KR200223860Y1

KR200223860Y1 - 라디안트튜브버너용연소통

Info

Publication number: KR200223860Y1
Application number: KR2019960046506U
Authority: KR
Inventors: 조길원; 한건우
Original assignee: 이구택; 포항종합제철주식회사; 신현준; 재단법인포항산업과학연구원
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 2001-06-01
Also published as: KR19980033582U

Abstract

본 고안은 철강공장의 연속 소둔로, 열처리로등에 사용되는 라디안트 튜브 버너용 연소통에 관한 것으로, 몸체(80)의 라디안트 튜브(10)내에 연료노즐(90)을 수용하도록 파이프 형상의 연소통(40)을 설치하여서 된 통상의 것에 있어서, 상기 파이프 형상의 연소통(40)중앙부에서부터 선단부에 이르기까지의 구간을 필터지나 여과지형태로 소재자체에 미세한 기공을 가진 내열금속섬유로 된 다공질 연소통(40a)으로 형성하고, 상기 다공질 연소통(40a)의 후방으로는 통상의 파이프형 연소통(40)과 동일하게 형성시켜서 된 것이다.

Description

라디안트 튜브 버너용 연소통

본 고안은 철강공장의 연속 소둔로, 열처리로등에 사용되는 라디안트 튜브 버너용 연소통에 관한 것으로 보다 상세하게 설명하면, 라디안트 튜브내에 라디안트 튜브와 동심으로 설치되어 1차 연소실을 이루는 연소통을 다공성의 내열판으로 구성함으로서, 연소통 외부로의 방열속도를 증가시켜 1차 연소실의 온도를 저하시킴으로서 질소산화물의 발생량을 극소화할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 연속소둔로 등에 사용되는 라디안트 튜브 버너를 이용한 간접가열방식에는 좁은 공간인 라디안트 튜브내에서 연소가 이루어지므로 연소실의 단위 공간당 열발생율이 통상의 보일러나 가열로와 같은 직화식 연소설비에 비하여 매우 높게 된다.

따라서 라디안트 튜브버너의 연소시에는 직화식 연소시보다 많은 양의 질소산화물이 발생하게 되는 단점이 있어, 이를 해소하기 위하여 많은 연구개발이 이루어지고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 여러가지 저질소산화물 버너가 제안된 바 있다.

즉, 미국특허 제4,813,867호(1989.3.21)에 있어서는, 연소용 공기를 단계적으로 분사시켜 연소통내에서의 급속한 연소를 억제함으로서 1차 연소실내의 온도를 저하시켜 질소산화물 발생을 억제토록 하는 공기 2단 분사식 라디안트 튜브 버너이고,

일본 실용신안공보 소57-244호(1982.1.5)에 있어서는, 주연료 분사구 후방의 연료관에 보조연료구를 설치하여 일부연료가 선행연소되도록 함으로서 선행연소된 연소가스가 주연료와 연소용 공기의 계면에 작용하여 주연료의 연소속도를 지연시킴으로서 질소산화물 발생량을 저감토록 하는 라디안트 튜브 버너이다.

상기와 같은 라디안트 튜브 버너는, 질소산화물의 억제수단으로 기본적으로 2단 연소의 원리를 이용하고 있으나, 연소통으로서 통상 내열주강을 사용함에 의해 연소통의 방열속도가 느림으로 종래의 1단연소식 버너에 50% 이상의 대폭적 질소산화물 발생저감을 곤란한 것이었다.

통상 질소산화물의 발생에 영향을 미치는 인자로서는 일반적으로 산소농도와 연소실 온도를 들 수 있는 바, 산소농도와 온도가 높을수록 다량의 질소산화물이 생성된다.

2단연소식 버너는 연소에 필요한 공기를 버너의 내부에서 1차공기와 2차공기로 분할하여 공급하는데, 통상 연료와 먼저 만나 연소를 시작하는 1차 공기로서 전체공기의 20~70%를 공급하여 1차 연소실내의 산소부족에 의한 질소산화물 생성억제의 효과를 도모하고 나머지 공기를 2차공기로서 공급하여 완전연소를 달성하는 것이다.

이와같은 2단 연소식 라디안트 튜브버너에서 질소산화물의 저감효과를 최대한 발휘하기 위해서는 1차 연소실에서 발생된 열을 최대한 빨리 외부로 전달시킴으로서 화염의 냉각을 도모해야 한다.

이하에 도면을 참조하여 종래 버너의 문제점을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 의한 라디안트 튜브버너의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.

라디안트 튜브(10)내부에 1차 연소실(20)과 2차 연소실(30)이 마련되며, 1차 연소실(20)은 1차 공기공급구(50)를 포함하는 연소통(40)의 내부공간의 일부이고 2차 연소실(30)은 연소통(40)전방의 라디안트 튜브(10)내부가 된다.

연소통(40)의 내부에는 연료공급관(60)과 연결된 연료노즐(90)이 마련되어 연료가 공급되는 구조이다.

연소용공기는 공기공급관(70)을 통하여 공급되어 1차 공기공급구(50) 통해 연소통(40)내부의 1차 연소실(20)로 분사되는 1차 공기와, 라디안트 튜브(10)와 연소통(40) 사이의 환상공간을 통하여 2차 연소실(30)로 분사되는 2차 공기로 각각 나뉘어져 분사된다.

연료노즐(90)에서 분사되는 연료는 상기 1차 공기에 의해 1차 연소실(20)내에서 1차로 연소되고, 미연분은 2차 연소실(30)인 라디안트 튜브(10)내에서 완전히 연소되는 것이다.

한편, 1차 연소가 일어나는 연소통(40)은 통상 내열합금이나 세라믹재의 튜브가 사용되는 바, 이들 종래의 연소통은 비열이 높고 함열량이 커서 1차 연소실(20)에서 발생된 열량을 효과적으로 방열시키기에는 문제가 있는 것이며, 따라서 1차 연소실(20)내의 온도 냉각은 기대하기 곤란하며 질소 산화물 발생저감에 한계가 있다.

그리고 연소통(40)의 방열에 따른 질소산화물의 배출특성을 파악하기 위하여 실험결과의 일부를 표 1에 나타내었다.

본 실험에서는 도 1과 동일한 라디안트 튜브버너를 제작하고 연소통(40)의 재질만 변경하여 실험하였으며, 연소용량 14.5만 kcal/hr에서 제철소에서 발생하는 코크스 오븐 가스를 연료로 사용시의 실험결과이다.

실험의 목적은 연소통(40)재료의 방열성능에 따른 질소산화물 배출특성을 파악하는데 있으므로, 열전달이 나쁜 알루미나재 세라믹 튜브와 상대적으로 열전달이 좋은 스테인레스 튜브의 경우를 상호 비교하였다.

[표 1]

연소통 재질(방열성)에 따른 질소산화물 발생량 비교

(단위:ppm 11% 0₂보정서)

※ 산소농도는 연소배가스층의 농도임.

상기 표 1에서 보여지는 바와 같이 같은 구조의 라디안트 튜브버너라도 연소통(40)의 방열성에 따라 질소산화물 발생량이 크게 변화함을 알 수 있다.

한편, 세라믹재 보다는 방열성이 좋은 스테인레스재의 연소통(40)인 경우에는 방열과정의 열전달기구를 살펴보면, 화염의 복사열이 연소통(40)을 가열하면 전도에 의해 열이 연소통(40)의 외면으로 전달된 후 연소통(40)외면에서 방열이 일어나게 되므로 열전달의 저항이 큼을 알 수 있으며, 이러한 이유로서 질소산화물의 극저감이 곤란한 것이다.

위와 같은 이론적인 이유와 실험 결과로부터 방열성이 우수한 연소통(40)을 채용하면 보다 효과적인 질소산화물의 저감이 가능하리라는 것을 알 수 있다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은 방열성이 우수하여 1차 연소실의 발생열을 효과적으로 외부로 전달함으로서 질소산화물의 추가적인 저감이 가능한 라디안트 튜브 버너용 연소통을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 고안의 특징은 라디안트 튜브내에 연료노즐을 수용하도록 설치된 파이프 형상의 연소통을 설치하여서 된 통상의 것에 있어서, 상기 연소통의 중앙부에서부터 선단부에 이르기까지는 다공성 연소통을 형성시키고 중앙부에서부터 후단부에 이르기까지는 통상이 파이프형상과 동일한 연소통을 형성함에 의한다.

그리고 상기 다공성 연소통은 소정의 간격을 유지하며 다공부를 형성함에 의한다.

도 1은 종래의 연소통을 일반적인 라디안트 튜브버너에 설치한 상태를 보인 단면 구성도

도 2는 종래의 연소통 발췌 사시도

도 3은 본 고안의 연소통을 일반적인 라디안트 튜브버너에 설치한 상태를 보인 단면 구성도

도 4(a)는 본 고안의 연소통 발췌 사시도

(b)는 본 고안의 연소통을 다른 실시예로 나타낸 발췌 사시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 라디안트 튜브 20 : 1차 연소실

30 : 2차 연소실 40 : 연소통

40a : 다공질 연소통 40b : 다공부

50 : 1차 공기 공급구 60 : 연료 공급관

70 : 공기 공급관 80 : 몸체

90 : 연료노즐

몸체(80)에 지지되는 라디안트 튜브(10)내에 연료노즐(90)을 수용하도록 파이프 형상의 연소통(40)을 설치하여 이의 내외측에 1, 2차 연소실을 형성한 통상의 것에 있어서, 상기 파이프 형상의 연소통(40) 중앙부에서부터 선단부에 이르기까지는 다공질 연소통(40a)으로 형성하고, 상기 다공질 연소통(40a)의 후방으로는 통상의 파이프형 연소통(40)과 동일하게 형성시켜서 된 것이다.

단, 상기 다공질 연소통(40a)의 다공이라 함은 필터지나 여과지와 같이 소재 자체에 무수한 미세구멍을 가진 내열금속섬유를 적층하여 매트형태로 만든 것을 의미한다.

그리고 상기 다공질 연소통(40a)부분은 다공질 연소통(40a)이 아닌 소정의 간격을 유지하도록 다공부(40b)를 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 구성된 본 고안의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 도 2에서 도시된 바와 같이 연료노즐(90)에서 분사된 연료는 1차 연소실(20)내에서 1차 공기와 반응하여 연소된다.

1차 연소실(20)에서 불완전연소된 미연가스는 미연가스 자체의 모멘텀에 의하여 주로 2차 연소실(30)로 진행되며, 일부 미연가스는 다공성 연소통(40a)의 공극을 통하여 라디안트 튜브(10)와 다공질 연소통(40a) 사이로 흐르는 2차 공기중으로 방출된다.

2차 연소실(30)과 상기 환상공간으로 유입된 미연가스는 2차 공기에 의하여 완전 연소된다.

환상공간으로 유입되는 미연가스의 양은 다공질 연소통(40a)의 기공율과 천공된 구멍의 크기에 관련되나 총 미연가스의 5%이내이다.

1차 연소실(20)에서 연소가 이루어지면 다공질 연소통(40a)을 통하여 1차 연소의 미연가스가 일부 방출되는 동시에, 다공질 연소통(40a)이 가열된다.

통상 다공성판을 이용한 연소시에는 균일한 화염이 다공판의 표면에 형성되면서 연소에 의한 에너지가 강력한 복사에너지로 변환되는 것으로 알려져 있는 바, 이는 연소실의 빠른 외부방출을 의미한다.

따라서, 1차 연소실(20)에서 발생된 열이 외부로 빠르게 전달되며, 이는 방열속도가 촉진됨을 의미한다.

상기 표 1 등을 이용하여 설명한 바와 같이 방열속도가 빠를수록 질소산화물의 발생속도가 감소하므로 본 고안과 같은 다공질 연소통(40a)을 사용하는 경우 종래의 일정두께를 갖는 내열금속등으로 제작된 연소통(40)을 사용하는 경우보다 질소산화물의 발생량이 감소하게 되는 것이다.

또한, 상기와 같이 환상공간내에서 일부 미연가스가 2차 공기와 반응하여 연소됨으로 인해 2차 공기에는 연소배기 가스가 섞이게 되어, 최종적으로 2차 연소실(30)내로 분사되는 2차공기는 신선한 외부공기보다는 상대적으로 산소의 분압이 작아지게 된다.

질소산화물의 발생량은 산소분압에 비례하므로 본 고안의 다공질 연소통(40a)을 사용하는 경우는 2차공기중의 산소분압 저하에 의해 2차 연소실(30)에서의 미연가스 연소시 질소산화물 발생을 억제해주는 부가적인 효과가 있는 것이다.

이상과 같은, 본 고안의 다공질 연소통은 라디안트 튜브버너에 사용시 연소통에서의 방열속도 증대와 2차 공기중의 산소농도 저하에 의해, 라디안트 튜브버너에서 발생되는 질소산화물을 극저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

몸체(80)에 지지되는 라디안트 튜브(10)내에 연료노즐(90)이 수용되는 파이프 형상의 연소통(40)을 설치하여 1, 2차 연소실을 형성한 통상의 라디안트 튜브버너에 있어서,

상기 파이프 형상의 연소통(40)의 선단부로부터 연료노즐(90)의 선단부가 위치되는 연소통의 중앙부위까지의 구간을 필터지나 여과지형태와 같이 자체에 무수한 기공이 구비된 내열금속소재로 다공질 연소통(40a)을 형성하여 됨을 특징으로 하는 라디안트 튜브버너용 연소통.