KR0157335B1 - 축열재생식 버어너 - Google Patents

Abstract

버어너본체(2)에 전면에 위치한 오목형 1차 연소타일(3)과, 이 1차 연소타일(3)을 사이에 두고 노내에 개구한 2개의 유로(5a,5b)와 이들 유로(5a,5b)와 1차 연소타일(3)을 연통하는 구멍(6a,6b)을 배설하고, 1차 연소타일(3)의 중앙부에 연료분사노즐(7)을 배치하여, 2개의 유로(5a,5b)를 각각 축열체(10a,10b)에 접속하였다.

연소공기의 일부가 구멍(6a,6b)을 개재하여 1차 연소타일(3)에 공급되고 이곳에서 연료가스와 확산 혼합되어 1차 연소한다. 또 유로(5a,5b)에서 직접 분사된 연소공기가 연료가스와 접촉 혼합되어 2차 연소한다. 즉 저NO_X의 2단 연소가 달성된다.

Description

출열재생식 버어너

제1도는 축열재생식 버어너의 종단면도.

제2도는 축열재생식 버어너의 정면도.

제3도는 축열재생식 버어너의 배관도.

제4도는 힘받이 보식 가열로의 부분 단면도.

제5도는 다른 실시예에 관련한 축열재생식 버어너의 종단면도.

제6도는 다른 실시예에 관련한 축열재생식 버어너의 정면도.

제7도는 종래의 축열버어너의 종단면도.

제8도는 종래의 축열버어너의 배관도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 버어너 3 : 1차 연소 타일

2 : 버어너 본체 5a,5b : 유로

6a,6b : 구멍 7 : 연로분사 노즐

8a,8b : 연결관 9a,9b : 축열기

10a,10b : 축열체

본 발명은 노내의 배기가스의 열을 회수하여 연소용 공기를 예열하는 축열재생식 버어너에 관한 것이다.

종래에는 연소 배기 가스의 열로 연소용 공기를 예열하여 에너지의 절약화를 기하는 버어너로서, 제7도에서 보여주는 바와같이 버어너본체(101)에 연료분사 노즐(102)과 버어너 홈부(103)로 통하는 유로(104)와, 이 유로(104)에 배치된 통기성 축열체(105)로구성된 축열버어너(100)가 알려져 있다.

이 버어너(100)는 제8도에서 보여주는 바와같이 보통 2대(100a,100b) 1조로 노벽(106)에 부착된다. 그리고 버어너((100a,100b)의 연료분사 노즐(102,102)은 각각 전환밸브((F1,F2)를 가진 가스 공급라인 (107a,107b)을 개재하여 가스 공급원(108)에 연결된다. 또 버어너(100a,100b)의 유로(104,104)는 각각 전환 밸브(A1,A2)를 가진 공기 공급라인 (109a,109b)를 개재하여 공기 송풍기(110)에 연결됨과 동시에 각각 전환 밸브(W1,W2)를 가진 배기 가스라인 (111a,111b)을 개재하여 유인팬(112)에 연결된다.

이와같이 라인에 접속된 1조의 버어너(100a,100b)는 일정시간 마다 연료가스의 연소와 배기가스의 배기에 사용되면서 한쪽의 버어너에서 가스 연소시에는 다른쪽 버어너에서 배기가스를 배기하면서 운전된다. 즉 도면에서 보여주는 바와 같이 버어너(100a)에서 연료가스를 연소할 때, 이 버어너(100a)에 대하여는 전환밸브(F1,A1)가 열림과 동시에 전환밸브(W1)가 닫히고 가스 공급원(108)으로부터 노즐(102)에 연료가스가 공급되어 공기 송풍기(110)로부터 유료(104)에 연소용 공기가 공급되고, 이들 연료가스와 연소용 공기가 홈부(103)에서 노내(114)에 분사되어 연소한다. 다른쪽의 버어너(100b)에 대해서는 전환밸브(F2,A2)가 닫힘과 동시에 전환밸브(W2)가 열려 유인팬(112)의 구동에 의하여 노내(114)의 배기가스가 유로(104)를 통해서 굴뚝(113)에서 배출되며, 이때 축열체(105)는 그 축열체(105)를 통과하는 고온 배기가스와의 접촉으로 가열된다.

반대로 버어너 (100b)에서 가스를 연소할 때 이 버어너(100b)에 대해서는 전환밸브(F2,A2)가 열림과 동시에 전환밸브(W2)가 닫히고, 가스 공급원(108)에서 노즐(102)로 연료가스가 공급되어, 공기 송풍기(110)로부터 유로(104)로 연소용 공기가 공급되어, 이들 연료가스와 연소용 공기가 버어너 홈부(103)로부터 노내(114)로 분사되어 연소한다.

이때, 버어너(100b)에서는 이 버어너(100a)에 의한 가스연소시에 축열체(105)에 열이 축적되어 있으므로 공기 송풍기(110)에서 유로(104)로 공급된 연소용 공기는 축열체(105)와의 접촉으로 예열되어, 이 예열된 연소용 공기와 함께 연료가스가 연소된다.

따라서 연료가스를 상온의 공기와 함께 연소하는데 비하여 연료의 연소효율이 현저히 향상된다. 한편, 버어너(100a)에 대하여는 전환밸브(F1,A1)가 닫힘과 동시에 전환밸브(W1)가 열려 유로(104)를 통해서 노내(114)의 배기 가스가 배기되고, 이 고온배기가스의 열이 축열체(105)에 회수되어 버어너(100a)의 다음 연료연소시에 연소용 공기의 예열에 이용된다.

그러나 버어너(100a,100b)는 상술한 바와같이 2대1조로 사용하여야 하며 또 한쪽의 버어너가 연소할때엔 다른쪽의 버어너는 비연소상태로 유지하지 않으면 안된다. 또 필요한 배관공간을 확보하기 위해 버어너를 서로 접근시키는데도 한도가 있다. 그러므로 일정한 연소량 (노의 입열)을 확보하기 위해서는 버어너의 부착 대수가 많아지고, 노내 칫수의 확대, 비용의 증가가 불가피하다고 하는 문제점이 있었다.

그리고, 이 버어너는 연소용 공기의 공급과 함께 축열체(105)의 온도가 서서히 내려가 연소용 공기의 예열력이 저하한다. 따라서 연소효율을 고도로 유지하기 위하여 전환밸브(F1,A1,W1,F2.A2,W2)를 빈번하게 개폐하지 않으면 안된다. 현실적으로는 약 20초마다 밸브가 전환되고 있어서 노를 년간 6,000시간 조업하면 약 100만회/년 (=6,000 × 3,600/20)의 전환동작이 반복되어, 이와같은 방대한 숫자의 전환을 단 한번도 오동작함이 없이 기능을 유지하자면, 제업아법뿐만이 아니라 전환밸브 그 자체의 기계구조에도 고도의 신뢰성이 요구되는 문제점이 있었다.

예를들면, 연료계의 밸브가 오동작하거나 연료의 누설이 있으면, 그 누설연료가 배기 가스라인으로 유입하여 무용하게 소비되거나, 폭발을 초래한다. 또 불순물을 포함한 연료가스를 사용할때에는 그 불순물의 성분이 가스전환 밸브(F1,F2)의 내부에 고착하여 충분한 밀폐성을 유지할 수 없는 우려가 있다.

그리고 버어너홈부(103)에 유로(104)가 접속되어 있어서, 즉 연료가스가 유로(104)로 침입이 가능한 구성이 되어 있음으로 연소용 공기와 배기 가스의 전환밸브가 오동작하면 배기 가스라인(111a,111b)으로 연료가스가 유입하여 폭발을 초래할 위험이 있다.

더 나아가서, 화염의 상태를 확인하기 위하여 1조의 버어너 (2개의 버어너)에 대해 2 계통의 화염감시기가 필요하게 될뿐더러, 「연소중」 과 「배기중」 이라는 모우드 구별을 감시하는 조건을 제어에 포함시켜야 한다.

거기에 버어너 마다 점화용 버어너가 필요하고 따라서 제어계나 배관계의 설계와 구성이 복잡화함과 동시에 이들에 소용되는 비용도 가중되는 문제점이 있다.

그리고 또 연료분사 노즐(102)이 축열체(105)에 접근해서 위치하고 있고, 고온 예열 공기에 싸여서 연소가 이루어지는 설계로 되어 있어서, 그 온도상승에 기인하여 배출 Nox가 높아진다고 하는 문제점이 있다. 구체적으로는 축열체(105)에 의한 공기의 예열 온도가 1,000℃까지 상승하면 배출 Nox가 1,000ppm을 넘고 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 본원의 축열재생식 버어너는 버어너 본체에 전면에 위치한 오목형의 1차 연소타일과 이 1차 연소타일을 사이에 두고 전면에 개구한 2개의 유로와, 이들 유로와 상기한 1차 연소타일을 연결하는 구멍을 뚫어 상기한 1차 연소타일의 중앙부에 연료분사 노즐을 배치하고, 이 2개의 유로를 각기 축열체를 가진 연결관에 접속시킨 것이다.

그리고 본원의 다른 형태의 축열재생식 버어너 시스템은 버어너 본체에 전면에 위치시킨 오목형의 1차 연소타일과, 이 1차 연소타일을 사이에 두고 전면에 개구한 2개의 유로와, 이들 유로와 1차 연소타일을 연통하는 구멍을 내어, 상기한 1차 연소 타일의 중앙부에 연료분사노즐을 배치하고 상기한 2개의 유로에 각각 축열체를 내장시킨 것이다.

이 축열재생식 버어너는 연료분사노즐이 연료 공급원에 접속된다. 또 2개의 유로는 각기 전환밸브를 개재하여 연소 공기 공급원과 배기 가스 흡입원에 접속된다. 그리고 지금 한쪽의 유로로부터 연소 공기를 공급하고 다른쪽의 유로에서 노내 배기가스를 흡인배출하는 경우, 이 한쪽의 유로는 연소 공기 공급원에 접속되어 다른쪽의 유로가 배기 가스 장치에 접속된다.

이 때문에 상기한 연소 공기 공급원부터 연소공기를 공급하면, 이 연소공기는 한쪽의 유로로부터 노내에 분사됨과 동시에 이 유로와 1차 연소타일을 연락하는 구멍에서 연소공기가 분사된다.

그 결과 연소분사노즐에서 분사된 연료는 먼저 구멍에서 분사된 연소공기와 1차 연소타일내에서 교반 혼합되어 1차 연소하고, 계속해서 유로에서 직접 노내로 분사된 연소 공기와 혼합되어 2차 연소를 한다.

한편, 다른쪽의 유로부터 노내 배기 가스가 배기되어 이 배기가스의 열이 축열체로 회수된다.

다음으로 이 축열재생식 버어너는 상기한 한쪽의 유로에서 노내 배기 가스를 배기하고 다른쪽의 유로부터 연소공기를 분사하는 상태로 전환된다. 즉 각각의 전환 밸브를 조작하여 상기한 한쪽 유로는 배기 가스 흡입원에 접속되고 다른쪽의 유로가 연소 공기 공급원에 접속된다.

이로 인하여 다른쪽의 유로에 공급된 연소 공기는 축열체에 의해 예열된 다음 유로와 구멍에서 분사되어 연료분사 노즐에서 분사된 연료가 우선 구멍에서 분사된 연소공기와 1차 연소를 한 후 계속해서 유로에서 분사된 연소공기와 2차 연소를 한다. 한편 상기한 한쪽 유로에서 노내 배기 가스가 배기되어 그 열이 축열체로 회수되어 다음에 공급될 연소 공기의 예열에 이용된다.

다음 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 축열재생식 버어너의 실시예에 대해 설명한다.

제1,2도는 상기한 축열재생식 버어너 (1) (이하, 「버어너 1」이라 함)를 나타내며 이 버어너 1의 본체(2)는 주지하는 내화물로 구성되어 있다. 이 본체(2)의 전면 (노내 대향부)에는 오목형의 1차 연소타일(3)이 형성되어, 이 1차 연소타일(3)의 대략 중앙에 본체(2)의 후면으로 통하는 노즐 삽입구멍(4)이 형성되고 이 노즐삽입구멍(4)에 연료분사 노즐(7)이 삽입되어 있다. 또 본체(2)에는 1차 연소타일(3)을 사이에 두고 전면과 후면을 연락하는 유로(5a,5b)가 형성되어, 이들 유로(5a,5b)와 1차 연소타일(3)이 여러개의 구멍유로(6a,..6a, 6b...6b)을 개재하여 연통하고 있다.

또 유로(5a,5b)에는 연결관(8a,8b)이 접속되어, 이 연결관(8a,8b)에 세라믹스 입자 등의 통기성의 축열체(10a,10b)를 각기 수용하고 있는 축열기(9a,9b)가 배설되어 있다.

더욱이 연료분사노즐(7)은 그 주위를 수냉벽(水冷壁)으로 보호하는 것이 바람직하다.

또 유로(5a,5b)의 토출구의 형상은 제2도에 나타난 부채꼴에 국한하지 않고 구형으로 하여도 무방하다. 이러한 구성을 가진 버어너 1은, 1차 연소타일(3)을 가진 본체(2)의 전면을 노내로 향해서 노벽에 부착되어 제3도에 나타난 것 같이 배관이 접속된다. 즉 연료분사노즐(7)은 차단 밸브(11)와 조절밸브(12)를 개재하여 연료공급원(13)으로 접속된다.

유로(5a)의 연결관 (8a)은 전환밸브 (14a)를 개재하여 연소공기 공급원인 송풍기(15)에 접속됨과 동시에 전환밸브(16a)를 개재하여 배기 가스 흡입원인 팬(17)과 또 굴뚝(18)에 접속된다. 마찬가지로 유로 (5b)의 연결관 (8b)은 전환밸브(14b)를 개재하여 송풍기(15)에 접속됨과 동시에 전환밸브(16b)를 개재하여 팬(17)과 굴뚝(18)으로 접속된다.

이와 같이 배관 접속된 버어너 1은 외부 제어신호에 의하여 아래에 기재하는 표 1 의 운전 모우드 (M1) 와 (M2)를 일정시간마다 상호 반복하여 운전된다.

[표 1]

밸브 모우드 M1 모우드 M2

14a 열림 닫힘

16a 닫힘 열림

14b 닫힘 열림

16b 열림 닫힘

또한 이 운전모우드 (M1),(M2)의 전환시간은 축열체 (10a,10b)의 축열능력, 공기예열능력등을 고려해서 가장 효율적인 연소가 될 수 있도록 설정된다.

그리고 연료계의 차단밸브(11)는 어느 운전 모우드에서나 열림상태가 유지된 다.

다만, 상기한 차단밸브(11)는 각각의 운전모우드가 종료하기 직전에 닫혀서 다음 모우드로 이행하여 연소공기가 유로 (5a,5b)의 토출구에 도달하기까지 닫힘상태로 유지된다.

버어너 1의 연소동작에 관하여 상세히 설명한다.

지금 운전모우드 (M1)에 설정되어 있을 때 연료노즐(9)에는 연료공급원(13)에서 연료가스가 공급된다. 또 전환밸브(14a,14b)가 열림상태, 전환밸브(14b,16a가 닫힘상태로 설정되어 송풍기(15)의 구동에 의하여 연소공기가 유로(5a)로 공급되어, 팬(17)의 구동에 의하여 노내 배기 가스가 유로 (5b)로부터 흡입된다.

이로 인하여 유로(5a)에 공급된 연소 공기는 노내로 토출됨과 동시에, 그 일부가 1차 공기로서 구멍 (6a)에서 1차 연소타일(3)으로 분사되어, 이 1차 연소타일(3)에 분사된 연소공기가 연료분사 노즐(7)로부터 분사된 연료가스로 확산 혼합되어 1차 연소하고, 계속해서 유로(5a)에서 2차 공기로서 직접 노내에 분사된 연소공기가 미연소한 연소가스에 접촉혼합되어 2차 연소한다. 즉 연료가스는 1차 공기와 2차 공기에 의하여 2단 연소가 되며 Nox의 저하감소가 도모된다.

한편, 유로(5b)에서 흡입된 노내 배기가스는 축열기(9b)를 통과할때에 축열체(10b)로 열이 빼앗기고, 이 축열체 (10b)에 축적된 열이 다음 운전 모우드(M2)시에 연소공기의 예열에 이용된다.

다음으로 운전모우드(M1)가 종료하면 운전 모우드(M2)로 이행하여 전환밸브(14a,16b)가 열림상태, 전환밸브(14a,16b)가 열림 상태로 전환밸브 (14a,16b)가 열림 상태로 전환되어 유로(5b)로 연소공기가 공급되어 유로(5a)로부터 노내 배기 가스가 흡입된다.

또한, 차단밸브(11)는 운전 모우드(M1)가 종료하기 직전에 닫힘상태로 전환되어서 연료가스의 공급이 정지하고, 운전 모우드(M2)로 전환되어서 유로(5b)로 부터의 연소 공기의 분사가 개시됨과 동시에 또 다시 열림상태로 전환된다. 이 차단밸브(11)의 개폐동작은 운전모우드의 전환과 연동해서 상기 타이밍으로 행해지도록 타이머로 제어하는 것이 바람직스럽다.

그리고 유로(5b)에 공급된 연소공기는, 우선 축열기(9b)를 통과할때에 축열체(10b)에 축적된 열에 의하여 예열되고, 구멍(6b)에서 1차 공기가 1차 연소타일(3)로 분사되어 연소가스와 확산 혼합되어 1차 연소되어, 그 후 유로(5b)로부터 직접 노내로 분사된 2차 공기가 미연소의 연소가스와 2차 연소된다. 또 유로(5a)로 부터 흡인된 노내 배기 가스는 축열기(9a)를 통과할때에 축열체(10a)로 열이 빼앗겨, 그 열이 운전 모우드(M1)시에 연소공기의 예열에 이용된다.

계속해서 운전 모우드(M2)가 종료하면 운전 모우드(M1)로 이행한다. 또 차단밸브(11)는 운전 모우드(M2)가 종료하기 직전에 닫힘상태로 전환되어 연료가스의 공급을 정지하고, 운전 모우드(M1)로 전환되어 유로 (5a)로 부터의 연소공기의 분사가 개시됨과 동시에 또 다시 열림 상태로 전환된다.

이와 같이 유로 (5a) 또는 (5b)에 공급된 연소공기의 일부가 1차 연소타일(3)에 공급되어, 이곳에서 연료가스와 확산 혼합되어 1차 연소된 다음, 유로(5a) 또는 (5b)에서 직접 분사된 연소공기가 연료가스와 접촉혼합되어 2차 연소되고, 2단 연소형태로 연소가 계속된다. 또 연료가스와 연소공기의 접촉혼합면의 반대쪽에서는 유로에 흡인된 노내 가스가 화염에 빨려들어 혼합된다.

따라서 이러한 혼합작용에 의하여 노내에 공급될 연소공기의 온도가 노온(대략적으로 유로(5a,5b)에 흡입되는 배기 가스의 온도와 비슷함)의 약 90%정도 (예컨대 노온이 1,300℃ 이면 1,170℃)가 되어도 연소는 완만하게 계속된다. 또 상기한 혼합작용에 의하여 양호한 저 Nox 성능을 얻을 수가 있다.

그리고, 1차 연소타일(3)에는 연소배기 가스의 일부가 유입하지만, 그 유속은 구멍(6a) 또는 (6b)로부터 1차 연소타일 (3)로 분사되는 연소공기의 유속에 비해 한층 저속이고, 연료가스가 모두 연소공기로 유인되어 노내로 향하고 구멍 (6a) 또는 (6b)를 개재하여 유로 (5a) 또는 (5b)로 침입하는 일은 없다.

제4,5도는 다른 형태의 축열재생식 버어너 시스템을 나타낸다. 이 버어너 시스템에서는 축열체(10a,10b)가 유로 (5a,5b)에 각각 내장되어 있다.

따라서 여기에서는 제1 실시예에 나타낸 연결관(8a,8b)이 불필요하게 된다. 그밖의 구성은 제1 실시예 와 동일함으로 설명을 생략한다.

상기한 축열식 연소장치를 힘받이보식 가열노에 적용한 예를 제6도에 나타낸다. 이 도면에 나타난 힘받이보식 가열노(25)에서는 노상벽(26)을 관통하는 여러개의 가동포스트(27)와, 이들 가동포스트(27)를 연결한 스커드파이프(28)로 힘받이보(29)이 구성되어 있어, 상기한 가동 포스트(27)가 화살표 X로 나타낸 구형 운동을 행함으로써 가열재료(M)가 화살표 Y방향으로 운반 이송된다. 또 상기한 힘받이보식 가열노(25)에서는 노옆벽(30)과 천정벽(31)의 일부를 아래쪽으로 접어 말어서 형성된 재료 운반 이송 방향과 거의 연직을 이루는 수직벽(32)에게 상기한 버어너 1이 부착되어 있다.

따라서 이 힘받이보식 가열노(25)에서는 노내에서 형성된 화염은 열방산을 한 후 버어너 1의 유로로 환류된다. 그러므로 연소 배기 가스가 노의 출구로 향하여 동일하게 유동하도록 하는 종래의 힘받이보식 가열노에 비해서 열풍 닥트나 배기 가스 닥트를 특별히 배설할 필요가 없고, 공간의 효율화, 비용의 저하감소를 도모할 수가 있다. 동일한 효과를 가열노(25)의 하부 근처의 측벽에 버어너 1을 부착한 경우에도 얻을 수 있다.

이상의 설명에서 명백한 바와 같이 본 발명에 관한 축열재생식 버어너는 1대로 동시에 연소용 공기의 공급과 배기 가스의 배기를 행할 수가 있음으로 일정한 입열을 확보하기 위하여 필요한 버어너 대수가 종래의 축열 버어너에 비해서 반감함과 동시에 그로 인하여 노의 필요공간이 감소하고 노로의 입열밀도가 높아진다.

또 종래의 2 대 1 조로 사용되는 축열버어너에서는 개폐를 반복하는 전환밸브가 매 조 (組) 마다 연료계에 2개, 연소용 공기 공급계에 2개, 그리고 배기 가스계에 2개, 총계 6개가 필요하였다. 그러나 본원의 버어너에서는 연료공급계에 전환밸브가 1개, 연소용 공기 공급계와 배기 가스계에 각각 2개, 총계 5개로 충분하다.

따라서 배관과 제어계가 간소화되고 전환밸브의 오동작에 기인하는 사고 발생율이 현저하게 낮아져서, 장기간 사용에 대해서도 안전성과 신뢰성이 높아진다.

또한 유로와 연료가스의 공급경로가 완전히 분리되어 있으므로 연소용 공기나 배기 가스의 전환밸브가 오동작하거나 연료의 누설이 있더라도 연로가 배기 가스라인으로 역류하여 폭발하는 일도 없고, 안전성이 향상된다.

그리고 또 종래의 축열버어너에서는 2 대 1 조의 축열버어너에 2개의 화염 감시 장치가 필요하였지만, 본 발명의 버어너에서는 대수가 감소한 분량만큼 화염 감시장치가 불필요하게 된다. 그리고, 1차 연소타일에 분사된 연소공기와 유로에서 분사된 연소공기에 의하여 2단 연소의 형태로 연소가 계속됨과 동시에 화염 근방에서 고온 배기 가스가 흡입되어 이 흡입배기 가스가 화염과 연소용 공기에 혼합됨으로 이러한 혼합작용으로 노내에 공급된 연소용 공기의 온도가 높아지더라도 적정한 화염온도가 유지되어, 저 Nox 성능을 확보할 수가 있다.

Claims (2)

1. 버어너 본체에 전면에 위치한 오목형 1차 연소타일과, 이 1차 연소타일을 사이에 두고 전면에 개구한 2개의 유로와, 이들 유로와 1차 연소타일을 연통하는 구멍을 뚫어, 1차 연소타일의 중앙부에 연료분사노즐을 배치하고 상기한 2개의 유로를 각기 축열체를 가진 연결관에 접속시킨 것을 특징으로하는 축열 재생식 버어너.
2. 버어너 본체에 전면에 위치한 오목형 1차 연소타일과 이 1차 연소타일을 사이에 두고 전면에 개구한 2개의 유로와, 이들 유로와 1차 연소타일을 연통하는 구멍을 뚫어 1차 연소타일의 중앙부에 연료분사노즐을 배치하고, 상기한 2개의 유로에 각기 축열체를 내장시킨 것을 특징으로 하는 축열재생식 버어너.