KR100870981B1 - 다단 공기 투입용 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 공기 투입용 연소기에 관한 것으로서; 중앙에 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사구를 중심으로 주위에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 관통 형성되는 몸체와; 상기 몸체를 감싸도록 구비되되 상기 연료와 상온의 공기가 연소되면서 발생되는 화염이 점화되는 원형의 안내 공간부가 전후방으로 관통되고, 양측에는 예열공기가 분사되는 제2공기분사구가 전후 방향으로 관통 형성되는 베플;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료를 점화시 로내 사용온도에 따라 공기를 다단으로 분사하여 안정적인 화염을 형성하면서도 불완전 연소를 방지하는 동시에 배기가스의 화염내 유입을 최대화함으로써 배기가스와 질소산화물(NOx) 등의 발생량을 줄여 환경오염을 최소화하고, 축열방식을 통해 고온의 예열 공기를 사용함으로써 에너지 사용량을 현저히 줄여 에너지 소모를 최소화하는 효과도 있다.

예열공기, 버너, 로(爐), 질소산화물

Description

다단 공기 투입용 연소기 {multi air supplying combustor}

본 발명은 다단 공기 투입용 연소기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업용 가열 또는 용해에 사용되는 연소기에 있어 연소 후 버려지는 배기가스의 폐열을 이용하여 로(爐)내 온도 변화에 따라 연소용 공기를 20 ~ 1200℃ 이상까지 예열하여 연소기에 공급하여 예열을 위해 필요한 에너지 소비량을 감소시킴과 동시에 공기를 다단으로 분사하여 연소시킴으로 인해 화염내로 배기가스의 유입을 극대화하여 질소산화물(NOx)의 발생을 최소화하고 저온 구간에서 안정적인 화염을 형성하는 다단 공기 투입용 연소기에 관한 것이다.

일반적으로, 철강 또는 비철강 산업 분야에 있어 단조나 압연 또는 열처리를 목적으로 소재(素材)를 가열하거나 용융하기 위해 액체 또는 기체 연료와 공기의 연소 반응을 통하여 발생되는 열에너지를 이용하게 된다.

이와 같은 소재 가공을 위해 필요한 열에너지를 발생하기 위해 연소기가 사용되는데, 상기 연소기는 통상적으로 그 중심부에는 연료를 분사하는 연료분사구가 형성되고, 그 연료분사구의 둘레에는 연소반응을 일으키기 위해 공기를 분사하는 공기분사공이 형성되어, 연소기의 선단부에 화염이 점화되면, 연료가 공기 중에 포함된 산소와 함께 연소하면서 고열(高熱)이 발생하는 원리를 이용하는 것이다.

이때, 종래에는 상온공기나 배기열 회수를 위해 공기예열기(RECUPERATOR)를 통해 공기를 약 500℃ 정도까지 예열해주는 구성으로 인해 오염 물질이 다량 발생하고, 과다한 에너지 소비 등의 문제점이 있었다.

특히, 질소산화물의 발생 특성상 예열공기의 온도가 높아지면 단열화염온도가 높아지게 되며, 결과적으로 질소산화물(NOx)의 발생이 많아지게 된다.

즉, 소재를 가열 및 용해하기 위해서는 일반적으로 1300℃ 수준의 고온이 필요한데, 그에 따라 많은 양의 배기가스와 질소산화물(NOx)이 발생되므로 이와 같은 배기가스 및 질소산화물(NOx)의 발생량을 감소시켜야 한다.

한편, 축열방식을 이용시 로내 온도가 상온 ~ 1300℃까지 변화함에 따라 예열공기의 온도는 상온 ~ 1200℃까지 변화하게 되고, 공기의 분사속도는 온도변화에 따라 5.5배까지 증가하게 된다.

따라서, 이러한 조건하에서 불완전 연소의 해소 및 안정적인 화염의 형성을 위하여 넓은 연소범위를 가지는 연소기 및 단열 화염온도 증가로 인해 배출되는 질소산화물(NOx)을 감소시키는 것이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 연소기의 예열된 공기를 로내 사용온도에 따라 공기의 유량 변경을 통해 다단으로 분사하고 그 전방부를 적정 각도로 경사지게 형성하여 안정적인 화염을 형성함과 동시에 공기의 분사량을 제어하여 화염온도가 증가시에도 낮은 질소산화물(NOx)의 배출 특성을 가지는 연소기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 초고온의 예열공기를 사용하여 에너지 소모를 최소화하는 다단 공기 투입용 연소기를 제공하는데에도 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;

중앙에 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사구를 중심으로 주위에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 관통 형성되는 몸체와; 상기 몸체를 감싸도록 구비되되 상기 연료와 상온의 공기가 연소되면서 발생되는 화염이 점화되는 원형의 안내 공간부가 전후방으로 관통되고, 양측에는 예열공기가 분사되는 제2공기분사구가 전후 방향으로 관통 형성되는 베플;로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기를 제공한다.

이때, 상기 제1공기분사구는 상기 몸체의 중앙에 형성되는 연료분사구를 감싸도록 연료분사구를 중심으로 3개 이상 형성되며, 상기 몸체의 중심축을 기준으로 외측으로 0 ~ 15° 미만의 경사각(A)을 가지면서 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2공기분사구는 상기 베플의 좌측과 우측에 0 ~ 35°미만의 사이각(B)을 가지면서 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 연료분사구를 통해 분사되는 연료는 20m/s 이상의 속도로 분사되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 로(爐)의 내부 온도가 자동 점화온도 이하인 경우, 상기 제1공기분사구를 통해 전체 연소공기의 0 ~ 40%의 상온의 공기가 분사되며, 상기 제2공기분사구를 통해 전체 연소공기의 100 ~ 60%의 예열공기가 분사되는 것을 특징으로 한다.

또한, 로(爐)의 내부 온도가 자동 점화온도 이상인 경우, 상기 제2공기분사구를 통해 전체 연소공기의 95 ~ 100%의 상온의 공기가 분사되며, 상기 제1공기분사구를 통해 전체 연소공기의 5 ~ 0%의 예열공기가 분사되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 베플의 전단에는 로(爐)의 측벽에 장착되되 중앙에 상기 베플의 전면과 연통되는 관통부가 형성되는 포트가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 포트의 관통부에는 버너 중심축을 기준으로 방사방향으로 5 ~ 45°의 경사각(C)을 가지는 경사면이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2공기분사구는 베플의 좌측과 우측에 각각 다수가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료를 점화시 로내 사용온도에 따라 공기를 다단으로 분사하여 안정적인 화염을 형성하면서도 불완전 연소를 방지하는 동시에 배기가스의 화염내 유입을 최대화함으로써 배기가스와 질소산화물(NOx) 등의 발생량을 줄여 환경오염을 최소화하는 효과가 있다.

그리고, 축열방식을 통해 고온의 예열 공기를 사용함으로써 에너지 사용량을 현저히 줄여 에너지 소모를 최소화하는 효과도 있다.

이하, 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기가 설치되는 버너 헤드를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기를 도시한 정면도이고, 도 3은 도 2의 'A'-'A'선의 단면을 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 'B'-'B'선의 단면을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기의 다른 실시 예를 도시한 정면도이다.

도 1 내지 도 4에 의하면, 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기(100)는 세라믹 또는 내화물 재질의 몸체(110) 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구(112)가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사 구(112)를 중심으로 그 주위에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구(114)가 관통 형성되고, 상기 연료분사구(112)와 제1공기분사구(114)의 전방으로 화염점화 지역을 두어 연료와 반응을 하며 화염의 형성이 용이하도록 한다.

이때, 상기 몸체(110)의 전방으로는 연료와 공기가 연소 되면서 발생되는 화염을 전방으로 안내하는 원형의 안내 공간부(122)가 전후방으로 관통되게 형성되는 베플(baffle)(120)이 구비된다.

이때, 상기 베플(120)의 전단에는 양측에 예열공기가 분사되는 2개 이상의 제2공기분사구(124)가 전후 방향으로 관통 형성되어, 상온의 공기와 연료가 연소 후 남은 연료와 예열공기가 반응하게 한다.

이와 같은 연소기의 전면에는 노(爐)의 측벽에 장착되는 포트(200)가 일체로 구비되는데, 상기 포트(200)는 대략 직육면체의 세라믹재질로 이루어지는 것으로 그 중앙에 상기 연소기(100)의 전면과 연통되는 관통부(210)가 형성되어 로내의 배기가스가 유입되도록 안내하는 기능을 하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기(100)가 설치되는 버너는 헤드(10)와, 미디어 케이스(Media Case)(20)로 구성된다.

이때, 상기 헤드(10)에는 버너를 점화시키기 위한 파일럿 버너(미도시됨)와 정상적인 화염이 형성되었는지를 감시하는 자외선 센서(UV Sensor)(미도시됨)가 설치되며, 상기 헤드(10)는 일정한 철재 하우징(12)의 내부에 연료를 공급하는 연료노즐(14)과 상온의 공기를 공급하는 공기노즐(15)이 구비되며, 미디어케이스(20)를 통과한 예열공기를 공급하는 예열공기주입부(16)가 형성되며, 상기 하우징(12)의 전방에 본 발명에 따른 연소기(100)가 장착된다.

물론, 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기(100)의 연료분사구(112)의 후단부는 연료노즐(14)과 연통되며, 상기 제1공기분사구(114)는 공기노즐(15)과 연통되며, 상기 제2공기분사구(124)는 예열공기주입부(16)와 연통된다.

한편, 상기 미디어케이스(20)는 헤드(10)의 아래에 구비되어 축열을 위한 볼 형태의 축열체(미도시됨)가 적재되는 구성으로 이루어진다.

이하, 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 제1공기분사구(114)는 상기 몸체(110)의 중앙에 형성되는 연료분사구(112)를 감싸도록 연료분사구(112)를 중심으로 적어도 3개 이상의 다수가 형성되며, 중심축을 기준으로 외측으로 0 ~ 15° 미만의 경사각(A)을 가지면서 경사지게 형성된다.

따라서, 상기 연료분사구(112)와 제1공기분사구(114)를 통해 분사되는 연료와 공기는 전방 안내공간부(122)에서 화염의 점화가 일어난다.

이때, 상기 경사각(A)이 15°이상인 경우는 화염의 베플(120)과 직접적인 충돌로 파손의 우려가 있으며, 0°이하에서는 화염이 안쪽으로 형성됨으로써 사용시간의 경과시 베플(120)이 열충격 및 화염의 점화시 생기는 압력의 평창 등으로 인하여 파손의 우려를 가지게 되므로, 이러한 상황을 고려하여 0 ~ 15° 미만의 각도로 상온의 공기가 분사되도록 한다.

한편, 상기 연료분사구(112)를 중심으로 좌측과 우측에 구비되는 제2공기분사구(124)는 상기 제1공기분사구(114)에 비해 상대적으로 원거리에 형성된다. 이때, 상기 제2공기분사구(124)는 전후방향으로 관통되며 좌측의 제2공기분사구(124a)와 우측의 제2공기분사구(124b)는 서로 대칭되게 형성되며, 다수 개씩 형성됨도 가능하다.

이때, 상기 제2공기분사구(124)를 통해 분사되는 예열공기는 연소기(100)의 연소과정으로 발생되는 배기가스의 폐열을 절환하는 미디어케이스(20) 또는 상온의 공기를 가열하는 공기예열기(미도시됨)를 통해 공급받을 수 있다.

한편, 상기 좌/우측의 제2공기분사구(124a,124b)는 그 사이각(B)을 35°이상의 각도로 형성하는 경우 배기가스의 유입공간의 감소로 배기가스 순환 효과가 감소되어 질소산화물(NOx)의 발생량이 증가하게 되므로, 배기가스 재순환 효과를 최대화하기 위해 좌/우측의 제2공기분사구(124a,124b)는 0 ~ 35°미만의 사이각(B)을 가지면서 경사지게 형성함으로써 좌/우측의 제2공기분사구(124a,124b)의 사이의 공간으로 배기가스가 최대한 많이 유입되도록 한다.

또한, 상기 좌/우측의 제2공기분사구(124a´,124b´)는 도 5에 도시한 바와 같이 베플(120)의 좌측과 우측에 각각 다수가 형성되는 구성으로 이루어질 수 있다.

이와 같은 연료분사구(112)와 제1 및 제2공기분사구(114,124)를 통해 분사되는 연료 및 공기의 분사량은 다음과 같이 조절하게 된다.

먼저, 상기 연료분사구(112)를 통해 분사되는 연료는 최소 20m/s 이상의 속도로 분사되도록 한다. 만약 연료가 20m/s미만의 속도로 분사되는 경우 화염의 직진성이 감소되어 저온의 온도구간 등에서 불완전 연소 및 화염의 날림현상이 발생하게 된다.

한편, 상기 제1공기분사구(114)는 로(爐)의 내부 온도가 자동 점화온도 수준인 600 ~ 1000℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기의 0 ~ 40%의 상온의 공기가 분사된다.

이 경우, 로내의 온도가 자동점화 온도 이하인 경우 화염의 형성을 쉽게 하기 위해 제1공기분사구(114)를 통해 0 ~ 40%정도의 상온공기를 분사할 수 있으나, 전체 연소공기의 40%이상을 분사하는 경우 제2공기분사구(124)에서 분사되는 예열공기의 사용량이 감소됨으로써 에너지 절감 효과가 떨어지게 되므로 40%미만으로 분사함이 바람직하다.

이때, 상기 제2공기분사구(124)는 상기 몸체(110)의 전단 양측에 형성되어 로(爐)의 내부 온도가 대략적인 자동점화 온도인 600 ~ 1000℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기 중 100 ~ 60%의 예열공기가 분사되어 제1공기분사구(114)에서 분사되는 상온공기와 연료가 반응한 후 남은 연료와 연소된다.

또한, 로(爐)의 내부 온도가 자동점화 온도인 600 ~ 1000℃ 이상인 경우에는 상기 제2공기분사구(124)를 통해 95 ~ 100%의 예열공기를 분사하게 되며, 제1공기분사구(114)를 통해서는 상온의 공기는 전체 연소공기의 5 ~ 0% 미만을 로내온도 및 가열조건에 따라 유량을 변경 상온의 공기를 공급한다.

즉, 로내온도가 자동점화 온도인 600 ~ 1000℃ 이상에서 화염의 점화는 용이하기 때문에 화염의 안정적인 형성을 위해 제1공기분사구(114)를 통한 상온의 공기 공급이 필요 없으며, 따라서 이러한 조건에서는 상온의 공기를 사용하지 않거나 연료노즐(14)의 보호를 목적으로 전체 연소공기 약 5%만을 사용하여 연료노즐(14)을 냉각시키게 된다.

따라서, 로내온도가 자동점화 온도인 600 ~ 1000℃ 이상에서는 상기 제2공기분사구(124)를 통해 예열된 공기를 최대한 분사하여 사용함으로써 에너지 절감효과를 최대화시키게 된다.

이 경우 연료노즐(14)의 냉각 목적으로 냉각공기를 공급하여 순환하여 로내로 투입시키지 않고 로의 외부로 유출하여 연소공기에는 포함되지 않도록 함도 바람직하다.

한편, 베플(120)의 전단에 구비되는 포트(200)의 관통부(210)에는 로벽(300)에 일정한 전단 각도를 버너 중심축을 기준으로 방사방향으로 5 ~ 45°의 경사각(C)을 가지는 경사면(212)이 형성되어 연소기(100)의 화염(火焰)내로 로내의 배기가스가 재순환되도록 하는 기능을 하게 된다.

이때, 상기 관통부(210)의 경사각(C)이 5°미만인 경우에는 화염내 배기가스의 유입 감소로 질소산화물(NOx)의 발생이 증가되며, 45도°이상인 경우에는 분사되는 예열공기와 연료가 너무 벌어져 질소산화물(NOx) 배출은 감소가 가능하나, 불완전 연소의 결과를 가져오게 된다.

한편, 로내의 질소산화물(NOx)의 발생은 단열 화염온도에 따라 달라지는데 공기를 예열하여 공급되는 예열공기온도가 1000℃ 이상인 경우 단열 화염온도는 약 500℃ 정도 증가하게 된다. 따라서 로내 온도가 자동점화온도 이상인 경우에는 예열공기의 온도는 600℃ 이상이 되고, 예열공기의 온도 증가로 예열공기의 분사속도가 증가하게 됨으로써 배기가스의 화염내 재순환 효과는 온도에 따라 증가하여 결국 NOx 배출량의 감소를 가져오게 된다.

이때, 상기 제2공기분사구(124)를 통해 분사되는 예열공기의 분사속도는 예열공기의 분사 속도변화를 고려시 연료 분사속도의 0.5~5배를 초과하지 않도록 상기 제2공기분사구(124)의 총면적을 기계적으로 한정한다.

만약, 공기의 분사속도가 연료의 분사속도에 비해 0.5배 이하인 경우에는 공기보다 연료 분사 속도가 높아지는데, 이는 특히 저온구간에서 불완전 연소를 가져 오게 되는 원인이 된다. 이 경우 배기가스 재순환효과는 감소하나 저온구간으로써 예열공기의 온도 및 가열온도가 낮음으로 질소산화물(NOx)의 발생 자체가 적어진다.

한편, 공기의 분사속도가 연료의 분사속도에 비해 또한 5배를 초과시에는 공기의 분사속도가 높음으로 불완전 연소를 가져 오게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변 형 실시가 가능한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기가 설치되는 버너 헤드를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기를 도시한 정면도.

도 3은 도 2의 'A'-'A'선의 단면을 도시한 도면.

도 4는 도 2의 'B'-'B'선의 단면을 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 다단 공기 투입용 연소기의 다른 실시 예를 도시한 정면도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10: 헤드 14: 연료노즐

15: 공기노즐 16: 예열공기주입부

20: 미디어 케이스 100: 연소기

110: 몸체 112: 연료분사구

114: 제1공기분사구 120: 베플

124: 제2공기분사구 200: 포트

Claims (9)

1. 중앙에 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사구를 중심으로 주위에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 관통 형성되는 몸체와;

   상기 몸체를 감싸도록 구비되되 상기 연료와 상온의 공기가 연소되면서 발생되는 화염이 점화되는 원형의 안내 공간부가 전후방으로 관통되고, 양측에는 예열공기가 분사되는 제2공기분사구가 전후 방향으로 관통 형성되는 베플;로 구성되되,

   로(爐)의 내부 온도가 자동 점화온도 이상인 경우, 상기 제2공기분사구를 통해 전체 연소공기의 95 ~ 100%의 상온의 공기가 분사되며, 상기 제1공기분사구를 통해 전체 연소공기의 5 ~ 0%의 예열공기가 분사되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1공기분사구는 상기 몸체의 중앙에 형성되는 연료분사구를 감싸도록 연료분사구를 중심으로 3개 이상 형성되며, 상기 몸체의 중심축을 기준으로 외측으로 0˚이상 15°미만의 경사각(A)을 가지면서 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2공기분사구는 상기 베플의 좌측과 우측에 0˚이상 35°미만의 사이각(B)을 가지면서 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 연료분사구를 통해 분사되는 연료는 20m/s 이상의 속도로 분사되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
5. 제1항에 있어서,

   로(爐)의 내부 온도가 자동 점화온도 이하인 경우, 상기 제1공기분사구를 통해 전체 연소공기의 0 ~ 40%의 상온의 공기가 분사되며, 상기 제2공기분사구를 통해 전체 연소공기의 100 ~ 60%의 예열공기가 분사되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,

   상기 베플의 전단에는 로(爐)의 측벽에 장착되되 중앙에 상기 베플의 전면과 연통되는 관통부가 형성되는 포트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 포트의 관통부에는 버너 중심축을 기준으로 방사방향으로 5 ~ 45°의 경사각(C)을 가지는 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 제2공기분사구는 베플의 좌측과 우측에 각각 다수가 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 투입용 연소기.

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