KR100412158B1 - 산소부하 역확산 화염버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버너에 있어서, 복사에너지의 증가와 연료절감 및 저공해의 효과를 가질 수 있는 산소부하 역확산 화염버너를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 연료를 산소와 함께 연소시켜 화염을 발생하는 버너에 있어서, 3중관의 형태를 가지며, 중심에 위치한 제 1 관(23)은 순수한 산소를 분사하고, 제 1 관(23)을 감싸는 제 2 관(25)은 연료를 분사하며, 제 2 관(25)을 감싸는 제 3 관(27)은 공기를 분사하는 노즐(20)과, 각 기체들이 분사되는 노즐(20)의 선단에 분리 가능하게 체결되는 연소블록(30)을 포함하는 역확산 화염버너가 제공된다.

Description

산소부하 역확산 화염버너{Converse spreading burner}

본 발명은 산업용 화염버너에 관한 것이며, 특히, 복사에너지의 증가와 연료절감 및 저공해의 효과가 있는 노즐구조를 갖는 산소부하 역확산 화염버너에 관한 것이다.

제철소의 가열로(Furnace)와 쓰레기 처리장의 소각로 및 일반 가정이나 산업현장에 사용되는 보일러에는 버너가 설치되며, 버너에서 분사되는 공기의 산소와 함께 연료가 연소하면서 발생하는 고온의 열을 이용하여 가열로에서는 강을 가열하고, 소각로에서는 쓰레기를 소각하며, 보일러에서는 물을끓인다.

도 1은 종래 기술에 따른 화염버너의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 산업용 버너는 연료와 공기를 혼합하여 사용한 확산화염 방식을 갖는다. 확산화염 방식의 버너(1)는 이중관의 형태를 갖으며, 그 중심에 위치한 내관은 연료를 분사하는 연료관(3)이고, 외관은 공기를 분사하는 공기관(5)이다. 이와 같이, 버너(1)의 선단부에 화염(7)이 점화되면, 연료가 공기 중에 포함된 산소와 함께 연소하면서 고열을 발생한다.

그러나, 이런 확산화염 방식의 버너는 많은 양의 매연 및 녹스(NOx)가스를 배출하여 대기를 오염시키는 문제점이 있으며, 다량의 연료를 사용하기 때문에 경제적으로 어려움이 따르며, 고온과 높은 복사에너지를 방출하는데 한계가 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 높은 복사에너지와 고온의 화염을 만들 수 있으며, 산소의 사용으로 연료비 절감 및 환경 친화적인 산소부하 역확산 화염버너를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 화염버너의 단면도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 산소부하 역확산 화염버너의 단면도이고,

도 3은 도 1에 도시된 화염버너의 정면도이고,

도 4는 도 1에 도시된 화염버너로부터 발생한 화염을 나타낸 단면도이고,

도 5는 일반적인 산업용 버너에 있어 산소첨가량에 따라 나타나는 온도변화량을 나타낸 그래프이고,

도 6은 도 1에 도시된 화염버너의 최외곽 노즐에 산소 혼합비율 증가에 평균 복사열전달 변화량과 최대 복사열전달 변화량을 나타낸 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1, 10 : 버너 20 : 노즐

23 : 제 1 관 25 : 제 2 관

27 : 제 3 관 29 : 장공

30 : 연소블록 40 : 볼트

53 : 순수 산소 주입구 55 : 연료 주입구

57 : 공기 주입구 62 : 내측화염

64 : 외측화염

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 연료를 산소와 함께 연소시켜 화염을 발생하는 버너에 있어서, 3중관의 형태를 가지며, 중심에 위치한 제 1 관은 순수한 산소를 분사하고, 제 1 관을 감싸는 제 2 관은 연료를 분사하며, 제 2 관을 감싸는 제 3 관은 공기를 분사하는 노즐과, 각 기체들이 분사되는 상기 노즐의 선단에 분리 가능하게 체결되는 연소블록을 포함하는 역확산 화염버너가 제공된다.

그리고, 상기 버너에서 사용되는 전체 산소의 체적 당 상기 제 3 관으로부터 분사되는 공기에 포함된 산소의 체적비율이 30~70인 것이 양호하다.

또한, 상기 제 1 관의 후단에는 상기 제 1 관과 일직선 상으로 연결되어 순수한 산소를 공급하는 산소 주입구가, 상기 제 2 관의 후단부에는 상기 제 3 관을 관통하여 상기 제 2 관과 직각방향으로 연결되어 연료를 공급하는 연료 주입구가, 상기 제 3 관의 후단에는 상기 제 3 관과 직각방향으로 연결되어 공기를 공급하는 공기 주입구가 연결된다.

양호하게는 상기 제 2 관과 제 3 관은 각각의 후단부에서 선단부 방향으로그 직경이 점차 작아지는 테이퍼 구조로 형성된다.

좀 더 양호하게는 상기 제 2 관과 제 3 관에 각각 연결된 연료 주입구와 공기 주입구의 연결부위는 라운드 처리되어 공급되는 연료 및 공기가 상기 제 2 관과 제 3 관을 따라 원만하게 유동한다.

그리고, 상기 제 1 관의 선단은 완전 개방되고, 상기 제 2 관 및 제 3 관은 그 선단에 복수 개의 장공이 각 관의 원주를 따라 형성되어 상기 제 2 관 및 제 3 관을 통해 분사되는 연료 및 공기는 상기 복수 개의 장공을 통해 상기 연소블록으로 유동한다.

아래에서는 본 발명에 따른 산소부하 역확산 화염버너의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 산소부하 역확산 화염버너의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 화염버너의 정면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 화염버너로부터 발생한 화염을 나타낸 단면도이고, 도 5는 일반적인 산업용 버너에 있어 산소첨가량에 따라 나타나는 온도변화량을 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 1에 도시된 화염버너의 최외곽 노즐에 산소 혼합비율 증가에 평균 복사열전달 변화량과 최대 복사열전달 변화량을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 산소부하 역확산 화염버너의 구성을 설명하기 이전에, 순수 산소를 공급하면서 연료를 연소시켰을 때와 공기를 공급하면서 연료를 연소시켰을 때의 화염의 온도를 측정하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 순수 산소를 공급할 때의 화염온도는 공기를 공급할 때의 화염온도보다 최대 800℃이상 높으며 고온에 의한 높은 복사에너지를 방출한다.

도 5에서의 P는 순수 산소의 첨가비율로서, 공기에는 체적당 약 21%의 산소가 포함되어 있다. 도 5에서는 이런 공기와 순수 산소를 공급하는 과정에서 P의 비율을 변화시키면서 측정하였으며, P는 수학식 1에서와 같이 계산된다.

도 5의 그래프에서 맨 상단에 위치한 선은 P가 1로서 공기는 전혀 공급하지 않고 순수 산소만을 공급한 것이고, 맨 하단에 위치한 선은 P가 0(zero)으로서 순수 산소는 전혀 공급하지 않고 공기만을 공급하였을 때의 화염온도를 나타낸 것이다.

이와 같이, 버너의 화염은 순수 산소의 체적비에 따라 화염의 온도는 상승하고 높은 복사에너지를 방출한다는 사실을 알 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 버너(10)는 노즐(20)과, 노즐(20)의 단부에 체결되어 화염의 방향을 안내하는 연소블록(30)을 포함한다.

버너(10)의 노즐(20)은 3중관의 형태를 가지고 있다. 중심에 위치한 제 1 관(23)에서는 순수 산소를 분사하고, 제 1 관(23)을 감싸는 제 2 관(25)에서는 연료인 LPG 또는 LNG를 분사하며, 제 2 관(25)을 감싸는 제 3 관(27)에서는 21vol%의 산소와 다른 기체가 혼합된 혼합가스(이하에서는 '공기'라 함.)가 분사된다. 그리고, 제 3 관(27)의 후단부에는 공기 주입구(57)가 연결되고, 제 2 관(25)의 후단부에는 연료 주입구(55)가 연결되며, 제 1 관(23)의 후단에는 순수 산소 주입구(53)가 연결된다.

도 3에 보이듯이, 제 1 관(23)은 그 선단이 완전 개방되어 있지만, 제 2 관(25) 및 제 3 관(27)의 선단은 완전 개방되지 않고, 제 2, 제 3 관(25, 27)의 원주를 따라 형성된 4개의 장공(29)이 형성되며, 제 2 관(25) 및 제 3 관(27)을 통해 분사되는 연료 및 공기는 장공(29)을 통해 연소블록(30)으로 분사된다.

또한, 제 2 관(25) 및 제 3 관(27)의 후단부에 수직으로 연결된 각 주입구(55, 57)는 관(25, 27)과 연결된 부위가 라운드 처리되어 주입구(55, 57)를 통해 공급되는 연료 및 공기가 주입구(55, 57)로부터 원활하게 각 관(25, 27)을 따라 선단부로 이동할 수 있도록 한다. 그리고, 제 2 관(25)과 제 3 관(27)은 그 후단에서 선단으로 직경이 점차 작아지는 테이퍼(28) 구조를 가지고 있으며, 이런 테이퍼(28)의 경사각에 의해 기체의 압력손실이 감소된다.

그리고, 이런 노즐(20)의 선단부에는 연소블록(30)이 체결되는데, 연소블록(30)은 원통형으로 후단 원주 둘레에 플랜지(31)가 형성되고, 그 후단에 노즐(20)의 선단이 삽입되며, 노즐(20)의 선단에는 제 3 관(27)의 원주를 따라 형성된 플랜지(21)와 연소블록(30)의 플랜지(31)가 접하여 결합한다. 따라서, 노즐(20)의 정비 및 연소블록(30)을 정비하고자 할 경우에 두 플랜지(21, 31)를 고정하는 볼트(40)들을 풀어 노즐(20)과 연소블록(30)을 분리하여 정비할 수 있다.

이런 3중관의 형태를 가진 버너(10)는 연료와 산화제인 순수 산소 및 공기사이의 혼합면적을 최대화함으로써, 화염온도의 조절 및 화염길이의 조절이 용이하게 이루어진다.

이와 같이 형성된 버너(10)의 노즐(20)에 있어, 제 1 관(23)을 통해 분사되는 순수 산소를 제 2 관(25)을 통해 분사되는 연료가 순수 산소를 감싼 상태로 분사되기 때문에 연료확산방향이 산화제인 산소의 안쪽으로 확산되는 역 확산화염 형태의 내측화염(62)을 가지게 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 최외곽 즉, 제 3 관(27)을 통해 분사되는 공기가 제 2 관(25)을 통해 분사되는 연료와 반응하여 외측화염(64)을 형성한다.

이러한 화염(62, 64)은 이중 화염구조로서, 중첩된 화염면을 가지기 때문에 단위면적당 열 유속밀도가 높게 된다. 아울러 산화제로서의 순수 산소의 사용으로 공기를 사용하여 얻을 수 있는 단일화염의 최대 온도보다 최대 800℃ 이상의 높은 고온의 복사에너지 전달효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이 실시예의 산소부하 역확산 화염버너의 제 1 관(23)을 통해 분사되는 산화제인 산소로 인해 내측화염(62)은 강화되지만, 제 3 관(27)을 통해 분사되는 공기의 사용으로 인하여 외측화염(64)은 약화된다. 이와 같이, 내측화염(62)과 외측화염(64)의 강도의 조절은 산소량에 의해 이루어진다. 따라서, 전체 산소소모량은 일정하게 유지하면서, 외측화염(64)의 공기의 산화제를 통한 화염의 강화와 제 1 관(23)에서 분사되는 산소를 통해 내측화염(62)의 강화를 동시에 유지하기 위해서는 산소 사용의 최적조건이 필요하다.

또한, 공기를 동시에 사용함으로써, 종래 기술에 따른 산소-연료 화염을 생성하는 버너의 단점인 화염길이의 감소와 국부적인 가열효과 등을 극복할 수 있다.

그리고, 종래의 버너와는 달리 산소를 산화제로 이용하기 때문에 공기중의 질소량이 감소하여 근본적인 녹스가스 발생량 및 매연 발생량을 감소시킬 수 있다.

도 5에서 첫번째 그래프는 측정화염에서 전달되는 복사열플럭스의 평균값이고,두번째 그래프는측정화염에서의 복사열플럭스의 최대값이다.

도 5의 두 그래프에서의MIX값은 수학식 2와 같이 계산되며, 그래프에서 횡축은 전체 산소사용량이 고정된 상태에서 제 1 관(23)과 제 3 관(27)을 통해 분사되는 순수 산소와 공기 중에서 순수 산소값을 나타낸 것으로 MIX값이 0(zero)이면 제 1 관(23)에서만 공급되는 순수 산소가 100%임을 알 수 있으며, MIX값이100이면 제 1 관(23)을 통해 공급되는 순수 산소는 전혀 없이 제 3 관(27)을 통해 공급되는 공기에 포함된 산소가 전부인 것임을 알 수 있다.

그리고, 도 6의 그래프 상에서의 종축은 화염에서 발생하는 복사열플럭스 값으로서, 단위면적당 발생하는 복사에너지이다. 이는 화염의 복사열전달량과 화염의 온도에 따라 비례하며, 결국 복사 열플럭스값이 높을수록 높은 열전달량을 나타낸다.

한편,도 5의그래프에서의 나타내는 실선은 동일한 연료와 산소의 양을 나타낸다. 이 그래프에서 알 수 있듯이, 완전 연소하기 위해 필요한 산소량을 순수 산소 50%, 공기 50%로 설정한 상태(P=0.5)에서 MIX값이 증가하면서(제 1 관을 통해 분사되는 순수 산소량은 감소하고, 제 3 관을 통해 분사되는 공기에 포함된 산소량은 증가) 변화하는 실선에서 알 수 있는 바와 같이, MIX값이 0일 때부터 MIX값이 30일 때까지는 복사열전달량이 급격히 증가하다가, MIX값이 30에서 70의 범위에서는 완만히 증가 혹은 다소 감소하며, MIX값이 70이상이 되었을 때에는 복사열전달효과가 확연히 감소하는 것을 알 수 있다.

이는 전체 산소량이 P=0.6, 0.7에서도 동일한 결과를 나타내고 있다. 복사열전달의 최대값을 나타내는 조건은 대략적으로 MIX값이 50일 때이며, 비교적 양호한 범위는 MIX값이 30~70의 범위일 때이다.

또한,도 5의 두번째 그래프에서는 횡축에서의 MIX값의 변화에 따른 복사열플럭스의 최대값을 나타낸 것으로서, MIX값이 0과 MIX값이 30~70의 복사열전달량의 비교를 보면 평균값보다 훨씬 큰 차이를 보이고 있다는 사실을 알 수 있다. 결국 이는 매우 높은 가열조건을 필요로 할 경우에 MIX값이 30~70범위일 때에 적합하다는 것을 알 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 산소부하 역확산 화염버너는 종래의 단일 확산화염에 비해 약 40%의 복사에너지 증가의 효과를 가져옴으로써, 그 만큼의 연료비용의 절감을 가져올 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 산소부하 역확산 화염버너에 사용되는 연료인 LPG 및 LNG와 순수 산소의 사용을 통해 공기의 사용을 줄임으로써, 저 공해, 저 녹스의 효과를가져올 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 산소부하 역확산 화염버너는 산소사용의 최적화 조건을 적용함으로써, 운전비용의 절감 및 복사전달효과를 극대화 할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 산소부하 역확산 화염버너에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 3중관의 형태를 가지며, 중심에 위치한 제 1 관은 순수한 산소를 분사하고, 제 1 관을 감싸는 제 2 관은 연료를 분사하며, 제 2 관을 감싸는 제 3 관은 공기를 분사하는 노즐과; 각 기체들이 분사되는 상기 노즐의 선단에 분리 가능하게 체결되는 연소블록을 포함하되,

   상기 제 2 관과 제 3 관은 각각의 후단부에서 선단부 방향으로 그 직경이 점차 작아지는 테이퍼 구조로 형성되며,

   상기 제 1 관의 후단에는 상기 제 1 관과 일직선 상으로 연결되어 순수한 산소를 공급하는 산소 주입구가, 상기 제 2 관의 후단부에는 상기 제 3 관을 관통하여 상기 제 2 관과 직각방향으로 연결되어 연료를 공급하는 연료 주입구가, 상기 제 3 관의 후단에는 상기 제 3 관과 직각방향으로 연결되어 공기를 공급하는 공기 주입구가 연결되어 이루어짐으로써,

   산소를 포함하는 공기, 순수산소 및 연료를 3중관의 노즐을 통하여 각각 분사하여 연소시키는 역확산 화염버너에 있어서,

   상기 버너에서 순수산소의 첨가비율, 즉 제1관과 제3관을 통하여 분사되는 총 산소량을 기준하여 제1관에서 분사되는 순수산소 비율이 50%~70%이며,

   전체 분사되는 산소의 체적을 기준으로 한, 상기 제 3 관으로부터 분사되는 공기에 포함된 산소의 체적비율이 30~70인 것을 특징으로 하는 역확산 화염버너.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 관의 선단은 완전 개방되고, 상기 제 2 관 및 제 3 관은 그 선단에 복수 개의 장공이 각 관의 원주를 따라 형성되어 상기 제 2 관 및 제 3 관을 통해 분사되는 연료 및 공기는 상기 복수 개의 장공을 통해 상기 연소블록으로 유동하는 것을 특징으로 하는 역확산 화염버너.