KR100253993B1 - 질소산화물 저감형 버너의 이단노즐 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위애 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 직선분사 구멍을 구비한 질소산화물(NOx) 저감형 버너의 이단노즐에 관한 것이다.

2. 발명이 헤결하려고 하는 기술적 과제

종래 질소산화물 저감형 버너는 설비의 추가 증설이 필요하므로 비경제적이며 보수와 유지에 있어서도 지속적인 부담이 요구되는 문제점이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

질소산화물 저감형버너의 연료노즐에 위치하는 연료측과 증기측 그리고 연료분출의 구멍들을 주화염용과 보조화염용의 2개씩으로 각각 나누어 주화염용 구멍들은 연료노즐의 위, 아래로 편심각도로 설치하고, 보조화염용의 구멍들은 연료노즐의 좌,우에 위치하게 하며 보조화염용 연료분출구멍은 버너 중심축으로의 분사각을 0도로 하여 직접적으로 연소가스 재순환영역에 분사되도록 하는 본 발명에 의해 해결됨.

4. 발명의 중요한 용도

질소산화물의 환원반응대 형성으로 질소산화물은 기존버너보다 30% 더 감소시킬 수 있으며 분진량도 20%정도 감소시킬 수 있으며 화염의 과대한 증가방지와 저부하에서의 화염안정화도 동시에 달성할 수 있는 효과가 있음.

Description

질소산화물 저감형 버너의 이단노즐

본 발명은 질소산화물(NOx) 저감형 버너의 이단노즐에 관한 것이며, 구체적으로 산업용 버너의 이단노즐 선단의 혼합물 분사구를 혼합물 주분사구와 버너 중심으로 혼합물을 분사하는 혼합물 보조분사구로 분리한 질소산화물 저감형 버너의 이단노즐에 관한 것이다.

현재 화석연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량은 엄격히 규제되고 있다. 따라서 최근에는 연소에 의한 화학에너지의 열에너지로의 변환에 있어서 완전연소는 버너의 기본적인 운전조건으로 되었고, 특별한 미연분의 증가가 엾는 한도내에서 질소산화물의 감소 정도가 버너의 성능을 좌우하는 매우 중요한 항목으로 부각되고 있다.

종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은 연소용공기중에 함유된 질소가 고온의 연소분위기에서 과잉산소와 반응하면서 생성되는 '열적 질소산화물(Thermal NOx)'을 감소시키기 위해 고온의 연소지역에서는 과잉산소가 부족하도록 연료과잉-공기부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고 공기부족에 의해 발생되는 불완전 연소물은 노내온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 주입되는 층분한 연소용 공기로써 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

상기 방법의 요지는, 버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기부족 상태롤 유지하고, 이때 생성된 불완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 별도로 공급하는 것을 내용으로 한다.

이에 따라, 버너 앞에서 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로써 현재 실용화되어 있는 기법은, 배기가스 재순환법(연소된 배기가스의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너지역에서 불완전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 기법) 등의 별도의 설비추가가 따르는 질소산화물 감소기법과, 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화몰의 생성을 감소시키는 '저 질소산화물 버너'로 구분할 수 있다.

상기 전자는 질소산화물 감소효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야 하므로 경제적인 부담과 함께 설비, 보수 그리고, 유지에 이르기까지 지속적인 부담이 요구된다. 그러므로 최근에는 후자에 해당하는, 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있는 상기 저 질소산화물 버너가 선호되고 있으며 제반 문제점의 해결과 함께 성능향상이 요구되고 있다.

상기와 같은 문제점과 요구에 능동적으로 대처하기 위해 안출된 본 발명은, 화로내에 형성되는 연소장의 기본특성을 고려하여 연료의 분출방향과 분출되는 출구를 2단계화 함으로써 질소산화물을 저감시키고 분진량의 증가를 방지하도록 하며 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치할 필요가 없으므로 설비, 보수 그리고, 유지에 이르기는 부담이 경감되어 경제적인 질소산화물 저감형 버너의 제공을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 종래의 질소산화물 저감형 버너의 노즐에서 각각 l개씩이었던 연료측구멍, 증기측구멍 그리고, 분출구멍을 각각 2개의 군으로 분리하여 각 군별로 분출방향 및 위치를 달리함으로써 버너 내부의 연소장을, 연소공기가 풍부한 상태에서 진행되는 1차 연소지역과 연소가스의 재순환에 의한 연료과잉 상태에서 진행되는 2차 연소지역 그리고 상기 두 개의 연소영역이 합쳐지는 완전연소영역으로 3분할되도록 한 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바, 첨부한 도면을 참조로 이하에 상세히 설명한다.

제 1a도는 본 발명의 노즐에서 주 연료배출구 및 주 증기배출구과 보조 연료배출구 및 보조 증기배출구 간의 상흐 위치관계를 도시한 개략도

제 1b도는 본 발명의 노즐의 선단에서 주 연료배출구, 주 증기배출구 및 연료증기 혼합물 주분사구 간의 위치관계를 도시한 (가)의 A-A선에 따른 반단면도

제 1c도는 본 발명의 노즐의 선단에서 보조 연료배출구, 보조 증기배출구 및 연료증기 혼합물 보조분사구 간의 위치관계를 도시한 (가)의 B-B선에 따른 반단면도

제 1d도는 연료증기 혼합물 주분사구와 연료증기 혼합물 보조분사구 간의 위치관계를 도시한 본 발명의 노즐 선단의 정면도

제 2도는 본 발명이 직용된 버너의 연소에 따른 화염형상도

제 3도는 본 발명이 적용된 버너의 화실내 온도분포도

세 4도는 본 발명의 질소산화물 및 분진배출 특성도

제 5도는 종래 노즐의 단면도 및 정면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주 연료배출구 2 : 보조 연료배출구

3 : 주 증기배출구 4 : 보조 증기배출구

5 : 혼합물 주분사구 6 : 혼합물 보조분사구

가 : 1차 연소영역 나 : 2차 연소영역

다 : 완전 연소영역

제 1도를 참조하면, 본 발명에 따른 이단노즐은 주 연료배출구(1)와 주증기배출구(2)가 (가)에 도시된 바와같이 수직축(10)에서 양쪽으로 일정 각도(α₁/2) 만큼 기울어져 (라)에 도시된 연료증기 혼합물의 주분사구(5)와 같은 각을 이루며 형성되고, 보조 연료배출구(2)와 보조 증기배출구(4)가 (가)에 도시된 바와같이 수평축(B-B) 상에서 (라)에 도시된 연료증기 혼합물의 보조분사구(6)와 동축에 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 이단노즐은 (나)에 도시된 바와같이 주 연료배출구(1)에서 배출되는 연료와 주 증기배출구(2)에서 배출되는 증기가 혼합된 혼합물을 화로(도시하지 않음)내로 분사하는 혼합물 주분사구(5)가 노즐 중심축(C)과 일정각도(θ)를 이루며, 보조분사구(6)가 노즐 중심축(C)과 평행을 이룬다.

이와같이, 본 발명에 따른 연료노즐은 연료증기 혼합물을 분사하는 분사 분사구가 주분사구(5)와 보조분사구(6)로 2개의 군으로 분리되어 각 군별로 분출방향 및 위치를 달리한다.

상기와 같은 구성에 의해, 제3도에 도시된 바와같이, 주분사구(5)에서 분사된 연료증기 혼합물은 1차 연소영역(가)에서 대부분의 연소공기와 집중적으로 혼합되면서 화염의 안정화를 이루게 되고, 보조분사구(6)에서 분사된 연료증기 혼합물은 직접 2차 연소영역(나)으로 분사되어 농후 연소된다.

이후, 2차 연소영역(나)에서 연소된 후 재순환 영역을 거쳐 생성된 중간 생성물과 1차 연소영역(가)에서 생성된 질소산화물이 완전연소 지역(다)대에서 혼합되면서 화학 반응하여, 질소산화물이 질소로 환원되므로서, 버너에서 배출되는 질소산화물의 양이 감소하게 된다.

이와같이, 주분사구(5)에서 분사되는 연료가 총 분사연료량의 60∼80%정도가 되도록, 주분사구(5)에서 분사되는 연료와 보조분사구(6)에서 분사된 연료를 분할하므로서, 주분사구(5)에서 분사되는 연료의 연소에 따른 과다한 질소산화물의 발생이 방지된다.

또한, 상기 2차 연소지역(나)에서 형성된 미연성분은 완전연소지역(다)에 잔존하는 잉여산소와 혼합/반응되면서 완전연소되므로 질소산화물과 분진저감이 이루어지게 된다.

제 3도에 기존 질소산화물 감소용 버너와 동일한 버너에 본 발명의 노즐을 사용한 결과를 나타냈다. 제 3도의 도표에 나타난 바와 같이 본 발명을 실시했을 때의 화염온도는 기존버너에서보다 완만한 분포를 보이면서 버너선단 근처에서 급격한 화염온도의 증가가 없는 화염의 냉각효과가 우수하다.

상기 효과와 함께 본 발명은 질소산화물의 환원반응대 형성으로 질소산화물을 기존 버너보다 약 30% 더 감소시킬 수 있으며 분진량 또한 약 20%정도 감소시킬 수 있다.

또한, 화염의 과대한 증가방지와 저부하에서의 화염안정화도 동시에 달성할 수 있다.

본 발명을 유류버너에 적용하게 되면 연료중에 질소량을 0.4% 이상 포함한 고질소 연료를 사용하게 되더라도 추가적인 질소산화물 저감설비 없이 공해배출 허용기준을 만족시킬 수 있다. 따라서 기존에 사용되고 있는 버너에 노즐만 교체하여 적용할 수 있으므로 설치나 유지보수가 상당히 간편히 이루어지고 추가적인·설비부담이 없으므로 매우 경제적인 탁월한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 주 연료배출구(1)와 주 증기배출구(2)가 수직축(10)에서 양쪽으로 일정 각도(α₁/2) 만큼 기울어져 연료증기 혼합물의 주분사구(5)와 같은 각을 이루며 형성되고, 보조 연료배출구(2)와 보조 증기배출구(4)가 수평축(B-B) 상에서 연료증기 혼합물의 보조분사구(6)와 동축에 형성되고,

   또한, 주 연료배출구(1)에서 배출되는 연료와 주 증기배출구(2)에서 배출되는 증기가 혼합된 혼합물을 화로내로 분사하는 혼합물 주분사구(5)가 노즐 중심축(C)과 일정각도(θ)를 이루며, 보조분사구(6)가 노즐 중심축(C)과 평행을 이루므로서,

   연료증기 혼합물을 분사하는 분사구가 주분사구(5)와 보조분사구(6)로 2개의 군으로 분리되어 각 군별로 분출방향 및 위치를 달리하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 버너의 이단노즐.

Images