KR101230912B1 - 저녹스형 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저녹스형 버너에 관한 것으로서, 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체와; 상기 버너 본체의 중심부에 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료와 공기를 함께 분사하며, 상기 연소실의 중심부에 화염을 발생하는 중앙 노즐부와; 상기 중앙 노즐부에 대해 방사상으로 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료를 분사하며, 상기 중앙 노즐부의 화염에 의해 상기 중앙 노즐부의 둘레를 따라 상기 연소실로 화염을 발생하는 복수의 연료 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 써멀 녹스와 프롬프트 녹스의 발생을 감소시키며, 길이가 짧은 연소실 구조를 구현할 수 있고, 화염의 컴팩트화를 도모하며 연소효율을 향상시킬 수 있다.

Description

저녹스형 버너{LOW NITROGEN OXIDE BURNER}

본 발명은 저녹스형 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물(NO_X)의 생성을 저감할 수 있는 저녹스형 버너에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물(NOx)은 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 연료 질소산화물(Fuel NOx)과, 연소용 공기중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 써멀 녹스(Thermal NOx)와, 탄화수소계열의 화석 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스(Prompt NOx) 등으로 구분된다.

이러한 질소 산화물 중에서 특히, 연료 질소산화물은 연소기술에 의해 제어될 수 없고, 이에 따라 저녹스형 버너는 써멀 녹스와 프롬프트 녹스의 두 가지 질소산화물의 생성을 저감하는데 그 기술적 과제를 가지고 있다.

특히, 가스 연료의 연소 과정에서 발생되는 질소 산화물(NOx)의 발생량을 감소시키는 노력은 지금까지 연료 가스의 공급 압력 및 연소용 공기의 풍압 등의 에너지를 이용하는 것이 대부분이었다.

즉, 1370℃ 이상의 온도에서 연소용 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 만들어지는 써멀 녹스 발생을 억제하기 위하여, 연소된 가스의 일부를 연소실 내부에서 재순환시켜 화염의 온도를 낮추는 배기 가스 내부 재순환 방식, 과농 상태의 연료 가스가 1000℃ 이상이 되는 고온의 영역 노출되었을 때 급격하게 생성되는 프롬프트 녹스의 발생을 억제하기 위하여, 노즐에서의 가스 분출이 연소용 공기의 흐름과 잘 혼합될 수 있도록 방향을 고안하는 것 외에, 가스의 분출 속도를 가능한한 높여서 급격한 혼합이 일어나도록 하는 급속 혼합 방식(Rapid mix) 등이 있다.

그러나, 이러한 방식이 효과를 보기 위해서는 연소용 공기의 송풍압 및 가스의 공급 압력을 종전형 버너보다 높여야 하기 때문에, 기존 버너를 저녹스 버너로 교체하거나, 신규로 저녹스 버너를 설치할 경우 송풍압 증가분만큼 송풍동력이 추가되어야 하는 까닭에 보급에 있어 불리하고, 이미 운영되고 있는 표준 도시 가스압력이 충분히 높지 않은 점 등 현실적인 장애 요인으로 저녹스 버너의 보급에 한계가 있어 왔다.

이러한 버너들은 용량이 커지면 화염의 직경도 커지게 되는데, 중심부 화염을 감싸고 있는 화염의 두께가 두꺼워지면 화염의 중심부에서 연소실 전열면으로의 복사 전열에 의한 방사량이 감소하므로 중심부의 온도가 낮아지는데는 한계가 있을 수밖에 없고, 따라서 화염 중심부에서 다량 발생되는 써멀 녹스의 저감 대책이 없다. 이러한 까닭으로, 가스 연료와 공기의 급속 혼합을 달성하여 프롬프트 녹스를 저감하는 급속 혼합 방식 저녹스 버너, 또는 연소된 가스를 연소실 내부에서 자기 재순환 시킴으로써 화염 온도를 낮추어 써말 녹스 발생을 감소시키는 배기가스 자기 재순환 (Flue Gas Self Recirculation) 방식의 저녹스 버너들이 비록 스팀 증발량이 시간당 10톤 이하 용량인 노통 연관식 보일러에 적용되어 우수한 저녹스 성능을 발휘하였더라도, 이를 스팀 증발량이 시간당 20톤 이상인 수관식 보일러에 적용하게 되면 녹스 감소 효과가 현저히 저하되어 저녹스 버너의 적용 범위가 제한 받게 되는 것이다.

대용량 수관식 보일러의 연소실 구조는 연소실 단면적이 원형이 아니라 사각형 구조이고, 연소실 길이가 용량에 비하여 노통 연관식보다 상대적으로 짧아서, 화염의 직경이 작고 길이가 긴 화염을 허용하는 노통 연관식 보일러에 적합하게 고안된 저녹스 버너로는 저녹스 효과가 현저히 떨어짐은 물론 화염이 길어서 CO발생이 높아지는 현상을 피할 수 없기 때문에 현실적으로 적용시킬 수 없다.

그런데, 스팀 증발량이 시간 당 20톤을 초과하면, 강도 설계상 보일러 동체의 철판 두께가 비현실적으로 두꺼워져야 하는 등의 이유로 거의 대부분 수관식 보일러만 제작하기 때문에, 스팀 증발량이 시간당 20톤을 초과하는 대용량 보일러의 저녹스 효과를 위해서는, 기존의 노통 연관식 보일러용 저녹스 버너 기술이 아닌, 대용량 수관식 보일러용 저녹스 버너의 새로운 기술이 요구된다.

이러한 요구에 맞는 저녹스 버너는 화염의 직경은 커지더라도 길이가 짧아야 하고 화염의 직경이 커진 만큼 화염 중심부의 온도가 매우 높아질 수 있으므로 이를 회피할 수 있어야 한다.

뿐만 아니라 연료 가스 공급 압력, 연소용 공기의 풍압 등을 이용한 고안은 버너에 의한 도시 가스 공급 압력 운영 변경을 요구하거나 풍압 손실을 높이게 되어 송풍기 모터 동력 증가를 요구하게 되는데, 대용량 저녹스 버너에서 반드시 고려해야 할 사항은 버너의 연소 헤드에 의한 풍압 손실이 기존의 일반 버너보다 크지 않도록 해야 한다는 것이다.

대용량 보일러의 경우, 저녹스 버너에 의해 증가된 송풍 손실 때문에 높은 풍압이 요구되는 송풍기로 인하여 허용 전기 동력을 초과하는 경우가 흔하기 때문인데, 대용량이 아닌 경우 어느 정도 여유분으로 감당할 수 있는 것에 반하여, 대용량 보일러의 경우 총 전기 동력값이 높기 때문에 여유분 동력으로 증가되는 동력을 감당하지 못하는 것이다.

이에, 본 출원인은 연료를 중심부와 외곽으로 나누어서 별도로 공급하는 방식의 저녹스형 버너를 개발하기에 이르렀다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 써멀 녹스와 프롬프트 녹스의 발생을 감소시키며, 길이가 짧은 연소실 구조를 구현할 수 있고, 화염의 컴팩트화를 도모하며 연소효율을 향상시킬 수 있는 저녹스형 버너를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체와; 상기 버너 본체의 중심부에 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료와 공기를 함께 분사하며, 상기 연소실의 중심부에 화염을 발생하는 중앙 노즐부와; 상기 중앙 노즐부에 대해 방사상으로 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료를 분사하며, 상기 중앙 노즐부의 화염에 의해 상기 중앙 노즐부의 둘레를 따라 상기 연소실로 화염을 발생하는 복수의 연료 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너를 제공한다.

여기서, 상기 연료 노즐부는 상기 연소실을 향해 접근 및 이격하도록 상기 버너 본체에 왕복이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 연료 노즐부는 복수의 연료 노즐공이 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 연료 노즐공은 상기 중앙 노즐부의 화염 진행 방향과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 연료 노즐부는 상기 버너 본체에 회전가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 중앙 노즐부는, 상기 연료를 분사하는 복수의 중앙 연료분사공이 형성된 중앙 연료공급관과; 상기 중앙 연료공급관에 수용되어 상기 공기를 상기 연소실로 안내하는 중앙 공기공급관과; 상기 중앙 공기공급관의 선단부에 마련되어, 상기 연소실로 분사되는 공기를 선회시키는 스월러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 중앙 노즐부와 상기 연료 노즐부 사이에 배치되어, 상기 연소실로 공급되는 공기를 분배하는 레지스터(Register)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 중앙 노즐부는 상기 복수의 연료 노즐부보다 적은 연료량이 공급되어, 상기 중앙 노즐부에서는 희박 연소가 이루어지고 상기 복수의 연료 노즐부에서는 과농 연소가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료를 중심부와 외곽으로 나누어서 별도로 공급함으로써, 써멀 녹스와 프롬프트 녹스의 발생을 감소시키며, 길이가 짧은 연소실 구조를 구현할 수 있고, 화염의 컴팩트화를 도모하며 연소효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 구조를 보여주는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 연료 및 공기의 선회류 상태를 도시한 도 1의 정면도,
도 3은 도 2의 "A"의 부분 확대 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 저녹스형 버너에 의한 연소실에서 화염의 상태를 도시한 개략적인 모식도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 저녹스형 버너가 도시되어 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저녹스형 버너는, 공기를 연소실(5)로 안내하는 버너 본체(11)와, 연소실(5)의 중심부에 화염을 발생하는 중앙 노즐부(21)와, 중앙 노즐부(21)의 둘레를 따라 연소실(5)로 화염을 발생하는 복수의 연료 노즐부(41)를 포함한다.

버너 본체(11)는 내부에 송풍기(미도시)를 통해 유입되는 공기를 연소실(5)로 안내하는 급기 통로(13)가 형성되어 있다. 한편, 버너 본체(11)의 급기 통로(13)를 유동하는 공기는, 중앙 노즐부(21)로부터 분사되는 연료를 연소하기 위한 1차공기와, 연소실(5)의 불완전 연소를 해소하기 위해 공급되는 2차공기와, 각 연료 노즐부(41)를 통해 연소실(5)로 분사되는 연료의 연소용 공기로서 공급되는 3차공기로 분배되어 연소실(5)로 공급된다.

중앙 노즐부(21)는 버너 본체(11)의 중심부에 배치되어 연소실(5)로 공급되는 연료와 공기의 일부, 즉 1차공기를 함께 분사하며, 연소실(5)의 중심부에 화염을 발생함과 동시에, 복수의 연료 노즐부(41)의 점화 역할을 한다. 중앙 노즐부(21)는, 연료를 분사하는 복수의 중앙 연료분사공(25)이 형성된 중앙 연료공급관(23)과, 중앙 연료공급관(23)에 수용되어 1차공기를 연소실(5)로 안내하는 중앙 공기공급관(27)과, 중앙 공기공급관(27)의 선단부에 마련되어 연소실(5)로 분사되는 1차공기를 선회시키는 스월러(31, swirller)를 포함한다.

스월러(31)는 공기의 유동을 안내하는 복수의 가이드(33)를 가지며, 각 가이드(33)는 중앙 공기공급관(27)의 내주를 따라 방사상으로 배치되어 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 중앙 공기공급관(27)을 통해 연소실(5)로 분사되는 공기가 선회하도록, 즉 본 발명에 따른 저녹스형 버너를 정면에서 보았을 때, 일 실시예로서 반시계방향으로 선회하며 분사되도록, 각 가이드(33)는 중앙 공기공급관(27)의 축선에 대해 경사를 이룬다.

복수의 연료 노즐부(41)는 일정 길이의 파이프 형상을 가지며, 연소실(5)로 공급되는 연료를 분사한다. 각 연료 노즐부(41)는 중앙 노즐부(21)에 대해 방사상으로 등간격으로 배치되며, 중앙 노즐부(21)의 화염에 의해 착화되어 중앙 노즐부(21)의 둘레를 따라 연소실(5)로 화염을 발생한다. 본 실시예에서는 연료 노즐부(41)의 수량이 8개인 것으로 도시되어 있지만, 연료 노즐부(41)의 수량은 이에 한정되지 않는다.

한편, 연료 노즐부(41)는 연소실(5)을 향해 접근 및 이격하도록 버너 본체(11)에 기밀을 유지하며 왕복이동가능하게 설치되어 있다. 연료 노즐부(41)는 연료 노즐부(41)를 왕복이동시키기 위한 봉 형상의 조작 로드(43)에 결합되어 있다. 이에, 조작 로드(43)를 이용하여 연료 노즐부(41)를 연소실(5)을 향해 접근 및 이격시킴에 따라 연료 노즐부(41)와 중앙 노즐부(21) 사이의 간격을 조정함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 중앙 노즐부(21)의 화염 중심부의 저녹스 발생 영역인 700∼1000℃ 화염 영역으로 연료 노즐부(41)의 위치를 조정할 수 있게 된다.

또한, 연료 노즐부(41)는 복수의 연료 노즐공(45)이 마련되어 있으며, 이에 각 연료 노즐공(45)의 분출력으로 공기를 유인할 수 있으므로, 하나의 연료 노즐공(45)일 때에 비해서 높은 가스 공급 압력이 필요하지 않게 된다.

그리고, 연료 노즐부(41)의 각 연료 노즐공(45)은 중앙 노즐부(21)의 화염 진행 방향과 예각을 이루도록 형성되어 있으며, 이에 연료 노즐공(45)으로부터 분사되는 연료가 중앙 노즐부(21)의 화염 진행 방향과 경사를 이루며 분사된다. 따라서, 연료 노즐공(45)으로부터 분사되는 연료는 도 2에 도시된 바와 같이 스월러(31)에 의해 발생된 공기의 선회류에 의해 동일 방향으로 선회시킬 수 있게 되어, 연료 노즐공(45)으로부터의 연료 분출과, 스월러(31) 및 버너 본체(11)의 급기 통로(13)를 통해 분출되는 공기와의 충돌로 인한 연소 소음을 근원적으로 방지할 수 있게 된다.

또한, 연료 노즐부(41)는 버너 본체(11)에 회전가능하게 설치될 수도 있으며, 이에 스월러(31)에 의해 발생된 공기의 선회류에 의해 연료 노즐부(41)의 각 연료 노즐공(45)으로부터 분사되는 연료의 선회를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 저녹스형 버너는, 중앙 노즐부(21)와 연료 노즐부(41) 사이에 배치되어 연소실(5)로 공급되는 공기를 분배하는 레지스터(51)를 더 포함한다.

레지스터(51)는 중앙 노즐부(21)와 연료 노즐부(41) 사이를 유동하는 공기를 분배하여 연소실(5)로 공급함으로써, 즉 중앙 노즐부(21)와 연료 노즐부(41) 사이를 유동하는 공기는 연소실(5)의 불완전 연소를 해소하기 위해 공급되는 2차공기와, 각 연료 노즐부(41)를 통해 연소실(5)로 분사되는 연료의 연소용 공기로서 공급되는 3차공기로 분배되어 공급한다. 이에, 레지스터(51)는 전체적으로 연료와 공기의 혼합을 지연시켜 화염 온도가 상승되는 것을 최대한 억제한다.

한편, 본 발명에 따른 저녹스형 버너는 중앙 노즐부(21)에 복수의 연료 노즐부(41)보다 적은 연료량을 공급하여, 즉 중앙 노즐부(21)에는 공기비가 1.2 미만이 되도록 공기를 공급하여 중앙 노즐부(21)에서는 희박 연소(lean burn)가 이루어지고, 복수의 연료 노즐부(41)에는 공기비가 1.2 이상이 되도록 공기를 공급하여 복수의 연료 노즐부(41)에서는 과농 연소(rich burn)가 이루어짐으로써, 공기와 연료의 혼합이 지연되어 화염이 길어지는 것을 회피할 수 있게 된다.

일 예로서, 중앙 노즐부(21)로부터 분사되는 연료량이 전체 연료량의 10％ 정도 되도록 하고, 중앙 노즐부(21)의 외곽에 위치한 복수의 연료 노즐부(41)로부터 분사되는 연료량이 전체 연료량의 10％ 전후의 연료량을 감당하도록 하여 화염을 분할시킴으로써, 연소실(5)에서의 화염이 길어지는 것을 회피할 수 있게 된다.

이는 각각의 연료 노즐부(41)가 독립적인 화염을 갖기 때문에, 전체 용량을 갖는 단일 화염에 비하여 화염의 전체 표면적이 현저히 넓어 연소실(5)에서의 복사 전열량이 증대하고, 따라서 화염의 냉각 효과에 의한 써멀 녹스의 발생이 매우 억제된다.

뿐만 아니라, 중앙 노즐부(21)에 의한 중심 화염이 버너 전체 용량의 10％ 정도만을 감당하면 되므로, 버너 송풍 손실을 일으키는 장치로서 화염 안정화를 위한 스월러(31)의 크기가 작아도 되며, 이로 인하여 송풍 손실의 최소화를 도모할 수 있게 된다.

녹스 발생의 대부분은 전체 연료량의 90％에 해당하는 복수의 연료 노즐부(41)에서 분출되는 화염에 의하여 발생되는 것이므로, 이 부분에서 발생되는 녹스를 저감하기 위하여, 연료를 빠른 속도로 분출하여 이 분출 에너지로 주변의 공기를 유인하여 혼합 연소하되 분출 방향이 중앙 노즐부(21)에 의한 중심부 화염의 가장자리 부분을 휘감으면서 온도가 1000℃ 이하인 영역에서 연소가 이루어지게 된다.

이로써, 공기와 혼합되기 전 고농도 상태의 연료가 1000℃ 이상이 되는 고온 영역에 존재할 때 급격히 발생되는 프롬프트 녹스 발생이 억제될 뿐만 아니라, 이미 공기 중의 산소가 연소에 이용된 중심부 화염 주변의 유인 공기 속에 포함된 녹스 발생의 질소 및 산소 중에서 산소 농도가 매우 희박하여 써멀 녹스 발생이 근원적으로 차단되는 것이다.

따라서, 종래의 버너와 대비하여 화염 길이 및 송풍 손실이 동일한 조건으로 가스 연료의 연소시에 발생되는 녹스의 대부분인 써멀 녹스와 프롬프트 녹스 발생을 감소시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저녹스형 버너는, 연소실로 화염을 발생하는 복수의 연료 노즐부를 연소실의 중심부에 화염을 발생하는 중앙 노즐부에 대해 방사상으로 배치함으로써, 써멀 녹스와 프롬프트 녹스의 발생을 감소시키며, 길이가 짧은 연소실 구조를 구현할 수 있고, 화염의 컴팩트화를 도모하며 연소효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

5: 연소실 11: 버너 본체
13: 급기 통로 21: 중앙 노즐부
23: 중앙 연료공급관 25: 중앙 연료분사공
27: 중앙 공기공급관 31: 스월러
33: 가이드 41: 연료 노즐부
43: 조작 로드 45: 연료 노즐공
51: 레지스터

Claims (8)

1. 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체와;
   상기 버너 본체의 중심부에 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료와 공기를 함께 분사하며, 상기 연소실의 중심부에 화염을 발생하는 중앙 노즐부와;
   상기 중앙 노즐부에 대해 방사상으로 배치되어 상기 연소실로 공급되는 연료를 분사하며, 상기 중앙 노즐부의 화염에 의해 상기 중앙 노즐부의 둘레를 따라 상기 연소실로 화염을 발생하는 복수의 연료 노즐부를 포함하며,
   상기 연료 노즐부는 복수의 연료 노즐공이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료 노즐부는 상기 연소실을 향해 접근 및 이격하도록 상기 버너 본체에 왕복이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 연료 노즐공은 상기 중앙 노즐부의 화염 진행 방향과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연료 노즐부는 상기 버너 본체에 회전가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
6. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 노즐부는,
   상기 연료를 분사하는 복수의 중앙 연료분사공이 형성된 중앙 연료공급관과;
   상기 중앙 연료공급관에 수용되어 상기 공기를 상기 연소실로 안내하는 중앙 공기공급관과;
   상기 중앙 공기공급관의 선단부에 마련되어, 상기 연소실로 분사되는 공기를 선회시키는 스월러를 포함하는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
7. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 노즐부와 상기 연료 노즐부 사이에 배치되어, 상기 연소실로 공급되는 공기를 분배하는 레지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.
8. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 노즐부는 상기 복수의 연료 노즐부보다 적은 연료량이 공급되어, 상기 중앙 노즐부에서는 희박 연소가 이루어지고 상기 복수의 연료 노즐부에서는 과농 연소가 이루어지는 것을 특징으로 하는 저녹스형 버너.

Images