KR100761211B1 - 부분연소식 산소예열 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분 연소식 산소예열 버너에 관한 것으로, 산소버너의 내부에 내열성이 우수한 연소통을 구비하여 연료와 산소의 연소는 연소통 내에서만 이루어지고 연소통의 외주로 냉각용 산소를 공급하여 버너의 내열성이 강화시키기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 산소 예열 버너에 있어서, 상기 버너의 외통 내부에 연료용 산소와 냉각용 산소를 분배하는 산소 분배판을 구비하되, 상기 산소 분배판에는 연료 노즐과 연소용 산소노즐 및 냉각용 산소노즐을 형성하고, 상기 연료노즐과 연소용 산소노즐의 외주에 연소통을 연결하여, 상기 연소통 내의 연소 화염에 의한 방사열이 상기 연소통 외부의 냉각용 산소를 통해 외통에 전달되도록 구성한 부분연소식 산소 예열 버너를 제공하여, 버너의 내열성을 강화시킬 수 있게 한다.

부분연소식, 산소예열, 버너, 산소분배판

Description

부분연소식 산소예열 버너{A Partial Combustion Burner for Preheating Oxygen}

도 1은 종래 기술에 의한 부분연소식 산소 예열 버너의 개념도

도 2는 본 발명에 의한 부분연소식 산소 예열 버너의 구조도

도 3은 도 2의 A방향에서 본 정면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 산소예열버너　 11 : 연료노즐 12 : 산소분배판　

13 : 연소용산소노즐 14 : 냉각용산소노즐 15 : 연소통

16 : 외통 20 : 산소공급구 30 : 고온산소 분출구

본 발명은 산소를 고온으로 예열하기 위한 산소예열용 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버너에 투입되는 연료의 연소에 필요한 양보다 과량의 산소를 주입하여 과잉 산소에 의한 연소를 실시함으로서 산소농도가 높은 고온의 산소를 얻기 위한 부분연소식 산소 예열버너에 관한 것이다.

산소는 강력한 산화제로서 고온을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공기보다 연소 속도가 빨라 연료의 연소촉진을 위한 보조 산화제로서도 널리 사용되고 있다. 통상 연소반응은 산화제의 온도가 높을수록 촉진되기 때문에 대부분의 연소설비에서는 열교환기 등을 구비하여 공기나 산소 등의 산화제를 예열하여 사용하고 있다.

그러나 일반적인 열교환기에서는 1,000℃ 이상으로 산화제를 예열하는 것이 곤란하며, 설령 재질상 내열온도를 만족하더라도 고온의 열원을 이용하는 것은 매우 제한적인 경우에나 가능하다. 따라서 1,000℃ 이상의 고온 산화제를 얻기 위해서는 산화제의 흐름 중에 일부 연료를 공급하여 연료의 연소열에 의해 산화제를 예열하는 방법이 이용된다.

증기를 이용한 탄화수소의 개질반응이나 고로에 미분탄 취입을 증대시키는 경우 내지는 철광석이나 비철금속의 제련 등에 고온의 산소는 매우 유용하게 활용될 수 있다. 따라서 안정적으로 고온의 산소를 얻기 위한 연구개발이 진행되어 왔으며, 대표적으로 미국특허 5,266,024호와 4,928,605호 및 5,149,261호에서는 산소를 고온으로 예열하기 위한 산소가열기를 제시하고 있다.

도 1은 미국특허 5,266,024호에 의해 공개된 종래의 산소예열 버너의 개념을 나타낸 것이다. 산소버너(1)는 연료공급관(5)과 산소공급관(6)이 연결되는 연소랜스(2)로 구성된다. 이러한 종래 구성의 산소예열 버너는, 연소랜스(2) 내부로 공급된 연료와 산소가 연소혼합실(3) 내에서 완전히 연소한 후 혼합되어 약간의 연소 생성물과 산소를 포함한 고온 연소가스의 형태로 고온산소노즐(4)를 통하여 배출하는 구조이다. 상기 고온산소노즐(4)에서 분사되는 고온의 산소는 사용되는 산소와 연료의 비율 내지는 목표로 하는 산소온도에 따라 달라지지만, 예를 들어 1,200℃ 기준시 개략적으로 80% 정도의 산소와 20% 정도의 연소생성물(이산화탄소, 수증기)로 구성된다. 이러한 고온가스의 조성과 온도는 물론 사용되는 연료의 종류와 당량비에 따라 변화하게 된다. 그러나 이와 같은 구성의 종래 산소예열 버너에서는 부분연소 화염이 연소혼합실(3) 내부에 존재하므로 고온에 따른 연소 랜스(2)의 소손이 큰 문제가 된다.

상기 연소랜스(2) 내지는 산소버너(1)의 고온에 의한 소손을 방지하기 위한 방법으로서 연소랜스를 수냉하는 고전적인 방법이 있으나 산소버너의 크기가 커지고 사용상 안정성의 문제가 있다. 이를 개량하는 방법으로서 미국특허 4,928,605호에는, 연소랜스의 최외부는 수냉 자켓을 구성하고, 그 내부에 연소혼합실을 구비하되, 공급되는 산소를 1차산소와 2차산소로 분할하여 1차산소는 버너(연소혼합실)의 중심부에서 공급되는 연료와 반응하여 연소되고, 2차산소는 연소랜스(2)의 연소혼합실 내벽 부분에서 분사하여 내벽을 보호하면서 산소를 고온으로 예열하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 최내부에 화염이 형성되고 연소에 참여하지 않는 산소가 연소실 내벽을 따라 흐르면서 벽을 보호하면서 연소가스와 혼합되는 개념이다.

그러나, 실질적으로 고온산소 예열버너를 안정적으로 사용하기 위해서는 버너의 내열성 향상이 최우선적인 과제이다. 기존의 방법에서도 산소를 분할분사하여 나름대로의 내열성 확보를 목표로 하고 있지만, 최근 보고에 따르면 고온산소 노즐의 고로 적용 시험에서 내열성 부족의 문제가 제기된 바 있다. 따라서 기존의 방법보다 내열성이 향상된 산소예열 버너가 요구되고 있는 것이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 산소버너의 내부에 내열성이 우수한 연소통을 구비하여 연료와 산소의 연소는 연소통 내에서만 이루어지게 하는 동시에 연소통의 외주로 냉각용 산소를 공급함으로서 버너의 내열성이 강화된 산소예열 버너를 제공하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 산소 예열 버너에 있어서, 상기 버너의 외통 내부에 연료용 산소와 냉각용 산소를 분배하는 산소 분배판을 구비하되, 상기 산소 분배판에는 연료 노즐과 연소용 산소노즐 및 냉각용 산소노즐을 형성하고, 상기 연료노즐과 연소용 산소노즐의 외주에 연소통을 연결하여, 상기 연소통 내의 연소 화염에 의한 방사열이 상기 연소통 외부의 냉각용 산소를 통해 외통에 전달되도록 구성한 부분연소식 산소 예열 버너이다.

상기 본 발명에 의한 산소 예열 버너에서, 상기 산소 분배판의 중심에 연료노즐이 형성되고, 상기 연료노즐의 주변으로 상기 연소용 산소노즐이 형성되며, 상기 연소용 산소노즐의 주변으로 상기 냉각용 산소노즐이 형성되어, 상기 연소용 산소노즐의 형성영역과 냉각용 산소노즐의 형성 영역이 상기 연소통에 의해 구분될 수 있도록 형성되며, 상기 연소통과 외통은 내열온도가 높은 내열강, 세라믹(실리콘 카바이드 또는 알루미나) 또는 세라믹 복합체를 사용하여 형성할 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 부분연소식 산소 예열 버너의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 부분연소식 산소 예열 버너의 산소 분배판을 도 2의 A 방향에서 본 정면도로서, 산소 예열 버너(10)의 중앙에는 연료노즐(11)이 구비되어 적절한 연료 공급계통을 통해 연료가 공급된다. 산소는 적절한 산소 공급관을 통해 버너로 유입되어 공급되도록 산소 공급구(20)와 산소 분배판(12)을 순차적으로 구비한다. 버너의 최외부에는 외통(16)이 구비되고 외통(16) 내에 산소 분배판(12)이 설치된다. 이 산소 분배판(12)에는 고온산소 분출구(30) 쪽으로 연소통(15)이 연결된다. 상기 산소분배판(12)에는 산소공급구(20)을 통하여 공급된 산소가 연소통(15) 내부로 공급되는 연소용 산소노즐(13)과 연소통(15)과 외통(16) 사이의 환상 공간(고리형상의 공간)으로 산소를 공급하는 냉각용 산소노즐(14)이 형성된다. 상기 연료 노즐(11)과 연소용 산소노즐(13)과 냉각용 산소노즐(14)는 원형, 슬릿형 등 다양한 형태가 가능하며, 한 개 또는 다수 개로 설치될 수 있다. 또한 그 크기나 배열이 다양하게 변경될 수 있다. 상기 외통(16) 단부에는 고온산소 분출구(30)이 구비되는 데 고온산소 분출구(30)는 고온산소의 속도 조절을 위하여 외통(16) 내지는 연소통(15)의 보다 단면적이 축소된 형태를 가질 수 있으며, 축소 확대관 내지는 축소관 등 다양한 형상이 가능하다. 상기 연소통(15)와 외통(16)은 내열온도가 높은 내열강이나 실리콘카바이드 내지는 알루미나와 같은 세라믹 재질이 요망되며, 단열성이 높은 물질의 독립적인 혹은 추가적인 사용도 가능하다.

이와 같은 구성의 본 발명에 의한 부분 연소식 산소 예열 버너의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

연료 노즐(11)을 통해 공급된 연료는 연소용 산소노즐(13)을 통해 분사되는 산소와 만나서 연소통(15) 내에서 연소가 이루어지는 데, 전체 공급되는 산소 중 연소통 내로 분사되는 산소는 연료의 연소에 이론적으로 소요되는 유량의 2배 이상의 과잉연소를 한다. 연소용 산소와 연료에 의한 연소화염은 연소통 내에서 형성되도록 조정한다. 이때 열전달은 연소통(15)을 통하여 외통(16) 쪽으로 방사되는 열과 연소가스의 형태로 연소통 밖으로 배출되는 현열전달로 이루어진다. 상기 연소통(15)와 외통(16) 사이에는 공급산소의 대부분을 차지하는 냉각용 산소가 지나가므로 외통(16)의 온도상승을 최소화할 수 있다. 냉각용 산소는 연소통에서 배출되는 연소가스와 혼합되어 고온산소 분출구(30)를 통하여 버너 밖으로 공급되게 된다.

이와 같은 구성의 산소예열 버너에 의하면 내열 단열기능을 갖는 연소통에 의해 연소 화염과 외통과의 접촉을 완전하게 차단할 수 있고, 냉각용 산소에 의해 외통으로의 열전달을 최소로 할 수 있기 때문에 버너의 내열성을 확보하면서 안정적인 산소의 고온가열이 가능한 것이다.

이상의 본 발명에 의한 부분연소식 산소 예열 버너에 의하면, 버너 내부에 내열 단열성을 갖는 연소통을 구비하고, 연소통으로부터의 방사열을 차단할 수 있는 냉각용 산소가 공급됨에 의해 외통 등 버너 구조물의 고온 열화를 방지하면서 안정적인 고온산소의 발생이 가능하다. 냉각용 산소는 연소통에서 배출되는 고온 연소가스와 혼합하여 원하는 온도로 산소의 예열이 가능한 것이다. 본 버너의 적 용에 있어 연료의 종류는 제약이 없으며 천연가스, 석유가스 등 제반 상용연료의 사용이 가능하다.

Claims (3)

1. 산소 예열 버너에 있어서,

   상기 버너의 외통 내부에 연료용 산소와 냉각용 산소를 분배하는 산소 분배판을 구비하되, 상기 산소 분배판에는 연료 노즐과 연소용 산소노즐 및 냉각용 산소노즐을 형성하고, 상기 연료노즐과 연소용 산소노즐의 외주에 연소통을 연결하여, 상기 연소통 내의 연소 화염에 의한 방사열이 상기 연소통 외부의 냉각용 산소를 통해 외통에 전달되도록 구성한 것을 특징으로 하는 부분연소식 산소 예열 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산소 분배판의 중심에 연료노즐이 형성되고, 상기 연료노즐의 주변으로 상기 연소용 산소노즐이 형성되며, 상기 연소용 산소노즐의 주변으로 상기 냉각용 산소노즐이 형성되어, 상기 연소용 산소노즐의 형성영역과 냉각용 산소노즐의 형성 영역이 상기 연소통에 의해 구분된 것을 특징으로 하는 부분연소식 산소 예열 버너.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 연소통과 외통은 내열온도가 높은 내열강, 세라믹(실리콘 카바이드 또는 알루미나) 또는 세라믹 복합체 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 부분연소식 산소 예열 버너.

Images