KR100347573B1

KR100347573B1 - 저질소산화물 산소부화 연소버너

Info

Publication number: KR100347573B1
Application number: KR1019990061646A
Authority: KR
Inventors: 조길원; 이용국; 한건우
Original assignee: 주식회사 포스코; 주식회사 케너텍; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2002-08-07
Also published as: KR20010058146A

Abstract

본 발명은 저질소산화물 산소부화 연소버너에 관한 것으로서, 버너(1)의 중심에 연료노즐(21)을 구비한 버너(1)에 있어서, 상기 연료노즐(21)의 외주에 연료노즐(21)과 인접하여 1차공기노즐(22)을 설치하고, 상기 1차공기노즐(22)의 외주 버너타일(25) 상의 직경이 서로 다른 두개의 동심원중 1차공기노즐(22) 인접 동심원상에 소공 2차공기노즐(31)과 소공 2차공기노즐(31) 외부 동심원상에 대공 2차공기노즐(32)을 다수개 설치하되 상기 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐( 32)을 반경방향으로 서로 어긋나게 설치하여서 구성된 것으로 2차공기를 분할하여 공급함으로서 대공 2차공기노즐과 소공 2차공기노즐에서 분사되는 공기의 모멘텀에 의해 노내 연소가스를 다량으로 흡인할 수 있어서 질소산화물(NOx )의 저감이 가능하고, 상대적으로 소량의 공기가 공급되는 소공 2차공기 노즐이 연료노즐에 인접하여 위치함으로서 저질소산화물(NOx) 연소시에도 미연분의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

저질소산화물 산소부화 연소버너{Low NOx burner for oxygen enriched combustion}

본 발명은 저질소산화물 산소부화 연소버너에 관한 것으로서, 특히 연소용 공기에 산소를 혼합하여 공기중 산소농도를 높힘으로서 연소가스량을 줄여 연소가스의 현열손실량 감소와 전열효율을 향상시키는 저질소산화물 산소부화 연소버너 에 관한 것이다.

산소부화 연소는 연료의 연소시 기존의 공기 대신에 공기중에 산소를 혼입시켜 공기중의 산소농도를 높여주는 것으로서, 화염의 온도가 상승하고 전열효율이 향상되며 연소가스량이 감소되는 연료절약형 연소기술이다. 일반적으로 공기중에는 산소가 21%, 질소가 79% 함유되어 있으나, 산소를 공기에 혼합시켜 산소부화를 시키면 공기중 산소의 농도는 증가되고 질소의 농도는 감소하므로 연소가스의 양이 대폭적으로 저감된다. 산소부화율 1% 증가당(예, 공기중 산소농도가 21%에서 22%로 된다면)1.2%의 연료절감이 가능하다고 보고되고 있으며, 따라서 산소부화율을 증가시키면 열효율도 동반 상승되는 효과가 있다.

이러한 산소부화 연소는 열효율이 높음에도 불구하고 실제 적용은 매우 제한적인데 이는 연소온도의 고온화에 따른 질소산화물(NOx)의 다량 발생과 연소속도의 증대에 의한 버너 토출구 부근의 고온화에 따른 노내 온도분포의 불균일 때문이다. 통상 질소산화물(NOx)의 발생은 연소온도에 비례하여 증가하는 데 산소부화 연소에서는 단위열량당 연소가스의 양이 작고 연소온도는 단위열량당 연소가스량에 반비례하기 때문에 종래의 연소법에 비례하여 다량의 질소산화물(NOx)이 발생하게 되는 것이다.

산소부화 연소에서의 질소산화물(NOx) 다량발생 문제를 해결하기 위하여 많은 방법이 게시되어 있으나 실용상 만족할만한 수준의 저질소산화물 연소(예, 11% O₂환산 100ppm이하)는 곤란한 실정이다. 저질소산화물 연소의 예로서 종래부터 널리 사용되고 있는 공기2단연소를 예로들면 도 1에 도시한 바와 같은 공기2단연소 버너는 통상의 공기 단독연소에서 100ppm이하의 저질소산화물(NOx) 연소가 가능하다.

공기2단연소에서는 연소용 공기가 댐퍼(13)에 의해 1차공기(11)와 2차공기( 12)로 나뉘어져 분사되는데, 연료공급관(14)을 통하여 분사된 연료가 1차공기(11)와 혼합되어 불완전 연소되고 1차연소에서의 미연가스가 2차공기(12)와 혼합되어 완전히 연소되게 된다. 공기2단연소는 1차연소를 공기부족상태로 이루어지게 함으로서 산소분압저하에 의한 질소산화물(NOx)의 저감효과를 얻는 것이다.

이러한 공기2단연소는 저산소부화(예,산소농도23%)에서는 비교적 저질소산화물(NOx) 연소가 가능하지만 고온연소가 이루어지는 고산소부화연소(예, 공기중 산소농도 30%)에서는 도 1과 같은 단순한 구성의 공기2단연소에서는 수백ppm의 질소산화물(NOx)이 발생한다. 실제로 본 발명의 발명자들이 LPG를 연료로 하여 실험한 결과의 일례에서는 산소농도 30%, 노온 1,050℃, 공기비 1.3에서 600ppm이상의 질소산화물 (NOx)이 측정된 바 있다.

고산소부화 연소와 같은 고온연소에서 질소산화물(NOx)을 저감하기 위한 다른 방법으로서 공기 2단연소를 기본으로 한 공기 고속분사법이 알려져 있는 바, 고속분사법중 일본국 특개평6-257723(1994년)과 미국특허 4,378,205(1983년)등은 복수개의 공기노즐을 버너 중심에 설치된 연료노즐의 외주 동심원상에 배치하고 산소 혹은 산소가 부화된 공기를 통상 연소대비 고속으로 분사함으로서 질소산화물 (NOx)의 저감을 도모한다.

이와 유사하게 일본국 특개평7-103428(1995년)에서는 버너의 중심에 고속분사용 산소노즐을 설치하여 산소노즐의 외주 동심원상에서 연료를 다수개의 노즐을 통하여 분사한다. 이러한 형식의 버너에서는 공기(산소)가 고속으로 분사됨에 따라 노내의 연소가스를 흡인함으로서 버너 토출구 부근의 연소온도와 연소용 공기중의 산소농도를 저하시켜 질소산화물(NOx)의 발생량이 저감되는 것으로서 최근 고온연소의 질소산화물(NOx) 저감방법으로 많은 연구가 이루어지고 있다.

그러나 상기 일본국 특개평6-257723에서는 최저 질소산화물(NOx)의 발생량이 300ppm 이상이며, 일본국 특개평7-103428에서도 질소산화물(NOx)의 발생량이 200 ppm 수준으로서 실용상 문제점이 있는 것들이다.

또한 종래의 고속분사형 저질소산화물(NOx) 산소부화버너의 대표적인 구조(미국특허 4,378,205)를 도 2에 도시하였다. 도 2에 도시한 버너에서는 버너(1)의 중심에 연료노즐(21)이 설치되며 연료노즐(21)의 외주에 환상의 1차공기노즐(22)이 설치된다. 그리고 연료노즐(21)과 1차공기노즐(22)의 외주 동심원상에 복수개의 2차공기노즐(23)이 설치된다. 이러한 구조의 버너(1)에서는 1,2차공기(11),(12)를고속으로 분사하여 공기분류중에 노내의 연소가스를 흡인함으로서 공기가 연료와 반응하기 전에 연소용 공기중의 산소농도를 희석시켜 연소온도 저하와 산소농도 저하에 의해 질소산화물(NOx)의 저감을 도모하는 것이다.

본 발명의 발명자들이 도 2와 동일한 버너(1)를 제작하여 실험한 결과 2차공기 노즐(23)의 수, 2차공기노즐(23)의 버너(1) 중심으로부터의 위치, 공기의 분사속도등의 변화에 따라 질소산화물(NOx)의 발생량이 가변적이었으며, 또한 일부 조건에서는 미연분(CO)이 다량 발생되는 문제점이 있는 것을 파악할 수 있었다. 즉, 2차공기 노즐(23)이 연료노즐(21)에 가까운 경우는 미연분의 문제는 없는 대신 질소산화물(NOx)의 발생량이 많았으며, 2차공기노즐(23)이 연료노즐(21)에서 멀어질수록 질소산화물(NOx)의 발생량은 감소하나 화염이 불안정해지고 미연분의 발생량이 많았다. 따라서 도 2에 도시한 종래 저질소산화물(NOx) 버너는 많은 개선의 여지가 있음을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 종래의 산소부화용 버너는 실용적으로 만족할 만한 저질소산화물(NOx) 연소는 곤란한 문제점을 가지고 있는 것이며 향후 산소부화 연소의 적용확대를 위해서는 안정연소, 완전연소가 가능한 저질소산화물(NOx) 연소기술이 요구되는 것이다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 저질소산화물 산소부화 연소버너가 갖는 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 화염의 안정성과 미연분의 문제를 해결하면서 질소산화물(NOx) 발생량을 극저감시킬 수 있는 새로운 저질소산화물(NOx) 산소부화용 버너를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 공기 2단연소식 저질소산화물(NOx) 연소버너의 단면도,

도 2a는 종래 저질소산화물(NOx) 산소부화 연소버너의 단면도,

도 2b는 도 2a에 도시한 종래 저질소산화물(NOx) 산소부화 연소버너의 측면

도,

도 3a는 본 발명 저질소산화물 산소부화 연소버너의 단면도,

도 3b는 도 3a에 도시한 저질소산화물 산소부화 연소버너의 일실시예를 나타

낸 측면도,

도 3c는 도 3a에 도시한 저질소산화물 산소부화 연소버너의 다른 일실시예를

나타낸 측면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 버너 11 : 1차공기

12 : 2차공기 13 : 댐퍼

14 : 연료공급관 21 : 연료노즐

22 : 1차공기노즐 23 : 2차공기노즐

25 : 버너타일 31 : 소공 2차공기노즐

32 : 대공 2차공기노즐

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 저질소산화물 산소부화 연소버너는 버너(1)의 중심에 연료노즐(21)을 구비한 버너(1)에 있어서, 상기 연료노즐(21)의 외주에 연료노즐(21)과 인접하여 1차공기노즐(22)을 설치하고, 상기 1차공기노즐(22)의 외주 버너타일(25) 상의 직경이 서로 다른 두개의 동심원중 1차공기노즐(22) 인접 동심원상에 소공 2차공기노즐(31)과 소공 2차공기노즐(31) 외부 동심원상에 대공 2차공기노즐(32)을 다수개 설치하되 상기 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)을 반경방향으로 서로 어긋나게 설치하여서 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명 저질소산화물 산소부화 연소버너의 작용을 상세하게 설명한다.

본 발명 저질소산화물(NOx) 산소부화 버너의 구조를 단면도와 측면도로서 도 3에 도시하였다. 도 3a는 도 3b의 A-A선 단면도이다. 연료노즐(21)은 버너(1)의 축심 중앙에 위치한다. 연소용 공기는 연료노즐(21) 외주의 환상 1차공기노즐(22)로 공급되는 1차공기(11)와 각각 직경이 다른 연료노즐(21) 외주의 두개의 동심원상에 복수개의 2차공기노즐(31),(32)을 통하여 분사되는 2차공기(12)로 나누어 공급되는 구조이다.

2차공기노즐(31),(32)은 버너타일(25)내에 천공된 구조이다. 2차공기노즐(31 ),(32)은 연료노즐(21)로 부터 상대적으로 멀리 떨어진 동심원상에 위치하는 복수개의 대공 2차공기노즐(32)과 연료노즐(31)과 가까운 동심원상에 위치하는 다수개의 소공 2차공기노즐(31)로 이루어진다. 도 3b와 도 3c를 참조하면 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)은 반경방향으로 위치가 서로 중첩되지 않도록 상호 노즐간의 중간에 위치된다. 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)은 다수개이며, 각각 3내지 4개가 바람직하고, 상호 갯수가 동일하다. 버너(1)의 구조상 특징을 요약하면 2차공기 노즐(31),(32)이 서로 직경이 다른 동심원상에 다수개의 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)로 구분되어 배치되며, 노즐간 반경방향의 위치가 상호 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성의 버너(1)는 먼저 소공 2차공기노즐(31)이 연료노즐(21)과 근접한 위치에 배치되는데, 이렇게 함으로서 1차공기노즐(22)를 통하여 분사되는 1차공기(11)와 상호 보완적으로 연료와 반응하여 화염의 안정성을 확보할 수 있다. 또한 소공 2차공기노즐(31)을 통하여 분사되는 2차공기(12)는 연료분류와의 혼합이 촉진되므로 완전연소성이 증진되어 미연분의 문제를 해소할 수 있는 것이다. 대공 2차공기노즐(32)에서 분사되는 2차공기(12)는 1차연소에서의 미연분을 완전히 연소시키게 된다.

고속분사연소에서 질소산화물(NOx) 발생량을 극 저감시키기 위해서는 노내가스의 흡인량을 극대화할 수 있도록 공기노즐이 위치하여야 한다. 통상 가열로등의 직경은 버너(1)의 직경보다 매우 크며, 이때 노내의 연소가스를 공기 분류중에 흡인시키려면 공기노즐이 가능한 한 버너의 축심으로부터 멀리 배치되는 것이 바람직하나 이때는 연료분류로부터의 거리가 멀어지므로 연료와 공기의 혼합불량에 의해 미연분이 발생되는 것이다, 즉 도 2와 같은 종래 버너에서 2차공기노즐(23)을 동일한 동심원상에 배치하면 연료노즐(21)과 2차공기노즐(23)이 가까운 경우는 노내 연소가스의 흡인량 저하에 의한 질소산화물(NOx)의 과다발생 현상이 야기되며, 반대로 그 거리가 멀때는 질소산화물(NOx)은 저감되나 미연분이 다량 발생하는 것이다.

통상 유체역학적으로 압력이 동일하면 구경이 큰 노즐에서 분사되는 유체의 모멘텀이 구경이 작은 노즐에서 분사되는 유체의 모멘텀보다 커서 유체분류의 도달거리가 연장된다. 본 발명에서 상대적으로 버너(1)의 중심에서 먼 동심원상에 대공 2차공기노즐(32)을 배치한 것은 위와 같은 원리로 노내의 연소가스를 최대한 흡인하기 위한 것이다.

또한 소공 2차공기노즐(31)을 대공 2차공기노즐(32)과 반경방향으로 서로 어긋나게 배치함으로서 소공 2차공기노즐(31)에서 분사되는 공기도 최대한 노내의 연소가스를 흡인할 수 있으며, 따라서 질소산화물(NOx) 저감과 미연분 문제의 해결이 가능한 것이다.

[실시예]

도 2에 도시한 종래 버너와 본 발명의 버너를 사용하여 산소부화 연소실험을 실시하였다. 이때 실험용 버너(1)의 연소용량은 10만kcal/hr였고 연료로는 상용 LPG를 사용하였다. 연료와 공기의 분출속도는 상온기준으로 각각 15m/s 와 40m/s로 하였다. 실험은 1.2m(W)×1.2m(H)×2.5m(L)의 직육면체 실험로를 이용하였고 연소용 공기중 산소농도는 40%, 공기비는 1.1, 1차공기 분율 20%를 기준으로 하여 실험한 결과는 다음과 같다.

이하의 측정치는 노온 1,300℃에 대한 것이다.

종래 버너에 대한 실험에서는 버너타일(25)의 직경이 300mm이고 2차공기노즐 (23)의 수는 8개인 경우를 대상으로 하였다. 버너(1)의 중심으로부터 2차공기노즐( 23) 중심까지의 거리가 70mm일 때 질소산화물(NOx) 300ppm, CO 20 ppm이 발생되었으며, 2차공기노즐(23) 까지의 거리가 120mm인 경우는 질소산화물(NOx) 150ppm, CO 550 ppm이 발생되었다. 이로부터 종래 버너(1)는 저질소산화물(NOx)과 완전연소를 동시에 달성하는 것은 곤란함을 알 수 있었다.

본 발명의 버너(1)에 대한 실험에서는 소공 2차공기노즐(31) 4개, 대공 2차공기노즐(32) 4개에 대하여 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)의 버너( 1) 중심으로 부터의 거리를 각각 70mm와 120mm로 하고, 소공 2차공기노즐(31)로 전체 연소용 공기의 20%, 대공 2차공기노즐(32)로 60%가 공급되도록 하였다. 실험결과 중래 버너(1)와 동일한 연소조건에서 질소산화물(NOx) 80ppm, CO 20 ppm이 발생되는 것으로 나타났으며, 이러한 결과로부터 본 발명의 버너(1)는 위에서 설명한 원리가 구현되는 것으로 판단되며, 질소산화물(NOx)과 CO 문제를 동시에 해결가능함을 알 수 있었다.

한편 2차공기 노즐의 수를 6개와 4개로 변경하여 실험한 결과 노즐수가 4개인 경우는 질소산화물(NOx) 발생량이 노즐수 8개의 경우보다 증가하였으나, 노즐수가 6개인 경우는 감소하였는 바 적용대상 버너(1)의 용량(크키)별로 2차공기 노즐의 수는 변경이 가능하다.

상기한 바와 같이 작용하는 본 발명 저질소산화물 산소부화 연소버너는 2차공기를 분할하여 공급함으로서 대공 2차공기노즐과 소공 2차공기노즐에서 분사되는 공기의 모멘텀에 의해 노내 연소가스를 다량으로 흡인할 수 있어서 질소산화물(NOx )의 저감이 가능하고, 상대적으로 소량의 공기가 공급되는 소공 2차공기 노즐이 연료노즐에 인접하여 위치함으로서 저질소산화물(NOx) 연소시에도 미연분의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims

버너(1)의 중심에 연료노즐(21)을 구비한 버너(1)에 있어서, 상기 연료노즐( 21)의 외주에 연료노즐(21)과 인접하여 1차공기노즐(22)을 설치하고, 상기 1차공기노즐(22)의 외주 버너타일(25) 상의 직경이 서로 다른 두개의 동심원중 1차공기노즐(22) 인접 동심원상에 소공 2차공기노즐(31)과 소공 2차공기노즐(31) 외부 동심원상에 대공 2차공기노즐(32)을 다수개 설치하되 상기 소공 2차공기노즐(31)과 대공 2차공기노즐(32)을 반경방향으로 서로 어긋나게 설치하여서 구성된 것을 특징으로 하는 저질소산화물 산소부화 연소버너.