KR100321026B1 - 소둔로 가열용 2단 연소버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소둔로에 설치된 라디안트튜브에 장착되는 연소버너에 관한 것으로서, 상기 주버너의 단부에 장착되어 그 외경이 점차적으로 확대되어지도록 된 보염기는 외경이 확대되는 부분의 적정위치에 예열공기가 통입되어 연소가스 분출구측으로 흐를 수 있도록 하는 1차 공기통입구멍을 다수개 형성하고, 외경이 확대된 단부에는 외경을 일정하게 유지하면서 후방측으로 일정길이 연장된 2차 공기안내단부(40)를 형성하여 그 외표면에 나선형으로 돌출된 선회날개(42)를 다수개 갖춤을 특징으로 하여, 예열공기를 연소가스가 토출되는 노즐측으로 일부 분배하여 1차로 공급하여 1차 혼합에 의하여 1차 연소가 이루어지도록 하고, 다시 나머지의 예열공기를 선회시켜 2차로 공급하여 2차 혼합에 의하여 불완전연소된 혼합연료를 2차로 완전하게 혼합연소하여 완전연소여건을 조성한다.

Description

소둔로 가열용 2단 연소버너

본 발명은 소둔로에 설치된 라디안트튜브에 장착되는 연소버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예열공기를 연소가스가 토출되는 노즐측으로 일부 분배하여 1차로 공급하여 1차 혼합에 의하여 1차 연소가 이루어지도록 하고, 다시 나머지의 예열공기를 선회시켜 2차로 공급하여 2차 혼합에 의하여 불완전연소된 혼합연료를 2차로 완전하게 혼합연소하여 완전연소여건을 조성하도록 된 소둔로 가열용 2단 연소버너에 관한 것이다.

일반적으로 제철설비중 소둔로는 냉간압연강판을 복사열을 이용하여 열처리함으로서 금속 재질을 결정하는 핵심설비이다. 이러한 소둔로(Annealing Furnace)는 강을 가열하여 압연조직을 재결정, 성장시켜 내부응력을 제거하고, 적절한 인성을 가진 조직으로 만드는 역할을 한다, 즉 로는 강의 내부응력을 제거하고 연화시키기 위하여 탄소성분 및 첨가원소에 따라 미리 설정되어진 온도에 따라 가열 시간을 충분히 유지한 다음 냉각하여 수요가가 원하는 금속의 재질을 만드는 것이다.

통상 소둔로의 구성 즉 열처리 순서는, 스트립 표면의 압연유 및 이물을 제거시키는 예열부와, 스트립의 온도를 급상승시키는 무산화로(Direct Fired Furnace), 스트립을 가열시키는 가열대, 가열된 스트립의 온도를 균일하게 유지시키는 균열대, 스트립을 서서히 냉각시키는 서냉대, 스트립의 시효방지를 위한 과시효대, 급냉대로 이루어져 있다.

가열대와 균열대를 합하여 RTS(Radiant Tube Section)라고 한다.

RTS의 주요설비는 공급되어지는 연소가스(COG)와 공기를 연소시켜 열량을 공급하는 메인 버너와, 메인 버너를 점화시켜 주는 보조 버너인 파일롯트 버너 및, 메인 버너에 의하여 연소되어진 폐가스의 대류 및 복사에 의하여 스트립에 열전달을 시키는 라디안트 튜브로 구성되어 있다.

여기에서 메인 버너의 점화는 파일롯트 버너에 의하여 이루어지며 연소시 공급되는 공기/연소가스가 메인 버너의 보염기 주위에서 혼합되어 연소가 이루어지며, 연소되어진 폐가스는 설정된 석션압(Suction Pressure)에 의하여 덕트를 타고 대기로 방출되어지고, 온라인(On-line)중 충분한 열량 확보를 위해서는 완전 혼합되어야 하는데 보염기 구조가 문제가 되어 불완전 연소요인을 초래하고 있다.

주버너는 파일롯트 버너를 착화원으로 하여 점화하게 되어 라디안트 튜브내 보염기 주위에서 연소되어 발생되어지는 열에 의하여 진행 강판에 열전달을 하게 된다. 이때 공급되어지는 공기는 열교환기를 거치면서 대기의 온도에서 350℃정도 예열되어 주버너에 공급되어지며 연소가스는 공기 통입량에 맞게 비례제어(Ratio Control)되어 공급되어진다. 천연가스용으로 사용되어지는 주 버너의 보염기는 공기/연소가스가 통입되면 동시에 라디안트 튜브 후단부로 빠지면서 빠르게 연소가 이루어져 공기/연소가스의 완전혼합이 이루어지기 전에 연소가 이루어지며, 불완전연소된 가스가 덕트에서 2차연소가 발생되어 배관을 적열시키며, 폐가스성분중 CO 가스를 함유하고 있어 환경공해를 유발시키게 된다.

주버너의 공기/연소가스가 불완전 혼합되는 경우 로를 적정온도로 제어하는 것이 불가능하여 재질불완정과 열량부족에 따른 생산성 하락의 문제점을 야기시키며, 연소된 화염의 불안정과, 2차 연소에 따른 설비 손상과 수명단축의 원인이 된다.

주 버너의 불완전 연소요인은, 라디안트 튜브내에 공급되어지는 연소용 공기와 연소가스의 유량 즉 인입압력이 작업조건에 따라 변화되는데 특히 공급되어지는 압의 순간적으로 높거나 낮아 공연비 불량이 발생하였을 경우, 라디안트 튜브 후단부의 배가스부 압력이 작업조건변화에 따라 변동되거나 석션압력이 (+)로 상승되어질 경우, 주버너의 보염기 구조가 확산 연소되도록 이루어져 있어 인입 공기가 연락관을 통과한 후 라디안트 튜브측으로 통입되어 보염기에서 연소되는데 인입 공기의 동시 통입에 따른 공연비 불량시, 같은 지역의 주버너가 소화되었을 때 공급되는 연료가 점화되어 있는 버너에 임의의 양으로 공급됨으로서 최대 유량을 초과하여 공기 부족 발생시 및, 저부하(공기/연소가스 공급량이 소량통입일 경우)시 석션압력은 일정압력으로 고정되어 있어 입입 공기는 라디안트 튜브 인입후 바닦으로 깔리면서 보염기의 저부측으로 통과하고 연소가스는 라디안트 튜브외벽 상부로 올라가 연소가 이루어짐으로 공기/연소가스의 완전 혼합이 불가능하며 열교환기측에서 연소가 이루어짐 등에 기인한 것이다.

도 1에 종래의 소둔로 가열용 연소버너의 구성이 개략적으로 도시되어 있으며, 이는 소둔로에 설치되는 라디안트 튜브(110)의 내측으로 주버너(120)와 파일롯트 버너(130)가 설치되고, 상기 라디안트 튜브(110)에는 적정온도로 예열된 공기가 주버너(120)의 단부측으로 공급될 수 있도록 형성되고, 상기 주버너(120)의 단부에는 도 2에 도시한 바와같이 외경이 점차적으로 확대되어지는 보염기(140)를 갖춘다.

상기 보염기(140)는 주버너(120)와 연결되는 연소가스 통입파이프(142)를 갖추며, 상기 연소가스 통입파이프(142)의 단부에는 외경이 점차적으로 확대되는 중공원뿔형상의 예열공기확산부재(144)를 갖추며, 상기 연소가스 통입파이프(142)의 단부는 그 내경이 점차적으로 확대되어지다가 다시 축소되는 형상으로 형성되는 연소가스 토출구(146)로 이루어지고, 이때 상기 연소가스 토출구(146)와 예열공기확산부재(144)의 단부의 위치는 대략 동일하게 이루어진다.

이러한 구성으로 된 종래의 연소버너의 작동은, 보조버너인 파일롯트 버너(130)의 점화가 온(ON)되는 경우 연료가 공급되면서 스파크에 의하여 착화되어 점화되어진 후, 주버너(120)의 연료공급라인의 연소가스배관에 부착된 자동밸브가 개방되면서 보염기(140)측 연소가스 토출구(146)로부터 토출되는 연소가스가 그 토출직후측으로 공급되는 예열공기와 만나면서 착화점화되어 연소가 이루어진다.

상기 주버너(120)의 연료공급에 있어서는, 공기는 푸쉬 블로워에서 설정된 압력으로 공급되고 유량밸브에서 제어되어진 유량만큼 배관을 타고 열교환기를 거치면서 대기온도에서 약 250∼300℃정도 예열되어 공급되어지며, 연소가스는 유량밸브에서 제어되어진 공기유량에 대응하는 설정비에 맞추어 공급되고, 연소되어진 배가스는 배가스 블로워에서 설정된 석션압력에 맞도록 대기로 배출되어진다.

이때 주버너(120)의 보염기(140)에서 연소되는 화염은, 배가스 석션 압력이 높을 경우 예열되어진 공급공기가 라디안트 튜브(110)의 바닥으로 깔리면서, 보염기(140)의 하부측으로 통과하면서 불완전하게 혼합되어지며, 출력이 헌팅될시(유량의 통입량이 많이 들어왔다가 적게 들어오는 폭이 순간적일때)보염기(140) 주위에서 전혀 공기/연소가스가 혼합되지 못하고 라디안트 튜브(110) 후단부의 열교환기부근에서 혼합되어 연소되거나 배가스 덕트 내부에서 2차 연소되어 설비의 조기부식을 유발시키거나 또는 보염기(140) 주위에서의 불완전 혼합에 의한 그을음 발생으로 파일롯트 버너의 수명을 단축시키고, 불완전 연소로 라디안트 튜브(110)의 국부적 가열을 유발시켜 파공 및 밴딩으로 라디안트 튜브 손상을 가져오고, 내부에 미연 퇴적물이 생성되어지며, 역화의 원인을 제공하기도 한다.

따라서, 종래의 소둔로 가열용 연소버너에 있어서는, 주버너(120)의 보염기(140)에서 불완전 혼합에 따른 2, 3차 연소로 인하여 버너 몸체부, 열교환기, 배기가스 덕트, 라디안트 튜브등 설비의 손상과 수명저하를 가져오며, 배가스 성분중 불순물인 CO,NOx등 유해성분이 다량 발생하여 대기 환경오염을 가중시키고, 불완전 연소로 인해 충분한 열량을 확보할 수 없어 생산성을 감소시키는 등의 문제점을 여전히 갖고 있는 것이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 다양한 변화요인에 영향을 받지 않고 인입 공기/연소가스의 불완전 혼합 요인을 제거함으로서 열량공급을 원할히 하여 생산성을 향상시키고, 미연퇴적물 생성을 억제하여 라디안트 튜브 파공, 찌그러짐과 배가스 덕트 소손등 설비손상을 방지하며, 불완전연소에 따른 배가스 성분중 불순물인 CO,NOx 생성을 억제함으로서 환경공해를 방지할 수 있도록 된 소둔로 가열용 2단 연소버너를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 소둔로 가열용 연소버너를 개략적으로 도시한 단면구성도

도 2는 종래의 주버너 전단에 장착되는 보염기를 도시한 단면도

도 3은 본 발명에 따른 소둔로 가열용 2단 연소버너를 이루는 보염기를 개략적으로 도시한 단면구성도

도 4는 본 발명에 따른 보염기를 이루는 주요구성요소인 예열가스분배기를 도시한 우측면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ... 보염기

12 ... 연소가스 통입파이프

14 ... 고정너트

20 ... 노즐

24 ... 연소가스 토출구

30 ... 예열가스 분배기

38,39 ... 1차 공기통입구멍

40 ... 2차 공기안내단부

42 ... 선회날개

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 소둔로에 장착된 라디안트 튜브내로 주버너와 파일롯트 버너가 설치되고, 상기 주버너의 외측으로는 예열공기가 공급되며, 상기 주버너의 단부에는 그 외경이 점차적으로 확산되는 보염기를 장착함으로서 주버너로부터 토출되는 연소가스와 예열공기의 혼합연소가 이루어지도록 한 소둔로 가열용 연소버너에 있어서, 상기 보염기는 외경이 확대되는 부분의 적정위치에 예열공기가 통입되어 연소가스 분출구측으로 흐를 수 있도록 하는 1차 공기통입구멍을 다수개 형성하고, 외경이 확대된 단부에는 외경을 일정하게 유지하면서 후방측으로 일정길이 연장된 2차 공기안내단부를 형성하여 그 외표면에 나선형으로 돌출된 선회날개를 다수개 갖춤을 특징으로 하는 소둔로 가열용 2단 연소버너를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 소둔로 가열용 2단 연소버너를 보여주는 주버너와 보염기의 상세도로서, 소둔로의 내측으로 설치되는 라디안트 튜브의 내에 주버너가 설치되고, 그 주버너의 단부측에 보염기가 설치되며, 이러한 주버너의 외표면측을 따라 예열가스가 공급될 수 있도록 된 대략의 구성은 종래와 유사하다.

본 발명의 보염기(10)는 주버너의 단부 내측으로 나사결합하는 중공파이프형 연소가스 통입파이프(12)를 가지며, 이를 위하여 연소가스 통입파이프(12)의 일측 단부의 외표면에 나사산(13)을 일정길이 형성하고, 또한 그 나사산(13)에는 고정너트(14)를 체결함으로서 상기 연소가스 통입파이프(12)를 주버너의 전단에 나사결합한 후 고정너트(14)를 조여줌으로서 그들의 결합이 견고하게 이루어질 수 있도록 한다.

상기 연소가스 통입파이프(12)의 타측 단부에는 노즐(20)이 설치되는바, 상기 노즐(20)의 중앙부에 길이방향으로 형성된 연소가스분사구멍(22)은 그 내경이 점차적으로 축소되다가 단부측에서 다시 점차적으로 확대되는 형상으로 이루어지고, 따라서 상기 연소가스분사구멍(22)의 단부는 외경이 점차적으로 확대되는 연소가스토출구(24)이다.

또한, 상기 연소가스 통입파이프(12)에는 예열공기분배기(30)가 장착되는바, 상기 예열공기분배기(30)는 대략의 원뿔형으로 형성된 몸체(32)로 이루어지고, 상기 몸체(32)의 일측 단부는 연소가스 통입파이프(12)의 외측으로 끼워결합된 외경확대파이프(16)의 외측으로 끼워지는 결합단부(34)로 형성되며, 상기 결합단부(34)에는 다수개의 보울트체결구멍(35)을 형성함으로서 그 보울트체결구멍(35)을 통하여 체결되는 보울트(36)에 의하여 연소가스 통입파이프(12)에 예열가스분배기(30)가 견고하게 고정될 수 있도록 한다.

또한, 상기 몸체(32)의 외경 및 내경 확대부 적정위치에는 연소가스 통입파이프(12)의 외표면부를 따라 이동하는 예열공기의 일부를 노즐(20)의 외표면부로 흐르게 하도록 된 1차 공기통입구멍(38)(39)이 다수개 형성되는바, 이러한 보다 내측에 위치하는 공기통입구멍(38)과 보다 외측에 위치하는 공기통입구멍(39)은 각각 원주방향에 일정간격 떨어지도록 다수개 갖추어지고, 그 방향은 라디안트 튜브의 길이방향으로부터 약간의 경사를 형성하도록 하는 것이 바람직하며, 그 크기는 내측의 공기통입구멍(38)보다 외측의 공기통입구멍(39)이 더 크게 형성되어 노즐(20)의 통하여 토출되는 연소가스의 확산이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 상기 1차 공기통입구멍(38)(39)이 다수열로 형성되는 것은 분배된 1차 예열공기의 흐름을 보다 원할하도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 예열가스분배기(30)의 노즐(20)측 단부는 라디안트 튜브의 길이방향과 일치하는 방향으로 일정길이를 가지도록 후방측으로 연장된 2차 공기안내단부(40)를 형성하고, 상기 2차 공기안내단부(40)의 외표면에는 그 길이방향으로 나선모양을 형성하면서 돌출하도록 형성됨으로서 2차 공기안내단부(40)를 따라 이동하는 예열공기의 흐름이 선회되도록 하는 선회날개(42)를 원주방향에 일정간격으로 다수개 갖추어진다.

물론, 상기 몸체(32)의 적정부위에는 파일럿트 버너를 장착할 수 있도록 된 파일럿트 버너 장착구멍(50)을 형성한다.

상기한 구성으로 된 본 발명의 작용을 설명한다.

주버너를 통하여 공급되어지는 연료인 연소가스(COG)는 인입되어지는 공기유량에 의한 비값에 따라 결정되어지며, 예열공기는 출력에 따라 통입되어지는데 이때 공기의 공급이 불안정하거나 출력 변화시에 불안전하게 연료가 혼합되어 연소가 이루어지게 됨은 상기한 바와같다.

본 발명은 인입되어지는 예열공기의 흐름을 2차로 분배하여 공급하는데 그 특징이 있는바, 공기가 열교환기를 거친 다음 라디안트 튜브 내부로 통입되어지면서 연소가스 토출구인 보염기(10) 전단에 장착되어 있는 2단 연소를 위한 예열가스 분배기(30)에 의하여 1차 및 2차 공기로 분배되어진다.

즉, 예열공기의 흐름은 1차 공기통입구멍(38)(39)을 통하여 일부(약 40% 정도의 분배율이 저 NOx를 위하여 바람직하다)가 분배되고, 이렇게 1차로 분배된 1차 예열공기가 노즐(20)로부터 토출되는 연소가스와 혼합되어 1차로 연소되어지며, 상기 1차로 분배된 예열공기를 제외한 나머지의 예열공기는 예열가스 분배기(30)의 외표면을 형성하는 2차 공기안내단부(40)를 따라 길이방향으로 이동하면서 그 외표면에 갖추어진 선회날개(42)의 각도에 의하여 선회되면서 흐르게 되고, 이렇게 분배된 2차 예열공기는 상기 1차 연소에서 불완전 연소되어진 잔류 연소가스와 혼합되어 완전연소가 이루어지도록 작용한다.

이는 2단 연소를 위한 보염기(10)가 장착된 상태에서 출력의 변화시나 인입압력의 불안정으로 1차 연소에서 완전연소하지 못하고 배출되어지는 연소가스를 2차로 공급되어지는 예열공기에 의하여 완전연소될 수 있는 조건을 충족시키며, 연소 가스를 대기로 배출하는 배가스 석션압이 높을 경우에도 예열공기의 분배로 불완전 연소 요인인 공기와 연소가스 공급방법을 본 발명과 같이 개선하여 인입 공기/연소가스가 완전하게 혼합되도록 할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명의 버너는, 종래에는 인입 공기의 흐름양상이 보염기 즉 연소부위까지의 라디안트 튜브 내부에서 상부와 하부측 편차가 발생되던 것을, 배가스 석션 압력이 변화하여도 1차와 2차로 분배되어지는 예열공기에 의하여 연소가스가 완전하게 연소되어질 수 있는 여건을 조성하여 불완전 연소에 의한 CO발생량을 저감시킬 수 있고, 노즐 선단부의 연소가스 토출구가 점차적으로 그 내경이 확대되는 형상으로 이루어져 1차 공기와 만나는 시점에서 확산이 보다 신속하게 이루어지도록 하여 1차 연소부위에서의 완전혼합이 이루어지도록 함으로서 불완전연소의 요인을 제거하며, 인입 공기의 보염기 주위에서의 분배를 1차, 2차로 분배하고 특히 선회날개에 의하여 2차 예열공기가 라디안트 튜브의 내표면측에 근접한 부분에서 선회하면서 이동하여 화염의 길이를 연장하여 줌으로서 라디안트 튜브의 국부가열을 방지하여 그 파손을 예방하고 또한 보다 완벽한 연소여건을 조성하여 준다.

이는 주버너 상시점화와 연료 공기의 완전한 혼합으로 충분한 열량확보가 가능하게 되어 생산성 향상에 기여하며 온라인중 로 적정온도 제어가 가능하고, 불완전하게 연소되어 열교환기 적열, 폐가스 덕트 적열 및 파공, 라디안트 튜브 파공을 유발시켜 설비를 손상시키고 폐가스 성분중 불순물인 CO의 배출농도가 커서 환경공해 유발을 야기시켰으나 본 발명은 버너의 공기공급을 단계적으로 하여 불완전하게 연소되어 대기로 방출되는 문제점을 방지함으로서 설비의 안정적 운영과 폐가스 성분중의 CO농도의 감소 및 저 NOx가 이루어진다.

상술한 바와같이 본 발명에 따르면, 소둔로의 라디안트 튜브에 장착되는 연소버너측으로 공급되는 예열공기를 연소가스가 토출되는 노즐측으로 일부 분배하여 1차로 공급하여 1차 혼합에 의하여 1차 연소가 이루어지도록 하고, 다시 나머지의 예열공기를 선회시켜 2차로 공급하여 2차 혼합에 의하여 불완전연소된 혼합연료를 2차로 완전하게 혼합연소하여 완전연소여건을 조성함으로서 최적의 소둔로 가열온도제어가 가능하여 생산제품의 품질향상에 기여하며, 완전연소에 의해 폐가스 성분의 저 CO 및 NOx를 가능하게 하여 환경오염을 방지하는 우수한 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 소둔로에 장착된 라디안트 튜브내로 주버너와 파일롯트 버너가 설치되고, 상기 주버너의 외측으로는 예열공기가 공급되며, 상기 주버너의 단부에는 그 외경이 점차적으로 확산되는 보염기를 장착함으로서 주버너로부터 토출되는 연소가스와 예열공기의 혼합연소가 이루어지도록 한 소둔로 가열용 연소버너에 있어서,

   상기 보염기는 외경이 확대되는 부분의 적정위치에 예열공기가 통입되어 연소가스 분출구측으로 흐를 수 있도록 하는 1차 공기통입구멍을 다수개 형성하고, 외경이 확대된 단부에는 외경을 일정하게 유지하면서 후방측으로 일정길이 연장된 2차 공기안내단부(40)를 형성하여 그 외표면에 나선형으로 돌출된 선회날개(42)를 다수개 갖춤을 특징으로 하는 소둔로 가열용 2단 연소버너.
2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 공기통입구멍(38)(39)은 확대되는 외경측으로 다수열로 형성됨으로서 1차 분배된 공기의 흐름을 원할하게 함을 특징으로 하는 소둔로 가열용 2단 연소버너.
3. 제 2항에 있어서, 상기 1차 공기통입구멍(38)(39)의 크기는 보다 큰 외경위치에 있는 1차 공기통입구멍(39)이 더 크도록 형성함으로서 1차 분배된 공기의 확산이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 소둔로 가열용 2단 연소버너.
4. 제 1항에 있어서, 연소가스 토출을 위한 노즐(20)의 연소가스 토출구(24)는 점차로 그 내경이 확대되도록 형성함으로서 1차 분배된 공기와의 혼합부위에서의 확산이 보다 신속하게 이루어지도록 함을 특징으로 하는 소둔로 가열용 2단 연소버너.

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