KR100920805B1 - 평면 화염 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 화염 연소기에 관한 것으로, 연소기의 공기를 다단으로 분사하고, 그 전방부를 적정 각도로 경사지게 형성하여 안정적인 화염을 형성하는 동시에 화염의 폭은 넓고 두께는 얇게 형성하는 구조로 이루어진다. 이와 같은 본 발명은 고온의 공기 분사 방법을 통해 평면 화염을 형성함으로써 넓은 면적을 가열하게 됨으로써 소재를 균일하게 가열하고, 노체의 표면적 감소를 유도하여 열손실을 최소화하고 노의 설비비를 절감시키고, 고온의 예열 공기를 사용함으로써 에너지 사용량을 현격히 감소시킴은 물론, 화염내 배기가스 유입을 최대화함으로써 배기가스량과 질소산화물(NOx) 등의 발생량을 최소화하여 환경오염 등을 줄이는 효과가 있다.

평면 화염, 연소기, 노(爐), 배기가스, 질소산화물(NOx)

Description

평면 화염 연소기 { wide flame combustor}

도 1은 본 발명에 따른 평면 화염 연소기의 정면을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 평면 화염 연소기가 장착된 평판화염형 축열식 버너의 일측 단면을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 평면 화염 연소기가 설치된 버너의 평면을 도시한 도면.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1: 버너 2: 헤드

2a: 하우징 2b: 플랜지부

3: 미디어 케이스 4: 연료노즐

5: 공기노즐 6: 예열공기주입부

10: 노 100: 평면 화염 연소기

110: 몸체 112: 연료분사구

114: 제1공기분사구 116: 단차면

118: 제2공기분사구 120: 제3공기분사구

200: 포트

본 발명은 평면 화염 연소기에 관한 것으로, 더 상세하게는 산업용 가열 또는 용해에 사용되는 연소기에 있어 연소 후 버려지는 배기가스의 폐열을 이용하여 연소용 공기를 500~1000℃ 이상까지 예열하여 연소기에 공급하여 예열을 위해 필요한 에너지 소비량을 감소시킴과 동시에 부채모양의 평면 화염을 형성하여 더욱 넓은 가열범위를 가지게 함으로써 설비 비용 감소 및 가열효과를 극대화하는 고효율 저공해 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 반응 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.

한편, 상기 종래의 연소기는 그 연소로 인해 발생되는 화염의 형상이 폭과 두께가 동일한 원통형으로 이루어져 화염폭이 작아 소재의 국부적 가열이 발생하고 이는 생산되는 제품의 품질을 저하시키는 문제점이 있었다.

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

물론, 이와 같은 문제점들을 해소하기 위해 다수의 소용량 연소기를 소재가 안착되는 노(爐)에 길이방향으로 설치하여 사용하고 있으나, 소용량 연소기의 경우 노의 폭(width) 방향으로 화염이 짧기 때문에 노의 폭이 넓은 경우 노의 중앙부까지 화염이 미치지 못하여 이 역시 소재를 균일하게 가열하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

또한, 연소기를 설치시에 연소기의 화염으로 인한 노 자체의 손상을 피하기 위해 화염의 두께만큼 노의 내부 천장을 높이게 됨에 따라 노의 전체 사이즈가 커지게 되어 이 역시 에너지 손실이 증대되는 원인이 된다.

한편, 소재를 가열 및 용해하기 위해서는 일반적으로 1200℃ 이상의 고온이 필요함에 따라 많은 양의 배기가스와 질소산화물(NOx)이 발생되므로 이와 같은 배기가스 및 질소산화물(NOx)의 발생량을 감소해야 하는 실정이다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소기의 공기를 다단으로 분사하고, 그 전방부를 적정 각도로 경사지게 형성하여 안정적인 화염을 형성하는 동시에 화염의 폭은 넓고 두께는 얇게 형성하는 평면 화염 연소기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 초고온의 예열공기를 사용하여 에너지 소모를 최소화할 수 있는 구조의 평면 화염 연소기를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

몸체 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사구를 중심으로 그 측부에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 제1공기분사공의 상/하부에는 평면 화염을 유도하기 위해 예열공기가 분사되는 다수의 제2공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은;

노(爐)의 벽면에 장착되되, 몸체의 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고; 상기 연료분사구를 감싸면서 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에만 전체 연소공기의 0 ~ 20%의 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되고; 상기 제1공기분사공의 상/하부에는 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기의 20 ~ 27.5%의 예열공기를 분사하고 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우는 27.5%의 예열공기를 분사되는 다수의 제2공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되고; 상기 몸체의 전단 양측에는 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기의 72.5 ~ 80%의 예열공기를 분사하고 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우는 72.5%의 예열공기를 분사하는 다수의 제3공기분사구가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 평면 화염 연소기를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 평면 화염 연소기의 정면을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 평면 화염 연소기가 장착된 평판화염형 축열식 버너의 일측 단면을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 평면 화염 연소기가 설치된 버너의 평면을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3에 의하면, 본 발명에 따른 평면 화염 연소기(100)는 세라믹 재질의 몸체(110) 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구(112)가 전후방향으로 관통 형성되고, 상기 연료분사구(112)를 중심으로 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구(114)가 전후방향으로 관통 형성되고, 전방으로 그 내경이 확장되는 단차면(116)이 형성되고, 그 단차면(116)의 상부와 하부에는 예열공기가 분사되는 다수의 제2공기분사구(118)가 전후방향으로 관통 형성 되고, 몸체(110)의 전면 양측에는 예열공기가 분사되는 다수의 제3공기분사구(120)가 전후방향으로 관통 형성된다.

이하, 각각의 구성을 좀 더 구체적으로 설명한다.

상기 연료분사구(112)는 몸체(110)의 중앙에 전후방향으로 관통 형성되며, 그 연료분사구(112)를 중심으로 일정거리 이격되며 제1공기분사구(114)가 다수형성되는 구조로서 연료분사구(112)를 둘러싸는 배치구조를 하게 된다.

이와 같은 연료분사구(112)와 제1공기분사구(114)의 전방으로는 연료와 공기가 연소되면서 발생되는 화염을 전방으로 안내하는 원형의 안내공간부(122)가 형성되는데, 이와 같은 안내공간부(112)에는 내경이 확장되는 단차면(116)이 형성된다.

이때, 상기 단차면(116)은 그 전단 테두리가 링모양으로 이루어지며, 그 단차면의 상부와 하부에는 전후방향으로 관통되는 제2공기분사구(118)가 대칭을 이루며 다수개씩 형성된다.

특히, 상기 제2공기분사구(118)는 중심부를 향하도록 경사지게 상하로 설치되어 연료분사구(112)에서 분사되는 연료를 상하부에서 눌러주는 역할을 함으로써 화염의 두께 감소를 가져옮과 동시에 제3공기분사구(120)와 상호작용에 의해 화염이 수평방향으로 부채꼴 형상이 형성되도록 유도하는데 있어 화염면(중앙부의 화염이 없는 상태)의 단절을 방지하게 된다.

그리고, 상기 몸체(110)의 전단 양측에 예열공기가 분사되는 다수의 제3공기분사구(120)가 형성되어 좌,우로 공기를 분사하여 중앙에서 분사되는 연료를 좌,우 로 퍼지게 함으로써 화염이 좌우로 퍼지도록, 즉 화염 폭이 넓게 되도록 유도하게 된다.

또한, 좌,우 고온의 공기를 고속 분사함으로써 화염 중앙으로 배기가스를 최대한 유입되도록 하여 화염 최고온도를 낮춤으로써 질소산화물의 배출을 감소시키게 된다.

한편, 이와 같은 평면화염 연소기(100)의 전면에는 노(10)의 측벽(12)에 장착되는 포트(200)가 더 구비되며 이는 버너(1) 헤드(2)의 하우징(2a) 전단에 형성되는 플랜지부(2b)에 장착된다.

이와 같은 포트(200)는 대략 직육면체의 세라믹재질로 이루어지는 것으로 그 중앙에 상기 연소기(100)의 전면과 연통되는 관통부(210)가 형성되며, 그 관통부(210)는 전방으로 일정각도 외향 경사지는 경사면이 형성된다.

이때, 상기 포트(200)의 경사면은 노(10)의 벽(12)에 일정한 전단 각도를 형성하여 연소기(100)의 화염(火焰)내로 노(10) 내부의 배기가스가 재순환되도록 하는 기능을 하게 된다.

좀더 구체적으로는 상향 경사면(212)은 전방에서 상측으로 10°이하로 상향 경사지게 형성하고, 하향 경사면(214)은 전방에서 하측으로 10°이하로 하향 경사지게 형성하며, 좌/우 경사면(216,218)은 전방에서 좌우 양측으로 확장되도록 15°이하로 형성하여 줌으로써, 평면화염의 형성과 화염내 배기가스 재순환 효과를 최대화시켜 주게 된다.

상기 상,하향 경사면(212,214)을 상하 10°, 좌우 15°로 경사면을 5°의 차 이를 줌으로써 공기분사구를 통한 화염두께(상하) 감소와 화염폭(좌우)의 공기 분사외에 추가적으로 화염 형상의 특징을 가져오도록 한다.

화염 좌우 각도를 15°이상으로 할 경우 배기가스의 화염내로 유입이 증대되어 화염 중앙부가 절단되는 현상이 발생됨으로써 질소산화물 감소를 위한 배기가스 재순환 효과와 부채꼴 모양의 화염 형상의 최적의 조건(각도)을 가지도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 평면 화염 연소기(100)는 버너(1)의 헤드(2)에 설치되는 것으로 축열 연소방식을 도입한 평판화염형 축열식 버너(1)의 일 예가 도 2에 도시되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 평면 화염 연소기(100)가 설치되는 버너(1)는 크게 헤드(2)와, 미디어 케이스(Media Case)(3)로 구성된다.

이때, 상기 버너(1)의 헤드(2)에는 버너(1)를 점화시키기 위한 파일럿 버너(미도시됨)와 정상적인 화염이 형성되었는지를 감시하는 자외선 센서(UV Sensor)(미도시됨)가 설치되며, 상기 헤드(2)는 일정한 철재 하우징(2a)의 내부에 연료를 공급하는 연료노즐(4)과 상온의 공기를 공급하는 공기노즐(5)이 구비되며, 미디어케이스(3)를 통과한 예열공기를 공급하는 예열공기주입부(6)가 형성되며, 그 하우징(2a)의 전방에 본 발명에 따른 평면 화염 연소기(100)가 장착된다.

물론, 본 발명에 따른 평면 화염 연소기(100)의 연료분사구(112)의 후단부는 상기 연료노즐(4)과 연통되며, 상기 제1공기분사구(114)는 공기노즐(5)과 연통되며, 상기 제2 및 제3공기분사구(118,120)는 예열공기주입부(6)와 연통된다.

한편, 상기 미디어케이스(3)는 헤드(2)의 아래에 구비되어 축열을 위한 볼 형태의 축열체(미도시됨)가 적재되는 구성으로 이루어진다.

이하, 도 1 내지 도 3를 참고로 본 발명에 따른 평면 화염 연소기의 특징을 상세히 설명한다.

먼저, 평면 화염 연소기(100)의 연료분사구(112)는 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되며, 제1공기분사구(114)에서는 예열공기가 아닌 상온(常溫)의 공기가 연료분사구(112)를 감싸고 분사된다.

이때, 상기 제1공기분사구(114)를 통해 분사되는 상온공기의 분사량은 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에는 노(10)의 상황에 따라 연소기(100)의 구동을 위해 분사되는 전체 연소공기의 0~20%이며, 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우는 상온공기를 분사하지 않는다.

노 내부 온도가 연료의 자발 온도(약 650도 이나 안정적인 조건을 만들기 위해 800도)이하에서는 화염의 안정을 위해 0~20%의 상온의 공기를 분사 하나, 노 내부 온도 800C 이상에서는 연료가 분사되는 화염이 자동적으로 형성되므로 화염 안정화 기능의 제1공기분사구(114)의 역할이 감소 또는 불필요하게 된다.

제 1공기분사구(114)는 상온의 공기이기 때문에 이것의 사용을 감소 또는 중단시키고, 사용량만큼을 제2, 3공기분사구(118,120)를 통해 고온의 공기를 분사함으로써 좀 더 높은 연료 절감 효과를 가져 올 수 있게 된다.

이와 같이 상온공기를 노(10)의 내부온도에 따라 분사여부를 조정하여 줌으 로써, 화염이 넓게 분포시 화염의 중앙부분이 갈라지는 것을 방지하고, 노(10)의 내부에서 연료의 안정적인 자동 점화 온도인 800℃ 이하에서 화염의 형성을 좀더 원활하게 형성되도록 유도한다.

한편, 예열공기를 분사하는 상기 제2공기분사구(118)는 평면 화염 연소기(100)의 단차면(116)에 형성되어 예열공기를 제1공기분사구(114)를 통해 분사되는 상온공기의 상하부에서 분사하게 된다.

이때, 상기 제2공기분사구(118)를 통해 분사되는 예열공기의 분사량은 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우 노(10)의 상황에 따라 연소기(100)의 구동을 위해 분사되는 전체 연소공기의 20 ~ 27.5%이며, 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우는 27.5%가 되도록 함으로써 연소 반응에 의해 발생되는 화염이 직진성 및 연료와 1차 연소를 통하여 노(10)의 내부 온도가 저온 및 고온상황에서 안정적으로 형성되게 함과 동시의 화염의 두께가 감소 되도록 유도한다.

특히, 상기 제2공기분사구(118)는 제1공기분사구(114)를 통해 분사되는 상온공기를 향해 경사지게 형성됨으로 인해 화염의 두께를 더욱더 슬림화하도록 유도한다.

다음으로, 상기 제3공기분사구(120)는 상기 제2공기분사구(118)의 외곽, 즉 몸체(110)의 전단 좌/우측에 위치하며 예열공기가 분사된다.

이때, 상기 제3공기분사구(120)를 통해 분사되는 예열공기의 분사량은 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우 노(10)의 상황에 따라 연소기(100)의 구동을 위해 분사되는 전체 연소공기의 72.5~80%이며, 노(10)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우는 72.5%가 되도록 한다.

이와 같은 제3공기분사구(120)를 통해 예열공기를 분사함에 따라 화염의 폭(width)을 넓히게 된다.

특히, 상기 제3공기분사구(120)를 통해 가장 큰 비중으로 예열공기를 좌,우로 분사하게 됨에 따라 연소시 형성되는 노(10) 내부의 배기가스가 상기 제3공기분사구(120)에서 분사되는 예열공기로 인한 화염내로 유입토록 함으로써 화염전체의 온도를 균일하게 함과 동시에 질소의 농도를 최소화하고, 최대온도를 낮춤으로써 질소산화물(NOx)의 발생량을 최소화시키게 된다.

아울러, 노(10)의 벽과 일체로 결합되는 포트(200)의 전단 각도를 경사지게 형성함으로써 평면 화염의 형성과 화염내 배기가스 재순환 효과를 최대화한다.

또한, 상기 제2 및 제3공기분사구(118,120)를 통해 분사되는 예열공기는 연소기(100)의 연소과정으로 발생되는 배기가스의 폐열을 축열체를 이용하여 절환하는 미디어케이스(3) 또는 상온의 공기를 가열하는 공기예열기(미도시됨)를 통해 공급받게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 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 변형 실시가 가능한 것이다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 고온의 공기 분사 방법을 통해 평면 화염을 형성함으로써 넓은 지역을 가열하게 됨으로써 소재를 균일하게 가열하는 효과가 있다.

또한, 두께가 얇은 평판형상의 화염을 발생하게 되어 노(爐)의 높이 감소를 통한 노체 표면적 감소를 유도하여 열손실을 최소화하여 노의 설비비를 절감시키는 효과도 있다.

아울러, 고온의 예열 공기를 사용함으로써 에너지 사용량을 현격히 감소시킴과 동시에 화염내 배기가스 유입을 최대화함으로써 배기가스량과 질소산화물(NOx) 등의 발생량을 최소화하여 환경오염을 줄이는 효과도 있다.

Claims (9)

1. 몸체 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고,

   상기 연료분사구를 중심으로 그 측부에 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되며,

   상기 제1공기분사구의 상/하부에는 평면 화염을 유도하기 위해 예열공기가 분사되는 다수의 제2공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되고,

   상기 몸체의 전단 양측에는 화염이 좌우로 퍼지도록 유도하기 위해 예열공기가 분사되는 다수의 제3공기분사구가 형성되되,

   상기 제2공기분사구는 슬림한 평면 형상으로 유도하기 위해 상기 몸체의 중심부를 향하도록 경사지게 형성되고,

   상기 몸체의 전면에는 노(爐)의 측벽에 장착되는 포트가 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 평면 화염 연소기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 연료분사구와 제1공기분사구의 전방으로는 연료와 공기가 연소되면서 발생되는 화염을 전방으로 안내하는 원형의 안내공간부가 형성되며, 상기 안내공간부에는 내경이 확장되는 단차면이 형성되고, 그 단차면의 상부와 하부에는 전후방향으로 관통되는 다수의 제2공기분사구가 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 화염 연소기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 포트는 대략 직육면체의 세라믹재질로 이루어지는 것으로 그 중앙에 상기 연소기의 전면과 연통되는 관통부가 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 화염 연소기.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 관통부는; 상부가 상측으로 10°이하로 상향 경사면이 형성되고, 하부가 하측으로 10°이하로 하향 경사면이 형성되며, 좌/우측은 좌우 양측으로 확장되도록 15°이하로 좌/우 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 화염 연소기.
8. 노(爐)의 벽면에 장착되되, 몸체의 중앙에 기체 또는 액체 상태의 연료가 선단으로 분사되는 연료분사구가 전후방향으로 관통 형성되고;

   상기 연료분사구를 감싸면서 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에만 전체 연소공기의 0 ~ 20%의 상온의 공기가 분사되는 다수의 제1공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되고;

   상기 제1공기분사구의 상/하부에는 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기의 20~27.5%의 예열공기를 분사하고, 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우에는 27.5%의 예열공기를 분사하는 다수의 제2공기분사구가 전후방향으로 관통 형성되며;

   상기 몸체의 전단 양측에는 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이하인 경우에는 전체 연소공기의 72.5~80%의 예열공기를 분사하고, 상기 노(爐)의 내부 온도가 800℃ 이상인 경우에는 72.5%의 예열공기를 분사하는 다수의 제3공기분사구가 형성되되,

   상기 제2 및 제3공기분사구를 통해 분사되는 예열공기는 연소기의 연소과정으로 발생되는 배기가스의 폐열을 절환하는 미디어케이스 또는 상온의 공기를 가열하는 공기예열기를 통해 공급받는 것을 특징으로 하는 평면 화염 연소기.
9. 삭제

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