KR101745427B1 - 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너에 관한 것으로, 연료공급라인(10)을 통해 공급받은 연료를 메인버너(15)에 공급하는 메인라인(20)과, 상기 연료공급라인(10)에서 분기되고 상기 연료공급라인(10)을 통해 공급받은 연료를 파일럿버너(17)에 공급하는 보조라인(30)과, 상기 메인라인(20)과 상기 보조라인(30)을 연결하여 상기 메인라인(20)으로 공급된 연료를 상기 보조라인(30)을 통해 상기 파일럿버너(17)로 공급하는 연결라인(40)과, 상기 메인버너(15) 및 상기 파일럿버너(17)의 선단에 설치되며 연료 및 연소용 공기를 공급받아 상기 파일럿버너(17)의 점화시 연소실로 화염을 분사하는 버너헤드(50)를 포함한다.
본 발명은 환경부의 저녹스 버너 인정 기준치인 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하를 달성할 수 있는 이점이 있다.

Description

벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너{LOW NOx BURNER USED VENTURI MIX NOZZLE}
본 발명은 저녹스 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소산화물(NOx) 생성을 최대한 억제함과 더불어 버너 보염력을 향상시킬 수 있는 연관식 보일러용 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너에 관한 것이다.
저녹스 버너는 연료 및 공기의 혼합특성을 조절하거나 연소영역의 산소농도와 화염온도를 조절하는 등의 방법으로 연료 및 연소온도에 의한 질소산화물(NOx)의 생성을 억제시키는 기능과 일정한 저감 효율이 있는 버너를 말한다.
2006년 환경부저녹스버너보조금제도와 관련하여 개발된 버너는 녹스보증농도가 50PPM(산소농도 5% 환산)이나, 2013년 1월1일부로 녹스보증농도가 40PPM(산소농도 5% 환산)으로 변경되어 기준이 까다로워졌으며, 2015년 1월1일부터는 기존 2톤 이상의 보일러가 배출설비로 바뀜에 따라 수도권대기환경보전에 대한 특별법에 의해 보일러에 대한 최적방지시설을 갖추지 않으면 변경허가, 변경신고, 허가, 신고를 할 수 없게 되었다.
따라서, 환경부의 저녹스 버너 인정 기준치인 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하를 만족하는 저녹스 버너 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 점점 강화되는 법적 기준에 대응하기 위해 저녹스 버너의 녹스 생성 농도를 현재 환경부의 저녹스 버너 인정 기준치인 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하, 바람직하게는 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하보다 20% 적은 32PPM(산소농도 5% 환산) 이하를 달성할 수 있는 연관식 보일러용 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 연료공급라인을 통해 공급받은 연료를 메인버너에 공급하는 메인라인과, 상기 연료공급라인에서 분기되고 상기 연료공급라인을 통해 공급받은 연료를 파일럿버너에 공급하는 보조라인과, 상기 메인라인과 상기 보조라인을 연결하여 상기 메인라인으로 공급된 연료를 상기 보조라인을 통해 상기 파일럿버너로 공급하는 연결라인과, 상기 메인버너 및 상기 파일럿버너의 선단에 설치되며 연료 및 연소용 공기를 공급받아 상기 파일럿버너의 점화시 연소실로 화염을 분사하는 버너헤드를 포함한다.
상기 메인라인은 상기 연료공급라인과 연결되는 부분에 하나 이상의 메인밸브가 설치되고, 상기 메인버너와 연결되는 부분에 유량조절밸브가 설치되며, 상기 메인밸브와 상기 유량조절밸브 사이를 상기 보조라인과 연결한다.
상기 보조라인은 상기 연료공급라인과 연결되는 부분에 하나 이상의 제어밸브 및 개폐밸브가 설치되고, 상기 파일럿버너와 연결되는 부분에 오리피스가 설치되며, 상기 개폐밸브와 상기 오리피스 사이를 상기 메인라인과 연결한다.
상기 연결라인에 오리피스가 설치된다.
상기 버너헤드는 외주면을 둘러 날개가 형성된 원형의 플레이트 형상이며, 상기 파일럿버너와 연결되어 화염이 토출되는 화염분사공 및 상기 화염분사공으로부터 토출된 화염을 확산되게 하는 다수의 화염분할공이 형성되는 확산판과, 상기 확산판의 중심을 관통하여 설치되고 연료를 분사하는 메인노즐과 상기 확산판의 후면으로 배치되고 상기 확산판의 날개들 사이에 위치되어 연료를 분사하는 엘보노즐을 구비하는 연료노즐을 포함한다.
상기 메인노즐은 상기 확산판에 대해 수직을 이루는 원통형의 측면과 측면으로부터 연장되고 원통형 중심을 향하여 경사진 경사면을 가진 형상으로 되고, 상기 경사면에 일정 간격을 두고 돌출된 복수 개의 장노즐이 형성된 형상이다.
상기 확산판에 상기 메인노즐로 공급된 연료가 일부 분기되어 토출되게 하는 연료토출공이 형성되는 연료분할관이 형성된다.
상기 확산판은 외주면을 둘러 전면방향으로 연장되는 연장부가 형성된다.
상기 엘보노즐에 소음감소구멍이 형성된다.
본 발명은 메인라인으로 공급된 연료를 보조라인을 통해 파일럿버너로 공급하는 연결라인을 포함하여 버너 착화시 공기와 연료의 혼합비를 제어할 수 있고 착화 후 보조라인의 개폐밸브가 차단되어도 메인라인을 통해 계속적으로 연료의 균일한 토출이 가능하므로 버너 보염력 향상과 질소산화물 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수 개의 장노즐을 벤츄리 믹스 방식을 적용하여 메인노즐로 공급된 연료의 분출압에 의해 장노즐 하부 구멍(C)를 통해 연소 완료된 배기가스의 일부를 흡입하여 재분사함에 따른 질소산화물 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 버너헤드가 연료의 토출시 분할화염이 생성되고 연료와 공기의 혼합도가 증가하며, 화염 날아감 등이 발생하지 않도록 연소부하에 따라 파일럿버너의 유량이 조정 가능하므로 버너 운전시 안정적인 연소가 가능하여 질소산화물 생성을 줄일 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 현재 환경부의 저녹스 버너 인정 기준치인 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하, 바람직하게는 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하보다 20% 적은 32PPM(산소농도 5% 환산) 이하를 달성할 수 있는 저녹스 가스버너를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너를 보인 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너 운전방법을 보인 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너의 버너헤드의 정면을 보인 일 실시예의 도면.
도 4는 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너의 버너헤드의 측단면을 보인 일 실시예의 도면.
도 5는 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너의 버너헤드의 정면을 보인 다른 실시예의 도면.
도 6는 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너의 버너헤드의 후면을 보인 일 실시예의 도면.
도 7은 본 발명에 의한 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너의 연료노즐 후면을 보인 다른 실시예의 도면.
도 8은 본 발명의 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너를 한국환경공단에 의뢰하여 저녹스버너 인정검사한 결과서를 보인 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너는, 연관식 보일러에 적용되는 저녹스 버너이며, 질소산화물(NOx) 생성을 최대한 억제함과 더불어 버너 보염력을 향상시켜 녹스 생성 농도가 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하, 바람직하게는 32PPM(산소농도 5% 환산) 이하가 되도록 제작한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 저녹스 버너(이하 '버너'라 칭함)는 메인라인(20), 보조라인(30), 연결라인(40), 버너헤드(50)를 포함한다. 메인라인(20), 보조라인(30), 연결라인(40)은 버너의 운전을 위해 메인버너(15) 및 파일럿버너(17)로 연료를 공급하기 위한 배관이다.
메인버너(15)는 연소를 위한 장치이고 파일럿버너(17)는 메인버너(15)를 점화시키기 위한 장치이다.
메인라인(20)은 연료공급라인(10)을 통해 공급받은 연료를 메인버너(15)에 공급하는 배관이다. 메인버너(15)는 메인라인(20)과 연통되는 유입홀(16)을 구비한다.
연료공급라인(10)에는 공급처로부터 공급된 연료의 이물질을 제거하기 위한 필터(11)와 연료 공급 압력을 일정하게 하기 위한 자력밸브(13)가 설치된다.
공급처에서 공급되는 연료 공급 압력이 일정 범위를 유지하여야 정상적인 연소가 가능하다. 연료 공급 압력이 너무 낮으면 버너 작동이 안 되고 너무 높아도 화염이 날려 정상 연소가 불가능하다. 연료는 가스(LNG)일 수 있다.
메인라인(20)은 연료공급라인(10)과 연결되는 부분에 하나 이상의 메인밸브(21,23)가 설치되고, 메인버너(15)와 연결되는 부분에 유량조절밸브(25)가 설치된다. 메인밸브(21,23)는 유로의 차단과 개방을 목적으로 하는 ON-OFF 밸브일 수 있고, 유량조절밸브(25)는 미세 유량 조절이 가능한 버터플라이밸브일 수 있다.
메인밸브(21,23)는 버너의 운전시 ON 되어 연료를 공급하고 버너의 연소 중단시 OFF 되어 연료 공급을 차단한다. 유량조절밸브(25)는 버너의 운전시 개도가 조절되어 메인버너(15)로 공급되는 연료의 공급량을 조절한다. 메인밸브(21,23)는 정전시 OFF 되어 메인버너(15)로 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
보조라인(30)은 연료공급라인(10)에서 분기되고 연료공급라인(10)을 통해 공급받은 연료를 파일럿버너(17)에 공급하는 배관이다. 파일럿버너(17)는 메인버너(15)를 점화하기 위한 화염을 생성하기 위해 점화하는 버너이다. 파일럿버너(17)는 점화시 보조라인(30)을 통해 공급되는 연료와 공기가 만나 화염을 생성하도록 일측에 연료홀(18) 및 공기홀(19)이 형성된다.
보조라인(30)은 연료공급라인(10)과 연결되는 부분에 하나 이상의 제어밸브(31,32) 및 개폐밸브(33)가 설치되고, 파일럿버너(17)와 연결되는 부분에 오리피스(35)가 설치된다. 제어밸브(31,32)는 유량 제어가 가능한 솔레노이드밸브일 수 있고, 개폐밸브(33)는 ON-OFF를 제어하는 게이트밸브일 수 있다.
개폐밸브(33)는 버너의 점화시 ON 되어 파일럿버너(17)로 연료를 공급하고 버너가 점화되면 OFF 되어 연결라인(40)을 통해 공급되는 연료만 파일럿버너(17)로 공급되도록 한다. 개폐밸브(33)는 버너의 재 점화시에도 ON 된다. 제어밸브(31,32)는 버너의 점화시 또는 재 점화시 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 공급량을 제어하는 역할을 한다.
오리피스(35)는 연료 유입쪽이 유출쪽에 비해 유로가 작도록 보조라인(30) 내에 기구를 설치한 것으로 작은 유량으로 추진력을 발생시켜 연료가 파일럿버너(17)까지 원활하게 공급될 수 있도록 한다. 즉, 오리피스(35)는 저압의 연료를 아주 작은 구멍으로 토출시켜 파일럿버너(17)에 안정적으로 공급해 주는 역할을 한다.
연결라인(40)은 메인라인(20)과 보조라인(30)을 연결하여 메인라인(20)으로 공급된 연료가 보조라인(30)을 통해 파일럿버너(17)에 공급될 수 있도록 한다. 연결라인(40)은 메인라인(20)의 메인밸브(21,23)와 유량조절밸브(25) 사이 부분을 보조라인(30)의 개폐밸브(33)와 오리피스(35) 사이 부분과 연결한다.
연결라인(40)은 버너 운전 과정에서 버너 보염력을 향상시켜 질소산화물 생성을 억제하기 위해 구비된다.
파일럿버너(17) 점화 후에도 파일럿버너(17)로 연료를 지속적으로 공급하면 버너헤드(50)에서 연료분사 상태를 균일하게 하여 이상연소를 방지할 수 있고 화염이 안정화되어 버너 보염력을 향상시킬 수 있다.
연결라인(40)에 오리피스(41)가 설치된다. 오리피스(41)는 연결라인(40)으로 저압의 유량이 공급되어도 높은 추진력으로 파일럿버너(17)까지 연료가 공급될 수 있도록 한다.
연결라인(40) 및 보조라인(30)에 구비된 오리피스(35,41)는 저압의 연료를 파일럿버너(17)에 안정적으로 공급하여 버너 보염력를 향상시킨다.
버너 보염력은 연료의 점화를 확실히 하고 화염이 꺼지지 않도록 화염의 안정화가 되는 정도이며, 버너 보염력이 향상되면 연소가 안정되어 저녹스 버너로써의 효과를 충분히 발휘하여 녹스 생성 정도를 줄여준다.
또한, 연결라인(40)은 버너 운전 과정에서 연료 및 공기의 혼합특성을 제어 가능하게 하여 질소산화물 생성을 억제하기 위해 구비된다.
보조라인(30)의 제어밸브(31,32) 및 개폐밸브(33)를 닫은 상태에서 메인라인(20)을 통해 연료를 공급하면, 유량조절밸브(25)의 작동에 의해 메인버너(15)로 공급되는 연료의 유량이 제어되고 나머지 연료가 연결라인(40)을 통해 파일럿버너(17)로 공급된다.
이 과정에서 연결라인(40)을 통해 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 양은 유량조절밸브(25)에 의해 자동으로 비례 제어된다.
예를 들어, 유량조절밸브(25)를 작동하여 메인라인(20)을 통해 공급되는 연료 총 양 대비 메인버너(15)로 공급되는 연료의 양을 줄이면 연결라인(40)을 통해 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 양이 상대적으로 많아지게 되어 저부하연소시 연료노즐(61)에서 공급되는 연료량이 적어도 파일럿버너(17)에 의해 화염을 안정화시킬 수 있고, 고부하연소시 메인라인(20)을 통해 공급되는 연료 총 양 대비 메인버너(15)로 공급되는 연료의 양을 늘리면 연결라인(40)을 통해 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 양이 상대적으로 적어지게 되어도 연료노즐(61)을 통해 공급되는 연료량이 많아 화염 꺼짐없이 연료와 공기의 혼합특성을 조절할 수 있다.
따라서 버너 운전 과정에서 연결라인(40)을 통해 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 양을 유량조절밸브(25)로 제어하여 파일럿버너(17)에서 연료 및 공기의 혼합특성을 조절하면 연소영역의 산소농도와 화염온도를 조절하여 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.
도 1 및 3에 도시된 바와 같이, 버너헤드(50)는 메인버너(15) 및 파일럿버너(17)의 선단에 설치되며, 연료 및 연소용 공기를 공급받아 파일럿버너(17)의 점화시 연소실로 화염을 분사한다. 버너헤드(50)는 횡방향으로 제작한 원통형 본체(45) 내에 배치되고, 화염이 분사되는 전면이 연소실로 노출된다.
버너헤드(50)는 화염 확산을 위한 확산판(51)과 연료가 토출되는 연료노즐(61)을 포함한다. 확산판(51)은 화염을 뭉치지 않고 분할하여 화염 중심온도를 내림으로써 녹스 생성을 줄이는 역할을 한다.
확산판(51)은 외주면을 둘러 날개가 형성된 원형의 플레이트 형상이다. 확산판(51)에는 파일럿버너(17)와 연결되어 화염이 토출되는 화염분사공(52)이 형성된다. 화염분사공(52)으로 토출되는 화염은 연료노즐(61)을 통해 토출되는 연료를 점화시켜 화염이 토출되도록 한다.
확산판(51)에는 다수의 화염분할공(53)이 형성된다. 화염분할공(53)은 연소용 공기를 공급받아 화염분사공(52) 및 연료노즐(61)로부터 토출되는 화염을 분할하여 연소실의 내부로 확산 공급함으로써 화염의 최고온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제한다.
분할화염은 연소온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제함으로써 저녹스의 특징을 지니게 한다. 화염분할공(53)은 확산판(51)에 일정묶음씩 설정간격을 두고 다수 개가 방사상으로 형성되어 화염의 분할이 효율적으로 이뤄지도록 한다.
연료노즐(61)은 연료를 공급받을 수 있도록 메인버너(15)의 선단에 연결된다. 연료노즐(61)은 확산판(51)의 중심을 관통하여 설치되고 연료를 토출하는 메인노즐(63)과 확산판(51)의 후면으로 배치되고 확산판(51)의 날개들 사이로 위치되어 연료를 토출하는 엘보노즐(65)을 포함한다.
메인노즐(63)은 확산판(51)의 전면에 대해 수직을 이루는 원통형의 측면(63a)과 측면으로부터 원통형 중심 방향으로 경사지게 연장된 경사면(63b)을 가진 형상으로 되고, 경사면(63b)에 일정 간격을 두고 연료가 토출되는 복수 개의 장노즐(64)이 돌설된다.
장노즐(64)은 확산판(51)에 대해 소정 각도로 경사짐에 따라 연료 토출시 화염분할공(53)으로 토출되는 공기와 혼합되어 안정적인 화염을 생성한다.
장노즐(64)이 돌설되는 위치는 화염분할공(53) 묶음이 위치되는 위치와 동일 선상에 위치되어 안정적인 화염 발생이 가능하도록 할 수 있다. 장노즐(64)은 메인노즐(63)의 경사면(63b)을 둘러 형성되는 연료토출구멍(64a)에 나사결합되어 상기 경사면(63b)에서 돌설될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 장노즐(64)은 연료 입구에서 유로의 직경을 줄였다가 연료 출구를 향하여 유로의 직경이 서서히 커지는 형상의 벤츄리 믹스 노즐인 것이 바람직하다. 또한, 장노즐(64)은 연료 입구측 외주면을 둘러 연료 입구와 연통되는 하부 구멍(64b)이 형성된다.
장노즐(64)에 벤츄리 믹스 노즐을 적용하면 연료 입구의 좁은 직경을 지나는 동안 연료의 이동 속도가 증가하고 연료 유속에 의해 하부 구멍(64b)으로의 배기가스 흡입이 이루어져 배기가스를 재분사함에 따라 질소산화물 생성을 억제할 수 있고 또 연료의 분사시 확산을 진행하여 연료의 표면적을 넓게 하고 연소효율을 증대시켜 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.
구체적으로, 장노즐(64)은 연료 토출시 벤츄리 믹스 노즐 방식을 적용하여 메인노즐(63)로 공급된 연료의 토출압에 의해 장노즐(64) 하부 구멍(64b)을 통해서 완전 연소된 배기가스의 일부를 흡입하는 연소 배기가스의 자기순환과 확산판(51)에 대해 소정 각도로 경사짐에 따라 연료 토출시 확산판(51)의 상부 플레이트에 의한 진공영역으로 배기가스가 재순환되는 2중 효과를 발휘하므로 설계되므로 질소산화물 생성을 2중으로 억제할 수 있다.
장노즐(64)은 연료 출구 직경(A)이 연료 입구 직경(B)의 4배이고, 하부 구멍 직경(C)은 연료 입구 직경(A)의 1/4배를 갖도록 제작되는 것이 바람직하다. 연료 출구 직경(A)이 연료 입구 직경(B)의 4배이면 연료 분사시 확산에 효과적이고, 하부 구멍 직경(C)이 연료 입구 직경(A)의 1/4배를 갖도록 제작되면 연료가 고속분사되어 연료의 배기가스 혼합 특성이 높아지므로 질소산화물 생성이 감소된다.
엘보노즐(65)은 연소실 방향으로 꺽여진 형태의 노즐로 메인노즐(63)과 함께 연료가 토출되는 노즐이다. 엘보노즐(65)은 연료가 토출되는 부분을 확산판(51)의 가장자리 위치로 분할하여 균일한 화염 생성이 가능하도록 한다.
엘보노즐(65)로 토출되는 연료는 화염분할공(53)을 통해 토출되는 공기와 혼합되어 균일한 화염 생성이 가능하도록 한다.
그 원리는, 확산판(51) 중앙으로 배치되는 장노즐(64)과 확산판(51) 가장자리 부분으로 배치되는 엘보노즐(65)을 통해 연료를 분사하면서 장노즐(64)과 엘보노즐(65) 사이로 위치된 확산판(51)의 화염분할공(53)을 통해 공기를 토출하면 연료와 공기의 혼합도가 증가하면서 균일한 화염이 생성되고 연료 과농지역이 감소하게 되면서 전반적인 질소산화물 생성량이 감소하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 확산판(51)에 메인노즐(63)로 공급된 연료가 일부 분기되어 토출되게 하는 연료분할관(67)이 형성된다.
연료분할관(67)은 확산판(51)에 반경방향으로 길게 배치되는 원통형의 관이다. 연료분할관(67)은 일단이 메인노즐(63)의 측면과 연통되어 연료를 공급받을 수 있고 타단은 막혀 있으며 길이방향을 따라 연소실 방향으로 연료를 토출하기 위한 다수의 연료토출공(69)이 형성되어 있다.
연료토출공(69)을 통해 연소실 방향으로 연료를 토출함으로써 연료의 보다 균일한 토출이 가능하도록 한다. 공기가 토출되는 위치에서 연료토출공(69)을 더 형성하면 연료와 공기의 혼합도가 증가되어 질소산화물 생성량을 감소시키는데 기여할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 확산판(51)은 외주면을 둘러 전면방향으로 연장되는 연장부(71)가 형성될 수 있다. 연장부(71)는 화염 쪼개짐을 방지하여 안정적인 화염 생성이 가능하도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 엘보노즐(65)에 소음감소구멍(73)이 형성될 수 있다. 소음감소구멍(73)은 엘보노즐(65)에 공기를 적당히 유입시켜 연료의 압력 강하를 유도함으로써 소음을 감소시킨다. 소음감소구멍(73)은 공기 유입이 원활하도록 연소실 반대방향으로 개구되게 형성될 수 있다.
참고로, 도 7에 도시된 미설명 부호 64a는 장노즐(64)이 용접, 나사체결 방식 등으로 연결되는 연료토출구멍이다.
이하 본 발명의 작용을 설명한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 저녹스 버너를 운전하고 녹스가 감소되는 원리를 설명하기로 한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너는 버너 착화시 메인라인(20)의 메인밸브(21,23)와 보조라인(30)의 제어밸브(31,32)를 모두 개방하여 연료공급라인(10)을 통해 공급된 연료가 메인라인(20) 및 보조라인(30)을 통해 각각 메인버너(15)와 파일럿버너(17)로 공급되게 한다.
동시에 파일럿버너(17)를 점화하면 공기홀(19)을 통해 유입된 공기와 연료가 만나 화염을 생성하면서 메인버너(15)를 통해 공급된 연료에도 점화가 되어 버너헤드(50)에서 연소실 방향으로 화염이 토출되는 버너 점화가 이루어진다.
다음으로, 버너가 점화되고 버너 운전 중에는 보조라인(30)의 개폐밸브(33)를 닫아 연료공급라인(10)을 통해 보조라인(30)으로 공급되는 연료공급을 차단한다.
보조라인(30)의 개폐밸브(33)를 닫으면 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 연료공급라인(10)을 통해 공급된 연료는 메인라인(20)을 통해 메인버너(15)로 공급되고, 유량조절밸브(25)의 개도에 따라 메인버너(15)로 공급되지 못하는 일부가 연결라인(40)을 통해 보조라인(30)을 거쳐 파일럿버너(17)로 공급된다.
이 과정에서 메인버너(15)로 공급되는 연료의 양과 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 양의 비율을 유량조절밸브(25)로 조절함으로써 파일럿버너(17)에서 연료와 공기의 혼합량을 제어할 수 있고 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.
이때, 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 압력이 낮아도 연료가 연결라인(40)에 구비된 오리피스(41) 및 보조라인(30)에 구비된 오리피스(35)를 통과하는 과정에서 추진력이 발생하므로 파일럿버너(17)까지 안정적으로 공급될 수 있다.
도 2의 (b)에 도시한 저녹스 버너의 운전방법은 버너 운전 중에도 연료를 파일럿버너(17)로 공급하여 균일한 방향에서 연료 토출이 가능하게 하므로 버너 보염력을 향상시킬 수 있고, 메인버너(15)로 공급되는 연료와 파일럿버너(17)로 공급되는 연료의 비율을 제어하여 연료와 공기의 혼합량을 제어함으로써 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 버너헤드(50)는 확산판(51)에 형성된 다수의 화염분할공(53)이 연소용 공기를 공급받아 화염분사공(52) 및 연료노즐(61)로부터 토출되는 화염을 분할하여 연소실의 내부로 확산 공급함으로써 화염의 최고온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.
또한, 버너헤드(50)는 확산판(51) 중앙으로 배치되는 장노즐(64)과 확산판(51) 가장자리 부분으로 배치되는 엘보노즐(65)을 통해 연료를 분사하므로 장노즐(64)과 엘보노즐(65) 사이로 위치된 화염분할공(53)을 통해 토출되는 공기와 연료의 혼합도가 증가하여 균일한 화염이 생성되고 연료 과농지역이 감소하게 되면서 전반적인 질소산화물 생성량이 감소하게 된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 장노즐(64)이 벤츄리 믹스 노즐 형태로 형성되므로 메인노즐(63)로 공급된 연료의 분출압에 의한 장노즐 하부 구멍(64b)를 통해 완전 연소된 배기가스의 일부를 흡입하여 재분사함에 따른 질소산화물 생성을 억제시키게 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 버너헤드(50)는 확산판(51)에 메인노즐(63)로 공급된 연료가 일부 분기되어 토출되게 하는 연료분할관(67)이 더 형성되므로 연료와 공기의 혼합도를 더 증가시켜 질소산화물 생성량을 감소시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 버너헤드(50)는 확산판(51)의 외주면을 둘러 전면방향으로 연장되는 연장부(71)가 형성되므로 화염이 쪼개지거나 날리지 않고 안정적으로 형성되게 한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 버너헤드(50)는 엘보노즐(65)에 소음감소구멍(73)이 형성되므로 버너 운전시 소음을 감소시킬 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 저녹스 버너가 적용된 연관식 보일러를 운전시 시간에 따른 질소산화물 생성량을 자체적으로 측정한 것이다.
운전
시간시간
부하율 측정시간 NOx
(PPM)
CO
(PPM)
O2
(PPM)
배기온도
(℃)
11:00

100%

11:09 30.8 8.7 3.33 231.4
11:13 31.7 9.6 3.32 232.2
11:21 32.7 12.5 3.35 232
11:30
90%
11:34 34.8 17.4 3.41 230.2
11:35 35.4 19.1 3.24 226.5
11:45 80% 11:49 33 17.5 3.48 212.6
12:00 70% 12:08 28.8 16.3 3.27 208.2
12:15 60% 12:16 26.7 15.2 3.15 204.7
12:30 50% 12:36 25.6 14.2 3.08 199.7
표 1에 의하면, 질소산화물 발생량이 환경부의 저녹스 버너 인정 기준치인 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하를 달성하였으며, 90% 열부하에서 결과를 제외하면 40PPM(산소농도 5% 환산) 이하보다 20% 적은 32PPM(산소농도 5% 환산) 수준까지 달성하였음을 확인할 수 있다.
90% 열부하에서 질소산화물 생성량이 높은 것은 보일러 급수관계로 로통에 물이 완전히 차지 않은 것으로 확인된다.
또한, 도면 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 저녹스 버너는 한국환경공단에서 실시한 저녹스버너 인정검사에서 질소산화물 발생량이 28.8PPM으로 적합판정을 받았다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 연료공급라인 11: 필터
13: 자력밸브 15: 메인버너
16: 유입홀 17: 파일럿버너
18: 연료홀 19: 공기홀
20: 메인라인 21,23: 메인밸브
25: 유량조절밸브 30: 보조라인
31,32: 제어밸브 33: 개폐밸브
35: 오리피스 40: 연결라인
41: 오리피스 50: 버너헤드
51: 확산판 52: 화염분사공
53: 화염분할공 61: 연료노즐
63: 메인노즐 63a: 측면
63b: 경사면 64: 장노즐
65: 엘보노즐 67: 연료분할관
69: 연료토출공 71: 연장부
73: 소음감소구멍

Claims (12)

  1. 연료공급라인을 통해 공급받은 연료를 메인버너에 공급하는 메인라인과;
    상기 연료공급라인에서 분기되고 상기 연료공급라인을 통해 공급받은 연료를 파일럿버너에 공급하는 보조라인과;
    상기 메인라인과 상기 보조라인을 연결하여 상기 메인라인으로 공급된 연료를 상기 보조라인을 통해 상기 파일럿버너로 공급하는 연결라인과;
    상기 메인버너 및 상기 파일럿버너의 선단에 설치되며 연료 및 연소용 공기를 공급받아 상기 파일럿버너의 점화시 연소실로 화염을 분사하는 버너헤드를 포함하고,
    상기 버너헤드는
    외주면을 둘러 날개가 형성된 원형의 플레이트 형상이며, 상기 파일럿버너와 연결되어 화염이 토출되는 화염분사공 및 상기 화염분사공으로부터 토출된 화염을 확산되게 하는 다수의 화염분할공이 형성되는 확산판과,
    상기 확산판의 중심을 관통하여 설치되고 연료를 분사하는 메인노즐과 상기 확산판의 후면으로 배치되고 상기 확산판의 날개들 사이에 위치되어 연료를 분사하는 엘보노즐을 구비하는 연료노즐을 포함하고,
    상기 메인노즐은
    상기 확산판에 대해 수직을 이루는 원통형의 측면과 측면으로부터 연장되고 원통형 중심을 향하여 경사진 경사면을 가진 형상으로 되고,
    상기 경사면에 일정 간격을 두고 돌출된 복수 개의 장노즐이 형성된 형상이며,
    상기 장노즐은 연료 입구에서 유로의 직경을 줄였다가 연료 출구를 향하여 유로의 직경이 서서히 커지는 형상의 벤츄리 믹스 노즐이며,
    상기 장노즐은 연료 입구측 외주면을 둘러 상기 연료 입구와 연통되는 하부 구멍이 형성되며,
    상기 확산판에 상기 메인노즐로 공급된 연료가 일부 분기되어 토출되게 하는 연료분할관이 형성되며,
    상기 연료분할관은 일단이 상기 메인노즐 측면과 연통되어 연료를 공급받을 수 있고 타단은 막혀 있으며 길이방향을 따라 연소실 방향으로 연료를 토출하기 위한 다수의 연료토출공이 형성된 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인라인은 상기 연료공급라인과 연결되는 부분에 하나 이상의 메인밸브가 설치되고, 상기 메인버너와 연결되는 부분에 유량조절밸브가 설치되며, 상기 메인밸브와 상기 유량조절밸브 사이를 상기 보조라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조라인은 상기 연료공급라인과 연결되는 부분에 하나 이상의 제어밸브 및 개폐밸브가 설치되고, 상기 파일럿버너와 연결되는 부분에 오리피스가 설치되며, 상기 개폐밸브와 상기 오리피스 사이를 상기 메인라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결라인에 오리피스가 설치된 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 장노즐은 상기 연료 출구 직경(A)이 상기 연료 입구 직경(B)의 4배이고,
    상기 연료 입구 직경(B)이 상기 하부 구멍 직경(C)의 4배를 갖도록 제작된 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산판은 외주면을 둘러 전면방향으로 연장되는 연장부가 형성되는 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 엘보노즐에 소음감소구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 벤츄리 믹스 노즐을 이용한 저녹스 버너.
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