KR101284396B1 - 저녹스형 오일 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저녹스형 오일 버너에 관한 것으로서, 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체와; 오일이 유동하는 오일 유동로와, 가스가 유동하는 가스 유동로와, 상기 오일 유동로의 오일과 상기 가스 유동로의 가스가 혼합하며 무화된 연료가 상기 연소실로 토출되는 하나 이상의 연료 토출공을 형성하는 연료 노즐과; 상기 연료 노즐이 장착되며, 상기 오일 유동로 및 상기 가스 유동로로 오일 및 가스를 공급하는 연료 공급관과; 상기 연료 노즐의 둘레를 따라 배치되어, 상기 급기 통로를 유동하는 공기를 상기 연소실로 분사하는 복수의 공기 노즐공이 형성된 공기 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 공기나 스팀 대신에 가스의 공급압력을 활용하여 오일을 무화시키므로 가스가 오일 연소량의 일부를 대신하여 연소하게 되어, 연소성이 우수한 가스 비율만큼 저과잉산소연소가 가능해지고, 불필요해진 무화용 공기만큼 활성산소량이 감소하여 연료 질소산화물(Fuel NOx)을 저감할 수 있다.

Description

저녹스형 오일 버너{LOW NITROGEN OXIDE BURNER FOR OIL}

본 발명은 저녹스형 오일 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오일을 가스로 무화시켜 연소용 공기와 함께 연소시키며, 질소산화물(NOx)의 생성을 저감할 수 있는 저녹스형 오일 버너에 관한 것이다.

강화되는 환경기준에 대응하기 위해서 질소산화물(NOx) 배출량을 감소시키는 데에는 다음의 두 가지 방안이 있다.

선택적 촉매환원탑(SCR, Selective Catalytic Reduction)과 같은 후처리 시설을 설치하는 방안과 연소 단계에서 저녹스 연소를 달성하여 후처리 설비 없이 대응하는 방법이 그것인데, 선택적 촉매환원탑과 같은 후처리 시설은 설치 및 운영에 많은 비용이 들어가므로 연소 단계에서 녹스 저감 효과를 이루는 저녹스형 버너 기술이 요구되고 있다.

대형 공업로의 경우, 연료비 절감을 위해 중유를 주 연료로 사용하고 있는 실정이고, 다른 연료에 비해 연료 속 질소의 함유 비율이 높은 중유의 경우, 연소시 발생하는 총 질소산화물 중 연료 질소산화물(Fuel NOx)의 비율이 써멀 녹스(Thermal NOx)와 프롬프트 녹스(Prompt NOx)에 비하여 더 높다. 그리하여 중유용 버너의 저녹스 효과는 연료 질소산화물(Fuel NOx)의 감소량에 의해 좌우되는데, 연료 질소산화물(Fuel NOx) 저감효과를 위해서는 화염을 연료 과농 상태로 화염 끝까지 유지하여 연료 속의 질소가 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 전환되는 비율을 낮추는 기술이 요구된다.

그러나, 연료 질소산화물(Fuel NOx)을 줄이기 위해 연료 과농 상태의 화염을 만드는 것은 연료의 연소성을 급격히 떨어뜨려 일산화탄소(CO) 및 그을음을 다량 발생시키므로 이에 대한 보완이 필요하다. 현재까지 중유버너의 무화매체로는 고압 압축공기 및 고압스팀 등이 사용되어 왔으나, 연소성이 우수한 천연가스를 무화매체로 대체하여 사용하면 열악해진 연소성에 대한 보완이 된다.

중유의 무화매체로 천연가스를 사용하는 기존의 방식은 0.1∼0.3MPa 정도의 압력 범위를 필요로 하기 때문에, 국내 도시가스 공급압력인 0.02∼0.09MPa 정도의 압력 범위로 무화가 가능하기 위해서는 모든 현장마다 승압 장치를 달아야 한다. 그러나, 공기가 아닌 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG'라 함)를 0.1∼0.3MPa 정도의 압력 범위를 만들어 낼 수 있는 장치는 기술적으로도 쉽지 않을 뿐만 아니라 설비비용 문제가 발생한다. 따라서, 국내 도시가스 공급압력 정도의 낮은 LNG 분무압력으로도 스팀이나 고압 공기를 분무매체로 하였을 때와 비교하여 크게 뒤떨어지지 않는 분무입경을 유지하면서도 저녹스화를 도모할 수 있는 저녹스 중유버너의 개발이 요구된다.

한편, 압축공기 또는 고압스팀보다 밀도가 낮은 LNG는 중유를 무화시키는데 있어 분무 입경을 작게 하는데 상대적으로 불리하지만, 너무 미세한 분무입경을 추구하여 화염 온도가 상승하면, 원하지 않는 써멀 녹스(Thermal NOx)의 증가를 유발할 수 있으므로, 어느 정도 적절한 수준의 분무 입경을 유지하여 연소성 유지와 녹스 감소라는 서로 상반된 효과의 균형을 맞추어야 하고, 비록 낮은 밀도를 가진 LNG라 하더라도 이러한 균형점을 찾는다면 분무매체로 오히려 효과적일 수 있다.

또한, 기존의 압축 공기나 고압스팀 등으로 중유를 무화하는 버너는 모두 0.6MPa 정도의 높은 압력이 필요한데, LNG 공급압력을 이 정도 수준으로 높이기 위해서는 별도의 승압 장치를 갖춰야 한다. 그러나, 이는 저녹스형 버너 보급에 장애 요소가 되기 때문에, 분사를 위해 필요한 LNG공급 압력을 현실적인 수준으로 고정하는 것이 요구된다.

한편, 0.1∼0.3MPa 정도의 LNG 공급 압력으로 운전이 가능하도록 만든 기존의 가스 오토마이징(Gas Atomizing) 저녹스 중유버너가 있지만, 역시 대한민국 평균적인 도시 가스 공급압력인 0.02MPa∼0.09MPa에서는 별도의 LNG 승압장치를 구비하지 않고서 사용할 수가 없다.

이에, 본 출원인은 종래의 저녹스형 오일 버너와는 달리, 낮은 국내 도시가스 공급압력(0.02∼0.09MPa)으로 승압장치 없이도 오일을 무화시켜, 연소성 유지와 저녹스화의 균형 잡힌 효과를 발휘할 수 있는 저녹스형 오일 버너를 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은, 별도의 승압장치를 사용하지 않고 낮은 가스 압력으로 오일을 무화시켜, 연소성을 유지하며 연료 질소산화물의 발생을 감소시킬 수 있는 저녹스형 오일 버너를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체와; 오일이 유동하는 오일 유동로와, 가스가 유동하는 가스 유동로와, 상기 오일 유동로의 오일과 상기 가스 유동로의 가스가 혼합하며 무화된 연료가 상기 연소실로 토출되는 하나 이상의 연료 토출공을 형성하는 연료 노즐과; 상기 연료 노즐이 장착되며, 상기 오일 유동로 및 상기 가스 유동로로 오일 및 가스를 공급하는 연료 공급관과; 상기 연료 노즐의 둘레를 따라 배치되어, 상기 급기 통로를 유동하는 공기를 상기 연소실로 분사하는 복수의 공기 노즐공이 형성된 공기 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 저녹스형 오일 버너를 제공한다.

여기서, 상기 연료 공급관은, 상기 오일 유동로로 오일을 공급하는 오일 공급관과, 상기 오일 공급관을 수용하며 상기 가스 유동로로 가스를 공급하는 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기 노즐공은, 상기 연료 노즐의 둘레를 따라 방사상으로 배치되어, 상기 연소실에 발생되는 화염의 후반부에 연소용 공기를 분사하는 복수의 제1노즐공과; 상기 연료 노즐과 상기 복수의 제1노즐공 사이에 배치되어, 상기 연소실에 발생되는 화염의 시작부에 연소용 공기를 분사하는 복수의 제2노즐공을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1노즐공의 단면적은 상기 제2노즐공의 단면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 제2노즐공은 상기 연료 노즐의 축선과 평행을 이루고, 상기 제1노즐공은 공기 분사시 상기 제2노즐공으로부터 분사되는 공기와 간섭이 발생하지 않도록 상기 제2노즐공과 경사를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 공기나 스팀 대신에 가스의 공급압력을 활용하여 오일을 무화시키므로 가스가 오일 연소량의 일부를 대신하여 연소하게 되어, 연소성이 우수한 가스 비율만큼 저과잉산소연소가 가능해지고, 불필요해진 무화용 공기만큼 활성산소량이 감소하여 연료 질소산화물(Fuel NOx)을 저감할 수 있다. 특히, 낮은 압력을 갖는 도시가스의 경우, 별도의 승압장치를 사용하지 않고 가스의 압력으로 오일을 무화시켜, 연소성을 유지하며 연료 질소산화물의 발생을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저녹스형 오일 버너의 구조를 보여주는 단면도,
도 2는 도 1의 연료 노즐과 공기 분사노즐의 요부 확대단면도,
도 3은 도 1의 좌측면도,
도 4는 도 1의 우측면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 내지 도 4에는 본 발명에 따른 저녹스형 오일 버너가 도시되어 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저녹스형 오일 버너는, 버너 본체(11)와, 연료 노즐(21)과, 연료 공급관(31)과, 공기 분사노즐(41)을 포함한다.

버너 본체(11)는 그 선단부가 연소실(5)에 인입되며, 버너 본체(11)의 내부에는 송풍기(미도시)를 통해 공기가 급기되는 급기 통로(13)가 형성되어 있다. 급기 통로(13)의 공기는 공기 분사노즐(41)을 통해 연소실(5)로 공급된다. 연소실(5)에 인입되는 버너 본체(11)의 선단부는 내화 타일(15)로 시공되어 있으며, 선단부의 둘레에는 버너 본체(11)를 연소실(5)의 측벽에 장착하기 위한 플랜지(17)가 형성되어 있다.

연료 노즐(21)은 버너 본체(11)의 중앙에 수용되며, 연료 공급관(31)의 단부에 장착되어 있다. 연료 노즐(21)에는 오일이 유동하는 복수의 오일 유동로(23)와, 무화매체인 가스가 유동하는 복수의 가스 유동로(25)와, 각 오일 유동로(23)의 오일과 각 가스 유동로(25)의 가스가 혼합하여 무화된 연료가 연소실(5)로 토출되는 복수의 연료 토출공(27)이 형성되어 있다. 오일 유동로(23)와 가스 유동로(25)는 연료 토출공(27)에서 상호 연통하도록 형성되어 있다. 각 연료 토출공(27)은 연소실(5)에서 분할 화염을 발생하도록 연료 노즐(21)의 축선에 대해 방사상으로 배치되어 있다. 한편, 연료 노즐(21)의 외주에는 오링(29)이 장착되어 있으며, 이에 연료 노즐(21)은 후술할 가스 공급관의 내주에 기밀 유지하며 장착된다.

버너 본체(11)에는 오일 유동로(23) 및 가스 유동로(25)로 오일 및 가스를 공급하는 연료 공급관(31)이 수용되어 있다. 연료 공급관(31)은 오일 유동로(23)로 오일을 공급하는 오일 공급관(33)과, 오일 공급관(33)을 수용하며 가스 유동로(25)로 가스를 공급하는 가스 공급관(35)을 포함한다. 연소실(5)을 향하는 오일 공급관(33)의 단부에는 오일 유동로(23)와 연통하도록, 동시에 연소실(5)을 향하는 가스 공급관(35)의 단부에는 가스 유동로(25)와 연통하도록 연료 노즐(21)이 배치되어 있다. 이 연료 노즐(21)은 가스 공급관(35)의 내주에 기밀 유지하며 수용되어 있다.

공기 분사노즐(41)은 연료 노즐(21)을 수용하도록 연료 노즐(21)의 둘레를 따라 배치되어 있다. 공기 분사노즐(41)에는 급기 통로(13)를 유동하는 공기를 연소실(5)로 분사하는 복수의 공기 노즐공(43)이 형성되어 있다.

공기 노즐공(43)은 연료 노즐(21)의 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 복수의 제1노즐공(45)과, 연료 노즐(21)과 복수의 제1노즐공(45) 사이에 배치되는 복수의 제2노즐공(47)을 포함한다.

제1노즐공(45)의 단면적은 제2노즐공(47)의 단면적보다 크게 형성되어 있다. 또한, 제2노즐공(47)은 연료 노즐(21)의 축선과 평행을 이루고, 제1노즐공(45)은 공기 분사시 제2노즐공(47)으로부터 분사되는 공기와 간섭이 발생하지 않도록 제2노즐공(47)과 경사를 이루며 형성되어 있다.

이에, 복수의 제1노즐공(45)은 연소실(5)에 발생되는 화염의 후반부에 연소용 공기를 분사하는 역할을 하며, 복수의 제2노즐공(47)은 연소실(5)에 발생되는 화염의 시작부에 연소용 공기를 분사하는 역할을 한다.

여기서, 미설명된 참조부호 51은 파이로트 버너 연결구이고, 참조부호 53은 화염 관찰구이며, 참조부호 55는 화염 검출기 연결구이다.

이러한 구성에 의하여, 오일이 오일 공급관(33)을 거쳐 오일 유동로(23)를 통해 흐르며, 무화매체인 가스가 가스 공급관(35)을 거쳐 가스 유동로(25)를 통해 흘러, 연료 토출공(27)에서 오일과 가스가 같이 섞이면서 토출된다. 본 발명은 외부 혼합형과 내부 혼합형의 중간형인 중간 혼합형 노즐의 구성이며, 특히 본 발명은 복수의 연료 토출공(27)이 연료 노즐(21)의 축선에 대해 방사상으로 배치되어 있으므로, 분할 화염의 효과가 있어 일반적인 화염보다 화염 표면적이 증대하여 연소실(5) 벽면간의 복사전열량이 증대하기 때문에 화염 온도가 저하되어 써멀 녹스(Thermal NOx)가 감소하게 된다.

한편, 버너 본체(11)의 급기 통로(13)를 유동하는 연소용 공기는 공기 분사노즐(41)의 제2노즐공(47)을 통해 연소실(5)로 소량 분사되며, 분사된 연료와 만나는 연소용 공기가 소량이기 때문에 연료 과농(fuel rich) 상태의 화염을 만들어 연료 질소산화물(Fuel NOx)의 저감 효과가 있다.

반면, 제2노즐공(47)에 비해 상대적으로 단면적이 큰 제1노즐공(45)을 통해 다량 연소용 공기가 연소실(5)로 토출되며, 이 때 제1노즐공(45)을 통해 분사되는 연소용 공기는 제2노즐공(47)을 통해 분사되는 연소용 공기와 간섭하지 않으며, 연소실(5)의 연료 과농 상태의 화염의 후반부에 혼입된다. 혼입된 다량의 연소용 공기에 의하여 연소에 필요한 공기를 최종적으로 공급하게 되는데, 이것은 연소반응을 급격하게 완성하지 않고 서서히 이루어지도록 하여 화염 온도 상승을 저하시키는 일종의 에어스테이징의 효과라고 할 수 있다. 또한, 이는 화염의 시작부터 마지막부분까지 전체적으로 연료 과농(fuel rich) 상태의 효과를 좀 더 오래도록 받을 수 있어 연료 질소산화물(Fuel NOx)의 저감 효과가 높아진다.

또한, 본 발명은 오일의 무화매체로서 연소성이 좋은 가스를 사용하므로, 앞서 설명하였던 연료 과농 상태 화염의 부족한 연소성을 보완하여 준다.

따라서, 본 발명은 연료 과농으로 인하여 저하된 연소성을 보완하기 위해, 압축 공기 또는 고압 스팀 대신 연소성이 우수한 가스를 무화매체로 사용함으로써 오일의 저녹스화를 달성할 수 있게 된다.

특히, 가스로서 0.02MPa∼0.09MPa의 압력으로 공급되는 도시가스(LNG)를 사용하는 경우, 별도의 LNG 승압장치 없이도 오일을 무화시켜, 연소성 유지와 저녹스화의 균형 잡힌 효과를 발휘할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 오일과 가스연료의 장점을 살린 가스-오일 혼연기술의 하나로서, 녹스 저감과 에너지 절약을 동시에 이루는 연소기술이다. 즉, 화염의 휘도가 높아 화염의 복사율이 큰 오일연료의 장점과, 화염의 연소성이 우수하여 대기오염 물질 발생량이 적은 기체연료의 장점을 모두 가진 연소기술이다.

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 15: 내화 타일
17: 플랜지 21: 연료 노즐
23: 오일 유동로 25: 가스 유동로
27: 연료토출공 29: 오링
31: 연료 공급관 33: 오일 공급관
41: 공기 분사노즐 43: 공기 노즐공
45: 제1노즐공 47: 제2노즐공

Claims (5)

1. 공기를 연소실로 안내하는 급기 통로가 형성된 버너 본체;
   오일이 유동하는 오일 유동로 및 가스가 유동하는 가스 유동로를 구비하며, 상기 오일 유동로의 끝단과 상기 가스 유동로의 끝단이 상기 연소실 내부와 접하는 곳에서 서로 만나 형성되며, 상기 오일 유동로의 오일과 상기 가스 유동로의 가스를 상기 연소실로 토출시키면서 혼합시키는 하나 이상의 연료 토출공이 형성된 연료 노즐;
   상기 연료 노즐이 장착되며, 상기 오일 유동로 및 상기 가스 유동로로 오일 및 가스를 공급하는 연료 공급관; 및
   상기 연료 노즐의 둘레를 따라 배치되어, 상기 급기 통로를 유동하는 공기를 상기 연소실로 분사하는 복수의 공기 노즐공이 형성된 공기 분사노즐;을 포함하며,
   상기 공기 노즐공은,
   상기 연료 노즐의 둘레를 따라 방사상으로 배치되어 상기 연소실에 발생되는 화염의 후반부에 연소용 공기를 분사하는 복수의 제1노즐공과,
   상기 연료 노즐과 상기 복수의 제1노즐공 사이에 배치되어 상기 연소실에 발생되는 화염의 시작부에 연소용 공기를 분사하는 복수의 제2노즐공을 포함하고,
   상기 제1노즐공의 단면적은 상기 제2노즐공의 단면적보다 크며,
   상기 하나 이상의 연료 토출공은 상기 연료 노즐의 축선에 대해 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 저녹스형 오일 버너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료 공급관은,
   상기 오일 유동로로 오일을 공급하는 오일 공급관과,
   상기 오일 공급관을 수용하며 상기 가스 유동로로 가스를 공급하는 가스 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 저녹스형 오일 버너.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2노즐공은 상기 연료 노즐의 축선과 평행을 이루고, 상기 제1노즐공은 공기 분사시 상기 제2노즐공으로부터 분사되는 공기와 간섭이 발생하지 않도록 상기 제2노즐공과 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 저녹스형 오일 버너.

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