KR20010061446A

KR20010061446A - 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한질소 산화물 저감방법

Info

Publication number: KR20010061446A
Application number: KR1019990063941A
Authority: KR
Inventors: 사공경상; 김승룡
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-07
Also published as: KR100480004B1

Abstract

본 발명은 축열체를 내장한 한쌍의 버너를 구비하여 일정주기로 연소, 배기가 교차되는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법에 관한 것으로서, 연소용 공기의 토출 운동량(momentum)을 이용하여 배기가스를 연소영역으로 재순환시키고, 연소공기를 불균일하게 공급하여 화염의 최고온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물의 발생을 저감할 수 있는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법에 관한 것이다.

본 발명은, 복사전열관을 이용하고 축열체를 가지는 두개의 버너가 서로 교번 연소하는 축열식 연소시스템에 있어서, 일측 버너로부터 고속 분출되는 연소공기에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너를 통하여 배출되는 배가스를 상기 타측 버너에 연결된 연결통로를 통하여 상기 일측 버너의 연소영역으로 재공급하고 질소산화물 발생을 저감하도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치와, 이를 이용하는 질소 산화물 저감방법을 제공한다.

Description

복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법{REGENERATIVE COMBUSTION APPARATUS WITH RADIANT TUBE AND METHOD FOR LOWERING NOx BY USING THIS APPARATUS}

본 발명은 축열체를 내장한 한쌍의 버너를 구비하여 일정주기로 연소, 배기가 교차되는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 연소용 공기의 토출 운동량(momentum)을 이용하여 배기가스를 연소영역으로 재순환시키고, 연소공기를 불균일하게 공급하여 화염의 최고온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물의 발생을 저감할 수 있는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법에 관한 것이다.

일반적으로 간접가열식 연소시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 복사 전열관(13)을 이용하여 복사열로써 피가열물을 가열하는 장치로서, 종래에는 배열회수를 위하여 복사 전열관(13)의 출구에 열교환기(미도시)를 설치하여 연소공기를 예열함으로써 그 열효율을 향상시키고 있으나, 연소공기와 배기가스 사이에서는 철판을 통한 전열이 이루어지기 때문에 전열저항이 크게 되어 열효율이 그다지 높지 않다.

따라서, 이와 같은 축열식 연소시스템은 열효율을 향상시키기 위하여 배기가스열을 직접 접촉에 의해 축열하고 연소공기와 직접 접촉하여 방열하는 축열체(11)를 버너(5a)(5b)에 장착하여 이를 이용하여 열효율을 향상시키도록 되어 있는 것이다.

이와 같은 축열식 연소시스템은 두개의 버너(5a)(5b)가 한 조로 구성되어 한쪽의 버너(5a)가 연소하면, 반대쪽의 버너(5b)는 고온의 연소가스를 버너(5b)내부 또는 버너(5b)와 일체로 구성되는 축열체(11)를 통하여 축열후 배기하며, 이와는 반대로 상기 반대쪽의 버너(5b)가 연소하면, 버너(5a)는 고온의 연소가스를 버너(5a)내부 또는 버너(5a)와 일체로 구성되는 축열체(11)를 통하여 축열후 배기하며, 이 사이클이 사방변(12)에 의하여 20초-90초 정도의 짧은 주기로 서로 반복된다.

그리고, 연소공기가 버너(5a)(5b)에 공급되면 고온으로 축열된 축열체(11)로 부터 고온의 열을 직접 회수함으로써 고온의 배열을 이용하여 가열될 수 있는 초고온 연소기술이다.

이러한 축열식 연소시스템은 고온의 연소공기(52)로 작동이 되기 때문에, 연소시 고온 연소에 따른 질소산화물(NOx) 발생량이 증가하는 단점이 있다. 그리고,직화식 연소로에서는 연소공간이 넓어 버너의 형상을 다양하게 구성하여 질소산화물을 저감시키는 것이 가능하나, 간접가열식 연속시스템에서는 내경 200mm 이하의 복사전열관(Radiant Tube)(13) 내에서 연소가 되기 때문에 버너(5a)(5b) 형상 설계에 제약을 많이 받는다. 특히, 좁은 공간내에서 연소할때 방염효과가 낮아 화염온도가 상승하며, 이때 질소산화물이 급격하게 증가한다. 그리고, 질소산화물은 고온의 연소영역에서 급격하게 반응한다.

따라서, 배가스를 재순환하여 연소영역으로 공급하면 연료와 연소공기의 반응성을 떨어뜨려 국부고온영역을 없애줌으로서 질소산화물 생성이 억제된다. 그리고, 복사전열관(13)에서는 연소가스가 항상 출구쪽으로 진행하는 특성이 있기 때문에 배가스를 재순환하기 위해서는 배기구쪽에서 별도의 송풍기(blower)(미도시) 등의 구동장치가 요구된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연소용 공기의 토출운동량(momentum)에 의한 분사되는 공기의 부압 에너지를 이용하여 배기가스를 연소영역으로 재순환시키고, 연소공기를 불균일하게 공급하여 화염의 최고온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물의 발생을 저감할 수 있는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치 및 이를 이용한 질소 산화물 저감방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 축열식 연소시스템의 개략 구성도;

도 2는 본 발명에 따른 축열식 연소장치의 버너를 도시한 일부 절결 사시도;

도 3은 본 발명에 따른 축열식 연소장치의 버너를 도시한 정단면도;

도 4는 본 발명에 따른 축열식 연소장치에 갖춰진 버너의 노즐을 도시한 개략 구성도;

도 5는 본 발명에 따른 축열식 연소장치의 버너 동작상태를 나타낸 구성도;

도 6은 본 발명에 따른 축열식 연소장치의 버너 연소상태를 나타낸 개략도;

도 7은 본 발명에 따른 축열식 연소장치의 버너에 사용되는 축열체의 구성도로서,

a)는 외관 사시도, b)는 단면도, c)는 구멍이 다수개 형성된 구성도;

도 8의 a) 및 b)는 온도에 대한 질소산화물 특성을 나타낸 그래프 및 버너의 화염위치별 온도분포를 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

5a,5b... 버너 11 ..... 축열체

11b.... 구멍 12 ..... 사방변

13 ..... 복사전열관 22 ..... 연료노즐

24 ..... 연소공기노즐 51 ..... 연소공기

54 ..... 연소배가스 56 ..... 재순환 배가스

57..... 연결통로 61 ..... 희박연소영역

62 ..... 과농연소영역 80 ..... 댐퍼

82 ..... 열전대

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

복사전열관을 이용하고 축열체를 가지는 두개의 버너가 서로 교번 연소하는 축열식 연소시스템에 있어서, 일측 버너로부터 고속 분출되는 연소공기에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너를 통하여 배출되는 배가스를 상기 타측 버너에 연결된 연결통로를 통하여 상기 일측 버너의 연소영역으로 재공급하고 질소산화물 발생을 저감하도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치를 마련함에 의한다.

그리고, 본 발명은 복사전열관을 이용하고 축열체를 가지는 두개의 버너가 서로 교번 연소하는 축열식 연소시스템에서 연소중 발생되는 질소 산화물을 저감시키는 방법에 있어서, 일측 버너로부터 고속 분출되는 연소공기에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너를 통하여 배출되는 배가스를 상기 타측 버너에 연결된 연결통로를 통하여 상기 일측 버너의 연소영역으로 재공급하고, 상기 버너에 형성된 연소공기노즐을 통하여 연소공기가 분할 공급되도록 하여 연소영역내에 연료희박영역과 연료과농영역이 존재하도록 함으로서 화염 최고온도를 낮추어 질소산화물 발생을 저감하도록 이루어짐을 특징으로 하는 질소 산화물 저감방법을 마련함에 의한다.

이하, 첨부한 도면에 따라 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치(1)는, 도 5에서 도시한 바와 같이, 복사전열관(13) 양쪽 입구에 각각 동일한 형태의 버너(5a)(5b)가 설치되고, 복사전열관(13)에는 버너(5a)(5b) 선단부보다 후방에서 유체가 서로 통할 수 있는 연결배관(57)이 설치된다. 두 버너(5a)(5b) 사이에는 사방변(12)이 설치되어 연소공기가 공급되도록 함으로서, 일측 버너(5a)가 연소하면 연소공기는 상기 일측버너(5a)로 공급되고, 연소된 배가스는 타측 버너(5b)를 거쳐 사방변(12)을 통하여 연도(Flue)(미도시)로 배출된다. 그리고, 연료는 차단변(14)에 의해 선택적으로 연소되는 버너(5a)(5b)로 공급된다.

그리고, 본 발명의 복사전열관(13)이 부착된 축열식 연소장치(1)는 도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 버너(5a)(5b)는 연료도입부(21), 이에 연결된 연료노즐(22), 상기 연료노즐(22)을 감싸도록 형성되는 연소공기도입부(23), 상기 연소공기도입부(23)의 선단에 형성된 연소공기노즐(24)및, 상기 연료 도입부(21)의 외측에서 연소공기도입부(23)에 위치되는 축열체(11)를 갖도록 구성된다.

상기 축열체(11)는 버너(5a)(5b)의 내측에서 철망(11a)들에 의하여 한곳에 모아지는 구 또는 허니컴형상으로 구성된다. 상기 축열체(11)의 재질은 고순도 알루미나 또는 코질라이트등 내열성 및 축열성이 높은 재질을 사용하고 있다. 상기 구형 축열체(11)의 직경은 15-20mm 이고, 표면적을 넓혀주기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이, 직경 1-2mm의 구멍(11b)을 3-5개 관통하여 뚫는다. 만일, 허니컴형상의 축열체(11)라면 100cpsi(Cells Per Square Inch)의 코질라이트를 쓴다.

그리고, 본 발명의 복사전열관(13)이 부착된 축열식 연소장치(1)는 도 4에서 도시한 바와 같이, 연소공기노즐(24)은 노즐부 정면에서 볼 때, 좁고 긴 틈새모양의 호형 긴 구멍(Slot)으로 이루어지고, 버너(5a)(5b)의 방사방향 외곽에 위치한다. 또한, 버너(5a)(5b) 축중심에 대하여 대칭되는 두개로 구성되고, 원주방향으로 70-100°만큼 양쪽으로 열려 있어 연소공기가 토출되는 부분이 복사 전열관(13)의 원주방향으로 불균일하게 공급된다.

도 3 및 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 복사전열관(13)의 양쪽 입구는 연결통로(57)로 연결되어 있어 배가스(56)가 이동할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 연결통로(57)상에 원격으로 자동개폐조절이 가능한 댐퍼(80)를 장착하여 복사전열관(13)의 온도에 따라서 그 개도를 조정할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여 상기 복사전열관(13)에는 각각 연소영역에 열전대(82)가 복수개 장착되어 전기적인 신호로서 상기 연소영역의 화염온도를 검출하게 된다.

이러한 열전대(82)의 검출온도는 예를들면 950℃이상에서 질소산화물의 발생이 심한 경우, 상기 댐퍼(80)가 이와 같은 온도이상에서 개방되어 배가스를 공급하도록 구성될 수 있는 것이다. 만일 , 상기 연소영역에서의 화염의 온도가 설정온도이하라면 상기 댐퍼(80)는 열릴 필요없이 닫혀진 상태로 유지될 수 있다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 축열식 연소장치(1)를 이용하여 연소중 발생되는 질소 산화물을 저감시키는 방법은 아래와 같다.

먼저, 일측 버너(5a)로부터 고속 분출되는 연소공기에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너(5b)를 통하여 배출되는 배가스(54)를 상기 타측 버너(5b)에 연결된 연결통로(57)를 통하여 상기 일측 버너(5a)의 연소영역으로 재공급한다. 이는 연소공기노즐(24)이 호형의 긴 구멍형상으로 이루어지고, 이를 통하여 연소공기를 고속으로 분사시키면, 상기 연소공기노즐(24)에서 고속으로 공기가 흐름에 따라서, 그 주위에는 부압이 형성되고, 이러한 부압이 연결통로(57)를 통하여 타측 버너(5b)의 배가스(56)를 끌어 당기는 것이다.

따라서, 타측 버너(5b)의 축열체(11)를 통하여 연도로 배출되는 배가스(54)의 일부가 일측의 연소중인 버너(5a)의 연소영역으로 공급된다.

그리고, 상기 버너(5a)에 형성된 연소공기노즐(24)을 통하여 연소공기가 분할 공급되도록 하여 도 6에 도시된 바와 같이, 연소영역내에 연료희박영역(61)과 연료과농영역(62)이 존재하도록 함으로서 화염 최고온도를 낮추어 질소산화물 발생을 저감시키는 바, 이는 버너(5a)(5b)의 양측으로 편중되어 연소공기가 공급되도록 함으로서 상기 연소공기노즐(24)에 인접하여 연료희박영역(61)이 형성되고, 이들을 벗어난 지점에서는 연료과농영역(62)이 존재한다. 따라서, 연소시 필요한 산소의 상대적인 농도가 희박해져 완만한 연소가 진행되어 화염최고온도가 낮아지게 되고 질소산화물 발생이 억제된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 일측 버너(5a)가 연소하면 고온의 연소가스는 복사전열관(13)을 통하여 열을 방출한 다음, 배가스로서 타측 버너(5b)의 연소공기노즐(24)을 통과하여 축열체(11)를 축열시킨 후 사방변(12)을 거쳐 연도로 배기되며, 이 사이클이 사방변(12)에 의하여 20초-90초 정도의 짧은 주기로 서로 반복되어 연소한다.

만일, 연소모드가 바뀌면 사방변(12)이 회전하여 연소공기(51)와 배가스(55) 유로가 서로 바뀌게 되어 타측 버너(5b)가 연소하고, 버너(5b)로 공급되는 연소공기는 고온으로 축열된 축열체(11)로 부터 고온의 열을 회수하여 연소공기 노즐(24)을 통하여 연소영역으로 공급된다.

그리고, 타측 버너(5b)의 고온의 연소가스는 복사전열관(13)을 통하여 열을 방출한 다음, 배가스로서 일측 버너(5a)의 연소공기노즐(24)을 통과하여축열체(11)를 축열시킨 후, 사방변(12)을 거쳐 연도로 배기된다.

도 8은 질소산화물(NOx)의 발생 특성을 나타내는 그림이다. 질소산화물(NOx)은 고온의 화염영역에서 발생하며, 고온일수록 급격하게 증가한다. 도 8b)의 그래프에서 화염온도분포 (71)의 고온부에서 질소산화물이 다량 발생하는데, 이 부분의 온도를 낮추어 화염온도 분포 (72)와 같이 형성시키면 질소산화물의 발생량을 낮출 수 있다. 이러한 질소산화물 발생을 저감시키기 위한 본 발명의 원리는 다음과 같다.

도 5에서 도시한 바와 같이, 연소공기는 최외곽에 구성된 연소공기노즐(24)로 부터 고속으로 분출되고, 이때 토출되는 연소공기의 운동량에 의한 노즐(24) 후방에서는 부압이 형성되어 반대측 버너(5a)(5b)에 연결된 연결통로(57)로 부터 배가스가 흡입되어 연소공기와 편승(Entrainment)하여 연소영역으로 공급된다. 따라서, 연소영역에서는 연료와 연소공기와 더불어 흡입된 배가스(56)가 혼합되며, 연소시 필요한 산소의 상대적인 농도가 희박해져 완만한 연소가 진행되고 화염최고온도가 낮아지게 되어 질소산화물 발생이 억제된다.

또한, 연소공기노즐(24)을 통하여 연소공기가 원주방향으로 분할 공급되고, 도 6에 도시된 바와 같이 화염단면을 볼 때, 연소공기노즐(24)이 있는 부분은 연료가 적은 희박연소(61)가 일어나고, 연소공기 노즐이 없는 부분은 연료가 많은 과농연소(62)가 진행되어 화염최고 온도가 낮아지며, 이에 따라 질소산화물 발생이 억제된다.

한편, 상기 축열체(11)는 관통하는 구멍(11b)을 다수(3-5개) 뚫어 전열면적을 넓혀주어 축열과 방열시 많은 열을 전달할 수 있는 것이다.

상기에서와 같이 본 발명에 의하면, 복사전열관(13)을 사용하는 축열식 연소시스템에 있어서 별도의 구동장치 없이 연소공기의 토출운동량으로 배가스를 재순환시켜 질소산화물 저감이 가능하다. 또한, 연소공기와 연료를 균일하게 공급하면 화염의 온도가 상승하여 고온으로 유지됨으로서 질소산화물이 다량 발생하는데, 연소영역의 일부에는 공기를 많이 과량 공급하여 희박연소가 이루어지도록 하고, 일부는 연료가 상대적으로 많이 공급되도록 하여 과농연소가 이루어지도록 하면 국부적인 화염 고온역을 없애주어 질소산화물을 저감시킬 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은 연소공기를 원주방향으로 분할 공급하여 농담연소를 형성함으로써 질소산화물을 저감할 수 있다.

Claims

복사전열관(13)을 이용하고 축열체(11)를 가지는 두개의 버너(5a)(5b)가 서로 교번 연소하는 축열식 연소시스템에 있어서,

일측 버너(5a)로부터 고속 분출되는 연소공기(52)에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너(5b)를 통하여 배출되는 배가스(54)를 상기 타측 버너(5b)에 연결된 연결통로(57)를 통하여 상기 일측 버너(5a)의 연소영역으로 재공급하고 질소산화물 발생을 저감하도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치.
제 1항에 있어서, 상기 버너(5a)(5b)에 형성된 연소공기노즐(24)은 원주방향으로 좁고 길게 설치되고, 원주방향으로 분할되어 연소공기가 분할 공급됨으로써, 연소영역내에 연료희박영역(61)과 연료과농영역(62)이 존재하도록 하여 화염 최고온도를 낮추도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치.
제 2항에 있어서, 상기 각각의 연소공기노즐(24)은 원주방향으로 70-100°의 호형을 이루고, 버너(5a)(5b)의 중심에 대하여 대칭되도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치.
제 1항에 있어서, 상기 버너(5a)(5b)에 내장되는 구형 축열체(11)는 3 내지5개의 관통구멍(11b)이 형성되어 전열면적을 증대시키도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치.
제 1항에 있어서, 상기 연결통로(57)상에는 원격으로 자동개폐조절이 가능한 댐퍼(80)를 장착하여 그 개도를 조정할 수 있고,상기 복사전열관(13)에는 각각 연소영역에 열전대(82)가 복수개 장착되어 전기적인 신호로서 상기 연소영역의 화염온도를 검출하도록 구성되며, 상기 댐퍼(80)는 열전대(82)에 전기적으로 연결되어 상기 열전대(82)의 검출온도가 설정온도이상일 경우에 개방되어 연소영역으로 배가스를 공급하도록 구성됨을 특징으로 하는 복사전열관이 부착된 축열식 연소장치.
복사전열관(13)을 이용하고 축열체(11)를 가지는 두개의 버너(5a)(5b)가 서로 교번 연소하는 축열식 연소시스템에서 연소중 발생되는 질소 산화물을 저감시키는 방법에 있어서,

일측 버너(5a)로부터 고속 분출되는 연소공기(52)에 의하여 발생되는 부압에 의해서 타측 버너(5b)를 통하여 배출되는 배가스(54)를 상기 타측 버너(5b)에 연결된 연결통로(57)를 통하여 상기 일측 버너(5a)의 연소영역으로 재공급하고, 상기 버너(5a)(5b)에 형성된 연소공기노즐(24)을 통하여 연소공기가 분할 공급되도록 하여 연소영역내에 연료희박영역(61)과 연료과농영역(62)이 존재하도록 함으로서 화염 최고온도를 낮추어 질소산화물 발생을 저감하도록 이루어짐을 특징으로 하는 질소 산화물 저감방법.