KR100494093B1 - 질소산화물 저감용 버너장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접가열식 연소로에서 질소산화물의 발생을 감소시키기 위한 버너장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 한 개의 버너로서 축열식 연소가 가능하여, 가열로의 개조범위를 최소화하면서 연료절감효과가 우수하고, 질소산화물의 발생을 감소시키는 질소산화물 저감용 버너장치에 관한 것이다.

본 발명은, 연료를 공급하는 연료노즐과, 연소용공기를 공급하는 연소공기노즐을 갖추고, 상기 연소용 공기를 예열하기 위한 축열체를 구비한 버너장치에서, 상기 연료노즐은 1개로 이루어지고, 상기 연료 노즐을 에워싸도록 복수의 연소공기노즐이 배치되며, 상기 연소공기노즐들은 복수의 공기유로에 각각 동일 면적을 갖도록 분할 배치되고, 상기 각각의 공기유로에는 축열체가 구비되는 한편, 상기 연료노즐과 어느 하나의 공기유로가 연소용 버너로 작동하면, 다른 공기유로를 통하여 배기가 인출되어 축열체를 가열하고, 상기 연료노즐과 상기 다른 공기유로가 연소용 버너로 작동하면 상기 어느 하나의 공기유로를 통하여 배기가 인출되어 축열체를 가열하며, 이들 공기 유로는 서로 교번하는 질소산화물 저감용 버너장치를 제공한다.

Description

질소산화물 저감용 버너장치{BURNER APPARATUS FOR REDUCING NOx}

본 발명은 직접가열식 연소로에서 질소산화물의 발생을 감소시키기 위한 버너장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 한 개의 버너로서 축열식 연소가 가능하여, 가열로의 개조범위를 최소화하면서 연료절감효과가 우수하고, 질소산화물의 발생을 감소시키는 질소산화물 저감용 버너장치에 관한 것이다.

일반적으로, 종래 축열식 연소시스템의 원리는 제 2도에서 도시한 바와 같이, 두개의 버너(111a)(111b)가 한 조로 구성되어 한쪽의 버너(111a)가 연소하면 반대쪽의 버너(111b)는 고온의 연소 가스를 버너내부 또는 버너와 일체로 구성되는 축열체(112b)를 통하여 축열후 배출기(115)를 통하여 배기하며, 이 사이클이 절환변(113a)(113b)에 의하여 1~3분 정도의 짧은 주기로 서로 반복된다.

그리고, 연소공기가 반대측의 버너(111b)에 공급되면 고온으로 축열된 축열체(112b)로 부터 고온의 열을 직접 회수함으로써 고온의 배열을 이용할 수 있는 초고온 연소기술이다.

그러나, 종래의 축열식 연소시스템은 각각의 축열체(112a)(112b)와 연료공급장치(120)를 가지는 버너(111a)(111b) 두개가 한 조로 구성되기 때문에, 설치하려는 연소로의 양쪽에 설치하거나 일정간격 떨어져 설치하게 되며, 번갈아 가며 연소를 하기 때문에 도 1a)에 도시된 바와 같이 하나의 버너로 큰 연소용량으로 연소해야 한다.

따라서, 종래의 연소로를 개조하지 않고 설치할 경우, 제 1도의 (a)에서 보는 바와 같이, 종래의 축열식 연소시스템을 적용할 경우, 버너(111a)(111b)가 번갈아 연소되며, 화염간격이 멀어지게 되어 소재가열 불량이 나타난다.

따라서, 종래의 버너는 축열식 연소시스템을 적용할 경우, 각각의 버너의 연소용량이 두 배로 증가할 뿐만 아니라 버너 배치간격도 수정되어야 한다.

또한, 이러한 축열식 연소시스템은 고온의 연소공기로 작동되기 때문에 연소시, 고온 연소에 다른 질소산화물(NOx) 발생량이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 한 것으로서, 그 목적은 연소로에 축열식 버너를 적용하고자 할 경우, 버너의 구조를 단순화하고 화염형상을 종래 버너에서와 동일하게 하여 종래 연소로의 개조 범위와 연소패턴 변동을 최소화하며, 에너지절약을 획기적으로 절감하고, 화염의 최고온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물을 저감하는 질소산화물 저감용 버너장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료를 공급하는 연료노즐과, 연소용공기를 공급하는 연소공기노즐을 갖추고, 상기 연소용 공기를 예열하기 위한 축열체를 구비한 버너장치에 있어서, 상기 연료노즐은 1개로 이루어지고, 상기 연료 노즐을 에워싸도록 복수의 연소공기노즐이 배치되며, 상기 연소공기노즐들은 복수의 공기유로에 각각 동일 면적을 갖도록 분할 배치되고, 상기 각각의 공기유로에는 축열체가 구비되는 한편, 상기 연료노즐과 어느 하나의 공기유로가 연소용 버너로 작동하면, 다른 공기유로를 통하여 배기가 인출되어 축열체를 가열하고, 상기 연료노즐과 상기 다른 공기유로가 연소용 버너로 작동하면 상기 어느 하나의 공기유로를 통하여 배기가 인출되어 축열체를 가열하며, 이들 공기 유로는 서로 교번함을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 버너장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치(1)는 제 3도 및 제 4도 에서 도시한 바와 같이, 하나의 연료도입부(21), 연료노즐(22), 복수의 연소공기도입부(23a)(23b), 공기유로(A)(B), 다수의 연소공기노즐(24a)(24b), 복수의 축열체(12a)(12b)로 구성된다. 상기 축열체(12a)(12b)는 세라믹재질로써 구형 또는 허니컴 모양을 쓴다.

본 발명의 버너장치(1)는 상기 연료 노즐(22)을 에워싸도록 복수의 연소공기노즐(24a)(24b)이 배치되며, 상기 연소공기노즐(24a)(24b)들은 복수의 공기유로(A)(B)에 각각 동일 면적을 갖도록 분할 배치되고, 상기 각각의 공기유로(A)(B)에는 축열체(12a)(12b)가 구비되어 있다.

즉, 연료노즐(22)은 1 개로 구성되고, 상기 연료노즐(22)을 중심으로 상기 공기 유로(A)(B)는 좌,우측으로 구획되며, 각각의 공기유로(A)(B)들은 해당 공기 유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역과, 인접한 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)에 각각 연소공기 노즐을 갖는다.

이는 각각의 공기유로(A)(B)가 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 해당 공기유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역측에 해당 공기유로(A)에 연결된 총 공기노즐에 대한 공기노즐(24a) 70~80%의 면적비를 갖고, 인접 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)의 영역측에 해당 공기유로(A)에 연결된 총 공기노즐(24a)에 대한 나머지 공기노즐(24a) 20~30%의 면적비를 갖는다.

그리고, 반대측 공기유로(B)는 이와 유사하게 해당 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)의 영역측에 해당 공기유로(B)에 연결된 총 공기노즐(24b)에 대한 공기노즐(24b) 70~80%의 면적비를 갖고, 인접 공기유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역측에 해당 공기유로(B)에 연결된 총 공기노즐(24b)에 대한 나머지 공기노즐(24b) 20~30%의 면적비를 갖는다.

그리고, 상기 공기유로(A)(B)들은 연소모드가 반대로 바뀔 경우, 즉 상기 연료노즐과 어느 하나의 공기유로(A)가 연소용 버너로 작동하면, 나머지 다른 공기유로(B)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12b)를 가열하고, 상기 연료노즐(22)과 상기 다른 공기유로(B)가 연소용 버너로 작동하면 상기 어느 하나의 공기유로(A)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12a)를 가열하며, 이들 공기 유로(A)(B)는 서로 교번하게 된다.

이와 같이 연소모드가 바뀌는 경우, 각 연소공기노즐(24a)(24b)의 기능은 반대로 되어 어느 한 공기유로(A)에 연결된 연소공기노즐(24a)이 버너로 작동되면, 다른 공기유로(B)에 연결된 공기노즐(24b)들은 배기노즐로 작용하고, 이와 반대로 배기노즐로 작동되었던 공기유로(B)를 통하여 연소용 공기가 공급되면, 상기 배기 노즐이 공기노즐(24b)의 기능을 하게 되며, 인접한 공기노즐은 배기노즐(24a)로 동작하는 것이다. 이러한 경우, 연료는 한개의 연료노즐(22)과 밸브(28)를 통하여 공급과 차단이 이루어지며, 연소모드 변환시에만 밸브(28)가 순간적으로 차단된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 어느 한 공기유로(A)를 통한 연소와 나머지 다른 공기유로(B)를 통한 배기 동작이 동시에 이루어진다. 이는 상기 연료노즐(22)과 어느 하나의 공기유로(A)가 연소용 버너로 작동하면, 다른 공기유로(B)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12b)를 가열하고, 상기 연료노즐(22)과 상기 다른 공기유로(B)가 연소용 버너로 작동하면 상기 어느 하나의 공기유로(A)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12a)를 가열하며, 이들 공기 유로(A)(B)는 서로 교번되는 것이다.

제 5도는 공기유로(A)가 연소할 때 연소공기 및 배가스의 이동 경로를 나타내고 있다. 공기유로(A)가 연소할 때는 (a)와 같이 연소용공기가 하부로부터 축열체(12a)를 통과하여 열을 흡수한 후 공기유로(A)의 노즐(24a)을 거쳐 연소영역으로 공급된다. 이때 공기유로(B)는 배기모드이며 노내의 연소폐가스가 배기노즐(24b)를 거쳐 상부로부터 축열체(12b)를 지나서 하부 배기구를 통해 배출된다. 따라서, 공기유로(B)의 축열체(12b)는 배가스의 열에 의해 가열되고, 이후에 연소모드가 바뀌어 공기유로(A)(B)가 서로 반대로 작동하면 연소공기를 가열한다.

제 6도는 공기유로(A)(B)의 노즐부 단면도를 나타내며, (a)에서 보는바와 같이 공기유로(A)가 연소하면 연소공기는 공기노즐(24a)을 통하여 공급되고, 연료는 연료노즐(22)을 통하여 공급되며, 고온의 연소가스는 공기유로(B)의 연소공기노즐(24b)을 통과하여 축열체(12b)에 축열후 절환변(미도시)을 거쳐 배기하며, 이 사이클이 절환변에 의하여 30초~1분 정도의 짧은 주기로 서로 반복되어 연소한다.

그리고, (b)와 같이 연소모드가 바뀌면, 절환변의 변경의 의하여 연소공기와 배가스 유로(A)(B)가 서로 바뀌게 되어 공기유로(B)가 연소하고, 공기유로(B)로 공급되는 연소공기는 고온으로 가열된 축열체(12b)로부터 고온의 열을 회수하여 연소공기 노즐(24b)을 통하여 연소영역으로 공급되며 배기가스는 배기가스노즐(24a)을 통하여 배출된다.

질소산화물(NOx)는 고온의 화염영역에서 발생하여 고온일수록 급격하게 증가한다. 이러한 질소산화물 발생을 저감시키기 위한 본 발명의 원리는 다음과 같다.

제 7도에서 도시한 바와 같이, 공기유로(A) 연소시 공기유로(A)측으로 부터 해당 연소블럭(P1)측의 연소공기노즐(24a)에 70~80%의 연소공기가 공급되고, 배기되는 상태의 B측 공기유로(B)에 해당하는 연소블럭(P2)측의 연소공기노즐(24a)로부터 20~30%의 연소공기가 공급된다. 이때 배기가스는 공기유로(A)에 해당하는 연소블럭(P1)측에 구성되어 있는 연소유로(B)의 배기노즐 20~30%면적과, 공기유로(B)에 해당하는 연소블럭(P2)측에 구성되어 있는 연소유로(B)의 배기노즐 70~80%를 통하여 배출된다.

따라서, 연료는 연소블럭의 중심부에서 공급되므로 좌우측 비대칭으로 공급되는 연소공기와 만나며, 연소공기가 많은 쪽은 희박연소(51)를 행하고 연소공기가 적게 공급되는 쪽은 과농연소(52)를 행하게 되어 국부 고온 역을 억제하므로 질소산화물이 저감된다.

제 8도는 연소모드가 바뀌어 공기유로(B)가 연소할 때의 작동상태를 나타낸다. 이러한 경우, 공기유로(B)측으로 부터 해당 연소블럭(P2)측의 연소공기노즐(24b)에 70~80%의 연소공기가 공급되고, 배기되는 상태의 공기유로(A)에 해당하는 연소블럭(P1)측의 연소공기노즐(24b)로부터 20~30%의 연소공기가 공급된다. 이때 배기가스는 공기유로(A)에 해당하는 연소블럭(P1)측에 구성되어 있는 연소유로(A)의 배기노즐 70~80%면적과, 공기유로(B)에 해당하는 연소블럭(P2)측에 구성되어 있는 연소유로(A)의 배기노즐 20~30%를 통하여 배출된다.

제 9도는 상기 공기유로(A)(B)형상에서 연소공기노즐(24a)(24b) 면적 분할비에 따른 NOx저감 효과를 나타낸다. 공기유로(A)(B) 중심부에서 공급되는 연료를 중심으로 좌우측 공기공급량이 동일한 경우를 기준으로 편심 비율이 증가 할수록 NOx는 감소하는 경향을 나타내며, 좌우측 공기비가 70~80%: 20~30%일 때 NOx발생량이 최소를 나타내며, 한쪽만 공급될 때 즉 과도한 편심이 일어나는 경우에 다시 발생량이 증가하는 경향을 나타낸다.

그리고, 축열체(12a)(12b)에 의해 연소공기가 650~700℃정도 예열되어 연소할 경우, 연소공기가 한쪽으로만 치우쳐 공급되면 NOx 발생량이 100~130ppm인데 반하여 좌우공급량을 70:30 또는 80:20으로 공급시에는 발생량은 50~75ppm수준으로 감소하고, 좌우공급량이 동일할 경우는 150ppm이상 발생한다.

도 10에 도시된 표 1은 공기유로(A)(B)의 연소공기노즐(24a)(24b) 면적 분할공급 비율에 따른 실시예를 나타낸다. 표 1에서 나타낸 바와 같이, 공기노즐(24a)(24b) 의 면적이 연료노즐(22)을 중심으로 어느 한쪽으로 90%이상 편중될 때(예를 들면,구분 1,2), 화염이 연소공기가 공급되는 쪽으로 치우치는 경향이 있다.

그리고, 공기노즐(24a)(24b)의 면적이 어느 한쪽으로 70~80%치우칠 때(예를 들면,구분 3,4)는 화염형상도 거의 대칭으로 나타나고, 화염영역에서 과농 연소영역(52) 및 희박연소영역(51)이 존재하여 화염최고 온도영역을 억제하여 NOx저감효과가 우수하다.

또한, 공기노즐(24a)(24b)의 좌우측 면적이 동일하게 되는 60%이하(예를 들면, 구분5,6)에서는 화염형상은 완전대칭으로 나타나지만 화염길이가 짧고, 급속 연소에 따른 화염온도 상승으로 NOx 생성량이 증가한다. 이상에서 볼 때 연소공기 면적비를 70~80% : 20~30%로 할 경우, 연소성 및 NOx배출특성이 가장 양호하다.

상기에서와 같이 본 발명에 의하면, 축열식 연소시스템에 있어서 두개의 공기유로(A)(B)가 일체형으로 구성되어 한대의 연료노즐(22)로도 축열식 연소가 가능하며, 그에 따라서 연료공급장치가 한개로써 구조가 간단하고, 본 발명을 축열식 연소시스템으로 교체 적용시, 동일한 연소용량과 화염형상을 제공하므로 종래 가열로를 본 발명의 축열식 연소시스템으로 교체시, 가열로 개조범위를 최소화 할 수 있다.

또한, 연소공기의 비대칭 편심 공급에 의한 연료의 농담연소로 화염 국부고온역을 억제하여 질소산화물발생 억제가 가능하다.

도 1은 가열로상에 배치되는 버너들의 화염형상을 도시한 설명도로서,

a)도는 종래의 기술에 따라서 버너들이 번갈아서 작동되는 상태도,

b)도는 본 발명에 따른 버너장치가 작동되는 상태도;

도 2는 종래의 기술에 따른 버너의 작동상태도;

도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치를 도시한 외관 사시도;

도 4는 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치를 도시한 일부 절개 단 면도;

도 5는 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치의 작동상태도로서,

a)는 연소작동중의 공기 흐름도,

b)는 배기 작동중의 공기 흐름도;

도 6은 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치의 작동상태를 도시한 평 면도로서,

a)는 연소작동중의 공기 흐름도,

b)는 배기 작동중의 공기 흐름도;

도 7은 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치의 일측 공기유로가 버너 로 사용되는 상태를 도시한 설명도;

도 8은 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치의 타측 공기유로가 버너 로 사용되는 상태를 도시한 설명도;

도 9는 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치에서 연소공기노즐 면적 분할비에 따른 NOx저감 효과를 도시한 그래프도;

도 10은 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 버너장치에서 연소공기노즐 면적 분할비에 따른 NOx저감 효과와 화염을 도시한 도표이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

12a,12b..... 축열체 21..... 연료 도입부

22..... 연료 노즐 24a,24b.... 연소공기노즐

28..... 밸브 51..... 희박연소영역

52..... 과농 연소영역 A,B..... 공기 유로

P1,P2.... 연소 블럭

Claims (3)

1. 연료를 공급하는 연료노즐(22)과, 연소용 공기를 공급하는 연소공기노즐(24a)(24b)을 갖추고, 상기 연소용 공기를 예열하기 위한 축열체(12a)(12b)를 구비한 버너장치에 있어서, 상기 연료노즐(22)은 1개로 이루어지고, 상기 연료 노즐(22)을 에워싸도록 복수의 연소공기노즐(24a)(24b)이 배치되며, 상기 연소공기노즐(24a)(24b)들은 복수의 공기유로(A)(B)에 각각 동일 면적을 갖도록 분할 배치되고, 상기 각각의 공기유로(A)(B)에는 축열체(12a)(12b)가 구비되는 한편, 상기 연료노즐(22)과 어느 하나의 공기유로(A)가 연소용 버너로 작동하면, 다른 공기유로(B)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12b)를 가열하고, 상기 연료노즐(22)과 상기 다른 공기유로(B)가 연소용 버너로 작동하면 상기 어느 하나의 공기유로(A)를 통하여 배기가 인출되어 축열체(12a)를 가열하며, 이들 공기 유로(A)(B)는 서로 교번함을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 버너장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 공기 유로(A)(B)는 상기 연료노즐(22)을 중심으로 좌,우측의 연소블럭(P1)(P2)으로 각각 구획되며, 상기 공기유로(A)는 해당 공기 유로(A)B)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역과 인접한 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)에는 각각 다른 면적의 연소공기노즐(24a)을 갖고, 상기 공기유로(B)는 해당 공기 유로 (B)가 위치한 연소블럭(P2)의 영역과 인접한 공기유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)에는 각각 다른 면적의 연소공기 노즐을 가지며, 이들 각각의 공기유로(A)(B)가 갖는 공기노즐(24a)(24b)들의 총면적은 서로 동일하고, 좌,우측의 연소블럭(P1)(P2)에 배치된 공기노즐(24a)(24b)들의 면적비는 서로 동일하게 분할됨을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 버너장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 공기유로(A)는 해당 공기유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역측에 해당 공기유로(A)에 연결된 총 공기노즐(24a)에 대한 공기노즐(24a) 70~80%의 면적비를 갖고, 인접 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)의 영역측에 해당 공기유로(A)에 연결된 총 공기노즐(24a)에 대한 나머지 공기노즐(24a) 20~30%의 면적비를 갖는 한편, 반대측 공기유로(B)는 해당 공기유로(B)가 위치한 연소블럭(P2)의 영역측에 해당 공기유로(B)에 연결된 총 공기노즐(24b)에 대한 공기노즐(24b) 70~80%의 면적비를 갖고, 인접 공기유로(A)가 위치한 연소블럭(P1)의 영역측에 해당 공기유로(B)에 연결된 총 공기노즐(24b)에 대한 나머지 공기노즐(24b) 20~30%의 면적비를 갖는 것임을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 버너장치.