KR100230940B1 - 저 nox 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열체를 열교환매체로서 이용한 배기가스와 연소용공기와의 축열식 직접 열교환에의해 예열된 공기를 이용한 연소에 있어서, 고온역 뿐만아니라 종래에 곤란했던 증온역에서의 NOx저감에도 효과적이고 또한 불꽃의 안정성이 좋은 저 NOx버너에 관한 것이다. 이 저 NOx버너는 전량의 연소용 공기를 보내는 에어스로트(24)의 출구에 이 출구보다도 직경이 큰 버너타일 확경부(23)를 갖는 버너타일(22)을 배치함과 동시에 이 버너타일 확경부(23)에서 연료를 분사하는 연료노즐(19)을 마련하고 에어스로트(24)에서 분출되는 연소용 공기의 흐름에 의해 그 주위의 버너타일 확경부(23)로 둘러싸이는 부 연소실(25)부분에 부압이 생겨 강력한 로내 배기가스 재순환이 일어나도록 하고, 불꽃 유지영역(X1)과 로내 배기가스 재순환 연소 영역(X2)과 완만 연소영역(X3)을 형성하도록 하고 있다.

Description

[발명의 명칭]

저 NOx 버너

[기술분야]

본 발명은 저 NOx버너에 관한 것이다. 다시 상세히 설명하면 본 발명은 측열체를 이용한 배기가스와 연소용 공기와의 직접열교환에 의해 배기가스를 이용하여 예열된 공기를 이용한 연소에 있어서 고온역 뿐만아니라 종래 곤란했던 중온역에서의 NOx 저감에도 효과적인 NOx버너에 관한 것이다.

[배경기술]

종래 버너에 있어서 NOx의 저감을 꾀하는 데는 예를 들면 일본국 특개평 6-50508호(USP 5403181)에 개시되어 있는 제8도에 도시한 바와 같은 연료 2단 연소법등이 채용되고 있다. 이 연료 2단연소법은 버너스로트(101)내를 흐르는 연소용공기(A)에 대하여 연료를 1차노즐(102)과 2차노즐(103)로 2단으로 나누어 공급하고, 1차연료와 전량의 연소용공기로 1차불꽃을 형성함과 동시에 2차연료와 1차불꽃 고온 혼합기의 반응에 의해 2차불꽃을 형성하도록 한 것이다. 2차연료 노즐부근은 산소농도가 낮으므로 환원반응에 의해 1차불꽃의 NOx가 저감된다.

그러나 이 연료 2단연소법에 의한 버너에서는 주요불꽃을 형성하는 2차 연료의 분사방향을 연소용 공기의 흐름과 거의 평행한 것으로 하고 있으므로 저온시의 2차불꽃의 안전성이 나쁘고, 1000℃정도 이상의 고온으로 연소용 공기를 예열하지 않으면 불꽃이 안정되지 않는다. 그래서 저온시의 2차불꽃의 안정성을 높이기 이해 연료의 분사방향을 연소용 공기의 흐름과 수직인 방향으로 가까이 하면 불꽃은 안정되지만 국부연소가 일어나 국부적으로 온도가 높아져 NOx가 증대한다. 그와같이 불꽃의 안정성과 저 NOx화와는 양립하기 어려운 것이었다.

따라서 알루미늄 용탕 유지로(爐)의 열원으로서 사용하는 경우와 같이 700∼800℃정도의 비교적 저온의 증온역에서 조업할 때 및 그 로가 올라갈 때의 저온시에는 불꽃의 안정성이 나빠지고 종래의 연료 2단연소법을 실시하는 것은 곤란하다. 또한 주요 불꽃을 형성하는 연료의 분사방향이 연소용 공기의 흐름과 거의 평행하기 때문에 상당히 긴 불꽃이 되고, 알루미늄 용탕 유지로내의 도가니의 주위 또는 밑의 공간과 같은 좁은 공간에서 연소시킬 경우에는 실시가 곤란하다.

[발명의 개시]

본 발명은 축열체를 이용한 연소 배기가스와의 직접열교환에 의해 얻어진 예열공기를 이요한 연소에 있어서 고온역 뿐만아니라 종래 곤란했던 중온역에서의 NOx저감에도 효과적이며 또한 불꽃의 안정성이 좋은 저 NOx버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 배기가스와 연소용 공기를 서로 축열체에 통과시키는 직접열교환에 의해 연소용공기를 예열하고, 이 연소용공기의 흐름의 주위에서 연료를 분출하는 저 NOx버너에 있어서 예열된 연소용 공기를 분사하는 에어스로트의 출구에 이 스로트보다도 직경이 큰 버너타일 확경부를 갖는 버너타일을 배치함과 동시에 이 버너타일 확경부에서 연소용 공기의 흐름에 대하여 경사지게 연료를 분사하는 연료노즐을 마련하도록 하고 있다.

이 저 NOx버너의 경우, 에어스로트에서 분출되는 연소용 공기의 흐름에 의해 그 주위의 버너타일 확경부의 안쪽 즉 버너타일 확경부에 의해 구성되는 부 연소실내에 부압이 발생하여 강력한 로내 배기가스 재순환이 일어난다. 게다가 경사지는 방향에서 충돌하는 연료류에 의해 연소용 공기류가 일시적으로 눌려부서지고 그 주위의 버너타일과의 사이에 연소용 공기류로 충만되지 않는 공간을 형성하는 것에서 로내가스의 유입을 촉진한다. 즉 로내가스 재순환을 촉진하고, 배기가스 재순환 연소영역을 확실하게 형성가능하게 한다. 또한 버너타일내에 있어서 급속히 확산하는 연료의 일부와 예열된 연소용 공기의 일부가 불꽃 유지영역을 형성하여 불꽃을 안정시킨다. 이때 연료노즐에서 원주방향으로 떨어진 영역에서는 버너타일 확경부로 구성되는 부 연소식의 출구를 향하는 데 따라서 팽창하는 연소용공기류에 의해 로내 배기가스의 유입이 저해되어 에어스로트근처의 버너타일 확경부에 에어 자기재순환을 일으키고 불꽃유지영역의 형성에 기여하고 있다. 한편, 공기의 흐름에 의해 버너타일내에 강하게 유인되는 로내 배기가스와 연료의 일부가 혼합되어 로내 배기가스 재순환연소를 일으키고, 또한 버너 타일의 밖에서 잔존산소와 로내 배기가스 재순환연소에 의한 불완전 연소가스가 완만 연소를 일으키므로, 저 NOx에서 안정연소를 실현할 수 있다. 게다가 불꽃은 짧은 불꽃이 된다.

따라서 저온시의 불꽃 안정성을 높이기 위해 연소용 공기의 흐름에 대하여 수직인 방향으로 연료 분사방향을 가까이 하여도, 연료의 일부는 배기가스 재순환연소를 일으켜서 고온시의 NOx의 발생을 억제할 수 있다. 게다가 고온의 연소용 공기를 사용한 경우에는 불꽃의 안정성이 높은 것은 물론이고, NOx의 발생을 억제하면서 짧은 불꽃을 형성할 수 있으므로 한정된 좁은 공간에서 연소시킬 수 있다. 또한 저온시의 연소도 안정된다. 이것은 비교적 고온 예를들면 1000℃이상에서 조업하는 철계가열로등에서의 승온과정에서 저 NOx화에도 유효하지만 그것보다도 비교적 저온에서 특히 종래에는 곤란했었던 증온역에서 조업하는 비철금속 용해로등에서의 저 NOx화와 불꽃의 안정에 유효하다. 따라서, 알루미늄 용탕 유지로내의 도가니의 주위 또는 밑의 공간과 같은 좁은 공간에서 연소시킬 경우에도 NOx의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 저 NOx버너에 있어서, 연료노즐은 2방향에서 고속으로 연소용 공기의 흐름을 끼워넣도록 분사하는 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 경사진 방향에서 충돌하는 연료류에 의해 연소용 공기류가 일시적으로 눌려부서져 편평한 부채꼴 모양이 되고 그 주위의 버너타일과의 사이에 연소용 공기류로 충만되지 않는 공간을 충분히 형성하여 로내가스의 유입을 촉진한다. 즉, 로내가스 재순환을 충분히 촉진하고 배기가스 재순환 연소영역을 확실하게 형성가능하게 한다. 그 반면 연료노즐에서 원주방향으로 떨어진 영역에서는 버너타일 확경부로 구성되는 부 연소실의 출구를 향하는 데 따라 팽창하는 연소용 공기류에 의해 로내 배기가스의 유입이 저해되며 에어스로트근처의 버너타일 확경부에 에어 자기재순환 경향을 급증시키고, 연료노즐 근방의 산소농도를 크게하여 착화의 안정성을 얻을 수 있고, 불꽃유지영역의 형성에 기여한다. 또한 연소용 공기류가 부채꼴 모양으로 편평하게 되어 확산되므로 보다 짧은 불꽃을 형성할 수 있다.

여기서 버너를 곡면으로 이루어지는 로벽에 설치할 경우 또는 로벽에 경사지게 설치할 경우등에는 버너타일 확경부에 의해 형성되는 부 연소실의 로내벽면에서의 안쪽으로 가는방향의 깊이가 일정하지 않고 다르다. 이 경우, 버너타일 확경부에 의해 형성되는 부 연소실의 로내벽면에서의 안쪽으로 가는 방향의 깊이가 얕은 개소에서는 버너타일 확경부내로의 로내 배기가스의 침투가 일어나기 쉽고 배기가스 재순환연소를 활발하게 일으키지만 깊은 개소에서는 로내 배기가스가 침입하기 어렵다. 그래서 본 발명의 저 NOx버너는 버너타일 확경부에 의해 형성되는 부 연소실의 로내벽면에서의 안쪽으로 가는 방향의 깊이가 다를 경우에는 가장 깊은 개소에 연료노즐을 설치하도록 하고 있다. 이 경우 연료가 분사되는 부분으로의 로내배기가스의 침입이 적고 산소농도가 저하하지 않으므로 착화안정성이 뛰어나다.

또한 본 발명의 저 NOx버너는 연료노즐이 파일럿버너를 겸용하고 있다. 이 경우 연료분류를 따라서 파일럿불꽃이 형성되므로 불꽃이 안정됨과 동시에 버너구조도 간단한 것이 된다. 게다가 버너타일 확경부 보다도 상류의 에어스로트내에는 연소용공기가 흐를 뿐이므로 예를 들면 에어스로트의 출구를 좁혀서 분출되는 연소용공기의 유속을 높이거나 연소용공기를 예열하기 위한 축열체를 에어스로트의 출구 근처에 설치하는 데 제약을 받지 않는다.

또한 본 발명의 저 NOx버너는 연료노즐과는 별개로 파일럿 버너를 버너타일 확경부에 설치하도록 하고 있다. 이 경우 연료노즐에서 독립하여 제어되는 파일럿 버너에 의해 불씨가 만들어지므로 착화안정성이 좋고, 턴다운비를 크게 잡을 경우의 제어가 쉽다. 또한 에어스로트에는 파일럿 버너나 연료노즐이 배치되어 있지 않고, 연소용 공기가 흐를 뿐이므로 예를 들면 에어스로트의 출구를 좁혀 분출되는 연소용 공기의 유속을 높이고, 연소용 공기 흐름의 주위의 버너타일 확경부내에 일어나는 배기가스 재순환이 보다 강력한 것이 되고 저 NOx화를 촉진시킨다. 또한 에어스로트의 출구 근처에 축열체를 내장할 수 있으므로 축열체의 열이 연소용 공기의 예열에 사용되지 않고 대기중으로 방열되는 양이 적어짐과 동시에 축열체에 도입되는 배기가스의 온도도 저하시키지 않고 열손실이 적어진다. 또한 고온배관을 필요로 하지 않고, 설비비를 대폭으로 저감시킬 수 있음과, 동시에 스페이스를 줄일 수 있다. 게다가 버너타일 확경부보다도 상류의 에어스로트내에는 연소용 공기가 흐를 뿐이므로 예를들면 에어스로트의 출구를 좁혀 분출되는 연소용 공기의 유속을 높이거나 연소용 공기를 예열하기 위한 축열체를 에어스로트의 출구 근처에 설치하는 데 제약을 받지 않는다.

또한 본 발명의 저 NOx 버너는 버너타일 확경부보다 상류측의 에어스로트내에서 파일럿 연료를 분사하도록 하고 있다. 이 때 버너타일 확경부보다 상류측의 에어스로트내에서 분사되는 파일럿 연료에 의해 안정불꽃 영역이 형성되며 이것이 불씨가 되어 연소용 공기의 온도가 낮아져도 불꽃을 안정시킨다. 예를들면 알루미늄 용탕 유지로와 같은 700∼800℃의 중온역에서 조업되는 로의 열원으로서 이용해도 불꽃이 안정되며 또한 NOx의 발생향이 적다.

또한 본 발명의 저 NOx 버너는 로(爐)온도가 낮을 때에 버너타일 확경부보다 상류측의 에어스로트내에서 연료를 연소용 공기의 흐름과 거의 직교시켜 분사시키는 제1연료노즐과, 로온도가 소정온도에 달한 후에 버너타일 확경부에서 연료를 분사하는 제2의 연료노즐을 마련하고 있다. 여기서 소정온도는 반드시 로의 조업온도를 의미하는 것이 아니라 제2의 연료노즐에서의 연로 분사만으로 불꽃을 유지할 수 있는 온도 또는 그 이상의 온도를 의미하고 있다.

이 발명의 경우 로온도가 낮고 연소가 안정되기 어려울 때에는 제1의 연료노즐에서 연료를 분사하고 연소용 공기와 연료를 직교 충돌에 의해 급속으로 혼합·확산시켜 안정되게 연소시킬 수 있다. 이때 연소용 공기가 저온이라도 제1의 연료노즐에서 분사되는 연료는 연소용 공기와 즉석에서 혼합되어 안정적으로 확산연소한다. 그러나, 로온도가 낮으므로 발생하는 NOx도 적게 허용되는 범위이다. 그리고 로온도가 소정온도에 달했을 때에는 버너타일 확경부의 제2의 연료노즐에서만 연료를 분사시켜 위에 설명한 배기가스 재순환연소 및 그 불완전 연소가스와 잔존 산소와의 완충연소를 일으켜 NOx의 발생을 저감시킨다. 따라서 로를 정격운전온도까지 높이는 동안에도 NOx의 발생을 줄일 수 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 저 NOx버너의 개략구조와 연소상황을 설명하는 원리도.

제2a도는 본 발명의 다른 실시예의 저 NOx버너를 도시하는 개략구조와 연소상황을 설명하는 원리도.

제2b도는 제2a도의 저 NOx버너의 연료노즐 부분의 단면도.

제3도는 본 발명의 저 NOx버너의 또다른 실시예를 도시하는 개략구조도.

제4도는 본 발명의 저 NOx버너의 또다른 실시예를 도시하는 개략고조도.

제5도는 본 발명의 저 NOx버너를 이용한 비철금속·알루미늄 용탕 유지로의 일실시예를 도시하는 종단면도.

제6도는 제5도에 횡단면도.

제7도는 본 발명의 저 NOx버너를 이용한 일실시예를 도시하는 개략도.

제8도는 종래의 저 NOx버너로서 일반적인 연료 2단연소버너의 원리도이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

다음 본 발명의 구성을 도면에 도시하는 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

제1도에 본 발명의 저 NOx버너의 일실시예를 개략적으로 도시한다. 이 저 NOx버너는 축열체로 이루어지는 열교환매체를 이용한 배기가스와의 축열식 열교환에 의해 예열된 연소용 공기의 흐름에 대하여 그 흐름의 주위에는 연료를 분사하는 버너이며, 에어스로트(24)의 출구에 그보다도 직경이 큰 버너타일 확경부(23)를 갖는 버너타일(22)을 배치하고, 버너타일 확경부(23)에서 연료를 분사하는 연료노즐(19)을 마련하도록 하고 있다. 본 실시예의 경우, 연소용 공기는 800∼1000℃ 또는 그이상의 고온으로 예열되는 경우에 특별히 한정되는 것이 아니라, 배기가스 온도보다도 훨씬 저온으로 예열된 연소용 공기를 사용하는 경우에도 본 발명의 효과가 발휘되지만 본 실시예의 경우에는 배기가스 온도 가까이까지 예열된 것이 사용된다 예를 들면 도시하고 있지 않지만 배기가스와 연소용 공기를 교대로 벌집 세라믹으로 이루어지는 축열체에 일정시간씩 통과시키는 직접열교환에 의해 거의 배기가스정도에 가까운 온도까지 예열되어 공급된다. 따라서 로가 높아질 때나 로내설정온도가 원래 낮을 때에는 예열되는 연소용 공기의 온도는 저온으로 되고 또한 로가 700∼800℃의 중오역 또는 그 이상의 고온역에서 조업되는 상태에 달했을 때에는 비교적 고온으로 된다. 또한 연료는 버너타일 확경부(23)에서 버너타일(22)내의 버너타일 확경부(23)에 의해 형성되는 부 연소실(25)에 분사되면 좋다. 연료의 분사방향은 특별히 한정되는 것은 아니지만 연소용 공기의 흐름을 향해서 분사하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 연소용 공기의 흐름에 대해 경사지게 연료를 분사하여 충돌시키는 것으로 가장 바람직하게는 제1도에 도시하는 바와 같이 2방향에서 고속으로 연소용 공기의 흐름을 끼워넣도록 분사하는 위치에 연료노즐(19),(19)을 배치하는 것이다. 이 경우 연료를 연소용 공기의 흐름에 대하여 수직으로 분사할 경우에 비해 로내 배기가스 재순환 연소 및 버너타일(22)의 밖에서의 완만연소를 촉진하여 한층 NOx의 발생을 저감할 수 있다.

또한 버너타일 확경부(23)보다 상류측에는 파일럿 버너(16)가 설치되어 파일럿 연료가 에어스로트(24)내로 분사되도록 마련되어 있다. 이 파일럿 버너(16)는 연소용 공기가 약 1000℃이상의 고온으로 공급될 경우에는 버너타일 확경부(23)의 근방에서 상기 연소하고 있을 필요가 없고 더 상류측에 설치해도 좋고, 경우에 따라서는 버너타일 확경부(23)의 연료노즐(19)의 부근에 마련해도 좋다.

이와 같이 구성된 저 NOx버너에 의하여 제1도에 도시하는 바와 같이, 버너타일 확경부(23)에서 경사지게 분사되는 연료의 일부와 에어스로트(24)에서 전량이 분출되는 연소용 공기의 일부가 확산 혼합되어 불꽃 유지 영역(X1)이 형성되어 안정된 불꽃을 형성한다. 고온의 연소용 공기가 공급되는 경우는 물론이고 이 때문에 로가 높아질때등과 같인 연소용 공기가 비교적 저온으로 공급될 때에도 불꽃이 안정된다. 게다가 에어스로트(24)에서 고유속으로 분출되는 연소용 공기에 의해 버너타일 확경부(23)내에 강하게 로내 배기가스가 유인되어 버너타일 확경부(23)의 코너부분에서 경사지게 분사되는 연료중 일부와 혼합되어 배기가스 재순환연소를 일으키고 공기부족으로 연소하는 배기가스 재순환 연소영역(X2)을 형성한다. 또한 버너타일(22) 밖에서는 불꽃 유지 영역(X1)에서의 연소가스에 잔존하는 산소와 버너타일 확경부(23)내의 배기가스 재순환 연소영역(X2)에서 발생하는 불완전연소가스와 반응하여완만연소를 일으키는 영역(X3)이 형성된다. 이 때문에 연소용 공기가 고온으로 공급되어 국부적으로 고온으로 되어 서멀(thermal) Nox가 발생해도 배기가스 재순환연소와 완만연소에 의해 Nox가 환원되어 전체로서는 저 NOx가 된다. 또한 이 경우는 버너타일(22)내에 직접연료를 분사하는 것에 의해 불꽃 축방향에서 외측으로 나머지 가스가 확산하는 것을 억제하고 있기 때문에 연소시의 미연가스량을 최소한으로 억제할 수 있다

또한 제1도의 실시예의 경우 1단의 연료노즐(19)과 파일럿 노즐(버너)(16)을 별개로 마련한 예를 도시하고 있지만, 여기에 특별히 한정되는 것이 아니라 제2a도 및 제2b도에 도시하는 바와 같은 파일럿 버너 겸용의 연료노즐을 채용하여 파일럿 버너를 제거하도록 해도 좋다. 예를 들면 버너스로트 확경부(23)의 연료노즐(19)을 제2a도 및 제2b도에 도시하는 바와 같은 파일럿 겸용 노즐(26)로 할 경우에는 부 연소실(25)에 분사되는 연료문류(the fuel jet)의 주위에 연료분류를 따라 1차불꽃이 형성된다. 이 파일럿 겸용 노즐(26)은 연료노즐(26a)과 이 연료노즐(26a)의 주위에 1차공기를 보내는 1차공기 배관(26b)으로 구성되며 연로노즐(26a)의 주위의 2차공기의약 10%정도의 1차 공기가 흐르고 있다. 또한 연료노즐(26a)에는 선단에 주된 분사구(27)의 다른 주위의 1차 공기배관(26b)의 내주벽면을 향해 연료의 일부를 분사하여 충돌시키는 파일럿 연료 분사구(28)가 열리며 연료의 일부를 파일럿 연료로서 분사시켜 1차공기 배관(26b)의 내주벽면에 충돌시켜 퍼지게하여 1차공기와 양호한 혼합상태를 얻는 파일럿버너가 구성되어 있다. 거기에 도시하고 있지 않는 이그니터(igniter)가 설치되어 있고, 연소중은 안정적인 1차불꽃이 형성될 수 있도록 마련되어 있다.

또한 제4도에 도시하는 바와 같이 연료노즐(19)과는 별개로 독립하여 제어되는 파일럿 버너(16)를 버너타일 확경부(23)에 설치되는 것도 가능하다. 파일럿 버너(16)는 연료노즐(19)에서 분출되는 연료에 불을 이동하는 범위내에서 버너타일 확경부(23)에 설치된다. 이 경우 파일럭 버너(16)에 의해 불씨가 만들어지므로 착화안정성이 좋고, 턴다운비를 크게 잡을 경우의 제어가 쉽다. 또한 에어스로트(24)에는 파일럿 버너나 연료노즐이 배치되어 있지 않고 연소용 공기가 흐를뿐이므로 연소용 공기의 분사속도를 높이기 위한 연구를 자유로히 할 수 있고, 축열체를 에어스로트(24)의 출구부근에 설치하기 위한 제어를 받지 않는다. 예를들면 에어스로트(24)의 출구를 좁혀 분출되는 연소용 공기의 유속을 제1도의 실시예의 것보다 높일 수 있다. 이 경우 연소용 공기의 흐름의 주위의 버너타일 확경부(23)내에 일어나는 배기가스 재순환이 보다 강력한 것으로 되고, 저 NOx화를 촉진시킨다. 또한 에어스로트(24)내 특히 에어스로트(24)의 출구근처에 축열체(7)를 내장할 수 있다. 이 때문에 축열체(7)의 열이 연소용 공기의 예열에 사용되지 않고 대기중으로 방열되는 량이 작어짐과 동시에 버너타일 확경부(23)에 의해 구성되는 부 연소실(25) 및 에어스로트(24)를 거쳐 축열체(7)에 도입되는 연소배기가스의 온도도 저하하지 않고 열손실이 작게 된다. 또한 버너타일(22)의 일부에 구성되는 에어스로트(24)에 축열체(7)를 내장할 수 있으므로 고온배관을 필요로하지 않고 설비비를 대폭으로 저감시킬 수 있음과 동시에 스페이스를 줄일 수 있다.

또한 버너가 예를들면 제6도에 도시하는 바와 같은 만곡한 로벽에 설치될 경우 또는 경사지게 설치되는 경우등에는 버너타일 확경부(23)에 의해 형성되는 부연소실(25)의 로내벽면(29)에서의 안쪽으로 가는 방향으로의 깊이가 일정하지 않게 되고 장소에 따라 안쪽으로 가는 방향의 깊이가 달라지는 경우가 있다 이 경우 제3도에 도시하는 바와 같이 파일럿겸용 노즐(26)은 버너타일 확경부(23)의 로내벽면 (29)에서의 깊이가 더욱 깊은 곳에 설치하는 것이 바람직하다. 파일럿 겸용 노즐(26)이 아닌 통상의 연소 노즐과 파일럿 버너를 갖출 경우에도 마찬가지이다. 이 때부 연소실(25)의 로내벽면에서의 깊이가 얕은 개소에서는 버너타일 확경부(23)의 내측의 부 연소실(25)로의 로내 배기가스의 침투가 일어나기 쉽고 배기가스 재순환 연소를 활발히 일으키지만 깊은 개소에서는 로내 배기가스가 침입하기 어렵다. 따라서 버너타일 확경부(23)에 의해 구성되는 부 연소실(25)의 로내벽면에서의 길이가 깊은 개소에 연료노즐(19) 또는 파일럿 버너 겸용 노즐(26)을 배치하면 연료가 분사되는 부분의 산소농도가 저하하지 않으므로 착화안정성에 뛰어나다.

또한 제3도에 가상선으로 도시한 바와 같이 버너스로트 확경부(23)의 연료노즐(19)은 별개로 그보다도 상류측에서 에어스로트(24)내에 연료를 분사하는 제1의 연료노즐(15)을 마련하도록 해도 좋다. 이 실시예의 경우 예열된 연소용 공기의 흐름에 있어서 버너스로트 확경부(23)이 연료노즐(19)보다도 상류측에서 에어스로트(24)내에 연료는 분사하는 제1의 연료노즐(15)을 별개로 마련하고 로내온도가 소정온도에 달할 때까지는 제1의 연료노즐(15)에서 전량의 연료는 분사하여 확산연소시키고 소정온도에 달한 후에는 제1의 연료노즐(15)에서의 연료분사를 멈추고 제2의 연료노즐(19)에서 연료를 분사시키도록 해도 좋다. 여기서 도시하고 있지 않지만 제1의 연료노즐(15)에서 분사되는 연료에 불이 이동하는 범위에는 파일럿 버너또는 이그니터등이 통상 마련되어 있다. 또한 소정온도는 반드시 로의 조업온도가 아니라 제2의 연료노즐에서의 연료분사만으로 불꽃을 유지할 수 있는 온도 및 그 이상의 온도를 말한다.

이상과 같이 구성된 버너는 저 NOx에서 또한 짧은 불꽃을 형성하기 위해 여러 가지 설비의 열원으로서 이용할 수 있다. 예를들면 제5도∼제7도에 본 발명의 저 NOx버너를 비철금속 용탕 유지로의 열원으로서 이용한 예를 도시한다. 또한 비철금속 용탕 유지로로서는 알루미늄 용탕 유지로를 버너로서는 제1의 연료노즐과 제2의 연료노즐을 갖는 타입의 것을 예시하고 있다.

알루미늄 용탕 유지로는 예를들면 강판제 케이싱의 내측을 내화단열재로안을 댄 로체(1)와 이 로체(1)의 중앙에 매달리도록 하여 수용되는 도가니(3)와 열원이 되는 축열형의 버너시스템(4)으로 구성되어 있다. 본 실시예에서는 1시스템의 축열형 버너시스템(4)을 마련하고 있지만 2이상의 시스템을 장비해도 좋다.

로체(1)는 알루미늄 용탕 유지로를 넣은 도가니(3)를 둘러싸는 방법으로 지지하고, 도가니(3) 및 그 주위를 알루미늄 용탕의 보온에 적합한 온도로 유지하기 위한 것으로 예를들면 도시한 바와 같이 거의 바닥이 막힌 원통형을 이루고, 중앙에 도가니(3)를 매달리도록 마련하고 있다. 도가니(3)는 알루미늄 용탕을 수용하는 흑연등의 내화물제 도가니(3a)와 이것을 수용하는 금속제 도가니(3b)에 의해 구성되며 금속제 도가니(3b)의 상단의 플랜지부분(3c)이 로체(1)에 올려놓여져 그 플랜지(3c)보다 밑부분이 로체(1)내로 삽입되어 매달리도록 마련되어 있다. 그리고 로체(1)의 바닥부에는 매달리는 도가니(3)의 및에 연소공간(2)을 형성하도록 마련되어 있다. 또한 연소공간(2) 부분에는 간막이벽(20)이 마련되며 로체(1)안이 거의 C자형으로 구획되어 있다. 또한 로체(1)의 내벽면에는 주말의 휴로시등에 전력만으로 도가니내의 알루미늄 용탕을 최저온도로 유지하거나 비상시에 이용하는 전기히터(21)가 설치되어 있다. 또한 도시하고 있지않지만 도가니(3)에는 용탕을 가압하여 도가니 바닥부로부터 꺼내기 위한 뚜껑과 용탕을 부어넣는 통이 배치된다.

로체(1)의 바닥부의 연소공간(2)부분에는 적어도 1시스템 이상의 축열형 버너시스템(4)이 배치되어 있다. 본 실시예의 경우 간막이벽(20)을 끼고 시스템을 구성하는 한쌍의 버너(5), (6)가 배치되어 있다. 이 축열형 버너시스템(4)은 본 실시에에서는 축열체(7)를 버너바디(14)에 내장하고 축열체(7)와 버너(5), (6)를 일체화한 것을 2기 조합하여 교대로 연소시키고, 연소시키고 있지 않은 정지중의 버너 및 축열체를 통하여 배기가스를 배출할 수 있도록 마련한 것이 사용되고 있다. 예를들면 제5도에 도시한 바와 같이 2기의 버너(5),(6)의 각각의 축열체(7),(7)에 대하여 연소용 공기를 공급하는 연소용 공기 공급계(8)와 연소가스를 배출하는 배기계(9)를 4방향 밸브(10)의 개재에 의해 선택적으로 접속가능하게 하고, 한쪽의 버너(5)(또는 (6))에는 축열체(7)를 통하여 연소용 공기의 공급을 꾀하는 한편 다른 쪽의 버너(6)(또는 (5))에서의 축열체를 통하여 배기가스의 배출을 꾀하다록 마련되어 있다. 연소용 공기는 예를들면 도시하고 있지 않은 밀어넣는팬등에 의해 공급되며 배기가스는 예를들면 도시하고 있지 않은 유인팬등의 배기수단에 의해 로내로부터 흡인되어 대기중으로 배출된다. 또한 연소용 공기와 연료의 일부는 파일럿 버너건 (16)에 분배되어 있다. 파일럿 버너건(16)은 버너타일 확경부(23)보다 상류측에 있어서 에어스로트(24)안으로 파일럿 연료를 분사하도록 마련되어 있다. 에어스로트(24)의 출구에는 이 에어스로트(24)보다도 직경이 큰 버너타일 확경부 (23)를 갖는 버너타일(22)이 배치되어 있다. 또한 도면중 부호(14)는 버너바디, (17)은 불꽃 검출기, (18)은 파일럿 버너 점화용 트랜스이고, 각 라인에는 도시하고 있지 않지만 유체의 흐름을 제어하는 각각 전자밸브, 수동밸브등이 설치되어 있다.

또한 연료공급계(11)는 예를 들면 3방향 밸브(12)를 통하여 어느쪽 한쪽의 버너(5),(6)에 선택적으로 교대로 접속되어 연료를 공급한다. 연료노즐은 에어스로트(24)안을 향해 배치된 제1의 연료노즐(15)과 에어스로트(24)의 출구에 설치된 버너타일(22)의 확경부(23)에서 연소를 분사하는 제2의 연료노즐(19)로 이루어지며 어느쪽 한쪽에서만 연료가 분사된다. 제1의 연료노즐(15)은 전량의 연소용공기가 축열체(7)를 통과하여 공급되는 에어스로트(24)의 주면에 연소용 공기의 흐름과 직교하는 방향에 배치되어 에어스로트(24)의 주면에서 연소용 공기와 직교하도록 분사된다. 또한 연료노즐(19)은 에어스로트(24)의 출구에 마련된 버너타일(22)의 확경부(23)에서 버너타일(22)내로 분사되도록 설치되어 있다. 본 실시예의 경우 이 제2의 연료노즐(19)은 버너타일(22)의 확경부(23)의 코너부분에 에어스로트(24)에서 분사되는 연소용 공기를 향하여경사지게 충돌하도록 안으로 향하여 배치되어 있다.

여기서 가열수단으로서의 버너(5), (6)와 전기히터(21)는 동일의 온도검출수단 예를들면 열전대 및 온도조절계를 사용하고 조절계의 출력전기신호를 히터구동시에는 그대로 사이리스터에 이끌려 통전량을 제어하고 버너연소시에는 A/D변환기에서 ON·OFF신호로 변환하고 나서 연료노정밸브 및 공기조정밸브를 제어하도록 마련되어 있다.

또한 축열체(7), (7)로서는 비교적 압력 손실이 낮은 비율로 열용량이 크고 내수성이 높은 재료, 예를들면 세라믹으로 성형된 벌집형상의 셀구멍을 여러개 갖는 원통체를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 연소 배기가스에서 열을 회수할 때에 배기가스가 산로점(酸露点) 온도이하로 저하해도 세라믹내에 연료안의 유황성분이나 그 화학변화물질이 포착되어 하류의 배기계의 덕트등을 저온부식시키는 일은 없다. 물론 특별히 여기에 한정되는 것이 아니라 세라믹볼이나 너겟등의 다른 축열체를 사용해도 좋다

이상과 같이 구성된 알루미늄 용탕 유지로에 의하면 다음과 같이 하여 도가니(3)는 알루미늄 용탕을 보온에 적당한 온도로 유지한다.

우선 로내온도가 소정온도에 달할 때가지는 제1의 연료노즐(15)에서 전량의 연료는 분사하여 연소시킨다. 그리고 도가니(3) 및 로체(1)를 가열한다. 이때 연소용공기가 저온이라도 제1의 연료노즐(15)에서 분사되는 연료는 연소용공기와 즉시에 혼합되며 또한 근처에 마련된 파일럿불꽃에 의해 안정되게 연소한다.

그리고 소정온도에 달했을 때에는 제1의 연료노즐(15)에서의 연료분사를 멈추고, 제2연료노즐(19)에서 연료를 분사시킨다. 여기서 소정온도는 반드시 로의 조업온도가 아닌 제2의 연료노즐에서의 연료분사만으로 불꽃을 유지할 수 있는 온도 및 그 이상의 온도를 말한다. 이 때 알루미늄 유지로와 같은 700∼800℃정도의 중온역에서 조업되는 로(爐)라도 제2의 연료노즐(19)에서의 연료는 안으로 향해 분사하여 에어스로트(24)에서 분사되는 고온의 연소용공기와 충돌시키고 있으므로 버너타일(22)내에 있어서 고온의 연소용 공기를 향하여 연료는 경사지게 분사하여 충돌시키면 급속히 확산하는 연료와 연소용 공기의 일부가 불꽃 유지 영역(X1)을 형성하여 불꽃을 안정시키는 한편 연소용 공기의 흐름에 의해 버너타일(22)내로 강하게 유인되는 로내 배기가스와 연료가 혼합되어 배기가스 재순환 연소영역(X2)을 형성하여 공기 부족 연소를 일으키고, 또한 버너타일(22)의 밖에서 불꽃유지영역(X1)에서의 연소가스에 잔존하는 산소와로내 배기가스 재순환 연소에 의한 불완전 연소가스가 혼합하여 완만연소를 일으킨다. 이 때문에 불꽃도 안정되고 NOx도 증가하지 않는다.

또한 축열형 버너시스템(4)의 한쪽의 버너 예를들면 버너(5)를 연소시키면 연소공간(2)내에 있어서 도가니(3)의 가열에 사용된 후의 연소가스는 정지중의 다른 쪽의 버너(6)의 에어스로트(24)에서 연소가스 배기계(9)를 통해 배기된다. 즉 다른쪽의 버너(6)에서는 이 버너(6)를 향한 연료공급계(11)가 3방향 밸브(12)에서 닫히며, 또한 4방향 밸브(10)의 변환에 의해 배기계(9)와 접속되어 있으므로 연소는 되지 않고 배기가스의 배출로로서 이용된다. 도가니(3)는 불꽃 및 연소가스의 복사열에 의해 가열된다. 여기서 버너(5)에 공급되는 연소용 공기는 축열체(7)와의 단시간의 직접접촉에 의해 예열되고 나서 버너바디(14)내로 공급되므로 배기가스온도에 가까운 온도이다. 따라서 제1의 연료노즐(15) 또는 제2의 연료노즐(19)에서 분사된 연료와 혼합되었을 때 적은 연료라도 안정되게 연소하고 고온의 연소가스를 얻을 수 있다. 게다가 연소량의 증감에 따라 연소용 공기의 온도도 즉시 변화하므로 탕온의 온도조정의 응답성이 좋다.

따라서 탕온변동이 적고 불량률로 저감하며 로내 및 도가니(3)를 급속으로 보온온도까지 승온시킬 수도 있다. 또한 연소와 배기의 변환은 예를 들면 10초∼2분간격 바람직하게는 약 1분이내, 가장 바람직하게는 10∼40초정도의 극히 짧은 간격으로 행해진다. 이 경우 높은 온도효율로 열교환된다. 또한 축열체(7)를 경유하여 배출되는 연소가스가 소정의 온도 예를들면 200℃정도가 되었을 때에 변환은 행하도록 해도 좋다. 이 경우 불꽃위치가 빈번하게 변위하므로 연소실내에서의 열패턴을 보다 균일화할 수 있고 가열이나 보온의 비균일이 적어진다.

로내가 알루미늄 용탕의 보온에 적절한 온도 예를들면 800∼900℃에 달하면 버너시스템(4)의 연소는 도가니(3)내의 알루미늄 용탕의 보온에 적합한 온도를 유지할 수 있는 온도가지 낮혀진다. 또한 연료가스 공급계의 사고등의 비상시나 버너조업자가 감시할 수 없는 휴일등에는 버너시스템(4)의 가동을 정지하고, 전기히더 (21)에 의해 로내는 최저온도로 유지된다.

또한 위에 설명한 실시예는 본 발명의 적당한 실시의 예이지만 여기에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변형 실시가 가능하다. 예를들면 본 실시예에서는 예열된 연소용 공기를 버너에 연결 내지 내장한 축열체를 이요한 교번연소에 의해 얻는 경우에 대하여 주로 설명했지만 여기에 특별히 한정되는 것이 아니라 예를들면 국제공개 W094/02784호에서 보여지는 같은 유로변환수단등을 사용하여 연소용 공기 공급계와 배기계에 대하여 축열체를 상대적르로 회전시키는 것에 의해 또는 유로변환수단을 이용하여 축열체에 대한 유체의 흐름방향을 변환하는 등에 의해 축열체에 연소 배기가스와 연소용 공기를 일정 시간씩 고온의 연소배기 가스의 배열로 연소용 공기를 예열한 것을 단일의 버너에 연속적으로 공급하고 연속 연소시키도록 해도 좋다. 또한 본 실시예에서는 가스연료를 이용하는 경우에 대하여 주로 설명했지만 이것에 특별히 한정되지 않고 예를들면 오일등의 액체연료를 사용하는 것도 가능하다. 또한 제5도∼제7도에 도시하는 알루미늄 용탕 유니로에 제1도∼제4도에 도시하는 각 실시예의 버너를 적용할 수도 있다 그리고 그 경우에 있어서도 로가 올라가는 중온역에서의 조업 또는 고온역에서의 조업에 대하여 저 NOx를 실현할 수 있고 또한 불꽃도 안정된다.

Claims (7)

1. 배기가스의 연소용 공기를 교대로 축열체(7)에 통과시키는 직접열교환에 의해 연소용 공기를 예열하고 이 연소용 공기의 흐름의 주위에서 연료를 분출하는 저 NOx버너에 있어서, 예열된 상기 연소용 공기를 분사하는 에어스로트(24)의 출구에 이 스로트보다도 직경이 큰 버너타일 확경부(23)를 갖는 버너타일(22)을 배치함과 동시에 이 버너타일 확경부(23)에서 연소용 공기의 흐름에 대하여 경사지게 연료를 분사하는 연료노즐(19)을 마련하는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료노즐(19)은 2방향에서 고속으로 상기 연소용 공기의 흐름을 끼어넣도록 분사하는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
3. 제1항 또는 제2항의 어느항에 있어서 버너타일 확경부(23)에 의해 형성되는 부 연소실(25)의 로내벽면에서의 안쪽으로 가는 방향의 깊이가 다른 경우에는 가장 깊은 개소에 상기 연료노즐(19)을 설치하는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
4. 제1항에 있어서, 제3항의 어느항에 있어서, 상기 연료노즐(19)이 파일럿 버너를 겸용하고 있는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
5. 제1항에 있어서 제3항의 어느항에 있어서, 상기 연료노즐(19)과는 별개로 파일럿 버너를 상기 버너타일 확경부(23)에 설치한 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
6. 제1항에서 제3항의 어느항에 있어서, 버너타일 확경부(23)보다 상류측의 상기 에어스로트(24)내에서 파일럿 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.
7. 배기가스와 연소용 공기를 교대로 축열체(7)에 통과시키는 직접 열교환에 의해 연소용 공기를 예열하고 이 연소용 공기의 흐름의 주위에서 연료를 분출하는 저 NOx버너에 있어서, 예열된 상기 연소용 공기를 분사하는 에어스로트(24)의 출구에 이 스로트 보다도 직경이 큰 버너타일 확경부(23)를 갖는 버너타일을 배치함과 동시에 로온도가 낮을 때에 버너타일 확경부(23)보다 상류측의 상기 에어스로트(24)내에서 연료를 연소용 공기의 흐름과 거의 직교시켜서 분사시키는 제1연료노즐과 로온도가 소정온도에 달한 후에 버너타일 확경부(23)에서 연료를 분사하는 제2연료노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너.

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