KR101180468B1 - 다단 연소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단으로 공기를 연소시키는 다단 연소 버너에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은, 공기가 공급되는 공기 공급부의 출구 개폐를 조절할 수 있는 다단 연소 버너를 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명은, 연료공급기로부터 공급되는 연료를 분사노즐로 이송하는 연료노즐; 공기를 발생시켜 공급하기 위한 댐퍼; 상기 댐퍼로부터 공급되는 연료를 분사노즐 외곽 방향에 구비된 1차 선회기 방향으로 이송하기 위한 1차 공기 공급부; 상기 댐퍼로부터 공급되는 연료를 상기 1차 선회기 외곽 방향에 구비된 2차 선회기 방향으로 이송하기 위한 2차 공기 공급부; 및 상기 댐퍼, 상기 1차 선회기 및 상기 2차 선회기 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 제어부를 포함한다.

다단 연소 버너, 선회기, 공기 공급부, 질소 산화물

Description

다단 연소 버너{MULTISTAGE COMBUSION BURNER}

본 발명은 버너에 관한 것으로서, 특히, 다단으로 공기를 연소시키는 다단 연소 버너에 관한 것이다.

다단 연소 버너라 함은, 다중 동심관형 버너 구조를 채택하여, 공급되는 연료와 공기를 적당하게 혼합하므로써, 과/저 연료 연소지역을 만들어 연료와 공기의 성급한 혼합을 방지하여 질소 산화물(NOx)의 저감 효과를 얻을 수 있는 버너를 말한다.

버너에서 질소 산화물(NOx)(이하, 간단히 'NOx'라 함)의 발생을 줄이기 위해서는 NOx의 발생을 줄일 수 있는 환경을 만들어야 한다. 이런 환경을 만드는 방법으로는, 화염의 온도는 가능한 낮게, 공기는 저과잉 산소로, 화염지역의 체류 시간은 적게하는 방법 등이 있으며, 이를 위해 공기 과/저 다단연소, 배가스 재순환 등 여러 가지 기술이 연구되고 있다.

다단 연소는 버너 축에서 원주방향으로 연료/공기 유동상태를 층화시켜 연료 와 공기의 성급한 혼합을 방지하여 NOx 생성을 저감시키는 기술로서, 연소시스템에 따라 NOx 저감 효과가 다르게 나타난다. 다단 연소에서 원주 방향의 화염 상태 층은 버너 공기의 와류 유동과 버너 근처 화염의 원주방향의 강한 밀도 구배에 의해 만들어진다.

여기서, 유동장의 층화라고 하는 것은, 버너 축 중심에 있는 과 연료 화염이 주위에 있는 공기 유체와 상대 회전에 의해 유체질량의 혼합을 억제하는 것을 말한다. 다단 연소 버너에서 다중 동심관 공기 노즐에서의 공기량과 스워럴(swirl)량을 조절하면 이러한 층화유동이 생성되고, 후류에 내부 재순환 영역이 나타나게 된다.

NOx 저감을 위해 이러한 다단 연소 버너에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 원주 방향의 층화에 의해 버너의 화염 중심지역에서 공기/연료 혼합을 줄이는 효과로 과연료 영역의 잔류시간을 증가시켜, NOx 생성이 감소된다. 또한, 저 산소 상태로 스워럴(swirl)하며 배출되는 유동이 보텍스 브렉다운(vortex breakdown)되면서 내부 재순환 지역이 생성되어 연소가스가 화염 중심으로 유입된다. 이러한 버너는 NOx 감소를 가능하게 하나 후류에서 내부 재순환되지 않은 연소가스의 완전한 연소가 요구된다.

한편, 상기한 바와 같은 다단 연소는 버너에 따라 유동장이 달라지므로, NOx 저감효과가 달라지게 된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 공기가 공급되는 공기 공급부의 출구 개폐를 조절할 수 있는 다단 연소 버너를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료공급기로부터 공급되는 연료를 분사노즐로 이송하는 연료노즐; 공기를 발생시켜 공급하기 위한 댐퍼; 상기 댐퍼로부터 공급되는 연료를 분사노즐 외곽 방향에 구비된 1차 선회기 방향으로 이송하기 위한 1차 공기 공급부; 상기 댐퍼로부터 공급되는 연료를 상기 1차 선회기 외곽 방향에 구비된 2차 선회기 방향으로 이송하기 위한 2차 공기 공급부; 및 상기 댐퍼, 상기 1차 선회기 및 상기 2차 선회기 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 제어부를 포함한다.

본 발명은 종래의 동축 파이프를 이용한 버너보다, 연료와 공기의 혼합을 좋게하고, 화염지역의 체류시간을 적게하며, 내부 순환영역을 쉽게 조절할 수 있어, 연소의 최적 운전이 가능하다는 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 공기가 공급되는 공기 공급부의 출구 개폐를 조절하여 최적의 유동혼합을 구현하므로써, 연료와 공기의 유동혼합의 농도를 조절하여 기존의 버너보다 NOx의 배출을 저감시킬 수 있다는 우수한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 다단 연소 버너의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 또한, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 다단 연소 버너의 평면을 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도 2a는 2단 공기 공급부를 갖는 다단 연소 버너의 평면을 나타낸 것이며, 도 2b는 3단 공기 공급부를 갖는 다단 연소 버너의 평면을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 다단 연소 버너는, 공기 또는 산소부하 공기를 공급하는 다단 공기 공급부의 출구를 개폐할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

이를 위해 본 발명에 따른 다단 연소 버너는 도 1, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료공급기로부터 공급되는 연료를 분사노즐로 이송하는 연료노즐(1), 공기를 발생시켜 공급하기 위한 댐퍼(20), 댐퍼로부터 공급되는 연료를 분사노즐 외곽 방향에 구비된 1차 선회기(5) 방향으로 이송하기 위한 1차 공기 공급부(2), 댐퍼로부터 공급되는 연료를 1차 선회기 외곽 방향에 구비된 2차 선회기(6) 방향으로 이송하기 위한 2차 공기 공급부(3), 댐퍼로부터 공급되는 연료를 2차 선회기 외곽 방향에 구비된 개폐기(7) 방향으로 이송하기 위한 3차 공기 공급부(4) 및 1차 선회기, 2차 선회기, 개폐기 및 댐퍼의 구동을 제어하기 위한 제어부(30)를 포함하여 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 다단 연소 버너(이하, 간단히 '버너'라 함)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개 또는 다단의 동축파이프(공기 공급부)(2,3,4)를 통해 연소에 필요한 공기를 분사하게 된다. 연료는 버너의 중심축에 있는 연료노즐(1)에서 분사되며, 연료노즐의 끝단에는 할로우 콘(Hollow cone) 또는 다공의 확대 분사형 노즐(이하, 간단히 '분사노즐'이라 함)(8)이 연결된다.

연소에 필요한 전체 공기는 댐퍼(damper)(또는 블라우어(Blower)라 함)(20)에 의해 각각의 공기 공급부(2,3,4)로 공급되며, 각 공기 공급부의 끝단에는 유입 공기를 선회시키기 위한 선회기(5,6) 또는 개폐기(7)가 부착되어 있다.

1차 공기 공급부(2)의 끝단은 동심축의 원주방향을 따라 복수개의 1차 선회기가 등간격으로 개폐 가능하게 배치되며, 1차 선회기(5)의 각도는 20°로 되어 있다. 2차 공기 공급부(3)의 끝단에는 공기의 선회각도를 변화시킬 수 있도록 하기 위해, 공급되는 공기 유동의 버너 출구에서의 접선방향 운동량을 가변할 수 있는 2차 선회기로서 밴(Vane)(6)이 설치될 수 있다. 3차 공기 공급부(4)의 끝단에는 동심축의 원주방향을 따라 복수개의 개폐기(7)가 등간격으로 개폐 가능하게 배치된다. 구체적으로는, 1차 선회기(5)는 각각 30도의 원주각으로 1차 공기 공급부(2)의 끝단에 6개가 등간격으로 배치되고, 개폐기(7)는 각각 10도의 원주각으로 3차 공기 공급부(4)의 끝단에 6개가 등간격으로 배치된다. 본 발명에서는 제어부(30)를 통해 복수개의 1차 선회기(5)를 소정의 시간 간격으로 동시에 개방하거나 폐쇄함으로써 1차 공기 공급부(2)를 유동하는 공기를 연소로 상으로 배출하거나 배출하지 않게 한다. 복수개의 개폐기(7)도 마찬가지로 소정의 시간 간격으로 동시에 개방되거나 폐쇄됨으로써 3차 공기 공급부(4)를 유동하는 공기를 연소로 상으로 배출하거나 배출하지 않게 한다.

즉, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 다단 연료 버너는, 초 저 NOx 구현을 위하여 연료노즐(1)을 통과하는 연료가 jet 유동 형태로 분사되면서 분사방향으로 유동 단면의 경계면이 확대되면서 외부의 공기와 혼합되도록 한다. 또한, 본 발명은, 연료노즐 다음 단에 구비된 1차 공기 공급부의 끝단의 1차 선회기(5)가 원주방향으로 열림 또는 막힘을 반복하도록 배열되어, 열림 부분으로만 공기가 연료 jet 속으로 분사되므로 원주방향으로 연료 100% 및 공기 100%가 교대로 생성되면서 연료와 공기가 혼합된다는 특징을 가지고 있다. 또한, 본 발명은 2차 공기 공급부(3)의 끝단에 구비된 2차 선회기(6) 및 3차 공기 공급부(4)의 끝단에 구비된 개폐기(7)를 제어부의 제어에 의해 개폐시키도록 한다는 특징을 가지고 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 상기한 바와 같이 제어부가 1차 선회기(5), 2차 선회기(6), 개폐기(7) 중 적어도 어느 하나를 개폐시키도록 할 수도 있다.

한편, 본 발명은 공급 공기의 관내 유동에서 외기 온도와 댐퍼(20) 개도 변화에 따른 압력 변화에 의한 유량 보정을 위해, 댐퍼 이후 관내에 설치된 온도 센서와 압력센서는 현재 공급되고 있는 공기의 온도와 압력을 계측하며, 제어부가 이를 실시간으로 보정하는 한편, 보정된 값에 따라, 제어부가 댐퍼(20), 1차 선회기(5), 2차 선회기(6) 및 개폐기(7)의 동작을 제어하도록 한다는 특징을 가지고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급기 형상에 따른 속도분포를 나타낸 예시도로서, 특히 2단 연소 버너에서 1차 선회기(5)를 개폐한 경우의 속도 분포를 나타낸 것이다. 또한, 도 4a는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급부 형상에 따른 연료 농도 분포를 나타낸 예시도로서, 중심축에서 10cm 떨어진 곳에서의 연료 농도 분포를 나타낸 것이다. 특히, (a)는 종래의 동축파이프를 이용하고 있는 2단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서의 연료 농도 분포를 나타낸 것이고, (b)는 2단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서 1차 공기, 즉, 1차 선회기(5)를 개폐시키는 경우의 연료 농도 분포를 나타낸 것이며, (c)는 3단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서 1차 공기 및 3차 공기, 즉, 1차 선회기(50) 및 개폐기(7)를 개폐시키는 경우의 연료 농도 분포를 나타낸 것이다. 또한, 도 4b는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급부 형상에 따른 온도 분포를 나타낸 예시도로서, 중심축에서 10cm 떨어진 곳에서의 분포를 나타낸 것이다. 특히, (a)는 종래의 동축파이프를 이용하고 있는 2단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서의 온도 분포를 나타낸 것이고, (b)는 2단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서 1차 공기, 즉, 1차 선회기(5)를 개폐시키는 경우의 온도 분포를 나타낸 것이며, (c)는 3단 공기 공급기를 갖는 다단 연소 버너에서 1차 및 3차 공기, 즉, 1차 선회기(5) 및 개폐기(7)를 개폐시키는 경우의 온도 분포를 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 최대 온도 및 출구 온도 그래프를 나타낸 예시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 최대 NOx 및 출구 NOx 그래프를 나타낸 예시도이다.

상기에서 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 수치해석 결과는 다음과 같다. 이하의 수치해석에 사용된 연소로는 내부 직경 1m, 길이 3m의 800,000kcal/hr 급 원형 연소로로서 내부는 20cm 두께의 내화재(9)로 단열 되어 있다.

수치해석은 버너의 공기 공급부를 2단과 3단으로 나누어 수행되었고, 2단의 경우는 1차 공기 공급부를 기존 방식의 동축파이프 방식과 동축파이프의 개폐 형태 방식으로 나누어 수행되었다.

2단의 경우 1차 공기 공급부의 유량은 30%, 2차 공기 공급부의 유량은 80%를 공급하고, 공기 선회각은 각각 20도, 45도로 하였다.

3단의 경우 공기 공급부의 유량은 각각 30%, 45%, 35%를 공급하고, 공기 선회각은 각각 20도, 45도, 0도로 하였다.

상기한 바와 같은 조건 하에서의 각각의 결과는 다음과 같다.

먼저, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각의 연료 및 산소의 농도 분포는 1차 공기 공급부의 1차 선회기(5)를 개폐하면, 동축 원주 방향으로 농도 분포가 강약을 반복해서 나타나며, 동축 파이프 방식은 원주 방향으로는 일정하게 나타난다.

다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 공급부의 선회각에 의해 내부 재순환 영역이 발달하게 되고, 공기 공급을 3단으로 한 경우는 3차 공기, 즉, 개폐기(7)를 선회 없이 분사하여 내부 재순환 영역을 조절할 수 있다.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 연소로의 최고 온도 및 출구 온도는 1차 공기, 즉, 1차 선회기(5)를 동축 원주 방향으로 개폐하는 경우 각각 약 200도, 700도 줄어든다.

마지막으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 연소로 출구 NOx는 45ppm에서 1ppm 미만으로 줄어든다.

상기와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 다단 연소 버너는 공기 선회 장치만 부착되어 있는 버너보다 연료와 공기의 혼합을 좋게 하여, 최고 온도를 낮추는 효과와 NOx 저감에 도움이 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 공기 공급기를 3단으로 할 경우 내부 재순환 영역이 적절히 조절될 수 있음도 알 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단 연소 버너의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 다단 연소 버너의 평면을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급기 형상에 따른 속도분포를 나타낸 예시도.

도 4a는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급부 형상에 따른 연료 농도 분포를 나타낸 예시도.

도 4b는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 공기 공급부 형상에 따른 온도 분포를 나타낸 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 최대 온도 및 출구 온도 그래프를 나타낸 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 다단 연소 버너에서의 최대 NOx 및 출구 NOx 그래프를 나타낸 예시도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1 : 연료노즐 2 : 1차 공기 공급부

3 : 2차 공기 공급부 4 : 3차 공기 공급부

5 : 1차 선회기 6 : 2차 선회기

7 : 개폐기 8 : 분사노즐

9 : 내화재 20 : 댐퍼

30 : 제어부

Claims (6)

1. 연료공급기로부터 공급되는 연료를 분사노즐로 이송하는 연료노즐;

   공기를 발생시켜 공급하기 위한 댐퍼;

   상기 댐퍼로부터 공급되는 공기를 분사노즐 외곽 방향에 구비된 1차 선회기 방향으로 이송하기 위한 1차 공기 공급부;

   상기 댐퍼로부터 공급되는 공기를 상기 1차 선회기 외곽 방향에 구비된 2차 선회기 방향으로 이송하기 위한 2차 공기 공급부; 및

   상기 댐퍼, 상기 1차 선회기 및 상기 2차 선회기 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 다단 연소 버너.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 공기 공급부 또는 2차 공기 공급부 각각은 동축의 파이프로 구성되며, 상기 동축 파이프 각각을 통과하는 공기의 유량은 상기 댐퍼에 의해 제어되며, 선회강도는 상기 1차 선회기 또는 2차 선회기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다단 연소 버너.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 선회기는 상기 1차 공기 공급부의 끝단에 원주 방향을 따라 등간격으로 복수개가 개폐 가능하게 배치되며,

   상기 제어부는 상기 1차 선회기의 전체적인 개방 또는 폐쇄를 조절하는 것을 특징으로 하는 다단 연소 버너.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 분사노즐은,

   할로우 콘(Hollow cone) 또는 다공의 확대 분사형 노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 연소 버너.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 댐퍼로부터 공급되는 공기를 상기 2차 선회기 외곽 방향에 구비된 개폐기 방향으로 이송하기 위한 3차 공기 공급부를 더 포함하며,

   상기 제어부는 상기 댐퍼의 구동, 상기 1차 선회기의 개폐, 상기 2차 선회기의 개폐, 상기 개폐기의 개폐 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 다단 연소 버너.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 개폐기는 상기 3차 공기 공급부의 끝단에 원주 방향을 따라 등간격으로 복수개가 개폐 가능하게 배치되며,

   상기 제어부는 상기 개폐기의 전체적인 개방 또는 폐쇄를 조절하는 것을 특징으로 하는 다단 연소 버너.

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