KR20020052061A - 저질소산화물 산소부화 연소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소용 공기에 산소를 혼합하여 연소시키는 산소부화연소에서 질소산화물의 발생량을 저감하기 위한 버너에 관한 것으로, 연료노즐과 다수개의 공기노즐을 구비하는 산소부화 연소 버너에 있어서, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34)의 외주 동심원상에 다수개의 외주 공기노즐(31)과 다수개의 외주 연료노즐(33)이 교대로 설치되어 상호 교차되도록 배치하거나, 각각 편중되어 설치되는 것을 특징으로 하여, 화염이 균일하게 분할되고, 2단 연소에 의한 완전연소가 유도되며, 노내 가스 흡인율이 증대되고, 미연분의 발생이 방지될 뿐만 아니라 질소산화물의 발생이 현저하게 감소되는 효과가 있다.

Description

저질소산화물 산소부화 연소 버너{Oxygen enriched combustion burner for low NOx emission}

본 발명은 연소용 공기에 산소를 혼합하여 연소시키는 산소부화연소에서 질소산화물의 발생량을 저감하기 위한 버너로서, 보다 상세하게는 버너의 중앙에서 2차 공기를 공급하고 중앙 공기노즐의 외주에서 연료와 1차 공기를 공급하는 저질소산화물 버너에 대한 것이다.

일반적으로 산소부화연소는 연소온도의 고온화에 의하여 질소산화물(NOx)이 다량으로 발생하기 때문에 열효율이 높음에도 불구하고 실제 적용은 매우 제한적이다.

즉, NOx의 발생은 연소온도에 비례하여 증가하는데 산소부화연소의 경우 단위열량당 연소가스의 양이 작고, 연소온도는 단위열량당 연소가스량에 반비례하기 때문에 다량의 NOx가 발생하게 된다.

산소부화연소에서 NOx 발생량을 극저감시키기 위해서는 연소용 공기 중에 노내 가스의 흡인량을 극대화하여 연소공기 중의 산소농도를 저하시켜야 한다. 즉 노내 가스의 흡인에 의해 버너 토출구 부근의 온도상승을 억제하여야 하며, 미연분의 발생 억제 및 화염 안정화를 위해서는 보염기구가 필요하게 된다.

특히 노내 가스의 흡인율은 공기 및 연료노즐의 수, 노즐의 형태 및 구경, 분사속도, 분사위치 등의 인자에 의하여 영향을 받는다.

상기 노내 가스의 흡인율에 영향을 미치는 인자로서, 노즐 구경이 큰 경우 흡인율이 증가하며, 연료노즐의 수가 많을수록 화염이 분할되어 완전연소에 유리할 뿐만 아니라 화염의 표면적이 증가하여 열전달이 촉진된다.

그리고 공기노즐의 수가 많은 경우 흡인율이 증대될 수 있으며, 연소용 공기를 1, 2차 공기로 분할하면 다단연소의 효과로 NOx 발생량을 줄일 수 있으며, 노즐의 배치와 관련하여서는 연료노즐과 공기노즐간의 거리가 증가할수록 연소가 지연되어 NOx가 저감되나 미연분이 발생하게 된다.

따라서 노내 가스의 흡인율을 극대화하고 NOx 발생량을 줄이면서 완전연소를 달성하기 위해서는 영향인자들의 최적화가 필요한 것이다.

종래에는 산소부화연소에서의 NOx 저감을 위한 많은 방법 중 가장 대표적인 것으로서 공기 2단 연소를 기본으로 한 공기 고속분사법을 이용한 버너가 있었다.

이러한 고속 분사법을 이용한 버너는 공기(산소)가 고속으로 분사됨에 따라 노내의 연소가스를 공기 중에 다량 흡인함으로써 연소용 공기 중의 산소농도를 저하시키며, 버너 토출구 부근의 연소를 지연시켜 NOx 발생량이 저감되는 원리를 채용한 것으로서 최근 고온연소의 NOx 저감방법으로 많은 연구가 이루어지며, 그 대표적인 버너는 아래와 같은 종래의 제 1 및 제 2 버너가 있다.

먼저 미국특허 4,378,205(1983년) 등에 기재된 종래의 제 1 버너는 공기 고속분사법을 사용하였으며, 도 1a 및 1b의 종래의 제 1 버너의 측단면도 및 정면도에 도시된 바와 같이, 버너(11)의 중심에 설치된 연료노즐(13)과, 이 연료노즐(13)의 외주에 환상으로 설치된 1차 공기노즐(14)과, 연료노즐(13) 및 1차 공기노즐(14)의 외주 동심원상에 설치된 다수개의 2차 공기노즐(15)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래의 제 1 버너는 1, 2차 공기를 고속으로 분사하여 공기분류 중에 노내의 연소가스를 흡인함으로써 공기가 연료와 반응하기 전에 연소용 공기 중의 산소농도를 희석시켜 연소온도 저하와 산소농도 저하에 의해 NOx를 저감시키게 된다.

다음으로 일본 특개평7-103428(1995년)에 기재된 종래의 제 2 버너는 도 2a 및 2b의 종래의 제 2 버너의 측단면도 및 정면도에 도시된 바와 같이, 버너(21)의 중앙에 설치된 공기노즐(23)과, 이 공기노즐(23)의 외주 동심원상에 설치된 다수개의 연료노즐(3)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래의 제 2 버너는 버너(21)의 중앙에서 공기가 고속으로 분사되어 노내 가스와 혼합된 후, 연료와 혼합되어 연소됨으로써 연료와 공기와의 연소시간이 지연되어 NOx을 저감시키게 된다.

그러나 상기 종래의 제 1 버너는 2차 공기노즐(15)의 수, 2차 공기노즐(15)의 버너(11) 중심으로부터의 위치 및 공기의 분사속도 등에 따라 NOx 발생량이 가변적이었으며, 이러한 조건들의 일부를 변화시켰을 때 일정 조건하에서는 화염의 부상 내지는 미연분(CO)이 다량 발생되는 문제점이 있었다.

또한 2차 공기노즐(15)이 연료노즐(13)에 가까운 경우는 미연분의 문제는 없는 대신 NOx 발생량이 많았으며, 2차 공기노즐(15)이 연료노즐(13)에서 멀어질수록 NOx 발생량은 감소하나 화염이 불안정해지고 미연분의 발생량이 증가하는 문제점이 있었다.

그리고, 상기 종래의 제 2 버너는 공기가 하나의 공기노즐(23)에서만 분사됨으로써 노내 가스와의 혼합성능이 저하되고, 공기노즐(23)과 연료노즐(24) 사이의 거리 등에 따라 NOx 발생 특성이 변화되며, 미연분의 발생우려가 있는 문제점이 있었다.

한편 상기 종래의 제 1 버너는 최저 NOx 발생량이 300ppm 이상이며, 종래의 제 2 버너도 NOx 발생량이 200 ppm 수준으로서 NOx 발생량이 공해기준을 만족하지 못하여 실용상 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 연소용 공기를 노즐의 중앙에 설치된 중앙 공기노즐과 다수개의 외주 공기노즐로 분할하여 분사하고, 연료를 외주 공기노즐과 동일 원주상에 설치된 다수개의 연료노즐에서 분사시킴으로써 완전연소를 도모하면서 노내 가스의 흡인율을 극대화하여 NOx 발생량을 극저감하는 저질소산화물 산소부화연소 버너를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1a 및 1b의 종래의 제 1 버너의 측단면도 및 정면도.

도 2a 및 2b의 종래의 제 2 버너의 측단면도 및 정면도.

도3a 및 3b는 본 발명에 의한 산소부화연소 버너의 측면단도 및 정면도.

도 3c는 본 발명에 의한 다른 산소부화 연소 버너의 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31 : 버너32 : 버너 타일

33 : 외주 연료노즐34 : 중앙 공기노즐

35 : 외주 공기노즐

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저질소산화물 산소부화 연소 버너는, 연료노즐과 다수개의 공기노즐을 구비하는 산소부화 연소 버너에 있어서, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34)의 외주 동심원상에 다수개의 외주 공기노즐(31)과 다수개의 외주 연료노즐(33)이 교대로 설치되어 상호 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 연료노즐과 다수개의 공기노즐을 구비하는 산소부화 연소 버너에 있어서, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34)의 외주 동심원상에 다수개의 외주 공기노즐(31)과 다수개의 외주 연료노즐(33)이 각각 편중되어 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도3a 및 3b는 본 발명에 의한 산소부화연소 버너의 측단면도 및 정면도이고, 도 3c는 본 발명에 의한 다른 산소부화 연소 버너의 정면도로서, 도면 중 31은 버너, 32는 버너 타일, 33은 외주 연료노즐, 34는 중앙 공기노즐, 35는 외주 공기노즐이다.

본 발명은 도 3a에 도시된 바와 같이, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34) 외주의 동심원상에 다수개의 외주 연료노즐(33)과 외주 공기노즐(31)이 설치된다.

그리고 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 외주 공기노즐(31)과 외주 연료노즐(33)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 교대로 배치할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 외주 공기노즐(31)과 외주 연료노즐(33)은 도 3c에 도시된 바와 같이, 외주의 일부에 편중되어 배치될 수 있다.

한편 도 3a에 도시된 바와 같이, 외주 연료노즐(33) 및 외주 공기노즐(35) 전부는 버너(31)의 중심축과 평행하게 설치되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 외주 연료노즐(33) 및 외주 공기노즐(35)의 전부 또는 일부가 버너(31)의 중심축과 경사지게 형성할 수도 있다.

또한 도 3b 및 3c에 도시된 바와 같이, 외주 연료노즐(33), 중앙 공기노즐(34) 및 외주 공기노즐(35)은 원형으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다각형 구조로도 형성할 수도 있다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 공기는 중앙 공기노즐(34)과 외주 공기노즐(35)로 분할되어 분사됨으로써 공기의 2단 연소가 이루어지게 된다.

즉, 도 3b에 도시된 바와 같이 외주 연료노즐(33)과 외주 공기노즐(35)이 교대로 배치된 경우, 외주 공기노즐(35)로부터 분사된 공기가 연료와 먼저 반응하여1차 공기의 역할을 하고, 중앙 공기노즐(34)에서 분사된 공기가 2차 공기의 역할을 한다.

그리고 도 3c에 도시된 바와 같이 외주 연료노즐(33)과 외주 공기노즐(35)이 각각 편중되어 배치된 경우, 중앙 공기노즐(34)에서 분사된 공기가 1차 공기 역할을 하고, 외주 공기노즐(35)에서 분사된 공기가 2차 공기의 역할을 하게 된다.

따라서 상기와 같이 노즐을 배치하면 기본적으로 2단 연소의 효과를 얻을 수 있으므로, 도 2의 종래의 제 2 버너의 공기 1단 연소의 경우보다 NOx 발생량을 저감시킬 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 버너는 연료가 외주 공기노즐(35)과 동일한 원주상에서 다수개의 외주 연료노즐(33)을 통하여 분사되어 화염이 분할되므로, 종래의 제 1 버너와 같이 연료가 버너(11)의 중앙에서 분사되는 경우보다 공기와 반응하는 시간이 지연되므로 화염에 국부 고온부가 발생하지 않게 된다.

또한 공기노즐은 중앙 공기노즐(34)과 외주 공기노즐(35)로 분할되어 배치되어, 종래의 제 2 버너와 같이 공기노즐이 중앙에만 있는 경우보다 노내 가스의 흡인율을 증대시킬 수 있는 것이다.

한편 종래의 제 1, 제 2 버너 및 본 발명에 의한 버너에 대하여 LPG를 연료로 하여 연소용량은 10만 kcal/hr, 공기비는 1.1, 노온은 1,300℃, 공기 중 산소농도는 30∼50% 범위에서 실험한 결과, 연소용 공기의 분사속도가 40m/s 이상인 고속분사에서 본 발명에 의한 버너는 전체 연소조건 공히 100ppm 이하의 저질소산화물 연소가 가능하며 일산화탄소 등의 미연분 발생이 없이 완전연소가 가능하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 저질소산화물 산소부화 연소 버너를 사용하면 다음과 같은 효과가 있게 된다.

첫째, 중앙 공기노즐에 의한 공기의 중앙 분사를 기본으로 연료를 다수개의 외주 연료노즐에서 분사함으로써 화염이 분할되어 가열 대상체의 온도를 균일하게 상승시킬 수 있다.

둘째, 외주 연료노즐과 동일 원주상에 배치된 외주 공기노즐에 의하여 공기를 분사함으로써 2단 연소 및 공기 중으로의 노내 가스 흡인율이 증대된다.

셋째, 외주 연료노즐과 외주 공기노즐을 인접하게 설치하여 연료와 공기의 완만한 혼합 및 보염작용에 의해 미연분 발생을 방지하면서 질소산화물 발생량을 극저감시킴으로써 대기 오염을 방지할 수 있는 효과가 있게 된다.

넷째, 산소부화연소 이외에도 고온공기를 사용하는 축열연소와 같은 고온연소에서도 동일한 원리로 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. 연료노즐과 다수개의 공기노즐을 구비하는 산소부화 연소 버너에 있어서, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34)의 외주 동심원상에 다수개의 외주 공기노즐(31)과 다수개의 외주 연료노즐(33)이 교대로 설치되어 상호 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 저질소산화물 산소부화 연소 버너.
2. 연료노즐과 다수개의 공기노즐을 구비하는 산소부화 연소 버너에 있어서, 버너(31)의 중앙에 중앙 공기노즐(34)이 설치되고, 이 중앙 공기노즐(34)의 외주 동심원상에 다수개의 외주 공기노즐(31)과 다수개의 외주 연료노즐(33)이 각각 편중되어 설치되는 것을 특징으로 하는 저질소산화물 산소부화 연소 버너.