KR20010058147A - 산소부화 연소버너의 공기공급 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소부화 연소버너에 공기를 공급하는 방법에 관한 것으로서, 산소부화 연소용 버너에 있어서, 버너(1)의 1차공기공급구(37)와 2차공기공급구 (36)를 독립적으로 배치하고, 상기 1차공기공급구(37)는 1차공기주관(70)과 1차공기지관( 60)에 연결되도록 함과 더불어 상기 2차공기공급구(36)는 공기와 산소가 혼합되는 혼합실(34)과 연결되는 산소부화공기 주관(35)과 산소부화공기 지관(41)에 연결되도록 하며, 상기 혼합실(34) 전의 공기공급관(39)과 1차공기주관 (70)상에는 상호 연동되어 조절되는 유량조절밸브(50),(51)를 설치하여 1차공기공급구(37)로는 순수한 공기만 공급하고, 2차공기공급구(36)에는 산소부화공기를 공급하는 것으로 1차공기와 2차공기가 버너에 별도로 공급되고, 1차공기로는 산소가 부화되지 않은 공기가 주입되므로서 1차연소에서의 연소온도를 산소부화연소시보다 감소시켜 연료노즐과 1차공기노즐 선단의 고온열화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 1차공기의 분사속도를 조절가능하므로 2차공기의 고속분사 연소시의 단점인 점화초기 화염불안정 현상 등도 방지할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

산소부화 연소버너의 공기공급 방법{Air supply method of oxygen enriched combustion}

본 발명은 산소부화 연소버너에 공기를 공급하는 방법에 관한 것으로서, 특히 연소용 공기에 산소를 혼합하여 공기중 산소농도를 높힘으로서 연소가스량을 줄여 연소가스의 현열손실량 감소와 전열효율을 향상시키는 고효율 산소부화 연소시스템이 설치되는 산소부화 연소버너의 공기공급 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산소부화 연소는 연료의 연소시 기존의 공기 대신에 공기중에 산소를 혼입시켜 공기중의 산소농도를 높여주는 것으로서 화염의 온도가 상승하고 전열효율이 향상되며 연소가스량이 감소되는 연료절약형 연소기술이다. 공기중에는 산소가 21%, 질소가 79% 함유되어 있으나, 산소를 공기에 혼합시켜 산소부화를 시키면 공기중 산소의 농도는 증가되고 질소의 농도는 감소하므로 연소가스의 양이 대폭적으로 저감된다. 산소부화율 1% 증가당(예, 공기중 산소농도가 21%에서 22%로 된다면) 1.2%의 연료절감이 가능하다고 보고되고 있으며, 따라서 산소부화율을 증가시키면 열효율도 동반 상승되는 효과가 있다.

고산소부화 연소와 같은 고온 연소에서의 한가지 문제점인 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 많은 방법들이 게시되어 있는 바, 그 대표적인 방법으로 공기2단연소를 기본으로 한 공기고속분사법이 있다. 공기고속분사법으로 게시되어 있는 일본국 특개평6-257723(1994년)과 미국특허 4,378,205(1983년) 등에서는 복수개의 공기노즐을 버너 중심에 설치된 연료노즐의 외주 동심원상에 배치하고, 산소 혹은 산소가 부화된 공기를 통상 연소대비 고속으로 분사함으로서 질소산화물(NOx)의 저감을 도모한다. 이와 유사하게 일본국 특개평7-103428(1995년)에서는 버너의 중심에 고속분사 산소노즐을 설치하고 산소노즐의 외주 동심원상에서 연료를 다수개의노즐을 통하여 분사한다.

그러나 상기한 버너들은 연료노즐과 1차공기노즐 등의 금속제 구성품이 고온에 노출되어 수명이 짧은 구조적 문제점을 가지고 있다. 즉, 통상의 공기연소와는 다르게 산소부화연소에서는 산소부화율의 증가에 따라 연소온도가 상승하게 되므로 연료노즐부위에서 형성된 화염과 고온인 노내의 복사열로 인하여 노즐의 고온열화가 일어나게 되는 것으로서 산소부화연소의 적용성 향상을 위하여 노즐의 내열성 향상이 요구되고 있는 것이다.

한편 산소부화연소시 고온연소에 따른 버너 노즐의 보호를 위한 방법으로 버너를 전부 내열금속으로 구성하고 버너의 내부에 냉각수를 통입시키는 방법이 있으나 다수의 버너가 동시에 사용되는 가열로 등의 경우에는 시스템이 복잡해지는 등의 문제가 있다. 따라서 내열성을 구비한 산소부화버너의 개발 필요성이 증대되고 있는 상황이다.

종래 산소부화 버너의 대표적인 구조를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 버너에서는 버너(1)의 중심에 연료노즐(21)이 설치되며, 연료노즐(21)의 외주에 환상의 1차공기노즐(22)이 설치된다. 또한 연료노즐(21)과 1차공기노즐(22)의 외주 동심원상에 복수개의 2차공기노즐(23)이 설치된다. 이러한 구조의 버너(1)에서는 1, 2차공기(11),(12)를 고속으로 분사하여 공기분류 중에 노내의 연소가스를 흡인함으로서 공기가 연료와 반응하기 전에 연소용 공기중의 산소농도를 희석시켜 연소온도 저하와 산소농도 저하에 의해 질소산화물(NOx)의 저감을 도모하는 것이다.

상기한 버너(1)에서 산소부화 연소시는 산소농도가 높은 공기가 1차공기노즐(22)로 유입되게 되며, 연료노즐(21)의 선단에서 1차연소가 일어나게 된다. 따라서 연료노즐(21)의 선단은 고온에 노출되게 되며 산화등에 의해 소손이 일어나게 된다. 본 발명의 발명자들이 도 1과 동일한 버너(1)를 제작하여 실험한 결과 연료노즐(21) 선단의 적열현상이 관찰되었으며, 고온의 가열로 등에 적용시는 고온열화의 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 종래의 산소부화용 버너는 내구성 측면에서 개선의 여지가 많은 것으로서 적용성 향상을 위해서는 특히 비수냉식 내열기술이 요구되는 것이다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 산소부화용 버너가 갖는 각종 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 연소용 공기의 공급방법 개선에 의하여 버너 노즐의 열화를 방지할 수 있는 산소부화 연소버너의 공기공급 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 산소부화 연소 버너의 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 산소부화 버너의 공기공급 방법을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 버너 11 : 1차공기

12 : 2차공기 21 : 연료노즐

22 : 1차공기노즐 23 : 2차공기노즐

31 : 송풍기 32 : 압력조절기

33 : 유량계 34 : 혼합실

35 : 산소부화공기 주관 36 : 2차공기공급구

37 : 1차공기공급구 39 : 공기공급관

41 : 산소부화공기 지관 50, 51 : 유량조절밸브

60 : 1차공기 주관 70 : 1차공기 지관

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 산소부화 연소버너의 공기공급 방법은

산소부화 연소용 버너에 있어서, 버너(1)의 1차공기공급구(37)와 2차공기공급구 (36)를 독립적으로 배치하고, 상기 1차공기공급구(37)는 1차공기주관(70)과 1차공기지관(60)에 연결되도록 함과 더불어 상기 2차공기공급구(36)는 공기와 산소가 혼합되는 혼합실(34)과 연결되는 산소부화공기 주관(35)과 산소부화공기 지관(41)에 연결되도록 하며, 상기 혼합실(34) 전의 공기공급관(39)과 1차공기주관(70)상에는상호 연동되어 조절되는 유량조절밸브(50),(51)를 설치하여 1차공기공급구(37)로는 순수한 공기만 공급하고, 2차공기공급구(36)에는 산소부화공기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명 산소부화 연소버너의 공기공급 방법을 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하여 우선 버너(1)를 설명하면 종래의 버너(도 1)와 다르게 1차공기공급구(37)와 2차공기공급구(36)를 독립적으로 구성하고, 2차공기공급구(36)에는 혼합실(34)에서 산소와 혼합된 공기가 산소부화공기 주관(35)과 산소부화공기 지관(41)을 통하여 공급되도록 구성하며, 1차공기공급구(37)에는 산소와 혼합되지 않은 공기가 1차공기주관(70)과 1차공기지관(60)을 통하여 공급되도록 구성한다.

전체의 공기/산소 공급시스템을 보면, 송풍기(31)에서 가압된 공기는 압력조절기(32)에서 압력이 조절되어 유량계(33)를 거쳐 공기공급관(39)을 통과하여 혼합실(34)로 공급되는 공기와 1차공기주관(70)으로 공급되는 공기로 나뉘어진다. 버너(1)가 사용되는 가열로 등에서 필요한 양만큼의 공기가 유량계(33)를 통과하게 되고,산소부화율에 따라 설정된 산소가 혼합실(34)에 공급된다. 혼합실(34)에서 혼합된 산소부화공기는 산소부화공기 주관(35)과 산소부화공기 지관(41)을 통하여 각 버너의 2차공기공급구(36)로 공급되며, 상기 1차공기주관(70)과 1차공기지관(60)을 통과한 공기는 1차공기공급구(37)로 공급된다. 그리고 혼합실(34)과 1차공기주관(70)으로 공급되는 공기는 각각 연동되는 유량조절밸브(50),(51)에 의해 자동으로 비율이 조정되는 구조이다. 편의상 산소공급계통은 상세한 도시를 생략하였다.

상기한 구성의 공기공급 시스템을 채용한 본 발명 산소부화 연소버너의 공기공급 방법을 보면, 통상 산소부화 연소버너에서는 질소산화물(NOx) 저감을 위해 1차공기와 2차공기로 나누어 공기를 공급하는데 주된 질소산화물(NOx) 저감은 2차공기에 의해 좌우되는 것으로 발표되고 있다. 즉, 2차공기로 다량의 공기가 공급되고 1차공기는 화염의 안정 등을 위해 소량만 공급되는 것이 일반적이다. 도 1과 같은 구성에서는 산소부화공기가 1차공기노즐(22)과 2차공기노즐(23)에 동시에 공급되므로 고온 1차연소에 의한 연료노즐(21)과 1차공기노즐(22)의 선단 적열의 문제점이 있는 것이다.

그러나 본 발명에 의하면 1차공기로는 산소가 혼합되지 않은 순수한 공기만 공급되게 된다. 연료의 연소시 공기 단독 연소시에는 연소온도가 상대적으로 낮아 노즐의 적열문제가 발생되지 않으면서 1차공기의 주된 역할인 화염안정 등의 기능을 발휘할 수 있는 것이다. 산소부화공기는 통상 내화물로 구성되는 2차공기노즐( 23)로만 공급되므로 본 발명에 의하면 연료노즐(21)과 1차공기노즐(22 )의 고온 열화를 방지할 수 있는 것이다.

또한 1차공기주관(70)등에 감압밸브(도시하지 않음) 등을 설치하여 저압의 1차공기를 공급할 수도 있으며, 이경우 질소산화물(NOx) 저감을 위한 고속공기 분사 연소시의 문제점인 점화초기의 화염불안정 문제도 아울러 해결할 수 있는 것이다. 즉, 산소가 부화된 2차공기는 고속으로 분사하여 질소산화물(NOx) 저감을 도모하고, 순수한 공기만 1차공기로 저속 주입함에 의해 화염의 불안정 현상(특히 저온조업 및 초기 노의 승온시)도 동시에 해결할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 1차공기로는 순수한 공기만 공급하고 2차공기로 산소부화 공기를 공급함에 의해 산소부화 연소의 목적을 달성하면서 질소산화물(NOx) 저감과 노즐의 열화방지 및 화염안정에도 유익한 효과가 있는 것으로 종래 산소부화연소의 문제점을 해결할 수 있는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명 산소부화 연소버너의 공기공급 방법에 의하면 1차공기와 2차공기가 버너에 별도로 공급되고, 1차공기로는 산소가 부화되지 않은 공기가 주입되므로서 1차연소에서의 연소온도를 산소부화연소시보다 감소시킴으로서 연료노즐과 1차공기노즐 선단의 고온열화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 1차공기의 분사속도를 조절가능하므로 2차공기의 고속분사 연소시의 단점인 점화초기 화염불안정 현상 등도 방지할 수 있는 장점이 잇다.

Claims (1)

1. 산소부화 연소용 버너에 있어서, 버너(1)의 1차공기공급구(37)와 2차공기공급구 (36)를 독립적으로 배치하고, 상기 1차공기공급구(37)는 1차공기주관(70)과 1차공기지관(60)에 연결되도록 함과 더불어 상기 2차공기공급구(36)는 공기와 산소가 혼합되는 혼합실(34)과 연결되는 산소부화공기 주관(35)과 산소부화공기 지관(41)에 연결되도록 하며, 상기 혼합실(34) 전의 공기공급관(39)과 1차공기주관(70)상에는 상호 연동되어 조절되는 유량조절밸브(50),(51)를 설치하여 1차공기공급구(37)로는 순수한 공기만 공급하고, 2차공기공급구(36)에는 산소부화공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소버너의 공기공급 방법.