KR100761218B1 - 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료공급관(5)과, 상기 연료공급관(5)이 연결되며 외부공기가 유입가능한 복사관(2)과, 상기 복사관(2)내에 형성되어 상기 연료공급관과 연통되어 있되 일측에 연료노즐(10) 및 1차공기공급노즐 가지는 연소통을 포함하는 복사관 버너에 있어서, 상기 연소통의 외측벽면에 다수의 보조연소가스 분출구를 형성하고 상기 연료노즐을 통하여 분출된 연료가 연소통 내에서 연소된 후 배출되는 주연소가스 분출구의 입구를 축소하여 구성한 것을 특징으로한다.

본 발명은 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소통의 반경방향으로 보조연소가스 분출구를 갖는 연소가스 순환형 연소통을 구비함으로써 1차연소가스의 일부가 2차공기에 혼입되어 2차공기의 산소분압을 저하시킴으로써 복사관의 급속연소를 방지하여 복사관의 첨두온도를 낮추고 질소산화물의 발생량을 극저감할 수 있는 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너에 관한 것이다.

버너, 복사관

Description

연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관 버너{A radiant tube burner equipped with a combustion tube having radial openings to vitiate air with combustion product}

　　 도 1은 일반적인 복사관 버너의 구조를 나타내는 단면도.

　　 도 2는 제 1도 일반적인 복사관 버너를 우측에서 보는 노즐부 구조도.

도 3은 본 발명의 연소가스 순환형 연소통이 설치된 복사관 버너의 단면도.

도 4 및 도 5는 본 발명 연소가스 순환형 연소통의 각기 다른 실시예를 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 복사관버너 2: 복사관 3: 연소통

4: 파일럿 버너 5: 연료공급관 10: 연료노즐

11: 1차공기 공급노즐　　　　 　12: 1차공기공급구　

20: 보조 연소가스 분출구　　　 21: 주 연소가스 분출구

본 발명은 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소통의 반경방향으로 보조연소가스 분출구를 갖는 연소가스 순환형 연소통을 구비함으로써 1차연소가스의 일부가 2차공기에 혼입되어 2차공기의 산소분압을 저하시킴으로써 복사관의 급속연소를 방지하여 복사관의 첨두온도를 낮추고 질소산화물의 발생량을 극저감할 수 있는 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너에 관한 것이다.

일반적으로 복사관 버너는 내열형 관내에서 연료를 연소시킬 때 발생하는 열로관을 가열하여 관의 외부 복사현상을 이용하여 소재를 가열하는 것으로서 소둔로 등의 열처리 설비에 널리 이용되고 있다.　 복사관버너는 버너당 용량은 작지만 복사관의 내부 용적이 작기 때문에 가열로 등의 직화식 설비보다 10배 정도의 고부하 연소가 이루어진다. 따라서 복사관 버너의 경우는 직화식 버너와 비교하여 볼 때 고부하 연소로 인하여 다량의 질소산화물(NOx)이 발생하기 때문에 공기 2단연소, 농담연소 등의 저질소산화물 원리가 적용되고 있다. 그러나 종래의 복사관 버너에서는 고부하 연소 때문에 150 ppm 이하의 저NOx 연소는 거의 불가능한 것으로 알려져 왔다.

도 1은 일반적인 2단연소식 복사관 버너의 구조를 나타내는 단면도이며, 도 2는 연료노즐과 1차 공기공급노즐의 구성을 상세히 나타낸 것이다. 복사관 버너(1)로 공급된 공기는 1차공기공급구(12)를 구비한 1차공기공급노즐(11)을 통과하는 1차공기와 연소통(3)과 복사관(2) 사이의 환상공간을 통과하는 2차공기로 나뉘어진다. 즉 연료노즐(10)에서 분사된 연료는 연소통(3)내에서 1차공기와 만나서 공기부족상태의 연소가 일어난다. 1차연소생성물은 복사관(2)내로 유입되어 2차공기에 의 해 완전연소가 이루어진다. 1차연소가 공기부족상태에서 이루어지므로 질소산화물의 발생량이 억제되는 것이다.

1차공기는 1차공기공급노즐(11)을 통하여 공급되는데 1차공기공급노즐(11)에는 다수개의 1차공기공급구(12)가 구성되어 연소통(3)내로 1차공기를 공급한다. 연료노즐(10)은 연료공급관(5)의 단부에 설치되는데 다수개의 연료분사구가 구비되어 편심분사됨으로서 질소산화물을 경감하는 것이 효과가 큰 것으로 알려져 있다. (대한민국 실용신안등록 90010호(1995. 8. 31. 참조).

그러나 공기 2단연소와 편심분사 연료노즐을 사용하는 경우에도 고부하 연소조건에서는 질소산화물의 발생량이 150~200ppm을 초과하는 것이 복사관 버너의 일반적인 성능으로서 질소산화물의 저감을 위한 버너의 개발이 요구되어져 왔다.

본 발명은 상술한 바와 같이 고부하 연소 복사관 버너의 질소산화물 발생량 저감을 위한 것으로서, 기존의 연소통 대신에 연소통의 반경방향으로 다수개의 개구(opening)를 구성하여 1차연소가스의 일부가 2차공기에 혼입되게 하는 것을 특징으로 한다. 연소통의 반경방향에 보조 연소가스 분출구를 마련함으로서 연소가스의 일부가 연소통과 복사관 사이의 환상공간을 통과하는 2차공기에 혼입되어 연소통 표면에서 연소가스와 2차공기간의 연소가 일어나게 된다. 따라서 주연소가스분출구를 통한 주연료와 반응하는 2차공기의 산소농도가 희석되게 되고, 결과적으로 급속연소를 방지하여 첨두온도를 억제함으로서 복사관의 온도분포 균일화와 질소산화물 발생 경감이 가능한 것이다.　

즉 본 발명은 1차연소가스의 일부를 2차공기에 혼입되도록 연소통의 반경방향에 개구부를 마련함으로서 2차공기의 산소농도 저하로 질소산화물의 발생량을 저감시키는 데 목적이 있다.

특히 본 발명은 대한민국 실용신안등록 090010호, 라디안트 튜브 버너용 연료분사노즐의 개량에 관련된 것으로서, 버너 축심을 기준으로 상부보다 하부에 많은 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 농담연소형 연료노즐과 공기 2단연소 원리를 적용하는 복사관 버너의 질소산화물 발생량을 극저감하기 위한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

　　　　　　　도 3은 본 발명에 의한 연소가스 순환형 연소통이 설치된 복사관 버너를 나타내며, 도 4와 5는 반경방향의 개구부 형태가 다른 연소가스 순환형 연소통의 실시예를 나타낸 것이다.

본 발명의 연소가스 순환형 연소통이 설치되는 기본 버너구성은 도 1의 종래의 구성과 동일하고, 다만, 본 발명의 핵심은 연소가스 순환형 연소통(3)이므로 이를 중심으로 하여 설명하기로 한다.

본 발명은 연소통의 외측벽면에 다수의 보조연소가스 분출구(20)를 형성하고 상기 연소통의 후단에 연소통의 몸통 직경보다 축소된 직경의 개구부를 형성하여 주연소가스 분출구(21)를 구성한 한 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명에 의한 복사관버너는 연료공급관(5)과, 상기 연료공급관의 외측에 형성되되 공기유입구(13)가 형성된 하우징(13a)과, 상기 하우징(13a)의 공기유입구(13)로부터 유입된 공기가 이동할 수 있는 개구(도시되지 않음)가 형성된 차폐벽(14)에 의하여 구분되어지고 상기 연료공급관(5)이 연결되어 있는 복사관(2)과, 상기 복사관(2)내에 형성되되 상기 연료공급관(5)의 단부에 장착되는 연료노즐(10) 및 1차공기공급노즐(11)을 일측에 가지며 외측벽면에는 보조연소가스 분출구(20)가 형성 되고 다른 일측에는 후단 개구부로 갈수록 직경이 축소되는 주연소가스 분출구(21)가 형성되는, 원통형 튜브 형태의 연소통(3)이 구비된다 .

연소통(3)의 좌측 단부에는 도 2의 경우와 동일한 1차공기공급노즐(11)이 설치되며 좌측 단부의 중앙에는 연료노즐(10)이 부착되는 연료공급관(5)이 삽입된다. 연소통(3)은 원통형 관에 주연소가스 분출구(21)의 면적이 축소된 형태로서 주연소가스분출구(21) 부분의 직경이 1차공기 공급노즐(11)의 직경보다 적게 구성한다. 연소통(3)의 외측벽면에는 다수개의 원형 개구부 또는 사각형 개구부로 구성되는 보조연소가스 분출구(20)가 마련된다.

　　　　　　이와같은 구성으로 된 본 발명 버너의 작용을 설명하면 다음과 같다.

1차공기 공급노즐(11)을 통하여 연소통(3) 내부로 공급된 1차공기는 연료와 반응하여 1차연소가 일어난다. 1차연소는 공기부족 연소이기 때문에 불완전연소가 일어나며 미연 연소가스는 주연소가스분출구(21)와 보조연소가스분출구(20)을 통하여 분출된다. 보조연소가스분출구(20)을 통하여 분출된 미연소 가스는 2차공기와 반응하게 되고 결과로서 2차공기중의 산소농도가 낮아지게 된다. 산소농도가 낮아진 2차공기는 주연소가스분출구(21)을 통하여 복사관(2)내로 분사되는 미연소 연료와 반응하여 연소가 이루어진다. 통상 연소과정에서는 산소농도가 높을수록 연소반응이 촉진되어 연소온도가 높아진다. 한편 질소산화물은 연소온도가 높고 산소농도 가 높을수록 많이 발생하게 된다. 따라서 산소농도가 낮아진 2차공기와 미연연료가 반응하면 순수한 대기중 공기(산소농도 21%)와 반응하는 경우에 비하여 연소속도가 늦어져서 완만연소가 일어난다. 또한 산소농도가 낮기 때문에 연소온도가 낮아지고, 연소온도의 저하와 산소농도의 저하는 질소산화물 생성속도를 억제하여 결과적으로 기존의 연소방식에 비하여 질소산화물 발생량을 경감할 수 있는 것이다.

즉 질소산화물 생성의 주요 인자인 연소온도와 산소농도를 낮춤으로서 질소산화물의 발생량을 획기적으로 저감할 수 있는 유익한 특징이 있는 것이다.

　　실시예

본 발명에서는 도 1의 버너에 도 2의 연료노즐이 부착된 버너와 도 3의 버너에 도 4 내지는 도 5의 연소통이 부착된 경우에 대하여 다양한 실험을 실시하였다. 본 실시예에서는 대표적인 결과만 설명키로 한다.

W형 7인치 복사관이 내장된 복사관 버너 시험로를 이용하여 연소용량 8만 kcal/h와 12만 kcal/h의 버너를 설계하여 시험하였다. 연료노즐은 종래형과 개발형 공히 도 2의 편심분사형으로 동일한 노즐을 사용하고 연소통의 형태만 변경하였다. 1차공기 면적비는 20%, 주연소가스분출구와 보조연소가스분출구의 면적비는 최적치인 6:4로 하여 개구부의 개수와 면적을 결정하였다. 연료로는 제철소의 부생연료인 코크스로가스를 사용하였다. 버너 시험로의 노온 조절은 냉풍을 이용하여 850℃와 950℃로 조절하였고 복사관 출구의 산소농도는 3~4%로 유지하였다. 비교 실험결과는 하기의 표 1과 같다.

종래버너와 본 발명버너의 질소산화물 발생량 비교 (단위: ppm)

버너용량	종래버너		본 발명버너
	노온 850℃	노온 950℃	노온 850℃	노온 950℃
8만kcal/h	142	189	89	101
12만kcal/h	179	237	105	133

상기 표 1에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 버너는 종래버너 대비 약 40% 이상의 질소산화물 저감이 가능함을 확인할 수 있다. 상기 표 1의 결과는 연소통을 제외한 다른 구성품은 동일하게 한 상태에서 2회 실험한 결과의 평균치이다. 노온 950℃에서 150 ppm 이하의 질소산화물 발생량은 종래버너에서는 달성할 수 없는 낮은 수치로서, 본 발명 버너의 효과를 입증해 주는 결과라 하겠다. 특히 농담연소노즐과 본 발명 연소통의 조합에 의해 질소산화물의 저감효과가 극대화될 수 있다. 질소산화물 저감 성능은 실제 소둔로에서의 비교실험에서도 확인된 바 있다.

본 발명의 연소가스 순환형 연소통이 설치되는 복사관 버너는 연소통의 반경방향으로 일부의 1차 연소가스가 분출되어 2차공기와 혼합 연소됨으로서 2차공기의 산소농도를 저하시켜 2차공기와 주연소가스와의 반응을 완만화함으로서 온도상승과 질소산화물 발생을 억제할 수 있는 것이다. 본 발명자의 실험결과 구조가 최적화된 연소통을 사용하는 경우 기존의 2단연소식 버너에 비하여 40% 이상의 질소산화물 발생 저감이 가능함을 확인한 바 있으며 상기의 실시예에서 이를 확인할 수 있다.

Claims (3)

1. 연료공급관(5)과, 상기 연료공급관(5)이 연결되며 외부공기가 유입가능한 복사관(2)과, 상기 복사관(2)내에 형성되어 상기 연료공급관과 연통되어 있되 일측에 연료노즐(10) 및 1차공기공급노즐 가지는 연소통을 포함하는 복사관 버너에 있어서,

   상기 연소통의 외측벽면에 다수의 보조연소가스 분출구(20)를 형성하고 상기 연소통의 후단에 연소통의 몸통 직경보다 축소된 직경의 개구부를 형성하여 주연소가스 분출구(21)를 구성한 것을 특징으로하는 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주연소가스 분출구는 몸통으로부터 그 후단 개구부로 갈수록 직경이 작아지는 원통형 튜브 형태로 구성 된 것을 특징으로 하는 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 보조연소가스 분출구의 형상은 원형 또는 사각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소가스 순환형 연소통을 구비한 복사관버너.

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