KR101309955B1 - 산소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소 버너에 관한 것으로서, 산화제로 사용되는 산소를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 산소분사노즐과, 상기 산소분사노즐에서 분사되는 산소와 혼합되는 연료를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 연료분사노즐과, 상기 산소분사노즐에서 분사된 산소와 상기 연료분사노즐에서 분사된 연료의 혼합물을 착화시키기 위한 점화부 및 상기 산소분사노즐과 상기 연료분사노즐과 상기 점화부가 설치되는 하우징을 포함하고, 복수의 상기 산소분사노즐과 복수의 상기 연료분사노즐은 동일한 개수로 마련되어 상호 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
이에 의해, 연소실 내부 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

산소 버너{OXYGEN BURNER}

본 발명은 산소 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실의 온도분포를 균일화시키고 질소산화물(NOx)의 발생량을 감소시킬 수 있는 산소 버너에 관한 것이다.

일반적으로, 가열로에서 소재를 가열하는 경우, 소재 가열을 위한 열을 가열로로 공급하기 위해 연료를 연소시키게 되는데, 통상, 공기를 산화제로 이용하여 연료를 연소시키게 된다.

하지만, 공기 중에 포함된 약 79 %의 질소로 인해 대기오염물질인 질소산화물(NOx)의 발생량과 배기 가스량이 증가하게 되며, 이로 인해, 배기 가스 손실열량이 증가되는 문제점이 있었다.

최근에는, 대기오염물질 발생량 저감과 에너지 사용 효율 증대를 위해 공기를 이용하지 않고, 산화제로서 산소만을 이용하는 순산소 연소를 적용하는 기술이 사용되고 있으며, 이러한 기술의 사용으로 인해 공기 중에 함유된 질소를 배제하여 질소산화물(NOx) 발생량 및 배기 가스량 발생량을 감소시키고 있다.

여기서, 연소시, 산화제로 질소가 없는 순산소를 사용하고, 연료 중에도 질소 성분이 없는 경우라면 이론상으론 질소산화물(NOx)의 발생이 전혀 없어야 한다.

하지만, 실제 연소시에는 해당 연소로에서 완전한 기밀이 유지되는 것이 아니므로, 외부에서 공기가 유입되며, 이로 인해, 질소산화물(NOx)이 발생하게 된다.

한편, 주지의 사실과 같이, 질소가 존재하는 경우에, 질소산화물(NOx)의 발생량은 화염의 온도가 높을수록 더 증가되므로, 공기연소에 비해 화염온도가 더 높은 산소연소에서는 공기연소에 비해 더 많은 질소산화물(NOx)이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 산화제로 순수한 산소를 사용하는 경우, 연소실 내부에서 형성되는 가열온도는 동일한 온도패턴을 나타내어야 하지만, 연소실 내부의 열부하도에 따라 연소실 내부에서 온도차이가 발생하게 되는 단점이 있었다.

그리고, 종래의 산소 버너는 가열소재의 일부분을 국부적으로 가열할 필요가 있는 경우에도 이를 구현하기가 용이하지 않다는 단점이 있었다.

본 발명에 따른 산소 버너는 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 다음과 같은 과제해결을 목적으로 한다.

본 발명은 일 측면으로서, 연소실 내부 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 산소 버너의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일 측면으로서, 연소실 내부 전체의 온도를 균일하게 유지하여 질소산화물(NOx)의 발생량을 감소시킬 수 있는 산소 버너의 제공을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 필요에 따라 가열소재의 일부분을 국부적으로 가열할 수 있는 산소 버너의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너는 산화제로 사용되는 산소를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 산소분사노즐과, 상기 산소분사노즐에서 분사되는 산소와 혼합되는 연료를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 연료분사노즐과, 상기 산소분사노즐에서 분사된 산소와 상기 연료분사노즐에서 분사된 연료의 혼합물을 착화시키기 위한 점화부 및 상기 산소분사노즐과 상기 연료분사노즐과 상기 점화부가 설치되는 하우징을 포함하고, 복수의 상기 산소분사노즐과 복수의 상기 연료분사노즐은 동일한 개수로 마련되어 상호 대응되는 위치에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너에서 복수의 상기 산소분사노즐 또는 복수의 상기 연료분사노즐은 단면이 삼각형 형상으로 마련될 수 있다.

삭제

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너에서 대응되는 위치에 배치된 상기 산소분사노즐 및 상기 연료분사노즐들은 선택된 노즐들을 단위 그룹으로 하여 교대로 분사되도록 마련될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너 중 복수의 상기 산소분사노즐 또는 복수의 상기 연료분사노즐에서 각각 분사되는 산소와 연료의 분사속도는 가변될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 버너는 다음과 같은 효과 중 적어도 일부를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산소 버너는 상이한 크기를 가지는 복수의 산소분사노즐 및 연료분사노즐을 통해 연소실 내부 전체를 고르게 가열할 수 있고, 또한, 노즐 선택에 따라 화염 방향을 변동시킬 수 있어 연소실 내부 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 버너는 연소실 내부 전체를 고르게 가열하는 것에 의해 질소산화물(NOx)의 발생량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 버너는 복수의 산소분사노즐과 복수의 연료분사노즐의 선택을 통해 가열소재의 일부분을 국부적으로 가열할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너 중 노즐의 정면 단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너 중 노즐의 측면 단면도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소 버너의 사용에 대한 실험 결과 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다", "구비한다", "갖다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하면서 산소 버너에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명 중 일실시예에 따른 산소 버너는 산화제로 사용되는 산소를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 산소분사노즐(200)을 포함한다.

또한, 본 발명 중 일실시예에 따른 산소 버너는 상기 산소분사노즐(200)에서 분사되는 산소와 혼합되는 연료를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 연료분사노즐(100)을 포함한다.

그리고, 본 발명 중 일실시예에 따른 산소 버너는 상기 산소분사노즐(200)에서 분사된 산소와 상기 연료분사노즐(100)에서 분사된 연료의 혼합물을 착화시키기 위한 점화부(300)을 포함한다.

또한, 본 발명 중 일실시예에 따른 산소 버너는 상기 산소분사노즐(200)과 상기 연료분사노즐(100)과 상기 점화부(300)가 설치되는 하우징(400)을 포함한다.

이하, 각 구성별로 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 산소분사노즐(200)은 산화제로 사용되는 산소를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련될 수 있다.

즉, 도 1에서는 산소분사노즐(200) F2가 가장 크고, 다음으로 F3가 크며, F1이 가장 작은 크기를 가진다. 다만, 상기 산소분사노즐(200)의 크기는 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양하게 크기의 산소분사노즐(200)을 배치할 수 있다.

그리고, 상기 산소분사노즐(200)의 대응되는 위치에는 상기 산소분사노즐(200)에서 분사되는 산소와 혼합되는 연료를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 연료분사노즐(100)이 배치될 수 있다.

여기서, 상기 연료분사노즐(100)도 상기 산소분사노즐(200)과 마찬가지로 연료분사노즐(100) A2가 가장 크고, 다음으로 A3가 크며, A1이 가장 작은 크기를 가진다. 그리고, 상기 연료분사노즐(100)의 크기 역시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 산소분사노즐(200)과 상기 연료분사노즐(100)은 복수로 마련되므로, 가열용량이 증가되며, 큰 가열용량이 필요한 가열로에서도 적용가능한 장점이 있다.

여기서, 상기 산소분사노즐(200)과 상기 연료분사노즐(100)은 동일한 개수로 마련되어 대응되는 위치에 배치될 수 있으며, 또한, 상기 산소분사노즐(200)과 상기 연료분사노즐(100)이 단위 그룹을 형성하도록 마련될 수 있다.

즉, 도 1에서 산소분사노즐(200) A1 및 연료분사노즐(100) F1의 한 쌍이 하나의 단위 그룹을 형성하고, 산소분사노즐(200) A2 및 연료분사노즐(100) F2의 한 쌍이 다른 단위 그룹을 형성하며, 산소분사노즐(200) A3 및 연료분사노즐(100) F3의 한 쌍이 또다른 단위 그룹을 형성할 수 있다.

다만, 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)의 개수는 이에 한정되는 것인 아니며, 필요에 따라 다양한 개수를 가질 수 있다.

여기서, 대응되는 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)은 각각의 작동이 가능하도록 마련된다.

그리고, 상기 단위 그룹별 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)은 단위 그룹별로 모두 작동 가능할 수도 있고, 단위 그룹별로 각각 작동될 수도 있다.

또한, 대응되는 위치에 배치된 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)들은 선택된 노즐들을 단위 그룹으로 하여 교대로 분사되도록 마련될 수 있다.

예를 들어, F1과 A1, F2와 A2 또는, F3와 A3의 단위 그룹 중에서 F1과 A1의 단위 그룹을 먼저 작동시키고, 다음으로 F2와 A2를 작동시킨 후, 다음으로 F3와 A3가 작동되도록 마련될 수 있다.

여기서, F3와 A3가 작동된 후에는 상기와 같은 순서대로 반복하여 작동될 수도 있고, 또는 역순으로 작동될 수도 있다.

그리고, 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)의 단위 그룹별로 구성된 노즐들의 단독 구동을 순차적으로 작동시켜 연소가스의 모멘텀(Momentum) 변동을 유발시킬 수 있다.

이에 의해, 연소실 내부의 온도를 균일하게 할 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물(NOx)의 발생량도 감소시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)의 단위 그룹별로 구성된 노즐들의 단독 구동을 순차적으로 교대로 작동시킨 경우, 소정의 시간 경과 후에는 질소산화물(NOx)의 발생량이 감소됨을 알 수 있다.

또한, 일산화탄소(Co)의 발생량도 감소됨을 알 수 있다.

그리고, 상기 산소분사노즐(200) 및 연료분사노즐(100)에서 분사되는 산소 및 연료의 분사량 또는 분사속도가 가변되도록 마련될 수 있다.

즉, 동일한 유속으로 계속하여 연료와 산소를 분사하여 연소시키는 경우, 연소가스의 유동이 고정된 패턴을 형성하지만, 상기 산소와 연료의 분사가 순차적으로 변하거나 또는 산소 및 연료의 분사량 또는 분사속도가 변하게 되면, 연소가스가 혼합량과 유동패턴이 변하게 되므로, 연소실 내부의 가열온도는 균일해질 수 있게 된다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 산소분사노즐(200)에서 분사된 산소는 대응되는 위치의 상기 연료분사노즐(100)에서 분사된 연료와 혼합될 수도 있지만, 근접하게 위치된 다른 연료분사노즐(100)에서 분사된 연료와 혼합될 수도 있다.

즉, 상기 산소분사노즐(200) F1에서 분사된 산소가 상기 연료분사노즐(100) A1에서 분사된 연료와 혼합될 수도 있지만, 또는, 상기 산소분사노즐(200) F1에서 분사된 산소가 상기 연료분사노즐(100) A2에서 분사된 연료와 혼합될 수도 있다.

이이 의해, 화염방향의 변동이 가능해지며, 또한, 노즐간의 간격에도 변화를 줄 수 있다. 즉, 예를 들어, F1과 A1의 노즐 간격은 D1이지만, F1과 A2의 노즐 간격은 D2이므로, 노즐 간격이 변하게 된다.

따라서, 연소 반응률 역시 변하게 되므로, 연소가스의 유동패턴이 다양하게 형성될 수 있으며, 가열로 내부의 전체적인 가열온도가 균일해지는 효과가 있다.

한편, 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)은 각각 상이한 크기를 가질 수 있으며, 연소로 내부의 열부하도에 따라 연소실 내부에서 온도차이가 발생하더라도 크기가 상이한 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)로부터 연소실 내부로 유출되는 산소 및 연료의 분사량, 분사 방향 또는 분사속도를 조절하여 연소실 내부의 온도를 균일하게 조절할 수 있다.

한편, 산소를 산화제로 사용하는 산소 버너의 경우, 급격한 연소반응이 발생되므로, 종래 공기를 산화제로 사용하는 버너와 달리 연료와 산소의 계면에서의 연소반응을 제어하기 어렵다.

따라서, 상기 산소 버너를 제어하기 위해 산소와 연료의 분사속도를 증가시키며, 이에 의해, 소정의 범위에서 집중적으로 연소반응이 발생하는 현상을 방지하게 되어 화염온도의 분포를 균일하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물(NOx)의 발생량도 감소시킬 수 있게 된다.

이를 위해, 상기 산소분사노즐(200) 또는 상기 연료분사노즐(100)은 상대적으로 작은 단면을 가지도록, 단면이 삼각형 형상으로 마련될 수 있다.

여기서, 상기 삼각형 형상의 노즐을 통해 분사되는 산소 또는 연료는 분사속도가 증가하며, 이에 의해 전술한 바와 같이, 연소로 내부의 화염온도 분포의 균일 유지 및 질소산화물(NOx) 발생량의 감소가 가능해진다.

한편, 가열되는 소재에 따라서는 소재의 전체가 아니라 일부만의 가열이 필요한 경우도 존재하게 된다.

여기서, 소재 일부만의 가열이 필요한 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 버너는 상기 소재 중 가열이 필요한 부분에 근접하게 배치된 상기 산소분사노즐(200) 및 상기 연료분사노즐(100)의 단위 그룹을 통해 산소와 연료를 분사하여 국부적으로 가열할 수 있도록 마련된다.

점화부(300)는 상기 산소분사노즐(200)에서 분사된 산소와 상기 연료분사노즐(100)에서 분사된 연료의 혼합물을 착화시키기 위해 마련되며, 하우징(400)은 상기 산소분사노즐(200)과 상기 연료분사노즐(100)과 상기 점화부(300)가 설치되도록 마련된다.

본 발명의 명세서, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

100 : 연료분사노즐 200 : 산소분사노즐
300 : 점화부 400 : 하우징

Claims (5)

1. 산화제로 사용되는 산소를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 산소분사노즐;
   상기 산소분사노즐에서 분사되는 산소와 혼합되는 연료를 분사하며, 각각 상이한 크기를 가지도록 마련되는 복수의 연료분사노즐;
   상기 산소분사노즐에서 분사된 산소와 상기 연료분사노즐에서 분사된 연료의 혼합물을 착화시키기 위한 점화부; 및
   상기 산소분사노즐과 상기 연료분사노즐과 상기 점화부가 설치되는 하우징;
   을 포함하고,
   복수의 상기 산소분사노즐과 복수의 상기 연료분사노즐은 동일한 개수로 마련되어 상호 대응되는 위치에 배치되는 산소버너.
2. 제1항에 있어서,
   복수의 상기 산소분사노즐 또는 복수의 상기 연료분사노즐은 단면이 삼각형 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   대응되는 위치에 배치된 상기 산소분사노즐 및 상기 연료분사노즐들은 선택된 노즐들을 단위 그룹으로 하여 교대로 분사되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
5. 제1항에 있어서,
   복수의 상기 산소분사노즐 또는 복수의 상기 연료분사노즐에서 각각 분사되는 산소와 연료의 분사속도는 가변되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.

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