KR20010009896A - 젯 펌프를 구비한 공업로용 가스 연소기 - Google Patents

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KR20010009896A
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손재익
한국에너지기술연구소
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Abstract

연소된 배기 가스를 연료 및 공기와 혼합하여 재연소시켜 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있는 공업로용 가스 연소기가 개시된다. 본 발명에 따른 가스 연소기는 공기 공급관과 연결되어 공기 유로를 제공하는 캐이싱; 캐이싱과 동축을 이루도록 캐이싱내에 배치되며, 연료와 공기를 혼합하여 연소시키기 위한 연소실과 연소실에서 발생한 화염을 안정시키기 위한 연소 안정실을 구비하는 연소관; 연소관의 일측에서 연소관에 나사 결합되어 캐이싱내부를 통과하여 연소관내로 공급되는 공기를 연소관내로 급속하게 공급하기 위한 공기 유속 조정관; 그리고 상기 연소관의 연소 안정실측에 연결되어 연소 안정실을 통과한 화염을 노내로 분사하기 위한 화염 토출관을 구비한다. 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가스 연소기에서, 연소관과 공기 유속 조정관 사이에 배압이 발생하며, 이로 인해 노에서 배출되는 배기 가스가 배기관을 통해 상기 연소관내로 흡인되어 연료 및 공기와 혼합되어 재연소된다. 상술한 바와 같이, 배기 가스를 재연소시킴으로써 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있다.

Description

젯 펌프를 구비한 공업로용 가스 연소기 {A gas burner for industrial furnace, which has a jet pump}
본 발명은 공업용 가스 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소된 배기 가스를 연료 및 공기와 혼합하여 재연소시킴으로써 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있는 가스 연소기에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 연소기는 가정용, 소규모 사업용, 및 산업용으로 크게 분류할 수 있다. 가정용 및 소규모 사업용 가스 연소기로는 취사 도구로서 사용되는 가스 버너와 난방 장치로서 사용되는 가스 보일러를 예로 들수 있다. 산업용 가스 연소기로는 철강 산업에서 철광석을 용융하기 위한 노에 장착되는 가스 버너를 예로 들 수 있다.
공업용 노에 적용되는 가스 연소기는 다량의 에너지를 소비하는 장치중 하나로서 에너지 소비량에 비례하여 많은 오염 물질을 배출하는 장치로 지목되고 있다. 근래들어, 환경 친화적인 장치의 개발에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 공업로용 가스 연소기 분야에서는, 공해를 유발하는 대표적인 오염 물질중 하나인 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제하여 배기 가스중의 질소 산화물의 농도를 낮출 수 있는 가스 연소기를 개발하는데 많은 노력을 기울이고 있다.
가스 연소기에서, 공해를 유발하는 오염 물질은 연소 화염의 열적 구조 특성에 따라 발생하는 양이 달라지며, 연소 화염의 열적 구조는 연소용 공기와 연료와의 혼합 특성에 의해 결정된다.
일반적인 저공해 연소기는 연료와 연소용 공기를 단계적으로 공급하여 혼합 특성을 제어하도록 구성되어 있다. 한편, 연소된 배기 가스를 재순환시켜 연료 및 공기와 혼합하여 재연소시키는 연소기가 개발 사용되고 있다. 그러나, 상기 연소기의 경우에, 연소된 배기 가스를 재순환시키기 위해 별도의 배기 가스 순환용 송풍기를 필요로 한다. 특히, 재순환되는 배기 가스량을 조절하기 위하여 연소기 내부 압력과 흡인용 송풍기의 압력을 조절해야 하는 등 고도의 제어 기술을 필요로하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공업용 노에서 연소된 배기 가스를 연료 및 공기와 혼합하여 재연소시킴으로써 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있는 공업로용 가스 연소기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 흡인용 송풍기 없이도 배기 가스를 연소기 내로 용이하게 흡인할 수 있는 공업로용 가스 연소기를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 연소기의 종단면도이다.
〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉
100: 연소기 110: 캐이싱
114: 점화기 조립체 120: 연소관
130: 공기 유속 조정관 140: 화염 토출관
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은:
공기 공급관과 연결되어 공기 유로를 제공하며, 점화기 조립체를 구비하는 캐이싱;
상기 캐이싱과 동축을 이루도록 상기 캐이싱내에 배치되며, 연료와 공기를 혼합하여 연소시키기 위한 연소실과 상기 연소실에서 발생한 화염을 안정시키기 위한 연소 안정실을 구비하는 연소관;
상기 연소관의 일측에서 상기 연소관에 나사 결합되어 상기 캐이싱내부를 통과하여 상기 연소관내로 공급되는 공기를 상기 연소관내로 급속하게 공급하기 위한 공기 유속 조정관; 그리고
상기 연소관의 연소 안정실측에 연결되어 상기 연소 안정실을 통과한 화염을 노내로 분사하기 위한 화염 토출관을 구비하는 공업로용 가스 연소기를 제공한다.
상기 캐이싱은 원통 형상으로, 일단부는 화염 차단판에 의해 막혀 있고, 타단부는 상기 연소관이 삽입 장착될 수 있도록 개구되어 있으며, 상기 타단부에 인접한 위치에는 상기 공기 공급관을 연결하기 위한 관통공이 형성되어 있고, 상기 일단부에 인접한 위치에는 배기관이 관통 연장되는 구멍이 형성된다.
상기 연소관의 연소부는 상기 캐이싱내에 배치되며, 상기 연소부와 상기 연소 안정부가 연통되는 연결부에는 그 외주면을 따라 플랜지가 일체로 형성되어 있고, 일단부로부터 소정 거리 만큼 떨어진 위치에 상기 배기관을 연결하기 위한 관통공이 형성되어 있으며, 상기 연소 안정부에는 그 내주면 전체에 걸쳐 내화재가 부착된다.
상기 공기 유속 조정관은 깔대기 형상으로, 일단부측의 개구가 타단부측의 개구보다 직경이 크며 일단부측의 외주에는 나사가 형성되어 있으며, 상기 연소관의 일단부측에 나사결합되어 상기 캐이싱을 통과하여 상기 연소관의 연소부내로 공급되는 공기의 유속을 증가시킨다.
상기 공기 유속 조정관과 상기 연소관의 연소부 벽부 사이에는 연료 연소시 배압이 발생되어 상기 배기관을 통해 노에서 배출되는 배기 가스를 흡인한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 가스 연소기는, 연소관과 공기 유속 조정관 사이에 배압이 발생하며, 이로 인해 노에서 배출되는 배기 가스가 배기관을 통해 상기 연소관내로 흡인되어 연료 및 공기와 혼합되어 재연소된다. 따라서, 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있는 장점이 있다.
또한, 연소관 내의 압력차를 이용하여 배기 가스를 흡인하기 때문에 배기 가스 흡인용 송풍기가 필요없으며 그 결과 연소기의 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 연소기(100)에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 연소기(100)의 단면도이다. 도 1로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공업용 노에 사용되는 가스 연소기(100)는 공기 공급관(112)과 연결되어 공기 유로를 제공하며, 점화기 조립체(114)를 구비하는 캐이싱(110); 상기 캐이싱(110)과 동축을 이루도록 상기 캐이싱(110)내에 배치되며, 연료와 공기를 혼합하여 연소시키기 위한 연소실(122)과 상기 연소실 (122)에서 발생한 화염을 안정시키기 위한 연소 안정실(124)을 구비하는 연소관 (120); 상기 연소관(120)의 일측에서 상기 연소관(120)에 나사 결합되어 상기 캐이싱(110)내부를 통과하여 상기 연소관(120)내로 공급되는 공기를 상기 연소관(120)내로 급속하게 공급하기 위한 공기 유속 조정관(130); 그리고 상기 연소관(120)의 연소 안정실(124)측에 연결되어 상기 연소 안정실(122)을 통과한 화염을 노내로 분사하기 위한 화염 토출관(140)을 구비한다.
상기 캐이싱(110)은 원통 형상으로, 일단부는 화염 차단판(116)으로 막혀 있고 타단부는 개방되어 있다. 상기 화염 차단판(116)에는 점화관 조립체(114)가 관통 연장하며, 상기 점화관 조립체(114)에 인접한 상기 차단판(116)의 소정 위치에는 상기 가스 연소기(100) 내에서의 연소 상태를 관찰하기 위한 투시창(118)이 설치된다.
상기 캐이싱(110)의 일단부에 인접한 위치에는 상기 공업용 노(도시 않됨)와 연결되어 배기 가스중 일부를 상기 가스 연소기(100)내로 흡인하기 위한 배기관 (119)이 관통 연장되는 관통공이 형성되어 있다. 또한, 상기 캐이싱(110)의 타단부에 인접한 위치에는 연소용 공기를 공급하는 공기 공급관(112)을 연결하기 위한 관통공이 형성되어 있다.
상술한 점화관 조립체(114)는 연료로 사용되는 가스를 공급하기 위한 가스관 (114a)과 상기 가스관(114a)내에 배치되어 상기 가스관(114a)내에서 연장되는 점화봉(114b)을 포함한다. 상기 점화봉(114b)의 일단부는 상기 가스관(114a) 밖으로 연장되며, 그 말단에는 점화 플러그(115)가 장착된다. 한편, 상기 가스관(114a)을 통해 공급되는 가스가 상기 가스관(114a)내에서 연장되는 상기 점화봉(114b)과 직접 접촉함으로써, 마찰로 인해 폭발하는 것을 방지하기 위하여 상기 점화봉(114b)의 표면을 절연재로 피복한다.
상기 연소관(120)은 전체적으로 원통 형상으로, 상기 캐이싱(110)과 동축을 이루도록 상기 캐이싱(110)내에 배치된다. 상기 연소관(120)은 연료와 공기를 혼합하여 연소시키기 위한 연소실(122)과 상기 연소실(122)에서 발생한 화염을 안정시키기 위한 연소 안정실(124)을 구비한다.
상기 연소관(120)의 연소실(122)은, 일단부측에서 상기 연소 안정실(124) 쪽으로 단면적이 감소한다. 상기 연소 안정실(124)은 단면적이 상기 캐이싱(110)의 단면적과 거의 같거나 그 보다 약간 작다.
상기 연소관(120)의 일단부측의 내주면에는 상기 공기 유속 조정관(130)을 나사 결합시키기 위한 나사가 형성되어 있다. 상기 연소관(120)의 일단부측에 인접한 소정 위치에는 상기 배기관(119)을 연결하기 위한 관통공이 형성되며, 상기 관통공은 상기 캐이싱(110)의 일단부에 인접한 위치에 형성된 관통공에 대응된다. 상기 배기관(119)의 단부측의 외주면에는 나사가 형성되어 있으며, 상기 배기관(119)이 연결되는 연소관(120)의 관통공의 내면 또한 상기 배기관(119)에 형성된 나사에 대응하도록 나사가 형성된다. 한편, 상기 연소관(120)의 연소 안정실(124)측의 타단부에는 상기 화염 토출관(140)을 연결하기 위한 플랜지(124a)가 형성되어 있다.
상기 연소관(120)에서, 상기 연소실(122)과 상기 연소 안정실(124)이 연결되는 부분의 외주면에는 플랜지(124b)가 상기 연소관(120)과 일체로 형성되어 있으며, 상기 플랜지(124b)의 일면은 상기 캐이싱(110)의 타단부면과 접하며, 용접 등의 방법으로 상기 연소관(120)의 플랜지(124b)를 상기 캐이싱(110)의 타단부면에 형성된 플랜지(110a)접합하거나 볼트 및 너트로 체결함으로써 상기 캐이싱(110)과 상기 연소관(120)을 연결 결합시킨다.
상기 연소관(120)의 연소 안정실(124) 측의 타단부에는, 상기 연소관(120)에서 발생한 화염을 상기 공업용 노내로 분사하기 위한 화염 토출관(140)이 연결된다. 상기 화염 토출관(140)은, 일단부측에서 타단부측으로 가면서 단면적이 점감한다. 상기 화염 토출관(140)의 일단부에는 그 외주면을 따라 플랜지(142)가 형성되어 있으며, 상기 플랜지(142)를 상기 연소관(120)의 연소 안정실(124)측 타단부에 형성된 플랜지(124a)와 맞대어 볼트와 너트를 이용하여 체결함으로써 상기 연소관 (120)에 상기 화염 토출관(140)을 연결시킨다.
한편, 상기 연소관(120)의 연소 안정실(122) 벽부와 상기 화염 토출관(140)의 내면에는, 연소시 발생한 화염에 의해 연소관(120) 및 화염 토출관(140)이 열변형되는 것을 방지하기 위하여 내화재(126)를 부착하거나 내화 도료로 도포한다.
상기 공기 유속 조정관(130)은 전체적으로 깔대기 형상으로, 일단부측에서 타단부측으로 단면적이 점감한다. 상기 공기 유속 조정관(130)의 일단부측의 외주면에는, 나사가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 상기 공기 유속 조정관(130)의 타단부측을 상기 연소관(120)의 상기 연소실(122)내로 삽입 연장시킨 상태에서, 일단부의 외주면에 형성된 나사와 상기 연소관(120)의 일단부 내주면에 형성된 나사를 결합시킴으로써 상기 공기 유속 조정관(130)을 상기 연소관(120)에 고정시킨다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 가스 연소기(100)의 각 구성 요소의 작용 관계에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 공업로용 가스 연소기(100)에 있어서, 먼저 상기 연소관(120)의 일단부측에서 상기 공기 유속 조정관(130)을 상기 연소관(120)내로 삽입한 후, 상기 공기 유속 조정관(130)을 상기 연소관(120)에 나사결합시켜 장착한다. 이어서, 상기 연소관(120)의 연소 안정실(124) 벽부 내면에 내화재(126)를 부착하거나 내화용 도료를 도포한다. 또한, 상기 화염 토출관(140)의 내주면에도 내화재를 부착하거나 내화용 도료를 도포한다. 그 후, 상기 화염 토출관(140)의 플랜지(142)를 상기 연소관(120)의 연소 안정실 (124)측의 타단부에 상기 연소관(120)과 일체로 형성된 플랜지(124a)와 맞대어 놓은 상태에서 볼트와 너트를 이용하여 체결함으로써 상기 연소관(120)에 상기 화염 토출관(140)을 연결 고정시킨다.
계속해서, 상기 공기 유속 조정관(130)이 장착된 일단부측이 상기 캐이싱 (110) 내부로 연장되도록, 상기 화염 토출관(140)과 상기 공기 유속 조정관(130)이 장착된 상기 연소관(120)을 상기 캐이싱(110)내로 삽입하여 상기 연소관(120)의 플랜지(124b)와 상기 캐이싱(110)의 타단부에 일체로 형성된 플랜지(110a)가 맞대이도록 위치시킨다. 볼트를 상기 플랜지(110a, 124b)에 형성된 관통공내로 관통 연장시킨 후, 너트를 체결하여 상기 연소관(120)을 상기 캐이싱(110)에 견고하게 결합시킨다.
상기 캐이싱(110)에 상기 연소관(120)을 결합시킨 후, 상기 캐이싱(110)의 일단부에 인접한 위치에 형성된 관통공내로 상기 배기관(119)을 삽입하여 상기 연소관(120)의 외주면 쪽으로 연장시킨다. 상기 배기관(119)의 단부가, 상기 캐이싱 (110)의 관통공과 대응하도록 상기 연소관(120)에 형성된 관통공에 완전히 접근하면, 상기 배기관(119)을 회전시켜 상기 관통공과 나사 결합시킨다.
그 후, 상기 배기관(119)이 관통 연장된 상기 배기관(119)의 관통공과 접하는 부분을 용접하여 상기 배기관(119)을 상기 연소관(120) 및 상기 캐이싱(110)에 고정시키는 한편, 상기 캐이싱(110) 내부 및 외부 사이의 공기의 유동을 차단할 수 있도록 기밀을 유지하도록 한다.
다음에, 상기 공기 공급관(112)을 상기 캐이싱(110)의 타단부측에 형성된 관통공과 접하도록 배치한 상태에서 상기 공기 공급관(112)을 상기 캐이싱(110)에 용접하여 연결한다.
최종적으로, 상기 캐이싱(110)의 화염 차단판(116)에 형성된 관통공 내로 상기 점화기 조립체(114)를 삽입하여, 상기 점화기 조립체(114)가 상기 캐이싱(110) 및 상기 연소기(120)내로 연장되도록 한다. 이때, 상기 점화기 조립체(114)는, 상기 점화봉(114b) 말단부의 점화 플러그(115)가 상기 공기 유속 조정관(130)의 타단부측 개구를 지나 연장되도록 하는 한편 상기 가스 공급관(114a)의 단부는 상기 공기 유속 조정관(130)의 타단부측 개구와 일치하도록 장착한다.
이와 같이 조립이 완성되면, 상기 가스 연소기(100)를 상기 공업용 노에 장착한다.
상술한 바와 같은 가스 연소기(100)에서, 최초 점화시에, 연료로 사용되는 가스는 상기 점화기 조립체(114)의 가스관(114a)을 통해 상기 연소관(120)의 연소실(122)내에 공급된다. 한편, 연소용 공기는 상기 공기 공급관(112)을 통해 상기 캐이싱(110)내로 공급되어 상기 캐이싱(110)내에서 상기 연소관(120)의 외주면을 따라 유동하여 상기 공기 유속 조정관(130)을 통해 상기 연소관(120)내로 공급되어 상기 가스와 혼합되어 연소된다.
연소가 진행됨에 따라, 상기 공기 공급관(112)을 통해 상기 캐이싱(110)내로 공급되는 공기는 상기 캐이싱(110)내에서 상기 연소관(120)에 의해 예열된다.
상술한 바와 같이 예열된 공기는 상기 공기 유속 조정관(130)을 통과하면서 그 유속이 상당히 빨라진다. 따라서, 상기 연소관(120)의 연소실(122)은 상기 공기 유속 조정관(130)을 통과한 공기와 가스관(114a)으로부터 분사된 연료 가스의 고속 유동으로 인해 압력차가 생기게 된다. 상기 연소실(122)내에서, 상기 연소 안정실 (124)측 보다는 상기 공기 유속 조정관(130)과 상기 캐이싱(110) 벽부 사이, 즉 상기 공기 유속 조정관(130)의 개구 주위의 압력이 낮아지는 현상이 발생한다.
상술한 압력 차이로 인해, 배기관(119)을 통해 배기 가스가 상기 연소실 (122)내로 유입하게 된다. 상기 연소관(120)의 연소실(122)내로 유입된 배기 가스는 공기 및 연료 가스와 혼합되어 재연소된다. 또한, 상기 연소 안정실(124)내의 벽면에 강력한 와류가 형성되어, 상기 와류에 의해 화염이 안정을 유지하게 된다. 이후, 연소 가스는 상기 화염 토출구(140)를 통해 노내로 고속으로 분사된다.
따라서, 본 발명에 따른 공업로용 가스 연소기는, 연소관 내부의 소정 위치에 배압이 발생되도록 하고, 상기 연소실내에서의 압력차로 인해 배기 가스의 일부를 상기 연소실내로 흡입하여 연료 및 공기와 함께 재연소시킴으로써, 배기 가스중 질소 산화물(NOx)의 농도를 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 연소관 내의 압력차를 이용하여 배기 가스를 흡인하기 때문에 배기 가스 흡인용 송풍기가 필요없으며 그 결과 연소기의 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 특허청구범위는 상술한 실시예만으로 한정되지 않으며 변형 및 변경가능함을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다.

Claims (5)

  1. 공기 공급관과 연결되어 공기 유로를 제공하며, 점화기 조립체를 구비하는 캐이싱;
    상기 캐이싱과 동축을 이루도록 상기 캐이싱내에 배치되며, 연료와 공기를 혼합하여 연소시키기 위한 연소실과 상기 연소실에서 발생한 화염을 안정시키기 위한 연소 안정실을 구비하는 연소관;
    상기 연소관의 일측에서 상기 연소관에 나사 결합되어 상기 캐이싱내부를 통과하여 상기 연소관내로 공급되는 공기를 상기 연소관내로 급속하게 공급하기 위한 공기 유속 조정관; 그리고
    상기 연소관의 연소 안정실측에 연결되어 상기 연소 안정실을 통과한 화염을 노내로 분사하기 위한 화염 토출관을 구비하는 것을 특징으로 하는 공업로용 가스 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캐이싱은 원통 형상으로, 일단부는 화염 차단판에 의해 막혀 있고, 타단부는 상기 연소관이 삽입 장착될 수 있도록 개구되어 있으며, 상기 타단부에 인접한 위치에는 상기 공기 공급관을 연결하기 위한 관통공이 형성되어 있고, 상기 일단부에 인접한 위치에는 배기관이 관통 연장되는 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공업용 가스 연소기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연소관의 연소부는 상기 캐이싱내에 배치되며, 상기 연소부와 상기 연소 안정부가 연통되는 연결부에는 그 외주면을 따라 플랜지가 일체로 형성되어 있고, 일단부로부터 소정 거리 만큼 떨어진 위치에 상기 배기관을 연결하기 위한 관통공이 형성되어 있으며, 상기 연소 안정부에는 그 내주면 전체에 걸쳐 내화재가 부착되는 것을 특징으로 하는 공업로용 가스 연소기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 유속 조정관은 깔대기 형상으로, 일단부측의 개구가 타단부측의 개구보다 직경이 크며 일단부측의 외주에는 나사가 형성되어 있으며, 상기 연소관의 일단부측에 나사결합되어 상기 캐이싱을 통과하여 상기 연소관의 연소부내로 공급되는 공기의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 공업로용 가스 연소기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 공기 유속 조정관과 상기 연소관의 연소부 벽부 사이에는 연료 연소시 배압이 발생되어 상기 배기관을 통해 노에서 배출되는 배기 가스를 흡인하는 것을 특징으로 하는 공업로용 가스 연소기.
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