발생하는 화염의 유동을 제어한다. 여기서 화염의 유동을 제어한다는 의미는 화염의 축방향 흐름을 제어하고 반경방향 흐름을 증가시켜 화염을 안정화 시키면서 화 염길이를 단축시킨다는 의미이다. 축방향이란 공기유입구(50)를 통해 공급되는 공기의 분사방향으로서 아래에서 위로 향하는 방향을 의미하고 반경방향은 축방향에 직교되는 방향을 의미한다.

보염기(10)는 선회기(20)의 중심으로부터 지지되는 보염지지대(12), 보염지지대(12)에 의해 지지되는 보염원판(11)을 포함하며, 보염원판(11)에는 화염의 유동을 제어하는 복수의 보염공(11a)이 형성된다. 보염공(11a)은 화염의 축방향 흐름을 제어하는 보염원판(11)에 가해지는 압력을 적절히 조절하는 기능을 수행한다. 따라서 설계자는 적절한 보염공(11a)의 개수와 위치를 결정할 수 있을 것이다. 다만 화염은 선회기 지지대(21)의 외주면으로부터 분출되므로, 도 5에서 보이듯이, 보염공(11a)은 그에 대응하는 보염원판(11)의 원주를 따라 형성되는 것이 바람직할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 저공해 예혼합 연소기에 의하면, 연소기 내부에서 국부적인 예혼합 영역을 형성하므로 기존의 다단식 연소기술에서 형성되는 초기 연료 농후 영역의 발생을 근원적으로 차단하여 완전 예혼합 화염을 형성할 수 있으며, 낮은 온도 수준의 균일한 화염을 제공할 수 있다. 따라서 연료 농후 영역으로부터 발생되었던 20 ppm 수준의 급속 질소산화물과 고온의 화염에서 발생되는 열적 질소산화물을 동시에 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

더욱이 기존의 다단식 연소기술에서 화염의 유동을 유체역학적으로 제어함에 따라 발생하는 불완전 연소에 의한 일산화탄소 배출량을 완전 예혼합을 통해 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러 연소기 내부에서 예혼합이 가능하므로 별도의 혼합기기가 필요하지 않으며, 화염이 역화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims

기체연료를 사용하는 연소기에 있어서,

하단부에 외부의 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되는 연소기 외통;

상기 연소기 외통의 하면을 관통하여 상기 연소기 외통의 높이 방향으로 설치되며, 외부의 기체연료를 상기 연소기 외통 내부로 공급하는 연료공급파이프;

상기 연료공급파이프의 상단과 연결되어, 상기 연료공급파이프를 통해 공급되는 기체연료를 분사시키는 연료헤드부;

상기 연료헤드부의 상단에 설치되는 선회기;를 포함하며,

상기 공기유입구를 통해 공급되는 공기는 상기 연료헤드부에서 분사되는 기체연료와 상기 선회기 하단부의 일정 공간인 예혼합 영역에서 예혼합된 후, 상기 선회기를 통해 선회유동하면서 연소기 외부로 분사되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제1항에 있어서, 상기 연료헤드부는,

상기 연료공급파이프와 연결된 부분으로부터 직경이 증가되는 깔때기 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제2항에 있어서,

상기 연료헤드부의 상단 직경 D1은,

상기 연료공급파이프와 연결된 상기 연료헤드부의 하단 직경 D3의 1 배 내지 5 배의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제1항에 있어서,

상기 공기와 상기 기체연료가 예혼합되는 상기 예혼합 영역의 혼합거리는,

상기 연소기 외통의 직경 D2에서 상기 연료헤드부의 상단 직경 D1을 뺀 값(D2-D1)의 2배 내지 3배 인 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제1항에 있어서, 상기 연료헤드부의 외주면에는,

상기 기체연료가 분사될 수 있도록 복수의 연료분사구가 형성되며,

상기 연료분사구는 상기 연료헤드부의 표면과 1 도 내지 90 도의 각도로 상기 기체연료를 분사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제5항에 있어서, 상기 연료분사구의 직경은,

상기 연료분사구를 통해 분사되는 상기 기체연료의 유속이 10 내지 50 m/s 가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제5항에 있어서, 상기 복수의 연료분사구는,

상기 연료헤드부의 외주면을 일정한 간격으로 둘러싸는 배열로 형성되며,

상기 복수의 연료분사구의 배열은 가지런한 배열 또는 엇갈린 배열 중의 어느 하나의 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.
제1항에 있어서, 상기 선회기는,

상기 연료헤드부의 상단에 안착되는 선회기 지지대;와.

상기 선회기 지지대로부터 상부 방향으로 돌출되어 상기 예혼합된 가스를 선회유동시키는 선회기 베인;을 포함하며,

상기 선회기 베인은, 상기 선회기 지지대의 수평면으로부터 연장되는 수평선과 15 도 내지 60 도의 각도 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 저공해 예혼합 연소기.