KR100675190B1 - 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너 및 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열식 버너의 운전시 승온단계에서도 축열연소모드로 운전할 수 있는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너 및 그 운전방법에 관한 것이다.

상기 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너는 연소용 공기의 공급통로이자 연소된 배기가스의 배출통로인 복수개의 축열체; 상기 축열체를 통과하는 연소용 공기의 공급/배기 통로를 구비하고, 상기 연소용 공기의 공급/배기 통로의 내경에 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로를 구비하는 버너본체; 상기 버너본체의 내경에 형성되고 버너내부와 연결되는 끝단에 에어노즐이 형성되어 버너에 1차 파일롯 에어를 공급하는 에어노즐 튜브; 상기 에어노즐 튜브의 내부를 관통하여 형성되고 상기 버너에 연료를 공급하기 위한 가스노즐과 상기 가스노즐의 상부 좌우에 각각 길이방향으로 형성되어 플레임이 형성되도록 하는 보염기 및 상기 가스노즐 하단에 길이방향으로 형성되어 불꽃을 일으키는 점화봉을 포함하여 구성되는 점화장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하게 되면 축열식 버너의 운전시에 연소효율이 높아질 뿐만 아니라 NOx의 발생을 줄일 수 있는 효과가 있다.

컴팩트 버너, 축열연소, 버너

Description

풀타임 축열연소식 컴팩트 버너 및 그 운전방법{Full-Time Regenerative Compact Burner and the Operating Method}

도 1은 기존의 일반 버너의 운전방식을 나타내는 도면,

도 2는 기존의 축열식 버너의 운전방식을 나타내는 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 전체단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 버너몸체의 단면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 에어노즐 튜브의 단면도,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 에어노즐 튜브의 상세도,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 점화장치의 구성도를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 축열체 20 : 버너 본체

30 : 에어노즐 튜브 31 : 에어 노즐

32 : 2차 파일롯 에어 홀 40 : 점화장치

41 : 가스노즐 42 : 보염기

43 : 점화봉 44 : 가스노즐 홀

본 발명은 승온단계에서도 축열방식으로 운전이 가능한 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너 및 그 운전방법에 관한 것이다.

종래에는 축열식 버너의 운전시 승온할 때는 공업로 분위기 온도가 높지않은 경우 예를 들어 분위기 온도가 1000℃ 미만인 경우에는 일반적인 버너 연소모드로 운전하고 1000℃ 이상일 경우에는 축열식 연소모드로 운전했었다. 즉 배기가스의 직접접촉의 열교환 방식으로 축열체를 덥혀 예열된 공기가 버너로 들어가 연소되는 것이 아닌 일정한 정도의 온도상승까지는 단일버너만의 연소로 운전해야만 했었다.

도 1은 일반버너의 운전방식을 나타내며 도 2는 축열식 버너의 운전방식을 나타낸다.

동 도면에서 보는 바와 같이 축열식 버너의 경우라도 승온단계에서는 도 2와 같이 축열식 모드로 운전하지 못하고 도 1의 경우와 같이 일반적인 연소모드로 밖에 운전할 수 밖에 없었다. 왜냐하면 상온모드에서 축열방식의 연소모드로 운전할 경우 축열체를 지나는 주 공기가 상온분위기에서 연소되면 화염이 꺼지는 문제점이 있었기 때문이다. 따라서 축열연소 방식이 아닌 일반적인 버너 연소모드로 운전하게 되어 상온의 연소용 공기가 축열체에 접촉하지 못함으로 인해 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 일반적인 모드로 버너연소시 혹은 축열방식 모드로 연소하는 경우라도 단일 공기노즐만이 존재하는 관계로 완전연소가 이루어지지 않으므로 인해 NOx가 상대적으로 많이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 승온단계 즉 공업로내 분위기 온도가 1000℃이내의 경우에도 축열모드로 운전할 수 있는 효율성이 높은 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너를 제공하는데 있다.

또한 축열체를 지나는 공기가 연소에 참가해도 화염이 꺼지지 않는 버너 노즐 구조가 개선된 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너, 또는 미연가스와 1,2차 파일롯 에어가 서서히 혼합하게 하고 열분해가 많이 진행된 후 그을음이 많이 일어나면서 마지막 예열공기와 최종반응하여 강한 휘염연소가 가능하게 하여 예열공기의 고속분출에 의한 연소가스 재순환의 극대화로 NOx 저감효과를 발생시키는 풀타임 축열연소식 컴팩트버너를 제공하는데 있다.

그리고 상기와 같은 버너를 풀타임으로 이용할 수 있는 운전방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트버너는, 공기와 연료를 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 예열된 공기를 이용하는 축열식 버너에 있어서, 연소용 공기의 공급통로이자 연소된 고온의 배기가스의 배출통로인 복수개의 축열체; 상기 축열체를 통과하는 연소용 공기의 공급/배기 통로를 구비하고, 상기 연소용 공기의 공급/배기 통로의 내경에 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로를 구비하는 버너본체; 상기 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로의 내경에 형성되고 버너내부와 연결되는 끝단에 에어노즐이 형성되어 버너에 1차 파일롯 에어를 공급하기 위한 에어노즐 튜브; 상기 에어노즐 튜브의 내부를 관통하여 형성되고 상기 버너에 연료를 공급하기 위한 가스노즐과 상기 가스노즐의 상부 좌우에 각각 길이방향으로 형성되어 플레임이 형성되도록 하는 보염기 및 상기 가스노즐 하단에 길이방향으로 형성되어 불꽃을 일으키는 점화봉으로 구성되는 점화장치; 를 포함하여 구성되는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너엔 관한 것이다.

또한 상기 가스노즐은 버너 내부와 연결되는 끝단에 좁은 복수개의 홀을 형성하여 구성될 수도 있고, 상기 에어노즐은 2차 파일럿 에어의 일부가 가스노즐 방향으로 일부 흐르도록 하기위한 사선모양의 복수개의 홀을 형성하여 구성될 수도 있으며, 상기 연소가스 공급장치는 상기 축열식 버너의 온도에 따라 공기의 분출량을 스텝밸브를 사용하여 제어하는 것으로 하여 구성될 수도 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 전체단면도를 나타낸다.

동 도면에서 보는 바와 같이 상기 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너는, 연소용 공기의 공급통로이자 연소된 고온의 배기가스의 배출통로인 복수개의 축열체(10)와 상기 축열체(10)를 통과하는 연소용 공기의 공급/배기 통로를 구비하고, 상기 연소용 공기의 공급/배기 통로의 내경에 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로를 구비하는 버너본체(20), 그리고 상기 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로의 내경에 형성되고 버너내부와 연결되는 끝단에 에어노즐(31)이 형성되어 버너에 1차 파일롯 에어를 공급하기 위한 에어노즐 튜브(30) 및 상기 에어노즐 튜브(30)의 내부를 관통하여 형성되고 상기 버너에 연료를 공급하기 위한 가스노즐(41)과 상기 가스노즐(41)의 상부 좌우에 각각 길이방향으로 형성되어 플레임이 형성되도록 하는 보염기(42) 및 상기 가스노즐(41) 하단에 길이방향으로 형성되어 불꽃을 일으키는 점화봉(43)을 포함하여 구성되는 점화장치(40)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 요소들이 축열식 버너시스템에 잘 고정될 수 있도록 버너타일이 구비된다.

연소용 공기 유로는 중앙부에서는 상온공기인 1차 파일롯 에어와 2차 파일롯 에어가 공급되고, 바깥쪽으로는 축열체(10)를 지나는 예열공기인 메인에어 유로로 구성되어져 있다. 로내 분위기 온도가 1000℃ 이하로 낮은 경우에도 1, 2차 파일롯 에어의 유입량을 적절하게 조절하여 메인 에어와 더불어 연소해도 안정된 화염을 얻을 수 있는데 이는 화염을 안정적으로 하는 버너 중앙부의 노즐(31,41) 구조 즉 공기 및 가스 연료 분출 구조에 의한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 버너본체의 단면도를 나타낸다.

동 도면에서 보는 바와 같이, 버너본체(20)는 2개의 공기통로를 가지는데, 축열체(10)를 통과한 배기가스의 통로이자 버너에 예열공기를 공급하기 위한 공급통로인 메인에어의 급/배기 통로와 상기 메인에어의 급/배기 통로 내경에는 버너내부에 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 2차 파일롯 에어 공급통로를 구비한다. 상기 버너본체(20)는 축열체(10)와 중앙부를 감싸면서 결합되되 고온에 견딜 수 있는 플랜지 결합으로 고정된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 에어노즐 튜브의 단면도를, 그리고 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 에어노즐 튜브의 상세도를 나타낸다.

동 도면에서 보는 바와 같이 에어노즐 튜브(30)는 상기 튜브(30)의 우측 상단에 1차 파일롯 에어 유로가 형성되고 버너의 내부 끝단에는 상기 에어가 연료가스와 적절히 혼합될 수 있는 사선모양의 복수개의 홀(32)을 형성한다. 상기 구조에 의할 때, 1,2차 파일롯 에어에 의해 희석된 연료가스의 연소가 이루어지게 되며, 이후 예열된 메인 에어에 의해 충분한 산소가 공급되면서 연소가 완전히 이루어지는, 연소반응 체류 시간이 증가되는 모습으로 반응이 이루어진다. 이러한 순차적인 연소방법으로 인해 안정된 화염을 유지할 수 있다.

이때 이러한 연소가 적절하게 이루어지도록 하기 위해서는 버너내부로 유입되는 공기의 유량을 외부에서 제어해야하는데, 이를 위해서는 로 내의 분위기 온도에 따라 바깥쪽으로 흐르는 메인에어의 유량과 중앙부에서의 1,2차 파일롯 에어의 유량이 제어됨으로써 가능하게 된다.

상기 제어방법으로서 제어 대상을 당량비로 표현하면 분위기 온도가 1000℃ 이하인 상온 모드일 때는 1차 파일롯 에어의 연소 구간의 당량비가 2내지 12가 되도록 제어하며, 2차 파일롯 에어의 연소 구간에서의 당량비는 1.5 내지 10, 메인 에어의 연소 구간의 당량비는 1이 되도록 제어한다.

상기와 같은 제어는 스텝밸브에 의해 제어 가능하며 이는 기존에 연구 개발된 NOx(질소산화물) 억제 방법 중 본 발명과 관련이 있는 비평형 연소법에 의해 가능하다. 비평형 연소법은 공기 2단 공급연소법 등에 의해 가능한데, 이들은 연소를 위한 공기의 공급비를 조절하여 NOx의 생성을 억제한다.

즉, 연소에 따른 NOx의 생성비를 살펴보면, 그 최고의 생성점이 되는 부분이 연료와 공기간의 일정한 혼합에 의해 연소효율성이 우수한 배합비율에서 발생된다.

보다 상세하게 설명하자면 공기 2단 공급연소법은 공기를 1, 2차 단계로 분 할하여 공급하는 연소법이다. 1차 단계에서는 상기 NOx의 생성량이 최고점에 달하는 공기의 혼합량에 비해 적은 양의 공기를 공급하고, 2차 단계에서는 공기를 과량으로 공급하여 전체적으로 NOx 생성 최고지점을 피하는 방법이다.

또는 공기의 공급량 제어는 대한민국등록특허 10-481431(발명의 명칭 : 배기가스 연료 혼합형 3단 연소 저질소 산화물 버너를이용한 연소 시스템)에 기재된 바와 같은 방법으로도 제어 가능하며 본 명세서에서는 제어방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 점화장치의 구성도를 나타낸다.

동 도면에서 보는 바와 같이 점화장치(40)는 가스노즐(41)과 보염기(42) 그리고 점화봉(43)을 포함하여 구성된다.

이중 가스노즐(41)은 에어노즐 튜브(30)의 내경에 에어노즐(31)을 관통하여 설치되며 버너외부 끝단과 연결되는 부위에는 연료가스를 공급할 수 있는 버너헤드가 구비된다. 반면 버너내부와 연결되는 가스노즐(41)의 끝단에는 공급된 연료가스가 파일롯 에어와의 급격한 혼합을 방지하기 위해 복수개의 길이방향의 가스노즐 홀(44)을 형성한다.

2차 파일롯 에어의 연소 구간에서는 분위기 온도에 따른 희석을 효과적으로 하고 열분해 효과를 극대화 하기 위해서 가스노즐(41)과 에어노즐(31)의 구조를 도면과 같은 구조로 하고 상기 도면과 같은 구조에 의할 때 미연가스와 2차 파일롯 에어가 서서히 혼합하게 하고 열분해가 많이 진행된 후 마지막 메인 에어와 최종 반응하기 전까지 안정된 연소를 이루는데 이는 반응시간 지연으로 인해 가능하게 된다.

축열체(10)를 지나는 예열공기, 즉 주 연소용 공기인 메인에어는 로내에서 빠르게 분출되면서 강력한 내부 재순환 연소 유동장을 형성케 힌다.

이는 연료가스와 1, 2차 파일롯 에어가 서서히 혼합하게 하고 열분해가 많이 진행된 후 그을음이 많이 일어나면서 마지막 예열공기인 메인 에어와 최종 반응 하기 때문에 강한 휘염 연소가 일어나는데 이러한 효과는 본 발명에 따른 에어노즐(31)의 구조 및 가스노즐(41)의 구조와 로 내의 온도에 따른 유입공기의 적절한 제어에 의해서 가능하다.

따라서 상온 모드에서도 축열 연소에 의한 고효율 연소모드인 고온모드 못지 않은 고효율 버너의 특성을 지닐 수 있다.

그리고 고온 모드에서 또한 메인 에어의 고속 분출에 의한 연소가스 재순환의 극대화를 가져옴으로써 NOx 저감효과가 발생하고, 이와 더불어 상온 모드에서도 중앙부에서의 체류시간 지연으로 한 다단 연소 효과에 의한 저NOx 저감 효과를 가진다.

왜냐하면 1,2차 파일롯 에어 및 메인 에어 순으로 연료가스와의 혼합 및 연소가 이루어지는데 1차 파일롯 에어로서는 안정된 미연 연소가스 영역이 존재되고 여기서 열분해가 이루어지면서 2차 파일롯 에어로 인해 일부 연소가 이루어지면서 열분해가 계속 일어나기 때문이다. 이후 예열된 공기에 의해 충분한 산소가 공급되면서 연소가 완전히 이루어지는 연소반응 체류 시간이 최대한 얻어져 NOx 저감효과를 가지는 것이다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 일 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

본 발명에 의할 때 축열체를 지나는 공기가 연소에 참가해도 화염이 꺼지지 않는 버너 노즐 구조가 개선되어 승온단계 즉 공업로내 분위기 온도가 1000℃이내의 경우에도 축열모드로 운전할 수 있어 버너의 효율성이 높아지는 효과가 있다.

그리고 미연가스와 1,2차 파일롯 에어가 서서히 혼합하게 하고 열분해가 많이 진행된 후 그을음이 많이 일어나면서 마지막 예열공기와 최종반응하여 강한 휘염연소가 가능하게 하여 예열공기의 고속분출에 의한 연소가스 재순환의 극대화로 NOx 저감효과를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 공기와 연료를 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 예열된 공기를 이용하는 축열식 버너에 있어서,

   연소용 공기의 공급통로이자 연소된 고온의 배기가스의 배출통로인 복수개의 축열체;

   상기 축열체를 통과하는 연소용 공기의 공급/배기 통로를 구비하고, 상기 연소용 공기의 공급/배기 통로의 내경에 2차 파일롯 에어를 공급하기 위한 통로를 구비하는 버너본체;

   상기 버너본체의 내경에 형성되고 버너내부와 연결되는 끝단에 에어노즐이 형성되어 버너에 1차 파일롯 에어를 공급하기 위한 에어노즐 튜브;

   상기 에어노즐 튜브의 내부를 관통하여 형성되고 상기 버너에 연료를 공급하기 위한 가스노즐과 상기 가스노즐의 상부 좌우에 각각 길이방향으로 형성되어 플레임이 형성되도록 하는 보염기 및 상기 가스노즐 하단에 길이방향으로 형성되어 불꽃을 일으키는 점화봉으로 구성되는 점화장치;

   를 포함하여 구성되는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 에어노즐은 2차 파일롯 에어의 일부가 가스노즐 방향으로 흐르도록 하 기위한 사선모양의 복수개의 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 가스노즐은 버너 내부와 연결되는 끝단에 좁은 복수개의 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너.
4. 공기와 연료를 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 예열된 공기를 이용하는 축열식 버너의 운전방법에 있어서,

   축열식 버너의 운전상의 승온단계에서 상기 축열식 버너의 내부로 유입되는 공기 유량을 제어함으로써 승온단계에서도 축열식으로 운전이 가능하도록 하는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 운전방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 공기 유량의 제어는 스텝밸브의 조작에 의해 버너의 내부로 유입되는 1,2차 파일롯에어의 유량과 메인에어의 유량이 순차적으로 조절되어 연료가스와 1,2차 파일롯에어가 서서히 혼합되게 하고 열분해가 많이 진행된 후 예열공기인 메 인에어와 최종 반응하도록 하는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 운전방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 버너의 내부로 유입되는 공기의 공급비는 승온모드일 경우 1차 파일롯 에어의 연소 구간의 당량비가 2내지 12가 되도록 하며, 2차 파일롯 에어의 연소 구간에서의 당량비는 1.5 내지 10이 되도록 하며 메인 에어의 연소 구간의 당량비는 1이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 컴팩트 버너의 운전방법.

Images