KR102509551B1 - Low NOx Burner - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산업용 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료노즐의 끝단에 다단 확산공간을 갖는 디퓨저를 구성하여 연소용 공기를 확산시키면서 고르게 분포시키고, 디퓨저의 중앙에 배치되는 1차 연료노즐과 주변부에 배치되는 복수의 2차 연료노즐을 통해 연소로 내 온도에 따라 순차적으로 연료가스를 공급하여 연소시킴으로써 연소로 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 무화염(flameless) 연소가 가능하게 함으로써 녹스(NOx)의 발생량을 줄일 수 있는 산업용 저녹스 버너에 관한 것이다. The present invention relates to an industrial burner, and more particularly, to configure a diffuser having a multi-stage diffusion space at the end of a fuel nozzle to spread and evenly distribute combustion air, and to a primary fuel nozzle disposed in the center of the diffuser and to the peripheral area. By sequentially supplying and burning fuel gas according to the temperature in the combustion furnace through a plurality of secondary fuel nozzles arranged, the temperature distribution and combustion reaction area in the combustion furnace become uniform and the boundary of the flame disappears, making the flame invisible to the naked eye. It relates to an industrial low NOx burner capable of reducing the amount of NOx generated by enabling flameless combustion.
일반적으로 질소산화물은 NO와 NO2를 뜻하며 통상 NOx(녹스)라고 표기하는데, 화석 연료를 연소시킬 때 다량 발생된다.In general, nitrogen oxides mean NO and NO 2 and are usually expressed as NOx (nox), which is generated in large quantities when fossil fuels are burned.
녹스의 생성은 화염온도, 산소농도 및 연료중의 질소성분 등에 의해 영향을 받지만 이들은 운전조건과 연소방법의 변경 등에 의하여 변화시켜 녹스를 저감시킬 수 있다.The generation of rust is affected by flame temperature, oxygen concentration and nitrogen content in fuel, but these can be changed by changing operating conditions and combustion methods to reduce rust.
녹스는 연료에 화학적으로 결합되어 존재하는 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 Fuel 녹스(연료중의 NOx)와, 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 산화하여 연소용 공기 중의 질소 분자를 산화 생성하는 Thermal 녹스(온도의 NOx), 및 탄화수소계열의 화석연료가 고농도상태로 고온에서 산화되어 연소용 공기 중의 질소 분자를 생성하거나 탄화수소계열의 화석연료가 고농도상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 Prompt 녹스로 구분될 수 있다.NOx is fuel rust (NOx in fuel), which is produced by oxidation of components that are chemically bound to fuel during combustion, and thermal rust, which is produced by oxidizing nitrogen molecules in the combustion air when nitrogen in the combustion air is oxidized at high temperatures. (NOx at temperature), and Prompt NOx furnace, which is rapidly generated when hydrocarbon-based fossil fuel is oxidized at high temperature in a high-concentration state to generate nitrogen molecules in the combustion air, or when hydrocarbon-based fossil fuel is exposed to a high-temperature region in a high-concentration state. can be distinguished.
상기 녹스 중 연료중의 녹스인 Fuel 녹스는 연소기술로는 제어할 수 없으므로 업계에서는 Thermal 녹스와 Prompt 녹스를 제어할 수 있는 버너의 개발에 주력하고 있다.Among the rusts, fuel rust, which is rust in fuel, cannot be controlled by combustion technology, so the industry is concentrating on developing burners that can control thermal rust and prompt rust.
녹스는 공기 중의 산소와 질소가 반응하여 생성되는데, 산소와 질소는 상온에서는 상호 반응성이 매우 낮으나 고온(1500℃ 이상)에서는 상호 반응을 하여 NO를 발생시킨다.NOX is produced by the reaction of oxygen and nitrogen in the air. Oxygen and nitrogen have very low mutual reactivity at room temperature, but react with each other at high temperature (1500 ℃ or higher) to generate NO.
따라서 대부분의 연소로 내의 최고 온도지역인 화염 표면지역은 통상 1200 ~ 1750℃의 온도에 도달하므로, 이 반응(N2 + O2 = 2NO)은 NO 생성의 중요한 생성원이 되고 있다.Therefore, since the flame surface area, which is the highest temperature area in most furnaces, usually reaches a temperature of 1200 to 1750 ° C, this reaction (N 2 + O 2 = 2NO) becomes an important source of NO production.
이와 같이 NO가 생성되면 분해반응속도가 느려 N2와 O2로 다시 분해되지 않고, 산소와 다시 반응하여 NO2를 생성(2NO + O2 = 2NO2)하게 된다.When NO is produced in this way, the decomposition reaction rate is slow, so it does not decompose again into N 2 and O 2 , but reacts with oxygen again to produce NO 2 (2NO + O 2 = 2NO 2 ).
이 반응은 온도가 상승함에 따라 반응속도가 느려지는 반응이다.This reaction is a reaction in which the rate of reaction slows down as the temperature increases.
따라서 고온에서는 NO 생성이 활발하며, 기체의 온도가 서서히 내려가면, 고온의 NO는 N2와 O2로 분해된다.Therefore, NO production is active at high temperatures, and when the temperature of the gas gradually decreases, the high-temperature NO is decomposed into N 2 and O 2 .
그러므로, 녹스 생성을 줄이기 위해서는 연소로 전역에 걸쳐 연소공기를 보다 균일하게 공급함과 동시에 버너의 화염온도를 최대한 낮추는 것이 바람직하다.Therefore, in order to reduce the generation of rust, it is desirable to more uniformly supply combustion air throughout the furnace and at the same time lower the flame temperature of the burner as much as possible.
이를 위하여 대한민국 등록특허 제10-0784880호(저녹스형 버너)는 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx의 생성을 동시에 저감할 수 있도록 하고 있고, 대한민국 등록특허 제10-0855719호는 연료공급관의 선단에 탈착 가능하며 연료공급관의 직경보다 큰 직경을 갖는 연료확산부를 설치하여 연료확산부의 직경을 조절함으로써 녹스의 발생을 저감시킬 수 있도록 하였다.To this end, Korean Patent Registration No. 10-0784880 (Low NOx burner) is capable of simultaneously reducing the generation of Thermal NOx and Prompt NOx by implementing high-speed flame generation, rapid mixing of fuel and air, and self-recirculation of combustion gas. Korean Patent Registration No. 10-0855719 discloses that rust can be reduced by adjusting the diameter of the fuel diffusion part by installing a fuel diffusion part that is detachable at the tip of the fuel supply pipe and has a larger diameter than the diameter of the fuel supply pipe. made it possible
그러나 상기한 등록특허들의 저녹스형 버너는 장치가 복잡하고 번잡한 문제가 있다. However, the low NOx type burner of the above registered patents has a problem in that the device is complicated and troublesome.
또한 대한민국 등록특허 제10-1022722호(저녹스 버너)는 공기를 연소로 내로 공급하며 그 선단부에 경사단면이 형성되어 있는 공기공급관과, 상기 공기공급관 내부에 설치되고 연료를 공급하는 연료공급관, 상기 연료공급관의 선단부 외주면에 위치한 헤드, 상기 헤드의 외주면에 설치된 복수개의 연료 노즐 및 상기 공기공급관의 경사단면과 헤드 사이에 연소로 내로 공기를 공급하는 급기통로가 형성되어 있는 저녹스 버너에 있어서, 상기 급기통로의 폭을 조정함으로써 공기공급량을 조절할 수 있도록 상기 공기공급관과 상기 연료공급관 사이에는 공기조절관이 설치되도록 구성되어 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1022722 (low NOx burner) discloses an air supply pipe supplying air into a combustion furnace and having an inclined cross section formed at the tip thereof, a fuel supply pipe installed inside the air supply pipe and supplying fuel, the A head located on the outer circumferential surface of the front end of the fuel supply pipe, a plurality of fuel nozzles installed on the outer circumferential surface of the head, and a low NOx burner having an air supply passage for supplying air into the combustion furnace between the inclined end surface of the air supply pipe and the head, wherein the An air control pipe is installed between the air supply pipe and the fuel supply pipe so that the air supply amount can be adjusted by adjusting the width of the air supply passage.
이 등록특허는 급기통로의 폭을 조절함으로써 연소로 내로 공급되는 연소공기의 양을 조절할 수 있지만, 공기공급관 내에서 공기가 고르게 분포하지 못하여 각 헤드의 위치로 연소공기를 고르게 공급하지 못하는 문제점이 있다.This registered patent can adjust the amount of combustion air supplied into the combustion furnace by adjusting the width of the air supply passage, but there is a problem in that the air is not evenly distributed in the air supply pipe and thus the combustion air is not evenly supplied to the positions of each head. .
또한 종래의 저녹스 버너는 중앙 분사구에서 연료가스가 분사되면서 연소용 공기와 혼합 과정을 거쳐 연소되기 때문에 비교적 좁은 영역에서 많은 에너지가 방출됨에 따라 높은 연소온도가 유지되고, 따라서 녹스량이 상대적으로 증가하게 된다.In addition, in the conventional low-NOx burner, fuel gas is injected from the central injection port and combusted through a process of mixing with combustion air, so that a high combustion temperature is maintained as a large amount of energy is released in a relatively narrow area, and thus the amount of rust is relatively increased. do.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연소로 내로 공급되는 공기가 균일하게 분포할 수 있으며, 연소로 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 무화염(flameless) 연소가 가능하게 함으로써 녹스(NOx)의 발생량을 현저하게 줄일 수 있는 산업용 저녹스 버너를 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to uniformly distribute the air supplied into the combustion furnace, to make the temperature distribution and combustion reaction area in the furnace uniform, and to disappear the boundary of the flame to visually see. An object of the present invention is to provide an industrial low NOx burner capable of significantly reducing the amount of NOx generated by enabling flameless combustion in which the flame is not visible.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너는, 전방면이 개방되게 형성되고, 연소용 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되어 연소로의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징; 상기 버너하우징의 전단부에 결합되어 버너하우징 내부로 공급된 연소용 공기를 전방의 연소로 내로 확산시키면서 분사하는 디퓨저; 상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 연소로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐; 및, 상기 버너하우징의 주변부를 통해 상기 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 연소로 내측으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐;을 포함할 수 있다. Industrial low NOx burner according to the present invention for achieving the above object, the front surface is formed to be open, the air inlet into which air for combustion is introduced is formed is coupled to one end of the combustion furnace burner housing in the form of a cylinder; a diffuser that is coupled to the front end of the burner housing and spreads and injects combustion air supplied into the burner housing into a front combustion furnace; The first fuel is installed so that the front end is inserted into the nozzle receiving hole of the diffuser through the center of the burner housing to primarily inject fuel gas into the diffusion space until the temperature in the furnace reaches a predetermined temperature. Nozzle; and a plurality of nozzles installed so as to pass through a periphery of the burner housing at a location spaced apart from the center of the diffuser by a predetermined distance in a radial direction, and injecting fuel gas into the combustion furnace when the fuel gas injection of the first fuel nozzle is finished. A second fuel nozzle; may be included.
본 발명의 바람직한 한 형태에 따른 산업용 저녹스 버너는, 전방면이 개방되게 형성되고, 연소용 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되어 연소로의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징; 상기 버너하우징의 전단부에 결합되며, 중심부 후방에 노즐수용공이 형성되고, 상기 노즐수용공의 전방에 노즐 수용공보다 큰 직경을 가지며 후방면은 노즐수용공과 연통되고 전방면은 연소로 내로 연통되는 확산공간이 형성되며, 상기 노즐수용공의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 다단 확산공간의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되고, 상기 확산공간의 반경방향 외측에 상기 버너하우징 및 연소로 내부와 연통되는 복수의 외측 공기공급공이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있는 디퓨저; 상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 연소로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐; 및, 상기 버너하우징의 주변부를 통해 상기 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 연소로 내측으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐;을 포함할 수 있다. An industrial low-NOx burner according to a preferred embodiment of the present invention includes a cylindrical burner housing having an open front surface and having an air inlet into which air for combustion is introduced and coupled to one end of a combustion furnace; It is coupled to the front end of the burner housing, a nozzle receiving hole is formed at the rear of the center, and has a larger diameter than the nozzle receiving hole in front of the nozzle receiving hole, and the rear surface communicates with the nozzle receiving hole and the front surface communicates into the combustion furnace. A diffusion space is formed, and a plurality of inner air supply holes penetrating from the rear end of the nozzle receiving hole to the rear end of the multi-stage diffusion space are arranged at regular intervals along the circumferential direction at the radially outer side of the diffusion space. a diffuser in which a plurality of external air supply holes communicating with the inside of the burner housing and the combustion passage are formed to penetrate in the forward and backward directions; The first fuel is installed so that the front end is inserted into the nozzle receiving hole of the diffuser through the center of the burner housing to primarily inject fuel gas into the diffusion space until the temperature in the furnace reaches a predetermined temperature. Nozzle; and a plurality of nozzles installed so as to pass through a periphery of the burner housing at a location spaced apart from the center of the diffuser by a predetermined distance in a radial direction, and injecting fuel gas into the combustion furnace when the fuel gas injection of the first fuel nozzle is finished. A second fuel nozzle; may be included.
상기 제2연료노즐은 상기 디퓨저의 외측 공기공급공보다 반경방향 외측으로 더 떨어진 위치에 설치될 수 있다. The second fuel nozzle may be installed at a position further away from the outer air supply hole of the diffuser in a radial direction.
상기 제2연료노즐의 내경은 상기 제1연료노즐의 내경보다 작은 것이 바람직하다. The inner diameter of the second fuel nozzle is preferably smaller than the inner diameter of the first fuel nozzle.
상기 노즐수용공 내측으로 삽입된 제1연료노즐의 전단부 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배열되며, 전후방향을 따라 나선형으로 연장되거나 축방향에 대해 일정 각도로 비틀어지게 형성되어 노즐수용공 내주면과 제1연료노즐의 전단부 외주면 사이로 유동하는 연소용 공기를 선회시키는 복수의 스월블레이드;를 더 포함할 수 있다. Arranged at regular intervals along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the front end of the first fuel nozzle inserted into the nozzle accommodating hole, extending spirally along the front-back direction or twisted at a certain angle with respect to the axial direction, the inner circumferential surface of the nozzle accommodating hole and a plurality of swirl blades for swirling combustion air flowing between the outer circumferential surface of the front end of the first fuel nozzle.
상기 스월블레이드는 상기 제1연료노즐의 끝단부 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 링 형태의 블레이드헤드의 외면에 일체로 형성될 수 있다. The swirl blade may be integrally formed on an outer surface of a ring-shaped blade head detachably coupled to an outer circumferential surface of an end of the first fuel nozzle.
상기 내측 공기공급공 및 외측 공기공급공은 후방에서 전방을 향해 반경방향 내측으로 경사지게 연장될 수 있다. The inner air supply hole and the outer air supply hole may obliquely extend radially inward from the rear toward the front.
상기 디퓨저의 확산공간은 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간이 연속적으로 배열되면 다단 확산공간을 형성할 수 있다. The diffusion space of the diffuser may form a multi-stage diffusion space when a plurality of diffusion spaces having a larger inner diameter are continuously arranged toward the front.
상기 디퓨저의 다단 확산공간을 구성하는 개별 확산공간들은 후방에서 전방으로 갈수록 점차적으로 내경이 증가하면서 콘(cone) 형태로 이루어질 수 있다. The individual diffusion spaces constituting the multi-stage diffusion space of the diffuser may be formed in a cone shape with an inner diameter gradually increasing from the rear to the front.
본 발명에 따르면, 중심부의 제1연료노즐을 통해 연료가스가 분사되어 1차적으로 화염을 생성하고, 일정 온도 이상에서 주변부의 복수의 제2연료노즐을 통해 연료가스가 분사되어 연소영역이 넓게 분포되면서 연소속도가 감소하여 연소온도를 낮출 수 있고, 연소온도와 비례하는 녹스의 농도를 감소시킬 수 있다.According to the present invention, the fuel gas is injected through the first fuel nozzle in the center to primarily generate a flame, and the fuel gas is injected through a plurality of second fuel nozzles in the periphery above a certain temperature, so that the combustion area is widely distributed. As the combustion rate decreases, the combustion temperature can be lowered, and the concentration of rust proportional to the combustion temperature can be reduced.
또한 디퓨저 중심부에 형성된 다단 확산공간을 통해서 연소용 공기를 균일하게 확산시키면서 연료가스와 반응시켜 화염을 생성할 수 있으므로 녹스 발생량을 더욱 저감시킬 수 있다. In addition, since combustion air can be uniformly diffused through the multi-stage diffusion space formed at the center of the diffuser and reacted with the fuel gas to generate a flame, the amount of rust generation can be further reduced.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너를 구성하는 디퓨저의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 변형례를 나타낸 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 무화염(flameless) 운전 원리를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 무화염 저녹스 버너와 일반적인 화염 발생형 저녹스 버너의 화염 온도 변화를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8a는 일반적인 화염 발생형 저녹스 버너의 연소로 내 온도 변화에 따른 녹스(NOx) 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 8b는 본 발명에 따른 무화염 저녹스 버너의 연소로 내 온도 변화에 따른 녹스(NOx) 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너를 구성하는 디퓨저의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다. 1 is a perspective view of an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
2 is a longitudinal cross-sectional view of an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
4 is a front view of a diffuser constituting an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
5 is a longitudinal cross-sectional view showing a modified example of an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the principle of flameless operation of an industrial low NOx burner according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a comparison of flame temperature changes of a flameless low NOx burner and a general flame generating low NOx burner according to the present invention.
Figure 8a is a graph showing the amount of rust (NOx) generation according to the temperature change in the combustion furnace of a general flame-generating low NOx burner.
Figure 8b is a graph showing the amount of NOx generated according to the temperature change in the combustion furnace of the flameless low NOx burner according to the present invention.
9 is a cross-sectional view showing another embodiment of a diffuser constituting an industrial low NOx burner according to the present invention.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 산업용 저녹스 버너에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. An industrial low NOx burner according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.
또한 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너(100)는, 연소로(10)의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징(110), 상기 버너하우징(110)의 전단부에 결합되는 디퓨저(120), 상기 버너하우징(110)의 중심부를 통해서 디퓨저(120)의 후방부 중심에 결합되는 제1연료노즐(130), 상기 버너하우징(110)의 주변부를 통해 상기 디퓨저(120)의 주변부에 결합되는 복수의 제2연료노즐(140) 및, 상기 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면에 결합되어 연소용 공기를 선회시키는 스월부재(150)를 포함한다. 1 to 4, the industrial
버너하우징(110)은 전단부가 개방된 원통형으로 되어 연소로(10)의 후단부 외측에 부착된다. 버너하우징(110)의 일측부에는 내부 공간으로 연소용 공기가 유입되는 공기유입구(112)가 개방되게 형성되어 있다. 공기유입구(112)는 공기공급장치(미도시)와 연결되어 연소를 위한 상온 또는 예열된 공기를 버너하우징(110)의 내부 공간으로 공급한다. The
버너하우징(110)의 후단부에는 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140)의 후단부와 연결되어 연료가스를 공급하는 연료공급부(160)가 설치된다. 상기 연료가스는 매립가스(LFG, Land Fill Gas), LFG와 바이오가스를 혼합한 혼합가스를 사용할 수 있다. 이외에 연료가스로서 LNG, 또는 LNG와 바이오가스를 혼합한 혼합가스 등을 사용할 수도 있을 것이다. 연료공급부(160)는 연료가스 공급원과 연결되어 연료가스를 공급받으며, 연소시스템의 제어부(미도시)에 의해 유로가 전환되면서 연료가스를 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140) 중 어느 하나로 공급하는 유로제어밸브(161)와, 상기 유로제어밸브(161)를 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140)에 각각 연결하는 제1연료공급관(162) 및 제2연료공급관(163)을 포함할 수 있다. At the rear end of the
디퓨저(120)는 전방 중심부에 화염점화 영역을 형성하여 연료가스와 연소용 공기가 반응하여 화염의 형성이 용이하도록 하며, 연료가스와 연소용 공기가 연소되면서 발생되는 화염을 전방으로 안내하는 기능을 한다. The
상기 디퓨저(120)는 고온용 내화 시멘트로 이루어질 수 있다. 상기 디퓨저(120)의 중심부 후방에는 제1연료노즐(130)의 전단부가 삽입되는 노즐수용공(121)이 형성되고, 상기 노즐수용공(121)의 전방에 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간(122a, 122b)이 연속적으로 배열된 다단 확산공간(122)이 전방으로 개방되게 형성되어 있다. 또한 노즐수용공(121)의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 다단 확산공간(122)의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공(123)이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 있다. 그리고 상기 다단 확산공간(122)의 반경방향 외측에 상기 버너하우징(110) 및 연소로(10) 내부와 연통되는 복수의 외측 공기공급공(124)이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있다. The
따라서 버너하우징(110)의 공기유입구(112)를 통해 버너하우징(110) 내부로 유입된 공기의 일부는 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 외주면 사이의 공간과 상기 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급되고, 나머지 일부의 공기는 외측 공기공급공(124)을 통해서 연소로(10) 내부로 공급된다. Therefore, part of the air introduced into the
상기 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)을 구성하는 개별 확산공간(122a, 122b)들은 각각 직경이 일정하게 형성될 수 있지만, 도 2 및 도 3에 도시한 것과 같이 각각의 개별 확산공간(122a, 122b)은 후방에서 전방으로 갈수록 점차적으로 내경이 증가하면서 콘(cone) 형태를 가질 수 있다. The
상술한 것과 같이 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)이 콘 형태를 가지면, 스월부재(150) 및 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급된 연소용 공기가 원활하게 선회하면서 전방으로 유동하여 균일한 확산이 이루어질 수 있다. As described above, when the
또한 내측 공기공급공(123) 및 외측 공기공급공(124)은 축방향과 나란하게 연장될 수 있지만, 도 5에 도시한 것과 같이 내측 공기공급공(123) 및 외측 공기공급공(124)이 후방에서 전방을 향해 반경방향 내측으로 경사지게 연장된 구조를 가질 수도 있다. In addition, the inner
또한 디퓨저(120)에는 버너하우징(110)을 관통하여 설치되는 파일럿버너와 같은 점화장치(171) 및 자외선 감지기와 같은 화염검출장치(172)를 수용하기 위한 복수의 구멍(125)이 다단 확산공간(122)과 연통되게 형성될 수 있다. In addition, the
제1연료노즐(130)은 내열성이 우수한 금속으로 이루어지며, 버너하우징(110)의 후방면 중심을 관통하여 전단부가 디퓨저(120)의 노즐수용공(121) 내측에 삽입되게 설치된다. 제1연료노즐(130)은 연소로(10) 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122) 내측으로 연료가스를 1차적으로 분사하여 화염을 생성한다. The
제1연료노즐(130)의 전단부의 외경은 노즐수용공(121)의 내경보다 작게 되어 제1연료노즐(130)의 전단부의 외주면과 노즐수용공(121)의 내주면 사이에는 연소용 공기가 흐를 수 있는 공간이 형성된다. The outer diameter of the front end of the
상기 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이의 공간을 통해 유동하는 연소용 공기가 다단 확산공간(122) 내측으로 유입되면서 연료가스와 연소용 공기가 더욱 균일하게 혼합될 수 있도록 하기 위하여 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이에 스월부재(150)가 설치된다. As the combustion air flowing through the space between the inner circumferential surface of the nozzle
상기 스월부재(150)는 상기 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 링 형태의 블레이드헤드(151)와, 상기 블레이드헤드(151)의 외면에 일체로 형성된 복수의 스월블레이드(152)를 포함할 수 있다. 상기 스월블레이드(152)는 전후방향을 따라 나선형으로 연장되거나 축방향에 대해 일정 각도로 비틀어지게 형성되어 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이로 유동하는 연소용 공기를 선회시키면서 균일하게 확산될 수 있도록 하는 기능을 한다. The
이 때, 스월블레이드(152)를 따라 안내되는 연소용 공기가 스월블레이드(152)의 면을 따라서 유동하는 코안다 효과를 발생시켜 공기 흐름을 안정화시킬 수 있도록 하기 위하여 스월블레이드(152)는 후방부가 볼록한 에어포일 형태를 가질 수 있다. 즉, 복수의 스월블레이드(152) 각각은 후단부에 앞전(leading edge)가 형성되고 전단부에 뒷전(trailing edge)이 형성된 에어포일 형태를 가질 수 있다. At this time, in order to stabilize the air flow by generating a Coanda effect in which combustion air guided along the
상기 스월블레이드(152)가 제1연료노즐(130)의 외주면에 착탈될 수 있는 링 형태의 블레이드헤드(151)에 형성되면, 제1연료노즐(130) 자체를 가공하지 않고, 별도로 스월부재(150)를 제작하여 필요에 따라 스월부재(150)를 제1연료노즐(130)에 착탈시켜 사용할 수 있으므로 제작 및 사용이 매우 용이한 이점이 있다.When the
제2연료노즐(140)은 버너하우징(110)의 주변부를 통해 디퓨저(120)의 주변부, 즉 디퓨저(120)의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐(130)의 연료가스 공급이 종료되면 연소로(10) 내측으로 연료가스를 분사한다. 제2연료노즐(140)은 상기 디퓨저(120)의 외측 공기공급공(124)보다 반경방향 외측으로 더 떨어진 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 제2연료노즐(140)은 연소로(10) 내부로 연료가스 제트를 분사할 수 있도록 제1연료노즐(130)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. The
이 실시예에서 제2연료노즐(140)은 2개가 디퓨저(120)의 양측 테두리 부분에 근접하게 설치되어, 연소로(10) 내의 산소 농도가 낮고(대략 3% 이하) 불연 희석제의 농도가 높은 연소가스 재순환 구역으로 연료가스를 직접 고속 제트로 분사함으로써 무화염(flameless) 운전이 가능하도록 한다. 무화염 운전이란 연소로(10) 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 운전 상태로서, 산소농도가 낮아 화염의 크기가 작고 화염이 분산 및 확장되어 가시적인 화염이 보이지 않는다. In this embodiment, two
도 6을 참조하면, 양측의 제2연료노즐(140)에 의해 고속 제트로 분사된 연료가스는 연료가스의 자체 발화점보다 낮은 온도에서 연소용 공기 및 재순환 연소가스와 혼합되므로 연료가스와 연소용 공기가 반응영역을 형성하여 화염이 발생하기 전에 충분히 혼합된다. 제2연료노즐(140)에서 분사된 연료가스는 재순환 연소가스의 산소(농도가 3% 이하임)와 반응하면서 연소로(10) 내의 산소를 소진한다. Referring to FIG. 6, since the fuel gas injected as a high-speed jet by the
이러한 무화염 운전 조건에서는 NOx(녹스) 생성이 현저하게 줄어드는데(도 7과 도 8a 및 도 8b의 그래프 참조), 이는 반응물과 불연 희석제의 혼합으로 화염이 작고 연소온도가 낮으며, 연소영역이 확장되기 때문이다. 또한 연료가스가 중앙에 집중되지 않고 주변부에 복수의 위치로 분산되므로 NOx 형성의 주요구역인 Flame Front가 없고, 화염 중 산소의 농도를 낮춤으로써 상대적으로 질소의 반응 속도를 낮출 수 있다. Under these flameless operating conditions, NOx (Nox) production is significantly reduced (see the graphs of FIGS. 7 and 8A and 8B), which is due to the mixture of reactants and non-combustible diluents, resulting in a small flame, low combustion temperature, and a high combustion area. because it expands In addition, since the fuel gas is not concentrated in the center but dispersed in multiple locations around the periphery, there is no flame front, which is a major area for NOx formation, and the reaction rate of nitrogen can be relatively reduced by lowering the concentration of oxygen in the flame.
이러한 구성으로 이루어진 저녹스 버너는 다음과 같이 작동한다. The low NOx burner with this configuration operates as follows.
버너하우징(110)의 공기유입구(112)를 통해 유입되는 연소용 공기는 디퓨저(120) 중앙의 노즐수용공(121) 내주면과 제1연료노즐(130) 외주면 사이의 공간과 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급된다. 이 때 노즐수용공(121) 내주면과 제1연료노즐(130) 외주면 사이의 공간으로 유입되는 연소용 공기는 스월블레이드(152)를 통과하면서 선회하여 다단 확산공간(122) 내측에서 선회류가 발생하여 제1연료노즐(130)을 통해 공급되는 연료가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 또한 다단 확산공간(122)은 개별 확산공간(122a, 122b)들이 전방에 배치된 것이 더 큰 직경을 가지므로 연소용 공기가 전방으로 유동하면서 확산이 더욱 원활하게 이루어져 연료가스와의 혼합이 균일하게 이루어지면서 화염이 생성될 수 있으며, 이는 녹스 저감에 유리한 영향을 미치게 된다. Combustion air introduced through the
이 때 디퓨저(120)의 외측 공기공급공(124)을 통해서도 소정량의 연소용 공기가 분사되면서 화염이 생성된다. At this time, a flame is generated while a predetermined amount of combustion air is injected through the external
제1연료노즐(130)을 통해 연료가스가 공급되고 디퓨저(120)를 통해 연소용 공기가 공급되면서 화염이 생성되는데, 연소로(10) 내의 온도가 제어부(미도시)에 입력되는 소정의 온도(예를 들어 500~700℃)에 도달하면, 제어부는 연료공급부(160)의 유로제어밸브(161)를 절환하여 제1연료노즐(130)로의 연료가스 공급을 차단하고, 복수의 제2연료노즐(140)로 연료가스를 공급하도록 유로를 제어한다. 상기 제2연료노즐(140)을 통해 연료가스를 공급하는 온도는 연료가스의 착화 온도보다 약간 낮은 온도로서, 이는 연료가스가 불꽃을 만들기 전에, 즉 연료가스와 연소용 공기가 반응하기 전에 연소로 내의 연소가스 중의 산소(O2)와 연소용 공기, 연료가스를 충분히 혼합하기 위함이다. As fuel gas is supplied through the
복수의 제2연료노즐(140)을 통해 공급되는 연료가스는 연소로(10) 내의 주변부의 연소가스 재순환 구역으로 분사되어 무화염(flameless) 운전이 진행된다. 이 때 제2연료노즐(140)을 통해 분사되는 연료가스의 연소가 진행되는 과정에서 연소로(10)의 주변을 순환하는 연소가스 내의 잔존 산소가 반응하여 산소가 소진되므로 무화염 연소가 진행될 수 있다. 전술한 것과 같은 무화염 운전에 의해 녹스 발생량을 현저하게 저감할 수 있다. The fuel gas supplied through the plurality of
상술한 것과 같이 본 발명의 저녹스 버너는 중심부의 제1연료노즐(130)을 통해 연료가스가 분사되어 1차적으로 화염을 생성하고, 일정 온도 이상에서 주변부의 복수의 제2연료노즐(140)을 통해 연료가스가 분사되어 연소영역이 넓게 분포되면서 연소속도가 감소하여 연소온도를 낮출 수 있고, 연소온도와 비례하는 녹스의 농도를 감소시킬 수 있다.As described above, in the low NOx burner of the present invention, fuel gas is injected through the
또한 디퓨저(120) 중심부에 형성된 다단 확산공간(122)을 통해서 연소용 공기를 균일하게 확산시키면서 연료가스와 반응시켜 화염을 생성할 수 있으므로 녹스 발생량을 더욱 저감시킬 수 있다. In addition, since combustion air can be uniformly diffused through the
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산업용 저녹스 버너의 디퓨저(120)를 나타낸 것으로, 이 실시예의 산업용 저녹스 버너는 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)의 내주면에 부착되는 원통형의 메쉬(mesh)로 된 메쉬부재(180)를 더 포함한다. 9 shows a
상기 메쉬부재(180)는 내열성의 금속 재질로 된 원통형의 망체(mesh)로 이루어져, 다단 확산공간(122) 내측으로 유입되는 연소용 공기의 선회류에 와류를 추가로 발생시킴으로써 연소용 공기가 더욱 균일하게 혼합될 수 있도록 함과 더불어, 열에너지를 흡수하여 녹스 발생을 더욱 저감시키는 작용을 한다. The
상기 메쉬부재(180)는 중공관들이 가로세로로 엮여서 메쉬 구조를 이루며, 중공관 내부에 열을 흡수하여 상변화하는 상변화물질이 채워져 열에너지를 더 효과적으로 흡수할 수 있게 구성될 수도 있다. The
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although the detailed description of the present invention described above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the art will find the spirit of the present invention described in the claims to be described later. And it will be understood that the present invention can be variously modified and changed without departing from the technical scope.
10 : 연소로 100 : 저녹스 버너
110 : 버너하우징 112 : 공기유입구
120 : 디퓨저 121 : 노즐수용공
122 : 다단 확산공간 123 : 내측 공기공급공
124 : 외측 공기공급공 130 : 제1연료노즐
140 : 제2연료노즐 150 : 스월부재
160 : 연료공급부 171 : 점화장치
172 : 화염검출장치 180 : 메쉬부재10: combustion furnace 100: low NOx burner
110: burner housing 112: air inlet
120: diffuser 121: nozzle receiving hole
122: multi-stage diffusion space 123: inner air supply hole
124: external air supply hole 130: first fuel nozzle
140: second fuel nozzle 150: swirl member
160: fuel supply unit 171: ignition device
172: flame detection device 180: mesh member
Claims (9)
상기 버너하우징의 전단부에 결합되며, 중심부 후방에 노즐수용공이 형성되고, 상기 노즐수용공의 전방에 노즐 수용공보다 큰 직경을 가지며 후방면은 노즐수용공과 연통되고 전방면은 연소로 내로 연통되는 확산공간이 형성되며, 상기 노즐수용공의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 확산공간의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되고, 상기 확산공간의 반경방향 외측에 상기 버너하우징 및 연소로 내부와 연통되는 복수의 외측 공기공급공이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있는 디퓨저;
상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 연소로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 축방향으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐; 및,
상기 버너하우징의 주변부를 통해 상기 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 연소로 내측으로 축방향으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐; 및,
상기 버너하우징의 후단부에 상기 제1연료노즐 및 제2연료노즐의 후단부와 연결되어 연료가스를 공급하는 연료공급부;
를 포함하고,
상기 연료공급부는, 연료가스 공급원과 연결되어 연료가스를 공급받으며 제어부에 의해 유로가 전환되면서 연료가스를 제1연료노즐과 제2연료노즐 중 어느 하나로 공급하는 유로제어밸브와, 상기 유로제어밸브를 제1연료노즐과 제2연료노즐에 각각 연결하는 제1연료공급관 및 제2연료공급관을 포함하고,
상기 디퓨저의 확산공간은 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간이 연속적으로 배열되면서 다단 확산공간을 형성하는 산업용 저녹스 버너.a cylindrical burner housing having an open front surface, an air inlet through which air for combustion is introduced, and coupled to one end of the combustion furnace;
It is coupled to the front end of the burner housing, a nozzle receiving hole is formed at the rear of the center, and has a larger diameter than the nozzle receiving hole in front of the nozzle receiving hole, and the rear surface communicates with the nozzle receiving hole and the front surface communicates into the combustion furnace. A diffusion space is formed, and a plurality of inner air supply holes penetrating from the rear end of the nozzle receiving hole to the rear end of the diffusion space are arranged at regular intervals along the circumferential direction, radially outside of the diffusion space. a diffuser in which a plurality of external air supply holes communicating with the inside of the burner housing and the combustion passage are formed to pass through;
The front end is installed to be inserted into the nozzle receiving hole of the diffuser through the center of the burner housing, and the fuel gas is primarily injected into the diffusion space in the axial direction until the temperature in the furnace reaches a predetermined temperature a first fuel nozzle; and,
It is installed to penetrate a position spaced apart from the center of the diffuser by a predetermined distance in the radial direction through the periphery of the burner housing, and injects fuel gas axially into the combustion furnace when the fuel gas injection of the first fuel nozzle is finished. of the second fuel nozzle; and,
a fuel supply unit connected to the rear ends of the first fuel nozzle and the second fuel nozzle to supply fuel gas to the rear end of the burner housing;
including,
The fuel supply unit is connected to a fuel gas supply source to receive fuel gas, and a flow control valve for supplying fuel gas to one of the first fuel nozzle and the second fuel nozzle while the flow path is switched by the control unit, and the flow control valve Including a first fuel supply pipe and a second fuel supply pipe respectively connected to the first fuel nozzle and the second fuel nozzle,
The diffusion space of the diffuser is an industrial low NOx burner in which a plurality of diffusion spaces having a larger inner diameter are continuously arranged to form a multi-stage diffusion space toward the front.
를 더 포함하는 산업용 저녹스 버너.The method of claim 1, wherein the first fuel nozzle is arranged at regular intervals along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the front end of the first fuel nozzle inserted into the nozzle receiving hole, and is spirally extended along the front-back direction or twisted at a certain angle with respect to the axial direction. a plurality of swirl blades formed to swirl combustion air flowing between the inner circumferential surface of the nozzle receiving hole and the outer circumferential surface of the front end of the first fuel nozzle;
An industrial low-NOx burner further comprising a.
The industrial low NOx burner according to claim 1, wherein a cylindrical mesh member made of a heat-resistant material is installed on the inner circumferential surface of the diffusion space of the diffuser.
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