KR101153408B1 - 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너에 관한 것이다. 본 발명에 의한 연료노즐에는 선회 형상을 가진 적어도 하나 이상의 연료분사구가 원주 방향으로 형성된다. 그리고, 선회 형상을 가진 연료분사구는 연료분사구의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배치되고, 연료노즐의 중심축에 대해 경사지게 형성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 연료와 공기와의 혼합이 촉진되어 화염안정성이 향상되고 연료의 연소성이 떨어지는 연료를 사용하더라도 안정된 연소가 가능한 효과가 있다.

연료노즐, 화염안정성, 선회

Description

다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너{Air two-step combustion burner in case of alternately firing different fuels}

본 발명은 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 연료를 사용하는 연료노즐을 다공형으로 하고 연료가 선회하도록 분사되어 공기와 연료의 혼합을 촉진함으로써, 연소속도가 낮은 연료를 연소시에도 안정적인 연소가 가능한 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너에 관한 것이다.

통상의 연소설비에는 특정연료가 선정되어 사용되는 것이 일반적이지만, 여러 종류의 연료를 혼합하여 사용하던지 다양한 연료를 교대로 사용하는 경우도 제철소 등의 경우에는 일반적인 사용형태이다.

여러 가지 종류의 연료를 상호 전환하여 사용할 때는 기본적으로 호환성이 확보되어야 한다. 즉, 사용되는 연료간 연료간 연소속도의 차이가 큰 경우에는 버너에서 화염이 안정되게 형성되지 않고 부상화염이나 소염, 불완전연소, 역화 등의 문제가 발생될 수 있다.

따라서, 연료의 호환성 평가시는 화염의 안정성, 완전연소성 그리고 열량투입 유지성 등이 고려되는 데 대부분의 경우 연료전환시 호환성이 완전히 확보되지 않기 때문에 별도의 화염안정화 기구가 필요하다. 화염의 안정화는 연료별 연소속도와 연관되는데 특히 연소속도의 차이가 큰 연료들을 동일버너에서 연소시키기 위해서는 특별한 사항들을 고려하여야만 한다.

사용연료를 완전히 바꾸게 되면 연료노즐 등을 교체하여 교체된 연료의 안정, 완전연소를 도모하면 되지만, 동일한 버너에서 여러 가지 연료를 연소시켜야 하는 경우에는 화염의 안정성 등의 이유로 사용되는 연료의 범위에 한계가 있다. 이상에서 설명한 바와 같이, 다종류 연료를 동일한 버너에서 연소시키는 것은 매우 어려운 것으로 인식되어 왔다.

이하에서 도 1을 참조하여 종래 기술을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 공기 2단 연소식 버너의 구조를 나타낸 것으로서, 버너(1)의 축심으로부터 화염관찰관(10), 연료공급관(11)이 동심원 형태로 배치된다. 상기 연료공급관(11)의 단부에는 화염관찰관(10)과 연료공급관(11) 사이의 환상 공간으로 연료가 공급되는 연료노즐(12)이 구비된다.

공기는 상기 연료노즐(12)의 외주면을 따라 1차 공기통로(13)을 통하여 공급되는 1차 공기와 1차 공기통로(13) 외주면의 버너타일(2)상에 마련된 2차 공기통로(14)를 통하여 분사되는 2차 공기로 나뉘어 공급된다.

상기 연료노즐(12)은 도 1 및 도 2와 같이 환상이든지 도 3과 같이 다수개의 연료분사구(20)로 이루어지는 것이 일반적으로 사용된다. 이러한 연료노즐(12)에 종류가 다른 연료를 연소하게 되면 연료의 발열량 차이에 따른 분사속도 변화와 연료별 연소속도의 차이에 의해 화염안정성의 문제가 있는 것으로서 연료종류가 변화 하여도 안정된 연소가 가능한 버너의 개발이 요구되어 왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 종류의 연료를 사용하더라도 화염안정성의 문제가 없는 공기 2단 연소식 버너를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 다양한 연료를 사용하여 분사가 가능한 연료노즐에 있어서, 상기 연료노즐에는 선회 형상을 가진 적어도 하나 이상의 연료분사구가 원주 방향으로 형성됨을 특징으로 한다.

상기 선회 형상을 가진 연료분사구는 상기 연료분사구의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배치되고, 상기 연료노즐의 중심축에 대해 경사지게 형성됨을 특징으로 한다.

상기 연료노즐에는 상기 연료노즐의 중심축에 대해 평행하게 형성된 연료분사구가 더 형성됨을 특징으로 한다.

상기 선회 형상을 가진 연료분사구와 상기 연료노즐의 중심축에 대해 평행하 게 형성된 연료분사구는 교대로 반복하여 배치됨을 특징으로 한다.

본 발명에서는 연료노즐에 형성된 선회형상을 가진 연료분사구를 통해 연료가 분사되므로 연료는 선회류를 형성하여 분사된다. 이와 같이 연료가 선회류를 형성하여 분사되므로, 연료와 공기와의 혼합이 촉진되어 화염안정성이 향상되고 연료의 연소성이 떨어지는 연료를 사용하더라도 안정된 연소가 가능한 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료노즐의 평면도이다. 이들 도면에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 연료노즐(30)은 대략 환형의 형상을 가진다. 환형 형상의 연료노즐(30)에는 원주방향으로 다수개의 연료분사구(32)가 형성된다. 그리고, 상기 연료분사구(32)는 상기 연료노즐(30)의 원주방향을 따라 다수개가 일정한 간격으로 형성된다.

본 실시예에서 상기 연료분사구(32)는 선회(swirl) 형상을 가진다. 즉, 상기 연료분사구(32)는 연료노즐(30)의 중심축(C)에 대해 소정의 각도(θ)로 경사지게 형성된다. 상기 각도(θ)는 0 내지 90°의 경사각을 가질 수 있다.이와 같이 상기 연료분사구(32)가 선회 형상을 가짐으로써 연료가 연료분사구(32)를 통해 분사될 때 중심축(C)과 기울어진 각도 성분이 부여되어 선회류를 형성하게 된다. 이와 같이 연료분사구(32)가 선회류를 형성하게 되면, 연료가 X축 방향의 성분만 가지는 것이 아니고, Y축 및 Z축 성분을 가지게 되므로 연료의 흐름이 더욱 풍부해질 수 있다.

따라서, 상기 연료분사구(32)를 통과한 연료와 공기의 혼합이 촉진되므로 연료의 연소성이 떨어지는 연료를 사용하는 경우에도 안정되 연소가 가능한 이점이 있다.

한편, 도 5에는 본 발명과 종래의 연료노즐에 따른 화염형태를 비교한 사진이 도시되어 있다.

이를 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보면, 제철소에서 발생되는 고로가스(BFG)와 코크스로가스(COG) 및 천연가스(LNG)를 혼합한 다양한 조성의 혼합가스를 제조하여 실험한 결과,

도 1 내지 도 3에 따른 종래의 다공형 연료노즐에서는 LNG의 비율이 10% 이상에서는 부상화염과 불완전연소가 발생하였으나, 도 4에 따른 본 발명의 연료노즐에서는 LNG 혼합비 20%까지도 안정된 연소와 완전연소가 가능하였다. 이는 도 5를 통해 확인할 수 있다.

참고로, 상기 시험조건에서 혼합가스의 발열량은 2,800kcal/N㎥로 일정하게 유지하였다. 또한, BFG, COG, LNG의 기준발열량은 각각 750, 4,400, 9,530 kcal/N㎥ 이며, BFG와 COG만 혼합한 혼합가스(기준가스)의 경우 화염속도계수는 25.6이며, COG 8%, BFG 72%, LNG 20%를 혼합한 혼합가스(비교가스)의 화염속도계수는 9.7이다. 기준 혼합가스 용으로 제작된 버너에 종래의 연료노즐을 사용하여 비교가스 를 연소시키는 경우는 심각한 화염부상 현상이 발생하였으나, 본 발명의 연료노즐을 이용시에는 안정된 연소가 가능한 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

예를 들어, 상술한 실시예에서는 연료분사구(32)가 선회 형상을 가진 것에 대해서만 설명하였으나, 선회 형상을 가진 연료분사구(32) 뿐만 아니라 중심축(C)에 대해 평행하게 형성된 연료분사구(32)를 포함할 수도 있다.

또한, 상기 선회 형상을 가진 연료분사구(32)와 중심축(C)에 대해 평행하게 형성된 연료분사구(32)가 교대로 반복하여 배치되는 구성도 가능할 것이다.

도 1은 일반적인 공기 2단 연소식 버너의 조립상태를 보인 단면도.

도 2는 도 1의 선 Ⅰ-Ⅰ에 따른 단면도.

도 3은 종래의 다공형 연료노즐의 평면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료노즐의 평면도

도 5는 본 발명과 종래의 연료노즐에 따른 화염형태를 비교한 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 버너 2 : 버너타일

10 : 화염관찰관 11 : 연료공급관

12 : 연료노즐 20 : 연료분사구

30 : 연료노즐 32 : 연료분사구

Claims (4)

1. 버너의 축심에 배치되는 화염관찰관;

   상기 화염관찰관에 대하여 동심원 형태로 배치되고, 상기 화염관찰관과의 사이로 연료가 공급되는 연료 공급관;

   상기 연료 공급관의 외주면을 따라 1차 공기가 공급되는 1차 공기통로;

   상기 1차 공기통로의 외주면의 구비된 버너타일에 형성되어 2차 공기가 공급되는 2차 공기통로; 및

   상기 연료 공급관의 단부에 구비되고, 선회 형상을 가진 적어도 하나 이상의 연료분사구가 원주 방향으로 형성되는 연료노즐을 포함하는 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선회 형상을 가진 연료분사구는 상기 연료분사구의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배치되고, 상기 연료노즐의 중심축에 대해 경사지게 형성됨을 특징으로 하는 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연료노즐에는 상기 연료노즐의 중심축에 대해 평행하게 형성된 연료분사구가 더 형성됨을 특징으로 하는 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 선회 형상을 가진 연료분사구와 상기 연료노즐의 중심축에 대해 평행하게 형성된 연료분사구는 교대로 반복하여 배치됨을 특징으로 하는 다양한 연료를 사용할 수 있는 공기 2단 연소식 버너.

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