KR100387592B1

KR100387592B1 - 질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너

Info

Publication number: KR100387592B1
Application number: KR10-1998-0061341A
Authority: KR
Inventors: 안성수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2003-10-17
Also published as: KR20000044841A

Abstract

본 발명은 연소가스의 잠열을 축열체에 저장하고 축열체에 저장된 열을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 예열하여 연소로의 열효율을 향상시키는 축열식 버너의 배기가스에 포함된 질소산화의 양을 최소화시켜 환경오염을 방지할 수 있는 질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너에 관한 것으로서, 연소로의 양측에 연소부를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 현열을 축열체로 축열하여 흡입관을 통해서 흡입되는 연소공기를 예열하는 축열식 버너에 있어서, 상기 흡입관에 연결되며 상측에는 회전가능한 댐퍼가 설치되고 중앙에는 연료를 공급하는 연료공급관이 삽입된 주배관과, 상기 댐퍼에 의해서 분배된 연소공기를 이동시키기 위하여 주배관의 내부에 순차적으로 설치된 1차·2차연소공기공급관과, 상기 주배관의 단부에 설치되며 내부공간보다 단부의 면적이 작은 통공이 구비된 연소통과, 상기 연소통에 2차연소공기공급관과 관통되도록 형성되어 2차연소공기를 연소로의 내부로 분사시키는 2차연소공기노즐과, 상기 통공과 2차연소공기노즐의 사이에 형성되어 연소가스를 2차연소공기노즐로 공급하는 연결공으로 이루어진 것이다.

Description

질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너

본 발명은 연소가스의 잠열을 축열체에 저장하고 축열체에 저장된 열을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 예열하여 연소로의 열효율을 향상시키는 축열식 버너의 배기가스에 포함된 질소산화의 양을 최소화시켜 환경오염을 방지할 수 있는 질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너에 관한 것이다.

일반적으로 가열로 및 기타 공업로에는 연소가스에 포함된 폐열을 회수하여 연소공기의 온도를 상승시키는 축열식 버너가 널리 사용되고 있는바, 상기 축열식 버너는 도 1에 도시된 바와같이 연소로(1)의 내부에는 피가열물(2)을 지지하기 위한 스키드(1a)가 설치되어 있고 상기 연소로(1)의 양측에는 연소부(3)(3a)가 각각 설치되어 있으며 상기 각 연소부(3)(3a)의 내부에는 연료가 공급되는 연료노즐(4)(4a)이 설치되어 있다.

그리고 상기 각 연소부(3)(3a)의 내부에는 배기가스에 포함된 잠열을 축열하는 축열체(5)(5a)가 내장되어 있고 각 연소부(3)(3a)의 끝단에는 연결관(6)(6a)이 설치되어 있으며 상기 연결관(6)(6a)은 사방으로 절환되는 절환밸브(7)와 연결되어 있다.

한편 상기 절환밸브(7)에는 외부의 연소공기를 흡입하는 흡입관(8a)과 배기가스를 외부로 배출시키는 배기관(8)이 설치되어 있고 상기 흡입관(8a)과 배기관(8)에는 연소공기 및 배기가스를 강제 순환시키기 위한 흡입팬(9a) 및 배기팬(9)이 각각 설치되어 있다.

따라서 연소로(1)의 내부에 설치된 스키드(1a) 상부에 피가열물(2)을 안착시킨 후 연료노즐(4)에 설치된 밸브를 개방시키고 연료노즐(4a)에 설치된 밸브를 폐쇄시켜 연소부(3)측으로만 연료가 공급되도록 하고 흡입팬(9a)을 작동시키면 상기 흡입팬(9a)으로 흡입된 연소용공기는 절환밸브(7)를 통해서 축열체(5)를 지나면서 열교환을 하여 온도가 상승된 상태로 상기 연소부(3)를 통하여 연소로(1)의 내부로 공급되어 연료노즐(4)로 공급되는 연료와 혼합된다.

이때 연소부(3)에 장착된 점화장치(도면 미도시)가 작동되면 공기와 혼합된 연료가 점화되어 연소로(1) 내부에서 연소되며 이때 발생된 고온의 연소가스는 스키드(1a)의 상부에 안착된 피가열물(2)을 가열시킨 후 타측을 통하여 연소부(3a)로 이동되어 이에 내장된 축열체(5a)에서 열교환을 하고, 상기 축열체(5a)를 통해서 배출되는 저온의 배기가스는 배기팬(9)에 의해서 강제순환되어 외부로 배출된다.

이와같이 연소부(3)를 일정시간 동작시킨 후에는 연료노즐(4)에 설치된 밸브를 폐쇄시키고 연료노즐(4a)에 설치된 밸브를 개방시키며 절환밸브(7)를 절환하여 연소부(3a)를 작동시켜 발생되는 배기가스를 연소부(3)측으로 배출시키는 과정을 반복하면서 피가열물(A)을 가열하게 된다.

이와같은 축열식 버너는 배기가스의 잠열을 회수하여 연소공기를 고온으로 예열가능하여 종래의 연소법 대비 30% 이상의 열효율 향상이 가능하다는 유익한 특징을 가지고 있지만, 열효율이 높음에도 불구하고 축열식 버너의 실기 적용은 매우 제한적인데 이는 고온공기의 사용에 따른 질소산화물의 다량발생 때문이다.

즉 질소산화물의 발생은 연소온도에 비례하는데 축열식 연소에서는 연소공기의 온도가 높고 연소온도는 연소공기의 온도에 직선적으로 비례하기 때문에 종래의 연소법에 비례하여 다량의 질소산화물이 발생하게 되므로 질소산화물의 발생량을 최소화 할 수 있는 장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

종래에는 도 2에 도시된 바와같이 측열체(5)와 열교환을 하여 온도가 상승된 연소공기는 주배관(10)에 설치된 댐퍼(11a)에 의해서 분배되어 1차노즐(20a)과 2차노즐(30a)을 통하여 분사되고 상기 1차노즐(20a)을 통하여 분사되는 연소공기는 연료노즐(40a)을 통하여 분사되는 연료와 혼합되어 상기 연료노즐(40a)의 단부에서 1차연소되며 이는 2차노즐(30a)을 통하여 분사되는 연소공기와 혼합되면서 연소로(1)의 내부에서 2차연소되어 연소화염이 다단으로 형성되면서 최고화염의 온도를 낮추는 2단연소방법(二段燃燒方法)으로 질소산화물의 생성을 최소화 하고 있다.

그러나 이러한 종래의 2단연소방법은 연소공기의 예열온도가 600℃이하인 축열식 버너에서는 질소산화물의 생성을 줄이는 데 효과가 있으나 연소공기의 예열온도가 600℃이상인 축열식 버너에서는 질소산화물의 생성량을 현재의 환경규제치인 200ppm이하로 낮추는데 불충분하였다.

따라서 연소공기의 예열온도가 600℃이상인 축열식 버너에서는 배기가스의 일부를 연돌(煙突)로 배출시키기 전에 별도의 배관을 통해 연소공기와 혼합시켜 연소속도 및 최고화염온도를 낮추는 배가스재순환방법등이 사용하여 질소산화물의 생성량을 규제치 이하로 낮추고 있으나 버너의 외부에서 별도의 배기가스 배관을 연도(煙道)에서 송푼팬(Fan)까지 설치해야 하므로 전체 배관이 복잡해지고 배관설치비용이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연소가스가 배출되는 버너 스로웃(Burner Throat)이 내부단면적보다 좁고 중간부분에서 2차연소 공기노즐로 연결되어 있는 복수개의 연소가스통로를 배치한 연소통(燃燒筒)내부에서 1차연소공기와 연료가 혼합되면서 1차연소가 일어나고 이때 발생되는 연소가스의 일부분이 2차연소 공기노즐로 연결된 연소가스통로를 통해 공급되는 2차연소용공기와 혼합되어 2차연소용 노즐내부에서 2차연소가 일어나며, 최종적으로 버너 스로웃을 통해 분사된 1차연소가스와 연소가스로 희석된 2차연소용공기가 버너 외부에서 혼합되어 3차연소를 이루게 되므로서 연소화염을 다단으로 형성시키게 됨에 따라 버너 외부에 별도의 배가스재순환 배관을 설치하지 않고도 버너노즐내부에서 1차연소가스를 2차연소공기와 혼합시킴으로서 버너 자체에서 배가스재순환효과를 발생시켜 고온의 연소공기를 사용하면서도 질소산화물의 발생량을 기준치이하로 낮추어 환경오염을 예방할 수 있는 질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기위한 본 발명은 연소로의 양측에 연소부를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 현열을 축열체로 축열하여 흡입관을 통해서 흡입되는 연소공기를 예열하는 축열식 버너에 있어서, 상기 흡입관에 연결되며 상측에는 회전가능한 댐퍼가 설치되고 중앙에는 연료를 공급하는 연료공급관이 삽입된 주배관과, 상기 댐퍼에 의해서 분배된 연소공기를 이동시키기 위하여 주배관의 내부에 순차적으로 설치된 1차·2차연소공기공급관과, 상기 주배관의 단부에 설치되며 내부공간보다 단부의 면적이 작은 통공이 구비된 연소통과, 상기 연소통에 2차연소공기공급관과 관통되도록 형성되어 2차연소공기를 연소로의 내부로 분사시키는 2차연소공기노즐과, 상기 통공과 2차연소공기노즐의 사이에 형성되어 연소가스를 2차연소공기노즐로 공급하는 연결공으로 이루어진 것이다.

도 1은 일반적인 축열식 버너를 도시한 개략도,

도 2는 종래 축열식 버너의 연소부를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 축열식 버너의 연소부를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 축열식 버너의 연소부에 화염이 발생되는 상태의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연소로 3, 3a : 연소부

6 : 흡입관 10 : 주배관

11 : 댐퍼 20 : 1차연소공기공급관

30 : 2차연소공기공급관 40 : 연료공급관

60 : 연소통 61 : 통공

70 : 2차연소공기노즐 80 : 연결공

이하 본 발명을 도시한 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 축열식 버너의 연소부를 도시한 단면도로서, 본 발명 연소부는 축열식 버너의 양측에 설치되며 이는 연소공기가 공급되는 연결관(6)에 연결되는 주배관(10)의 상부에 연소공기의 공급비율을 조절하여 화염형상 및 연소특성을 변하시킬 수 있는 댐퍼(11)가 회전가능하게 설치되어 있고 상기 주배관(10)의 중앙에는 연료가 공급되는 연료공급관(40a)이 삽입되어 있으며 그 외측에는 댐퍼(11)에 의해서 분배된 1차연소공기가 이동하는 1차연소공기공급관(20) 및 2차연소공기가 이동하는 2차연소공기공급관(30)이 순차적으로 설치되어 있고 상기 1차·2차연소공기공급관(20)(30)의 내부에는 축열체(5)가 내장되어 있다.

상기 주배관(10)의 단부에는 내부공간보다 단부의 면적이 작은 통공(61)이 구비된 연소통(60)이 설치되어 있고 상기 연소통(60)에는 2차연소공기공급관(30)과 관통되어 2차연소공기를 연소로(1)의 내부로 분사시키는 2차연소공기노즐(70)이 형성되어 있으며 상기 통공(61)과 2차연소공기노즐(70)의 사이에는 연결공(80)이 관통되도록 형성되어 있다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

축열식 버너의 양측에 설치된 연소부중 어느일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 연소를 하며 일정시간이후에는 연소모드와 배기모드를 절환하는 과정을 반복하는 것으로서 연소모드로 동작을 할 때에는 연결관(6)을 통하여 공급되는 연소공기는 주배관(10)의 상부에 설치된 댐퍼(11)에 의해서 분배되어 1차연소공기공급관(20)과 2차연소공기공급관(30)으로 이동하여 축열체(5)와 열교환을 하여 온도가 상승된 1차연소공기는 연소통(60)에 형성된 통공(61)으로 분사되고 2차연소공기는 상기 연소통(60)에 형성된 2차연소공기분사노즐(70)을 통하여 연소부(1)의 내부로 분사된다.

이때 주배관(10)의 중앙에 삽입된 연료노즐(40)을 통하여 통공(61)의 내부로 연료가 공급되면 상기 1차연소공기와 혼합되어 점화장치(도면 미도시)에 의해서 연소통(60)의 내부에서 1차연소가 일어나며 이러한 1차연소는 이론연소의 비율보다 적은 양의 1차연소공기와 연료가스가 혼합됨으로서 연료 과잉상태로 연소가 이루어지게 되므로 정상적인 연소에 비하여 연소화염온도가 낮아지게 되어 고온의 발열온도에 의해서 발생되는 질소산화물의 발생량이 감소하게 된다.

한편 상기 1차연소에 의해서 발생된 연소가스는 상기 통공(61)의 단부를 통해 배출되지만 통공(61)은 그 단부의 단면적이 내부의 단면적 보다 작으므로 통공(61)의 내부에는 양(陽)의 압력이 발생하게 되고, 이에따라 연소통(25)내부의 1차연소에 의해 발생된 연소가스의 일부는 통공(61)과 2차연소공기노즐(70)의 사이를 관통하도록 형성된 연결공(80)을 통해 2차연소공기노즐(70)로 유입된다.

따라서 2차연소공기노즐(70)로 유입된 연소가스는 2차연소공기와 혼합되면서 2차연소공기노즐(70)내부에서 연료희박상태로 2차연소가 이루어지게 되고, 이에따라 정상적인 연소시에 비하여 연소화염온도가 낮아지게 되므로, 고온의 발열온도에 의해서 발생되는 질소산화물의 발생량이 감소하게 된다

그리고, 통공(61)을 통해 배출된 1차연소가스와 2차연소공기노즐(70)을 통해 배출된 2차연소가스는 연소로(1)의 내부에서 서로 반응하여 3차연소를 일으키면서 불완전연소된 연소가스를 완전연소하게되는데, 이때 연소반응에 관여하는 1차연소가스와 2차연소가스는 이미 한차례 연소과정을 통해 발생된 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 수증기(H₂0)등의 불연성가스가 다량 포함되어 있는 상태이므로, 종래의 버너에서 배가스재순환을 시킨 것과 동일한 상태가 되어 정상적인 연소시에 비하여 연소속도 및 연소화염의 온도가 낮아져 고온의 발열반응에 의해서 발생되는 질소산화물의 발생량을 줄일 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 화염은 도 4에 도시한 바와 같이, 1차연소시에는 연료과잉상태로 연소가 일어나며, 2차연소시에는 2차연소공기노즐(70)내부에서 연료희박상태로 연소를 일으키고, 최종적으로 3차연소시에는 연소로(1)의 내부에서 불연성가스가 다량 포함된 상태로 연소를 일으키게 되어, 다단연소와 배가스재 순환효과를 동시에 나타내게 되므로 정상적인 연소시에 비해 연소화염온도를 낮추어 질소산화물의 발생량을 현저히 줄일 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 연소공기를 고온으로 예열시키는 축열식 버너의 배가스에 포함되는 질소산화물의 발생량을 감소시킴으로써, 환경오염방지는 물론 환경규제치인 200ppm이하에서 연소공기온도를 600∼1000℃까지 높일 수 있어, 설비의 열효율을 현저히 높일 수 있으며 별도의 배관을 설치하지 않고도 버너 자체에서 배가스재순환 효과를 얻을 수 있어서, 배관설치비용을 절감할 수 있고 배관의 구성이 단순해 지는 효과가 있다.

또한, 연소화염을 1,2,3단연소영역으로 형성하는 다단연소방식으로서 주배관에 설치된 댐퍼의 위치에 따라서 1·2차연소공기의 비율조정이 가능하게 되어 연소화염의 길이와 화염형상의 제어가 가능하며, 가열목적에 따라 연소조건을 제어할 수 있는 매우 유용한 고안이다.

Claims

연소로(1)의 양측에 연소부(3)(3a)를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 현열을 축열체로 축열하여 흡입관(6)을 통해서 흡입되는 연소공기를 예열하는 축열식 버너에 있어서,

상기 흡입관(6)에 연결되며 상측에는 회전가능한 댐퍼(11)가 설치되고 중앙에는 연료를 공급하는 연료공급관(40)이 삽입된 주배관(10)과, 상기 댐퍼(11)에 의해서 분배된 연소공기를 이동시키기 위하여 주배관(10)의 내부에 순차적으로 설치된 1차·2차연소공기공급관(20)(30)과, 상기 주배관(10)의 단부에 설치되며 내부공간보다 단부의 면적이 작은 통공(61)이 구비된 연소통(60)과, 상기 연소통(60)에 2차연소공기공급관(30)과 관통되도록 형성되어 2차연소공기를 연소로(1)의 내부로 분사시키는 2차연소공기노즐(70)과, 상기 통공(61)과 2차연소공기노즐(70)의 사이에 형성되어 연소가스를 2차연소공기노즐(70)로 공급하는 연결공(80)으로 이루어진 구성을 특징으로하는 질소산화물의 생성을 억제하는 축열식 버너.