역화 발생이 없는 촉매-화염 복합 연소장치

본 발명은 촉매-화염 복합 연소장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소시 역화가 발생하지 않는 촉매-화염 복합 연소장치에 관한 것이다. 본 발명과 같은 연소장치는 고부하의 열을 필요로 하는, 예를 들어, 수소개질장치, 가스터빈 등의 장치에 열을 공급해 주는 열공급장치로 많이 사용되고 있다. 연소장치로는 기존에 주로 화염버너방식을 채택한 장치들이 많이 사용되었으나, 이러한 장치들은 예를 들어 1500℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 환경을 심하게 오염시키는 다량의 질산화물(NOx)을 발생시키는 중대한 문제가 있었다. 이런 문제에 대처하기 위해 질산화물을 억제하거나 제거하는 기술들이 알려져 있으나, 이는 관련 장치들을 별도로 구비해야 하고 운전비가 많이드는 다른 문제를 야기시켰다. 위 문제를 해결하기 위해서는 질산화물의 발생을 최소화하거나, 그 자체를 발생시키지 않아야 하는 데, 이는 연소조건을 필요 이상의 온도 조건, 즉 1100℃ 이상으로 제어할 것이 아니라 질산화물의 발생이 비교적 적고, 공급에 필요한 열 조건으로서 충분한 1100~1300℃ 미만에서 운전하면 가능하다. 이를 구현하기 위해 화염연소에 앞서 촉매연소를 실행하는 기술들이 알려져 있으며, 그 일례로 한국등록특허 제10-0491330호의 「단계별 혼합 방식의 고압 촉매/화염 복합 연소식 버너」가 개시되어 있다. 이 촉매-화염연소식 버너의 구성에 대한 개략도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 촉매-화염연소식 버너는 1차가스혼합부(1), 촉매연소부(2), 2차가스혼합부(3) 및 화염연소부(4)로 구성되어 있다. 1차가스혼합부(1)는 가스버너(23) 또는 전기히터(6)와 1차혼합기(8)를 구비하고 있다. 가스버너(23) 또는 전기히터(6)는 연료와 공기의 혼합가스가 촉매연소 반응이 일어날 수 있도록 공기를 예열시키고, 예열된 공기를 연료와 균일하게 1차혼합하여 온도가 450℃ 정도가 되도록 초기시동과 촉매반응 개시온도를 유지시키고 있다. 또한, 1차혼합기(8)는 연료와 예열된 고온의 공기를 균일하게 혼합하고 있으며, 이 혼합가스는 다공판(22)을 통해 촉매연소부(2)로 배출되고 있다. 촉매연소부(2)는 중앙에 촉매부재(9)와 그 주위에 환형의 외부공간(14)을 구비하고 있다. 촉매부재(9)는 1차가스혼합부(1)에서 보내진 혼합가스 중 일부를 통과시키면서 촉매 연소시키고, 외부공간(14)은 혼합가스의 나머지를 연소 없이 통과시킨다. 연소된 가스와 불연소된 가스는 각각 2차가스혼합부(3)로 배출되고 있다. 2차가스혼합부(3)는 2차혼합기(10)를 구비하고 있다. 이 2차혼합기(10)는 연소된 가스와 불연소된 가스를 균일하게 2차혼합하고, 혼합된 가스는 화염연소부(4)로 보내진다. 화염연소부(4)는 연소실(11)를 구비하고 있어, 2차혼합된 가스가 연소실(11)에서 연소된다. 화염연소부(4)는 질산화물의 발생을 억제하고 화염의 안정을 기하기 위해 나팔관식 버너형식으로 구성되어 있고, 퍼짐각도는 10~45°로 형성되어 있다. 상술한 구성을 갖는 종래의 버너는 화염의 역화를 방지하기 위해 베인의 축방향각도와 선회각도를 특정 각도, 예를 들어, 30~70°로 형성하고 있다. 그러나, 베인의 각도를 조절하여 화염의 역화를 방지하는 종래의 구성은 베인의 각도가 설계치와 다르게 만들어지는 등의 외부 변수에 의해 역화 방지의 성공 여부가 크게 좌우되게 되었다. 또한 모든 연료의 공급 및 그 연료의 촉매연소 및 화염연소 전환 정도를 입구쪽에서 제어하여야 하기 때문에, 공급되는 연료의 성분 및 유입량의 변화에 따라 화염안정성 및 역화 발생 가능성이 크다.