KR100414392B1

KR100414392B1 - 공업용 연소로용 저공해 축열식 연소기

Info

Publication number: KR100414392B1
Application number: KR10-2000-0063230A
Authority: KR
Inventors: 노동순; 이은경
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2004-01-07
Also published as: KR20020032204A

Abstract

본 발명은 공업용 연소로에 적용되는 축열식 연소기에 관한 것이다.

축열식 연소기는 2대의 연소기가 1조가 되어 주기적으로 단속운전되는 것이 특징이며, 따라서 연소용 공기 및 연료의 공급 역시 단속적으로 공급된다. 이때 단속운전에 따른 연소실내 압력변동이 심하여 공업용 연소로의 운전조업에 지장을 초래하게 된다. 본 발명은 단속운전에 따른 압력변동을 최소화하기 위하여 연료는 연속적으로 공급하면서 안정적으로 연소될 수 있도록 연소기를 근접배치하고 연료가스를 그 중앙에서 연속 분사하는 구조인 동시에, 연소용 공기노즐(111) 내부에 오리피스(115)를 장착하여 연소용 공기의 유동에 세차운동을 부여하므로써 연료와 공기가 간헐적으로 혼합되는 효과를 갖도록 하여 질소산화물의 발생을 최소화한 것이 특징이다.

Description

공업용 연소로용 저공해 축열식 연소기{Low emission regenerative burner for industrial furnace}

본 발명은 공업용 연소로에 적용되는 축열식 연소기에 관한 것으로 보다 상세하게는 각각 축열실을 구비한 2기의 연소기가 병설되고, 도입되는 연소용공기에 세차운동을 부여하는 축열실 연소기에 관한 것이다.

축열식 연소기는 주기적이고 단속적으로 운전되는 것이 특징이며, 기존의 축열식 연소기는 연소용 공기와 연료가스를 동시에 분사하여 연소시키는 방식이 대부분이다. 이 경우, 연료-공기 혼합기체의 연소시 폭발적 반응에 의한 급격한 점화로 연소실내의 압력이 상승하므로 연소로(燃燒爐)의 기계적 손상이 발생되어 운전성능에 지장을 초래하고 있다.

아울러 연소로에서 예열된 고온 연소용 공기를 사용하게 되면 착화온도가 저하하는 대신 질소산화물의 발생이 크다는 단점이 있다.

특히 이와 같은 종래의 축열식 연소기는 하나의 연소장치와 2개의 축열실이 1조가 되어 주기적으로 단속운전되는 것이 특징으로 예열된 연소용 공기 및 연료의 공급 역시 단속적으로 공급되는데, 연소와 연소개스의 방출 사이에 상당한 시간적간격이 있기에 연소실내의 압력변화가 상당히 크고, 연소실내의 연소가스를 완전히 연소실밖으로 방출하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 연소시 높은 화염온도에 기인한 압력변동을 최소화하기 위하여 연소용 공기노즐 내부에 연소용 공기의 유동을 제어하는 오리피스를 장착하여 연소용 공기의 유동에 세차운동을 부여하므로써 연료와 공기의 혼합비가 과혼합(過混合)과 저혼합(低混合)으로 주기적 간헐적으로 발생되는 효과를 갖도록 하여 급격한 점화를 억제하여(화염온도의 저하) 연소로 내압(內壓)의 급격한 상승과 하강으로 인한 압력변화를 저감하고, 이와 동시에 질소산화물의 발생을 최소화하도록 함에 그 특징이 있으며, 하나의 연소실에 각각 축열실이 형성된 두 대의 연소기를 근접배치하여 두 연소기를 각각 교대로 연소작업을 수행함에 있어 비교적 압력변화가 적은 상태에서 연속된 연소작업을 수행하도록 함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 축열식 연소기의 사시도

도 2는 본 발명에 따른 축열식 연소기의 평단면도

도 3은 본 발명에 따른 축열식 연소기의 측단면도

도 4는 본 발명에 따른 축열식 연소기에 있어서 연소용 공기의 거동 및 이에 따른 연소개스와의 혼합거동 설명도

도 5 의 a는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ)에 대한 화염온도의 그래프

도 5 의 b는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ)에 대한 착화온도의 그래프

도 5 의 c는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ)에 대한 질소산화물 발생량 그래프이다.

**** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****

100 : 제 1 연소기 200 : 제 2 연소기

110, 210 : 연소부 120, 220 : 축열

111, 211 : 연소용 공기노즐 112, 212 : 연료분사노즐

113, 213 : 점화용 버너 115, 215 : 연소용 공기 오리피스

121, 221 : 축열실 122, 222 : 축열체

D : 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼

본 발명에 따른 연소로용 저공해 축열식 연소기는 2대의 연소기를 근접배치하고 그 사이에 연료분사노즐을 설치하여 고온의 연소용 공기 또는 연소 배가스는 2대의 연소기의 공기노즐을 통해 교대로 주기적이고 단속적으로 공급 또는 배출되는 동시에 연료가스는 연속적으로 공급 분사되도록 한 구조에 있어서 연료공급용노즐을 연소용 공기노즐 내에 배치하고, 연소용 공기노즐내에 공기의 유동변화시키는 오리피스를 배치한 것이다.

아울러 본 발명의 연소기는 연소용 공기를 예열하는 축열실이 함께 형성된 일체형으로 하고 그 내부를 2등분하여 각각의 공기노즐과 연결되고 각각에 세라믹하니컴 (또는 구형 세라믹) 축열체를 삽입 충진하여 연소기를 소형화 하였다.

도 1은 본 발명에 따른 연소로용 저공해 축열식 연소기의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 연소로용 저공해 축열식 연소기의 정단면도이고, 도 3은 본 발명안에 따른 연소로용 저공해 축열식 연소기의 측단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본발명의 연소기는 2기의 연소기 즉 제1연소기(10 0)와 제2연소기(200)가 병설 구성되고, 상기 2기의 연소기에 연소용공기를 공급하거나 연소폐가스를 배출하도록 하는 하나의 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)와 연결되어 있다.,

본 발명의 구성을 이해하기 쉽게하기 위하여 먼저 제1연소기(100)에 대하여 먼저 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 제1연소기(100)는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이통상체의 구조로 형성되고 상부측에 연소부(110)와 하부측에 축열부(120)로 구성된다. 그리고 상기 축열부(120)의 하부측으로 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)가 배관되어 있다.

상기 연소부(110)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 연소용 공기노즐 (111), 제 1 연료분사노즐 (112), 제 1 점화용 버너(113), 오리피스 삽이부가 내화재로 된 덩어리상의 연소기몸체(100B)에 성형되어 하나의 몸체내에 일체로 성형되어 형성되고, 독립된 형태로 상기 오리피스 삽입부(114)에 삽입 조립되는 오리피스 (115)로 이루어져 있다.

제 1 연소용 공기노즐(111)은 부정형의 내화물을 사용하여 원통상의 직관(直琯)과 콘(CONE)상의 나팔관이 결합된 형태로 성형되어 연소용 공기의 공급 또는 연소가스의 배출구의 기능을 하는 것으로 후술하는 제 1 축열실과 연통되어 있다.

제 1 연료분사노즐 (112)은 축열실을 관통하여 직각으로 절곡되어 상향한 보다 작은 직경으로 된 파이프 상으로 되어 연료가스를 고속으로 분사하는 기능을 하는 것으로 노즐의 단부측 중심축이 제 1 연소용공기노즐(111)의 중심축과 일치하도록 하면서 연료분사노즐(112)의 단부가 제 1 연소용 공기노즐(111)의 내측공간 중 직관부와 나팔관부의 연결부분에 위치하게 된 것이다.

그리고 상기 제 1 점화용 버너(113)는 연소기몸체(100B)를 경사지게 관통하여 그 단부가 상기 제 1 연소용 공기노즐(111)의 개구 단부 근방에 형성되어 연소용공기와 연료개스의 혼합가스에 점화하게 된다.

상기 제 1 점화용 버너(113)가 형성된 부분에 대향되는 연소기몸체(100B) 측면에 개구된 오리피스 삽입부(114)는 상기 오리피스(115)가 삽입되면 오리피스 (115)가 제 1 연소용 공기노즐(111)의 직관부와 나팔관부의 연결부분에 위치하도록 하는 공간이다.

그리고 상기 오리피스(115)는 도 1 에 도시된 바와 같이 대략 판상체에 구멍 즉 연소용공기 오리피스가 형성된 것인데, 상기 오리피스 삽입부(114)에 삽입되어 제 1 연소용 공기노즐(111)의 유통구 직경을 조절하여 연소용공기의 유통량이제어되고 이에 따라 노즐의 압력변동이 유발되어 연소용공기의 흐름에 세차운동을 부여하는 것이다.

상기 제 1 축열부(120)는 통상체로 된 제 1 축열실(121)과 축열실(121)의 내벽에 축설된 축열체(122)로 구성되어 연소개스의 폐열을 축열체가 흡수하여 연소용공기를 가열할 수 있는 구조로 되어 있으며, 상기 축열체(122)는 세라믹하니컴 (또는 구형 세라믹) 축열체가 충진된 것이다.

본 발명에 있어서 상기 제 2 연소기는 상기 제 1 연소기(100)와 동일한 구조를 하고 제 1 연소기와 병립하여 병설되어 본발명의 연소기를 구성한다.

즉 도 1과 도 2에 있어서 미설명 부호 210는 연소부, 220는 축열부, 211는 연소용 공기노즐, 212는 연료분사노즐, 213는 점화용 버너, 215는 연소용 공기 오리피스, 221는 축열실, 222는 축열체이다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본발명에 따른 연소기의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다. 즉 제 1 연소기의 제 1 축열부의 제 1 축열실을 통과하여 예열된 연소용공기가 제 1 연소용 공기노즐(111)을 통과하여 제 1 오리피스(115)의 구멍을 통과하게 된다.

이 때 오리피스(115)를 통과하는 연소용공기는 오리피스(115) 통과전과 통과후의 거동이 다른데, 통과전에는 상방으로 수직 상승하는 기류(氣流)즉 수직 상승기류(a)를 형성하고 있는데( 도 3 참조), 오리피스(115)를 통과한 기류는 도 3에 도시된 바와 같이 연소실(B)내에서 나선상 기류 즉 세차운동(歲差運動)이 부여된 나선 상승기류(a')를 형성한다 이 나선상의 상승기류(a')는 위로 올라갈수록 점점그 기류폭이 넓어진다.

그리고 이와 동시에 제 1 연료분사노즐(112)에서 연료가스(G)가 상기 오리피스(115)의 하부측에서 분사된다.

이 분사되는 연료가스의 분사압(噴射壓)은 상당한 것이어서 오리피스의 영향을 받지 않고 콘상을 이루며 수직 상승하는 분사 기류를 형성한다.

이와 같이 연소용 공기와 연료가스가 혼합되면 제 1 점화용 버너(113)가 공기/연료가스의 혼합가스에 점화를 하여 화염을 발생하는 것이다.

따라서 연소용공기와 연료가스는 오리피스(115)의 상부측 연소실(B)에서 서로 혼합되게 되는데 연소용공기가 상술한 바와 같이 나선 상승기류를 형성하면서 세차운동을 하게되므로 연료가스의 상승기류와 만남에 있어서 일측에서는 공기와 연료가스의 혼합비가 높거나 낮게 되는 부분으로 뉘어 혼합된다.

즉 도 4에 도시된 바와 같이 연소실(B)내에서 과(過) 공기 혼합가스영역(M₁)과 과 연료 혼합가스영역(M₂)이 발생된다.

도 5의 a는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ, 연료량/연소용공기량)에 대한 화염온도(T)의 그래프이고, 도 5의 b는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ, 연료량/연소용공기량)에 대한 착화온도의 그래프이고, 도 5의 c는 연소용 혼합가스의 혼합비(φ, 연료량/연소용공기량)에 대한 질소산화물(NOx) 발생량 그래프이다.

도 5에서 알 수 있듯이 연소용공기와 연료가 균등하게 혼합된 상태 즉 φ=1 에서 화염의 온도가 가장높다 따라서 φ=1 인 상태에서 연소반응은 폭발적 반응이일어나 연소로(燃燒爐)내에 상당한 압력이 발생되어 연소로에 기계적 손상을 입히고, φ=1 인 상태에서 질소산화물의 발생량이 최대치(T_max)를 나타내며, 다만 화염의 착화온도만이 최저치를 나타낸다.

그러나 본 발명에서 연소용공기가 오리피스에 의하여 세차운동을 하게 되면, 상기와 달리 과(過) 공기 혼합가스영역(M₁)과 연료 혼합가스영역(M₂)이 발생되므로 φ＞1 인 조건(예로써 φ=φ₁)과 φ＜1인 조건(예로써 φ=φ₂)을 만족하게 되므로 착화온도는 높아지나, 화염온도는 T_max보다 낮아지며(예로써 T=Tb), 질소산화물(NO_x)의 발생량도 낮아지게 되는 것이다(예로써 NO_x. =(NO_x)_max)따라서 본 발명에서 오리피스에 의하여 연소용공기에 세차운동을 부여하게 되면 질소산화물의 발생량이 줄어들어 공해발생을 저감하게 되며, 연소시 과도한 폭발반응에 의한 연소로의 기계적 손상이 방지된다.

이상과 같은 방법 및 거동으로 제 1 연소기(100)에서 연소된 연소실(B)의 고온의 연소가스는 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 연소기(200)의 제 2 연송용공기노즐(211)을 역방향(逆方向)으로 진입하여 축열부(220)의 축열실(221)내로 진입하여 축열체(222)를 가열한 후 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)에 의하여 연소기 밖으로 배출된다. 이후 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)에 의하여 외부의 새로운 공기가 도입되어 제 2 연소기(200)의 축열실(221)로 송입시켜 가열된 축열체( 220)에 의하여 연소용 공기를 예열한 후 상술 한 제 1 연소기의 방법과 같은 거동으로 연소하고, 제 2 연소기에 의해 발생된 연소가스는 제 1 연소기의 축열체(121)를 가열한 후 연소기 밖으로 배출되게 된다.

따라서 본 발명에 있어서 제 1 연소기가 연소작업을 수행할 때는 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)가 제 2 연소기에 연소용공기의 도입을 차단하여, 제 1 연소기에서 발생된 연소가스가 제 2 연소기의 축열체(220)를 가열한 후 연소기 밖으로 배출하며, 제 2 연소기가 연소작업을 수행할 때는 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)는 제 1 연소기에 연소용공기의 도입이 차단하고, 제 2 연소기에서 발생된 연소가스가 제 1 연소기의 축열체(120)를 가열한 후 연소기 밖으로 배출하도록 한다.

따라서 본 발명에 있어서 제 1 연소기(100)와 제 2 연소기(200)의 연소작업은 공기/배가스 유로 절환용 4방 댐퍼(D)에 의하여 교대로 이루어지게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 연소기에 있어서 연속적으로 분사공급되는 연소용공기는 연소용 공기노즐의 내부에 설치된 오리피에 의하여 세차운동을 하게 되어, 연소실(B)내에서 연소용 공기와 연소가스가 혼합될 때, 혼합가스 중의 연료의 농도가 커져서 상대적으로 산소농도가 저하된 부분과 산소농도가 높은 부분이 동시에 발생된다. 이러한 혼합방법을 이용하면 국부적인 고온영역이 형성되는 것을 억제하고 연소화염의 온도를 상대적으로 낮출 수 있으므로 연소반응시 폭발적 반응의발생이 억제되고, 산성비의 원인이 되는 질소산화물(NOx) 발생을 억제하는 효과가 있는 것이다.

그리고 각각 축열실을 구비한 두 대의 연소기가 병설되어 연소작업을 교대로 수행하기에 연소실의 내압변화가 급격히 변동되지 않는 상태로 연속작업을 수행할 수 있어 그만큼 연소로의 내구성이 증대된다.

Claims

연소용기와 연료가스가 분사되어 연소되는 연소용공기노즐이 형성되는 축열식 연소기에 있어서, 연소용공기를 도입하는 상부는 원통형공간으로 된 직관부와 하부에 콘상 공간인 나팔관이 연대어 형성된 연소용공기노즐(111, 211)의 직관부와 나팔관부가 연결된 부분을 수평방향으로 관통하여 판형공간으로 개구된 오리피스삽입부(114)가 형성되고, 오리피스삽입부(114)에 삽입되어 연소용공기노즐의 직관부의 유통구의 직경을 제어하여 연소용공기의 유통량이제어되고 이에 따라 노즐내의 압력변동이 유발되어 연소용공기에 세차운동을 부여하는 오리피스(115)가 구성되고, 오리피스(115)는 일측에 원형의 관통구멍이 형성된 판상체로 구성된 축열식 연소기.
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