KR100919934B1 - 부분 연소식 산소 예열버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소예열 버너에 관한 것으로, 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너 내부에 설치되는 연소통의 길이를 버너의 출구부 근처까지 연장하여 별도의 냉각공간을 확보함으로써 연소 화염과 버너 외통의 접촉을 완벽하게 차단할 수 있으며, 이로 인해 버너의 냉각 성능을 향상시키고, 버너에 연소용 산소 및 냉각용 산소를 개별적 또는 독립적으로 공급함으로써 연소용 산소와 냉각용 산소의 유량 비율을 조절 및 공급할 수 있으며, 이로 인해 안정적인 버너의 냉각이 가능할 뿐만 아니라, 내열 성능을 향상시킬 수 있으며, 냉각용 산소의 냉각 작용 극대화가 가능하여 연소통과 외통의 온도 상승을 방지할 수 있어 고부하 연소 시 화염에 노출되는 연소통 및 외통의 고온 소손 및 손상을 방지할 수 있고, 상대적인 과잉 산소량의 부족 시 냉각 기능의 확보가 용이하며, 버너의 내열성을 확보함과 동시에 안정적인 산소의 고온 가열이 가능한 부분 연소식 산소 예열버너를 제공하기 위한 것이다.

산소예열 버너, 연소용 산소, 냉각용 산소, 개별적, 독립적, 연소통

Description

부분 연소식 산소 예열버너{A partial combustion oxygen preheating burner to enhance cooling capability}

본 발명은 산소를 고온으로 예열하기 위한 산소예열 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너 내부에 설치되는 연소통의 길이를 버너의 출구부 근처까지 연장하여 별도의 냉각공간을 확보함으로써 버너의 냉각 성능을 향상시키고, 버너에 연소용 산소 및 냉각용 산소를 개별적 또는 독립적으로 공급함으로써 연소용 산소와 냉각용 산소의 유량 비율을 조절 및 공급할 수 있으며, 이로 인해 안정적인 버너의 냉각이 가능한 부분 연소식 산소예열 버너에 관한 것이다.

일반적으로, 산소는 강력한 산화제로서, 고온을 얻기 위한 고온 연소가 가능할 뿐만 아니라, 공기보다 연소 속도가 빨라 연료의 연소 촉진을 위한 보조 산화제로 널리 사용되고 있다.

여기서, 산소의 고온 연소 시 연소 반응은 산화제의 온도가 높을수록 촉진되기 때문에 최근들어 고로 풍구에 미분탄 취입량 증대를 위한 고온 산소의 적용이 고려되고 있는 실정이다.

한편, 일반적인 열교환기에서 고온 산화제를 얻기 위하여 1000℃ 이상으로 산화제를 예열하는 것이 불가능하기 때문에 산화제의 흐름 중에 일부 연료를 공급하여 연료의 연소열에 의해 산화제를 예열하는 방법이 이용된다.

그러나, 이러한 산소예열 버너에서는 산소 과잉 연소에 의해 개략적으로 80% 이상의 산소와 20% 이하의 이산화탄소 및 수증기 등으로 이루어지는 연소 생성물로 구성되는 고온의 산소를 배출하며, 산소의 온도는 통상 1200℃ 이상이 되고, 사용되는 연료의 종류와 당량비에 따라 고온 가스의 조성과 온도가 변하게 되나, 실제 산소예열 버너에서 고온의 연소가 이루어지기 때문에 고온 산화 등에 따른 버너 구조물이 손상되는 등의 문제점이 있었다.

이렇한 산소예열 버너를 안정적으로 사용하기 위해서는 버너의 내열성 향상이 최우선적인 과제이며, 산소의 분할 분사 내지 연소통의 설치 등으로 내열성을 향상시키기 위한 연구가 계속되고 있으나, 고온 산소 노즐의 적용 시험 등에서 내열성 부족의 문제가 제기됨으로써 산소예열 버너의 내열성 향상을 위한 개량이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 고온의 산화제를 얻기 위하여 산화제의 흐름 중에 일부 연료를 공급하고, 이로 인해 발생되는 연료의 연료열에 의해 산화제를 예열하는 방법으로 본 발명자에 의해 고성능 산소예열 버너에 대하여 대한민국등록특허 제0761211호에 개시된바 있다.

상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 고성능 산소예열 버너는 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 중앙에 연료 공급관(105)에 연결된 연결 노즐(111)이 위치하 고, 산소는 산소 공급관(106)을 통하여 버너로 유입되어 공급되도록 산소 공급구(120)와 산소 분배판(112)이 순차적으로 구비된다.

여기서, 상기 버너의 최외부에는 외통(116)이 구비되고, 상기 외통(116)의 내부에 구비되는 산소 분배판(112)에 연소통(115)이 연결된다.

그리고, 상기 외통(116)의 단부에 외통 축소부(117)가 구비되며, 상기 외통 축소부(117)의 종단은 고온의 산소를 분출하기 위한 고온 산소 분출구(130)가 형성된다.

이때, 상기 연소통(115)은 외통(116)보다 길이가 짧게 형성되며, 상기 산소 분배판(112)에는 산소 공급구(120)를 통하여 연소통(115) 내부로 공급되는 연소용 산소 노즐(113)이 구비되고, 상기 연소통(115)과 외통(116) 사이에 형성되는 환상의 공간으로 산소를 공급하는 냉각용 산소 노즐(114)이 구비된다.

상술한 바와 같은 구조 및 형태로 이루어지는 부분연소식 산소예열 버너(100)는 연료 노즐(111)을 통해 공급되는 연료가 연소용 산소 노즐(113)을 통해 분사되는 산소와 혼합되어 연소통(115) 내에서 1차 연소가 이루어진다. 이때, 상기 연소통(115) 내에서 공급되는 연료의 연소에 필요한 이론 산소량의 2배 이상의 과잉 연소가 되도록 산소를 공급한다.

한편, 상기 연소통(115) 내에서 연소가 완결되고, 연소통(115)에서 배출되는 가스는 가연분을 포함하지 않는 것이 이상적이나, 실제 연소에서는 연소통(115) 내에서 연소가 완결되지 않고, 연소통(115) 출구의 외통(116) 내 공간인 2차 연소실(119)에서 추가적인 2차 연소가 이루어진다.

이러한 구조 및 형태를 갖는 부분연소식 산소예열 버너는 기존의 버너들에 비하여 외통 등 버너 구조물의 냉각 기능이 향상되어 매우 유용한 특성이 있으나, 고연소 용량 연소의 경우 등에는 연소통 내에서 연소가 완결되지 않고, 2차 연소실 내지는 고온 산소 분출구 이후에도 화염이 형성되는 것이 실험결과 관찰되었다.

이로 인해, 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이, 연소통(115)의 출구 부분 및 외통 축소부(117)가 구비되는 외통(116)의 단부측을 포함하는 적열 부위(140)에 심한 적열 현상이 발생되며, 금속의 내열 온도를 초과하는 온도가 검출되었다.

더불어, 부분연소식 산소예열 버너를 사용하여 장기간 조업 시 적열 부위의 손상이 발생되는 문제가 있었다.

또한, 종래 기술에 따른 버너에서는 연료용 산소와 냉각용 산소가 각각 노즐의 면적비에 의해 분할되어 공급되는데 연소용 산소와 냉각용 산소의 비율이 고정되어 있기 때문에 상대적으로 고온을 얻기 위한 저과잉 산소 연소 시에는 냉각 기능이 저하되어 외통 등 버너의 고온 소손을 야기할 수 있다는 문제점이 있었다.

따라서, 고부하 연소 시 연소통과 외통의 고온 소손 방지 및 상대적인 과잉 산소량 부족 시 냉각 기능의 확보를 위해 개량이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너 내부에 설치되는 연소통의 길이를 버너의 출구부 근처까지 연장하여 별도의 냉각공간을 확보함으로써 버너의 냉각 성능을 향상시키고, 버너에 연소용 산소 및 냉각용 산소를 개별적 또는 독립적으로 공급함으로써 연소용 산소와 냉각용 산소의 유량 비율을 조절 및 공급할 수 있으며, 이로 인해 안정적인 버너의 냉각이 가능할 뿐만 아니라, 내열 성능을 향상시킬 수 있으며, 고부하 연소 시 화염에 노출되는 연소통 및 외통의 고온 소손을 방지할 수 있고, 상대적인 과잉 산소량의 부족 시 냉각 기능의 확보가 용이한 부분 연소식 산소예열 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료가 공급되고, 그 단부에 연료 노즐을 갖는 연료 공급관; 상기 연료 공급관이 후면 중심부에 삽입설치되되, 연소용 산소가 공급되기 위한 연소용 공급구를 갖는 연소용 산소 공급관; 상기 연소용 산소 공급관이 후면 중심부에 삽입설치되되, 전방측을 향하여 직진하는 직관부와, 상기 직관부의 단부에 외통 축소부를 갖는 고온 산소 분출구를 포함하는 외통; 및 상기 외통의 내부의 후방측에 설치되되, 그 중심부에 연료 공급관의 연료 노즐이 삽입설치되고, 그 외측 주변부에 형성되는 연소용 산소 노즐과, 상기 연소용 산소 노즐의 외측 주변부에 전방을 향하여 돌출형성되는 연소통과, 상기 연 소통의 외측 주변부에 형성되는 냉각용 산소 노즐로 구성되는 산소 분배판; 를 포함하여 구성되는 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너에 있어서, 상기 외통의 후방측 외주연에 냉각용 산소 공급구가 구비되되, 상기 냉각용 산소 공급구에 냉각용 산소가 공급되고, 상기 연소용 산소 공급관의 연소용 산소 공급구에 연소용 산소가 공급되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 연소통이 상기 산소 분배판에서 외통의 직관부를 향하여 연장형성되되, 상기 외통 축소부에 근접되게 형성된다.

여기서, 상기 연소용 산소 공급구와 냉각용 산소 공급구를 통하여 공급되는 연소용 산소 및 냉각용 산소의 비율이 유량조절 기구에 의해 독립적으로 조절 및 공급되도록 이루어진다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너 내부에 설치되는 연소통의 길이를 버너의 출구부 근처까지 연장하여 별도의 냉각공간을 확보함으로써 연소 화염과 버너 외통의 접촉을 완벽하게 차단할 수 있으며, 이로 인해 버너의 냉각 성능을 향상시키고, 버너에 연소용 산소 및 냉각용 산소를 개별적 또는 독립적으로 공급함으로써 연소용 산소와 냉각용 산소의 유량 비율을 조절 및 공급할 수 있으며, 이로 인해 안정적인 버너의 냉각이 가능할 뿐만 아니라, 내열 성능을 향상시킬 수 있으며, 냉각용 산소의 냉각 작용 극대화가 가능하여 연소통과 외통의 온도 상승을 방지할 수 있어 고부하 연소 시 화염에 노출되는 연소통 및 외통의 고온 소손 및 손상을 방지할 수 있고, 상대 적인 과잉 산소량의 부족 시 냉각 기능의 확보가 용이하며, 버너의 내열성을 확보함과 동시에 안정적인 산소의 고온 가열이 가능하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 부분 연소식 산소예열 버너를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 부분 연소식 산소예열 버너(1)는 연료 공급관(10)과 연소용 산소 공급관(30)과 외통(50) 및 산소 분배판(70)을 포함하여 구성된다.

상기 연료 공급관(10)은 외부에서 연료가 공급되고, 그 단부에 연료 노즐(11)이 구비된다.

여기서, 상기 연료 노즐(11)은 원형으로 형성되는 것이 바람직하나, 슬릿형 또는 타원형 등 기타 다양한 형상으로 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 연소용 산소 공급관(30)은 상기 연료 공급관(10)이 후면 중심부에 인입되게 삽입설치되고, 외부에서 연소용 산소가 공급되기 위한 연소용 산소 공급구(31)가 외주연에 형성된다.

상기 외통(50)은 상기 연소용 산소 공급관(30)이 후면 중심부에 인입되게 삽 입설치되고, 후방측 외주연에 냉각용 산소가 공급되기 위한 냉각용 산소 공급구(57)가 구비되고, 전방측을 향하여 직진하는 직관부(51)와 상기 직관부(51)의 단부에 직경이 감소되는 형상의 외통 축소부(53)를 갖는 고온 산소 분출구(55)를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 부분 연소식 산소 예열버너(1)의 외통(50) 내부로 공급되는 냉각용 산소는 연소통(73)의 외주연을 따라 진행되다가 외통 축소부(53) 및 고온 산소 분출구(55)를 통하여 분출된다.

상기 산소 분배판(70)은 상기 외통(50)의 내부 후방측에 설치되되, 후면에 상기 연소용 산소 공급관(30)이 맞닿게 설치되고, 그 중심부에 연료 공급관(10)의 연료 노즐(11)이 삽입설치된다.

여기서, 상기 산소 분배판(70)에 의해 삽입되는 연료 공급관(10)의 연료 노즐(11)이 설치된 상태를 유지한다.

그리고, 상기 산소 분배판(70)의 중심부에 삽입설치되는 연료 노즐(11)의 외측 주변부에 연소용 산소 노즐(71)이 형성되고, 상기 연소용 산소 노즐(71)의 외측 주변부에 연소통(73)이 전방을 향하여 돌출형성된다.

더불어, 상기 산소 분배판(70)에 구비되는 연소통(73)의 외측 주변부에 냉각용 산소 노즐(75)이 형성된다.

여기서, 상기 연소통(73)은 상기 외통(50)의 내부에 설치되는 산소 분배판(70)에서 외통(50)의 직관부(51)를 향하여 연장형성되어 그 단부가 상기 외통 축 소부(53)에 근접되게 형성된다. 즉, 상기 연소통(73)은 그 단부가 상기 외통(50)의 직관부(51)를 지나 외통 축소부(53) 내에 위치한다.

한편, 상기 산소 분배판(70)에 형성되는 연소용 산소 노즐(71)과 냉각용 산소 노즐(75)은 원형으로 형성되는 것이 바람직하나, 슬릿형 또는 타원형 등 기타 다양한 형상으로 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연소용 산소 노즐(71)과 냉각용 산소 노즐(75)은 상기 산소 분배판(70)에 한개 또는 다수개로 설치될 수 있으며, 그 크기 및 배열은 다양하게 변경가능하게 이루어진다.

한편, 상기 연소용 산소 공급구(31)와 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 공급되는 연소용 산소 및 냉각용 산소의 비율은 독립적으로 조절 및 공급된다.

즉, 상기 부분 연소식 산소예열 버너(1)에 상기 연소용 산소 공급구(31)와 냉각용 산소 공급구(57)가 개별적으로 구비됨으로써 상기 외통(50)의 내부에 연소용 산소와 냉각용 산소의 공급 시 연소용 산소 및 냉각용 산소의 양 또는 비율을 각각 독립적으로 조절할 수 있다.

이를 위하여 상기 부분 연소식 산소예열 버너(1)에 각각 구비되는 연소용 산소 공급구(31)와 냉각용 산소 공급구(57)에는 유량을 제어 및 조절할 수 있는 유량조절 기구(미도시)가 구비된다.

이하, 본 발명에 의한 부분 연소식 산소예열 버너의 작동 및 작용과정을 설명한다.

먼저, 상기 연료 공급관(10)을 통하여 외부에서 연료가 공급되고, 공급되는 연료는 연료 노즐(11)을 통하여 분사된다.

이때, 상기 연소용 산소 공급관(30)의 연료용 산소 공급구를 통하여 외부에서 공급되는 연소용 산소는 산소 분배판(70)에 형성되는 연소용 산소 노즐(71)을 통하여 분사되어 상기 연료 노즐(11)을 통하여 분사되는 연료와 혼합되며, 이로 인해 상기 연소통(73) 내에서 연소가 이루어진다.

여기서, 상기 외통(50)에 구비되는 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 냉각용 산소가 공급되고, 상기 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 공급되는 냉각용 산소는 상기 산소 분배판(70)의 냉각용 산소 노즐(75)을 통과한 후 상기 연소통(73)의 외주연과 외통(50)의 내주연 사이에 형성되는 환상의 공간으로 진행된다.

이렇게 상기 외통(50)에 구비되는 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 공급되는 냉각용 산소는 상기 연소통(73)의 외주연과 외통(50)의 내주연 사이에 형성되는 환상의 공간으로 진행되다가

상기 연소통(73) 내에서 연료와 연소용 산소의 혼합에 따라 발생되는 연소열에 의해 반경 방향으로 전달되는 열의 일부를 흡수함으로써 연소통(73)과 외통(50)의 온도 상승을 방지한다.

이때, 상기 연소통(73)의 전체 길이를 길게 하여 그 단부가 외통(50)의 직관부(51)를 지나 외통 축소부(53)의 내부에 인입되게 위치시킴으로써 연소통(73) 및 외통(50) 전체의 냉각이 가능해진다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 부분 연소식 산소예열 버너(1)는 냉각용 산소 공급구(57)와 연소용 산소 공급구(31)를 별도로 구성함으로써 유량조절 기구(미도시)에 의해 각각의 산소 공급구를 통하여 공급 및 분사되는 연소용 산소 및 냉각용 산소의 비율을 독립적으로 조절하여 공급할 수 있다.

이렇게 상기 냉각용 산소 공급구(57)와 연소용 산소 공급구(31)를 별도로 구성하고, 냉각용 산소 공급구(57)와 연소용 산소 공급구(31)를 통해 냉각용 산소 및 연소용 산소를 독립적으로 공급하도록 이루어짐으로써 본 발명에 의한 부분 연소식 산소예열 버너(1)를 통해 화염 배출 및 분출 시 냉각 산소량의 부족으로 인한 냉각 기능의 저하를 방지할 수 있으며, 적용 환경 및 사용 환경에 따라 냉각용 산소의 공급 및 분사 비율을 자유롭게 조절할 수 있다.

이로 인해, 상기 냉각용 산소 공급구(57)를 통하여 공급되는 냉각용 산소의 양을 항상 일정 유량 이상으로 공급되도록 제어할 경우, 연소용 산소량 변화의 영향을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 부분 연소식 산소예열 버너(1)의 효과적인 냉각이 가능해진다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 산소예열 버너를 개략적으로 나타내는 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 부분 연소식 산소예열 버너를 개략적으로 나타내는 측단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 부분 연소식 산소예열 버너, 10 : 연료 공급관,

11 : 연료 노즐, 30 : 연소용 산소 공급관,

31 : 연소용 산소 공급구, 50 : 외통,

51 : 직관부, 53 : 외통 축소부,

55 : 고온 산소 분출구, 57 : 냉각용 산소 공급구,

70 : 산소 분배판, 71 : 연소용 산소 노즐,

73 : 연소통, 75 : 냉각용 산소 노즐.

Claims (3)

1. 연료가 공급되고, 그 단부에 연료 노즐을 갖는 연료 공급관; 상기 연료 공급관이 후면 중심부에 삽입설치되되, 연소용 산소가 공급되기 위한 연소용 산소 공급구를 갖는 연소용 산소 공급관; 상기 연소용 산소 공급관이 후면 중심부에 삽입설치되되, 전방측을 향하여 직진하는 직관부와, 상기 직관부의 단부에 외통 축소부를 갖는 고온 산소 분출구를 포함하는 외통; 및 상기 외통의 내부의 후방측에 설치되되, 그 중심부에 연료 공급관의 연료 노즐이 삽입설치되고, 그 외측 주변부에 형성되는 연소용 산소 노즐과, 상기 연소용 산소 노즐의 외측 주변부에 전방을 향하여 돌출형성되는 연소통과, 상기 연소통의 외측 주변부에 형성되는 냉각용 산소 노즐로 구성되는 산소 분배판을 포함하여 구성되는 산소를 고온으로 예열하기 위한 버너에 있어서,

   상기 외통의 후방측 외주연에 냉각용 산소 공급구가 구비되어 상기 냉각용 산소 공급구를 통해 냉각용 산소가 공급되고,

   상기 연소통은 상기 산소 분배판에서 상기 외통의 직관부를 향하여 연장형성되되, 상기 연소통의 단부는 상기 외통의 직관부를 지나 상기 외통 축소부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 부분 연소식 산소예열 버너.
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