KR20030052894A - 벤튜리형 저 질소산화물 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벤튜리형 저 질소산화물 버너에 관한 것으로서,

버너 몸체(1)의 내부를 도입부(21) 및 벤튜리 노즐(22), 확대관(23)이 순차적으로 연결된 벤튜리 관의 형태로 형성하고, 상기 도입부(21)의 중심부로 연료관(2) 및 공기관(3)을 관통 형성시켜, 분사된 연료(9)와 연소용 공기(4)의 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과하여 확대관(23)으로 분사되도록 하며, 버너 몸체(1)의 전면부로부터 상기 도입부(21)로 연소 배가스(7)가 흡인되도록 배가스 흡입관(13)을 형성하여, 상기 확대관(23) 통과시 유속이 저하된 혼합기에 의해 연소 화염(8)이 형성되고, 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과할 때 발생하는 압력저하 현상에 의하여 연소 배가스(7)가 흡인되도록 한 것을 특징으로 하며,

공기 분류의 속도를 낮게 하여 연소 배가스의 온도 조건에 관계없이 안정된 화염이 형성되도록 하며, 연소용 공기 분류에 흡인되는 연소 배가스의 양을 극대화하여 질소산화물의 발생을 억제하여, 조업을 위한 안정 화염의 확보와 환경오염물질 발생 억제의 효과를 제공한다.

Description

벤튜리형 저 질소산화물 버너{VENTURI TYPE LOW NOx BURNER}

본 발명은 벤튜리형 저 질소산화물 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는공업로에서 사용되는 버너의 버너 몸체 내부를 벤튜리 관 형태로 구성함으로써, 공기 분류의 버너출구 분사 속도를 낮게 하여 연소 배가스의 온도 조건에 관계없이 안정된 화염이 형성되도록 함과 동시에, 연소용 공기 분류에 흡인되는 연소 배가스의 양을 극대화하여 질소산화물의 발생을 최대한 억제시킬 수 있도록 한 분류 흡인식 배가스 자기 재순환형 버너에 관한 것이다.

화석 연료의 연소와 수반하여 발생되는 질소산화물은 여러가지 환경오염 문제를 유발하기 때문에 대기오염 물질로서 가장 중요한 규제대상이 되고 있으며, 산업화가 진행될수록 발생 규제는 점차 엄격해 지고 있다. 이러한 질소산화물은 대부분의 공업로에서 버너를 통하여 연료를 연소시킬 때 연소 공기중의 질소와 산소가 고온 분위기 하에서 결합되어 발생되며, 이를 저감하기 위해서는 고도의 연소 제어 기술이 필요하게 된다.

한편, 최근에 와서 공업로 분야에서는 연료 사용량을 저감할 수 있는 축열식 연소 기술을 적용하는 추세에 있다. 축열식 연소기술은 세라믹 축열체를 이용하여 연소 배가스 보유열을 축열시킨 후, 연소용 공기를 통과시켜 보유열을 재생함으로써, 연소용 공기를 예열 연소하는 일종의 배열회수 기술이다. 이 기술을 적용하면 최종 배가스의 온도를 150℃ 수준까지 저하시킬 수 있고, 회수된 배열에 의하여 연소용 공기를 1000℃ 이상까지 예열시킬 수 있게 되어, 공업로 투입 에너지를 종래 기술 대비 최고 30%까지 감소시킬 수 있게 된다.

그러나, 이와 같이 배열회수 증대에 의하여 연소용 공기의 예열온도가 높아지면, 연소용 공기가 보유하고 있는 열량이 증대되므로 연소화염의 온도까지 높아지는 결과가 초래된다. 연소화염 온도가 높아지면 피가열물에 대한 열전달을 촉진시키는 유리한 점이 있는 반면, 연소공기중의 질소와 산소의 결합을 촉진시켜 결과적으로 질소산화물의 생성을 비약적으로 증가시키게 되는 역효과를 초래하게 된다.

따라서 공업로에 있어서 축열식 연소기술과 같은 에너지 절감 기술을 실제적으로 적용하기 위해서는 화염온도 상승에 따른 질소산화물 증대를 억제할 수 있는 새로운 연소기술의 개발이 반드시 선행되어야 한다.

도 1a 및 도 1b는 상기의 축열식 연소로와 같이 고온 연소공기를 사용하는 경우에 있어서 질소산화물의 발생을 억제하기 위한 고속 분사형 버너의 종단면 및 횡단면을 각각 나타낸다.

고속 분사형 버너는 노내에 연소용 공기(4)를 고속으로 분사할 때 발생하는 공기 분류(5)의 압력저하 현상을 이용하여 분류 주변에 있는 연소 배가스(7)가 연소용 공기에 흡인되도록 하는 것을 기술의 핵심으로 한다. 노내에 있는 연소 배가스(7)는 연소가 완료된 상태이기 때문에 산소가 거의 없는 상태이며, 이를 고속의 연소용 공기 분류(5)에 흡인되도록 함으로써, 연료 분류(6)와 반응하는 연소용 공기중의 산소 농도가 저하되도록 하는 것이다.

또한 상기의 작용에 의하면 연소반응시 산소농도의 저하 효과를 얻게 될 뿐만 아니라 연소용 공기의 체적 증대 효과가 얻어지기 때문에, 연소 화염(8)의 강도 즉 화염의 단위체적당 발생열량을 저하시킬 수 있게 되어, 결과적으로 국부적인 고온화염의 생성이 억제된다.

질소 산화물의 생성은 화염의 온도와 체류시간 그리고 산소농도에 의하여 지배되는 바, 상기와 같이 연소용 공기(4)에 연소 배가스(7)를 희석함으로써, 산소농도 저하와 화염온도 저하 효과를 얻게 되고, 따라서 고온으로 예열된 연소용 공기를 사용하더라도 질소산화물의 발생을 종래 기술 대비 50% 이하로 저감할 수 있게 되는 것이다,

도 1a 및 도 1b에 도시된 버너에서 연료 분류(6)는 연소용 공기(4)에 연소 배가스(7)가 충분히 희석된 다음 연소용 공기(4)와 반응할 수 있도록 되어 있어 연소 배가스(7)의 흡인 효과를 극대화 할 수 있다.

공기 분류(5)에 흡인되는 연소 배가스(7)의 양은 분류의 속도가 빠를수록 증대되지만, 화염의 안정성과 공기 공급 송풍기의 발생 압력을 고려하여 실제 사용되는 고속분사형 버너에서는 공기 분류(5)가 버너 토출구에서 초당 약 100m 수준으로 분출되도록 하고 있다.

도 2는 연소용 공기에 연소 배가스가 흡인될 수 있도록 한, 또 다른 형태의 배가스 재순환식 저 질소산화물 버너의 구조를 나타낸 것이다.

이런 형태의 버너에서는 버너 몸체(1)의 내부에 원통형 공간을 두고 그 중심부에 연소용 공기 분류(5)가 흐르도록 하며, 연소 배가스(7)는 버너 몸체(1)에 설치된 별도의 배가스 흡입관(13)을 통하여 흡인된 다음 원통형 공간에서 연소용 공기와 혼합되도록 하고 있다.

이와 같은 버너에 있어서는, 고속 분류를 이용하여 연소 배가스를 흡인하는 원리는 도 1에 도시한 버너와 같지만, 연소용 공기와 연소 배가스의 혼합이 원통형 공간에서 이루어 지기 때문에 혼합 효과를 보다 크게 할 수 있다는 점에서 차이가있다.

도 1에 도시된 것과 같은 고속 분사형 버너에서 가장 문제가 되는 것은 연소용 공기를 초당 약 100m의 속도로 분사하기 때문에 화염의 안정성이 저하되는 현상이다.

즉, 고속분사 시에도 안정된 화염을 얻기 위해서는 연소 배가스(7)의 온도가 최소한 800℃ 이상으로 유지되어야 하지만, 가열 초기에는 연소 배가스(7)의 온도가 낮기 때문에 화염이 불안정해지거나 연소용 공기 분류(5)에 의하여 화염이 날려가는 비화 현상이 발생되어 화염이 형성되지 않는다. 연소 배가스(7)의 온도가 800℃ 이상이 되면 별도의 점화원이 없이도 점화가 이루어지는 자기착화 온도 이상이 유지되기 때문에, 분류의 유속에 관계없이 화염은 연소용 공기와 연료가 혼합된 전체 영역에서 유지될 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 연소 배가스의 온도가 저하되어 있는 경우에는, 연소용 공기가 연소 배가스에 의하여 냉각되는 현상이 발생하여 혼합기의 연소성이 저하되고, 유속의 증대로 해서 점화원을 제공해 주는 열원이 없어지기 때문에 화염이 형성되지 않게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 고속분사형 버너를 사용할 때는 연소 배가스의 온도가 낮은 가열초기에 안정된 화염을 확보하기 위하여 저속 공기 노즐을 별도로 설치하여 사용하여야 하는데, 이는 버너의 형태를 복잡하게 할 뿐만 아니라 운전을 어렵게 하는 요인을 제공하게 된다.

도 2에 도시된 것과 같은 버너의 경우에는, 연소 배가스(7)와 연소용 공기분류(5)의 혼합이 촉진되는 장점은 있지만, 혼합이 한정된 공간에서 이루어지기 때문에 공기 분류와 연소 배가스의 접촉면적이 줄어들어 흡인되는 연소 배가스의 양을 증대시킬 수가 없고, 따라서 연소 배가스(7)에 의한 희석효과가 일반적인 형태의 고속분사형 버너에 비하여 현저히 저하되는 문제가 있다.

그러므로, 연소용 공기 분류의 흡인력을 이용하는 기존의 배가스 자기 순환식 버너에서는, 공기 분류(5)의 유속을 증대시켜 연소 배가스(7)의 흡인량을 증대시켜야 하지만, 이러한 방안은 화염의 안정성을 저해하는 기술적 문제를 내포하고 있으므로, 이를 해결하기 위해서 비교적 저속의 공기 분류를 이용하여 화염의 안정성을 확보함과 동시에 연소 배가스의 흡인량을 극대화 할 수 있는 기술이 절실히 요구되는 실정이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 공업로에서 사용되는 버너의 버너 몸체 내부를 벤튜리 관 형태로 구성함으로써, 공기 분류의 버너출구 분사 속도를 낮게 하여 연소 배가스의 온도 조건에 관계없이 안정된 화염이 형성되도록 함과 동시에, 연소용 공기 분류에 흡인되는 연소 배가스의 양을 극대화하여 질소산화물의 발생을 최대한 억제시킬 수 있도록 한 벤튜리형 저 질소산화물 버너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1a는 일반적인 고속분사형 저 질소산화물 버너의 종단면도,

도 1b는 도 1a의 A-A부의 횡단면도,

도 2는 종래의 배가스 흡인형 버너의 종단면도,

도 3은 본 발명에 의한 벤튜리형 저 질소산화물 버너의 종단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 버너 몸체2: 연료관

3: 공기관4: 연소용 공기

5: 공기 분류6: 연료 분류

7: 연소 배가스8: 연소 화염

9: 연료11: 혼합 가스

13: 배가스 흡입관21: 도입부

22: 벤튜리 노즐23: 확대관

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 버너 몸체(1)의 내부를 도입부(21) 및 벤튜리 노즐(22), 확대관(23)이 순차적으로 연결된 벤튜리 관의 형태로형성하고, 상기 도입부(21)의 중심부로 연료관(2) 및 공기관(3)을 관통 형성시켜, 분사된 연료(9)와 연소용 공기(4)의 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과하여 확대관(23)으로 분사되도록 하며, 버너 몸체(1)의 전면부로부터 상기 도입부(21)로 연소 배가스(7)가 흡인되도록 배가스 흡입관(13)을 형성하여, 상기 확대관(23) 통과시 유속이 저하된 혼합기에 의해 연소 화염(8)이 형성되고, 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과할 때 발생하는 압력저하 현상에 의하여 연소 배가스(7)가 흡인되도록 한 것을 특징으로 한다.

벤튜리 관은 자유분류에 비하여 흡입 효과를 수십 배까지 크게 할 수 있다는 장점이 있어, 일반적인 산업 공정에서 유체의 흡입을 위하여 널리 사용되고 있다.

종래의 기술에서 적용하고 있는 자유분류에 의한 연소 배가스 흡인 방식에서는 연소 배가스의 흡인 효과를 증대시키기 위해서 분류의 유속을 증대시켜야 하지만, 본 발명에서는 적절히 설계된 벤튜리 관을 사용함으로써, 공기의 분사 속도를 비교적 느리게 하면서도 충분한 연소 배가스 흡인 효과를 얻을 수 있도록 하여, 질소산화물의 발생을 충분히 억제함과 동시에 버너출구 분출 유속의 저하에 의해 화염의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 벤튜리형 저 질소산화물 버너의 종단면도이다.

버너 몸체(1)의 내부를 벤튜리 관 형태로 형성하고, 그 중심부에서 연료(9) 및 공기(4)가 연료관(2) 및 공기관(3)의 이중 원통관을 통하여 분사되도록 하며, 내부 벤튜리 관의 도입부(21)의 원주상에 노내 연소 배가스(7)가 흡인될 수 있도록배가스 흡입관(13)을 형성한다.

이러한 구성을 통해, 연소용 공기 분류(5)는 버너 내부의 벤튜리 노즐(22)을 통과하면서 유속이 증대되어 압력이 저하되기 때문에, 벤튜리 관의 도입부(21)와 버너 몸체(1)의 전면부를 연결해 주는 배가스 흡입관(13)을 통하여 연소 배가스(7)를 흡인할 수 있게 된다. 또한, 혼합기는 벤튜리 관의 확대관(23)을 통하여 속도가 저하되면서 압력을 회복하게 되어, 버너의 토출부 즉 벤튜리 확대관(23)의 출구에서 속도가 충분히 낮아진 상태에서 노내로 분출된다.

이와 같이 벤튜리 관을 사용함으로써 공기 분류(5)에 의한 연소 배가스(7)의 흡인 효과를 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 버너 토출부에서는 분사속도를 저하시킬 수 있게 되어 화염의 안정성을 확보하는 효과를 얻게 된다.

즉, 도 1과 도 2에서 설명한 종래의 분류 흡인식 버너는 연소용 공기(4)의 자유분류를 형성하여 주위의 연소 배가스가 흡인되도록 한 것임에 비하여, 본 발명에서는 벤튜리 관의 압력 저하 현상을 이용하여 연소 배가스(7)가 흡인되도록 하였으며, 또한 흡입된 연소 배가스(7)가 벤튜리 관의 확대관(23)을 통과하는 과정에서 충분히 혼합될 뿐만 아니라 유속의 감소가 이루어지도록 함으로써, 노내에 분사되는 연소공기의 유속을 저하시킬 수 있도록 하였다.

이와 같은 본 발명 벤튜리형 저 질소산화물 버너는, 공기 분류의 속도를 낮게 하여 연소 배가스의 온도 조건에 관계없이 안정된 화염이 형성되도록 하며, 연소용 공기 분류에 흡인되는 연소 배가스의 양을 극대화하여 질소산화물의 발생을억제하여, 조업을 위한 안정 화염의 확보와 환경오염물질 발생 억제의 효과를 제공하는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 버너 몸체(1)의 내부를 도입부(21) 및 벤튜리 노즐(22), 확대관(23)이 순차적으로 연결된 벤튜리 관의 형태로 형성하고, 상기 도입부(21)의 중심부로 연료관(2) 및 공기관(3)을 관통 형성시켜, 분사된 연료(9)와 연소용 공기(4)의 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과하여 확대관(23)으로 분사되도록 하며, 버너 몸체(1)의 전면부로부터 상기 도입부(21)로 연소 배가스(7)가 흡인되도록 배가스 흡입관(13)을 형성하여,

   상기 확대관(23) 통과시 유속이 저하된 혼합기에 의해 연소 화염(8)이 형성되고, 혼합기가 상기 벤튜리 노즐(22)을 통과할 때 발생하는 압력저하 현상에 의하여 연소 배가스(7)가 흡인되도록 한 것을 특징으로 하는 벤튜리형 저 질소산화물 버너.