KR100372143B1 - 저질소산화물버너 - Google Patents

Abstract

목적 : 본 발명은 미분탄의 연소시 발생되는 질소산화물과 분진을 감소시킬 수 있는 저 질소산화물 버너를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 미분탄 버너의 화로에 확산형 보염기를 포함하는 미분탄 노즐이 연결되고, 이 미분탄 노즐의 외측에 외부공기를 흡입·선회시키는 복수의 베인이 각각 장착된 공기 공급통을 설치하며, 이 공기 공급통의 내부에 외부공기를 이차공기와 삼차공기로 분리시키는 분리통을 설치하고, 이 분리통의 선단부에 상기 이차공기와 삼차공기의 유동방향을 변화시키는 상·하향 환형 팁이 설치되는 저 질소산화물 버너를 기술적 구성으로 한다.

효과 : 질소산화물의 생성이 공해배출 허용 기준을 초과하지 않으므로 환경오염을 예방할 수 있고, 환경오염에 따른 환경 개선 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

저 질소산화물 버너

본 발명의 저 질소산화물 버너에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화석연료의 연소로 인하여 발생되는 질소산화물은 환경오염의 주요 물질로 지적되어 왔는데, 이러한 질소산화물을 연소과정에서 감소시킬 수 있는 저 질소산화물 버너에 관한 것이다.

종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은 연소용 공기중에 함유된 질소가 고온의 화로내에서 과잉산소와 반응하면서 생성되는 열적 질소산화물(Thermal No_x)을 감소시키기 위해서 질소의 반응을 억제하고 공기 부족에 의해 발생되는 불완전 연소물을 노내 온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전 연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

화로 전체를 기준으로 버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하고, 또 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기부족 상태를 유지한다. 이 때 생성된 불완전 연소물을 완전 연소시키기 위해서 2차 연소공기를 공급한다.

여기서 버너 앞부분에서의 연료과잉, 공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되어 있는 방법은, 1차 연소된 가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 버너로 재유입시킨 후 연소시키는 연소가스 재순환법과, 연소공기의 일부분을 버너 상부에 설치된 구멍으로 직접보내어 버너지역에서 불완전 연소된 연소가스를완전 연소시키는 질소산화물 감소법, 그리고 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 저 질소산화물 버너 등으로 구분할 수 있는 데, 연소가스 재순환법과 질소산화물 감소법은 질소산화물 감소 효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야 함으로 경제적인 부담 및 설비, 보수, 유지 등에 지속적인 부담이 요구된다. 따라서 최근에는 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비 없이 질소산화물을 저감할 수 있는 공기역학적 방법이 선호되는 추세이다.

도 5 에서는 종래의 공기역학적 방법에 의한 저 질소산화물 버너를 나타내고 있다.

액체 연료를 화로의 내부로 공급하는 확산형 보염기(2)가 도시하지 않은 화로의 일부에 형성된 관통구(4)를 통해 연통되어 설치되고, 확산형 보염기의 외측에는 화석 연료의 일종인 미분탄과 일차공기를 혼합하여 공급할 수 있는 원통형의 미분탄 노즐(6)이 설치된다.

그리고 미분탄 노즐(6)의 외측에는 이차공기 유입용 베인(vane;8)과 삼차공기 유입용 베인(10)이 각각 설치된 이차공기 공급통(12)과 삼차공기 공급통(14)이 설치된다. 이들 이차공기 공급통과 삼차공기 공급통의 사이에는 분리통(16)을 설치하여 베인들(8)(10)에 의해 유입되는 외부공기를 이차공기와 삼차공기로 분리되도록 한다.

이러한 저 질소산화물 버너는 미분탄 노즐(6)을 통해 공급되는 미분탄과 1차공기가 확산형 보염기(2)에 의해 점화되어 화염장을 형성하는 데, 이 때 이차공기 공급통(12)과 삼차 공기 공급통(14)에 설치된 이차·삼차 공기 유입용 베인(8)(10)은 외부공기를 유입하여 이차·삼차공기를 형성한다. 이 공기들은 미분탄의 휘발성분을 방출시키는 효과와 함께 미연소된 휘발성분과 연소되고 남은 촤(char)를 충분한 산소상태로 유지하여 완전연소를 도모하게 된다.

본 발명은 이와같은 종래의 저 질소산화물 버너에서 좀더 향상된 완전연소를 추구하기 위해 개선방안을 제안하려 한다.

즉, 화로 내의 초기 연소영역에서 미분탄의 분포를 버너 중심부로 향하도록 유도하여 이론 당량비보다 약간 작은 연료과잉 상태를 유지할 수 있도록 하며, 연소가스 재순환 영역의 후반부에서는 미분탄과 일차 및 이차 공기의 혼합 활성화를 촉진시켜 미분탄의 휘발성분을 방출시키고 미분탄의 연소중간생성물(HCN) 생성량을 증대시키며 그 결과 초기 연소영역에서 발생된 질소산화물과 환원반응을 일으켜, 최종적으로 질소산화물이 감소되도록 하는 것이 목적이다.

아울러, 화염장의 중단부를 온화한 연소가 진행되도록 하여 재차 질소산화물을 저감시키도록 하며, 주된 연소공기의 화로내 후류집중을 유도하여 화염장 후류에서의 활발한 연소로 촤 성분 중의 미연분 증가도 방지시키기 위한 저 질소산화물 버너를 제공하는 것이 목적이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 화로에 확산형 보염기를 포함하는 미분탄 노즐이 연결되고, 이 미분탄 노즐의 외측에 외부공기를 흡입·선회시키는 복수의 베인이 각각 장착된 공기 공급통을 설치하며, 이 공기 공급통의 내부에 설치되어 외부공기를 이차공기와 삼차공기로 분리시키는 분리통과, 이 분리통의 선단부에 상기 이차공기와 삼차공기의 유동방향을 변화시키는 상·하향 환형 팁이 설치되는 기술적 구성으로 한다.

특히, 상기 하향 환형팁은 상기 확산형 보염기의 축 방향으로 기울게 설치되어 상기 이차공기의 유동방향을 상기 확산형 보염기에서 분출되는 연료의 진행방향으로 집중되도록 함을 특징으로 한다.

다른 특징으로 상기 상향 환형팁은 하향 환형팁의 기울기의 대향되는 측으로 기울게 설치되어 상기 삼차공기의 유동방향을 화로 내의 후류 방향으로 유도하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 저 질소산화물 버너의 구성을 개략적으로 도시한 단면도

도 2는 본 발명에 따른 저 질소산화물 버너의 연소에 따른 화염의 형상을 도시한 개념도

도 3은 본 발명에 따른 저 질소산화물 버너의 화로내에서 온도 분포 특성을 도시한 그래프

도 4는 본 발명에 따른 저 질소산화물 버너의 질소산화물 및 분진 배출 특성을 도시한 그래프

도 5는 종래의 저 질소산화물 버너의 구성을 개략적으로 도시한 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 관통구 22 : 확산형 보염기

24 : 미분탄 노즐 26 : 이차공기 유입용 베인

28 : 삼차공기 유입용 베인 30 : 이차공기 공급통

32 : 삼차공기 공급통 34 : 분리통

36 : 상향 환형 팁 38 : 하향 환형 팁

이하 본 발명에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1 에는 본 발명의 특징에 따른 저 질소산화물 버너의 개략적인 단면도를 나타내고 있다.

도시하지 않은 화로에는 관통구(20)가 형성되고, 이 관통구에 액체 연료를 화로의 내부로 공급하는 확산형 보염기(22)가 연접되며, 확산형 보염기의 외측에는 화석연료의 일종인 미분탄과 일차공기를 혼합하여 공급할 수 있는 원통형 모양의 미분탄 노즐(24)이 설치된다.

미분탄 노즐의 외측에는 이차공기 유입용 베인(26)과 삼차공기 유입용베인(28)이 각각 장착되는 이차공기 공급통(30)과 삼차공기 공급통(32)이 설치되며, 이들 이차공기 공급통과 삼차공기 공급통의 사이에는 원통형 모양의 분리통(34)이 설치되어 베인들(26)(28)에 의해 화로의 내부로 유입되는 외부공기를 이차공기와 삼차공기로 분리되도록 한다.

이러한 분리통(34)의 화로측 원주 끝단에는 본 발명의 특징에 따른 상·하향 환형 팁(tip;36)(38)이 설치되는 데, 상향 환형 팁(36)은 원통형 분리통(24)의 중심축에 대해 외측으로 기울게 설치되고, 하향 환형 팁(38)은 원통형 분리통(24)의 중심부, 즉 확산형 보염기(22)가 설치된 중심부 측으로 기울게 설치된다.

이에 따라 이차공기는 하향 환형 팁(38)에 의해 확산형 보염기의 불꽃 진행 방향으로 유도 분사되어 유동되고, 삼차공기는 상향 환형 팁(36)에 의해 도시하지 않은 화로 내의 후류 방향으로 분사되어 유동된다.

본 발명에 따른 버너는 화로내에서 도 2 에 도시된 바와 같은 화염 형상을 나타내는데, 버너를 작동시키면 확산형 보염기에서 불꽃이 점화되고, 이와 거의 동시에 미분탄 노즐을 통해 미분탄과 일차공기의 혼합물질이 화로 내부로 분출되어 확산형 보염기의 불꽃에 점화된다. 이 때 미분탄과 일차공기의 혼합물질은 미분탄 노즐의 내부에서 선회되어 원심력이 발생되므로 화로 내부에서 퍼져 나가게 된다.

이어서, 연소공기로 작용되는 외부공기가 이차·삼차공기 유입용 베인에 의해 각각 분리되어 이차·삼차공기 공급통으로 유입되어 이차공기와 삼차공기를 형성하는데, 이러한 이차·삼차공기는 상기 베인에 의해 공급통의 내부에서 선회력을 갖고, 분리통의 내측과 외측의 유로를 통해 버너 출구를 지나 화로로 유입된다.

도 2에서 확산형 보염기(22) 선단의 초기 연소영역에서는, 이차공기가 본 발명의 특징에 따라 분리통(34)의 끝단에 설치된 하향 환형 팁(38)의 기울기로 인해 확산형 보염기(22) 측으로 유선형을 그리며 분출됨으로써, 미분탄 노즐(24)에서 분출된 미분탄을 확산형 보염기의 중심 축으로 유도 및 응집시킴에 따라 이론 당량비보다 약간 작은 연료과잉 상태를 유지함으로써 질소산화물의 생성을 억제한다.

도 2의 I 로 표시된 휘발분 연소 영역에서는, 상기 이차공기가 확산형 보염기(22) 측으로 유선형을 그리며 분출됨으로서, 미분탄 노즐(24)에서 분출된 미분탄을 확산형 보염기의 중심 축으로 유도함에 따라 미분탄과 이차공기의 일부가 혼합되는 지점에서부터 화로내의 미분탄 흐름을 확산형 보염기(22)의 중심 축 방향과 평행한 방향으로 유지시킨다.

이렇게 이차공기에 의해 제어된 미분탄 흐름은 확산형 보염기(22)의 영향으로 버너 중심부를 따라 형성되는 고온의 연소가스 재순환 영역, 즉 휘발분 연소 영역에서 유동하면서 휘발화가 촉진된다. 이 과정에서 미분탄과 일차 및 이차공기의 혼합 활성화가 촉진되며 휘발분 중에 포함된 대부분의 질소성분은 질소산화물보다 는 질소분자로 전환되며, 미분탄 내의 휘발성분 방출량이 증가되어 미분탄의 연소 중간생성물(HCN) 생성량이 증대됨으로써 질소산화물과의 환원반응을 유도하여 질소산화물이 감소되도록 한다.

도 2 의 Ⅱ로 표시된 촤 연소 영역에서는, 상기 삼차공기가 본 발명의 다른 특징에 따라 분리통(34)의 끝단에 설치된 상향 환형 팁(36)의 기울기로 인해 화로벽측으로 변경되면서 화염장보다는 화로벽측을 따라 화염장 끝단과 접촉하면서 화염장 후류부로 집중된다. 이러한 삼차공기의 분포제어로 인해 화염장은 화로 벽측으로 넓어진 상태를 유지하면서 도시하지 않은 화로 출구부로 완만하게 흘러간다. 이에 따라, 종래에 비해 넓혀진 화염장으로 인하여 화로벽 전체에서 활발한 방열작용이 이루어져 화염장 온도는 낮게 유지된다. 즉, 화염장은 도 3 에 도시된 바와 같이 화염장 전체에서 급격한 온도 증가없이 거의 균일한 온도분포를 유지하게 되어 열적 질소산화물의 급격한 생성을 억제하게 된다.

아울러, 미분탄의 휘발성분이 연소되고 남은 촤성분은 이차공기와 함께 화로의 출구부의 화염장 끝부분으로 선회되어 삼차공기의 일부와 혼합되면서 낮은 온도의 화염장을 형성하기 때문에 촤 중에 포함된 질소성분도 대부분 질소분자로 전환됨에 따라 미분탄의 휘발성분에 의한 질소산화물 생성과 촤 성분에 의한 질소산화물 생성을 동시에 억제하게 된다.

이러한 질소산화물 억제과정에서 필연적으로 증가되는 미분탄의 미연분은 도 2 의 Ⅲ 영역인 완전연소 영역에서 화염장 후류의 삼차공기와 활발하게 혼합되면서 완전연소하게 된다. 즉, 화염장 후류에서의 연소는 촤 연소 영역에서 연소되기 시작한 대부분의 촤 성분이 계속적으로 연소되는 것으로 화염장 후류로 이동하면서 충분하게 가열된 삼차공기와 혼합되므로 활발하게 연소하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 저 질소산화물 버너는 종래의 제품보다 개선된 효과를 얻을 수 있는 데, 도 3 과 도 4에서 그 결과를 나타내고 있다.

즉, 도 3 에 도시한 바와 같이, 본 발명(a)에 관련된 화로 내의 화염온도는 종래(b) 버너에서보다 완만한 온도 분포를 보이면서 버너 관통구 근처에서 급격한 화염온도 증가가 없어 이 부분에서 질소산화물의 급격한 생성을 억제할 수 있다.

또한, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 버너는 미분탄 중의 질소가 질소분자로 전환되는 결과로 질소산화물이 종래의 버너보다 약 30 퍼센트 더 감소되며, 분진량의 특별한 증가도 예방할 수 있다.

이와같이 본 발명의 저 질소산화물 버너를 사용하게 되면, 연료 중에 함유된 질소량이 상대적으로 높은 미분탄의 연소시에 질소산화물의 생성이 공해배출 허용 기준을 초과하지 않으므로 환경오염을 예방할 수 있고, 환경오염에 따른 환경 개선 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 화로 내에서 연료를 연소시킬 때 발생하는 열에너지를 이용하는 버너에 있어서,

   상기 화로에 확산형 보염기(22)를 포함하는 미분탄 노즐(24)이 연결되고, 이 미분탄 노즐의 외측에 외부공기를 흡입·선회시키는 복수의 베인(26)(28)이 각각 장착된 공기 공급통(30)(32)을 설치하며, 이 공기 공급통의 내부에 설치되어 외부공기를 이차공기와 삼차공기로 분리시키는 분리통(34)과, 이 분리통의 선단부에 상기 이차공기와 삼차공기의 유동방향을 변화시키는 상·하향 환형 팁(36)(38)이 설치되는 구성으로 이루어짐을 특징으로 하는 저 질소산화물 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하향 환형팁(38)은 상기 확산형 보염기(22)의 축 방향으로 기울게 설치되어 상기 이차공기의 유동방향을 상기 확산형 보염기에서 분출되는 연료의 진행방향으로 집중되도록 함을 특징으로 하는 저 질소산화물 버너.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상향 환형팁(36)은 상기 하향 환형팁(38)의 기울기의 대향되는 측으로 기울게 설치되어 상기 삼차공기의 유동방향을 화로 내의 후류 방향으로 유도하는 것을 특징으로 하는 저 질소산화물 버너.