KR100784880B1 - 저녹스형 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스용 저녹스 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물(NO_X)의 생성을 방지할 수 있는 저녹스형 버너에 관한 것이다.

본 발명에 의한 저녹스형 버너는, 공기를 연소실 내로 안내하고, 그 일부가 일정 길이만큼 연소실 내로 인입되며, 선단부가 내경방향으로 절곡된 튜브; 상기 튜브의 선단 내경부에 배치되고, 상기 절곡된 선단부와 일정 간격으로 이격되어 연소실 내로 공기를 공급하는 급기통로를 형성하는 디퓨저; 및 상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로를 통해 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출하는 하나 이상의 연료분출관;을 포함한다.

저녹스, 버너, 튜브, 디퓨저, 연료분출관

Description

저녹스형 버너{LOW NITROGEN OXIDE BURNER}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스형 버너를 도시한 정면도.

도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 저녹스형 버너를 도시한 단면도.

도 3은 도 2의 화살표 B선을 따라 취한 저녹스형 버너를 도시한 단면도.

도 4는 도 1의 C-C선을 따라 취한 저녹스형 버너를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 튜브, 연료분출관 및 연료노즐의 배치관계를 도시한 부분 절취단면도.

도 6은 본 발명의 저녹스형 버너가 연소실에 장착된 상태를 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저녹스형 버너를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

1 : 버너 3 : 튜브

5 : 디퓨저 7 : 급기통로

9 : 연료분출관

본 발명은 가스용 저녹스 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물(NO_X)의 생성을 방지할 수 있는 저녹스형 버너에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물(NOx)은 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 Fuel NOx와, 연소용 공기중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 Thermal NOx와, 탄화수소계열의 화석 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 Prompt NOx 등으로 구분된다.

이러한 질소 산화물 중에서 특히, Fuel NOx는 연소기술에 의해 제어될 수 없고, 이에 따라 저녹스형 버너는 Thermal NOx와 Prompt NOx 의 두 가지 질소산화물의 생성을 방지하는데 그 기술적 과제를 가지고 있다.

이러한 종래의 저녹스형 버너는 산소 포함비율도 매우 낮고, 화염온도보다 상대적으로 낮은 온도를 가져서 일종의 불활성 기체라 할 수 있는 배기가스를 연도와 연결한 공급관을 통하여 회수하여 화염에 혼입하는 장치가 고안된 배기가스 재순환방식(Flue Gas Recirculation)의 저녹스형 버너, 화염을 분할하여 화면 표면적을 극대화시켜 복사전열의 증대를 노린 분할화염버너, 화염 표면적을 증가시키기 위한 방법으로 화염을 막 형태로 만든 박막화염버너 등이 있으며, 이러한 종래의 저녹스형 버너는 화염 온도 저감에 의해 Thermal NOx의 생성을 감소시키는 기술을 도모하여 왔다.

하지만, 상기의 연소가스 재순환방식의 저녹스 버너는, 충분한 연소공간을 확보하기 위해서 외부에서 인입된 배기가스량 만큼 연소실의 부피를 늘려줘야 하므 로 보일러 제조원가를 낮추거나 설치공간을 최소화하여 총비용을 줄이려는 보일러 콤팩트화 설계와 같은 최근의 설계 경향과 역행되는 결과를 초래하였다.

그외에도 종래의 저녹스형 버너는, 화염온도를 저하시킬수록 Thermal NOx생성을 방지하기는 하지만, 연료중의 탄소가 공기중의 산소와 반응하여 일산화탄소를 일차적으로 생성한 후 다시 공기중의 산소와 반응하여 이산화탄소가 생성되는 연소과정의 특성상 1200 ℃ 이하의 낮은 화염온도 조건에서는 일산화탄소가 이산화탄소로 변환하는 비율이 급격히 떨어져서 일산화탄소 생성이 증가하게 되는데, 이러한 일산화탄소는 가연성 기체로서 연도 및 연돌을 지나 대기 중으로 배출되는 과정에서 폭발이 발생할 수 있는 위험성을 내포하고 있는 단점이 있었다.

이에 따라, 종래의 저녹스형 버너는 적극적으로 Prompt NOx의 생성 방지 대책을 고려하지 않고 Thermal NOx 생성 방지 대책만 고려함에 따라 전체적인 질소산화물(NOx) 저감 효과가 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점들을 감안하여 안출한 것으로, 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환(Self Recirculaiton) 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx 의 생성을 동시에 방지할 수 있는 저녹스형 버너를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 보다 컴팩한 연소실 구조를 구현할 수 있게 함으로써 그 생성되는 화염의 컴팩트화를 도모할 수 있고, 이러한 컴팩트한 화염에 의해 그 연소효율을 향상시킬 수 있는 저녹스형 버너를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

공기를 연소실 내로 안내하고, 그 일부가 일정 길이만큼 연소실 내로 인입되며, 선단부가 내경방향으로 절곡된 튜브;

상기 튜브의 선단 내경부에 배치되고, 상기 절곡된 선단부와 일정 간격으로 이격되어 연소실 내로 공기를 공급하는 급기통로를 형성하는 디퓨저; 및

상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로를 통해 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출하는 하나 이상의 연료분출관;을 포함한다.

상기 디퓨저는 그 외측가장자리 부분이 외경방향으로 절곡된다.

상기 연료분출관은 상기 튜브를 관통하여 설치된 연료공급관으로부터 분기되어 상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로 상에 방사상으로 배치되고, 상기 연료분출관은 그 선단부에 다수의 연료노즐이 방사상으로 배치된다.

상기 각 연료분출관의 연료노즐은 각 연료분출관의 축선방향에 따라 그 분출위치가 서로 다르게 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 튜브의 중심부에는 중앙 공기분출관이 더 구비될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스형 버너를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스형 버너(1)는 공기를 연소실(F) 내로 안내하는 튜브(3), 상기 튜브(3)의 선단 내경부에 배치되어 상기 튜브(3)의 선단과의 사이에 급기통로(7)를 형성하는 디퓨저(5), 및 상기 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출하는 하나 이상의 연료분출관(9)을 포함한다.

튜브(3)는 송풍기(2)에 의해 외부의 공기를 연소실(F)내로 안내하고, 도 6에 도시된 바와 같이 튜브(3)는 그 일부가 연소실(F) 내로 일정길이(L)만큼 인입될 수 있다. 그리고, 튜브(3)의 연소실(F)과 인접하는 부분에는 내화벽돌(15)이 내장되어 있다.

튜브(3)의 선단부에는 소정각도(a)로 경사진 단면을 가진 축경부(3a)가 형성되어 있고, 여기서 축경부(3a)의 경사각도(a)는 후술하는 디퓨저(5)의 외측가장자리와 튜브(3)의 축경부(3a) 사이에 형성되는 급기통로(7)의 단면(K)을 최소화함으로써 공기의 급기속도를 최대화할 수 있는 정도를 의미한다.

디퓨저(5)는 튜브(3)의 선단 내경부에 배치되고, 상기 튜브(3)의 형상에 대응하는 형상으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 튜브(3)가 원형의 관 형태일 경우 디퓨저(5)는 원형으로 형성될 수 있으며, 튜브(3)가 다각형의 관 형태일 경우 디퓨저(5)는 다각형으로 형성될 수 있을 것이다.

디퓨저(5)는 도 4에 도시된 바와 같이 그 외측가장자리가 상기 튜브(3)의 축 경부(3a)와 동일면에 위치할 수 있고, 또한 연소실(F)의 조건에 따른 변화에 대응하기 위하여 디퓨저(5)의 위치를 튜브(3)의 축경부(3a) 전후 방향으로 일정거리 만큼 이격시킬 수 있다.

디퓨저(5)의 외측가장자리와 튜브(3)의 축경부(3a) 사이에는 급기통로(7)가 형성되고, 이 급기통로(7)를 통해 공기가 연소실 내로 급기된다.

급기통로(7)는 튜브(3)의 축경부(3a)에 인해 그 단면(K)이 최소화되어 공기의 급기속도를 극대화할 수 있다. 이에 더불어, 튜브(3)의 축경부(3a)와 동일면에 위치하는 디퓨저(5)의 외측가장자리(5a)가 외경방향으로 소정각도(b)로 절곡되어 형성될 수 있다. 이는 튜브(3)의 축경부(3a) 및 디퓨저(5)의 외측가장자리(5a) 사이에 형성되는 급기통로(7)의 단면(K)을 최소화함으로써 공기의 급기속도를 극대화하기 위함이다.

또한, 디퓨저(5)의 절곡된 외측가장자리(5a)의 길이는 후술하는 화염의 형태를 보다 용이하게 구현하기 위하여 튜브(3)의 축경부(3a) 길이 보다 작게 형성될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 급기통로(7)의 단면(K)을 최소화하여 공기의 급기속도를 극대화함으로써, 도 6에 도시된 형태의 고속화염을 보다 용이하게 생성할 수 있다.

연료공급관(8)은 튜브(3)의 중심부를 관통하도록 설치되고, 도 1에서는 연료공급관(8)은 튜브(3) 내의 공기흐름의 하류 부분에서 관통하여 설치될 수 있고, 이 연료공급관(8)으로부터 다수의 연료분출관(9)이 방사상으로 분기된다.

다수의 연료분출관(9)은 상기 급기통로(7) 내에 방사상으로 배치되며, 각 연료분출관(9)의 선단은 연소실(F) 내에 인입되어 위치한다.

연료분출관(9)의 선단 외주면에 다수의 연료노즐(4)이 방사상으로 형성되어 있고, 각 연료노즐(4)을 통해 연료가 연소실(F)내로 분출된다.

상기 각 연료분출관(9)의 연료노즐(4)은 도 5에 도시된 바와 같이, 튜브(3)의 축선방향을 따라 그 분출위치가 일정간격(M)으로 이격되게 배치될 수 있고, 이에 따라 각 연료분출관(9)의 연료노즐(4)을 통한 연료의 분출위치가 서로 상이하여 분출된 연료끼리 다시 합쳐져 국부적인 연료의 과농영역을 만들 수 있는 가능성을 배제하였으므로 전체적으로 균일한 공기와 연료의 혼합을 도모할 수 있다.

한편, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 연료노즐(4)을 통해 분출되는 연료와 급기통로(7)를 통해 급기되는 공기가 상호 직교하고, 이에 따라 급기통로(7)를 통해 고속으로 급기되는 공기와 다수의 연료노즐(4)을 통해 고속으로 분출되는 연료가 상호 직교되게 혼합됨으로써 공기와 연료의 급속혼합작용을 구현할 수 있다.

이러한 공기와 연료의 급속혼합작용에 대해 상세히 살펴보면, 공기와 연료는 180ㅀ의 각도로 서로 마주보게 분출되어 혼합되는 대향분류 방식이 그 혼합효과가 극대화되어 좋기는 하지만 연소량의 조절이 필요한 대부분의 버너에 적용될 경우 이러한 대향분류 방식은 공기가 연료의 흐름을 방해하기 때문에 현실적으로 공기의 흐름각도가 연료의 분출을 방해하지 않는 범위 내에서 최대한 대향분류 방식에 가깝게 설계함이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명은 튜브(3)의 선단부(3a)를 절곡시 켜 공기의 급기속도를 최대화하였고, 또한 다수의 연료노즐(4)를 통해 고속으로 분출되는 연료의 분출방향과 공기의 급기방향을 실질적으로 직교하게 함으로써 공기와 연료의 급속 혼합을 구현하고, 이러한 급속혼합에 의해 Prompt NOx의 생성을 방지함과 더불어 보다 컴팩트한 화염을 도모할 수 있다.

그리고, 각 연료분출관(9)의 연료노즐(4)을 통해 분출되는 연료가 동일한 영역에 분출되면, 특정영역에서만 연료의 농도가 높아지게 되고 이에 따라 높은 농도의 연료가 고온의 화염에 노출되어 Prompt NOx가 크게 생성되는 위험이 있다.

따라서, 본 발명은 각 연료분출관(9)에 형성된 다수의 연료노즐(4)의 분출위치가 연료분출관(9)에 따라 서로 다르게 형성시킴으로써 연료의 분출이 서로 겹쳐서 다시 합쳐지지 않도록 하여 넓은 영역에 걸쳐 전체적으로 균일하게 이루어지도록 하면서도 특정영역에서 국부적으로 연료농도가 높아짐을 방지할 수 있다. 이를 위해, 각 연료분출관(9)의 연료노즐(4)은 도 5에 도시된 바와 같이, 각 연료분출관(9)에 따라 그 연료노즐(4)의 위치가 일정 거리(M)만큼 이격되어 각 연료분출관(9)에 따른 연료노즐(4)의 분사위치를 각기 다르게 할 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 작용을 아래와 같이 상세히 설명한다.

본 발명은 연료분출관(9)의 연료노즐(4)를 통해 연료가 고속으로 분출되고, 급기통로(7)를 통해 공기가 고속으로 분출되어 혼합되고, 이 혼합된 기체가 점화플러그(미도시)에 의해 점화되어 도 6에 도시된 바와 같이, 축소된 후에 확대되는 장구꼴 형태의 화염을 형성한다.

즉, 본 발명은 튜브(3)의 축경부(3a)에 의해 화염의 속도가 매우 빠른 고속 화염이 형성되고, 이에 따라 화염은 그 폭이 점점 축소(X)된 후에 화염의 최소직경부(H)에서 다시 점점 확대(W)되는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 버너에 의해 생성되는 화염은 축소영역(X) 및 확대영역(W)을 가진다.

이러한 축소 및 확대영역을 가진 화염의 형태에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 공기가 디퓨저(5)의 절곡된 외측가장자리(5a) 및 튜브(3)의 축경부(3a) 사이의 급기통로(7)를 통과함에 따라 그 진행방향으로 단면적이 축소되어 공기의 급기속도가 증가되고, 디퓨저(5)의 절곡된 외측가장자리(5a)의 길이보다 튜브(3)의 축경부(3a) 길이가 더 길게 형성됨에 따라 전체적으로 화염의 시작부분이 내경방향으로 모아져 축소영역(X)을 형성하고, 그런 다음 화염의 흐름방향을 따라 연소가 진행되면 화염온도가 급격히 상승하여 부피가 급격히 팽창하여 일정거리 이후부터는 화염이 확장되는 확장영역(W)을 형성한다.

그리고, 튜브(3)는 그 일부가 연소실(F) 내로 일정길이(L)만큼 인입된 구조로 인해, 고속화염과 화염의 최소직경부(H)에 의한 낮은 압력의 영향이 화염 끝부분에 가깝도록 전진 배치한 효과로 화염의 후단부(J)깊숙이 영향을 미치도록 된다.

화염의 최소직경부(H)에서는 그 화염의 전파속도가 매우 빠르고, 화염의 후단부(J)에서 온도가 낮은 연소가스가 화염의 최소직경부(H)측으로 유도되고, 이에 따라 연소가스는 재순환영역(R)에서 재순환되며, 이 재순환영역(R)에서 연소가스는 화염의 최소직경부(H)에서 빠른 속도로 흡인되었다가 화염의 확대영역(W)에서 갑자기 느린 속도로 진행됨에 따라 화염과의 보다 균일한 혼합을 달성할 수 있다.

즉, 본 발명은 연소반응으로 산소가 소진되어 산소농도가 낮을 뿐만 아니라 연소실과의 복사전열에 의한 열손실 때문에 화염온도에 비해 그 온도가 상대적으로 낮아져 있는 배기가스(연소가스)를 화염측으로 흡인을 유도하여 화염온도를 저하시킬 수 있고, 특히 화염의 속도가 높을 수록 순환되는 배기가스의 량이 많아져 화염의 온도도 그에 대응하여 낮아지기 때문에 Thermal NOx 생성을 방지할 수 있고, 또한 본 발명은 연소가스 및 화염의 균일한 혼합을 도모함으로써 국부적으로 온도가 낮아진 영역에서 불완전연소로 인해 일산화탄소가 생성됨을 최소화할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 화염의 형태가 축소(X)된 후에 다시 확대(W)되는 형태로 생성됨에 따라, 연소가스를 화염측에 자기재순환(Self Recirculation)시켜 혼합함으로써 연소효율을 저하시키지 않으면서도 화염의 온도를 저하시킬 수 있으며, 이러한 화염 온도의 저하작용에 의해 Thermal NOx 생성을 방지함과 더불어 일산화탄소의 생성을 방지할 수 있다.

이러한 연소가스의 자기재순환에 동반하는 고온의 흐름에 의해 튜브(3)가 열화될 위험이 있으므로, 디퓨저(5)를 지탱하는 관과 튜브(3) 사이의 공기속도가 극대화되도록 하면 속도가 빠를수록 열전달 계수가 높아지는 효과에 의하여 튜브(3)의 냉각효과를 극대화시킬 수 있으므로 관의 내경을 적정한 직경으로 설정하여 튜브(3)의 열화를 피할 수 있는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 튜브(3)의 직경이 클 경우에는 그 생성된 화염의 직경이 커져 화염중심부가 고온으로 올라갈 수 있으므로, 이에 대응하기 위하여 튜브(3)의 중심부에 중앙 공기분출관(6)를 더 구비할 수도 있다.

이러한 중앙 공기분출관(6)의 단부는 연소실(F)측으로 개방되어, 생성되는 화염의 중심부로 공기를 개별적으로 급기하여 화염중심부의 온도를 저하시킬 수 있다.

도 7은 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예에 대한 대안적인 구성을 도시한 도면으로, 연료공급관(8)이 튜브(3)의 공기흐름 상류측에서 관통하여 설치되는 구성으로, 연료공급관(8) 및 튜브(3)의 설치관계를 일부 변경한 예시적인 구성으로 그외의 구성 및 작용은 선행하는 실시예와 동일 내지는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환(Self Recirculaiton) 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx 의 생성을 동시에 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 보다 컴팩한 연소실 구조를 구현할 수 있게 함으로써 그 생성되는 화염의 컴팩트화를 도모할 수 있고, 이러한 컴팩트한 화염에 의해 그 연소효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 공기를 연소실 내로 안내하고, 그 일부가 일정 길이만큼 연소실 내로 인입되며, 선단부가 내경방향으로 절곡된 튜브;

   상기 튜브의 선단 내경부에 배치되고, 상기 절곡된 선단부와 일정 간격으로 이격되어 연소실 내로 공기를 공급하는 급기통로를 형성하는 디퓨저; 및

   상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로를 통해 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출하는 하나 이상의 연료분출관을 포함하고,

   상기 연료분출관은 상기 튜브를 관통하여 설치된 연료공급관으로부터 분기되어 상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로 상에 방사상으로 배치되고, 상기 연료분출관은 그 선단부에 다수의 연료노즐이 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 각 연료분출관의 연료노즐은 각 연료분출관의 축선방향에 따라 그 분출위치가 서로 다르게 배치되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
4. 제1항에 있어서,

   상기 디퓨저는 그 외측가장자리 부분이 외경방향으로 절곡된 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
5. 제1항에 있어서,

   상기 튜브의 중심부에는 중앙 공기분출관이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.

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