KR102586498B1

KR102586498B1 - 수소연료 역화를 방지할 수 있는 보일러용 부분 예혼합형 버너

Info

Publication number: KR102586498B1
Application number: KR1020220160870A
Authority: KR
Inventors: 이기만; 김정현
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2023-10-11
Also published as: WO2024112001A1

Abstract

본원발명은 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 등의 오염물질 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너에 관한 것이다.

Description

수소연료 역화를 방지할 수 있는 보일러용 부분 예혼합형 버너{Partial premixed burner for boiler that can prevent flashback of hydrogen fuel}

본원발명은 수소연료 역화를 방지할 수 있는 보일러용 부분 예혼합형 버너에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 등의 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너에 관한 것이다.

일반적으로 보일러의 연소장치는 연료통으로부터 공급되는 연료를 버너의 노즐로 분사하여 연소실 내부로 연소되도록 함으로써 열원을 얻는 구조가 일반적이다. 이러한 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG,셰일가스, 벙커시유 등의 연료를 노즐로 공기와 함께 분사시켜 직접 버너로 공급하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 화력이 한정될 뿐만 아니라 화력을 높이기 위해서는 상대적으로 연료의 에너지를 많이 공급해야 함으로 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

즉, 현재까지 사용하고 있는 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG, 셰일가스, 벙커시유 등의 연료만을 사용하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 연소장치의 열효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었으며, 또한 열효율이 낮아서 연료가 많이 소모되는 비경제적인 문제점이 있었으며, 그리고 구조적으로 완전연소가 이루어지지 않아 유해가스의 발생량을 증가시키는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 보일러의 열효율을 높이고 연료의 소모를 적게 하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.

산업용 보일러 분야의 무탄소 연료 전환을 위해, 수소 전소(全燒) 또는 기존 연료(LNG)와 혼합하여 연소시키는 혼소(混燒)가 가능한 수소 연소기 및 시스템 매칭기술 개발이 요구되고 있다.

그러나 수소는 연소 속도가 빠르기 때문에, 기존 보일러 버너로 이들의 연료를 연소시켰을 경우에, 보일러 연소실 내에서 형성되어야 하는 화염이 연소실의 구조물과 버너분사 노즐 안으로 접근해 해당 구조물과 부품들을 과열시키는 등 보일러 버너의 신뢰성에 치명적인 문제를 일으킬 가능성이 있다.

일본 등록특허공보 제5594951호에는 버너는 연소 공기 흐름의 선회 흐름을 형성하는 소용돌이 발생기를 구비하고, 이 소용돌이 발생기의 하류에는 혼합 존이 계속되어 있고 이 혼합 존에 있어서는 과도부 내에서 흐름 방향으로 연장되는 플로우 가이드 수단 작용하고 있어, 이 플로우 가이드 수단은 소용돌이 발생기로 형성되는 선회 흐름을 플로우 가이드 수단의 하류에서 작용하는 혼합 파이프 내로 이송하는 기능을 하고 있어 소용돌이 발생기 내에는 존재하는 연소용 공기의 흐름에 액상 혹은 가스형 연료, 또는 양쪽 모두의 연료를 공급하기 위한 수단이 설치되고 이와 같이 하여 얻어진 연료와 공기의 혼합물은 혼합 존의 하류로 계속되는 연소실 내에서 점화해 연소하고 그것과 동시에 역류 존(RB)을 형성하는 버너 조작 방법으로 수소를 함유 또는 수소 만으로 구성되는 연료는 상기 플로우 가이드 수단 내, 혹은 상기 플로우 가이드 수단의 하류 내, 또는 양쪽 모두에 있어서 상기 연료를 공급하는 공급 라인과 접속한 연료탱크를 구비한 연료 공급 수단에서 복수의 공급 덕트를 통해 상기 연료와 공기의 선회 흐름에 공급되어 수소를 포함한 또는 수소 만으로 구성되는 가스형 연료 공급은 연료와 공기의 선회 흐름의 불안정이 최소화되도록 수행되어 연료 공급은 연료와 공기의 선회 흐름의 소용돌이 방향에 대해서 접선 방향 성분과 버너축에 대해서 종방향으로 반경 방향 성분을 가진 버너 조작 방법이 개시된 바 있다. 그러나역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.

한국 등록특허공보 제10-2460672호에서는 내부에 수소 연료가 유동하는 공간이 형성되며, 표면에는 연료가 유동하는 복수개의 연료홀이 형성된 노즐 실린더;상기 노즐 실린더와 이격되며, 상기 노즐 실린더의 길이방향으로 둘러싸도록 형성된 슈라우드; 상기 노즐 실린더와 상기 슈라우드 사이에 형성되며, 상기 복수개의 연료홀을 통해 공급된 연료와 압축기로부터 공급된 압축공기를 혼합하는 혼합 유로;를 포함하며,상기 복수개의 연료홀 간의 간격은 연소실 방향으로 갈수록 점점 커지도록 형성되고, 상기 복수개의 연료홀의 크기는 연소실 방향으로 갈수록 점점 작아지도록 형성되는 수소 연료 노즐이 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.

한국 등록특허공보 제10-2456687호에서는 수소를 포함하는 연료를 연소하는 연소기용 노즐에 있어서,공기가 이동하는 외측 튜브;상기 외측 튜브 내에 설치되며 연료가 이동하는 내측 튜브;상기 외측 튜브 내에 설치되되 상기 내측 튜브와 연결되며 상기 외측 튜브에 연료를 분사하는 복수의 분사홀을 갖는 스월러; 및상기 스월러의 전방에 설치되며 연료를 분산시키는 복수의 미세 분산 튜브를 갖는 마이크로 분사부재;를 포함하며,상기 스월러는 와류를 형성하여 연료와 공기를 혼합하며,상기 마이크로 분사부재의 후단에는 전방으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 제1 가이드 관과 상기 제1 가이드 관을 감싸며 전방으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 제2 가이드 관이 고정된 연소기용 노즐이 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.

한국 등록특허공보 제10-1324945호에서는 외부 공기를 유입하여 공급하는 공기공급관; 상기 공기공급관의 내측에 구성되고 종단부에 연료분출공이 형성된 연료공급관; 및 상기 연료분출공이 연소실로 노출되도록 상기 연료공급관과 공기공급관 사이에 구성되어 상기 공기공급관에서 연소실로 유입되는 공기의 흐름을 억제하는 디퓨저(Diffuser)를 포함하고, 상기 디퓨저는, 상기 공기공급관의 공기가 연소실로 유입되도록 관통하여 형성되는 적어도 하나의 공기공급공; 및 상기 공기공급공의 가장자리 중 적어도 일부로부터 연소실의 내측방향으로 연장형성되는 분산가이드구를 포함하는 저압용 저녹스 버너가 개시되어 있다. 그러나, 역화방지 수단을 포함한 연료노즐을 통해 공급되는 수소와 선회유동을 가지고 유입되는 산화제와 부분 예혼합된 후, 분할화염 형태로 보일러 연소실 내에서 화염을 형성하는 기술에 대하여는 개시된 바 없다.

즉, 수소 연료 적용 혼소 및 전소 연소기는 수소의 특성으로 인해 기존과는 다른 연소 방식이 필요하다, 기존 천연가스와 수소 연료는 서로 다른 물성치를 가지고 있으며, 연료전환 시연소기에서 발생하는 총 입열량을 기존 천연가스만을 사용한 연소 시스템과 동일하게 유지해야 하며, 수소의 경우 밀도가 낮아 혼소율 증가에 따라 수소 연료의 부피 유량은 증가한다.

수소 연소 특성을 파악하여 혼소 또는 전소가 가능한 노즐 및 혼합구조 설계가 필요하며 화염 안정성 확보를 위한 운전기술 또한 중요하며, 연소기 출력 용량 대비 효율 확보가 필요하며 연소 후 발생하는 배기가스 기준 환경적인 측면 고려가 필수적이다.

또한, 수소 연료 혼소 및 전소 조건에서는 연료 전환 및 혼합에 의한 적용한계 파악을 위해 워베지수(WI, Wobber Index), 수정워베지수(MWI, Modified Wobbe Index)를 이용한 기초 이론적 분석이 필요하다.

따라서, 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 등의 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너 개발이 필요하다.

일본 등록특허공보 제5594951호 한국 등록특허공보 제10-2460672호 한국 등록특허공보 제10-2456687호 한국 등록특허공보 제10-1324945호

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기존 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소를 혼합하여 연소하면서 수소의 빠른 연소속도를 고려하여 다수개의 연료노즐을 구성하여 분할화염을 형성하여 질소산화물 등의 생성을 억제하고, 역화를 방지할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 기존 상용화된 보일러 버너인 한국 등록특허공보 제10-1324945호에서 연소용 공기와 연료 공급 유로계 플랫폼을 그대로 유지하는 구조이며, 버너 헤드부분에서만 연소속도가 빠른 수소 연소 특성을 고려하여 수소연료 분사노즐을 다수(多數)개로 분할하여 수소화염의 역화를 억제할 수 있는 부분 예혼합 형태의 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 수소연료 역화를 방지할 수 있는 보일러용 부분 예혼합형 버너는 산화제가 공급되는 산화제공급관(100); 상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200); 및 상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며, 상기 연료노즐에 형성된 접선형산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀;에서 공급되는 연료가 상기 연료노즐 내측에서 부분 예혼합되는 수소 버너를 제공할 수 있다.

또한, 상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료와 상기 산화제는 카운터플로우 및/또는 제트인크로스 형태로 예혼합될 수 있다.

또한, 상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는 상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)일 수 있다.

또한, 연료노즐결합구(212);는 상기 연료배플플레이트와 접하고, 상기 산화제유입슬릿은 연료공급관 제1단부(223);와 접하면서 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2연료배출공의 위치는 상기 스월베인 사이의 상기 접선형산화제유입슬릿 중간에 형성되거나, 상기 스월베인을 통과한 직후 상기 산화제유입슬릿 후단에 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하는 콘형수축유로(215);가 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하다 교축부(217);를 통과하면서 상기 내경이 증가하는 콘형확산유로(216);이 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제공급관 내부에 복수개 형성되며, 연소를 위한 이론당량비 이상의 상기 산화제가 분류되어 공급되어 분할화염을 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제배플플레이트(110);으로부터 돌출되어 형성되거나, 같은 평면상에 형성될 수 있다.

또한, 상기 산화제배플플레이트에는 상기 연료노즐 냉각을 위한 다수의 냉각분사구(111)이 형성될 수 있다.

또한, 일단의 직경은 상기 연료노즐의 내경과 동일하고, 타단의 직경은 상기 일단의 직경보다 작은 링형태로 상기 연료노즐의 내부에 형성되는 경계층파괴링(218);을 포함할 수 있다.

또한, 상기 경계층파괴링이 형성된 상기 연료노즐 내부로 경계층파괴용의 산화제를 유입시키는 산화제유입홀(219);가 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료노즐 주위의 소정위치에는 파일럿연료노즐이 형성될 수 있다.

상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.

본원발명의 질소산화물 생성을 억제하며 수소를 연료로 하는 보일러용 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너에서는 수소연소에 가장 취약한 역화 위험성을 피하기 위해 보일러 연소실로 돌출되어 있는 버너헤드인 연료노즐 선단 근처에서 연료인 수소 가스가 분사되게 함으로써 수소연료 연소시 역화 위험성을 배제하는 효과가 있다.

또한, 가정용 및 상업용으로 시판되고 있는 LNG 및 도시가스 전용 저압용 보일러 버너에 무탄소 연료인 수소(H2)를 혼입하여 부분적인 혼합 연소(일명, 混燒) 및 100 % 수소 연료만의 연소(일명, 全燒)가 가능한 효과가 있다.

또한, 한국 등록특허공보 제10-1324945호의 버너 구조에서 연소용 공기와 연료 공급 유로계 플랫폼을 그대로 유지하는 구조이며, 버너 헤드부분에서만 연소속도가 빠른 수소연소 특성을 고려하여 수소연료 분사노즐을 다수(多數)개로 분할하여 수소화염의 역화를 억제하는 효과를 갖는다.

또한, 수소 분사노즐은 기존 버너의 공기 공급관(100)에서 공급되는 연소용 공기를 접선형 선회기(Tangential vane)로 유도한 후 선회류(Swirling flow)로 유입되는 연소용 공기에 수직으로 분사되는 JIC(Jet in cross) 형태로 수소 분사노즐 홀(Hole)들을 구성하여 분사된 수소연료와 연소용 공기가 연료노즐 선단 근처에서 매우 빠르고 잘 혼합(Mixing)되어 역화 위험성을 배제하면서 연소성능이 우수한 부분 예혼합 연소특성의 효과를 갖는다.

도 1은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.
도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 단면도이다.
도 3은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제1연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.
도 4는 본원 발명의 일실시예에 따른 제2연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.
도 5는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제2연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.
도 6은 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 다양한 연료노즐의 사시도이다.
도 7은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐출구 및 냉각분사구의 사시도이다.
도 8은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링의 사시도이다.
도 9는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링 유무에 따른 CFD유동 해석 결과이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 본원발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.

본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

가정 또는 산업용 보일러의 저압용 노즐의 중압은 2 bar 이하일 수 있다.

상기 산화제는 공기 또는 산소일 수 있다.

분할화염(Cell frame)형태로 질소산화물등의 생성을 억제하기 위하여 화염내 체류시간을 줄이는 설계안이다. 상기 공기-접선방향 스월 구조를 가질 수 있다. 상기 연료와 산화제의 혼합존에서는 연료의 공급조건에 따라 카운터플로우타입, 제트인크로스타입(Jet in cross), 스월베인 입구쪽, 스월 베인 출구쪽에서 혼합이 형성될 수 있도록 연료가 공급될 수 있다.

상기 연료노즐의 내부 형태는 콘(Cone)타입, 축소확대형의 초음속노즐, 쵸킹형태 중 어느 하나 일 수 있다.

상기 수소의 역화를 방지하기 위하여 연료노즐의 내부에 경계층파괴링을 형성하고 상기 경계층파괴링의 외곽 튜브의 환형주위로 상기 연료노즐에 접선방향으로 형성된 공기유입이 될 수 있다.

상기 연소실안에서 수소화염에 의한 노즐보호를 위해 산화제를 공급할 수 있다. 상기 연료노즐의 끝단에 공급된 산화제를 접촉할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 상기 접촉은 충돌제트형태로 이뤄질 수 있다.

도 1은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.

연소용 노즐의 출구 모양을 변형시켜 화염을 독립된 작은 화염으로 나누어 화염의 체류시간을 단축하고, 화염의 표면적 증가에 의하여 화염 온도를 저하시켜 열적 질소산화물(thermal NOx)을 제어할 수 있다.

이때, 연료 노즐끝에 화염 분사기를 장착하여 화염을 여러 개의 작은 화염으로 분할하거나, 연료 노즐의 위치를 변경시켜 화염 형성영역을 분리시키거나, 화염층을 넓게 확산시키는 경우도 있다.

화염 분할형 버너는 화염 길이가 짧고 미연분의 발생도 적으며 고부하 연소에서도 착화성 및 화염의 안정성이 우수하나, 그 억제원리가 혼합 촉진형 버너와 유사하므로 연료 질소산화물(fuel NOx)의 억제에 대하여 큰 효과를 기대할 수 없다.

도 1을 살펴보면, 산화제 공급관 내에 복수개로 형성된 연료노즐에서 예혼합된 연료와 산화제가 분사되어 분할화염을 형성하는 구조로 설계되었다.

산화제공급관의 직경을 기준으로 상기 연료노즐은 화염길이 조건에 따라 다양하게 변경되어 형성될 수 있다. 바람직하게는 1개의 산화제공급관에 3개의 연료노즐이 형성될 수 있다.

상기 산화제공급관에 따른 연료노즐의 개수는 연료노즐의 직경변화에 따라 증가하거나 감소될 수 있음은 자명하다.

도 2는 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 단면도이다.

보일러용 부분예혼합 형태의 역화방지용 버너는 산화제가 공급되는 산화제공급관(100); 상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200); 및 상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며, 상기 연료노즐에 형성된 접선형산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀(222);에서 공급되는 연료가 상기 연료노즐 내측에서 예혼합되는 수소 버너를 제공할 수 있다.

상기 연료노즐의 연료노즐결합구는 상기 연료공급관의 상기 연료배플플레이트에 접하면서 형성될 수 있다. 상기 결합은 나사결합, 끼움결합, 용접결합 중 어느 하나 일 수 있다.

상기 결합은 사용되는 연료가 연소속도가 매우 높아 역화의 위험성이 높은 수소이기 때문에 기밀유지가 매우 중요하다. 따라서 나사결합 또는 끼움결합의 경우 추가적인 밀폐유지를 위한 밀폐 와샤 또는 밀폐용 고분자소재 가스켓이 적용될 수 있다.

상기 산화제공급슬릿은 원통형의 상기 연료노즐에 복수개 형성될 수 있다. 상기 산화제공급슬릿의 형태는 직사각형, 정사각형 중 어느 하나의 형상을 갖을 수 있다.

상기 산화제공급슬릿의 밑단은 상기 연료공급관의 연료공급관 제1단부에 일치할 수 있고 상기 산화제공급슬릿이 형성된 연료노즐 하부로 일정 길이로 상기 연료공급관 내부로 삽입되어 상기 연료노즐결합구와 접촉되면서 결합될 수 있다.

도 2의 연료배플돌출부는 상기 연료배플플레이트의 중앙부, 바람직하게는 중심축에 도출되어 형성될 수 있다. 상기 연료배플돌출부에 형성된 제1연료배출홀로 상기 산화제공급슬릿을 통해 선회유동으로 유입되는 산화제와 대향류로 접촉하여 혼합효과가 증대될 수 있다.

도 3은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제1연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.

또한, 상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 접선형산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료와 상기 산화제는 카운터플로우(Counter-flow) 및/또는 제트인크로스(Jet in cross) 형태로 예혼합될 수 있다.

상기 연료배플돌출부의 끝단에 형성된 제1연료배출홀은 선회를 형성하여 공급될 수 있다.

상기 제1연료배출홀을 통해 분사되는 연료는 시계방향, 반시계방형 또는 접선방향으로 공급될 수 있다.

상기 산화제공급슬릿을 통해 유입되는 산화제는 시계방향, 반시계방향 또는 접선방향으로 공급될 수 있다.

상기 제1연료배출홀은 복수로 형성될 수 있고, 상기 제1연료배출홀의 원형 단면을 기준으로 1개부터 36개 형성될 수 있다.

상기 산화제공급슬릿과 대면되게 상기 제1연료배출홀이 형성될 수 있다.

상기 산화제공급슬릿은 복수로 형성될 수 있고, 상기 산화제공급슬릿의 원형 단면을 기준으로 1개부터 36개 형성될 수 있다.

상기 제1연료배출홀에서 분사되는 연료의 선속도는 상기 산화제의 선속도보다 빠르거나 느릴 수 있다.

도 4는 본원 발명의 일실시예에 따른 제2연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 사시도이다.

또한, 상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출부에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는 상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)일 수 있다.

상기 제2연료배출홀은 상기 스월베인의 사이에 형성된 상기 산화제유입슬릿과 결합되는 상기 산화제배플플레이트 표면에 형성될 수 있다. 상기 산화제유입슬릿을 통과한 상기 산화제배플플레이트 표면에 형성될 수 있다.

상기 제2연료배출홀의 직경은 동일하거나 차이가 있을 수 있다. 상기 제2연료배출홀은 상기 산화제유입슬릿에 대응되게 형성되거나 형성되지 않는 상기 산화제유입슬릿이 있을 수 있다.

도 5는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 제2연료배출홀이 적용된 연료와 산화제의 혼합 단면도이다.

상기 제2연료배출홀의 직경은 복수개로 형성될 수 있다. 상기 제2연료배출홀의 직경은 동일하거나 차이가 있을 수 있다.

상기 제2연료배출홀에서 분사되는 연료의 선속도는 상기 산화제의 선속도보다 빠르거나 느릴 수 있다.

또한, 상기 제2연료배출공의 위치는 상기 스월베인 사이의 상기 산화제유입슬릿 중간에 형성되거나, 상기 스월베인을 통과한 직후 상기 산화제유입슬릿 후단에 형성될 수 있다.

도 6은 본원 발명의 일실시예에 따른 제1연료배출홀이 적용된 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐의 사시도이다.

또한, 상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하다 교축부(217);를 통과하면서 상기 내경이 증가하는 축소확대형상의 콘형확산유로(216);이 형성될 수 있다.

도 7은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐출구 및 냉각분사구의 사시도이다.

또한, 상기 연료노즐은 상기 산화제공급관 내부에 복수개 형성되며, 연소를 위한 이론공기비 이상의 상기 산화제가 분류되어 공급되어 분할화염을 형성될 수 있다.

또한, 상기 산화제배플플레이트에는 상기 연료노즐 냉각을 위한 하나 이상의 냉각분사구(111)가 형성될 수 있다.

도 8은 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 경계층파괴링의 사시도이다.

또한, 상기 경계층파괴링이 형성된 상기 연료노즐 내부로 경계층파괴용의 산화제를 유입시키는 산화제유입홀(219);이 형성될 수 있다.

연소용 외부공기를 대기압 이상으로 가압(20℃정도를 유지)하여 버너에 강제적으로 공급하는 송풍기가 있을 수 있다. 이때, 전술한 에어 예열기에 의해 예열된 후 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도(178℃정도)가 높기 때문에 열적 질소산화물의 생성을 촉진하게 된다.

배기가스의 온도가 높은 보일러에서는 열효율 향상을 위해 에어 예열기를 설치하여 연소용 공기를 예열하게 된다. 연소공기의 예열온도 저하는 연소온도에 직접 영향을 주게 된다. 예를 들어 공기의 예열온도를 50℃낮추면 단열 화염온도는 25℃정도 저하된다. 따라서 공기 예열온도 저하에 의하여 열적 질소산화물을 감소시킬 수 있다.

상기 보일러의 연소실에는 물 분사장치를 통하여 물을 분무 상태로 화염에 분사시키는 경우 NOx가 저감될 수 있다.

화염의 온도가 가장 높은 부위에 분사되는 물 분사량이 증가되는 경우 열적 질소산화물(thermal NOx) 저감량이 증가되고, 분사되는 물 입자가 급속하게 증발되면서 믹싱 특성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.

이때, 화염에 분사되는 물의 분사량에 따라 NOx 저감량이 증가되는 반면에, 효율이 떨어지거나, 화염이 불안정하게 형성될 수 있으므로, 연소 발열량 10,000kcal당 0.5k이하의 분사량이 요구된다.

즉 물 분사장치를 통하여 화염의 중앙에 분무상태의 물을 분사시킴에 따라 NOx 발생율을 40%정도 감소시킬 수 있다.

상기 연료노즐의 사이에 형성되거나 상기 산화제공급관에 형성될 수 있다.

상기 파일럿연료노즐은 착화를 위해 파일럿화염을 형성한 후, 연료노즐을 통한 버너의 연소가 시작되면 상기 파일럿 화염을 위한 연소는 중단된다. 다만 파일럿연료노즐의 고온에 의한 손상을 방지하기 위하여 상기 파일럿연료노즐을 통하여 산화제인 공기는 계속 공급될 수 있다.

(실시예)

도 9는 본원 발명의 일실시예에 따른 부분 예혼합 형태의 역화방지용 버너의 연료노즐 내부 경계층파괴링(218)과 산화제유입홀(219) 유무에 따른 전산유체유동(CFD) 해석 결과이다.

CFD해석을 위해서 생성한 격자수는 1015781개이며,사용한 난류모델은 k-epsilon, 압축성 유동으로 iteration 2000회후 수렴하는 것으로 가정하였다.

버너 설계에 앞서 전산유체 해석을 통하여 산화제유입홀(219)을 통해 유입된 산화제공급관(100)에서 경계층파괴용으로 공급되는 산화제(공기) 일부가 연료노즐(210) 출구 벽면의 경계층을 파괴하는 효과에 대하여 검토를 진행하였으며 결과는 도 9에 도시하였다. 산화제유입홀(219)을 통해 분사되는 산화제 유동 조건이 0 m/s인 경우, 연료노즐 내 유동 분포를 보면 중심축에서 높은 유속을 보이며 벽면 전단경계층에서는 0 m/s에 가까운 낮은 유속 분포로 나타났다.

반면, 산화제유입홀(219)을 통해 분사되는 산화제 2차 공기 유로의 유동 조건이 90 m/s인 경우에는 중심축으로부터 벽면까지 균일한 유속분포가 관찰되는 것을 확인하였다.

여기서 도 9의 Inj. Air velocity는 본원 발명의 설명에서는 산화제유입홀(219)을 통한 경계층파괴용의 산화제(공기) 분사속도를 의미하며, 좌측의 그림처럼 경계층 파괴를 위한 공기분사가 없는 경우 노즐 벽면과 중앙 부위의 산화제(공기)와의 속도구배가 심해서 화염이 연료노즐(210) 벽면을 타고 쉽게 역화될 수 있는 유동구조를 보이는 반면에, 우측처럼 일정량의 산화제(공기)를 경계층 파괴용으로 분사해 주면 우측 그림처럼 좌측의 노즐 벽면에 형성된 경계층(파란색 층)이 없어지면서 노즐내부의 유동구조가 대체적으로 균일한 흐름으로 변함으로써 역화억제(방지)에 유리한 유동구조로 재편됨을 볼 수 있다.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

100: 산화제공급관
110: 산화제배플플레이트
111: 냉각분사구
200: 연료공급관
210: 연료노즐
211: 접선형산화제유입슬릿
212: 연료노즐결합구
213: 연료노즐출구
214: 스월베인
215: 콘형수축유로
216: 콘형확산유로
217: 교축부
218: 경계층파괴링
219: 산화제유입홀
220: 연료배플플레이트
221: 연료배플돌출부
222: 제1연료배출홀
223: 연료공급관 제1단부
224: 제2연료배출홀

Claims

산화제가 공급되는 산화제공급관(100);
상기 산화제공급관의 내측에 형성되는 연료공급관(200); 및
상기 연료공급관의 내측에 형성된 연료배플플레이트(220)과 접촉하면서 결합되는 연료노즐(210);을 포함하며,
상기 연료노즐에 형성된 접선형 산화제유입슬릿(211);을 통해 선회공급되는 상기 산화제와 상기 연료배플플레이트의 연료배출홀;에서 공급되는 연료가 상기 연료노즐 내측에서 부분 예혼합되고,
상기 선회공급되는 상기 산화제는 상기 산화제유입슬릿을 형성하는 스월베인(214);에 의해서 형성되고,
상기 연료와 상기 산화제는 카운터플로우(Counter-flow) 및/또는 제트인크로스(Jet in cross) 형태로 예혼합되고,
상기 연료배출홀은 상기 연료배플플레이트의 중앙에 형성된 연료배플돌출부에서 수평방향으로 상기 연료를 분사하는 제1연료배출홀(222) 및/또는 상기 산화제유입슬릿과 접하는 상기 연료배플플레이트에 형성되어 수직방향으로 상기 연료를 분사하는 제2연료배출홀(224)이고,
연료노즐결합구(212);는 상기 연료배플플레이트와 접하고, 기 산화제유입슬릿은 연료공급관 제1단부(223);와 접하면서 형성되고,
상기 연료노즐은 상기 산화제공급관 내부에 복수개 형성되며, 연소를 위한 이론공기비 이상의 상기 산화제가 분류되어 공급되어 분할화염을 형성하는 부분 예혼합 수소 버너.
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제1항에 있어서,
상기 제2연료배출홀의 위치는 상기 스월베인 사이의 상기 산화제유입슬릿 중간에 형성되거나, 상기 스월베인을 통과한 상기 산화제유입슬릿 후단에 형성되는 부분 예혼합 수소버너.
제1항에 있어서,
상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하는 콘형수축유로(215);가 형성되는 부분 예혼합 수소버너.
제1항에 있어서,
상기 연료노즐의 내부는 상기 연료노즐결합구에서 연료노즐출구(213); 방향의 내경이 감소하다 교축부(217);를 통과하면서 상기 내경이 증가하는 축소확대형의 콘형확산유로(216);이 형성되는 부분 예혼합 수소버너.
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제1항에 있어서,
상기 연료노즐은 산화제배플플레이트(110);으로부터 돌출되어 형성되거나, 같은 평면상에 형성되는 부분 예혼합 수소버너.
제10항에 있어서,
상기 산화제배플플레이트에는 상기 연료노즐 냉각을 위한 하나 이상의 냉각분사구(111)가 형성된 부분 예혼합 수소버너.
제1항에 있어서,
일단의 직경은 상기 연료노즐의 내경과 동일하고, 타단의 직경은 상기 일단의 직경보다 작은 링형태로 상기 연료노즐의 내부에 형성되는 경계층파괴링(218);을 포함하는 부분 예혼합 수소버너.
제12항에 있어서,
상기 경계층파괴링이 형성된 상기 연료노즐 내부로 경계층파괴용의 산화제를 유입시키는 산화제유입홀(219);이 형성된 부분 예혼합 수소버너.
제8항에 있어서,
상기 연료노즐 주위의 소정위치에는 파일럿연료노즐이 형성된 부분 예혼합 수소버너.