KR102081257B1 - 복합 가스 연소용 버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 가스 연소용 버너에 관한 것으로, 중심에 구비된 파이롯 버너(10), 상기 파이롯 버너(10)의 외측에 구비되고 고발열 가스가 공급되어 선단의 1차 토출구(22)로 배출되는 1차 노즐(20), 상기 1차 노즐(20) 외측에 구비되고 저발열 가스가 공급되어 선단의 2차 토출구(32)로 배출되는 2차 노즐(30), 상기 2차 노즐(30) 외측에 구비되고 공기가 공급되어 선단의 공기 토출구(42)(44)로 배출되는 에어 노즐(40), 상기 파이롯 버너(10)와 1차 노즐(20)과 2차 노즐(30) 및 에어 노즐(40)의 선단이 수용되도록 구비되고 출구(52)측 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리관(50)을 포함하여 구성되어, 제철소 등의 조업과정에서 부산물로 생성되는 여러 종류의 가스(이하, '부생 가스'라 함)를 포함하여 저발열가스와 고발열가스를 별도의 혼합 수단 없이 안정적으로 동시에 연소시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

복합 가스 연소용 버너{Burner for multi gas combustion}
본 발명은 복합 가스 연소용 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철소 등의 조업과정에서 부산물로 생성되는 여러 종류의 가스(이하, '부생 가스'라 함)를 포함하여 저발열가스와 고발열가스를 별도의 혼합 수단 없이 안정적으로 동시에 연소시킬 수 있는 복합 가스 연소용 버너에 관한 것이다.
제철소에서는 철광석을 원재료로 하여 최종 제품으로 강을 제조하는데, 상기 강을 제조하는 공정은 통상 제선, 제강, 압연 공정 순으로 진행된다. 제선은 철광석을 용해하여 쇳물(용선)을 생산하는 공정이고, 제강 공정은 용선 내 불순물을 제거하여 용강을 생산하며, 압연 공정에서는 철을 강판이나 선재 및 코일로 가공하는 공정이다.
이와 같이 철광석을 강으로 제조하기 위한 각 공정에서는, 철을 가공에 적절한 온도(1200~1250℃)까지 가열하여야 하며, 이러한 가열에 사용되는 버너에는 연료와 산화제가 공급되는데, 통상 연료는 기체연료가 이용되고, 산화제는 공기가 이용되며, 상기 연료로는 제철소의 부생가스를 사용하기도 한다.
제철소의 부생가스에는 고로가스(BFG: blast furnace gas), 전로가스(LDG: Linz-Donawitz gas)와, 파이넥스 가스(FOG;Finex Off Gas), 코크스 가스(COG; Coke oven gas) 등이 있으며, 이러한 부생가스는 각각 상이한 조성을 가지므로 그들 각각의 발열량 또한 상이하다.
즉, 상기 고로가스는 표준발열량이 750kcal/Nm3, 전로가스는 2000kcal/Nm3, 파이넥스 가스는 1350kcal/Nm3, 코크스 가스는 4400kcal/Nm3 으로 상이하며, 상기 고로가스는 상대적으로 저발열량을 갖는다.
이러한 부생가스 중 고로가스(BFG)는 가격이 매우 저렴하고, 가스의 성분, 성질에 변동이 없으며, 과열산화의 염려가 적은데 비하여 발열량이 매우 낮아 공기를 산화제로 이용하는 경우에는 단열 화염 온도(Adiabatic Flame Temperature)가 낮고, 화염 전파 속도(Flame Propagation Velocity)가 느려 자체적으로 화염이 유지되지 않고 소화되는 문제점이 있었다.
이에 따라 고로가스(BFG)를 연소시킬 경우, 강력한 파이롯 화염이 존재하거나, 공기를 고온으로 예열한 후 공급하는 조건이 아니면 완전 연소가 불가능하다는 문제점이 있었다.
한편, 부생가스 중 코크스 가스(COG)의 경우, 가스 성분변동에 의한 발열량 변동 및 공연비 부적절, 코크스 가스(COG)중 황(S)성분에 의한 배관부식, 타르에 의한 배관 막힘 발생 및 가스내 수분함유로 배관 내 결로 발생 및 불완전 연소가 조장되는 문제점이 있었다.
아울러, 상기 부생가스들은 공정상의 조건변화 등에 의하여 발열량 등에 변화가 발생되므로 부생가스들은 통상 단독으로 사용하기 보다는 복수개의 부생가스들을 소정비율로 혼합하여 사용하거나, 부생가스와 LNG(Liquefied Natural Gas: 액화천연가스)등을 혼합하여 사용하며, 이와 같이 혼합된 가스의 열량을 실시간으로 측정하여 피드백(feedback) 제어를 함으로서 발열량 변동을 최소화하고 있다.
이와 같이 여러 개의 가스들을 혼합하여 사용하도록 하기 위해서 종래에는 별도의 가스 혼합장치를 사용하였는데, 이러한 혼합장치의 예로는 등록실용신안 제20-0307657호 등이 있다.
그러나 상기와 같이 별도의 혼합장치를 사용할 경우 혼합장치의 유지보수에 시간과 인력이 소모되고, 혼합장치 구동에 따른 비용이 증가하는 등의 문제점이 있었으며, 화염전파속도가 상이한 가스들을 동시에 배출시켜 연소하는 것이므로 각 가스별 최적의 연소조건을 만족하지 못하여 일부 가스들은 연소되지 못하거나 불완전연소되는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 혼합장치를 사용하지 않으면서 발열량이 다른 여러 종류의 가스를 직접 안정적으로 완전 연소시킬 수 있는 복합 가스 연소용 버너를 제공하는 데 있다.
아울러 상기 버너에서 부생가스를 안정적으로 사용할 수 있도록 하는 데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 중심에 구비된 파이롯 버너, 상기 파이롯 버너의 외측에 구비되고 고발열 가스가 공급되어 선단의 1차 토출구로 배출되는 1차 노즐, 상기 1차 노즐 외측에 구비되고 저발열 가스가 공급되어 선단의 2차 토출구로 배출되는 2차 노즐, 상기 2차 노즐 외측에 구비되고 공기가 공급되어 선단의 공기 토출구로 배출되는 에어 노즐, 상기 파이롯 버너와 1차 노즐, 2차 노즐 및 에어 노즐의 선단이 수용되도록 구비되고 출구측 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리관을 포함하여 구성되어, 각 노즐로부터 토출된 가스들이 벤츄리관 내에서 동시에 완전 연소되면서 토출되도록 한 복합 가스 연소용 버너에 있다.
상기에서 1차 노즐의 선단 부근에는 2차 노즐과 연결되는 통공이 하나 이상 형성된다.
그리고 상기 공기 토출구는 복수개가 구비되어 일부 공기 토출구(이하 제 1공기 토출구라 함)는 1차 토출구 및 2차 토출구와 동일선상에 2차 토출구와 근접한 위치로 구비되고, 다른 공기 토출구(이하 제 2공기 토출구라 함)는 1차 토출구 및 2차 토출구들보다 돌출된 위치로 제 1공기 토출구보다 외측으로 형성된다.
또한 파이롯 버너와 1차 노즐은 지지판에 의하여 서로 결합되어 유동하지않도록 하고, 상기 벤츄리관의 외측으로는 선단이 개방된 소정길이의 캡이 설치되고, 상기 캡의 측부에는 관통공이 천공되며, 상기 관통공은 외측에서 내측으로 선단을 향해서 경사지게 형성된다.
따라서, 본 발명에 의하면 저발열가스와 고발열가스가 사전 혼합없이 토출과 동시에 안정적으로 복합 연소된다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 저발열가스와 고발열가스가 사전 혼합없이 안정적으로 복합 연소되므로 혼합장치 설치 및 관리를 위한 비용과 시간, 인력을 절감할 수 있는 효과가 있고, 제철소 등에서 발생되는 부생가스를 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한 1차 토출구로 배출되는 고발열가스는 파이롯 버너의 화염에 의하여 우선 연소되고, 화염 전파 속도가 빠른 고발열가스의 화염이 인접한 저발열가스로 전달됨과 아울러 저발열가스의 측부에서 함께 토출되는 공기에 의하여 저발열가스의 연소효율이 향상되고 미처 연소되지 못한 저발열가스 등 일부 가스는 토출구로부터 전진된 위치에서 제 2공기 토출구로 토출되는 공기와 접하면서 연소되므로, 고발열가스 및 저발열가스 모두 안정적으로 완전연소되는 효과가 있다.
그리고 캡과 경사진 통공에 의하여 외부공기가 캡내부로 유입되면서 빠른 공기흐름이 발생되어 연소과정에서 발생된 화염과 열이 빠르게 외부로 배출되고, 이러한 공기 흐름에 의하여 고발열가스와 저발열가스의 연소효율도 함께 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 가스 연소용 버너를 나타내는 부분 절개 사시도
도 2는 본 발명에 따른 파이롯 버너와 1차 노즐 및 2차 노즐의 구성을 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 캡을 나타내는 부분절개 사시도
도 4는 본 발명에 따른 복합 가스 연소용 버너의 전체 구조를 나타내는 단면도
도 5는 도 4의 토출구측 확대도
도 6은 도 4의 A-A 단면도
도 7은 본 발명에 따른 복합 가스 연소용 버너의 사용 예를 나타내는 도면
이하 본 발명의 실시 예를 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 복합 가스 연소용 버너는 크게, 도 1 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 중심에 구비된 파이롯 버너(10), 상기 파이롯 버너(10)의 외측에 구비되고 고발열 가스가 공급되어 선단의 1차 토출구(22)로 배출되는 1차 노즐(20), 상기 1차 노즐(20) 외측에 구비되고 저발열 가스가 공급되어 선단의 2차 토출구(32)로 배출되는 2차 노즐(30), 상기 2차 노즐(30) 외측에 구비되고 공기가 공급되어 선단의 공기 토출구(42)(44)로 배출되는 에어 노즐(40), 상기 파이롯 버너(10)와 1차 노즐(20)과 2차 노즐(30) 및 에어 노즐(40)의 선단이 수용되도록 구비되고 출구(52)측 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리관(50)을 포함하여 구성된다.
상기 파이롯 버너(10)는 점화장치로, 후단에 자외선램프를 이용한 화염감지센서(12)가 구비되어 화염에 따라 공급되는 가스들의 투입량이 제어될 수 있도록 하여 일정한 발열량을 유지할 수 있도록 한다.
1차 노즐(20)은 원통형으로 형성되어 파이롯 버너(10)와 동심 상으로 그 외측에 설치되는데, 상기 1차 노즐(20)의 후단은 링형 플랜지에 의하여 파이롯 버너(10)에 고정되고, 상기 1차 노즐(20)의 선단은 개방되어 1차 토출구(22)를 형성하며, 상기 파이롯 버너(10)의 외주와 1차 노즐(20)의 선단에는 축에 수직방향으로 다수개의 지지판(24)이 배치되어 1차 노즐(20)을 파이롯 버너(10)와 동심상으로 정밀하고 견고하게 위치 고정한다.
이때 상기 지지판(24)은 4개가 각각 직각으로 구비되는데, 이외에도 3개가 등간격으로 구비되는 등 최소 2개 이상이 구비되어 1차 노즐(20)을 정확한 위치로 견고하게 고정하여, 연소과정에서 진동이나 소음이 발생하지 않도록 한다.
한편, 상기 1차 노즐(20)의 선단 부근에는 하나 이상의 통공(26)이 형성되어, 2차 노즐(30)의 가스 일부가 1차 노즐(20)로 유입되어 혼합되도록 한다.
그리고, 상기 2차 노즐(30)은 원통형으로 형성되어 1차 노즐(20)의 외측에 위치되고 양 종단에 구비된 링형 플랜지에 의하여 1차 노즐(20)과 동심상으로 설치되는데, 상기 2차 노즐(30)의 선단에 구비된 링형 플랜지에는 다수개의 2차 토출구(32)가 방사상으로 형성된다.
에어 노즐(40)은 다수개로 분리형성되어 조립에 의하여 하나의 원통형으로 형성되어 2차 노즐(30)의 외측에 위치되고 그 양종단에 구비된 링형 플랜지에 의하여 2차 노즐(30)과 동심상으로 설치되는데, 선단에 구비된 링형 플랜지에는 내경측으로 소정폭의 슬릿형 제 1공기 토출구(42)를 방사상으로 복수개 형성하여 에어 노즐(40)의 공기 중 일부가 제 1차 및 2차 노즐(20)(30)로부터 배출되는 가스와 동일한 위치에서 토출되도록 하고, 상기 링형 플랜지의 제 1공기 토출구(42) 외측으로는 다수개의 구멍이 방사상으로 천공되고, 상기 구멍들에는 통형으로 형성된 소정 길이의 공기 토출구(이하 제 2공기 토출구)(44)가 각각 구비되어 에어 노즐(40)로부터 토출되는 가스의 토출위치를 전진시킨다.
상기 벤츄리관(50)은 에어 노즐(40)과 동일한 직경으로 별도로 형성되어 에어 노즐(40)의 선단에 구비될 수도 있고, 상기 에어 노즐(40)의 선단을 벤츄리관(50) 형태로 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 벤츄리관(50)의 외측으로는 선단이 개방된 소정길이의 원통형 캡(60)이 설치되고, 상기 캡(60)의 측부에는 다수개의 관통공(62)이 천공되며, 상기 관통공(62)은 외측에서 내측으로 선단을 향해서 경사지게 형성된다.
상기에서 가스는 BFG, LDG, FOG, COG, LNG, LPG 중에서 필요에 따라 선택하여 사용한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 복합 가스 연소용 버너는 1차 토출구(22)로 배출되는 고발열가스가 파이롯 버너(10)의 파이롯 화염과 접하면서 연소되고, 이 과정에서 1차 노즐(20)에 형성된 통공(26)에 의하여 2차 노즐로 공급된 저발열가스가 1차 노즐(20)내로 일부가 흘러들어와서 1차 노즐(20)로 고발열가스와 소량의 저발열가스가 동시에 토출되어 연소된다.
또한 2차 토출구(32)로는 저발열가스가 배출되어 1차 토출구(22)로 배출되는 혼합 가스의 연소 화염과 벤츄리관(50)내의 공기 또는 2차 노즐(30)의 측부에 형성된 다수개의 슬릿형 제 1공기 토출구(42)로 배출되는 공기를 산화제로 하여 연소되며, 이 과정에서 상기 제 1공기 토출구(42)가 길게 형성되어 있어 2차 토출구(32)로 토출되는 저발열가스가 동시에 넓은 면적에서 공기와 접촉된다.
이러한 연소과정에서 파이롯 버너(10)의 종단 부근에서 연소되지 못한 일부 가스의 경우, 벤츄리관(50)의 출구(52)로 밀려나는 과정에서 상기 에어 노즐(40)의 제 2공기 토출구(44)로부터 배출되는 공기를 산화제로 사용하여 연소된다.
따라서, 저발열가스와 고발열가스를 미리 혼합하지 않더라도 저발열가스와 고발열가스가 모두 안정적으로 완전연소가 이루어지게 되는 것이다.
한편, 1차 노즐(20)과 2차 노즐(30) 및 에어 노즐(40)의 후단에는 각각 고발열가스 공급구(28)와 저발열가스 공급구(38) 및 공기 공급구(48)가 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면 1차 토출구(22)로 토출된 고발열 가스는 파이롯 버너(10)의 화염에 의하여 연소되고, 이때 2차 노즐(20)로 공급되는 저발열가스는 그 일부가 1차 노즐(20)의 통공(26)으로 주입되어 1차 토출구(22)로 고발열가스와 함께 혼합되어 토출되므로 저발열가스의 일부가 고발열가스와 함께 연소된다.
그리고, 2차 토출구(32)로 토출되는 저발열가스는 벤츄리관(50) 내의 공기 및 제 1공기 토출구(42)로 토출되는 공기를 산화제로 하여 연소되고, 이 과정에서 상기 1차 토출구(22)로 토출되는 가스들이 파이롯 화염과 우선 접촉하게 되므로 2차 토출구(32)로부터 토출되는 저발열가스의 일부는 연소하지 못하고 벤츄리관(50)의 출구(52)측으로 밀려나게 되지만, 상기 제 2공기 토출구(52)로 배출되는 공기를 산화제로 하여 연소가 이루어지게 된다.
그리고, 상기 복합 가스 연소용 버너의 적용 예를 도 7을 참조하여 살펴보면, 단열재(110)에 의하여 외부와 차단된 연소실(120)에 상기 버너(100)를 설치하되, 상기 캡(60)의 일측 종단은 연소실(120) 내벽에 밀착되도록 설치되고 타측 종단은 연소실(120)의 상부 내지 중간부에 위치되도록 설치된다.
따라서, 상기 버너(100)의 연소과정 중 연소실(120) 내부의 공기는 관통공(62)을 통하여 캡(60)의 내부로 유입되어 공기순환이 이루어지면서 원활한 연소가 이루어지게 되는데, 이 과정에서 상기 캡의 후단이 막혀있고 측부에 경사진 관통공(62)이 형성되어 캡(60)의 내부에 공기흐름이 발생되면서 캡(60) 외부 공기가 관통공(62)을 통해서 캡(60)의 내부로 주입되는 흐름이 발생된다.
그리고 상기한 연소과정 중 연소실(120) 내부에 피가열물 이동경로(130)가 형성되어 피가열물은 가열되어 배출된다.
10 : 파이롯 버너 20 : 1차 노즐
22: 1차 토출구 24 : 지지판
26 : 통공 30 : 2차 노즐
32 : 2차 토출구 40 : 에어 노즐
42 : 제 1공기 토출구 44 : 제 2공기 토출구
50 : 벤츄리관 60 : 캡
62 : 관통공

Claims (6)

  1. 중심에 구비된 파이롯 버너(10); 상기 파이롯 버너(10)의 외측에 구비되고 고발열 가스가 공급되어 선단의 1차 토출구(22)로 배출되는 1차 노즐(20); 상기 1차 노즐(20) 외측에 구비되고 고로가스를 포함한 저발열 가스가 공급되어 선단의 2차 토출구(32)로 배출되는 2차 노즐(30); 상기 2차 노즐(30) 외측에 구비되고 공기가 공급되어 선단의 공기 토출구(42)(44)로 배출되는 에어 노즐(40); 상기 파이롯 버너(10)와 1차 노즐(20)과 2차 노즐(30) 및 에어 노즐(40)의 선단이 수용되도록 구비되고 출구(52)측 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리관(50); 상기 벤츄리관(50)의 외측으로 설치되고 선단이 개방되며 측부에는 다수개의 관통공(62)이 외측에서 내측으로 선단을 향해서 경사지게 형성되는 원통형 캡(60);을 포함하여 구성되고,
    상기 1차 노즐(20)의 선단 부근에는 하나 이상의 통공(26)이 형성되어, 2차 노즐(30)의 가스 일부가 1차 노즐(20)로 유입되어 혼합되도록 하고,
    상기 공기 토출구(42)(44)는 복수 개가 구비되어 일부 공기 토출구(제 1공기 토출구라 함)(42)는 1차 토출구(22) 및 2차 토출구(32)와 동일선상에 2차 토출구(32)와 근접한 위치로 슬릿형으로 구비되어 2차 토출구(32)로 배출되는 저발열가스가 공기와 넓은 면적에서 접촉되도록 하고, 다른 공기 토출구(제 2공기 토출구라 함)(44)는 1차 토출구(22) 및 2차 토출구(32)들보다 선단을 향해서 돌출된 위치로 제 1공기 토출구(42)보다 외측에 형성되는 것을 특징으로 하는 제철소의 부생가스를 사용한 복합 가스 연소용 버너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 파이롯 버너(10)의 선단 외주와 1차 노즐(20)의 선단 내측에는 축에 수직방향으로 다수개의 지지판(24)이 배치되는 것을 특징으로 하는 제철소의 부생가스를 사용한 복합 가스 연소용 버너.
  5. 삭제
  6. 삭제
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