KR200223924Y1 - 연소촉진용 브라운가스 버너 - Google Patents

Abstract

본 고안은 오일을 공급하는 오일노즐의 외주연에 일정공간을 확보하여 압축공기와 브라운가스가 혼합된 BG믹스에어가 소용돌이를 일으키면서 오일이 분사되는 부분에 공급되도록 하여 연소를 촉진시킴으로써 완전연소를 도모하여 연료의 절약과 공해의 발생을 억제할 수 있는 연소촉진용 브라운가스 버너에 관한 것이다.

본 고안의 전체적인 구성은 내부중앙에 오일이 분사되는 오일스프레이관의 외주연에 일정한 공간부를 확보하여 BG믹스에어 스프레이관을 장착하여, 압축공기와 브라운가스를 믹서에 의해 혼합한 BG믹스에어를 상기 공간부로 공급하여 스윌러에 형성된 브레이드에 의해 소용돌이를 일으키면서 오일분사지점으로 공급되도록 구성된 것이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 고안을 일반 산업현장에 적용 설치하여 가동하게되면 연료비를 20％ 정도 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

연소촉진용 브라운가스 버너{Brown gas burner for burning promotion}

본 고안은 연소촉진용 브라운가스 버너에 관한 것으로서, 구체적으로는 기름을 공급하는 기름노즐의 외주연에 일정공간을 확보하여 압축공기와 혼합된 브라운가스(이하 'BG믹스에어'라 함)를 소용돌이를 일으키면서 오일이 분사되는 지점으로 공급하여 연소를 촉진시킴으로써 완전연소를 도모하여 연료의 절약과 공해의 발생을 억제할 수 있는 연소촉진용 브라운가스 버너에 관한 것이다.

일반적으로 화석연료를 태우는 연소실은 연료를 연소시키기 위해서는 필히 1차공기, 2차공기를 불어넣어 주게 되어 있고 또 연소과정에서 발생되는 연소가스가 굴뚝으로 배출되는 구성으로 이루어져 있다.

그런데 방카-C유를 원료로 사용하는 경우 완전 연소가 어렵기 때문에 불완전 연소 상태로 굴뚝으로 사라지고있는 것이 사실이다.

따라서 연소효율을 높이기 위해 여러 가지 공기혼합장치를 개발하고 굴뚝으로 사라지는 열을 회수하는 노력을 기울이고 있으나 기술적으로 한계점에 와 있다고 할 수 있고 결국 유용한 에너지 자원을 낭비하고 있는 것이다.

또한 방카-C유는 환경문제를 고려하여 6대 도시에서는 사용하지 못하도록 강력하게 규제하고 있으며 더욱이 원유정제 과정에서 방카-C유와 같은 잔유탄소 중유도 생성될 수밖에 없는 것이므로 이것을 아무런 대책 없이 버릴 수도 없다고 하는 문제점이 지적되고 있는 것이다.

본 고안자는 이러한 점에 착안하여 연구를 거듭한 결과 기름연료에 브라운가스를 혼합하여 이를 오일이 분사되어 연소되는 지점에 공급하면 완전연소가 일어날 수 있는 것에 착안하여 본 고안을 제안하기에 이른 것이다.

주지하는 바와 같이 브라운가스는 물을 전기분해 방식에 의해 얻게되는 것으로 하기의 구조식에서와 같이 수소와 산소가 2:1의 비율로 혼합된 혼합가스를 말한다.

2H2O→2H2+O2의 구조식을 갖는 브라운가스는 완전무공해 연료일 뿐만이 아니라 수소가스와는 달리 브라운가스만의 내파(Implosion)특성과 열핵반응특성을 가지고 있는 것이다.

이러한 브라운가스를 생산하는 브라운가스발생기는 1리터의 물로 약 1860리터의 브라운가스를 생산한다. 반대로 1860리터의 브라운가스를 밀폐된 압력용기 내에서 스파크에 의해 연소시켜보면 폭발지속시간 백반분의 44초 동안에 압력 최고치 0.5MPa에 이르자마자 즉시 압력강하를 일으키는 순간 저압의 내폭과 동시에 1/1860로 체적감소가 일어나면서 진공도를 형성시킨다.(즉 다시 물 1리터가 생성되고 나머지 체적은 진공상태가 된다.)

이것은 폭발(Explosion)과는 전혀 다른 개념인 내파(Implosion)라고 설명된다.

브라운가스의 불꽃은 임프로젼 상태가 계속되고 있는 상태라고 할 수 있다. 따라서 브라운가스 불꽃은 핀포인트 화염을 형성하여 불꽃의 형태가 길게 형성되고 축열은 적으나 핀포인트 부분에서는 내열재인 세라믹도 녹여버리므로 화염드릴링을 할 수 있는 정도의 막강한 화력을 과시한다.

또한 브라운가스의 불꽃은 원자와 분자상태의 수소와 산소가 반응하는 독특한 성격을 가지고 있다. 수소원자와 산소원자는 가열대상 물질의 원자핵 속으로 침투된다. 그러므로 수소와 산소에 의해 열핵반응하여 가열되는 물질은 공기중에서 가스가 홀로 연소할 때의 불꽃보다 훨씬 뜨거운 불꽃에 의해 가열되는 결과가 된다.

가열대상물질에 따라 상이한 열핵반응 특성을 가지고있는 브라운가스는 벽돌과 철을 그대로 용접할 수 있다.

이러한 독특한 특성을 가지고있는 브라운가스는 가장 잘 타는 연료인 수소와 조연제인 산소로 구성되어 있으므로 이것을 기존 연소실에 넣어주기만 하면 불완전 연소부분을 완전연소로 전환할 수 있는 것이다.

그러나 만약 브라운 가스를 별도 노즐에 의해 연소실에 공급한다면 노즐에서 불이 붙어버리므로 연소촉진의 효과가 없다. 따라서 연료가 분무되는 중앙지점에 동시에 공급되도록 하여야 한다.

사실 기름이 연소할 때는 화염의 중심부에서 연료중의 H2가 제일 먼저 연소한다. 상기와 같이 브라운가스를 투입한다고 하는 것은 화염의 중심부에 H2를 공급하는 것이므로 아주 효과적이 아닐 수 없다.

또한 본 고안의 목적을 달성하기 위해서는 무엇보다 대량으로 브라운가스를 공급하지 않으면 안된다.

따라서 본 고안은 출원인이 출원하여 선등록한 '횡렬식 전해조를 포함한 브라운가스 대량발생장치'(특허제275504호; 이하 '브라운가스발생기'라 함)가 개발되어 대량으로 브라운가스를 공급할 수 있기 때문에 가능하게 되었고, 또한 본 고안은 브라운가스를 효과적으로 투입할 수 있는 브라운가스 버너를 안출함으로써 브라운가스 연소촉진 방법에 의해 막대한 에너지 비용을 절감할 수 있을 뿐만이 아니라 NOx, Sox, CO2 더스트 등의 공해물질을 근본적으로 줄일 수 있게 한 것이다.

본 고안은 브라운가스 발생기에서 발생하는 브라운가스를 화석연료인 오일을 사용하는 로,보일러 등에 광범위하게 사용하여 완전연소를 도모하여 불완전연소로 인한 연료의 낭비 및 공해물질의 배출을 최소한으로 억제하기 위한 연료촉진용 브라운가스 버너를 제공하는데 있다.

상기의 버너를 제공하기 위해서는 기술적으로 하기의 사항을 고려하지 않으면 안된다.

즉 브라운가스의 공급도중에 역화현상이나 후레쉬백 현상을 방지하여 연속적으로 완전연소가 가능하도록 브라운가스의 연소속도를 늦추기 위한 방법으로 아토마이징 압축공기에 브라운가스를 혼입하여 공급하는 방법을 채택하여야 한다.

또한 브라운가스는 화석연료와 달리 연소속도가 빠르기 때문에 역화 또는 후레쉬백 현상이 일어나지 않도록 이점을 고려하지 않으면 안된다.

또 브라운 가스 발생기의 사용압력은 1㎏/㎠이하이므로 이보다 높은 압력의 압축공기에 브라운가스를 혼입시킬 수 있는 방법을 강구하여야 한다.

그리고 버너에서 중요한 것은 오일이 분무상태를 형성해야하므로 오일이 분사노즐에서 분사되고 오일스프레이관을 지나 팁부에서 분출될 때 BG믹스에어를 공급하여 효과적인 분무상태를 이룰 수 있도록 적절한 스윌러(Swirlier)를 설치하여야 한다.

또한 윈드박스로부터 공급되는 연소용 공기의 효과적인 공급을 위하여 오일스프레이관의 센터라인 상에서 정점을 이룰 수 있도록 다수개의 제1공기공급구를 설치하여 1차공기를 공급하고 대다수의 연소용 공기는 제2공기공급구를 통해 공급하는 방법을 강구하여야 한다.

이러한 점을 고려하여 완성된 본 고안의 전체적인 구성은 내부중앙에 오일공급관에서 공급되는 오일을 저장하는 오일충전실과 믹서에 의해 압축공기와 브라운가스가 혼합된 BG믹스에어를 공급하는 쳄버 및 일측단부에 플렌지부가 일체로 구비된 하우징과; 상기 오일충전실에 장착되어 오일을 연소실로 분사하는 오일스프레이건과; 상기 쳄버에 오일이 분사되는 중심부위에 와류형으로 BG믹스에어를 공급하는 BG버너건과; 외부공기를 유입하여 연소실로 공급하여 연소를 촉진시키는 윈드박스와; BG믹스에어 스프레이관의 선단부에 위치하여 제1공기공급구와 제2공기공급부를 통해 연소실로 공기를 공급하는 버너타일로 구성된 것이다.

이하, 본 고안의 전체적인 구성상태 및 이로부터 얻게되는 특유의 효과 등에 대하여 첨부도면을 이용하여 상세히 설명하면 하기와 같다.

도 1은 본 고안의 전체적인 구성상태를 예시한 종단면도

도 2는 본 고안의 믹서의 구성상태를 예시한 단면도

도 3은 본 고안의 일구성요소인 스윌러의 구성상태를 예시한 것으로서,

(a)는 사시도이고, (b)는 단면도이다.

도 4는 본 고안의 노즐의 구성상태를 예시한 분해사시도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1…오일충전실 2…쳄버 3…플렌지부 5…하우징

6…오일공급관 7…오일필터 7a…스프레이노즐 8…스윌러

8a…축소공 8b…브레이드 8c…나선부 8d…팁부

9…오일스프레이관 10…오일스프레이건 11…브라운가스공급관

11a…체크밸브 11b…솔레노이드밸브 12…압축공기 공급관

12a…솔레노이드밸브 13…믹서 13a…테이퍼부 13b…슬롯부

13c…확산부 14…BG믹스에어 스프레이관 15…BG버너건

16…뎀퍼 20…윈드박스 21…연소실

23…제1공기공급구 24…제2공기공급구 25…버너타일

도 1은 본 고안의 전체적인 구성상태를 예시한 종단면도이고, 도 2는 본 고안의 믹서의 구성상태를 예시한 단면도, 도 3은 본 고안의 일구성요소인 스윌러의 구성상태를 예시한 것으로서, (a)는 사시도이고, (b)는 단면도이다. 도 4는 본 고안의 버너건의 구성상태를 예시한 분해사시도이다.

동 도면에서와 같이, 본 고안은 내부중앙에 오일충전실(1)과 쳄버(2) 및 일측단부에 플렌지부(3)가 일체로 성형된 하우징(5)과; 상기 오일충전실(1)에 배설되는 오일스프레이건(10)과; 상기 쳄버(2)에 장착되는 BG버너건(15)과; 외부공기를 유입하여 연소를 촉진시키는 윈드박스(20)와; 상기 BG버너건(15)의 선단부에 위치하는 버너타일(25)로 구성된 것이다.

상기 오일스프레이건(10)은 오일공급관(6)으로부터 공급되는 오일에 함유되어 있는 각종의 이물질을 필터링하는 오일필터(7)와 오일을 전측으로 공급하는 스프레이노즐(7a)과 선단부에 스윌러(8)가 일체로 장착되어 오일충전실(1)과 연통되도록 장착된 오일스프레이관(9) 및 하우징(5)의 후측에 착탈 가능토록 장착되는 필터플러그(7b)로 구성된 것이다.

오일스프레이관(9)의 선단부에 나사 결합되는 스윌러(8)는 오일의 분사와 함께 후술하는 BG믹스에어가 와류현상을 일으키면서 공급되어 오일과 혼합되면서 완전연소가 이루어지도록 하기 위한 것으로서, 중공부의 선단에는 오일을 분사하는 축소공(8a)과 팁부(8d)가 형성되고 외주연에는 3∼4개의 브레이드(8b)가 등간격으로 배설되고 후측단부에 형성된 나선부(8c)를 이용하여 오일스프레이관(9)과 일체로 결합되는 구성으로 이루어진 것이다.

또한 상기 BG버너건(15)은 압축공기와 브라운가스를 혼합하는 믹서(13)와 혼합된 BG믹스에어를 쳄버(2)에 공급하는 브라운가스 공급관(11)과 오일스프레이관(9)과 일정간격을 두고 쳄버(2)와 연통되도록 장착된 BG믹스에어 스프레이관(14)으로 구성된 것이다.

상기 브라운가스 공급관(11)의 일정부위에는 브라운가스의 공급도중에 역화현상이나 후레쉬백 현상을 방지하여 연속적으로 완전연소가 가능하도록 브라운가스의 연소속도를 늦추기 위한 방법으로 아토마이징 압축공기에 브라운가스를 혼입하여 공급하는 방법을 채택하였다.

이때 브라운 가스 발생기의 사용압력은 1㎏/㎠이하이므로 이보다 높은 압력의 압축공기에 브라운가스를 혼입시킬 수 있도록 하기 위하여 브라운가스 공급관(11)의 일정부위에 믹서(13)를 장착한 것으로서, 이의 구성은 내부중앙에는 내측으로 향하면서 직경이 좁아지는 테이퍼부(13a)와 브라운가스공급관(11)에 의해 유입되는 브라운가스와 압축공기 공급관(12)으로 공급되는 압축공기가 혼합되는 슬롯부(13b)와 혼합된 BG믹스에어를 쳄버(2)에 공급하는 확산부(6c)가 일체로 구성된 것이다.

브라운가스공급관(11)에는 브라운가스의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(11a)를 설치하고, 브라운가스공급관(11)과 압축공기공급관(12)에는 브라운가스와 압축공기가 자동으로 공급되도록 하기 위하여 솔레노이드밸브(11b,12a)를 장착한 것이다.

또한 윈드박스(20)는 외부의 공기를 뎀퍼(16)를 작동시켜 후술하는 버너타일(25)에 형성된 제1공기공급구(23)와 제2공기공급구(24)를 통해 연소실(21)에 공급되도록 구성으로 이루어진 것이다.

상기 BG믹스에어스프레이관(14)의 선단 외주연에 설치되는 버너타일(25)의 구성은 내부에 일정공간의 연소실(21)이 구비되고 윈드박스(20)로부터 공급되는 연소용 공기의 효과적인 공급을 위하여 오일스프레이관(9)의 센터라인 상에서 정점을 이룰 수 있도록 일정 각도를 이루는 다수개의 제1공기공급구(23)를 설치하여 1차공기를 공급하고 대다수의 연소용 공기는 제2공기공급구(24)를 형성하여 외부공기를 공급하도록 구성된 것이다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 작동상태를 살펴보면, 먼저 저장탱크로부터 공급되는 경유, 중유 등의 연료는 오일펌프에 의해 펌핑되어 오일공급관(6)을 따라 오일충전실(1)에 공급되어 오일필터(7)에 의해 오일에 함유된 각종의 이물질을 제거한 후 전측의 스프레이노즐(7a)에서 분사되어 오일스프레이관(9)을 통과하여 스윌러(8)에 형성된 축소공(8a)과 팁부(8d)를 통하여 연소실로 분사된다.

이와 같이 연소실(21)로 분사되는 오일은 믹서(13)에 의해 압축가스와 브라운가스가 혼합되어 브레이드(8b)에 의해 소용돌이를 일으키면서 공급되는 BG믹스에어에 의해 더욱더 미세하게 분무되면서 연소실(21)로 분사하게 되는 것이다.

또한 브라운가스 발생기에서 생산되는 브라운가스는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 브라운가스 공급관(11)과 압축공기공급관(12)으로 공급되는 브라운가스와 압축공기는 믹서(13)에 형성된 테이퍼부(13a)와 슬롯부(13b)를 통과하면서 유속이 더 빨라지고 에젝터원리에 의해 브라운가스 공급관(11)으로부터 공급되는 브라운가스를 빨아드려 브라운가스와 압축공기가 혼합되어 확산부(13c)를 통해 쳄버(2)로 공급하게 되는 것이다.

이때 브라운가스의 운전압력은 1㎏/㎠이하이고 압축공기의 사용압력은 2∼7㎏/㎠이므로 만약 압축공기가 브라운가스발생기 쪽으로 역진하지 않도록 브라운가스 공급관(11)에 체크밸브(11a)를 설치하고, 브라운가스공급관(11)과 압축가스공급관(12)에는 솔레노이드밸브(11b,12a)를 설치하여 이의 작동에 의해 압축공기와 브라운가스가 자동으로 동시에 공급되도록 한다.

이렇게 하여 믹서(13)에서 혼합된 BG믹스에어는 쳄버(2)를 통과하여 오일스프레이관(9)의 단부에 장착된 스윌러(8)의 외주연에 효과적인 분무를 위해 나선형으로 형성된 브레이드(8b)에 의해 소용돌이를 치면서 팁부(8d)에서 분출되는 오일을 효과적으로 분무상태로 만들어 주게 되는 것이다.

연소용 공기는 윈드박스(20)로부터 공급되어 오일스프레이관(9)의 센터라인상의 1개의 삼각정점을 향해 분출되도록 형성된 다수개의 1차공기공급구(23)로 유입되어 분무상태의 오일과 혼합되고 착화하면 화염을 생성하게 된다.

또한 충분한 연소용 공기를 공급하기 위해서는 2차공기가 필요하므로 2차공기는 2차공기공급구(24)를 통해 1차화염주변으로 공급된다.

이때 브라운가스는 오일스프레이관(9)의 단부에 장착되어있는 스윌러(8)의 단부에 형성된 팁부(8d)로 분사되는 연료가 분사되고 있는 버너중심부로 공급되어 화염의 중심부에서 원자와 분자상태의 수소와 산소가 혼합 구성된 브라운가스가 제일먼저 연소하면서 브라운가스만의 열핵반응특성에 의해 분무상태의 연료와 열핵반응하여 고온의 화염을 형성하면서 불완전연소 부분의 연료까지 연소시키게 되는 것이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 고안은 방카-C유를 사용하는 제강회사의 스라브 가열로에 적용한 결과 20％ 이상의 연료비를 절감할 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 고안은 로보일러 등의 기존시설을 교체하지 않고 연소촉진용 브라운가스 버너만을 추가하여 설비함으로써 적은 설비비용으로 에너지를 절감하고 공해문제를 해결할 수 있다는 것이 무엇보다 장점이다.

우리 나라는 에너지 소비증가율 세계 제1위의 에너지 다소비 국가로서 년간 약 300억 달러의 에너지를 수입하고 있다.

예를 들면 포스코는 초유의 에너지 다소비 업체로서 수입에너지의 약 8％를 소비하고 있는데 만약 포스코에서 브라운가스 연소촉진시스템을 채용하여 연료비의 20％만 절감할 수 있다면 년간 480억원을 절약할 수 있게 되는 것이다.

실제로 버너를 48개씩이나 장착한 대형 가열로 등을 가지고 있는 어느 제강업체는 방카-C유 소비량만 년간 500억원에 이른다. 이 업체가 연소촉진용 브라운가스버너를 사용하여 년간 20％만 기름을 절약하면 매년 100억원의 연료비를 절감할 수 있다.

다시 말하면 이 회사가 10억원을 투자하여 브라운가스 연소촉진 시스템을 설비한다면 에너지 비용을 절감하여 년간 100억원의 추가 이익을 낼 수 있으므로 철강업계에서 최고의 경쟁력을 제고할 수 있게 된다.

또한 본 고안은 철강업계 뿐만이 아니라 산업용 로,보일러 등을 사용하는 모든 업소의 에너지 비용을 줄일 수 있으므로 우리 나라 전체로는 년간 약 60억달러의 외화를 절약할 수 있어 본 고안의 파급효과는 지대하다 아니할 수 없다. 또한 공해설비를 가동하지 않아도 부수적으로 얻을 수 있는 효과도 크지 않을 수 없다.

이와 같이 본 고안은 연소촉진용 브라운가스 버너에 의해 브라운가스를 화염의 중심부에 투입하여 연소를 촉진함으로써 불완전연소 상태로 굴뚝으로 버려지던 연료를 완전연소로 유도하여 막대한 에너지 비용을 절감할 수 있을 뿐만이 아니라 공해문제도 해결할 수 있는 아주 유용한 고안인 것이다.

지금까지 본 고안의 실시예에 대하여 설명하였으나 본 고안은 이에 한정되는 것이 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태는 본 고안의 보호범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

1. 내부중앙에 오일공급관에서 공급되는 오일을 저장하는 오일충전실과 믹서에 의해 압축공기와 브라운가스가 혼합된 BG믹스에어를 공급하는 쳄버 및 일측단부에 플렌지부가 일체로 구비된 하우징과; 상기 오일충전실에 장착되어 오일을 연소실로 분사하는 오일스프레이건과; 상기 오일이 분사되는 중심부위에 와류형으로 BG믹스에어를 공급하는 BG버너건과; 외부공기를 유입하여 연소실로 공급하여 연소를 촉진시키는 윈드박스와; BG믹스에어 스프레이관의 선단부에 설치되는 제1공기공급구와 제2공기공급부를 통해 연소실로 공기를 공급하는 버너타일로 구성된 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 오일스프레이건은 오일공급관으로 공급되는 오일의 이물질을 필터링하는 필터와 오일을 전측으로 공급하는 스프레이노즐과 선단부에 스윌러가 일체로 장착되어 오일충전실과 연통되도록 장착된 오일스프레이관 및 하우징의 후측에 착탈 가능토록 장착되는 필터플러그로 구성된 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스 버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 BG버너건은 압축공기와 브라운가스가 혼합된 BG믹스에어를 쳄버에 공급하는 믹서와 오일스프레이관과 일정공간을 확보하여 BG믹스에어가 유동되도록 하고 쳄버와 연통되도록 장착된 BG믹스에어 스프레이관으로 구성된 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스 버너.
4. 제1항에 있어서, 상기 버너타일은 내부에 일정공간의 연소실이 구비되고 오일스프레이관의 센터라인 상에 일정한 각도를 유지한 제1공기공급구와 충분한 연소용 공기를 공급하기 위한 제2공기공급구가 형성된 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스 버너.
5. 제2항에 있어서, 상기 스윌러는 내부중앙에는 오일을 분사하기 위한 축소공과 팁부가 형성되고 외주연에는 등간격을 유지하여 적정수의 브레이드가 형성되고, 일측의 나선부에 의해서 오일스프레이관의 단부에 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스버너.
6. 제1항에 있어서, 상기 믹서는 일정각도를 이루는 테이퍼부와 브라운가스공급관과 당접되는 슬롯부 및 확산부로 구성되어 브라운가스 공급관으로부터 공급되는 브라운가스를 빨아드리도록 하고, 상기 브라운가스 공급관에는 체크밸브를 설치하고, 압축공기 공급관과 브라운가스 공급관에 솔레노이드밸브를 설치하여 압축공기의 압력이 브라운가스 발생기 쪽으로 작용하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 연소촉진용 브라운가스 버너.