KR200236497Y1 - 연소 공기의 교차 선회와 음파 가진에 의한 공해 물질 저감형 버너 - Google Patents

Abstract

본 고안은 강선회용 일차베인(9), 약선회용 일차베인(10), 강선회용 이차베인(13), 및 약선회용 이차베인(14)을 다른 선회도끼리 같은 반경방향에 설치하여 선회효과를 극대화 시키며 연소공기의 선회도를 이단으로하여 화염을 조절하므로 전체적인 화로내 온도분포를 균일하게 유지할 수 있고, 강선회용 일차베인 구동축(11), 약선회용 일차베인 구동축(12), 강선회용 이차베인 구동축(15), 및 약선회용 이차베인 구동축(16)을 버너 정면판(19)까지 연장설치하여 다양한 화로형상에도 연소신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 음파 가진장치(20)를 설치하여 부하가 커져도 질소산화물 저감효과를 유지할 수 있는 연소공기 교차선회와 음파가진에 의한 공해물질 저감형 버너이다.

Description

연소 공기의 교차 선회와 음파 가진에 의한 공해 물질 저감형 버너

제1도는 본 고안에 따른 버너의 단면도.

제2도는 본 고안에 따른 선회 발생기 구조도.

제3도는 본 고안에 따른 화염 구조 및 화로 온도 분포도.

제4도는 본 고안에 따른 공기비 변화에 대한 질소 산화물 및 분진 배출 특성도.

제5도는 본 고안에 따른 부하 변화에 대한 질소 산화물 및 분진 배출 특성도.

제6도는 종래 버너의 단면도.

제7도는 종래 버너의 선회 발생기의 구조도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 일차베인 2 : 이차베인

3 : 삼차공기 조절판 4 : 버너 외통

5 : 확산형 이차 분리통 6 : 확산형 보염기

7 : 연료 노즐 8 : 버너 평행부

9 : 강선회용 일차베인 10 : 약선회용 일차베인

11 : 강선회용 일차베인 구동축 12 : 약선회용 일차베인 구동축

13 : 강선회용 이차베인 14 : 약선회용 이차베인

15 : 강선회용 이차베인 구동축 16 : 약선회용 이차베인 구동축

17 : 삼차공기 구동축 18 : 공기 상자

19 : 버너 정면판 20 : 음파 가진 장치

본 고안은 공해 물질 저감형 버너로서, 좀더 상세하게는 화석 연료 연소로 인하여 생성되는 공해 물질인 질소 산화물을 분진의 증가 없이 감소시킬 수 있도록 서로 다른 선회도를 갖는 이단 선회 발생기를 부착함으로써 초기 화염 존재 영역에서는 연소 공기와 연료의 혼합을 촉진하여 화염 안전을 달성하며, 주연소 영역에서는 강선회와 약선회의 교차적인 연소 공기의 편심 혼합으로 과농 연소로 화염 온도의 고온화를 방지하여 질소 산화물의 생성을 억제하고, 후류 연소 영역에서는 약선회 공기에 의한 공기 과잉 상태로 주 연소 영역에서 생성되는 질소 산화물을 질소로의 환원 반응 및 불완전 연소 물질의 완전 연소를 촉진하며, 부하가 증가되는 경우에는 음파 가진을 하여 분진의 증가 없이 공해 물질인 질소 산화물의 생성을 억제시킬 수 있는 버너에 관한 것이다.

현재 산업용으로 사용되는 화석 연료용 버너에 있어서 연소 과정에서 형성되어 배출되는 질소 산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주원인으로 이것의 배출량은 날로 엄격히 규제되고 있다. 따라서, 연소에 의한 화석 에너지의 열 에너지로의 에너지 변환에 있어서 완전 연소는 버너의 기본적인 만족 사항이며, 특별한 분진의 증가 없이 공해물질인 질소 산화물의 감소 정도가 버너의 성능을 좌우하는 매우 중요한 항목으로 인식되고 있다.

종래에 사용된 산업용 버너의 질소 산화물 감소 기법은 연소용 공기중에 함유된 질소가 고온의 연소 분위기에서 과잉 산소와 반응하면서 생성되는 열적 질소 산화물을 감소시키기 위해 고온의 연소 지역에서는 과잉 산소가 부족하도록 연료 과잉-공기 부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고 공기 부족에 의해 발생되는 불완전 연소물을 노내 온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전 연소시키는 방법이 주로 사용되었다.

즉, 버너 앞에서 연료 과잉-공기 부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되는 기법은 배기가스 재순환법(연소된 배기가스의 일부를 연소용 공기가 혼합하여 버너로 유입시켜 연소하는 방법), 화로내 2단 연소(연소 공기의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너 지역에서 불완전 연소된 연소 가스를 완전 연소시키는 기법)등의 설비 추가에 의한 질소 산화물 감소 기법과 버너에서 연소용 공기와 연료의 혼합 특성을 제어함으로써 질소 산화물의 생성을 감소시키는 '저 질소 산화물 버너' 로 구분할 수 있다.

전자는 질소 산화물 감소 효과는 높으나 기존 설비에 질소 산화물 감소용 추가 설비를 설치하여야 하므로 경제적인 부담 및 설비 보수, 유지에 지속적인 부담이 요구된다. 후자는 버너 내부를 질소 저감형으로의 구조 변경으로 부가적인 설비없이 질소 산화물을 저감할 수 있으므로 선호도가 높아지는 추세이다.

본 고안은 상기와 같은 질소 저감형 버너의 필용성을 충족시키기 위해 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 서로 다른 선회도를 이용하여 강선회및 약선회된 공기를 교차적으로 공급하여 강선회용 연소 공기로는 강선회에 의한 화염 안정화와 연료 과잉의 짧은 화염을 형성시켜 화염의 최고 온도 영역을 완화시킴으로써 질소 산화물의 생성을 억제하고, 약선회용 공기는 주 연소 영역을 관통하면서 불완전 연소로 인한 분진의 과대 증가를 방지하고 후류 연소 영역으로 집중 공급하여 주 연소 영역에서 생성되는 미연 가스의 완전 연소로 분진의 증가를 방지하며, 아울러 질소 산화물을 질소로 환원시켜 분진의 특별한 증가없이 질소 산화물을 감소시키며, 부하 변화에 대처하기 위해 음파 가진을 하는 음파 가진 장치를 갖춘 버너를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 2개의 선회기에서 서로 다른 선회도를 갖도록 선회 베인의 설정 방법을 변경함으로써, 강선회에 의한 초기 화염의 안정화와 약선회 및 강선회 공기의 교차적인 공급으로 주 연소 영역에서의 연료 과잉(과잉 공기비<1)상태를 만들어 연료 과잉과 고온 화염면의 냉각에 의한 고온 영역 감소로 질소 산화물의 생성을 억제하였으며, 약선회 공기에 의한 축방향 속도 성분을 강화하여 연료의 후류 이동을 촉진시켜 부분적인 연료 질소 산화물(fuel NOx) 생성을 억제토록 하였다.

또한, 연소 공기의 강선회로 화염 길이는 짧고 지름은 크게 하여 질소 산화물 저감형 버너의 가장 큰 단점인 화염 길이의 증가 현상을 방지하고, 연료 노즐의 공명 주파수로 음파 가진을 줌으로써 과잉 연료의 화염 길이를 짧고 폭은 크게 유지함으로써 부하 변화에 대한 질소 산화물의 증가에 대처하도록 하였다.

또한, 연료 과잉으로 인하여 생성되는 불완전 연소 물질은 2개의 약선회 공기와 후류 연소 영역에서 집중적으로 만나면서 완전 연소가 되도록 하였으며, 이 후류 연소 영역을 과잉 공기 상태로 만듬으로써 질소 산화물의 질소로의 환원 반응을 촉진하여 질소 산화물 저감에 따른 화염 길이의 과대한 증가없이 분진도 일반 버너와 동일하게 배출하면서 질소 산화물을 저감시키도록 하였다.

이하, 본 고안을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 고안은 특별한 분진의 증가없이 질소 산화물을 버너 자체에서 감소시킬 수 있도록 고안한 것으로, 삼차공기 조절판(3), 버너 외통(4), 확산형 이차 분리통(5), 확산형 보염기(6), 연료 노즐(7), 버너 평행부(8), 강선회용 일차베인(9), 약선회용 일차베인(10), 강선회용 일차베인 구동축(11), 약선회용 일차베인 구동축(12), 강선회용 이차베인(13), 약선회용 이차베인(14), 강선회용 이차베인 구동축(15), 약선회용 이차베인 구동축(16), 삼차공기 구동축(17), 공기 상자(18), 버너 정면판(19), 음향 가진 장치(20)로 구성되며, 본 고안의 특징은 제1도, 제2도 및 제3도를 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 따른 버너는 제6도 내지 제7도에 도시되는 바와 같이 공기 상자(18)와, 상기 공기 상자(18)내의 제 1 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되는 일차베인(1)과, 상기 공기 상자(18)내의 제 2 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되는 이차베인(2)과, 상기 공기 상자(18)의 내측 원주벽을 형성하는 버너 외통(4)과, 상기 이차베인(2)으로부터 화로쪽으로 좁아져서 평행하게 뻗는 확산형 이차 분리통(5)과, 상기 공기 상자(14)와 접하여 연결되는 버너 평행부(8)와, 상기 공기 상자(18)의 내측 원주벽 내의 버너 중심에 위치되는 연료 유입관의 일단부에 설치되는 연료 노즐(7)과, 상기 연료 노즐(7)의 일단부에 구비되는 확산형 보염기(6)와 상기 공기 상자(18)의 화로 반대측 단부면을 형성하는 버너 정면판(19)으로 구성되는 산업용 버너에 있어서, 제1도 내지 제2도에 도시되는 바와 같이 상기 일차베인(1)을 상기 제 1 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되어 반원부를 형성하는 강성회용 일차베인(9) 및 나머지 반원부를 형성하는 약선회용 일차베인(10)의 2그룹으로 분할 설치시켜 선회 조절용 핸들에 의해 그 선회도를 조절하며, 상기 이차베인(2)을 상기 제 2 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되어 반원부를 형성하는 강선회용 이차베인(13) 및 나머지 반원부를 형성하는 약선회용 이차베인(14)의 2그룹으로 분할 설치시켜 상기 선회 조절용 핸들에 의해 그 선회도를 조절하는 것이다.

또한, 상기 강선회용 일차베인(9)과 약선회용 이차베인(14)을 같은 반경 방향에 위치시키며, 상기 약선회용 일차베인(10)과 강선회용 이차베인(13)을 같은 반경 방향에 위치시킨다. 또한, 연료 유입관 내에 스피커와 증폭기 및 함수 발생기로 구성되는 통상의 음파 발생기(20)을 설치한다.

또한, 본 고안은 상기 일차베인(1)을 강선회용 일차베인(9)과 약선회용 일차베인(10)으로 일차 분할시켜 버너 평행부(8)를 거쳐 연소용 일차 공기를 화로로 유입시키며, 1차로 선회된 공기중 일부를 강선회용 이차베인(13)과 약선회용 이차베인(14)으로 재선회시켜 강,약의 선회효과를 한층 더 강화시키며, 다양한 화로 형상에 쉽게 적용하기 위해 상기 강선회용 일차베인(9)의 그룹 중 1개의 강선회용 일차베인(9)에 연결되는 강선회용 일차베인 구동축(11), 상기 약선회용 일차베인(10)의 그룹 중 1개의 약선회용 일차베인(10)에 연결되는 약선회용 일차베인 구동축(12), 상기 강선회용 이차베인(13)의 그룹 중 1개의 강선회용 이차베인(13)에 연결되는 강선회용 이차베인 구동축(15) 및 상기 약선회용 이차베인(14)의 그룹 중 1개의 약선회용 이차베인(14)에 연결되는 약선회용 이차베인 구동축(16) 각각을 횡방향으로 나란하게 버너 정면판(19)까지 연장, 설치하여 최적의 연소 조건을 항상 선정할 수 있도록 고안한 것이다.

상기 구조로 질소 산화물을 저감시키는 원리는 먼저 제1도에 도시된 바와 같이 버너 중심에 설치되는 음향 가진 장치(20)를 거친 연료가 연료 노즐(7)을 통하여 연료를 화로 중심에서 대칭적으로 분무시킨다. 연소 공기는 공기 상자(14)에서 균일하게 분포되어 강선회용 일차베인(9)과 약선회용 일차베인(10)을 통과하면서 각각 강선회 상태와 약선회 상태로 분리되어 확산형 이차 분리통(5)을 지나 버너 평행부(8)를 거쳐 화로로 유입된다. 또한, 강선회용 일차베인(9)과 약선회용 일차베인(10)을 거치면서 선회된 연소 공기중 30%정도는 확산형 이차 분리통(5)에 의하여 분리되어 선회 정도가 동일한 위치로 2차로 설치되는 강선회용 이차베인(13)과 약선회용 이차베인(14)을 지나면서 각각 재선회됨에 착화에 필요한 연소공기로 일부분 사용되면서 화염 안정화에 기여하고 나머지는 화염 안정화 영역과 주 연소 영역 부근으로 유입되어 2개의 강,약선회 구분에 의한 질소 산화물 저감 효과를 한층 더 강화시킨다. 서로 다른 지역으로 분리되어 설치되는 강선회용 일차베인(9)과 강선회용 이차베인(13)을 통과하면서 강선회된 연소 공기는 화로 중심보다 화로 외측으로 집중되면서 내부 순환류의 강화로 초기 연소 영역에서의 화염 안정화를 이루고, 화염 형상을 버너측으로 끌어당겨 화염 길이를 줄이며, 화염의 냉각을 촉진하여 고온의 연소 영역을 감소시켜 질소 산화물의 생성을 억제하고, 이 과정에서 화염대에는 연소 공기가 부족한 연료 과잉 상태가 되어 이차적인 질소 산화물의 생성이 억제되며, 약선회용 일차베인(10)과 약선회용 이차베인(14)을 통과하면서 축류 성분이 강화되고 강선회 공기와 교차적으로 공급된 약선회 공기가 강선회에 의하여 형성된 화염대에서 연료 과잉 상태로 증발하는 연료 액적을 후류축으로 이송시켜서 저온의 화염대에 연료 액적을 위치시켜, 미연소 상태로 존재하고 있는 연료중의 질소 성분이 가스화되고 이것으로 인하여 연료 질소 산화물을 억제할 수 있어 질소 성분이 많이 함유된 연료의 연소에 특히 효과적이다.

아울러, 주 연소 영역을 짧은 화염화시킴으로써 연소 가스의 화로내 체류 시간이 상대적으로 길어져 후류에서의 완전 연소를 달성할 수 있는 충분하 시간을 만들어 주며 연료 과잉에 의하여 생성되는 중간 생성물과 발생되는 질소 산화물과의 질소로의 환원 반응 영역도 길어져 질소 산화물 저감 효과를 저감 효과를 극대화할 수 있다.

상기 약선회용 일차베인(10)과 약선회용 이차베인(14)을 통과하면서 약선회된 연소용 공기는 연료와의 혼합도가 상대적으로 떨어지면서 제3도와 같이 후류측 화염을 다시 버너 중심측으로 이동시켜 화염 길이를 길게 하면서 화로 전체적인 온도 분포를 균등하게 만든다.

또한, 화염 후류측에 연소 공기 집중으로 편중된 연료 분무로 인하여 다량으로 발생되는 불완전 연소 가스의 완전 연소를 촉진시켜 분진의 증가를 방지한다.

이와 같이, 서로 다른 위치에 설치된 2단 베인에 의한 강선회와 약선회를 교차적으로 발생, 공급함으로써 질소 산화물을 저감시키는 본 고안을 다양한 화로 형상에 적용시키기 위해서 상기 강선회용 일차베인 구동축(11), 약선회용 일차베인 구동축(12), 강선회용 이차베인 구동축(15), 약선회용 이차베인 구동축(16)을 각각 버너 정면판(19)까지 연장하여 그 단부에 선회 조절용 핸들(도시되지 않음)을 설치, 각각의 적합한 강선회도와 약선회도를 조절할 수 있게 하여 연소 신뢰성을 향상시켰다.

일차적인 화염 안정화를 위해 확산형 보염기(6)를 설치하였으며, 확산형 보염기(6)를 통과하는 삼차공기는 삼차공기 구동축(13) 단부에 연결되는 삼차공기 조절판(3)으로 적절하게 조절되어 버너 외통(4)을 지나 확산형 보염기(6)로 유입된다. 확산형 보염기(8)를 통과한 삼차공기에 의한 일차적인 화염 안정은 질소 산화물 저감에 따른 연료 과잉 영역 형성으로 화염이 불안정화되는 경향이 있으므로, 이것의 보강을 강선회용 이차베인(13)과 약선회용 이차베인(14)을 통과한 이차공기에 의하여 강화시킨다. 또한, 이차공기는 약선회용 일차베인(12)을 통과하면서 형성되는 약선회용 일차 공기의 후류 집중에 의한 주 연소 영역의 너무 낮은 공기 상태(과잉 공기비<0.3)로 인한 질소 산화물의 증가 현상을 방지하기 위해 주 연소 영역으로 유입되도록 하였다.

부하가 증가하게 되면 음파 가진 장치(20)를 통하여 음파 가진이 주어진다. 음파 가진이 주어지면 노즐벽 근처로 감에 따라 속도 전달이 엠프(AMP)로부터 조절되는 진폭에 따라서 급격히 증가하며, 진폭도 엠프로부터 조절할 수 있다. 또한, 특정 위상에서는 출구 근처에서 음의 축방향 성분을 유발함으로써 연료 과잉의 급격한 혼합을 유발한다. 반면에, 이러한 음파 가진의 효과는 상류에서 두드러지며 하류로 가면서 이러한 가진의 효과는 급격히 줄어드는 것으로 알려져 있다.

본 고안에 따른 음파 가진이 없는 경우에는 강선회측에서는 연료 과잉의 짧은 화염이 형성되어 화염의 최고 온도 영역을 완화하여 질소 생성물을 억제하고, 약선회용 공기를 후류에 집중시켜 주 연소 영역에서 생성되는 미연 가스의 완전 연소로 분진의 증가를 방지하며 질소 산화물을 질소로 환원시켜 분진의 특별한 증가없이 질소 산화물을 감소시키는 것으로 되어 있다.

반면에, 부하가 증가하면 다시 질소 산화물의 증가를 겪게 되므로 이러한 단점을 극복하기 이해 질소 산화물이 급격히 증가하는 일정 부하 이상에서는 연료 노즐의 관공명 주파수로 음파 가진을 하며, 엠프로부터 진폭도 적절히 조절하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉, 강선회측은 연료과잉의 짧은 화염을 유지하고 있으므로, 부하가 증가되어 다시 화염 길이가 증가하려 하는 경우에 음파 가진을 줌으로써 다시 연료 과잉의 짧은 화염을 유지시키고, 약선회측에서는 공기를 후류 연소 영역에 집중시키고 있으므로 음파 가진의 효과는 이 영역에서 급격히 줄어 들므로 상술한 원래의 효과를 유지하게 된다. 따라서, 이러한 음파 가진을 특정 부하 이상에서 관리함으로써 조절된 음파 가진의 강도로부터 제5도에 도시되는 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 고안의 효과는 종래고안과 비교하여 제4도 및 제5도에 도시되는데, 종래의 버너에서 생성되는 질소 산화물을 분진의 특별한 증가없이 30%이상 감소시킬 수 있으며, 상기 강선회용 일차베인(9), 약선회용 일차베인(10), 강선회용 이차베인(13), 약선회용 이차베인(14)을 다른 선회도끼리 동일 반경 방향에 설치하여 선회 효과를 극대화시키며, 연소 공기의 선회도를 2단으로하여 화염을 조절하므로 전체적인 화로내 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있어 화로 수관의 국부적인 과열을 방지한다. 또한, 화로 형상에 따른 적절한 선회도를 강선회용 일차베인 구동축(11), 약선회용 일차베인 구동축(12), 강선회용 이차베인 구동축(15), 약선회용 이차베인 구동축(16)으로 조절할 수 있으므로 다양한 화로 형상에 연소 신뢰성을 향상시켜 적용할 수 있다.

2단 선회에 의한 화염내에서의 연료중에 포함된 질소를 가스화시킴으로써, 특히 연료내에 질소 함유량이 많이 포함된 경우의 질소 산화물 저감에 매우 효과적이다.

또한, 음파 가진 장치(20)를 통해 부하의 변화에도 질소 산화물 효과를 유지할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 공기 상자(18)와, 상기 공기 상자(18)내의 제 1 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되는 일차베인(1)과, 상기 공기 상자(18)내의 제 2 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되는 이차베인(2)과, 상기 공기 상자(18)의 내측 원주벽을 형성하는 버너 외통(4)과, 상기 이차베인(2)으로부터 화로쪽으로 좁아져서 평행하게 뻗는 확산형 이차 분리통(5)과, 상기 공기 상자(14)와 접하여 연결되는 버너 평행부(8)와, 상기 공기 상자(18)의 내측 원주벽 내의 버너 중심에 위치되는 연료 유입관의 일단부에 설치되는 연료 노즐(7)과, 상기 연료 노즐(7)에 구비되는 확산형 보염기(6)와, 상기 공기 상자(18)의 화로 반대측 단부면을 형성하는 버너 정면판(19)으로 구성되는 산업용 버너에 있어서, 상기 일차베인(1)은 상기 제 1 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되어 반원부를 형성하는 강선회용 일차베인(9) 및 나머지 반원부를 형성하는 약선회용 일차베인(10)의 2그룹으로 분할되어 설치되며, 상기 이차베인(2)은 상기 제 2 동일 반경의 원주에 걸쳐 서로 연결되어 반원부를 형성하는 강선회용 이차베인(13) 및 나머지 반원부를 형성하는 약선회용 이차베인(14)의 2그룹으로 분할되어 설치되고, 상기 강선회용 일차베인(9)의 그룹 중 1개의 강선회용 일차베인(9)에 연결되는 강선회용 일차베인 구동축(11), 상기 약선회용 일차베인(10)의 그룹 중 1개의 약선회용 일차베인(10)에 연결되는 약선회용 일차베인 구동축(12), 상기 강선회용 이차베인(13)의 그룹 중 1개의 강선회용 이차베인(13)에 연결되는 강선회용 이차베인 구동축(15) 및 상기 약선회용 이차베인(14)의 그룹 중 1개의 약선회용 이차베인(14)에 연결되는 약선회용 이차베인 구동축(16) 각각은 횡방향으로 나란히 배치되며, 음파 가진 장치(20)가 상기 연료 유입관에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소 공기 교차 선회와 음파 가진에 의한 공해 물질 저감형 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 강선회용 일차베인(9)과 약선회용 이차베인(14)을 같은 반경 방향에 형성시키고, 상기 약선회용 일차베인(10)과 강선회용 이차베인(13)을 같은 반경 방향에 형성시킨 것을 특징으로 하는 연소 공기 교차 선회와 음파 가진에 의한 공해 물질 저감형 버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 강선회용 일차베인 구동축(11), 약선회용 일차베인 구동축(12), 강선회용 이차베인 구동축(15) 및 약선회용 이차베인 구동축(16)을 상기 버너 정면판(19)까지 연장 설치하여 그 단부에 설치되는 선회 조절용 핸들에 의해 각각의 선회도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 연소 공기 교차 선회와 음파 가진에 의한 공해 물질 저감형 버너.