KR20030017601A - 산업용 저녹스 버너 - Google Patents

산업용 저녹스 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 저녹스 버너에 관한 것으로, 그 목적은 다단으로 급기하면서 화염 표면적을 극대화하여 복사 열전달을 촉진 질소산화물(NOX)의 생성을 방지하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너에 의하면, 디퓨저(40)의 메인-급기구(42)와 서브-급기구(43)들을 통해 공기를 다단으로 공급함과 동시에 다수개의 1차 노즐(31)과 2차 노즐(32)을 통해 분할화염이 발생된다. 이에 따라 연료가 보다 완전하게 연소되는 것은 물론이며 화염 표면적이 극대화되면서 이들의 복사열 전달의 촉진으로 화염온도가 저하되어 녹스(NOX) 발생이 방지되는 작용효과가 있다. 또한, 하향 경사진 2차 노즐(32)들의 화염에 의해 화실(F.R)내에서는 배기가스 내부 재순환이 이루어지며, 이것에 의해 녹스 발생을 보다 효과적으로 방지하는 작용효과가 있다.

Description

산업용 저녹스 버너{LOW NOx BURNER}
본 발명은 산업용 저녹스 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다단 급기 및 연료의 다단 공급에 의한 분할 화염방식을 통해 화염 표면적을 극대화하여 복사 열전달을 촉진 질소산화물(NOX)의 발생을 억제할 수 있는 저녹스 연소기술을 복합 적용한 산업용 저녹스 버너에 관한 것이다.
일반적으로 질소산화물은 NO와 NO2를 뜻하며 통상 NOX라고 표기하는데, 화석 연료 연소 시 다량 발생된다. 이러한 질소산화물, 즉 녹스(NOX)는 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 Thermal NOX와, 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소 성분이 연소 과정에서 산화되어 생성되는 Fuel NOX와, 연소시 연료에서 발생되는 탄화수소기가 연소용 공기중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOX등으로 구별된다.
이 질소산화물 중에서 NO는 무색, 무취의 기체로 독성이 있으며, NO2는 가시광선의 흡수체로 보라색 내지 청색 같은 단파를 잘 흡수하기 때문에 갈색을 띠며 부식성이 있고 강한 질식성 악취를 가지는 유독성 기체이다.
특히, 질소산화물의 가장 큰 피해는 광화학적 스모그 생성에 관여하는 것으로, 햇빛의 존재하에 탄화수소와 반응하여 광화학적 산화물과 오존을 생성한다. 또한, 오존 이외에 PAN(Peroxyacetylnitrate)과 같은 스모그 공해물질은 기침, 눈의 자극, 두통과 목에 심한 자극을 일으킨다.
이러한 질소산화물은 공기 중의 산소와 질소가 반응하여 생성되는데, 산소와질소는 상온에서 서로 반응성이 매우 낮으나 고온(1700℃ 이상)에서는 반응을 해서 NO를 발생시킨다. 따라서 대부분의 버너 화실의 최고 온도지역인 화염 표면지역은 통상 1200 ~ 1750℃의 온도에 도달하므로, 이 반응은 NO 생성에 중요한 생성원이 되는데, 그 반응식은 다음과 같다.
N2+ O2= 2NO
이와 같이, NO가 생성되면, 분해반응속도가 느려 N2와 O2로 다시 분해되지 않고, 산소와 다시 반응하여 NO2를 생성한다.
즉, 2NO + O2= 2NO2가 된다. 이 반응은 온도가 상승함에 따라 반응속도가 느려지는 반응이다. 따라서 고온에서는 NO 생성이 활발하며, 기체의 온도가 서서히 내려가면, 고온의 NO는 N2와 O2로 분해된다. 그러나 갑자기 냉각되면, NO의 대부분은 NO 형태 그대로 존재한다. 대부분의 연소로에서는 배기가스가 급격하게 냉각되므로 질소산화물은 NO의 형태 그대로 대부분 배출된다. 또한, 대부분의 NO2는 연소로 내에서 생성된 것이 아니라, 연돌에서 배출된 후 대기 중에서 생성되는 것이다. 이에 따라 질소산화물의 생성을 줄이기 위해서는 연소로에서 버너의 화염온도를 최대한 낮추는 것이 바람직하다.
그러나 종래 산업용 버너 구조에서는 연소로 내에서의 화염온도를 낮추기 위한 별다른 구성이 구비되어 있지 않다. 특히, 폐열회수를 증가시키고 연소효율 개선을 위해 종래 버너에서는 연소용 공기를 배기가스에 의해 예열하는데, 이러한 공기의 예열은 화염온도를 상승시켜 Thermal NOX생성을 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 버너의 노즐 구조 및 급기구조를 개선하여 다단으로 급기함과 동시에 연료의 다단 공급, 배기가스 내부 재순환 등을 이용 화염 온도를 저하시켜, 질소산화물(NOX)의 생성을 방지하며 완전연소를 실현할 수 있는 산업용 저녹스 버너를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너의 전체적인 구조를 보인 것이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부위를 발췌하여 보인 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료공급관의 선단 구조를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 4는 도 2의 화살표 Ⅳ 방향에서 본 저면도로, 디퓨져 및 노즐수단의 구조를 보인 것이다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너의 연소상태를 개략적으로 보인 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10..프레임판넬 20..연료공급관
30..노즐수단 31..1차 노즐
32..2차 노즐 40..디퓨저
42..메인-급기구 43..서브-급기구
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
연소공기를 화실로 안내하는 통 형상의 프레임판넬과, 이 프레임판넬내에 길이방향으로 설치되며 선단이 프레임판넬 하류를 관통하여 화실까지 연장된 연료공급관과, 연료공급관의 선단에 마련되어 연료를 분출시키는 노즐수단과, 노즐수단측으로 연소공기가 확산 공급되도록 프레임판넬의 하류측에 배치되며 급기구멍이 천공된 원판상의 디퓨저와, 노즐수단을 통해 분출되는 연료에 불꽃을 발생시켜 점화하는 파일럿버너를 갖춘 산업용 버너에 있어서,
노즐수단은 연료공급관의 선단 외주에 일정한 간격을 유지하면서 반경방향으로 배치되며 내부에는 길이방향으로 분출홀이 천공되어 파일럿버너에 의해 연료가 점화되는 다수개의 1차 노즐과, 이 1차 노즐들 보다 하류측인 연료공급관의 선단 외주에 일정한 간격을 유지하면서 반경방향으로 배치되되 화실을 향해 소정각도 하향 경사진 다수개의 2차 노즐을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 디퓨저의 급기구멍은 디퓨저의 가장자리를 따라 일정한 간격으로 형성되되 2차 노즐들의 끝단과 상호 어긋나도록 형성된 다수개의 메인-급기구와, 디퓨저의 중앙부위에 원주방향으로 일정한 간격을 유지하면서 천공되되 메인-급기구들의 위치와 어긋나게 천공된 다수개의 서브-급기구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 1차 노즐들과 2차 노즐들은 서브-급기구와 일치되는 선상으로 배치되며, 2차 노즐들의 길이는 1차 노즐보다 더 길게 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 1차 노즐들의 끝단에는 분출홀의 길이방향과 직교하는 방향으로 보조홀이 천공된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너는 도 1에 도시한 바와 같이, 화실(F.R火室)로 연소공기를 안내하는 통 형상의 프레임판넬(10)과, 이 프레임판넬(10)내에 길이방향으로 배치되며 선단이 프레임판넬(10)을 관통하여 화실(F.R)까지 연장된 연료공급관(20)과, 이 연료공급관(20)의 선단에 마련되어 연료를 분출하는 노즐수단(30)과, 이 노즐수단(30)측으로 연소공기를 확산 공급하는 원판상의 디퓨저(40)와, 노즐수단(30)을 통해 분출되는 연료에 불꽃을 발생시켜 점화하는 파일럿버너(50)를 갖추고 있다.
프레임판넬(10)은 저녹스 버너의 외형을 이루는 것으로, 연소공기의 공급이 보다 원활하게 이루어지도록 통 형상으로 구성되어 있다. 또한, 프레임판넬(10)의 상류측에는 송풍기(11)로부터 연소공기가 공급되도록 윈드 박스(12;WIND BOX)가 배치되며, 프레임판넬(10)의 하류측은 화실(F.R)까지 연장되어 있다.
연료공급관(20)은 소정의 직경을 갖는 금속파이프로, 통 형상의 프레임판넬(10) 내부에 길이방향으로 관통하여 배치된다. 즉, 연료공급관(20)의 일단은 가스연료 공급원과 연결되며, 연료공급관(20)의 타단은 프레임판넬(10) 하류를 관통하여 화실(F.R)까지 연장되어 있다.
그리고 도 2 내지 도 4를 참조하면, 노즐수단(30)은 씨불 역할 및 화염을 분할시키는 다수개의 1차 노즐(31)과, 화염의 표면적이 증대되도록 분할화염을 생성하는 다수개의 2차 노즐(32)로 구별된다.
1차 노즐(31)들은 화실(F.R)내에 위치한 연료공급관(20)의 선단 외주에 일정한 간격을 유지하면서 반경방향으로 배치되며, 이의 내부에는 길이방향으로 분출홀(31a)이 천공되어 이를 통해 연료공급관(20) 내부와 연통된다. 본 발명의 실시 예에서 1차 노즐(31)들은 이웃하는 것들과 45도 각도를 유지하도록 8개로 구성하였다. 또한, 1차 노즐(31)의 끝단에는 분출홀(31a)의 길이방향과 직교하는 방향으로 보조홀(31b)이 천공되어 있는데, 이것은 화염을 보다 효과적으로 분할시키기 위함이다. 또한, 1차 노즐(31)들 중의 하나는 파일럿버너(50)의 끝단과 인접하게 배치되어 있어서, 씨불 역할을 하게 된다. 이 때, 파일럿버너(50)는 점화봉(51;도 4참조)에서 실제로 발생되는 불꽃에 의해 점화가 된다.
2차 노즐(32)들 역시 8개가 연료공급관(20)의 선단 외주에 일정한 간격으로 배치된다. 즉, 8개의 2차 노즐(32)은 1차 노즐(31)들보다 하류측인 연료공급관(20)의 선단에 45도 간격이 유지되도록 마련되며, 2차 노즐(32) 각각은1차 노즐(31)들과 일치되는 선상으로 배치된다(실제로 1차 노즐(31)들과 2차 노즐(32) 각각은 후술하는 디퓨저(40)의 서브-급기구(43)와 일치되는 선상으로 배치된다).
또한, 2차 노즐(32)들의 길이(L2;도 3참조)는 1차 노즐(31)의 길이(L1;도 3참조)보다 상대적으로 더 길게 마련되어 있어서(L2 > L1), 1차 노즐(31)들에서 발생된 화염이 2차 노즐(32)에서의 화염 불안정을 보상하게 된다.
이러한 2차 노즐(32)들은 단부가 화실(F.R) 내부를 향해 소정각도 하향 경사지게 배치되는데, 이것은 배기가스를 화실(F.R)내에서 내부 재순환시키기 위함이다. 이를 위해 2차 노즐(32)들의 경사각(θ;도 2참조)은 8 ~ 12도 정도로 구성함이 바람직한데, 본 발명의 실시 예에서 2차 노즐(32)들은 연료공급관(20)의 반경방향을 기준으로 10도 하향 경사지게 구성하였다.
한편, 도 3과 도 4를 참조하면, 원판상의 디퓨저(40)는 버너의 핵심구성요소중의 하나로 공기 통로인 원통상의 프레임판넬(10) 하류를 막도록 설치되며, 여기에는 연료공급관(20)이 관통하는 관통공(41)과, 가스연료와 혼합되는 공기를 다단으로 공급하여 저녹스를 실현할 수 있도록 급기구멍(42)(43)이 천공되어 있다.
관통공(41)은 연료공급관(20)의 선단이 관통하는 것으로, 디퓨저(40)의 중앙에 천공되어 있다.
그리고 급기구멍(42)(43)은 디퓨저(40)의 가장자리를 따라 일정한 간격으로 형성된 다수개의 메인-급기구(42)와, 디퓨저(40)의 중앙부위 즉 관통공(41) 주변을 따라 원주방향으로 천공된 다수개의 서브-급기구(43)로 이루어져 있다. 메인-급기구(42)는 2차 노즐(32)들의 끝단과 상호 어긋나도록 형성되는데, 본 발명의 실시 예에서는 45도 각도를 이루면서 8개가 마련되어 있다. 또한, 서브-급기구(43)들은 디퓨저(40)의 중앙부위를 따라 세장형으로 형성되는데, 메인-급기구(42)들의 위치와 상호 어긋남으로써, 연소 공기가 다단으로 공급되게 된다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너의 작동 및 이에 따른 효과를 설명한다.
먼저, 송풍기(11)가 작동함에 따라 연소공기는 윈드박스(12) →원통상의 프레임판넬(10) →디퓨저(40)의 메인-급기구(42) 및 서브-급기구(43)들을 통해 화실(F.R)내로 강제 공급된다(도 1의 화살표 A 방향 참조).
그리고 연료공급관(20)을 통해 공급되는 가스연료는 1차 노즐(31)들과 2차 노즐(32)들을 통해 분사되어 강제 공급되는 공기와 혼합되면서 연소된다(도 1의 화살표 B 방향 참조).
즉, 파일럿버너(50)를 통해 1차 노즐(31)중의 하나가 먼저 점화되면, 이것이 씨불 역할을 수행하면서 다른 1차 노즐(31)들 및 2차 노즐(32)들 역시 점화된다. 이 때, 파일럿버너(50)는 불꽃을 발생시켜 점화되면, 자동으로 소멸된다.
이 때, 연소공기는 디퓨저(40)의 서브-급기구(43)들과 메인-급기구(42)들을 통해 화실(F.R)내에 다단으로 분할 공급됨과 동시에 1차 노즐(31) 및 2차 노즐(32) 첨단에서 혼합된다. 이에 따라 강제 공급되는 연소공기와 가스연료가 고르게 혼합된다.
한편, 도 5와 도 6을 참조하면, 1차 노즐(31)은 점화 초기에 씨불 역할을 수행하는 것은 물론이며 화실(F.R)의 상류측에서 화염을 분할시키는 역할도 병행한다. 이에 따라 연소 중에 2차 노즐(32)의 화염 불안정을 보상한다. 실제, 1차 노즐(31)에서 발생되는 화염(F1)은 크게 8개로 분할되면서 2차 노즐(32)의 화염 불안정을 보상하는데, 이러한 현상은 1차 노즐(31) 끝단의 보조홀(31b)을 통해 분출되는 가스가 연소되면서 발생되는 화염(F2)에 의해 보다 폭넓게 분할되기 때문이다.
또한, 2차 노즐(32)들에서의 화염(F3) 역시 8개로 폭넓게 분할되면서 발생된다. 이 때, 2차 노즐(32)들의 화염(F3)은 상류측에서 발생된 1차 노즐(31)들의 화염(F1)(F2)에 직접적인 영향을 받으면서 안정화되어 완전연소가 이루어지고, 아울러 화염 표면적이 극대화된다.
이에 따라 표면적이 극대화된 화염에 의해 화실(F.R)내에서의 복사 열전달이 촉진되며 화염온도가 저하된다. 실제로 화실(F.R)내에서의 화염온도가 종래에 비해 상당하게 떨어져, 질소산화물 즉 녹스의 생성이 월등하게 줄어든다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 2차 노즐(32)의 화염(F3)들은 화실(F.R)내에서 하향되기 때문에, 실제 화실(F.R) 내부에는 배기가스가 내부 재순환하는 기류가 생성된다(화살표 C 방향). 이에 따라 화실(F.R)내에서 배기가스가 재차 선회하면서 연소되기 때문에, 녹스 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 산업용 저녹스 버너에 의하면, 디퓨저의 메인-급기구와 서브-급기구들을 통해 공기를 다단으로 공급함과 동시에 다수개의 1차 노즐과 2차 노즐을 통해 분할화염이 발생된다. 이에 따라 연료가 보다 완전하게 연소되는 것은 물론이며 화염 표면적이 극대화되면서 이들의 복사열 전달의 촉진으로 화염온도가 저하되어 녹스(NOx) 발생이 방지되는 작용효과가 있다. 또한, 하향 경사진 2차 노즐들의 화염에 의해 화실내에서는 배기가스 내부 재순환이 이루어지며, 이것에 의해 녹스 발생을 보다 효과적으로 방지하는 작용효과가 있다.

Claims (4)

  1. 연소공기를 화실(F.R)로 안내하는 통 형상의 프레임판넬(10)과, 상기 프레임판넬(10)내에 길이방향으로 설치되며 선단이 상기 프레임판넬(10) 하류를 관통하여 상기 화실(F.R)까지 연장된 연료공급관(20)과, 상기 연료공급관(20)의 선단에 마련되어 연료를 분출시키는 노즐수단(30)과, 상기 노즐수단(30)측으로 연소공기가 확산 공급되도록 상기 프레임판넬(10)의 하류측에 배치되며 급기구멍이 천공된 원판상의 디퓨저(40)와, 상기 노즐수단(30)을 통해 분출되는 연료에 불꽃을 발생시켜 점화하는 파일럿버너(50)를 갖춘 산업용 버너에 있어서,
    상기 노즐수단(30)은,
    상기 연료공급관(20)의 선단 외주에 일정한 간격을 유지하면서 반경방향으로 배치되며 내부에는 길이방향으로 분출홀(31a)이 천공되어 상기 파일럿버너(50)에 의해 연료가 점화되는 다수개의 1차 노즐(31)과,
    상기 1차 노즐(31)들 보다 하류측인 상기 연료공급관(20)의 선단 외주에 일정한 간격을 유지하면서 반경방향으로 배치되되 상기 화실(F.R)을 향해 소정각도(θ) 하향 경사진 다수개의 2차 노즐(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 산업용 저녹스 버너.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 디퓨저(40)의 급기구멍은,
    상기 디퓨저(40)의 가장자리를 따라 일정한 간격으로 형성되되 상기 2차 노즐(32)들의 끝단과 상호 어긋나도록 형성된 다수개의 메인-급기구(42)와,
    상기 디퓨저(40)의 중앙부위에 원주방향으로 일정한 간격을 유지하면서 천공되되 상기 메인-급기구(42)들의 위치와 어긋나게 천공된 다수개의 서브-급기구(43)를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 저녹스 버너.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 1차 노즐(31)들과 2차 노즐(32)들은 상기 서브-급기구(43)와 일치되는 선상으로 배치되며,
    상기 2차 노즐(32)들의 길이(L2)는 상기 1차 노즐(31)의 길이(L1) 보다 더 길게 마련된 것을 특징으로 하는 산업용 저녹스 버너.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 1차 노즐(31)들의 끝단에는 상기 분출홀(31a)의 길이방향과 직교하는 방향으로 보조홀(31b)이 천공된 것을 특징으로 하는 산업용 저녹스 버너.
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