KR100721849B1 - 저질소산화물 축열식 복사관 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소용 공기를 버너의 중앙에서 공급하고 연료를 중앙공기노즐의 외주에 형성되어 있는 다수개의 노즐로 분할하여 분사하되, 연료노즐의 길이방향 위치를 다르게 배치하여 연료의 2단 연소를 도모하면서 연료노즐의 구경을 다르게 하여 복사관 내의 질소산화물(NOx)의 환원과 농담연소를 도모함으로서 질소산화물(NOx)의 발생량을 극저감시킬 수 있도록 한 저질소산화물 축열식 복사관 버너에 관한 것이다.

특히, 축열식 복사관 버너에 있어서,

복사관(7) 내에 설치되어 있는 버너(1)의 노즐플레이트(6) 중심에 공기노즐(5)이 형성되어 있고, 상기 노즐플레이트(6)의 중심에 형성되어 있는 공기노즐(5)의 외주 동심원상에는 구경이 상이한 복수개의 1,2차연료노즐(3a),(3b)이 서로 축방향 위치가 다르게 상기 버너(1)의 외측으로 부터 삽입 구성됨을 특징으로 한다.

버너몸체, 연료노즐, 축열체

Description

저질소산화물 축열식 복사관 버너{A LOW NOx REGENERATIVE RADIANT TUBE BURNER}

도 1은 본 발명에 따른 저질소산화물 축열식 복사관 버너의 구성상태를 도시한 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 저질소산화물 축열식 복사관 버너의 구성상태를 도시한 정단면도,

도 3a와 3b는 종래의 축열식 복사관 버너의 구성상태를 도시한 측단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 :버너 2 :축열기

3a,3b :연료노즐 4 :공기공급구

5 :공기노즐 6 :노즐플레이트

7 :복사관

본 발명은 저질소산화물 축열식 복사관 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소용 공기를 버너의 중앙에서 공급하고 연료를 중앙공기노즐의 외주에 형성되 어 있는 다수개의 노즐로 분할하여 분사하되, 연료노즐의 길이방향 위치를 다르게 배치하여 연료의 2단 연소를 도모하면서 연료노즐의 구경을 다르게 하여 복사관 내의 질소산화물(NOx)의 환원과 농담연소를 도모함으로서 질소산화물(NOx)의 발생량을 극저감시킬 수 있도록 한 저질소산화물 축열식 복사관 버너에 관한 것이다.

일반적으로 축열 연소 기술은 축열기에 의해 연소용 공기를 800℃ 이상의 고온으로 예열하여 연소시키는 에너지 절약형 연소기술로서 최근 이의 적용을 위한 노력이 활발한 실정이다.

연소설비는 크게 직화식 가열설비와 간접가열식이 있는데 가열로와 같이 연소공간이 넓은 직화식 설비에서는 질소산화물(NOx) 축열연소기능이 실용화 단계에 있으며 100ppm 이하의 질소산화물 연소가 가능하다.(USP 5403181등)

그리고 간접가열방식 중 연속운전설비는 복사관 버너를 이용하는 것이 주종을 이룬다. 복사관 버너는 내열형 관내에서 연료를 연소시킬때 발생하는 열로 관을 가열하여 관의 외부 복사현상을 이용하여 소재를 가열하는 것으로서 분위기 제어가 필요한 열처리로 등에 널리 사용되고 있다.

복사관은 대부분이 직경이 약 0.2m 이하이며 버너당 연소용량은 20만kal/hr이하이다. 복사관 버너는 버너당 용량은 작지만 연소실 역할을 하는 복사관의 크기가 작기 때문에 복사관의 열부하가 통상 가열로 등의 직화식 설비의 10배 정도로서 고부하 연소가 이루어진다. 또한 화염이 복사관 내에서 길게 형성되어 U형이나 W형 복사관의 경우 2직관 초입까지 화염이 형성되는 것이 일반적이다.

축열연소에서 질소산화물을 저감시키는 기본적인 방법은 공기의 고속분사로 서 고속의 공기를 노내에 분사하면 노내의 연소가스가 공기 분류중에 혼입되어 공기중 산소농도를 저하시켜 질소산화물을 저감시킨다.

이 방법은 직화식로의 경우에 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 복사관 버너의 경우에는 관내에 화염이 길게 형성되기 때문에 고속분사 단독으로는 질소산화물의 저감이 곤란하여 현재까지 만족할 만한 질소산화물 성능을 발휘하는 축열식 복사버너는 개발되지 않은 상태이다.

즉, 미국특허 4870947에서는 연료를 2단 분사하여 질소산화물 저감을 도모하지만 200ppm 이상의 질소산화물이 발생되고 있다.

또한 공기 2단 연소버너, 편심분사버너 등이 제안되고 있으나,질소산화물의 다량발생으로 실적용함에 있어서는 여러가지의 문제가 있었다.

이러한 축열식 복사관 버너의 작동원리를 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3a와 3b은 종래의 축열식 복사관 버너의 구성상태를 도시한 측단면도이다.

먼저 도 3a에 도시된 바와 같은 축열식 복사관 버너는 복사관(직선형,U형,W형:(7))의 양단에 한쌍의 버너(1a),(1b)가 설치되어 있다.

그리고 버너(1a),(1b)의 중앙에는 연료노즐(3)이 삽입 설치되어 있고, 연료노즐(3)의 외주에는 축열기(2)가 구비되어 있다.

또한, 공기는 연료노즐(3)과 노즐플레이트(6)의 중앙에 형성되어 있는 공기노즐(5)를 통하여 분사를 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 종래의 축열식 복사관 버너는 좌측 버너(1a)가 연소모드일때는 우측 버너(1b)가 축열모드로 작동된다.

즉, 버너(1a)에서 연소가 일어나면 연소가스는 버너(1b) 내의 축열기(2)를 통하여 공기공급구(4)로 배출되면서 축열기(2)에 열이 저장되고, 연소가스는 200℃이하로 배출된다.

그리고, 일정시간이 지나면 연소가 절환되어 버너(1b)가 연소모드가 되고 버너(1a)가 축열모드가 되어 상술한 과정을 반복하게 된다.

이때 연료와 공기 및 연소가스는 적절한 절환기구에 의해 공급이 조절된다.

그러나, 이와 같은 작동을 취하는 복사관 버너는 연소시 관내의 열부하가 높고 화염의 길이가 길기 때문에 질소산화물의 발생량을 저감시키기는 효과를 기대하기에는 사실상 어려웠다.

즉, 공기노즐(5)를 통해 공기를 고속으로 분사되더라도 버너(1a),(1b)에서 생성되는 연소가스량에 비하여 관내의 연소가스량이 많지 않으므로 노내 가스의 흡인율 증대를 기대하기 어렵기 때문이다.

여기서 고속분사의 효과를 최대한 얻기 위해서는 공기노즐(5) 근처에서 노내의 연소가스를 다량 흡인하여야 하나 복사관(7)에서는 화염이 복사관(7)에 걸쳐 길게 형성되고, 복사관(7) 용적이 작기 때문에 효과적인 연소가스의 흡인을 이루지 못하는 문제가 있었다.

그리고 도 3b에 도시된 축열식 복사관 버너는 현재까지 알려진 복사관 버너 중 질소산화물의 발생량을 최소화할 수 있도록 알려진 것으로, 이는 버너(1)의 중 앙에 연료노즐(3)이 배치되어 있고, 노즐플레이트(6)의 하부에는 공기의 공급을 이룰 수 있는 공기노즐(5)이 천설되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 또다른 종래의 축열식 복사관 버너는 하부에 형성되어 있는 공기공급구(4)로 부터 유입시킨 공기를 축열기(2)에서 고온으로 가열한 후 분사한다. 이 버너는 고속공기의 분사에 따라 노내 고온 연소가스의 순환을 증대하고 공기노즐(5)을 편심배치함으로서 공기와 연료의 초기혼합을 지연하여 질소산화물의 발생을 저감한다.

그러나, 이와 같은 종래의 축열식 복사관 버너는 고속분사의 효과가 미약하므로 편심분사에 의해 연료와 공기의 혼합을 지연시켜도 200ppm 이상의 질소산화물을 발생시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점들을 개선하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 본 발명은 연소용 공기를 버너의 중앙에서 공급하고 연료를 중앙공기노즐의 외주에 형성되어 있는 다수개의 노즐로 분할하여 분사하되, 연료노즐의 길이방향 위치를 다르게 배치하여 연료의 2단 연소를 도모하면서 연료노즐의 구경을 다르게 하여 복사관 내의 질소산화물(NOx)의 환원과 농담연소를 도모함으로서 질소산화물(NOx)의 발생량을 극저감시킬 수 있도록 한 저질소산화물 축열식 복사관 버너를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적은 축열식 복사관 버너에 있어서,

복사관 내에 설치되어 있는 버너의 노즐플레이트 중심에 공기노즐이 형성되어 있고, 상기 노즐플레이트의 중심에 형성되어 있는 공기노즐(5)의 외주 동심원상에는 구경이 상이한 복수개의 1,2차연료노즐(3a),(3b)이 서로 축방향 위치가 다르게 상기 버너(1)의 외측으로 부터 삽입 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 저질소산화물 축열식 복사관 버너의 구성상태를 도시한 측단면도이다.

도시된 바와 같이 복사관(7) 내에 설치되어 있는 버너(1)의 노즐플레이트(6) 중심에 공기노즐(5)이 형성되어 있고, 상기 노즐플레이트(6)의 중심에 형성되어 있는 공기노즐(5)의 외주 동심원상에는 구경이 상이한 복수개의 1,2차연료노즐(3a),(3b)이 서로 축방향 위치가 다르게 상기 버너(1)의 외측으로 부터 삽입 구성되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 공기는 중앙의 공기노즐(5)로 고속분사되어 복사관(7) 내에 설치되어 있는 버너(1) 내의 연소가스를 흡인하면서 1차연료노즐(3a)을 통해 분사되는 1차연료와 공기 과잉 상태에서 1차연소를 이루게 된다.

이때, 질소산화물의 발생은 공기비가 높거나 공기가 부족한 경우에 억제될 수 있으므로 1차연료의 연소역에서 질소산화물의 발생량이 적어지게 된다.

그리고, 1차연료보다 축방향에서 볼때 앞에 위치된 2차연료노즐(3b)에서 분사된 연료는 1차연소 생성물과 순차적으로 반응하면서 연소되게 된다.

즉, 연료가 분할되어 분사됨에 따라 기본적으로 연료 2단연소의 효과를 얻게 되며 1차연소에서 생성된 질소산화물은 2차연료와 반응하여 일부 질소(N₂)로 환원된다.

또한, 1차연료노즐(3a)보다 2차연료노즐(3b)의 구경이 크므로 복사관의 버너(1) 단면내의 국부 연료 농도를 달리하여 농담연소를 이룰 수 있도록 하는 작용을 이룰 수 있게 된다.

또한, 복사관 내 길이방향 연료의 농도를 균일화하는 것이 가능하여 완전이 혼합시킬 수 있도록 하는 성능을 향상시켜 질소산화물의 저감시킬 수 있도록 하는 작용을 이룰 수 있게 된다.

즉, 이와 같은 구성의 버너(1)에서는 토출구 부근에서의 연소 온도를 낮출 수 있으며, 복사관 내 연료농도를 종래 버너보다 균일하게 조절할 수 있어, 피크(peak)온도의 생성을 방지할 수 있게 된다.

또한 1차연소역에서 생성된 질소산화물이 2차연료와 반응하여 질소로 환원되는 효과를 얻을 수 있으므로 전체적으로 질소산화물의 발생량의 저감을 이룰 수 있게 되며 추가로 농담연소를 이룰 수 있는 있는 작용을 이룰 수 있게 된다.

한편, 연료가 1,2차 연료로 분할되어 발사됨에 의해 화염이 분할되므로 화염의 표면적이 증가하여 복사관으로의 열전달이 촉진되므로 방열속도의 증가에 의한 추가적인 질소산화물의 저감을 이룰 수 있게 된다.

이와 같이 작용하는 본 발명은, 직경 8cm, 길이 2.5m의 직선형 복사관 내에서 LPG를 연료로 연소용량 1만 kcal/hr, 공기비 1.1, 공기온도 900℃, 연소용공기 의 분사속도(상온기준) 20m/s의 고속분사 상황에서 종래의 버너는 230ppm의 질소산화물을 발생시키는 반면 본 발명의 버너(1)는 전체의 연소조건 공히 160ppm의 질소산화물을 발생시키는 결과를 얻게되므로 종래 버너 대비 30% 정도의 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 하는 작용을 이룰 수 있게 된다.

참고적으로, 본 발명을 설명하기 위해 도시하고 설명한 저질소산화물 축열식 복사관 버너는 단지 예로 들기 위한 기본 형태를 나타낸 것이므로, 본 발명은 유사한 형태와 목적을 가지고 있는 다른 형태의 저질소산화물 축열식 복사관 버너를 근본적으로 포함한다 할 수 있다.

이는 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있기 때문이다 .

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명은 연소용 공기를 버너의 중앙에서 공급하고 연료를 중앙공기노즐의 외주에 형성되어 있는 다수개의 노즐로 분할하여 분사하되, 연료노즐의 길이방향 위치를 다르게 배치하여 연료의 2단 연소를 도모하면서 연료노즐의 구경을 다르게 하여 복사관 내의 질소산화물(NOx)의 환원과 농담연소를 도모함으로서 질소산화물(NOx)의 발생량을 극저감시킬 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 축열식 복사관 버너에 있어서,

   복사관(7) 내에 설치되어 있는 버너(1)의 노즐플레이트(6) 중심에 공기노즐(5)이 형성되어 있고, 상기 노즐플레이트(6)의 중심에 형성되어 있는 공기노즐(5)의 외주 동심원상에는 구경이 상이한 복수개의 1,2차연료노즐(3a),(3b)이 서로 축방향 위치가 다르게 상기 버너(1)의 외측으로 부터 삽입 구성됨을 특징으로 하는 저질소산화물 축열식 복사관 버너.

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