KR101419402B1 - 맥동제어밸브, 맥동연소장치 및 맥동연소방법 - Google Patents

맥동제어밸브, 맥동연소장치 및 맥동연소방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 맥동연소장치는, 외부로부터 공급된 연료와 산화제를 연소하는 버너; 상기 버너에 상기 산화제를 공급하는 산화제 공급라인; 상기 버너에 상기 연료를 공급하는 연료 공급라인; 및 상기 산화제 공급라인 및 상기 연료 공급라인 중 어느 하나에 설치되어 상기 산화제 또는 상기 연료의 유량을 조절하는 맥동제어밸브를 포함하되, 상기 맥동제어밸브는, 배관에 설치되며, 하나 이상의 고정개구를 가지는 고정디스크; 상기 고정디스크의 상부 또는 하부에 설치되며, 하나 이상의 회전개구를 가지고 회전에 의해 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하는 회전디스크; 및 상기 고정디스크 및 상기 회전디스크와 수직한 방향으로 이동하여 상기 고정개구 또는 상기 회전개구를 개폐 가능한 차단판을 포함한다.

Description

맥동제어밸브, 맥동연소장치 및 맥동연소방법{OSCILLATION CONTROL VALVE, APPARATUS AND METHOD FOR OSCILATING COMBUSTION}
본 발명은 맥동제어밸브, 맥동연소장치 및 맥동연소방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료배관 또는 산소배관의 내벽에 설치되어 하나 이상의 회전개구를 가지는 회전디스크를 회전시켜 고정디스크의 고정개구의 개폐정도를 조절하므로써 연료 또는 산소의 공급량을 조절하는 맥동제어밸브, 맥동연소장치 및 맥동연소방법에 관한 것이다.
맥동연소(oscillating comburstion)는 연료 또는 산화제에 주기적인 압력변동을 주어 유량변동이 이루어지는 상황에서 연료를 연소시키는 연소기술이다. 일반적으로, 유량이 적은 연료는 주기적인 압력변동을 주어 유량변동이 이루어지게 하며, 통상 수십 Hz이내의 맥동상황에서 운전된다. 상기와 같이 맥동을 조절하는 방법으로는 연소기에 부착된 플래퍼 밸브(flapper valve)에 의해 발생하는 자발적인 맬동에 의한 방식과 피스톤이나 별도의 전동 밸브를 이용하여 희망하는 주기적인 압력변동을 주는 방식이 있었다.
또한, 연료과 산화제가 혼합되어 연소될 때 당량비 1.0 부근에서 가장 높은 연소온도를 갖고 높은 수준의 질소산화물(NOX)이 발생되며, 연소온도는 당량비 1,0을 벗어나면서 급격히 하락된다. 질소산화물 생성률은 화염온도와 산소농도에 매우 민감하여 연료과잉이나 연료 희박상황에서 급격히 저하되며, 맥동연소에서는 이러한 연소특성을 이용하여 양론조건(당량비 1.0)이 아닌 연료과잉과 연료희박 상태에서 주기적으로 연소반응이 이루어지도록 유동이 제공되어야 한다.
기초적 연소연구에 따르면 맥동의 주기와 진폭에 의해 그 효과가 가변적인데, 실적용된 외국 사례에 따르면 일산화탄소(CO) 등 미연가스 발생량을 제어하는 가운데 속도변동을 갖는 고온가스에 의해 열전달율이 향상되어 3~5%의 연료절감이 가능하고, 질소산화물이 50%이상 절감되는 장점을 갖는다고 보고하고 있다. 하지만, 종래의 자발적 맥동연소방식은 높은 소음이 발생하는 문제가 있고, 다양한 유량변화에 대응이 어려운 문제점이 발생하였다. 또한 전자석 on/off 밸브를 사용할 경우 화염이 소화되는 현상 및 재점화시 충격으로 설비가 파손되는 문제도 발생하였다. 종래의 맥동제어밸브는 구조가 단순한 반면 on/off 제어만 가능하여 유량제어가 되지 않으며, 범용 솔레노이드밸브는 밸브가 커질수록 반응시간이 증가하는 한계로 인해 큰 배관에 설치하기 어렵다.
한국등록특허공보 10-0840241호 2008.06.20.
본 발명의 목적은 밸브의 반응시간이 짧아 제어가 용이하고, 대형설비에도 설치가 가능하며, 맥동진폭/ 맥동주기/ 듀티비 및 유량제어가 가능한 솔레노이드형 맥동제어밸브를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료배관 또는 산소배관의 내벽에 설치되어 하나 이상의 회전개구를 가지는 회전디스크를 회전시켜 고정디스크의 고정개구의 개폐정도를 조절하여 연료 또는 산소의 공급량을 조절하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 맥동연소장치는, 외부로부터 공급된 연료와 산화제를 연소하는 버너; 상기 버너에 상기 산화제를 공급하는 산화제 공급라인; 상기 버너에 상기 연료를 공급하는 연료 공급라인; 및 상기 산화제 공급라인 및 상기 연료 공급라인 중 어느 하나에 설치되어 상기 산화제 또는 상기 연료의 유량을 조절하는 맥동제어밸브를 포함하되, 상기 맥동제어밸브는, 배관에 설치되며, 하나 이상의 고정개구를 가지는 고정디스크; 상기 고정디스크의 상부 또는 하부에 설치되며, 하나 이상의 회전개구를 가지고 회전에 의해 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하는 회전디스크; 및 상기 고정디스크 및 상기 회전디스크와 수직한 방향으로 이동하여 상기 고정개구 또는 상기 회전개구를 개폐 가능한 차단판을 포함한다.
상기 맥동연소장치는, 상기 회전디스크의 외주면과 접하며, 회전에 의해 상기 회전디스크를 구동하는 구동디스크를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 공급라인 및 상기 산화제 공급라인 중 어느 하나는, 개폐밸브가 설치되며 상기 버너에 연결되는 비맥동공급라인; 및 상기 맥동제어밸브가 설치되며 상기 버너에 연결되는 맥동공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 연료 공급라인 및 상기 산화제 공급라인 중 어느 하나는, 상기 맥동제어밸브가 설치되는 메인공급라인; 및 상기 메인공급라인으로부터 분기되어 상기 버너에 연결되며, 개폐밸브가 설치되는 보조공급라인을 포함할 수 있다.
상기 맥동제어밸브는, 상기 차단판에 연결되어 상기 차단판과 함께 승강가능한 승강축; 및 상기 승강축의 둘레를 따라 설치되며, 외부로부터 공급된 전류를 통해 자기장을 형성하여 상기 승강축을 구동하는 코일을 더 포함할 수 있다.
상기 맥동연소장치는, 상기 전류를 공급하는 전원 및 상기 구동디스크를 구동하는 구동모터와 각각 연결되는 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는, 상기 전류를 조절하여 맥동주기를 제어하고, 상기 구동모터의 제어를 통해 상기 회전개구와 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어할 수 있다.
상기 맥동연소장치는, 상기 고정디스크가 설치되는 관통홀을 가지며, 상기 배관의 내부에 고정되는 베이스부재; 상기 배관의 내측벽에 고정설치되어 상기 베이스부재를 지지하는 경사판; 상기 경사판의 외측에 설치되어 상기 코일 및 상기 승강축이 수용되는 내부공간을 가지는 하우징; 및 상기 하우징의 입구 측에 설치되어 상기 내부공간과 상기 배관의 내부를 구획하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 맥동제어밸브는, 상기 고정디스크를 고정 장착하는 장착홈 및 상기 장착홈의 내측에 위치하여 상기 고정개구와 연통되는 베이스부재; 및 상기 배관의 내측벽과 상기 베이스부재를 연결하여 상기 베이스부재를 상기 배관 상에 지지하며, 상기 배관 내의 유동방향에 따라 하향경사진 경사판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 맥동제어밸브는 배관에 설치되며, 하나 이상의 고정개구를 가지는 고정디스크; 상기 고정디스크의 상부 또는 하부에 설치되며, 하나 이상의 회전개구를 가지고 회전에 의해 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하는 회전디스크; 및 상기 고정디스크 및 상기 회전디스크와 수직한 방향으로 이동하여 상기 고정개구 또는 상기 회전개구를 개폐 가능한 차단판을 포함한다.
상기 맥동제어밸브는, 상기 회전디스크의 외주면과 접하며, 회전에 의해 상기 회전디스크를 구동하는 구동디스크를 더 포함할 수 있다.
상기 맥동제어밸브는, 상기 차단판에 연결되어 상기 차단판과 함께 승강가능한 승강축; 및 상기 승강축의 둘레를 따라 설치되며, 외부로부터 공급된 전류를 통해 자기장을 형성하여 상기 승강축을 구동하는 코일을 더 포함할 수 있다.
상기 맥동제어밸브는, 상기 전류를 공급하는 전원 및 상기 구동디스크를 구동하는 구동모터와 각각 연결되는 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는, 상기 전류를 조절하여 맥동주기를 제어하고, 상기 구동모터의 제어를 통해 상기 회전개구와 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 맥동연소방법은 버너의 산화제공급라인 및 연료공급라인 중 어느 하나에 설치되며, 고정디스크 및 회전디스크, 그리고 차단판을 구비하는 맥동제어밸브를 이용한 맥동연소방법에 있어서, 상기 회전디스크는 하나 이상의 회전개구를 가지며, 상기 산화제공급라인 및 연료공급라인 중 어느 하나에 고정설치된 상기 고정디스크의 고정개구의 개폐정도를 상기 회전디스크를 통해 조절하고, 상기 차단판을 상기 고정디스크 및 상기 회전디스크와 수직한 방향으로 이동하여 상기 회전개구 및 고정개구 중 어느 하나를 개폐할 수 있다.
상기 차단판은 승강축의 둘레에 설치된 코일의 자기장에 의해 상기 승강축과 함께 승강할 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 의하면 연료배관 또는 산소배관의 내벽에 설치되어 하나 이상의 회전개구를 가지는 회전디스크를 회전시켜 고정디스크의 고정개구의 개폐정도를 조절하여 연료 또는 산소의 공급량을 조절할 수 있다. 따라서, 밸브의 반응시간이 짧아 제어가 용이하고, 대형설비에도 설치가 가능하며, 맥동진폭/ 맥동주기/ 듀티비 및 유량제어가 가능한 솔레노이드형 맥동제어밸브를 제공할 수 있다.
도 1은 연소방법의 종류를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동제어밸브를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 고정디스크, 회전디스크 및 구동디스크의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 맥동제어밸브의 작동에 따른 맥동주기, 맥동진폭 및 듀티비를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시한 맥동제어밸브의 변형예이다.
도 6은 직접가열방식 버너의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동연소장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시한 맥동연소장치의 변형예이다.
도 9는 도 7 및 도 8에 도시한 맥동연소장치가 설치되는 위치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도 1 내지 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 이하에서 언급하는 ‘연결’은 두 개의 구성요소가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, 다른 매개체를 통해 간접 연결되는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 연소방법의 종류를 나타내는 도면이다. 도 1(a)에 도시한 바와 같이 기존의 공기 연소방법은 버너에 연료와 공기를 혼합하여 연소하는 방법이다. 반면, 고온의 온도 형성 또는 소재의 고속 승온이 요구되는 경우에는 산소를 공급하여 산소부화율(산화제 중 산소의 비율)을 조절하는 방법이 적용되며, 이를 위해 도 2(b) 내지 도 2(d)와 같은 방법이 선택된다. 도 2(b)의 산소부화방법은 또한 공기와 연료를 혼합하여 공급하는 방법으로, 혼합기를 통해 공기와 산소를 일정한 비율로 혼합하여 공급하는 방법이다. 또한, 도 2(c)의 산소랜싱은 별도의 산소공급라인을 통해 산소를 추가적으로 공급하는 방식이며, 도 2(d)의 순산소연소방법은 공기 대신 산소를 산화제로 공급하는 방식으로 제어 및 운용이 단순하나, 산소 제조비용이 높아 대용량 설비의 사용은 경제성을 고려하여 적용하여야 한다.
일반적으로, 산소부화 연소 버너는 산소를 화염에 직접적으로 분사하여 연료와 산소의 빠른 혼합을 발생시키나, 이로 인해 NOX가 급증하는 문제가 있다. 산화제로 산소를 포함하는 산소부화 또는 순산소연소의 경우, 연료의 연소시 기존의 공기 대신 공기에 산소를 혼합하여 산화제의 산소농도를 높여주는 것으로서 화염의 온도가 상승하고, 전열효율이 향상되어 연소가스량이 감소되는 연료절약형 연소기술이다.
공기는 산소 21%, 질소 79%를 함유하고 있으나, 산소를 공기에 혼합시켜 산소부화를 시키면 공기 중 산소농도는 증가되고 질소농도는 감소하므로 연소가스량이 대폭적으로 저감된다. 산소부화율이 1% 증가할 경우 1.2%의 연료절감이 가능하고, 산소부화율을 증가시키면 열효율도 동반 상승한다. 기존의 공기 연소시 직화식 버너의 경우, 연료 공급라인에서 맥동제어를 주로 사용하나, 산소부화에서는 산화제 공급량이 기존 공기연소 대비 매우 작으므로 산화제 공급배관에 맥동제어밸브를 장착하여 제어할 수 있으며, 이는 맥동설비장착의 용이성을 높이는 효과가 있었다.
반면, 종래의 맥동연소방식은 높은 소음이 발생하는 문제가 있고, 다양한 유량변화에 대응이 어려운 문제점이 발생하였다. 또한 전자식 ON/ OFF 밸브를 사용할 경우, 화염이 소화되는 현상 및 재점화시 충격으로 설비가 파손되는 문제가 발생하였다. 즉, 종래의 맥동제어밸브는 구조가 단순한 반면 ON/ OFF 제어만 가능하여 효과적인 유량제어가 불가능하며, 밸브가 커질수록 반응시간이 증가하는 범용 솔레노이드밸브의 한계로 직경이 큰 배관에 설치하기 어려웠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동제어밸브를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시한 고정디스크, 회전디스크 및 구동디스크의 확대도이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 베이스부재(97)는 배관(90) 내에 설치된다. 베이스부재(97)는 내면에 관통홀(도시안함)을 가지며, 경사판(82)은 베이스부재(97)와 배관(90)의 내측벽에 각각 연결되어 베이스부재(97)를 지지한다. 베이스부재(97)는 안착홈(95)이 형성될 수 있으며, 안착홈(95) 상에는 고정디스크(50)가 고정 설치된다. 고정디스크(50)는 베이스부재(97)와 일체형일 수 있으며, 하나 이상의 고정개구(55)들을 가진다. 고정개구(55)들과 관통홀은 서로 연통되며, 고정디스크(50)의 상부에는 회전디스크(60)가 연결된다. 회전디스크(60)는 고정디스크(50)와 마찬가지로 하나 이상의 회전개구(65)들을 가진다. 본 실시예에서는 회전디스크(60)가 고정디스크(50)의 상부에 연결되는 것으로 설명하나, 회전디스크(60)는 고정디스크(50)의 하부에 연결될 수 있다.
고정개구(55)들 및 회전개구(65)들은 각각 고정디스크(50) 및 회전디스크(60)를 중심을 기준으로 등각을 이루도록 배치되며, 고정디스크(50)와 회전디스크(60)는 동일한 중심축으로 연결될 수 있다. 바람직하게는 고정개구(55)들 및 회전개구(65)들은 각각 동일한 형상을 가지며, 고정개구(55)들 및 회전개구(65)들의 개수는 같을 수 있다.
또한, 경사판(82)의 외측에는 하우징(91)이 설치된다. 하우징(91)은 배관(90)과 연결되어 일측으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 맥동제어밸브는 하우징(91)과 하우징(91)의 하단부에 설치된 격벽(92)에 의해 내부공간(93)을 가질 수 있다. 내부공간(93)의 내면을 따라 코일(88)이 설치되며, 내부공간(93)의 중앙부에는 승강축(85)이 배치된다. 승강축(85)의 하단부에는 차단판(80)이 설치되며, 차단판(80)은 회전디스크(60)의 상부에 위치한다. 코일(88)은 외부로부터 공급된 전원(도시안함)을 통해 자기장을 형성하여 승강축(85)을 승강가능한 솔레노이드형일 수 있으며, 차단판(80)은 승강축(85)이 승강함에 따라 회전개구(65)들을 개폐할 수 있다. 또한, 승강축(85)과 격벽(92) 사이에는 실링부재(94)가 설치되어 내부공간(93)을 외부로부터 밀폐시킬 수 있다.
또한, 구동디스크(70)는 회전디스크(60)의 외주면과 맞닿아 연결되며, 구동디스크(70)와 회전디스크(60)의 외주면에는 각각 구동톱니(73) 및 회전톱니(63)가 형성되어 서로 맞물려 회전할 수 있다. 구동디스크(70)는 회전축(77)의 일측과 연결되며, 회전축(77)의 타측은 모터(75)와 연결되어 모터(75)의 구동력에 의해 회전할 수 있다. 모터(75)에 의해 구동디스크(70)가 회전함에 따라 구동디스크(70)와 맞물려 회전디스크(60)가 함께 회전한다. 회전디스크(60)는 고정디스크(50)의 상부에 연결되어 회전디스크(60) 및 고정디스크(50)에 형성된 회전개구(65)들과 고정개구(55)들은 교차하여 산화제 또는 연료의 양을 조절할 수 있다. 한편, 모터(75)는 구동레버로 대체될 수 있으며, 구동레버로 대체됨에 따라 작업자는 수동으로 산화제 또는 연료의 양을 조절할 수 있다.
후술하는 제어기(도 7의 500)는 코일(88)에 전원을 인가하는 전원 및 구동디스크(70)를 구동하는 구동모터(75)와 각각 연결된다. 제어기(도 7의 500)는 코일(88)에 기설정된 전류를 인가함으로써 차단판(80)이 회전개구(65)를 개폐하여 맥동주기를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(도 7의 500)는 모터(75)에 기설정된 전류를 인가하여 구동디스크(70)를 회전함으로써 회전디스크(60)를 함께 회전시킨다. 회전디스크(60)가 회전함에 따라 고정개구(55)와 회전개구(65)는 엇갈림으로써 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 맥동제어밸브의 작동에 따른 맥동주기, 맥동진폭 및 듀티비를 나타내는 그래프이다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어기(도 7의 500)는 코일(88)에 전원을 인가하는 전원 및 구동디스크(70)를 구동하는 모터(75)와 연결되어 맥동주기 및 맥동진폭을 제어할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 맥동제어밸브를 연료 또는 산화제 연결배관에 설치하여 유량을 제어할 수 있다. 맥동주기, 맥동진폭 및 듀티비에 의해 맥동효과가 가변적이며, 적용현장 및 버너특성에 따라 최적화된 기술이 요구된다.
맥동주기는 단위시간당 맥동 발생 수이며, 맥동진폭은 맥동으로 발생하는 유량 변화이다. 또한, 듀티비는 한 주기내의 맥동제어밸브의 개방시간으로 정의된다.산화제로 산소를 포함하는 산소부화 또는 순산소연소의 경우 연료의 연소시 기존의 공기 대신 공기에 산소를 혼합하여 산화제의 산소농도를 높여주는 것으로서 화염의 온도가 상승하고, 전열효율이 향상된다. 또한, 연소가스량이 감소되는 연료절약형 연소기술이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 구동디스크(70)의 회전을 통해 회전개구(65)와 고정개구(55)의 중첩 정도를 조절할 수 있으며, 이를 통해 산화제 및 연료의 양을 조절함으로써 맥동진폭을 조절할 수 있다. 따라서, 서로 다른 연소특성을 갖는 연소기(또는 버너)에 따라 구동디스크(70)를 통해 맥동진폭을 손쉽게 조절할 수 있다.
또한, 회전축(77)은 격벽(92)을 관통하여 모터(75)와 연결될 수 있으며, 격벽(92)과 회전축(77) 사이에는 베어링(79)이 설치되어 회전축(77)은 격벽(92)과 따로 회전가능하다. 즉, 차단판(80)은 회전디스크(60) 또는 고정디스크(50)에 형성된 회전개구(65)들 또는 고정개구(55)들을 개폐하여 연료 또는 산화제의 주기적인 맥동을 발생시킨다. 앞서 설명한 바와 같이, 차단판(80)의 상단부에는 승강축(85)이 연결되며, 승강축(85)은 승강축(85)의 둘레를 따라 설치된 코일(88)의 자기장에 의해 승강가능하다. 따라서, 차단판(80)은 코일(88)에 기설정된 전류를 인가하여 산화제 또는 연료의 맥동주기를 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 맥동제어밸브를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 2에서 설명한 맥동제어밸브와 상이한 점을 설명하기로 하며, 생략된 부분은 전술한 설명으로 대체될 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 고정디스크(50)의 하부에 회전디스크(60)가 연결된다. 고정디스크(50)와 회전디스크(60)는 각각 고정개구(55) 및 회전개구(65)가 형성된다. 회전축(77)의 일단부는 회전디스크(60)의 하단부와 연결되며, 회전축(77)의 타단부는 배관(90)의 외부로 돌출되어 모터(75)와 연결될 수 있다. 따라서, 회전디스크(60)를 회전함에 따라 산화제 또는 연료의 유량을 제어할 수 있으며, 모터(75)는 앞서 설명한 바와 같이, 구동레버로 대체되어 작업자는 수동으로 산화제 또는 유량을 조절할 수 있다.
즉, 본 발명은 차단판(80), 승강축(85) 및 코일(88)을 구비한 솔레노이드형 맥동밸브를 이용하여 주기적인 맥동을 제공하되, 연료 및 산화제의 유량을 조절하기 위해 고정디스크(50), 회전디스크(60)를 구비한다. 고정개구(55)들에 대응되는 위치에 회전개구(65)들이 위치할 경우, 최대량의 연료가 통과가능하며, 회전디스크(60)가 회전하여 고정개구(55)들과 회전개구(65)들이 어긋남에 따라 연료 및 산화제의 유량을 조절하여 버너에 공급할 수 있다.
도 6은 직접가열방식 버너의 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 연료는 1차 연료공급파이프(9)에 투입되어 축방향 및 반경방향 연료노즐(도시안함)을 통해 분사된다. 축방향 및 반경방향 연료노즐의 숫자는 다양하며, 축방향 및 반경방향 연료노즐을 단독으로 구성하는 경우도 있다.
산화제는 댐퍼(damper)(2)를 통해 분할되어 1차 산화제와 2차 산화제로 구분되고, 통상 1차 산화제는 선회기(swirler)를 통과한 후 축방향 및 반경방향 연료노즐에서 분사된 연료와 함께 화염의 안정성을 위하여 구성된 혼합챔버(5)에서 혼합 및 연소되며, 2차 산화제는 혼합챔버(5) 외곽의 원주상에 있는 2차 산화제 노즐(6-2)을 통해 공급된다.
연료노즐의 단부에는 통상적으로 관측창(7)이 구성되어 화염을 관찰할 수 있도록 되어있고, 1차 연료공급 파이프(9)는 지지대(4)에 의해 연소로 버너 중심부에 위치한다. 또한, 1차 산화제는 경우에 따라 선회 또는 비선회가 가능하고, 혼합챔버(5)의 모양, 2차 산화제 노즐(6-2)의 구성 등은 버너의 설계관점에서 유무를 결정할 수 있다.
즉, 통상적인 직접가열방식 연소로의 버너는 중앙에 관측창(7)이 있고 그 외곽에 연료 노즐(8)이 구성된다. 그 외곽으로 다양한 개수와 모양을 갖는 1차 산화제노즐(6-1)과 2차 산화제 노즐(6-2)이 구성된다. 연소로 버너는 플랜지 홀(flange hole)(9)을 통해 체결되는 나사에 의해 연소로 본체와 연결된다.
이와 같은, 버너는 공기비(空氣比) 1.0 이상으로 연소과정 후에 산소가 보통 5% 보다 적게 남게 하는 조건에서 운용된다. 즉, 연소후에도 산소가 잔류하면서 소재 표면에 산화층을 생성할 수 있는 산화 분위기에서 운용되는 것이다. 소재의 산화를 방지하기 위하여 환원분위기에서 운용하기 위한 연소개념이 요구된다. 이어지는 도면 및 설명을 통해 하나 이상의 버너 또는 구역에서 맥동연소 구현이 가능한 본 발명에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동연소장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 버너(200)는 연료공급원(F)과 산화제공급원(O)으로부터 연료 및 산화제를 공급받아 연소한다. 산화제 공급라인(400)과 연료 공급라인(300)은 각각 버너(200)에 연결되며, 각각의 메인공급라인(310a, 410a)은 산화제공급원(0)과 연료공급원(F)에 각각 연결된다. 각각의 메인공급라인(310a, 410a) 상에는 연료 메인개폐밸브(312) 및 산화제 메인개폐밸브(412) 및 연료 메인유량계 (313)및 산화제 메인유량계(413)가 각각 설치된다. 또한, 연료 메인개폐밸브(312) 및 산화제 메인개폐밸브(412)는 산화제 메인유량계(313) 및 연료 메인유량계(413)의 전방 및 후방에 각각 복수개로 설치되어 산화제 및 연료의 공급을 제어할 수 있다.
연료 메인공급라인(301a) 및 산화제 메인공급라인(410a)은 각각 연료 및 산화제 맥동공급라인(320a, 420a)과 연료 및 산화제 비맥동공급라인(315a, 415a)으로 분기된다. 각각의 맥동공급라인(320a, 420a)은 메인공급라인(310a, 410a)과 마찬가지로 연료맥동라인개폐밸브 및 산화제맥동라인개폐밸브(322, 422)가 설치되며, 연료맥동라인유량계(도시안함) 및 산화제맥동라인유량계(도시안함) 또한 설치될 수 있다. 추가적으로 각각의 맥동공급라인(320a, 420a)에는 각각 맥동제어밸브(321, 421)가 설치된다. 연료 및 산화제 비맥동공급라인(315a, 415a) 상에는 연료비맥동라인개폐밸브(316)과 산화제비맥동라인개폐밸브(416)이 설치되며, 연료비맥동라인유량계(317)와 산화제비맥동라인유량계(417) 또한 설치될 수 있다. 각각의 맥동공급라인(320a, 420a)과 비맥동공급라인(315a, 415a)은 다시 하나의 메인공급라인(310a, 410a)으로 합쳐져 연결되어 버너(200)에 연료 및 산화제를 공급할 수 있다.
즉, 연료 및 산화제는 각각의 메인공급라인(310, 410)을 통해 일정한 유량의 연료 및 산화제를 버너(200)에 공급할 수 있으며, 추가적으로 맥동공급라인(320a, 420a)에 설치된 맥동제어밸브(321, 421)를 통해 연료 및 산화제의 유량을 조절함으로써 버너(200)의 화력을 조절할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 맥동제어밸브(321, 421)은 각각 제어기(500)와 연결되며, 제어기(500)는 코일에 기설정된 전류를 인가함으로써 차단판(80)이 회전개구(65) 또는 고정개구(55)를 개폐하여 맥동주기를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(500)는 모터(75)에 기설정된 전류를 인가하여 구동디스크(70)를 회전함으로써 회전디스크(60)를 함께 회전시킨다. 회전디스크(60)가 회전함에 따라 고정개구(55)와 회전개구(65)는 엇갈림으로써 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어할 수 있다. 이로써, 이산화탄소 등의 미연가스 발생량을 제어하고 열전달율을 향상시켜 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 맥동제어를 통해 NOX 발생을 억제하고, 다양한 용량 및 연소특성을 갖는 연소기별 최적의 맥동연소를 용이하게 구현할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시한 맥동연소장치의 변형예이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 메인공급라인(600)에는 맥동제어밸브(621)가 설치될 수 있다. 메인공급라인(600)으로부터 분기된 각각의 보조공급라인(610)들은 각각 보조공급라인개폐밸브(622)들이 설치될 수 있으며, 보조공급라인(610)들에는 각각 버너(200)가 연결된다. 버너(200) 및 보조공급라인은 작업환경에 따라 변형될 수 있다. 이와 같이, 메인공급라인(600)에 맥동제어밸브(621)를 설치함으로써 각각의 버너(200)에 유량을 일률적으로 제어할 수 있다. 즉, 버너(200) 각각의 독립적인 유량제어가 필요하지 않은 경우, 하나 이상의 버너(200)를 하나의 맥동제어밸브(621)로 모두 제어할 수 있다. 이와 같은 변형예는 연소로의 개별적인 유량제어의 필요성이 떨어지거나 각각의 독립제어가 불가능할 경우 사용가능하며, 투자비용이 적고 관리에 매우 용이한 장점이 있다.
도 9는 도 7 및 도 8에 도시한 맥동연소장치가 설치되는 위치를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 버너(200)들은 직접가열방식의 연소로(190)에 장착될 수 있다. 예를 들어 버너들은 각각 예열대(191)와 가열대(193)의 하부에 설치되어 슬라브를 가열할 수 있으며, 가열대(193) 및 균열대(195)의 상부에 설치되어 슬라브를 가열함으로써 슬라브의 온도편차를 최소화할 수 있다.
또한, 작업자는 필요에 따라 맥동제어방법 및 비맥동제어방법 중 한가지를 선택하여 버너(200)에 연료 및 산화제를 제공함으로써 효율성 및 경제성을 극대화할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 맥동공급라인(320a, 420a) 및 비맥동공급라인(315a, 415a)을 함께 사용함으로써 연료 및 산화제는 비맥동공급라인(315a, 415a)을 통해 일정한 유량의 연료 및 산화제를 버너(200)에 공급할 수 있으며, 추가적으로 맥동공급라인(320a, 420a)에 설치된 맥동제어밸브(321, 421)를 통해 연료 및 산화제의 유량을 조절함으로써 버너(200)의 화력을 조절할 수 있다.
특히, 본 발명은 차단판(80), 승강축(95) 및 코일(88)을 이용한 솔레노이드형 맥동밸브를 이용하여 주기적인 맥동을 제공하되, 연료 및 산화제의 유량을 조절하기 위해 고정디스크(50), 회전디스크(60) 및 구동디스크(70)를 구비하여 고정디스크(50)의 고정개구(55)들에 대응되는 위치에 회전개구(65)들이 위치할 경우, 최대량의 연료가 통과가능하며, 회전디스크(60)가 구동디스크(70)에 의해 회전하여 고정개구(55)들과 회전개구(65)들이 어긋남에 따라 연료 및 산화제의 유량을 조절하여 버너(200)에 공급할 수 있다. 즉, 연료 및 산화제의 미세한 유량을 제어가능함에 따라 다양한 연소특성을 갖는 연소기별 최적의 맥동연소방법을 용이하게 구현할 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 직접가열방식의 연소로에 맥동제어밸브를 구비한 맥동연소장치를 설치함으로써, 슬라브의 온도를 균일화하여 슬라브의 편열 방지 및 품질 향상, 그리고 슬라브 처리능력 향상에 의해 생산성을 극대화할 수 있다.
본 발명을 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
50 : 고정디스크 55 : 고정개구
60 : 회전디스크 63 : 회전톱날
65 : 회전개구 70 : 구동디스크
73 : 구동톱날 75 : 모터
77 : 회전축 79 : 베어링
80 : 차단판 82 : 경사판
85 : 승강축 88 : 코일
90 : 배관 91 : 하우징
92 : 격벽 93 : 내부공간
94 : 실링부재 97 : 베이스부재
200 : 버너 300 : 연료공급라인
400 : 산소공급라인 F : 연료공급원
O : 산화제공급원

Claims (14)

  1. 외부로부터 공급된 연료와 산화제를 연소하는 버너;
    상기 버너에 상기 산화제를 공급하는 산화제 공급라인;
    상기 버너에 상기 연료를 공급하는 연료 공급라인; 및
    상기 산화제 공급라인 및 상기 연료 공급라인 중 어느 하나에 설치되어 상기 산화제 또는 상기 연료의 유량을 조절하는 맥동제어밸브를 포함하되,
    상기 맥동제어밸브는,
    배관에 설치되며, 하나 이상의 고정개구를 가지는 고정디스크;
    상기 고정디스크의 상부 또는 하부에 설치되며, 하나 이상의 회전개구를 가지고 회전에 의해 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하는 회전디스크; 및
    상기 고정디스크 및 상기 회전디스크에 수직한 방향으로 이동하여 상기 고정개구 또는 상기 회전개구를 개폐 가능한 차단판을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 맥동연소장치는,
    상기 회전디스크의 외주면과 접하며, 회전에 의해 상기 회전디스크를 구동하는 구동디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 공급라인 및 상기 산화제 공급라인 중 어느 하나는,
    개폐밸브가 설치되며 상기 버너에 연결되는 비맥동공급라인; 및
    상기 맥동제어밸브가 설치되며 상기 버너에 연결되는 맥동공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 공급라인 및 상기 산화제 공급라인 중 어느 하나는,
    상기 맥동제어밸브가 설치되는 메인공급라인; 및
    상기 메인공급라인으로부터 분기되어 상기 버너에 연결되며, 개폐밸브가 설치되는 보조공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 맥동제어밸브는,
    상기 차단판에 연결되어 상기 차단판과 함께 승강가능한 승강축; 및
    상기 승강축의 둘레를 따라 설치되며, 외부로부터 공급된 전류를 통해 자기장을 형성하여 상기 승강축을 구동하는 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 맥동연소장치는,
    상기 전류를 공급하는 전원 및 상기 구동디스크를 구동하는 구동모터와 각각 연결되는 제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 전류를 조절하여 맥동주기를 제어하고,
    상기 구동모터의 제어를 통해 상기 회전개구와 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 맥동연소장치는,
    상기 고정디스크가 설치되는 관통홀을 가지며, 상기 배관의 내부에 고정되는 베이스부재;
    상기 배관의 내측벽에 고정설치되어 상기 베이스부재를 지지하는 경사판;
    상기 경사판의 외측에 설치되어 상기 코일 및 상기 승강축이 수용되는 내부공간을 가지는 하우징; 및
    상기 하우징의 입구 측에 설치되어 상기 내부공간과 상기 배관의 내부를 구획하는 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 맥동제어밸브는,
    상기 고정디스크를 고정 장착하는 장착홈 및 상기 장착홈의 내측에 위치하여 상기 고정개구와 연통되는 베이스부재; 및
    상기 배관의 내측벽과 상기 베이스부재를 연결하여 상기 베이스부재를 상기 배관 상에 지지하며, 상기 배관 내의 유동방향에 따라 하향경사진 경사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동연소장치.
  9. 배관에 설치되며, 하나 이상의 고정개구를 가지는 고정디스크;
    상기 고정디스크의 상부 또는 하부에 설치되며, 하나 이상의 회전개구를 가지고 회전에 의해 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하는 회전디스크; 및
    상기 고정디스크 및 상기 회전디스크에 수직한 방향으로 이동하여 상기 고정개구 또는 상기 회전개구를 개폐 가능한 차단판을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동제어밸브.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 맥동제어밸브는,
    상기 회전디스크의 외주면과 접하며, 회전에 의해 상기 회전디스크를 구동하는 구동디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동제어밸브.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 맥동제어밸브는,
    상기 차단판에 연결되어 상기 차단판과 함께 승강가능한 승강축; 및
    상기 승강축의 둘레를 따라 설치되며, 외부로부터 공급된 전류를 통해 자기장을 형성하여 상기 승강축을 구동하는 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맥동제어밸브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 맥동제어밸브는,
    상기 전류를 공급하는 전원 및 상기 구동디스크를 구동하는 구동모터와 각각 연결되는 제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 전류를 조절하여 맥동주기를 제어하고,
    상기 구동모터의 제어를 통해 상기 회전개구와 상기 고정개구의 개폐정도를 조절하여 맥동진폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 맥동제어밸브.
  13. 버너의 산화제공급라인 및 연료공급라인 중 어느 하나에 설치되며, 고정디스크 및 회전디스크, 그리고 차단판을 구비하는 맥동제어밸브를 이용한 맥동연소방법에 있어서,
    상기 회전디스크는 하나 이상의 회전개구를 가지며, 상기 산화제공급라인 및 연료공급라인 중 어느 하나에 고정설치된 상기 고정디스크의 고정개구의 개폐정도를 상기 회전디스크를 통해 조절하고, 상기 차단판을 상기 고정디스크 및 상기 회전디스크에 수직한 방향으로 이동하여 상기 회전개구 및 고정개구 중 어느 하나를 개폐하는 것을 특징으로 하는 맥동연소방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 차단판은 승강축의 둘레에 설치된 코일의 자기장에 의해 상기 승강축과 함께 승강하는 것을 특징으로 하는 맥동연소방법.
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