다공 분사구가 형성된 저열량가스 연소기의 연소방법{combustion method of low calorific value gases combustor for having multi-inlet}

도1은 본 발명에 따른 연소기를 도시한 평면도 이다.

도2는 본 발명에 따른 연소기를 도시한 요부 단면도 이다.

도3a는 본 발명의 보조연료 소모량 변화에 따른 배출가스 조성을 나타낸 그래프도 이다.

도3b는 본 발명의 보조연료 소모량 변화에 따른 연소온도 분포도를 도시한 그래프도 이다.

도3c는 본 발명의 VOC 가스농도 변화에 따른 배출가스 조성을 도시한 그래프도 이다.

도3d는 본 발명의 VOC 가스농도 변화에 따른 연소온도 분포도를 도시한 그래프도 이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100...연소실 내벽 110...보조연료버너

150 연소실 200...공기층 외벽

210...공기층 내벽 210 저열량가스 분사구

220...저열량가스 유입구 230 공기층

300...하우징 310 단열재

400...연소가스 배출구

본 발명은 공해나 악취를 유발하는 다공 분사구가 형성된 저열량가스 연소기의 연소방법에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 연소실 내벽에 공기층이 설치되고 연소실 고온부에 다수의 분사구가 설치된 형태로서, 저열량 가스는 공기층에서 예열된 후에 수십개의 분사구를 통해 연소실에 고속으로 분사된다. 보조연료는 저공기비 조건으로 연소가 이루어지면서 연소실이 산소가 부족한 환원성분위기가 된다. 이때 산소함유량이 높은 저열량 가스가 공기층의 분사구를 통해 연소실로 고속 분사되면 분사구에서 공기와 연료의 혼합성이 향상되어 상대적으로 저온의 연소온도에서도 저열량 가스의 착화가 용이하게 되고 짧은 시간에 연소가 완료되므로 보조연료 소모량이 줄고 설비도 소형화된다.

공해와 악취를 유발하는 저열량가스의 처리방법은 여러 기술이 있다. 그중에서 일반적으로 가연성 저열량 가스는 직접연소방식으로 소각시키는 기술이 사용되고 있다. 이때 여러 형태의 연소기가 이용되고 있으나 기존의 연소기 형태에서는 VOC 농도가 1000-3000ppm에 불과한 저열량 가스의 착화가 어렵다. 따라서 저열량 가스의 완전연소를 위해서 고온의 연소온도에서 운전하거나 혹은 체류시간을 과다하게 부과하는 방법들이 사용된다. 그러나 보조연료 사용량을 늘려 고온의 연소온 도를 유지하여도 연소용 공기와 연료의 혼합이 잘 이루어지지 않으면 저열량 가스의 완전연소가 어렵고, 또한 체류시간을 늘리기 위해 연소실 체적을 넓힐 경우, 보조연료 사용량 증가로 운전비뿐만 아니라 설비가 대형화되어 시설투자비도 증가하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 저열량 가스의 착화가 용이하게 되도록 하고, 짧은 시간에 연소가 완료되도록 하며, 이에따라 보조연료 소모량을 줄임은 물론 설비도 소형화 할 수 있도록 하는 다공 분사구가 형성된 저열량가스 연소기의 연소방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 다공 분사구가 형성된 저열량가스 연소기를 이용한 연소방법에 있어서; 공기비 1.0 이하인 저공기비 조건에서 보조연료를 연소시켜 상기 연소기의 연소실을 환원성 분위기로 조성시키는 단계;

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15% 이상으로 산소함량이 높은 저열량 가스를 상기 연소기의 분사구를 통해 고속 공급하여 분사구에서 2단연소가 이루어지도록 유도하는 단계를 포함하는 다공 분사구가 형성된 저열량가스의 연소방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음 과 같다.

도1및 도2에서 도시한 바와 같이, 보조연료 버너(110)가 연소실 상단 중심부 혹은 연소실 상부 측벽에 설치된다.

그리고, 상기 연소실 내벽(100)에 공기층(230)에 연소실(150)로 통하는 다공의 저열량가스 분사구(210a)가 설치된다.

계속하여, 상기 연소실(150)과 공기층(230)은 하우징(300)의 내측에 설치되며, 상기 연소실 및 공기층의 외측을 감싸도록 단열재(310)가 설치되고, 상기 연소실(150)의 하단에 연소가스 배출구(400)가 형성되는 구성으로 이루어 진다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명한다.

도1및 도2에서와 같이, 보조연료버너(110)에서 보조연료를 연소시켜 연소실(150)을 일정온도 이상으로 예열시킨 후 가연성 저열량가스는 유입구(220)를 통해 공기층(230)에서 예열된 후에 분사구(210a)를 통해 보조연료 화염이 형성된 연소실(150) 상단에 공급되어 연소가 이루어진다.

그리고, 보조연료를 공기비 1.0 이하의 저공기비 조건으로 연소시키면서 부족한 공기는 저열량 가스가 함유한 산소농도를 이용하여 재연소가 이루어지도록 한다.

이때, 다단연소방식을 적용됨으로서 고온연소에서 발생하는 질소산화물(NOx) 발생을 줄일 수 있는 부대효과도 있다.

또한, 연소실 내층에 형성된 공기층에서 저열량 가스는 연소실 열에 의해 예열된 후에 연소실에 공급되므로 보조연료 소요량을 절감시킬 수 있다.

그리고, 상기 공기층(230)에서 예열된 저열량 가스가 다수의 분사구(210a)를 통해 보조연료 화염이 형성된 연소실(150) 고온부에 고속으로 분사됨으로서 혼합성 향상과 2단 연소 효과로 각 분사구에서 저열량 가스의 화염이 형성되게 된다.

이는, 저공기비로 운전되는 고온 운전상태의 연소실에 산소농도가 높은 저열량 가스를 고속 분사함으로서 각 분사구가 저열량 가스의 버너노즐 역할을 하게 되므로 까다로운 저열량 가스 착화를 용이하게 하는 것이다.

이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명은, 다공의 분사구가 설치된 저열량가스 연소기로 연소실(150)과 분사구(210a)가 설치된 공기층(230) 그리고 단열재(310)가 충진된 단열층으로 구성되어 있다.

또한, 상기 연소실(150)내에 보조연료의 화염 형성부에 공기층(230)에서 연소실로 통하는 저열량 가스 분사구(210a)를 연소실 내벽(210)에 20개 이상 고르게 배치한다.

그리고, 상기 연소기 상단부 중앙이나 혹은 측벽에는 보조연료 연소용 버너(110)가 설치되어 연소실(150)을 예열시키게 되며, 저열량 가스의 착화가 가능한 약 800℃ 내외에 도달했을 때 고온의 보조버너 화염 형성 위치에 저열량 가스를 공급하여 연소시킨다.

이와같이, 연소실(150) 외측에 위치하는 공기층(230)에 유입되는 저열량가스는 저열량가스 유입구(220)를 통해 공기층에 유입되도록 하였으며, 연소실의 고온 연소열에 의해 공기층에서 저열량 가스가 예열된 후에 다공의 분사구(210a)를 통해 연소실에 공급되도록 하였다.

그리고, 보조연료의 화염이 형성되는 공기층 상단부에 연소실로 통하는 저열량 가스 분사구를 형성하였다.

이때, 상기 분사구(210a) 설치 갯수와 분사구(210a) 입경 크기는 저열량 가스의 처리용량 규모에 따라 가변적이며, 분사구 개수는 연소실 화염부에 내벽을 따라 20개 이상 고르게 배치되어야 하고, 저열량 가스 분사구는 분사속도가 20 m/sec 이상이 되는 작은 입경이어야 한다.

계속하여, 운전 초기에 보조연료만으로 연소실을 약 800℃ 내외로 가열시킨 후에 저열량 가스를 공급하여 혼합 연소시키며, 저열량 가스의 혼소로 적정운전온도 이상으로 연소온도가 높아지게 되면 보조연료 사용량은 점차 감소시킬 수 있게 된다.

이때, 보조연료는 저공기비 조건에서 연소시켜 연소실 내부를 환원성 분위기를 조성하게 되면, 유입되는 저열량 가스는 산소 함량이 15% 이상으로 높아 분사구에서 2단연소가 이루어지고, 또한 저열량가스의 분사속도가 빠르므로 혼합성이 향상되므로 연소성능이 향상될 뿐만아니라 동일한 입열량으로도 연소온도가 높아지는 효과가 있다.

따라서, 기존 연소기에 비해 상대적으로 저온에서 완전연소가 가능하여 보조연료 소모량을 절감 할 수 있을 뿐만 아니라 체류시간을 줄일 수 있으므로 설비를 소형화 할 수 있거나 혹은 저열량 가스 소각처리 용량을 크게 늘릴 수 있는 장점이 있는 것이다.

실험예

저열량 가스의 유입구는 한 개이나 연소실에 공기층이 형성되어 연소열에 의해 예열된 후에 다공 분사구를 통해 고속으로 유입되도록 하였다. 보조연료는 환원성 분위기에서 연소가 이루어지게 된다.

이때, 90% 이상이 공기인 저열량 가스가 다공 분사구를 통해 공급됨에 따라 각 분사구에서 저열량 가스의 착화가 용이하게 이루어지도록 고안된 것이다.

그리고, 상기 분사구의 구경은 0.5 cm 로서 보조연료의 화염 형성부에 4줄로 각 24개씩 96개가 형성되어 있다.

또한, 상기 Swirl number는 21.5가 되며 각 분사구에서 VOC 가스 유입속도는 약 40 m/sec 이상이 된다. 저열량 가스 처리 용량은 약 150 Nm ³ /hr 이다.

처리용량은 약 420 Nm ³ /min 급 기존 저열량 가스 연소시스템에서 운전온도가 약 980℃ 이상이며, 체류시간은 0.75초 이상이어야 한다고 보고되고 있다.

이때 보조연료 소모량이 약 9.1 kg/min가 소요되는 것으로 보고되고 있다.

그 결과, 본 발명품인 다공 분사구 형태의 저열량가스 연소시스템에서는 보조연료 화염과 저열량 가스의 혼합성 향상 등의 효과로 인해 약 800℃ 로 운전온도가 낮고, 체류시간이 0.65초로 짧아져도 완전 연소가 이루어졌다. 따라서 이때 보조연료 소모량을 환산하면 약 4.1 kg/min로 계산되었다.

이상과 같이 본 발명품은 선회식 유동을 형성하여 연소실의 온도구배가 고르고 dead space가 없어 연소실 체적을 최소화 할 수 있고, 고온의 화염과 저열량 가스의 혼합성이 향상되어 보조연료 절감 효과가 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 연소실 내벽에 공기층이 설치되고 연소실 고온부에 다수의 분사구가 설치된 형태로서, 보조연료 연소로 연소실이 저공기비 상태일 때 산소함유량이 높은 저열량 가스가 고속 분사되면 분사구에서 저열량 가스의 화염이 생성되어 저열량 가스의 착화가 용이하게 되고 짧은 시간에 연소가 완료되는 효과 때문에 보조연료 소모량이 줄고 설비도 소형화 된다.

또한, 보조연료 화염부에 형성된 분사구에서 저열량 가스의 착화 화염이 생성되어 자체 발열량이 낮아 직접연소가 어려운 저열량 가스도 소각처리가 가능하게 된다.

그리고, 저열량 가스 착화가 용이하여 상대적으로 낮은 연소온도에서 완전연소가 이루어지므로 보조연료 소모량이 절감된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.