KR100245443B1 - 방사튜브버너 - Google Patents

Abstract

가열로 등의 가열에 사용되는 방사튜브버너에 관하여 연소에 따른는 NO_X발생의 억제를 꾀함과 동시에 구조를 방사튜브버너 장치에 적합하게 한다. 또, 연료공급계나 공기공급계의 제어를 단순하게 함과 동시에 코오킹의 방지를 꾀한다. 또한, 방사튜브버너에 적합한 연소제어방식을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 때문에, 본 발명에서는 연료노틀, 예컨대 파일로트 겸용노즐 (11)과 공기 스로오트(13)의 각선단을 방사튜브(3)의 단부내에 배치함과 동시에 공기 스로오트(13)의 연소용 공기분사구(33)를 방사튜브(3)의 내주벽면에 내접 또는 접근하도록 편위시켜 설치하였다. 또, 버너를 교대연소시키는 제어장치(307)를 설치하였다.

Description

[발명의 명칭]

방사튜브버너

[기술분야]

본 발명은 공업용 가열로나 열처리로 등에 있어서의 피가열물의 가열용으로 사용되는 방사튜브버너(radiant tube burner)에 관한 것이다.

[종래의 기술]

최근에 축열연소를 방사튜브버너에 적용하는 것이 시도되고 있다.

축열연소는 축열체를 이용하여 연소배기가스로 연소용 공기를 고온으로 예열하여 이 고온연소용 공기를 사용하여 연소시키는 것이다. 그리고 그 때, 방사튜브의 양단에 버너를 각각 부착하여 이들을 교호로 연소시켜 버너를 통과한 연소배기가스를 반대쪽의 연소정지중의 버너의 에어 스로트를 통하여 배기시키는 교호연소형 버너를 구성하는 것이 생각되고 있다. 이 교호연소형 방사튜브버너에 있어서, 각각 버너의 에어 스로트는 각각 축열체에 접속되고, 연소시에는 연소용 공기가 공급되는 통로로서 사용되며, 연소정지시에는 연소배기가스의 배기통로로서 이용된다.

그리고, 각 축열체에서는 연소배기가스가 통과할때에는 그 열을 회수하고, 연소용 공기가 통과할때에는 비축되어 있던 열로 연소용 공기를 연소배기가스의 온도부근의 고온으로 예열한다.

그러나, 일반적으로 축열연소를 하는 경우, 연소용 공기의 예열온도가 고온, 예컨대 800℃ 이상이 되어 NOx가 증대한다. 이때문에, 연소용 공기의 흐름에 대하여 연료를 2단계로 나누어 분사하여 연소를 시키는 이른바 연료 2단식 연소법(미국특허 제4,856,492호 및 미국특허 제 4,870,947호)이나, 연료의 흐름에 대하여 공기를 2단계로 나누어 분사하여 연소를 시키는 이른바 공기 다단식 연소법을 채용하여 NOx의 발생을 억제하는 것이 생각되고 있다.

그런, 방사튜브버너에서는 일반적으로 구경 90~200mm 정도의 비교적 작은 직경의 내열합금제의 방사튜브내에 연료노즐을 삽입하고, 또한, 에어 스로트를 형성하기 때문에 상술한 각 연소방법의 실시가 곤란하다. 즉, 연료 2단식 연소법에서는 1차 연소의 후류쪽(後流側)에서 2차 연료를 분사 시키는 2차 연료노즐을 설치하는 것이 필요하나, 방사튜브내의 좁은 공간내에서 1차 연소실의 바깥쪽 또는 안쪽에 2차 연료노즐을 설치하는 것은 매우 곤란하다.

또, 공기 다단식 연소법에서는 1차 연소존의 하류쪽에까지 2차 공기를 공급하는 유로를 확보하기 위하여 2중원통구조를 취하는 것이 필요불가결이지만, 한정된 공간밖에 없는 방사튜브내에서는 그 배치는 극히 곤란하다. 이 때문에, 상술한 각 연소방법의 NOx 저감(低減)원리를 충분히 살리기가 어렵다.

또, 연료 2단식 연소법이나 공기 다단식 연소법을 실시하기 위해서는 1차와 2차의 연료공급계 또는 공기공급계를 필요로하며, 그들의 제어가 복잡한 것으로 됨과 동시에, 버너구조도 복잡하게 되는 문제점이 있다.

또한, 교호연소를 실시하는 버너 시스템에서는 그 구조상 연소시키고 있지 않는 쪽의 버너의 연료노즐내에 연료가 남아버린다. 이 때문에 연료노즐의 단열구조가 충분하지 않으면, 에어 스로트를 통하여 배기하는 고온의 연소배기가스 때문에 잔류연료가 가열되어 탄화하는 이른바 코오킹을 일으키는 문제점도 포함하고 있다.

그리고, NOx 생성을 억제하기 위한 여러가지 발명이 이루어지고 있는 중이며, 예컨대, 일본국 특개 소 62-242711호 공보에서는, 버너내에 물을 첨가함으로써 NOx 생성의 저감이 가능한 것을 개시하고 있다. 또, 일본국 특개 소 63-116011호 공보에서는 1차 공기의 선회흐름으로 고부하 연소시킴으로써 양호하고 안정된 연소를 시키고 방사튜브내에서 부드러운 2단연소를 시킴으로써 NOx 생성의 저감이 가능한 것을 개시하고 있다. 또, 일본국 특개 평 3-11202호 공보에서는 벤추리 기구를 설치하여 배기가스의 유랑을 제어하면서 재순환시킴으로써 NOx 생성의 저감이 가능한 것을 개시하고 있다.

그런, 방사튜브버너에서는 비교적 소경의 방사튜브내에 버너건을 삽입하기 때문에, 상술한 각 연소방법의 실시가 곤란하다. 즉 연료 2단식에서는 1차연료를 연소시킨 후에 이 하류쪽에서 2차연료를 연소시키기 때문에, 1차연소실의 바깥쪽(또는 안쪽)에 2차연료 분사구로 뻗는 연료공급로를 설치할 필요가 있다.

또, 공기 다단식 연소법에서는 1차 연소영역의 하류쪽에까지 2차공기를 유도할 필요가 있고 2중구조의 공기통로를 설치하여야 한다. 이때문에, 상술한 각 연소방법을 실시하기 위해서는 버너자체가 대형화함과 동시에 그 구조가 복잡하게 되어 이들 연소방법을 방사튜브버너에 적용하기가 곤란하였다.

또, 연료 2단식 연소법이나 공기 다단식 연소법을 실시하기 위해서는 파일럿 버너에 통하는 연료공급계나 공기 공급계등의 제어 뿐만 아니라, 1차, 2차연료계와 공기계 또는 1차, 2차공기계와 연료계의 제어가 필요하게 되며, 따라서 이들의 제어가 복잡하게 된다는 문제점도 있었다.

또한, 교환연소를 실시하는 버너에서는 그 구조상 비작동측 버너의 연료통로내에 연료가 남아버리지만, 비작동측의 버너를 통하여 고온의 배기가스를 배기할 때 연료통로내의 잔류연료가 가열되어 탄화하여 이른바 코오킹이 발생하는 문제점이 있었다.

그리고, 상기 특개 소 62-242711호 공보의 방법은, 직접적으로 연소가스를 냉각시키기 때문에 화염온도는 저감할 수 있다. 그러나, 첨가한 물의 증발 잠열 및 배기가스로서 방출될때에 나오는 수증기 현열분의 열량을 물을 첨가하지 않는 경우에 비하여 여분으로 공급할 필요가 있어서 열효율이 저하하게 된다.

또 상기 특개 소 63-116011호 공보의 방법에서는, 일단 저 공기비 연소를 시킨후(1차 연소 후)에 공기를 공급하여 재연소(2차 연소)를 시키기 때문에 화염온도를 통상의 연소보다 저하시키는 것이 가능한, 유량제어를 정밀하게 하지 않으면 효과가 없고, 실시에 있어서는 최적점을 유지하기 위한 보수비, 관리비가 많이드는 결점이 있다. 또, 배기가스를 순환시키는 상기 특개 평 3-11202호 공보에 기재된 원통형상의 방사튜브내에 동심적으로 배기가스를 혼합한 공기로 연료가스를 연소시키는 방법에서는 화염온도저하, 연소장에 있어서의 산소농도 저하에 의하여 저 NOx 연소가 가능하나, 버너를 포함한 기구가 복잡하고, 또한 부속품이 있기 때문에 설비비, 보수비가 많이 드는 등의 결점이 있다.

또, 종래의 레큐퍼레이터 방식에 의한 예열공기 온도의 상한은 500℃ 정도였으나, 상기 교환연소에 의하여 900℃ 이상의 예열공기 온도를 얻을 수 있게한 기술에 속하는 일본국 특공 평 2-23950호 공보의 것은 종래보다도 더욱 예열공기 온도가 상승함으로써 화염온도가 상승하여 NOx 생성량이 증대하는 등의 문제가 있다.

그런데, 본원 발명자들은 NOx 생성량이 연소용공기 유속에 반비례하는 것을 알아냈다(제1도 참조). 이 결과를 종래의 방사튜브버너에 적용하려고 하여도 종래의 방사튜브버너에 적용되는 레큐퍼레이터(recuperator) 방식으로 얻어지는 예열공기 온도는 500℃ 정도이고, 방사튜브버너용 연료로서 사용되는 COG(코오크스로가스 : 착화온도 500~600℃ 정도), LNG(착화온도 : 550~650℃ 정도)에는 충분한 착화에너지를 가진 예열공기는 아니다. 따라서, 연소반응으로 발생하는 열에너지량보다 주위에 방산되는 열에너지량이 커져서 안정하게 연소가능한 온도장의 형성이 불가능하게되어 안정연소는 되지 않고, 화염의 부상(리프팅), 불이 꺼지는 상태가 발생하여 고(高)유속의 연소용 공기를 사용하는 버너를 실용화할 수 없었다.

상기 레큐퍼레이터 방식으로 얻어지는 500℃ 정도의 예열공기온도로, 연소용 공기 유속이 연료의 연소속도의 50~60배정도로 한 저 NOx 연소방법인 종래형의 버너를 노내온도 900℃에서, 930℃정도의 고온예열공기가 얻어지는 노에 적용 되고, 연료가스로서 코오크스가 가스를 공기비 1.3정도로 연료가스와 공기를 한번의 혼합으로 연소시킬 때 및, 1단계로 불완전연소시키고 2단계로 1단계의 배기가스를 완전연소시키는 2단계 연소에서의 예열공기 온도와 배기가스중의 NOx와의 관계에 대해서는 제2도에 도시한 발명자들의 연소실험 결과에서 명백한 바와 같이, 2단계 연소로는 충분한 저 NOx 연소는 할 수 없는 것을 알 수 있다.

또, 증기, 물뿜어 넣기로는 종래보다 고온의 예열공기를 사용하기 때문에 뿜어 넣는양을 종래에 비하여 증가시키지 않으면 안되어 열효율저하에 의한 런닝 코스트 증가 및 설비비의 상승의 문제가 있고, 배기가스 순환방식을 사용한 경우에도 고온예열공기에 의하여 저 NOx 연소를 달성하려면, 제3도에 도시한 바와 같이, 배기가스 순환량의 증가에 의하여 순환팬 전력비의 증가, 설비의 복잡화에 의한 설비비, 보수비의 상승의 문제가 있으며, 경제적으로 유효한 배기가스중 NOx 농도의 저감은 고온예열공기에 의한 화염온도의 상승에 의하여 곤란하였다.

또, 방사튜브버너의 연소에 있어서 연소온도가 높은 근본적인 이유는 공기비가 0.95~1.00정도의 연소온도가 가장 높은 영역이 국소적으로 존재하는 것이다.

발명자들은 많은 연소실험과 연소의 수치 시뮬레이션에 의하여 연료와 공기를 미리 혼합한 가스를 연소시키는 미리 혼합한 연소에 있어서, 공기비 1.4와 공기비 4.0으로 연소시키는 경우와, 연료와 공기를 개별적으로 공급하여 연소시키는 확산연소에 있어서, 공기비 1.4와 공기비 4.0으로 연소시키는 경우로 비교검토하였다.

그 결과, 제4도에 도시한 바와 같이, 연소영역에서의 최고 연소온도는 미리 혼합한 연소의 경우에는 대폭적으로 변화하고 있는데 대하여 확산연소의 경우에는 최고연소 온도의 차는 작다. 즉, 확산연료에서는 공기비를 크게하여도 연료와 공기의 혼합부에는 국소적으로 공기비가 1근방의 영역이 존재하여 그 영역에서 연소한 가스는 고온이 되는 것을 표시하고 있으며, 미리 혼합한 연소에서는 어디에도 공기비가 1근방의 영역이 존재하지 않기 때문에 최고 연소 온도는 공기비에 의존하는 것을 명백히 하였다.

그러나, 공업적으로 미리 혼합한 연소는 폭발의 위험성이 있으므로, 표준적으로는 사용되어 있지 않고, 확산연소에 있어서 NOx 저감을 달성시키지 않으면 안된다.

본 발명은 연소에 따라서 NOx 발생의 억제를 꾀할 수 있음과 동시에 구조가 간단하여, 연료 공급계나 공기 공급계의 제어를 단순화할 수 있고, 연료의 코오킹의 방지를 꾀할 수 있는 방사튜브버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 최근에 이 방사튜브버너에 축열식 열교환에 의한 배출열회수를 하여 고열 효율을 달성하는 ① 일본국 실공 평 2-23950호 공보로 대표되는 축열식 방사튜브방식의 버너가 개시되어 있다.

이러한 축열식 방사튜브방식의 버너에 대하여 제5도를 참조하여 설명한다.

방사튜브버너(320)는 방사튜브(311)의 단부에 축열체(312)가 설치되고, 노즐(313) 이 축열체(312)를 관통하도록 설치되며, 연료의 공급과 배기가스의 배출이 전환제어밸브(314)를 통하여 이루어지고 있다. 연소배기가스가 축열체(312)를 통과할때에 연소배기가스의 축열체(312)에 비축하고 연소용공기가 축열체(312)를 통과할 때 축열체(312)에 비축된 열을 연소용공기에 전열시켜 고온의 예열공기로서 노내에 공급하여 고열효율을 달성하고 있다. 방사튜브(311)의 단부에 설치된 축열식버너를 연소상태와 비연소상태를 반복하여 교대로 연소시킴으로써 열효율을 높이고 있다.

또, 양단에 설치한 버너(313)를 교대로 연소시키고 있다. 따라서 종래의 한쪽단부에서 1개의 버너를 연소시키는 방사튜브버너에서는 방사튜브의 길이 방향으로 온도분포가 생기고 있었으나, 양단에 설치한 버너를 교대로 연소시킴으로 방사튜브의 길이방향의 온도분포가 개선되므로 방사튜브의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

또, ② 일본국 실개 평 6-65705호 공보에는 트라이덴트(세갈래)형의 축열식 방사튜브버너가 제안되어 있다. 제6도를 참조하여 설명하면, 방사튜브(311)는 연소튜브(315)와 복귀튜브(316)로 구성되고, 연소튜브(315)의 단부에 버너(313)가 설치되며, 복귀튜브(316)의 단부에 축열체(312)가 각각 설치되어 있다. 이 축열식 방사튜브버너(322)에서는 연소공기가 직접버너(313)에 공급됨과 동시에 축열체(312)를 통하여 연소공기를 예열하여 버너(313)에 공급되고, 연소배기가스는 그 현재열울 축열체(312)에 축적하여 노외로 배출되고 있다. 축열체(312)에는 연소배기가스와 연소공기가 교차하도록 배기가스는 배기로와 연소공기 공급로가 직교하도록 형성되어 있다.

그러나, 종래예 ① 의 축열방사튜브버너에서는 축열체를 연소용공기, 연소배기가스가 통과할 때의 압력손실이 레큐퍼레이터(금속열교환방법)에 비하여 증대한다. 따라서, 연소용공기 송풍기 및 연소배기가스 흡인팬의 압력절약능력을 크게 하지 않으면 안되어 설비의 대형화를 수반하는 결점이 있다. 또, 열효율적으로는 에너지 절약이되나, 연소설비에서 사용하는 송풍설비에 요하는 동력경비가 상승하는 결점이 있다.

또, 종래예 ② 의 트라이덴트형의 축열식 방사튜브버너에서는 연소상태에 있는 튜브가 항상 동일하기 때문에 축열식 방사튜브버너의 열효율의 향상에 기여하지만 교대전환연소(교대로 연소)에 의한 방사튜브의 길이방향의 온도분포의 균일화는 충분히 달성할 수 없다. 따라서, 온도분포의 불균형 때문에 방사튜브에 이상한 열응력이 작용하여 방사튜브의 반복변형에 의하여 파손되기 쉬워져서, 수명의 연장효과를 충분히 발휘할 수 없는 결점이 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 축열식 방사튜브의 압력손실을 저감시킴으로써 연소용공기 송풍기 및 연소배기가스 흡인팬의 동력비용의 삭감이 가능함과 동시에 방사튜브의 길이방향의 길이방향의 온도분포를 보다 균일하게 할 수 있는 방사튜브버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

동시에 본 발명은 연료가스를 완전 연소시켜 열효율을 개선할 수 있는 방사튜브버너를 제공하는 것도 목적으로 한다.

[발명의 개시]

본 발명의 방사튜브버너는 연소배기가스와 연소용공기를 교대로 축열체에 통과시킴으로써 얻어지는 고온의 연소용공기를 사용하여 연소시키는 방사튜브버너에 있어서, 연료를 분사하는 연료노즐과 연소용공기를 분사하는 에어 스로트를 방사튜브의 단부내에 평행으로 배치함과 동시에 에어 스로트의 선단개구를 방사튜브의 내주벽면에 내접 또는 근접하도록 편위시켜 배치하도록 하고 있다.

여기서, 본 발명의 방사튜브버너는 연료노즐로서 파일럿버너 겸용노즐을 채용하는 것이 좋고, 또 에어스로트의 분사구를 방사튜브에 내주벽면에 내접시키는 것이 좋으며, 또한 연료노즐을 방사튜브의 중앙 또는 방사튜브의 내주벽면에 내접하지 않는 범위에서 공기분사구와는 반대방향으로 편심시키는 것이 좋다.

또, 본 발명의 방사튜브버너 방사튜브에 내장되는 에어 스로트용 튜브의 선단에 방사튜브를 막는 노즐지지체를 일체로 설치하고, 그 노즐지지체에 연료노즐의 선단을 삽입하여 지지하는 연료노즐용 관통구멍을 설치하는 한편, 그리고 노즐 지지체의 둘레가 가장자리에 방사튜브의 내주벽면과 내접하는 관통구멍을 설치하여 그 관통구멍을 에어 스로트의 분사구로 하는 것이 좋다.

또, 본 발명의 방사튜브버너는 방사튜브를 막고 연료노즐의 선단을 삽입하여 지지하는 연소노즐용 관통구멍과 방사튜브의 내주벽면과 내접하는 홈을 둘레 가장자리에 가지는 노즐지지체를 방사튜브내에 설치하고, 방사튜브와 연료노즐 사이에서 형성되는 에어 스로트가 노즐지지체의 둘레 가장자리의 홈과 방사튜브의 내주벽면으로 형성되는 구멍을 에어 스로트의 선단개구로 하는 것이 좋다.

또, 본 발명의 방사튜브버너에 사용되는 축열체는 통로단면적이 일정하고 또한 직선적으로 유로가 관통되어 있는 하니 캠형상의 세라믹스인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 이렇게 구성하는 버너를 방사튜브의 양단에 설치하고 연소시키지 않는 쪽의 버너의 에어 스로트를 통하여 연소배기가스를 배출하도록 하여 교대 연소형 방사튜브버너를 구성하고 있다. 그리고, 이 교대 연소형 방사튜브버너는 연료노즐로서 파일럿 버너 겸용노즐을 사용하는 것이 바람직하다.

이 파일럿 버너 겸용노즐은 연료노즐의 주위에 1차공기를 흐르게 하는 1차 공기유료를 설치하여, 그 1차 공기유로에 파일럿 연소에 적합한 양의 1차공기를 버너의 작동상태와는 관계없이 항상 흐르게 하는 한편, 파일럿 화염을 유지하기에 충분한 양의 연료와 파일럿 연료로서 항상 흐르게함과 동시에, 연소시와 연소정지시에 분사연료가 전환되어 주연소와 파일럿 연소가 계속되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 청구항 1의 발명에 기재된 방사튜브버너에서는 방사튜브의 관벽을 따라 연소용 공기가 분사되고, 그 흐름은 방사튜브의 전횡단면에 분포되지 않고 편재된 것이 된다. 이 때문에 연소용 공기가 분사된 부분의 반대쪽에서는 부압이 생겨 강력한 배기가스 재순환이 일어남과 동시에, 이 배기가스 및 연소용 공기와 평행으로 분사되는 배기가스가 연소용 공기의 흐름에 유인되고 수반되어 서서히 연소용 공기의 흐름에 말려들어 가면서 완만히 연소를 일으킨다.

즉, 고온 예컨대 약 800℃이상으로 예열된 연소용공기는 상온시에 비하여 부피가 팽창되어 있으므로, 상온의 연료에 비하여 상당한 고속도로 분출된다.

예컨대 20~30m/s의 유속으로 분출되는 연료에 비하여 고온예열공기는 100m/s 이상의 매우 빠른 유속으로 분출된다. 이 때문에, 연료는 튜브내로 퍼지지않고 고속의 연소용 공기의 흐름에 유인되어 튜브내벽을 따라 흐르며, 그 동안에 서서히 연소용 공기흐름에 말려들어간다. 또, 분사구 부근에까지 방사튜브내를 역류해오는 연소배기가스의 일부는 연소용 공기의 흐름에 직접유인되어 말려들어가서 공기의 분류와의 사이로 말려들어가서, 이들이 즉시 접촉하는 것을 방지한다.

따라서, 완만연소하면서 길다란 화염을 형성할 수 있으므로, 균일한 히이트플랙스로 튜브를 가열시킬 수 있어서, 방사튜브의 수명을 연장시킬 수 있다.

또, 본 발명에서는 연소용 공기의 흐름과 연료의 흐름과의 사이에 배기가스가 말려 들어가서 연소용 공기와 연료가 분사직후에 즉시 콘택트하는 것을 방지함과 동시에 연료가 확산하는 부분의 연소용 공기의 산소농도를 저하시키므로 더욱 NOx 의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 상술한 버너를 방사튜브의 양단에 설치하여 교대로 연소시키도록 한 본 발명에서는 열효율의 향상을 꾀할 수 있어서, 방사튜브를 통과한 통과한 연소 배기가스가 연소정지중의 버너 에어 스로트를 거쳐 배기되어 축열체로 유도된다.

또, 상기 방사튜브버너에서는 연소용 공기분사구로 부터 분사된 공기의 편심된 흐름 또는 /및 연료분사구로부터 분사된 연료의 편심된 흐름에 기인하는 소용돌이 흐름을 발생시켜 방사튜브내의 배기가스의 자기순환을 하게 한다. 그 결과, 배기가스가 환류하여 연소용공기를 둘러싸거나 또는/및 연소용 공기와 혼합되어 이를 희석하므로, 방사튜브내의 연소를 서서히 진행시켜 연소반응 시간을 지연시켜 국부적인 고온부분을 감소시키며, 또한 고온부분의 존재시간을 짧게하여 NOx의 생성을 저감시킬 수 있다. 연소용 공기분사구와 연료분사구의 편심에 의하 간격에 비례하여 배기가스중의 NOx농도를 저감하는 비율을 증가한다. 또 방사튜브버너에에 버너건과 연소용 공기통로를 배치하면 되므로, 버너를 좁게 형성할 수 있어서, 적합한 방사튜브버너를 형성할 수 있다.

청구항 2의 발명에 기재된 방사튜브버너에서는 연소분류의 근원에 끊임없이 파일럿 화염이 형성되므로, 연소용 공기와 연료가 평행으로 분사되어도 안정적으로 화염이 형성되어 연소배기가스의 말려들어가는 양을 늘게 하여 보다더 NOx 화를 꾀할 수 있다.

또 상기 방사튜브버너에서는 연소시키지 않는 쪽의 방사튜브버너의 연료노즐은 파일럿 화염을 형성하고 있으므로, 연료노즐 그 자체는 1차공기 및 연료로 냉각되어 고온의 연소배기가스에 의하여 가열되는 것을 방지할 수 있어서, 코오킹의 발생을 저지할 수 있다. 더욱이 정지중의 버너를 작동시키려면, 연소용 공기의 흐름을 바꾸어 버너 스로트에 흐르게 하는 한편, 연료노즐에 흐르는 연료의 양을 증가 시키는 것만으로 가능하다.

또한, 본 발명의 방사튜브버너는 방사튜브의 내경방향으로 연소용 공기분사구와 연료분사구로부터 서로 떨어지도록 연소용 공기분사구 또는/및 연료분사구가 편심하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 연소용 공기분사구의 횡단방향 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 연소반응에 의하여 생기는 화염의 최고온도점이 방사튜브가 지지되어 있는 노벽두께를 넘은 위치의 노내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 연소용 공기분사구로부터 분출하는 공기온도가 연료의 착화온도보다 100℃ 이상 높은 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 연소용 공기를 연료의 연소속도의 110배 이상의 고속으로 분출하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 연소용 공기분사구 또는 연료분사구의 토출구를 편심시켜, 그리고 일산화탄소 및 탄화수소 화합부로된 혼합가스를 연소시키는 연소용 공기의 유속을 100m/sec 이상으로 한 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 3 또는 4에 기재된 발명에서는 연료노즐의 선단을 방사튜브내의 노즐 지지체에 삽입하면, 이 연료노즐의 방사튜브내에 있어서의 위치가 결정됨과 동시에 연료노즐로 부터 완전히 격리된 에어스로트가 형성된다. 그리고, 노즐지지체의 둘레 가장자리의 관통구멍 내지 홈과 방사튜브가 에어스로트의 선단개구를 구획하여 형성되므로, 방사튜브내에 노즐지지체를 고정시키는 것만으로 이 방사튜브에 내접한 에어 스로트의 선단개구가 형성된다. 더욱이 연료노즐 지지체는 배플로서 기능한다. 이러한 이유때문에 방사튜브버너의 제조가 용이해진다.

청구항 5에 기재된 발명에서는 축열체로서 하니캠 형상의 세라믹스를 사용하기 때문에 연소용공기 또는 배기가스의 흐름의 걸림을 없앨 수 있고, 또한 배기와 급기가 상반되는 방향의 흐름이 교대로 일어남으로써 유로의 자기세정작용(역세정)이 생겨서 축열체내에 배기가스중의 먼지가 부착하는 것을 방지할 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명에서는 연소용 공기분사구가 원형이기 때문에 연소용 공기분류의 외주길이가 다른 형에 비하여 최소가 되며, 따라서, 연소반응면의 형성이 작아져서 연소반응거리가 멀리까지 광범위하게 발생하므로 연소반응을 조용히 할 수 있게 하여 화염내에서의 국부고온역을 광범위로 그리고 저온화시킬 수 있어서 NOx의 생성을 저감시킬 수 있다.

청구항 7에 기재된 발명에서는 연소반응에 의하여 생기는 화염의 최고온도점을 노벽 두께를 넘는 노내의 위치에 발생시키도록 하였으므로, 연소반응에 의하여 발생한 열에너지가 노내에 방출되어 화염온도의 과도한 상승을 방지할 수 있어서, NOx의 생성이 저감됨과 동시에, 방사튜브버너 전체의 수명연장을 꾀할 수 있다.

청구항 8에 기재된 발명에서는 연료가 혼합됨으로 인한 온도저하가 있더라도 혼합후의 온도를 연료의 착화 온도이상으로 확보할 수 있으므로, 화염의 떠오름, 불똥튀기에 의한 실화의 발생을 방지할 수 있다. 즉 예열된 연소용 공기의 온도는 연소직전에 연료가스와의 혼합 및 주변부에의 열 방산에 의하여 온도가 저하되나 착화온도 보다 100℃이상의 고온 예열공기를 사용함으로서 연소속도의 110배 이상의 고속공기에서의 안전연소가 가능하다. 방사튜브버너용 연료로서 사용되는 COG 의 착화온도는 500~600℃정도이고, LNG의 착화온도는 550~650℃정도인데, 이들 온도보다 100℃이상의 고온 예열공기를 사용함으로서 연소의 3요소(가연물, 산소, 착화원)중의 산소와 착화원의 2요소를 고온의 예열공기가 구비되게 되어 화염의 떠오름, 불똥튀기에 의한 실화의 발생을 방지할 수 있어서, 버너에서의 공기와 연료가스의 혼합을 강제적으로 행할 필요도 없어진다.

따라서, 방사튜브내의 광범위하게 연소반응을 조용히 행하는 것이 가능하게 되어 화염내에서의 국부고온역을 광범위로, 또 비교적 저온으로 하여 NOx생성의 저감을 실현할 수 있다.

청구항 9에 기재된 발명에서는 연소용 공기 유속을 사용연료의 연소속도의 110배 이상으로 하고, 연소가스가 자기순환하는 배기가스로 희석되는 비율을 증가시킨다. 그결과, 국부적으로 발생하고 있던 공기비가 1.0 부근의 고온 부분을 대폭적으로 감소시킬 수 있다. 또, 그 부분의 연소반응이 고속으로 진행하지 않도록 가스유속을 확보하여 고온부분의 존재시간을 짧게하여 화염온도를 저하시킬 수 있다. 예열공기 온도가 상승함에 따라 배기가스중의 NOx농도가 증대하나(제2도 참조)이 증대하는 배기가스중의 NOx농도는 연소용공기 유속을 상승시킴으로써 저감시킬 수 있다(제1도 참조). 이것은 방사튜브내에서의 연소시간을 완전히 연소반응이 완료하는 시간보다 짧게하여 방사튜브내의 연소를 비평형 상태로 함으로서 NOx저감을 달성하는 것으로, 방사튜브의 길이와 배기가스 유속으로 부터 구해지는 NOx의 생성을 단시간화하도록 반응을 비평형 상태로 유지하여 배기가스중의 NOx를 저감시키는 것이다. 환언하면, 연소반응이 평형상태로 진행하지 않도록 가스유속을 확보하여 고온부분의 체류시간을 짧게하는 것이다.

그런데, 연소속도의 110배 이상의 고속의 공기유속에서는 연소반응으로 발생하는 열에너지량 보다 주위로 방사되는 열에너지량이 많아져서 화염의 부상(리프팅), 불꺼짐 상태가 발생하나, 착화온도 보다 100℃이상의 고온예열 공기를 사용함으로써 이를 방지하여 안정된 연소상태를 얻을 수 있다.

또, 연료가스 유속을 상승시켜도 배기가스중의 NOx 농도 저감효과를 볼 수 있으나, 연소용 공기유속 상승에 비하여 NOx 저감효과가 작다. 이것은 연료가스와 공기는 밀도에 차이가 있어, (밀도)x(밀도)²으로 표시되는 분출가스의 운동량의 대소에 의한 것으로 추정할 수 있다.

그리고, 연로가스로서의 COG 및 LNG(도시가스 13A)의 연소속도는 다음 식으로 산출된다.

연료가스의 연소속도를 SM(cm/s)라고 하면,

여기서, [Sb]_i: 단체가스의 최대연소속도

Mi : 단체가스의 최적연소 반응공기계수

Ai : 단체가스의 이론공기량

Xi : 단체가연성 가스의 Vol %

fi : 단체가열성 가스의 불활성 가스에 의한 연소속도 감쇠계수

[N₂] : 혼합연료 가스중 N₂의 Vol %

[O₂] : 혼합연료 가스중 O₂의 Vol %

[CO₂] : 혼합연료 가스중 CO₂의 Vol %이다.

상기(1)식에 표시한 SM의 계산에 필요한 각 가연성 단체가스의 상수는 표 1과 같다.

이상과 같이 배기가스중 NOx 농도와 연소용 공기 유속의 관계는 연료종류에 따라 변화하나, 사용하는 연료의 연소속도와 연소용 공기유속의 바와 배기가스중 NOx 농도로 정리하면 대략 상관관계를 알 수 있어서, 여러가지 연료에 대응한 저 NOx 연소버너의 설계를 할 수 있다.

[표 1]

[표 2]

청구항 10에 기재된 발명에서는 연소용 공기분사구 또는 1 및 연료분사구의 토출구를 편심시켜, 그리고 연소용 공기를 100m/sec 이상의 유속으로 하여 방사튜브 내에서 대량의 배기가스를 자기순환시킨다. 이 자기순환하는 배기가스로 연소가스를 희석하여 화염온도를 저하시킨다. 이러한 조건으로 수소 일산화탄소 및 탄화수소 화합물로된 혼합가스를 연소시킴으로써 NOx발생량은 감소하여 바라는 값으로 저감시킬 수 있다(제7도 참조).

또, 국부적으로 발생하고 있던 공기비가 1.0부근의 부분을 대폭적으로 감소시킴과 동시에 그 부분의 연소반응이 고속으로 진행하지 않도록 연소용 공기의 유속을 확보하여 고온부분의 존재시간을 짧게 한다.

[표 3]

청구항 11의 발명에 기재된 방사튜브버너는 방사튜브의 양단의 각각에 축열식의 버너를 설치한 방사버너에 있어서, 각각이 버너의 반경방향 중심부에 연료통로를 그 바깥쪽에는 연료통로 직경보다 큰 내경을 가진 연소용 공기통로를 구비하고, 이 연소용 공기통로의 도중에 축열체와, 이 축열체에 계속하여 축열체로 예열된 연소용 공기를 선회시키면서 분출시키는 선회수단을 설치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이다.

상기 발명은 상기 연료통로와 상기 선회수단과의 사이에 연소배기가스의 순환류를 유입시키는 순환류 유입부를 설치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이다. 이들 발명에 있어서, 연소용 공기는 방사튜브의 한끝에 있는 축열제를 지나 예열된 후, 선회수단에 의하여 선회력을 주면서, 연소용 공기통로로부터 방사튜브내에 분출되고, 원심력에 의하여 방사튜브의 내벽을 따라 전진한다.

한편, 연료가스(기체 연료의 경우로 설명한다)는 연소용 버너 중심부의 연료통로를 지나서, 방사튜브의 축심방향으로 직선적으로 고유속으로 분사된다.

연소용 공기의 선회류의 내경은 연소가스의 흐름의 외경보다 큰 직경이 되므로 양자사이에는 방사튜브의 길이 방향에 대하여 상대적으로 부압부분이 발생하여 분사방향과는 반대방향으로 향하는 연소배기 가스의 순화류가 형성된다.

분사된 연료가스의 흐름중에서도 바깥쪽에 있고 연료가스가 이 연소배기 가스의 순환류를 타고 되돌려지는 상태로 연소용 공기의 선회류에 말려들어가서, 연소용 공기와 혼합되어 연소한다.

상기 연소배기가스의 순환류는 순환하면서 앞쪽으로 진행하고 있으므로, 연료가스의 흐름 중에서 최초로 말려들어간 연료가스 보다도 안쪽에 있는 연료가스는, 최초에 연소가스가 연소배기가스의 순환류를 탄위치 보다도 앞쪽의 위치에서 이 순환류를 타고, 이어서 연소용 공기에 말려들어가서 연소용 공기와 혼합되어 연소한다.

이와 같이, 연료가스가 단번에 연소하는 것이 아니고, 연료가스의 흐름중에서 연소용 공기의 선회류에 가장 가까운 것부터 차례로 연소해가므로, 연소는 완만 연소가 되어, 연소온도가 높아지지 않으므로, 질소산화물(NOx)의 생성이 억제된다.

또한, 연소배기 가스의 순환류를 유입시키는 순환류 유입부를 설치하면, 연료가 이 연소배기가스의 순환류를 타고 순환류 유입부에 유입하며, 연소용 공기와 열교환하여 연소용 공기의 온도를 내림과 동시에 연료가 연소용 공기의 선회류의 개시점부터 연소용 공기와 혼합되어 연소하므로, 상술한 완만 연소가 더욱 촉진되기 때문에 질소 산화물(NOx)의 생성이 보다 효과적으로 억제된다.

청구항 12에 기재된 발명은 방사튜브에 적어도 3개 이상의 버너를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 발열반응(연소)을 전환하면서 분사시켜 연소시키므로, 방사튜브의 길이방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있다.

청구항 13에 기재된 발명은 방사튜브가 간관과 상기 간관에 연설한 지관으로 이루어지며, 상기 지관이 3개 이상 설치되고, 상기 지관의 단부에 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너인데, 각 지관에 버너를 설치함으로써 방사튜브의 지관의 길이 방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있어서, 방사튜브의 수명의 연장을 꾀할 수 있다.

또, 청구항 14에 기재된 발명은, 상기 간관의 내면적이 상기 지관의 내단면적 보다도 큰 것을 특징으로 하는 방사버너이고, 간관의 내단면적을 지관의 내단면적 보다 크게 함으로써 간관에서의 연소배기가스 유속이 저하하여, 간관내에서의 연소가스의 흐름에 의하여 생기는 압력손실(유체의 마찰에 의하여 생기는 압력손실)이 감소하여 연소배기가스를 배출하는 각 지관과 간관의 연소배기가스 압력이 균일화하여, 연소배기가스의 유입, 배출량 균형의 균일화가 가능하여, 방사튜브의 압력손실을 저감시킬 수 있다.

또, 청구항 15에 기재된 발명은, 버너에 축열체를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 방사튜브의 지관의 길이 방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에 더욱 효율을 높일 수 있다.

또, 청구항 16에 기재된 발명은 버너가 어떤 주기로 연소상태와 비연소상태를 반복하여 교대로 연소하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 축열체에서의 연소배기가스의 현열회수, 연소용공기에의 회수현열의 방출이 가능하며, 축열식 교환이 가능하게 되어, 고열효율의 연소장치가 된다. 또한, 각 지관에 배치된 버너가 교대로 연소함으로써 다시 화염이 일정한 튜브에 존재하지 않도록 방사튜브의 모든 지관에서 같은 시간 배분으로 연소, 배기를 되풀이 하도록 제어되며, 각 기관 사이에서의 표면온도차가 생기지 않으므로, 방사튜브의 온도분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에, 더욱 효율을 높일 수 있다.

또, 청구항 17에 기재된 발명은, 상기 버너가 교대로 연소하여 연소버너의 수가 비연소버너의 수보다 적은 구성으로 교대로 연소하도록 제어하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 연료가 완전연소하여 방사튜브의 지관의 길이방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에, 더욱 효율을 높일 수 있다.

다시 설명을 하면, 방사튜브버너에서는 방사튜브의 양단에 축열을 배치하여 연소용 공기와 연소배기 가스를 교대로 배기한다. 이때, 축열체를 통과한 연소용 공기유량에 상응하는 연소배기 가스를 축열체에 보내 넣으므로, 단위 시간당의 축열체 통과 가스유속은 연소용 공기통과시보다 연소배기가스 통과시의 쪽이 커진다. 이것은 축열체에서의 평균가스 온도가 공기보다도 배기가스의 쪽이 높은 것에 의한 가스체의 열팽창에 의한 것과 방사튜브와 같이 완전연소시키는 경우, 단위 연료당의 연료용 공기량으로 부터 발생하는 연료배기 가스량의 쪽이 많은 것에 기인하고 있다. 즉, 연소용 공기통과시에 비하여 연소배기가스 통과시의 쪽이 축열체에서의 압력손실이 커지는 것을 의미하고 있다. 종래 방식에서는 축열체통과 손실이 큰 배기가스 통과시였으나, 본 발명의 방식에서는 연소버너의 수가 비연소버너의 수보다 적은 구성으로 교대연소를 함으로써 축열체 통과 손실이 연소용 공기통과시로 결정되어 종래방식 보다 작아져서 급배기 토탈의 축열버너 압손이 감소하여 송풍기동력이 저감될 수 있다.

또 청구항 18에 기재된 발명은 방사튜브에 설치된 버너의 수에 따라 버너의 연소와 비연소를 전환하는 개수를 총버너의 수의 2분의 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 축열체통과 손실이 저감되어 방사튜브의 지관의 길이방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에, 더욱 효율을 높일 수 있다.

또, 청구항 19의 발명은 축열식의 버너가 교대 연소할때에 연료의 공급을 정지한 후 부터 소정시간 지연시켜 연소용 공기의 공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너이고, 탄산가스등의 유해물질을 발생시지 않고 방사튜브의 지관의 길이방향의 온도분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에 더욱 효율을 높일 수 있다.

다시 설명을 하면 교대 연소를 하는 버너의 연소 종료시에는 연소와 공기를 동시에 공급을 정지하는 경우에는 공기 부족으로 불완전 연소에 의하여 일산화탄소(CO)가 발산하나 연료의 공급을 중지한 후 0.5초 이상 보내어 연소용 공기의 공급을 정지함으로써 연료전자 밸브로 부터 버너 노즐까지의 배관중에 남아 있는 연료가 잔압에 의하여 분출되나, 연소용 공기를 흐르게 함으로써 연료가 완전연소하여 CO가 발생하는 것을 방지하여 안정된 교대 연소를 계속할 수 있는 것이다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 연소용 공기속도와 연료의 연소속도의 비와 배기가스중의 NOx량과의 관계를 도시한 그래프.

제2도는 단단연소 및 2단연소에 의한 예열공기 온도와 배기가스중의 NOx농도와의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 배기가스 순환율과 배기가스중의 NOx농도와의 관계를 도시한 그래프.

제4도는 확산연소와 미리 혼합연소에 있어서의 공기비와 최고연소 온도와의 관계를 도시한 그래프.

제5도는 종래의 방사튜브버너의 예시도.

제6도는 종래의 방사튜브버너의 예시도.

제7도는 연소용공기 속도와 연료의 연속도의 비와 배기가스중의 NOx와의 관계를 도시한 그래프.

제8도는 본 발명의 방사튜브버너의 1 실시예를 도시한 개략도.

제9도는 본 발명의 방사튜브버너의 부분 단면도.

제10도는 제9도의 화살표 III 방향에서 본 방사튜브버너의 측면도.

제11도는 파일럿 버너 겸용노즐의 1예를 도시한 단면도.

제12도는 제9도의 방사튜브버너의 연소공급계의 1예을 도시한 블록도.

제13도는 제9도의 화살표 V방향에서 본 방사튜브버너의 단면도.

제14도는 제9도의 방사튜브버너의 연소상태와 공급되는 공기량과의 관계를 도시한 타임 차아트.

제15도는 제9도의 방사튜브버너의 연소원리를 도시한 개념도.

제16도는 제8도의 버너 시스템의 교호연소의 상태를 도시한 것으로서, 각 방사튜브버너의 작동 관계를 도시한 타임 차아트.

제17도는 본 발명의 방사튜브버너의 다른 실시예 도시한 단면도.

제18도는 본 발명의 방사튜브버너의 또 다른 실시예를 도시한 단면도.

제19도는 제18도의 화살표 XI 방향에서 본 방사튜브버너의 단면도.

제20도는 본 발명의 방사튜브버너의 1 실시예를 도시한 개략 구성도.

제21도는 본 발명의 방사튜브버너의 부분 단면도.

제22도는 제21도의 방사튜브버너의 연료공급 통로를 도시한 계통도.

제23도는 제21도의 화살표 V방향에서 본 방사튜브버너의 단면도.

제24도는 본 발명의 방사튜브버너의 부분 단면도.

제25a~f도는 본 발명의 방사튜브버너의 연료분사구 및 연소용 공기 분사구의 다른 실시예를 도시한 횡단면도.

제26a도 및 제26b도는 본 발명의 방사튜브버너의 연료분사구 및 연소용 공기분사구의 부분 단면도.

제27도는 제21도의 방사튜브버너의 주연소의 상태를 도시한 개념도.

제28a~c도는 본 발명의 방사튜브버너의 설명도로서 28a도는 그 구성도, 28a도의 I-I 단면도, 28c도는 28a의 II-II단면도.

제29도는 제28a도의 방사튜브버너를 사용하여 연료를 연소시킨 경우에 연소메카니즘의 설명도.

제30도는 본 발명의 방사튜브버너의 다른 예시도.

제31도는 제30도의 동작을 도시한 타이밍 차아트도.

제32도는 본 발명의 방사튜브버너의 다른 예시도.

제33도는 본 발명의 방사튜브버너의 다른 예시도.

제34도는 제33도의 동작을 도시한 타이밍 차아트도.

제35도는 제33도의 동작을 도시한 타이밍 차아트도.

제36도는 제33도의 동작을 도시한 타이밍 차아트도.

제37도는 본 발명의 방사튜브버너의 다른 실시예를 도시한 예시도.

제38도는 제37도의 동작을 도시한 타이밍 차아트도.

제39도는 본 발명의 방사튜브버너의 연소방법을 적용한 실증예의 기본구성을 도시한 설명도.

제40도는 제39도의 III-III 및 IV-IV화살표 부분도.

제41도는 방사튜브버너의 교대연소의 1예을 도시한 그래프도.

제42도는 방사튜브 내에서의 연소가스의 체류시간과 NOx 농도와의 관계를 도시한 그래프도.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

제8도에 본 발명을 적용한 교재 연소형 방사튜브버너의 1 실시예를 도시하였다. 이 교대 연소형 방사튜브버너(1)는 방사튜브(3)와 이 방사튜브(3)의 양단부에 배치되는 한쌍의 버너(5,5) 및 이들 한쌍의 버너(5,5)를 교대로 연소시키기 위하여 연소용 공기와 연료의 파일럿 연소분을 제외한 대부분을 선택적으로 공급하는 연소용 공기 공급계와 연료공급계 및 배기계로 구성되어 있다.

방사튜브(3)는 본 실시예의 경우 U형 튜브를 예시하고 있다. 이 방사튜브(3)의 양단은 제9도에 도시한 바와 같이 노벽(7)을 관통하여 노밖에 위치하고 있다. 방사튜브(3)의 양단에는 플랜지(3a)가 설치되고, 그 플랜지(3a)와 노벽(7)과의 사이에 단열재제의 스페이서(7b)를 통하여 노벽(7)에 튜브(3)가 고정되어 있다. 방사튜브(3)의 노벽(7)에의 고정은 도시하고 있지 않으나, 통상 뱅을 튜브쪽으로 노벽(7)에 뚫려진 큰 구멍에 튜브에 부착된 단열재제 뱅을 끼워 넣어 단열재의 시일부재로 기밀하게 막혀있다.

각 버터(5,5)는 축열체(17)를 내장하는 타입이고, 버너 본체(9)와 파일럿 버너 겸용의 연료노즐(버너건)(11)과 에어 스로트(연소용 공기통로)(13) 및 노즐 지지체(15)등으로 구성되어 있다. 그리고 노즐 지지체(15)는 배플로서 기능하여, 안정화염을 형성한다. 또, 방사튜브(3)의 양단에 배치되는 각 버너(5,5)는 같은 구성으로 되어 있다. 따라서 한쪽의 방사튜브버너(5)의 구성에 대하여 이하 설명한다.

버너 본체(9)는 본 실시예의 경우, L형의 대략 원통형상으로 되어 있고, 직각으로 굽혀진 위쪽부분의 플랜지(9c)를 이용하여 방사튜브(3)에 부착된다. 이 버너본체(9)의 위쪽부분에는 연료노즐 예컨대 파일럿 버너 겸용노즐(11)을 삽입하기 위한 구멍(9a)이 뚫려 있고, 노즐(11)이 관통하도록 부착되어 있다.

또, 이 버너본체(9) 내의공간은 에어 스로트(13)로 되어 있고, 이 에어 스로트(13)의 도중에는 복수의 축열체(17)가 수용되어 있다. 각 축열체(17)는 버너본체(9)의 하향으로 굽은 아래쪽 부분과 나란히 배치되어 있다. 이에 의하여 배기방향과 중력방향을 일치시켜 연소배기가스중의 먼지 등이 축열체(17)내에 체류하는 것을 방지하고 있다. 각 출열체(17,17)는 예컨대 통로 단면적이 일정하고, 또한 직선적으로 유로가 관통하고 있는 하니 캠형상의 세라믹스 예컨대 코오지라이트나 물라이트등을 사용하는 것이 좋다. 이 하니캠 형상의 세라믹스는 열 용량이 크고 내구성이 높은데 비해 비교적 압력손실이 낮다.

더구나 배기와 급기(給氣)가 교대로 지체없이 행하여진다. 이 때문에 배기가스중의 먼지등은 축열체(17,17)의 하니캠 형상의 유로내에 부착하기 어렵고, 부착하여도 역세척되기 때문에 더러워지는 일이 없다. 또한 배기가스로 부터 열을 회수할때에 배기가스가 산로점(酸露点)온도 이하로 저하하여도 세라믹스의 표면에 배기가스중의 유황성분이나 그 화학적변화 물질이 포착되어 하류의 배기계의 먼지등을 저온부착시키는 일이 없다.

그리고, 각 버너(5,5)의 버너 본체(9,9)는 먼지(10)를 통하여 회전 4방 밸브등의 4방향의 유로전환수단(41)에 각각 접속되어 있다. 버너 본체(9)의 하단에는 플랜지(9b)가 형성되어 있고 먼지(10)에 나사등으로 고정되어 있다.

연료노즐로서는 파일럿 버너 겸용노즐(11)이 채용되고 있다. 이 파일럿 버너 겸용노즐(11)은 제11도에 도시한 바와 같이, 연료노즐(19)과, 1차에어 스로트(파일럿 연소용 공기통로)(21)를 구성하는 1차공기 배관(22) 및 도시하지 않은 점화플러그 등으로 구성되어 있다. 연료노즐(19)과 1차공기 배관(22)은 동심원상으로 배치되어 있다. 따라서, 노즐의 구조는 단순하고 비교적 가늘게 형성할 수 있다. 이 파일럿 버너 겸용노즐(11)에 의하면, 연료노즐(연료통로)(19)의 둘레의 1차에어 스로트(21)에는 2차공기로서 에어 스로트(13)에 흐르는 연소용 공기의 약 10%정도의 1차 공기가 흐른다. 연료노즐(19)의 선단부분에는 주된 분사구(20)외에 둘레의 1차 에어 스로트(21)를 향하여 연료의 일부를 분사하는 분사구(18)가 개구되며, 연료의 일부를 파일럿 연료로서 1차 에어 스로트, (21)내에 분사하여 1차공기와 양호하게 미리 혼합기를 얻도록 설치되어 있다. 거기에 도시하지 않은 이그나이터가 설치되어 있고, 연료노즐(19)의 분사구(20)의 둘레에 보염원(保炎源)을 형성할 수 있도록 설치되어 있다.

여기서, 1차에어 스로트(21)에는 파일럿 연소에 적합한 양의 1차 공기가 버너의 작동상태와는 관계 없이 흐르게 된다. 또 연료노즐(19)에는 파일럿 화염을 유지하기에 충분한 양의 연료가 파일럿 연료로서 항상 흐름과 동시에 연소시와 연소정지시에 분사연료량이 전환되어 주연소와 파일럿 연소가 계속하도록 구성되어 있다.

이 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 연료노즐(19)에는 예컨대 제12도에 도시한 바와 같은 연료공급통로(23)를 통하여 도시하지 않은 연료공급원이 접속되어 있다. 이 연료공급통로(23)는 연료노즐(19)로 부터 분사되는 연료의 양을 제어하는 제어밸브(25)와 이 유량제어밸브(25)를 우회하는 바이패스통로(27)가 설치되며, 또한, 바이패스통로(27)에는 파일럿 연료로서 충분한 양의 연료를 통과시키는 유량제어밸브(29) 및 차단밸브(31)가 설치되어 있다. 따라서, 연료공급원으로 부터 공급되는 연료는 유량제어밸브(25)가 닫혀 있는 경우라도 바이패스통로(27)를 통하여 연료노즐(19)에 공급된다. 그러나 바이패스통로(27)에서는 유량제어밸브(29)가 바이패스통로(27)내의 연료의 유량을 제한하여 연료노즐(11)에 공급되는 연료를 연료노즐(11)이 파일럿 연소를 하는데 최저한 필요한 양으로 조정한다.

이 파일럿 버너 겸용노즐(11)은 버너 본체(9)의 구멍(9a)으로 부터 방사튜브(3)내에 삽입되어 있다. 따라서 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 둘레의 공기가 2차공기로서 흐르는 고온으로 예열된 연소용 공기의 에어 스로트(113)가 된다. 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단은 노벽(7)내면의 근방 위치에까지 도달하고 상세한 것은 후술하는 노즐 지지체(배플)(15)로 지지되어 있다.

또, 파일넛 버너 겸융노즐(11)의 1차 에어 스로트(21)에는 도시하지 않은 1차 공기 공급원이 접속되어 있으며, 연료노즐(19)이 파일럿 연소를 행하는데 최저한 필요한 양의 1차공기가 항상 공급되고 있다. 1차공기로서는 축열체를 통과하지 않은 차가운 공기가 사용된다. 이 1차공기와 2차공기로서 공급되는 고온의 연소용 공기를 합쳐 공기비는 결정된다.

노즐지지체(15)는 예컨대 방사튜브(3)내의 노벽(7)의 안쪽면에 대응하는 위치에 배치되어 있다. 통상, 노벽으로 둘러싸인 뱅부분은 방열할 수 있으므로 노안쪽에서 화염이 형성되도록 설치되어 있다. 이 노즐지지체(15)는 배풀(baffle)플레이트로서 기능하는 원판부(15a)와, 이 원판부(15a)의 전둘레 가장자리로 부터 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 방향으로 향하여 뻗는 공기 통로용 튜브(15b)로 구성되며, 이들은 일체적으로 성형되어 있다. 원판부(15a) 및 공기통로용튜브(15b)의 직경은 방사튜브(3)의 내경과 대략 동일치로 설정되며 공기통로용 튜브(15b)를 방상튜브(3)내에 장입함으로서 원판부(15a)로 방사튜브(3)내를 폐식하고 또한 에어 스로트(13)를 형성한다.

이 원판부(15a)에는 제13도에 도시한 바와 같이 둘레가장자리의 관통구멍(15d) 및 파일럿 버너 겸용노즐(11)쪽으로 돌출하는 원통형상의 플랜지(15e)에 의하여 형성되는 연료노즐용 관통구멍(15c)이 설치되어 있다. 관통구멍(15d)은 원판부(15a)의 둘레 가장자리 부분을 제13도에 도시한 바와 같이 반월 형상으로 절삭하도록 하여 공기통로용 튜브(15b)의 일부에 걸쳐 뚫린 구멍이다. 이 관통구멍(15d)은 방사튜브(3)와 함께 에어 스로트(13)의 연소용 공기분사구(33)를 형성한다. 즉, 고온으로 예열된 연소용 공기를 2차공기로서 흐르게 하는 주에어 스로트(13)의 연소용 공기분사구(33)는 방사튜브(3)의 내주벽면에 내접하도록 편위하여 설치되어 있다. 이에 의하여 후술하는 고온의 연소용 공기는 분사구(33)로 부터 방사튜브(3)의 내주 벽변을 따라 분출되어 흐른다. 그리고, 본 실시예에 있어서의 관통구멍(15d)은 반드시 튜브 내주벽변에 내접하지 않더라도 대략 그것에 가까운 상태에까지 접근하고 있으면, 충분한 효과를 얻을 수 있다.

또, 원판부(15a)의 연료노즐 관통구멍(15c)은 관중심 또는 튜브 내주벽면에 내접하지 않는 범위에서 연소용 공기분사구(33)와는 반대쪽에 편위하고 있다.

연료 노즐 관통구멍(15c)의 직경은 파일럿 버너 겸용노즐(1)의 선단의 외경과 대략 동일치수치로 설정되어 있다. 또 연료노즐 관통구멍(15c)의 둘레가장자리는 버너 본체(9)를 향하여 뻗어나와 플랜지(15e)를 구성하고 있다. 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단은 이 플랜지(15e)내에 삽입되어 지지된다.

따라서, 파일럿 버너 겸용노즐(11)은 제9도에 도시한 바와 같이 방사튜브(3)내 공간의 위쪽에 방사튜브(3)와 대략 평행으로 배치되고, 그 선단은 연소용 공기 분사구(33)와 떨어져서 위치하고 있다.

그리고, 각 버너(5,5)의 에어 스로트(13,13)에는 4방 밸브(41)를 통하여 연소용 공기 공급계(40)의 배기계(42)로 연결되고, 한쪽의 버너(5)를 급기계(40)에 접속하면 다른쪽의 버너(5)가 배기계(42)에 접속된다.

여기서, 1차공기 및 2차공기와 버너(5)의 작동과의 관계를 제14도에 도시하였다. 버너(5)가 작동하는 연소모드에서는 1차공기에 더하여 2차공기도 압송되어 있고, 따라서 이 버너(5)에는 연소를 하기에 적합한 양의 연소용 공기가 100%공급된다. 이 경우에는 버너(5)의 연소량은 100%에 달한다.

한편, 버너(5)가 비작동의 연소정지상태로 되는 배기모드에서는 1차공기만이 압송되고 있다. 따라서 이 버너(5)에는 파일럿 버너 겸용노즐(11)이 파일럿 연소하기에 적합한 소량의 연소용 공기가 공급되며, 연소에 거의 영향을 주지 않는 파일럿 화염을 형성할 뿐이다. 즉, 연료노즐(11)의 1차에어스로트(21)에는 버너(5)의 작동상태와는 관계 없이 항상 1차 공기가 공급되고 있다.

이상과 같이 구성된 한쪽의 버너(5)는 다음과 같이 작동한다. 먼저, 파일럿 연소를 하는 경우에는, 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(25)는 닫힌 채로 연료를 바이패스통로(27)를 통하여 연소노즐(19)에 공급한다. 연료 노즐(19)이 둘레의 1차 에어 스로트(21)에는 1차공기 공급원으로 부터 항상 1차공기가 압송되고 있으므로, 파일럿 연료와 1차공기가 파일럿 연소에 적합한 공기비의예 혼합가스가 된다. 그리고 이 혼합가스를 점화 플러그로 착화하여 파일럿 연소를 한다(제8도에 도시한 위쪽의 버너(5)의 상태).

연료노즐(11)이 파일럿 연소를 있는 상태에서 공기공급원으로 부터의 2차공기의 공급을 개지한 후, 연료 공급통로(23)의 유량제어밸브(25)를 열어 연료노즐(19)에 연료를 흐르게 한다. 즉, 연료공급통로(23)의 유량제어 밸브(25)가 열리면, 연료 공급원으로 부터 대량의 연료가 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 연료노즐(19)에 공급된다.

한편, 연소용공기 공급계(40)로부터 2차 공기로서 공급된 공기는 각 축열체(17,17)를 통과하면서 예열되어, 고온 예컨대 800℃이상으로 되어 에어 스로트(113)내에 도입된다. 이 때문에, 2차공기는 팽창하여 그 유속이 빨라져서 연소용공기 분사구(33)로 부터 힘차게 예컨대 100m/s정도의 속도로 분출하여 방사튜브(3)의 내주벽면 가까이에 편재한 고속의 공기의 흐름을 형성한다.

연소용공기 분사구(33)는 방사튜브(3)의 내주벽면과 내접 내지 접근하도록 편위하여 설치되고, 또 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단이 삽입된 관통구멍(15c)으로 부터 떨어져 배치되고 있다. 이 때문에, 제15도에 도시한 바와 같이, 2차 공기로서의 고속의 연소용 공기흐름(A2)은 연료흐름(F)으로 부터 떨어져서 방사튜브(3)의 내주벽면을 따라 형성된다. 따라서, 방사튜브(3)내의 연소용 공기흐름(A2)의 반대쪽에서 부압이 생겨 연소배기가스(G)가 소용돌이치도록 역류하여 연료와 혼합된 후에 다시 연소용 공기흐름(A2)에 말려들어 가고, 또, 이 연소배기가스(G)의 흐름이 고속의 연소용 공기흐름(A2)을 둘러싸서 연소용공기에 말려들어가면서 흐른다. 즉, 연료와 연소용 공기는 충분히 연소배기가스를 끌어 넣은 상태에서 서서히 연소하면서 방사튜브(3)내로 뻗는 이른바 완만연소를 한다(제8도)도시한 아래쪽의 버너(5)의 상태). 완만연소는 화염온도의 저하 및 산소농도의 저하에 의하여 NOx생성의 억제를 꾀한다.

그리고, 이 연소상태로 부터 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(25)를 닫음과 동시에 2차공기 공급원으로 부터 2차공기의 공급을 정지하여도 파일럿 버너 겸용노즐(11)에는 여전히 약간의 연료와 1차공기가 계속 공급되기 때문에 파일럿 화염을 유지한다.

이 버너(5)에 있어서는 파일럿 버너 겸용노즐(11) 또는 단순한 연료노즐을 장착하는 경우에는 이 노즐(11)을 버너 본체(9)의 구멍(9a)으로 부터 공기통로용 튜브(15b)내에 삽입하여 그 선단의 노즐지지체(15)의 플랜지(15e)내에 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단을 삽입함으로써 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단의 위치결정과 지지를 한다. 그리고, 다시 버너본체(9)의 방사튜브(3)에의 부착과 동시에 공기통로용튜브(15b)의 방사튜브(3)내에의 장입에 의하여 파일럿 버너겸용노즐(11)은 방사튜브(3)내 공간의 위쪽에 방사튜브(3)에 평행으로 자동적으로 배설된다.

또한, 이 버너(5)의 파일럿 버너 겸용연료노즐(11)에서는 연료노즐(19)의 둘레에 상온의 공기가 1차공기로서 항상 공급되고, 있으며 또, 연료도 약간 흐르고 있으므로, 에어 스로트(13) 내를 연소배기가스가 흘러도 그 열로 코오킹을 일으키는 일이 없다.

그리고, 다른쪽의 버너(5)도 상술한 버너(5)와 똑같이 구성되고 똑같이 작동한다. 따라서, 다른쪽의 방사튜브버너(5)에 대한 설명은 생략한다. 단연료공급원 1차공기 공급원 및 2차공기 공급원에 대해서는 한쪽의 방사튜브버너(5)의 동일한 것을 공유하는 것이 바람직하다.

여기서, 4방밸브(41)를 제1위치(도시한 위치)로 전환한 경우에는 한쪽의 버너(5)의 2차 에어 스로트(13)가 2차 공기 공급원에 접속됨과 동시에 다른쪽의 버너(5)의 2차 에어 스로트(13)가 대기쪽에 접속되며, 또 4방밸브(41)를 제2위치로 전환한 경우에는 한쪽의 버너(5)의 2차에어 스로트(13)가 대기쪽에 접속됨과 동시에 다른쪽의 버너(5)의 2차에어 스로트(13)가 2차 공기 공급원에 접속되도록 구성한다.

이렇게 작동하는 버너(5)를 방사튜브(3)의 양단에 설치하여 교대로 연소시키는 교대 연소형 방사튜브버너(1)는 다음과 같이 동작한다. 그리고, 이 동작설명에 있어서, 한쪽의 버너(5)를 설명의 편의상, A버너라고 부르고, 다른쪽의 방사튜브버너(5)를 B 버너라고 부른다.

먼저, A 버너쪽의 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(25)를 열고 B 버너쪽의 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(25)를 닫음과 동시에 A 버너쪽에 연소용공기공급계(40)를 B 버너쪽에 배기계(42)를 접속하도록 4방밸브(41)를 전환한다.

이에 의하여 A 버너쪽에는 대량의 연료와 1차공기 및 2차공기가 공급되어 연소한다. 한편, B 버너의 파일럿 버너 겸용노즐(11)에는 소량의 연료와 1차공기만이 공급되어 파일럿 연소가 된다. 즉, B 버너는 연소가 정지되어 있어도 파일럿 연소에 적합한 양의 연료 및 1차공기가 공급되어 파일럿 연소를 계속하고 있다.

A 버너의 연소로 발생한 연소배기가스는 방사튜브(3)를 가열하면서 B 버너쪽을 향하여 흐른다. 그리고, 이 연소배기가스는 B 버너쪽의 노즐지지체(15)의 연소용 공기분사구(33)로 부터 주에어 스로트(13)내로 유입하여 4방밸브(41)를 통하여 배기계(42)로 유인되어 소정의 배기처리가 된 후에 대기로 배출된다. 이때 연소배기 가스는 버너 본체(9) 내의 축열체(17,17)에서 그 열이 회수된다. 따라서, 각 축열체(17)의 온도는 상승하고 있다.

그리고, A버너가 연소를 개시한 후 소정시간(T)예컨대 20~40초 정도 경과하면 A버너쪽의 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(2%)가 닫힌다.

그리고, 4방밸브(41)가 전환되어 A 버너쪽이 배기계(42)에, B 버너쪽이 연소용공기 공급계(40)에 접속되어 B 버너를 소기한다. 그후, B 버너쪽의 연료공급통로(23)의 유량제어밸브(25)가 열려 B 버너쪽에 주연료가 공급된다.

이러한 상태를 제16도에 도시하였다. 시점(t1)에 있어서 A 버너가 주연소를 개시하고, B 버너가 파일럿 연소를 개시한다. 그리고, 시간(T)만큼 경과한 시점(t2)에서는 주연소를 하고 있던 A 버너가 파일럿 연소로 전환되고, 파일럿 연소를 하고 있던 B 버너가 주연소를 개시한다. 이후, 똑같이 하여 소정시간(T)의 경과마다 연소하는 버너와 연소정지하는 버너가 전환되어 본 방사튜브버너(1)는 교대로 연소를 한다.

그리고 상술한 실시예는 본 발명의 적절한 실시의 1예이기는 하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 이탈하지 않은 범위내에서 여러가지로 변형실시가 가능하다. 예컨대 A 버너와 B 버너의 전환을 설정시간(T) 마다 반복하는 구성으로 하여으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 각 축열제(17)를 통과한 후의 연소배기가스의 온도를 감시하여, 이 온도가 예컨대 200℃정도에 달한 시점에서 전환하는 구성으로 하영도 좋다.

또, 노즐지지체(15)는 방사튜브(3)에 내장되는 공기통로용 튜브(15b)와 일체로 성형하여 버너 부착시에 튜브(3)내에 조립해 넣도록 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예컨대 제17도에 도시한 방사튜브버너(51)의 노즐지지체(53)와 같이 1매의 원판을 펀칭하여 연료노즐 관통구멍(53c)과 둘레 가장자리의 홈(53d)을 형성한 것을 방사튜브(3)의 내주면에 용접 등으로 고정시켜도 좋다.

또한, 각 축열제(17)는 버너 본체(9)내의 아래쪽에 나란히 수용하는 구성으로 하였으나, 제17도에 도시한 바와 같이 에어 스로트(13)내에, 또는 도시하지는 않았으나 버너 본체(9)와 4방밸브(41)를 접속하는 덕트(10)내에 수용하여도 좋다. 에어 스로트(13)내에 수용할 때에는 제17도에 도시한 바와 같이 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 주위에 나란히 축열체(17)를 수용한다.

또, 방사튜브버너로서는 제18도에 도시한 형식의 것이라도 좋다. 상술하면, 이 방사튜브버너(61)에서는 방사튜브(3)의 단부내에 내화재제의 슬리이브(36)를 삽입하고 있다. 슬리이브(63)의 선단부분은 후육부(63a)로 되어 있고, 제19도에 도시한 바와 같이 이 후육부(63a)의 구멍, 즉 노즐 관통구멍(63b)은 방사튜브(3)의 중심보다도 위쪽에 약간 편위되어 있다. 이 구멍(63b)에는 파일럿 버너 겸용노즐(11)의 선단이 삽입되어 있고, 따라서 연료노즐(11)의 선단을 이 후육부(63a)에서 위치결정되어 지지된다.

또, 후육부(63a)의 외주면의 하단부분에는 에어 스로트(13)와 부분적으로 연결되어 길이방향으로 뻗는 홈(63c)이 형성되어 있다. 이 홈(63c)은 방사튜브(3)의 내주벽면과의 사이에서 에어 스로트(13)의 분사구(33)를 형성하고 있다. 즉 방사튜브버너(61)의 에어 스로트(13)의 출구는 앞의 예와 같이 방사튜브(3)의 내주벽면에 내접하도록 편위되어 있다. 또, 본실시예에서는 에어 스로트(13)의 개구, 즉 연소용공기 분사구(33)는 방사튜브(3)의 내주벽면에 내접한예에 대하여 주로 설명하였으나, 이에 특별히 한정되지 않고, 대략 내접 또는 접근한 상태라도 공기분류의 반대쪽에 배기가스 재순환을 일으키는 것은 가능하다. 가장 연소용공기 분사구(33)가 내접하고 있을때가 보다 강한 배기가스 재순환을 일으킨다.

그리고, 슬리이브(63)의 선단면은 구멍(63b)이 뚫려 있는 부분 보다도 홈(63c)이 형성되어 있는 부분이 초생달 모양으로 단부를 이루어 오목하게 되어 있다. 이 단부의 형상에 의하여 2차 공기 흐름의 분사각도나 방향을 희망하는 값으로 조정할 수 있다.

또 본 실시예에서는 고온의 연소용 공기를 버너에 연결내지 내장한 축열체를 이용한 교대연소에 의하여 얻는 경우에 대하여 주로 설명하였으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니고, 예컨대 연소용 공기 공급계와 배기계에 대하여 축열체를 상대적으로 회전시킴으로써 또는 유로전화수단을 사용하여 축열체에 대한 유체의 흐름방향을 전환시키는 것 등에 의하여 고온의 연소배기 가스의 배기열을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 예열한 것을 단일한 버너에 연속적으로 공급하여 연속 연소시키도록 하여도 좋다. 또, 본 실시예에서는 연료노즐로서 파일럿 버너 겸용노즐을 채용하고 있으나, 이에 특별히 한정되지 않고, 경우에 따라서는 연료노즐과는 별개로 연료노즐의 분사구 근방에 파일럿 버너를 설치하도록 하여도 좋다. 또한, 본 실시예에서는 가스연료를 사용하는 경우에 대하여 주로 설명하였으나 이에 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 기름등의 액체연료를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 연소용의 공기는 반드시 100m/s 정도의 고유속의 아니라도 그 보다 느린 유속이라도 본 발명은 성립하다.

제20도은 본 발명의 다른 방사튜브버너의 1 실시예을 도시한 것이다. 도면에서 (101)은 방사튜브버너이고, 대략 U자 형성으로 굽은 방사튜브(103), 및 이 방사튜브(103)의 양단부에 배설되는 1쌍의 버너(105)등으로 구성되어 있고, 내부를 연소가스가 통과하여 가열되어 그 외표면으로 부터 방사하는 복사열로 가열로 열처리로 드의 내부를 가열한다.

방사튜브(103)는 제21도에 도시한 바와 같이 그 중간부를 노벽(107)에 뚫어 설치된 부착구멍으로 지지하고, 단부를 노 밖에 위치시키도록 그 플랜지(103d)가 노벽(107)외면에 설치된 부착부(107b)에 고정되어 있다. 방사튜브(103)의 양단부와 노벽(107)과의 틈새는 도시하지 않은 시일부재로 기밀하게 막혀 있다.

방사튜브(103)의 양단부에 배설된 각 버너(105)는 버너 본체(109) 버너건(111), 연소용 공기통로(113) 및 배플(노즐지지체)(115)등으로 구성되어 있다. 그리고, 방사튜브(103)의 양단에 배설되는 각 버너(105)는 서로 똑같이 구성되어 있다. 따라서, 한쪽의 버너(105)의 구성에 대하여 설명한다.

버너(105)의 버너 본체(109)는 대략 원통형상으로 되어 있고, 상하방향으로 뻗어서 노벽(107)으로 부터 소정거리 만큼 떨어져 배치되어 있다. 그리고, 버너본체(109)의 위쪽부분은 직각으로 굽어서 노벽(107)을 향하여 뻗어 있다. 이 버너 본체(109)에는 버너건(111)을 삽입하기 위한 구멍(109a)이 뚫려 있다. 이 구멍(109a)은 굽은 부분의 노벽(107)과의 반대쪽의 위치 더 자세히 말하면 버너 본체(109)의 상단가장자리에 가까운 위치에 뚫려 있다. 또, 이 버너 본체(109)내의 공간은 연소용 공기통로(113)로 되어 있고, 이 연소용 공기통로(113)의 도중에는 복수의 축열체(117)가 수용되어 있다. 각 축열체(117)는 버너 본체(109)의 아래쪽 부분에 나란히 배치되어 있다. 각 축열체(117)는 예컨대 비교적 압력손실이 낮은데 비하여 열용량이 크고 내구성이 높은 재료(예컨대, 세라믹스)를 통형상으로 성형한 벌집모양의 것이다. 이 경우에 통과 공기는 각 축열체(117)로 부터 열을 빼았아 승온하다. 그리고 버너 본체(109)의 하단에는 플랜지(109b)가 형성되어 있고, 덕트(공기통로기구)(110)가 고정되어 있다. 이에 의하여 버너 본체(109)내의 연소용 공기통로(113)는 공기통로기구(110)에 접속된다. 또, 버너 본체(109)의 선단에는 플랜지(109c)가 형성되어 있고, 방사튜브(103)와 함께 부착부(107b)에 고정되어 있다. 이에 의하여 버너 본체(109)내의 연소용 공기통로(113)는 공기통로기구(110)에 접속된다. 또, 버너 본체(109)의 선단에는 플랜지(109c)가 형성되어 있고, 방사튜브(103)와 함께 부착부(107b)에 고정되어 있다.

버너건(111)은 연료통로(119), 파일럿 연소용 공기통로(121) 및 도시하지 않은 점화플러그 등으로 구성되어 있다. 연료통로(119)와 파일럿 연소용 공기통로(121)는 인접하여 배치되어 있다. 즉, 파일럿 연소용 공기통로(121)내에는 이와 동심원상으로 연료통로(119)가 배치되어 있다. 따라서, 버너건(111)의 구조는 단순하고, 버너건(111)을 비교적 가늘게 형성할 수 있다.

이 버너건(111)은 버너 본체(109)의 구멍(109a)으로 부터 방사튜브(103)내에 삽입되어 있다. 따라서, 버너건(111)의 둘레의 공간이 연소용 공기통로(113)가 된다. 버너건(111)의 선단은 노벽내면의 근방위치에까지 달하고 상세한 것은 후술하는 배플(115)로 지지되어 있다.

버너건(111)의 연료통로(119)에는 연료공급통로(123)를 통하여 도시하지 않은 연료공급원이 접속되어 있다. 이 연료공급통로(123)를 제22도에 도시하였다. 그리고 그 동작은, 제12도의 경우와 똑 같으므로, 생략된다.

배플(115)은 예컨대 방사튜브(103)내의 노벽(107)내면에 대략 대응하는 위치에 배치되어 있으나 노외방향으로 후퇴하여도 상관 없다. 이 배플(115)은 원판부(115a)와, 이 원판부(115a)의 전둘레 가장자리로 부터 버너건(111)의 방향을 향하여 뻗은 둘레벽(115b)으로 구성되고, 둘레벽(115b)에는 플랜지(103a)와 겹쳐지는 플랜지(135a)에 고정된 내관을 연접하여 이들은 일체적으로 성형되어 있다. 원판부(115a)의 직경은 방사튜브(103)의 내경과 대략 동일한 값으로 설정되며, 원판부(115a)는 방사튜브(103)내를 막고 있다.

이 원판부(115a)에는 제23도에 도시한 바와 같이, 노치(115) 및 소경구멍(115c)이 설치되어 있다. 원판부(115a)의 노치(115d)는 원판부(115a)의 하단부분을 반월형상으로 절삭하고 있다. 이 노치(115d)는 방사튜브(103)와 함께 연소용 공기분사구(133)를 규정한다. 즉, 연소용 공기분사구(133)는 방사튜브(103)의 횡단면에 대하여 편심되게 설치되어 있고, 연소용 공기는 방사튜브(103)내의 공간의 편심된 위치에 분출한다.

또, 원판부(115a)의 소경구멍(115c)은 버너 본체(109)의 구멍(109a)에 대향하고 있다. 소경구멍(115c)의 직경은 버너건(111)의 선단의 외경과 대략 동일 치수치로 설정되어 있다. 또, 소경구멍(115c)의 둘레가장자리는 버너 본체(109)를 향하여 뻗어나와 원통형 상부분(115e)을 구성하고, 버너건(111)의 선단이 삽입되어 되어 지지된다. 따라서, 버너건(111)은 방사튜브(103)와 대략 평행으로 배치되고, 선단은 연소용 공기분사구(113)와 떨어져 있다. 배플(115)의 둘레벽(115b)은 방사튜브버너(103)의 내주면에 고정되어 있다.

그리고, 연소용 공기통로(113)에는 전술한 바와 같이 공기통로기구(110)가 접속되어 있고, 이 공기통로기구(110)를 통하여 도시하지 않은 연소용 공기 공급원으로 부터 적절량의 연소용 공기가 압송된다.

또한, 상기 버너건(111)은 파일럿 연송용 공기통로(121)내에 연료통로(!19)를 배설함으로써, 파일럿 연소용 공기통로(121)를 연소통로(119)에 인접하여 설치하고 있다. 버너건(111)의 둘레의 공간은 연소용 공기통로(113)로 되어 있고, 버너(105)가 비작동의 대기 상태로 되어 있는 경우에는 이 연소용 공기통로(113)내를 고온의 배기가스가 흐른다. 그러나, 파일럿 연소용 공기통로(121)내에는 연소전에 저온의 연소용 공기가 항상 공급되어 있고 또 연료통로(119)내에는 파일럿 연소에 필요한 양의 연료가 흐르고 있다.

따라서, 이 버너(105)에서는 연료통로(119)내의 연료가 연소용 공기통로(113)내의 배기가스의 열로 가열되어 고온으로 되는 일이 없다.

그리고, 다른쪽의 버너(105)도 상술한 한쪽의 버너(105)와 똑같이 구성되어 똑같이 작동한다. 따라서 다른쪽의 버너(105)에 대한 설명은 생략한다. 단, 연료공급원 연소용 공기공급원에 대해서는 한쪽의 버너(105)와 동일한 것을 공유하는 것이 바람직하다.

이 경우, 연소용 공기 공급원에 통하는 공기통로기구(110)는 제20도에 도시한 4방밸브(141)를 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 4방밸브(141)를 제1위치(도시한 위치)로 전환한 경우에는 한쪽의 버너(105)의 연소용 공기통로(113)가 연소용 공기 공급원에 접속됨과 동시에, 다른쪽의 버너(105)의 연소용 공기통로(113)가 대기쪽에 접속되며, 또 4방 밸브(141)를 제2위로 전환한 경우에는 한쪽의 버너(105)의 연소용 공기통로(113)가 대기쪽에 접속됨과 동시에 다른쪽의 버너(105)의 연소용 공기통로(113)가 연소용 공기 공급원에 접속되도록 구성한다.

또, 제24도에 도시한 바와 같이, 버너(105)에는 연소용 공기통로(113)내에 따로 설치한 파일럿 버너(112)에 의하여 파일럿 연소시키도록 하여도 좋다.

이 파일럿 버너(112)에서 파일럿 연소시킴으로써 연소용 공기가 충분한 착화원과 산소원이 되는 온도, 즉 연료의 착화온도 보다 100℃정도 이상의 고온까지 승온하도록 할 수 있다. 또한, 온도측정기(114)를 설치하여도 좋고 그 결과 분출되는 공기온도를 감시할 수 있으므로, 착화시의 안전성을 확보하여 연소용 공기온도가 연료의 착화온도보다 100℃정도 고온이 되도록 파일럿 버너(112)의 연소량을 제어할 수 있다.

그 밖에, 배플 플레이트(153)에 열팽창률이 높은 재료를 사용함으로써 연소용의공기가 저온일 때에는 연소용 공기분사구(133)가 커져서, 공기 유속을 저속화하여 온도상승과 함께 연소용 공기분사구(133)가 작아짐으로서 고속화를 꾀할 수 있다.

또, 제25a도 내지 제25f도에 도시한 바와 같이 연료분사구(119a) 및 연소용 공기분사구(133)는 서로 떨어져 있도록 설치하는 것에 변함이 없으나, 쌍방의 분사구의 횡단면 형상을 원형으로 복수개 설치하는 것, 둘레 가장자리를 따라 가늘고 길게 하는 것등으로 변형하여도 좋고 저 NOx 연소, 설비비, 유지비의 저렴화를 꾀하는 것 등은 가능하나 연료가스 공급구는 공기와의 혼합을 고속으로 하기 위하여 원형보다도 슬릿형상의 토출구인 것이 바람직하며, 그리고 연소용 공기 분사구(133)에 있어서는 자기재순환 흐름을 크게 하기 위해서는 원형인 것이 바람직하다.

또, 제25a도 및 제25b도에 도시한 바와 같이 연료분사구(119a)와 연소용 공기통로(133)와는 서로 떨어지게 해두고, 다시 연료통로(119)를 연신 시킴으로써 보다 저 NOx 연소시키도록 하여도 좋다.

여기서, 연소용 공기와 버너(105)의 작동과의 관계는 이미 제14도와 제16도를 사용하여 설명한 것과 똑같으므로 설명을 생략한다. 방사튜브 버너(101)는 상기와 같이 가동시키나, 그 연소상태를 제27도에 도시한 모식도를 사용하여 설명한다. 축열체(117)로 부터 열을 빼앗아 고온이 된 연소용 공기(A2)는 연소용 공기통로(113)를 지나 편심하고 있는 가스(F)는 연소용 공기분사구(133)와는 떨어진 위치에 있어서 버너건(111)이 접속된 소경구(115c)로 부터 분출되어 방사튜브(103)내에서 연소용 공기(A2)고속분류에 의하여 형성되는 자기순환류(G)에 말려들어가면서 연소한다. 이때, 연료가스(F)는 배기가스를 주체로 하는 자기순환류(G)와 혼합되어 저칼리리화 됨으로써 연소시의 화염온도가 저하하여 저 NOx 연소가 가능하게 된다. 또한, 고속의 공기 분류상에서 연소반응이 일어나기 때문에 연소반응이 지연되어 연소반응 범위가 넓어져서 연소반응 에너지가 분산되어 더욱 화염온도가 저하하여 저 NOx화가 가능하게 된다. 또, 연소반응이 지연되어 연소반응 범위가 넓어짐에 따라 화염의 최고온도점을 노벽두께를 넘은 노내의 위치에 발생시키므로, 연소반응에 의하여 발생한 열에너지가 노내에 방출되기 때문에, 화염온도의 과동한 상승이 방지될 수 있어서, 이 점에서도 저 NOx 화가 가능해진다. 그 뿐만 아니라 고속의 공기 분류에 의하여 배기가스를 주로 하는 자기순환 흐름이 말려들어감으로써 연소반응장에서의 질량유량이 증가하여 더욱 화염온도가 저하하여 저 NOx연소화를 가능케하는 것이다. 본 발명과 종래예를 도시한 표 3에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의한 연소온도를 저하시켜, NOx의 발생량을 매우 적은 범위로 저감시킬 수 있다.

그런데 연소용 공기 유속을 고속으로 하면, 화염의 떠오름, 불똥이 튀어 실화의 발생이 예상되나 연료의 착화온도 이상의 고온예열 공기이면, 연소공기 유속(코오크로가스(이하, COG 표기한다)가 60m/s)에서도 실화가 발생하는 일은 없다. COG 에서는 150m/s의 고속에서도 연소가능하며, 연소용 공기유속의 상한을 실험상으로는 확인할 수 없었다.

그리고, 상술한 실시예는 본 발명의 적절한 실시예 1예이기는 하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에에서 여러가지 변형실시가 가능하다.

예컨대, 방사튜브버너(101)에 있어서는 각 버너(105)의 작동, 대기상태의 전환을 T시간마다 반복하는 구성으로 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 각 축열체(117)의 온도를 감시하여, 이 온도가 설정온도가 닫힌 시점에서 각 버너(105)의 작동, 대기를 전환하는 구성으로 하여도 좋다.

또한, 버너(105)에 있어서는 각 축열체(117)를 버너 본체(109)내의 아래쪽에 나란히 수용하는 구성으로 하였으나, 주연소용 공기통로(113) 내, 또는 이에 접속되는 공기통로기구(110)의 통로도중이면, 각 축열체(117)의 수용위치는 이것에 한정되는 것은 아니고, 예컨대 축열체(117)를 버너건(111)의 주위에 나란히 수용하여도 좋다.

제28a도 내지 제28c도는 본 발명의 다른예인 축열식 방사튜브버너를 도시한 것이다. 제28a도는 이 축열식 방사튜브버너의 구성도. 제28b도는 제28a도의 I-I단면도, 제28c도는 제28a도의 II-II 다면도이다.

이 축열식 방사튜브버너는 U자형으로 성형된 방사튜브(201)의 양단부에 버너(202)가 대향하여 삽입된 구조로 되어 있다. 버너(202)는 중심부에 연료를 공급하는 연료통로(203)와 그 둘레에 파일럿 연소용 공기를 공급하는 파일럿 연소용 공기통로(204)를 가진 버너건(205)과, 버너건(205)의 둘레에 설치한 그 보다 큰 내경을 가진 연소용 공기통로(206)의 연소용 공기통로(206)의 도중에 배치한 벌집형상의 세라믹제의 축열체(207)와 똑같이 연소용 공기통로(206)의 도중에 축열체(207)에 보다도 앞쪽에 배치하여 약 45도의 각도를 가진 선회수단으로서의 선회날개(208)와 연소가스를 역류시키지 않기 위한 배플(209)과 버너건(205), 선회날개(선회수단)(208) 및 배플(209)로 둘러싸인 순화류권입부(210)로 구성되어 있다.

본 실시예에 있어서, 연소용 공기통로(206)의 외경은 방사튜브(201)의 내경보다도 약간 작게하여 선회한 연소용 공기가 바깥쪽으로 퍼지는 공간을 갖게 하고 있다.

그리고, 한쪽의 버너(202)에서 연소하고 있을 때에는 다른쪽의 버너(202)로 연소배기가스를 흡인하여 축열체(207)를 통하여 연소배기가스가 보유하는 현열을 축열한다. 연소시에는 축열된 축열체(207)를 통하여 연소용 공기를 예열하고, 예열된 연소용 공기를 사용하여 연료를 연소시킨다.

따라서, 한쪽의 버너(202)에 연료가스와 연소용 공기를 공급하여 연소시키고 있을 때에는 다른쪽의 버너(202)에서는 연료가스의 공급을 정지함과 동시에 축열체(207)를 통과한 연소배기가스를 배기하게 되어 연소용 공기의 공급과 연소배기 가스의 배기는 4방밸브(211)를 사용하여 전환하고 있다.

상술한 축열식 방사튜브버너를 사용하여 연료의 연소를 시키는 경우의 메카니즘을 제29도에 의하여 설명하면 다음과 같다. 즉 연소용 공기는 연소용 공기통로(206)에 공급되고, 축열체(207)를 통과하는 동안에 축열체(207)에 축열한 열에너지에 의하여 고온으로 예열된다. 그리고, 선회날개(208)에 의하여 선회력이 주어져서 선회흐름(212)이 된다. 연소공기가 튜브내에 분출할 때의 유속은 약 50m/s이다. 연소공기는 운동량을 갖고 있으므로, 원심력이 작용하여 방사튜브(201)의 내벽에 따른 흐름이 된다. 연소배기가스는 다른쪽의 버너로 부터 흡입되고 있으므로, 연소공기는 다른쪽의 버너(202)를 향하여 전단한다.

한편, 연료가스 연료통로(203)에 공급되어, 연료통로(203)의 선단부(203a)로 부터 방사튜브(201)내에 유속 약 100m/s로 확산적으로가 아니라 직선적으로 분출된다. 연소용 공기의 선회흐름(212)과 분출된 연료의 흐름(213)사이에는 직경의 차이에 의한 공간부가 있다. 또, 연료 연소공기의 유속은 그후의 연소배기가스의 유속에 비하여 고속이므로, 연소부분에 비하여 상대적으로 부압이 된다. 따라서, 연료의 연소에 의하여 발생한 연소배기가스의 일부는 연료의 분출방향과 반대방향의 연료통로를 향하는 순환류(214)가 형성된다. 연료의 흐름(213)의 가장 바깥쪽에 위치하는 부분(213a)이 이 연소배기가스의 순환류(214)를 타고 연소용공기의 선회류(212)의 방향으로 운반되어 연소용공기에 말려들어가서 연소한다. 연료의 흐름(213)의 가장 바깥쪽에 위치하는 부분(213a)보다도 안쪽이 부분(123b)은 가장 바깥쪽에 위치하는 부분(213a)보다도 앞쪽으로 진행하나, 연소배기가스의 순환류(214)는 순환하면서 전지하고 있므로 이 부분도 뒤늦게 연소배기가스의 순환류(214)를 타고 연소용 공기의 선회로(212)의 방향의 운반되어 연소용 공기에 말려들어가서 연소한다. 또한, 연료의 흐름(213)의 안쪽부분(213c)도 똑같이 하여 연소배기가스의 순환류(214)를 타고 연소용 공기의 선회류(212)의 방향으로 운반되어 연소용 공기에 말려들어가서 연소한다는 식으로 차례로 연소한다.

이와 같이 연료통로로 부터 분사된 연료는 단시간에 한꺼번에 연소하는 것이 아니라 서서히 연소해가므로 완만 연소가 되어 연소가 되어 연소온도가 승상하지 않으므로 질소 산화물(NOx)의 발생이 억제된다.

제철소의 부제혼합가스를 사용한 실험에 의하면, 종래의 공기 2단 연소방식에서 450ppm의 질소산화물이 발생하고 있었던 것과 같은 조건을 사용한 본 발명의 방식의 경우, 약 130ppm의 질소산화물 농도가 되어 큰 NOx 저감효과를 얻을 수 있다.

상술한 축열식 방사튜브버너에는 버너건(205) 선회날개(208) 및 배플(209)로 둘러싸인 순환류 유입부(210)를 설치하고 있다. 이러한 순환류 유입부(210)를 설치한 것은 연소배기가스의 순환류(214)가 이 순환류 유입부(210)로 유입하여 연소용 공기와 열교환하여 연소용 공기의 온도를 저하시킴과 동시에 연소배기가스의 순환류(214)를 탄 연료가스가 연소용 공기의 선회류(212)개시점 부터 선회류(212)에 말려들어가서 연소하므로, 보다 효율적으로 질소산화물(NOx)의 발생이 억제되는 것을 실험적으로 확인하였기 때문이다.

연소용 공기가 분출하는 외경과 방사튜브의 내경사이에 틈새를 두고 있으므로, 분출한 연소용 공기는 분출시보다도 더욱 바깥쪽으로 퍼져, 부압의 부분이 커져서 순환류의 말려들어가는 효과가 커지므로, 보다 효율적으로 질소산화물(NOx)의 발생이 억제된다.

본 발명은 2단 연소법과 비교하여, 연료 공기의 취입구가 기본적으로 각각 하나이므로 구조가 간대해져서 모든 직경의 방사튜브에 적용할 수 있다.

또 본 발명은 발생한 연소배기가스가 방사튜브의 타단에 도달하여 선회날개를 통과하므로, 원주방향으로 선회하면서 버너와 대항하여 배치되어 있는 축열체를 통과한다. 방사튜브로 부터의 방열등에 의하여 방사튜브 단면에서 연소배기가스에 온도분포가 있었던 경우, 선회날개는 연소배가가스의 온도분포를 균일화 하는 작용이 있다. 이 때문에 축열체에 도달한 연소배기가스는 보유하는 열 에너지가 균일하게 축열되어 축열체의 온도가 보다 균일하게 되므로, 평균적으로 보다 고온의 예열공기가 얻어지는 효과가 있다.

본 발명은 벌집형상의 세라믹 축열체를 사용함으로써 동일한 열효율의 알루미늄 볼형상의 축열체와 비교하여 축열체의 층의 두께가 얇기 때문에 연소용 공기의 압력 손실도 적어서 낮은 동력으로 연소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 축열체를 사용함으로써 고온의 연소공기를 얻을 수 있으므로, 착화 지연등에 의한 방사튜브내의 압력이 순간적으로 상승하는 이른바 연소쇼크도 완화되기 때문에, 안정된 연소를 시킬 수 있는 효과가 있다.

상기한 것은 기체의 경우에 대한 설명이다. 본 발명은 안개화된 액체 연료에 대해서도 똑같은 구성, 효과를 가지게 할 수 있다.

제30도는 본 발명의 방사튜브버너의 1 실시예를 도시한 도면이다. 동도면은 트라이 덴트형의 방사튜브버너이고, 방사튜브(310)는 튜브(310A~310C)가 설치되며, 이들 튜브의 단부에는 축열식의 버너(A~C)가 각각 설치되어 있다. 버너(A~C)는 축열체(302a~302c)와 이들 축열체를 관통하는 노즐(306a~306c)에 의하여 형성되어 있다. 그리고 튜브(301A~301C)의 단면적은 모두 대략 같은 원형이다.

노즐(306a~306c)은 연료전자밸브(303a~303c)를 통하여 연료가 공급되고 그 연소용 공기는 공기전자밸브(304a~304c)를 통하여 튜브(301A~301C)의 안에 공급되도록 되어 있다. 또, 연소배기가스는 배기가스 전자밸브(305a~305c)를 통하여 노(튜브)밖으로 배출되도록 되어 있다. 이들 전자밸브(303a~303c, 304a~304c, 305a~305c)는 시퀸스 회로를 구비한 제어장치(307)에 의하여 개폐제어가 되고 있다. 또, 각 튜브의 단부에는 파일럿 버너가 설치되어 있다(도시하지 않음).

다음에, 제31도의 타이밍 차아트르를 참조하여 제30도의 실시예의 동작을 설명한다. 제31도는 제30도의 실시예의 교대 연소동작을 도시하고 있는데 이 동작은 제어장치(307)에 의하여 자동제어되고 있다.

먼저, 연소제어에 대하여 간단히 설명하면, 파일럿 버너를 점화하여 버너(A)를 연소시켜, 그때의 튜브(301B, 301C)는 축열체(302b, 302c)를 통하여 연소배기가스를 흡인, 배기할 수 있는 상태로 설정되어 있다. 또, 축열식 버너(A~C)의 연소 및 소화방법은, 먼저 연소용 공기를 공급된 상태에서 연료를 공급하여 점화하고, 소화는 연료의 공급을 차단한 후에 연소용 공기를 차단하도록 한다. 연소용 공기와 연료의 공급의 타이밍의 지연을 2초이다. 이 지연시간은 각 버너의 연소전에는 연소배기가스를 흡인하고 있으므로, 공기전자밸브(304a~304c)로 부터 버너까지의 배관축열체(302a~302c)등에 충만한 연소배기가스를 공기 파아지(공기환기)하기 위한 지연시간이다. 또, 연료의 불완전 연소를 방지하기 위한 지연시간이다. 따라서, 이 지연시간은 연소배기 가스를 공기로 치완하이 위하여 필요한 시간이다.

제31도(1)에 도시한 바와 같이 버너(A)를 점화하여 연소상태로 하고, 다음에 버너(A)를 소화하여 버너(B)를 연소상태로 하며, 이어서 버너(B)를 소화하고 버너(C)를 연소상태로 한다. 이와 같이 차례로 연소상태를 전환하면서 방사튜브버너를 소정의 온도로 설정한다. 이하, 그 연소제어의 상세에 대하여 설명한다.

먼저, 버너(A)의 연소에 대하여 제31도(2)를 참조하여 설명하면, 시각(t0)에 공기전자밸브(304a)를 열어 튜브(301A)내에 연소용 공기를 보내어 넣음과 동시에 배기가스를 배기하기 위하여 배기가스 전자밸브(305b, 305c)를 연다, 그후, 연료전자밸브(303a)를 열어 연료를 보내어 넣어 연소를 개시하게 한다. 버너(A)의 연소주기는 축열체(302a~302c)의 축열용량에 맞추어 설정하면 되는데 이 실시예에서는 30초간으로 설정하였다. 그후, 연료전자밸브(303a)를 닫고, 그 2초후의 시간(t1)에서 공기전자밸브(304d)를 닫고 버너(B)의 연소로 이행한다. 연소배기가스는 배기가스 전자밸브(305b, 305c)가 여려 있으므로, 버너(B, C)쪽으로 부터 배기한다. 이 지연시간은 연료전자밸브(303a)로 부터 버너노즐 까지의 배관중에 남아있는 연료가 잔압에 의하여 분출되나, 연료 공급을 먼저 정지한 후에 연료용 공기를 차단함으로써 연료가 완전연소시키는 것이 가능하다. 이렇게 제어함으로써 불완전 연소에 의한 일산화탄소가스(CO 가스)가 발생하지 않아 안전한 교대연소를 계속시킬 수 있다. 그리고, 이 연료공급선 행정지 기간을 연소 실험결과에 의거하여 2초로 설정하였으나 연료전자밸브(303a)로 부터 버너 노즐까지의 배관중에 남아 있는 연료가 잔압에 의하여 모두 분출하는 시간 이상으로 설정하면 되는데 적어도 0.5초 정도는 필요하다.

다음에, 버너(A)의 연소상태가 시각 t0 부터 t1까지의 30초간이 경과하면, 버너(B)의 연소로 이행한다. 버너(B)는 버너(A)와 똑같은 조작이 이루어진다. 제31도(2)를 참조하여 설명하면, 시각 t1에서 공기전자밸브(304a)가 차단됨과 동시에 배기가스 전자밸브(305a)가 알려 버너(B)의 공기전자밸브(304b)가 열려서 튜브(301B)내에 연소용 공기가 공급된다. 배기가스전자밸브(305c)는 열린 상태를 유지한다. 시각 t1으로부터 2초후에 연료전자밸브(303b)가 열려서 연료가 공급되어 버너(B)는 연소를 개시한다.

튜브(301B)내의 연소배기가스는 버너(A,C)쪽으로 흡입되어 축열체(302a, 302c)에 연소배기가스의 현열이 축적된다. 공기전자밸브(304b)로 부터 공급되는 연소용 공기는 축열체(302b)를 통과하여 시각 t0~t1 동안에 축열체(302b)에 축적된 회수열에 의하여 연소용 공기를 예열하여 버너(B)에 공급된다.

시각 t0~t2동안에는 버너(C) 연소배기가스 흡인상태를 유지하고 축열체(302c)는 시각 t0~t1 동안에 연소배기가스의 현열을 축적하고 잇다. 버너(B)는 시각 t0에 달하기 전에 연료전자밸브(303b)를 차단하여 시각 t2에서 공기전자밸브(304b)를 차단하여 소화상태로 한다. 시각 t2에서는 배기가스 전자밸브(305b)를 염과 동시에 공기전자밸브(304c)를 열고 배기가스 전자밸브(305c)를 닫고 버너(C)의 연소로 이행한다. 배가가스 전다밸브(305a)는 열린 상태를 유지한다.

버너(C)는 시각 t2 에서 공기전자밸브(304c)를 열고, 그 2초후에 연료 전자밸브(303c)가 열려서 연소를 개시한다. 공기전자밸브(304c)가 열리는 시간은 교대 연소의 전환시간이 30초이므로, 연료 전자밸브(303c)가 열려 있는 시간은 26초간이다. 버너(C)가 연소상태에 있을 때에는 배가가스 전자밸브(305a, 305b)는 열리고, 연소배기가스가 노밖으로 배기된다. 그때에 배기가스의 현열이 축열체(302a, 302b)에 축적된다. 공기전자밸브(304c)로 부터 공급되는 연소용 공기는 축열체(302c)에 의하여 예열되어 버너(C)에 공급된다.

그리고 시각 t3 에서 버너(C)를 소화상태로 하고 버너(A)를 연소상태로 한다.

이하, 제31도(1)에서 운전상황을 도시한 바와 같이, 버너(B,C, ...)를 차례로 전환하면서 연소를 방사튜브버너의 가동정지 또는 휴지까지 계속한다.

그리고, 소화시에는 모든 연료공급 전자밸브(303a~303c) 및 파일럿 버너의 연료공급밸브(도시하지 않음)를 오프상태로 하고, 버너 A, B, C에 연소공기만을 흐르게 하여 약 90초간 교대 연소상태의 경우와 똑같이 공기전자밸브 및 배기가스전자밸브를 작동시켜 튜브내의 연소가스를 공기 파이지 한다.

이와 같이 배기가스 전자밸브(305a~305c)가 열려있는 동안에는 그 튜브의 축열체는 배기가스의 현열에 의하여 열이 축적되며, 공기 전자밸브(304a~304c)가 열려있는 동안에는 그 튜브의 연소용 공기는 그 축열체의 회수열에 의하여 예열되어 연소에 제공된다. 본 실시예에서는 교대 연소시간이 30초이고, 지연시간이 2초, 그리고 연료공급 선행정지기간이 2초이므로, 연료전자밸브(303a~303c)가 열려 있는 시간은 26초이다. 이와 같이 교대 연소시킴으로써 방사튜브버너의 열효율이 개선되고 있다. 이와 같이 차례로 연소튜브를 전환하여 연소를 계속한다.

그리고, 본 발명의 방사튜브버너는 단시간에 점화 소화를 반복하느 교대 연소장치이므로 화염감시장치를 설치하여 안전 대책이 취해지고 있다. 또, 배기가스의 연도에는 CO 검출기를 설치하여 불완전연소가 감시되고 있다.

다음에 본 발명의 방사튜브버너의 다른 실시예를 제32도에 의거하여 설명한다.

제32도의 실시예는 제30도의 실시예와 방사튜브의 형상이 다르다. 기타는 제30도와 동일하여, 동일 부분에는 동일부호를 붙이고 있다.

동도면에 있어서, 방사튜브(301)는 간관(幹管)으로서의 튜브(130A)와 이 간관으로 부터 뻗은 지관(枝管)으로서의 튜브(301A-301C)로 이루어진다. 지관(301A~301C)의 단부에는 축열식 버너의 A~C가 설치되어 있다. 연료공급 전자밸브(303a~303c) 연소용 공기를 제어하는 공기전자밸브(304a~304c) 및 배기가스 전자밸브(305a~305c)는 제30도의 실시예와 동일하고 제어장치(307)에 의하여 개폐제어가 되고 있다. 지관(301A~301C)과 간관(310A)의 단면적은(지관내 단면적)<(간관내단면적)의 관계에 있다. 간관(310A)을 유동하는 연소배기가스의 균압(헤더)역할을 하고 있다. 따라서, 버너(A~B)가 교대 연소하여 예컨대 연소배기가스가 간관(310A)을 통과하여 각각의 지관(301A, 301C)을 통과하였더라도 각각의 지관(301A, 301C)에 흐르는 유량은 대략 균등하게 된다.

본 실시예에서는 (기관내 단면적)/(지관내 단면적1.5)로 설정되어 있다.

그리고 버너(A~C)는 제31도에서 설명한 교대 연소동작을 하므로, 그 설명은 생략한다.

다음에, 본 발명의 방사튜브버너의 다른 실시예를 제33도에 의거하여 설명한다. 제33도의 실시예는 축열식의 버너를 4개 구비하고 그 개수에 맞추어 전자밸브의 수가 증가하고 있으나, 기본적 구성은 도 32의 실시예와 동일하여, 제32도와 동일한 부분에는 동일부호를 붙이고 있다.

동도면에 있어서, 방사튜브(310)는 간관(310A)에 지관(301A~301D)이 설치되고, 지관(301A~301D)의 단부에 H축열식의 버너(A~D)가 설치되어 있다. 버너(A~D)는 축열체(302a~302d)와 노즐(306a~306d)에 의하여 각각 형성되어 있다. 연료, 연소용 공기의 버너에의 공급 및 배기가스의 배기를 하기 위한 연료 전자밸브(303a~303d)연소용 공기를 제어하는 공기전자밸브(304a~304d) 및 배기가스 전자밸브(305a~305d)가 설치되어 있다. 이들 전자밸브는 제어장치(307)에 의하여 제어되고 있다. 본 실시예에서는 간관(310A)과 지관(301A~301D)의 단면적의 관계는(간관내 단면적)/(지관내 단면적)2로 설정되어 있다. 간관(310A)과 지관(301A~301D)의 단면적과의 관계를 이러한 관계로 설정함으로써 제32도의 실시예와 똑같은 효과를 가진다.

본 실시예의 연소동작에 대하여 제34도 및 제35도를 참조하여 설명한다. 제33도의 방사튜브버너에서는 버너(A~D)의 연소를 제34도에 도시한 바와 가이 버너(A, B, C, D)순으로 전환하여 연소제어를 하고 있다. 본 실시예의 연소제어에서는 예컨대 버너(A)의 하나가 연소하고 있는 경우에, 다른 3개의 버너(B~D)쪽에 연소배기가스가 흡인되도록 동작하고 있다. 그 상세한 타이밍 차아트가 제35도에 도시되어 있다.

제35도에 있어서, (1)~(4)는 버너(A~D)의 연소배기 동작을 도시하고 있다. 먼저, 버너 A에 대하여 제35도(1)에서 설명하면 공기 전자밸브(304a)를 열고 그후, 연료전자밸브(303a)를 열어 버너 A를 연소상태로 한다. 버너 B, C, D는 각각 t0 에서 배기가스 전자밸브(305b~305d)를 열고 연소배기가스룰 노밖으로 배기한다. 연료전자밸브(303a)를 닫고, 시각 t1 에서 공기전자밸브(304d)를 닫고 버너 A를 소화상태로 하며, 배기가스 전자밸브(305a)를 열고 버너 C,D의 배기가스 전자밸브(305c, 305d)는 열린상태를 유지한다.

다음에 버너 B의 연소동작은 제35도(2)에 도시한 바와 같이 시각 t₁에서 공기전자밸브(304b)를 열고 연료전자밸브(303b)를 열어 연소상태로 함과 동시에, 배기가스 전자밸브(305b)를 열어 연소상태로 함과 동시에, 배기가스 전자밸브(305b)를 닫는다. 연료전자밸브(303b)를 닫고 시각 t2 에서 공기전자밸브(304b)를 닫아 버너 B는 소화한다. 동시에 배기가스 전자밸브(305b)를 열러 버너 C의 연소로 이행한다.

버너 C의 연소동작은 제35도(3)에 도시한 바와 같이 시각 t2 에서 공기전자밸브(304c)를 열고, 연료전자밸브(303c)를 열어 연소상태로 함과 동시에 배기가스 전자밸브(305c)를 닫는다. 연료전자밸브(303c)를 닫고, 시각 t3)에서 공기전자밸브(304c)를 닫아 소화함과 동시에, 배기가스 전자밸브(305c)를 연다.

이어서, 버너 D의 동작은 제35도(4)에 도시한 바와 같이, 시각 t3 에서 공기전자밸브(304d)를 열고, 연료전자밸브(303d)를 열어 연소상태로 함과 동시에 배기가스 전자밸브(305d)를 닫는다. 연료전자밸브(303d)를 닫은 후에 t4 에서 공기전자밸브(304d)를 닫아 소화함과 동시에 배기가스 전자밸브(305d)를 연다. 이 동작을 반복하여 교대 연소를 하게 하여 방사튜브버너를 가열한다.

제33도의 방사튜브버너에서는 제36도에 도시한 바와 같이, 버너 A, B, C, D의 순으로 연소제어를 하여도 좋다.

다음에, 본 발명의 방사튜브버너의 다른 실시예를 제37도에 의거하여 설명한다. 제37도의 실시예는 5개로 분기한 튜브에 맞추어 각각 축열식의 버너가 설치되어 있다. 제33도과 동일한 부분에는 동일부호를 붙이고 있다.

동도면에서 있어서, 방사튜브(310)는 간관(310A)에 지관(301A~301E)이 설치되고 그들의 단부에 축열식의 버너 A~E가 설치되어 있다. 버너 A~E는 축열체(302a~302e)와 노즐(306a~306e)에 의하여 각각 형성되어 있다. 연료 연소용 공기의 버너에의 공급 및 배기가스의 배기를 하기 위한 연료전자밸브(303a~303e), 연소용공기를 제어하는 공기전자밸브(304a~304e) 및 배기가스 전자밸브(305a~305e)가 설치되어 있다. 이들 전자밸브는 베어장치(307)에 의하여 제어되고 있다.

본 실시예에서는 1개의 버너를 연소시켜, 다른 4개의 버너로 연소배기가스를 흡인하는 운전도 가능하나, 제38도에 도시한 바와 같이, 2개의 버너를 연소시켜, 3개의 버너로 연소배기가스를 흡인하도록 운전한 예를 예시하고 있다. 여기의 전자밸브의 개폐동작은 앞에서 설명한 동작과 똑같다. 물론, 운전패턴은 제38도의 패턴에 한정되지 않고, 다른 패턴이라도 좋은 것은 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 방사튜브버너는 여러가지 실시예를 열거하여 설명하였으나, 간관에 몇개의 지관을 설치하여도 좋다. 또, 연소상태와 비연소상태로 하는 버너의 조합은 임의이다.

전술한 바와 같이(연소용공기 통과시의 축열체 압손)<(배기가스 통과시의 축열체 압손)의 관계에 있으므로 연소버너 개수는 비연소 버너(연소가스 흡인버너)보다 적은 개수로 운전하는 것이 장치의 압손을 저감하는데 효과적이다.

또, 본 실시예에서는 방사튜브의 단면형상은 원형의 것이 사용되었으나, 이러한 파이프형상의 것으로 구성할 필요는 없고, 다각형의 단면을 가진 것으로 구성으로 좋다.

또한, 핀을 부착하여 전열면적을 증대시킨 것이라도 좋다.

그리고, 본 실시예에서는 방사튜브의 재질로서 내열교환등의 금속, 예컨대 내열교환이 사용되었으나, 세라믹제로 구성해도 좋다. 방사튜브의 사용조건은 충분한 내구제를 유지할 수 있는 재질이면, 이들을 한정할 필요는 없다.

제39도는, 본 발명의 방사튜브버너의 연소방법을 입증하기 위한 기본 개념을 도시한 구성도 이다. 401은 방사튜브버너이고, 통상 탄화수소계의 기체연료가 사용되며, 내부를 연소가스가 통과하여 가열되며 그 외표면으로 부터 열을 내는데 가열로, 열처리로 등을 가열함에 있어서 종래품과 동등하다. 402는 방사튜브인데, 양단을 막소 연소실을 형성하도록 공간을 구획한 것이다. 403은 연료분사구이고, 상기 방사튜브(402)의 양단에 설치되며, 탄화수소계 기체 연료배관에 접속되어 있다. 404는 연소용 공기분사구인데 상기 방사튜브(402)의 양단에 설치되고, 도시하지 않은 공기 송급설비 및 배기설비가 접속되고 급기와 배기를 겸용하고 있으며, 어느 한쪽끝의 것이 급기구로서 기능하고 있을 때에는 다른 한쪽끝의 것은 배기구로서 기능하고 있다. 405는 축열재이고, 연소용 공기분사구(404)에 충전되어 있으며, 구상 세라믹 다공질 세라믹 또는 기타의 성형세라믹등으로 구성되고, 연소용 공기분사구(404)가 급기구로서, 기능하고 있을때에는 급기에 열을 빼았기고 배기구로서 기능하고 있을 때에는 배기로 가열되어 있다. 제40도에 도시한 바와 같이 연료분사구(403)는 공기와의 혼합을 고속으로 행하기 위하여 슬릿형상으로 되어 있고, 연소용 공기 분사구(404)는 자기 순환류를 크게하기 위하여 원형으로 되어 있으며, 서로 떨어져 잇는 위치 관계로 되어 있다. 본 실시예에 있어서는 연료분사구(403) 및 연소용 공기분사구(404)의 양자 모두 편심시키고 있으나, 어느 한쪽만을 편심시키도록 하여도 좋다.

그리고, 방사튜브의 연소는 양단에 교대로 실시한다. 즉, 한쪽의 연소용 공기분사구(404)가 연소하고 있는 동안에는 다른쪽의 연소용 공기분사구(404)는 연소가스의 배기구로서 기능시켜 충전한 축열재에 축열시켜 기능하고 있던 연소용 공기분사구(404)를 공기급기구로서 기능시켜 축열재에 축열하고 있던 열로 공기 예열을 하는 것이다.

상기와 같이 구성한 방사튜브버너(401)에 있어서는 연소용 공기분사구(404)로 부터 공급하는 연소용 공기의 급기속도를 종래의 방사튜브버너로 사용되고 있는 것보다 대폭적으로 고속화하여 연료분사구(403)의 연장선의 근방에 소용돌이 흐름을 생기게 하여 연소가스에 자기순환류를 파생시켜 고온의 연소가스를 희박하게 하여 연소온도를 저감시키과 동시에, 방사튜브의 길이와 연소가스 유속으로 부터 구해지는 질소산화물의 생서을 단시간화하여 반응을 비 평형상태로 유지함으로써 배기가스중의 질소산화물을 저감시키는 것이다.

예컨대, 연소온도 체류시간과 질소산화물 생성의 관계의 사례를 제42도에서 명백한 바와 같이 최고온도가 2000K의 연소화염이 형성되고 있는 경우에는 평형상태까지 반응을 일으키게 하면, 1000ppm 정도의 질소산화물이 생성되나 체류시간을 0.1초정도로 함으로써 질소산화물의 발생량을 1000ppm정도로 까지 감소시킬 수 있다.

이것으로 알수 있는 바와 같이, 연소최고온도와 체류시간으로 부터 질소산화물의 발생량이 저감될 수 있다.

연소방응이 평행상태로 진행되지 않도록 하려면 가스유속을 확보하여 고온부분의 체류시간을 짧게 함으로써 달성할 수 있다. 이에 따라 국부적으로 발생하고 있던 공기비가 1.0부근의 대폭적으로 감소시킴과 동시에 방사튜브내에서의 연소시간을완전히 연소반응이 완료하는 시간보다 짧게 하여 방사튜브내의 연소를 비평형 상태로 할 수 있다.

한편, 연소가 비평형으로 진행한 경우, 연료나 연소방법에 따라서는 연소가 완료되어 있지 않는 경우가 있다. 그 때문에 방사튜브 출구에 축열재등을 설치함으로써 미연소가스의 반응을 일으크게 하면서, 연소가스의 배열회수를 하도록 하고 있다. 이러한 버너를 방사튜브의 양단에 설치하여 교대로 연소시킨다. 즉, 한쪽의 버너가 연소하고 있는 동안에 다른쪽의 연소용공기분사구에 충전한 축열재에 축열시켜 충분히 축열된 후에 일단 연소를 중지하여 축열되어 있던 연소장치를 가동시켜 축열되어 있던 열로 공기 예열을 함으로써 효율적인 연소를 하게 할 수 있다.

그리고, 방사튜브의 양단에서 교대로 간헐 연소함으로써 방사튜브(402)는 지관인 것이 열변형의 관점에서는 바람직한 형상이다.

방사튜브(402)의 길이를 2m, 튜브직경 100mm의 것으로, 방사튜브 출구에서의 평균연소가스속도 50m/sec로, 제41도에 도시한 바와 같이, 20초 간격의 간헐연소에 의하여 얻어진 결과를 표 4에 표시하였다. 이 결과에서 종래의 연소방식 보다도 질소산화물의 저감과 연소효율의 향상을 꾀할 수 있는 것이 명백하다.

[표 4]

Claims (19)

1. 축열체를 배치한 버너를 양단부에 구비한 방사튜브를 지니고, 연소배기가스와 연소용 공기를 교대로 상기 축열체를 통과시키므로서 얻을 수 있는 고온의 연소용 공기를 사용하여, 상기 버너를 교대로 연소시키므로서 연료를 연소시키는 방사튜브버너에 있어서, 상기 연소용 공기와 동시에 상기 연소배기가스를 통과시키는 에어스로트와 상기 연료를 분사하는 연료노즐을 상기 방사튜브의 단부내에 평행으로 배설하고, 상기 에어스로트의 선단에 배치한 연료용 공기분사구를 상기 연료노즐의 선단의 연료분사구로부터 격리하여 상기 방사튜브의 내주벽면 근방에 배치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 연소노즐은, 파일럿 화염을 유지하기에 충분한 양의 연료를 파일럿 연료로 항상 흐르게함과 동시에, 이 연료노즐의 주위에 1차 공기유로를 설하고, 이 1차 공기유로에 파일럿연소에 적합한 양의 1차 공기를 상기 버너의 작동상태와는 관계없이 흐르게하여 파일럿연소를 하게하는 파일럿버너겸용노즐이며, 이 파일럿버너겸용노즐에서의 분사연소량의 전환에 따라 주연료와 파일럿 연소를 교대로 계속시키는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 에어스로트의 선단에 방사튜브를 막는 노즐지지체를 배치하여, 이 노즐지지체에 연료노즐의 선단을 삽입지지하는 관통구멍을 형성함과 동시에, 이 노즐지지체의 둘레가장자리에 연소용 공기분사구를 형성한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
4. 제3항에 있어서, 상기 연소용 공기분사구를, 방사튜브의 내주벽면의분사구의 일부로서 이용하여 형성한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
5. 제1항에 있어서, 상기 축열체는, 통로 단면적이 일정하고, 또한 직선적인 유로가 관통되어 있는 벌집형상의 세라믹스인 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
6. 제1항에 있어서, 상기 연소용 공기분사구에서의 횡단방향 형상을 원형으로 한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
7. 제1항에 있어서, 연소반응에 따라서 생기는 화염의 최고온도점이 방사튜브가 지지되어 있는 노벽두께를 넘은 노내의 위치에 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
8. 연소용 공기분사구로부터 분사되는 공기온도가 연료의 착화온도보다 100℃이상 높은 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
9. 연소용 공기를 연료의 연소속도의 110배 이상의 고속으로 분출하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
10. 연소용 공기분사구 또는/및 연료분사구를 편심시키고, 또한 연소용 공기분사구로부터 분출하여, 수소, 일산화탄소 및 탄화수소화합부로 된 혼합가스를 연소시키는 연소용 공기의 유속의 100m/sec 이상으로 한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
11. 방사튜브의 양단의 각각에 버너를 설치한 방사튜브버너에 있어서, 각각의 버너의 반경방향 중심부에 연료통고가, 그 바깥쪽에는 연료통로 직경보다 큰 내경을 가진 연소용 공기통로가 설치되고, 이 연소용 공기통로의 도중에 축열체와, 이 축열체에 계속 축열체에서 예열된 연소용공기를 선회시키면서 분출시키는 선회수단을 구비하고, 또한, 상기 연료통로와 상기 선회수단과의 사이에, 연소배기가스의 순화류를 유입시키는 순환유입부를 설치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
12. 방사튜브에 3개 이상의 버너를 구비한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
13. 방사튜브가 간관(幹管)과 이 간관에 연설된 지관(枝管)으로 이루어지고, 이지관이 3개 이상 설치되었으며, 상기 지관의 각단부에 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
14. 제13항에 있어서, 상기 간관의 내단면적이 지관의 내단면적보다도 큰것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
15. 제13항에 있어서, 상기 버너가 축열체를 구비한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
16. 제13항에 있어서, 상기 버너가 일정한 주기로 연소상태와 비연소상태를 반복하여 교대로 연소하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
17. 제13항에 있어서, 상기 버너중 연소버너의 수가 비연소버너의 수보다 적은 구성으로 교대로 연소하도록 제어하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
18. 제13항에 있어서, 상기 버너의 연소상태와 비연소상태의 전환을 하는 버너의 수를 구비하고 있는 버너의 총수의 2분의 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 방사튜브버너.
19. 방사튜브에 설치된 버너가 교대로 연소할때에, 연료공급을 정지한 후 소정시간 지연시켜서 연소용 공기의 공급을 정지하도록 제어하는것을 특징으로 하는 방사튜브버너.