KR200347977Y1 - 대기오염물질 저감용 버너시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 완전연소를 이루어 대기오염물질을 크게 저감할 수 있는 버너시스템에 관한 것으로서, 연소용 공기를 불어 넣어주는 블로어, 동일한 중심축을 갖고 반지름이 각각 다른 3개의 원통형의 포트, 각 포트의 양단에는 포트를 지지하는 평평한 모양의 원판, 연소용 공기를 버너내부로 분사하는 에어노즐, 버너 내부 중앙에 형성된 원통형의 에멀젼 인젝터와 연소용 공기에 회전력을 부여하는 월러를 설치하여, 블로어에서 연소용 공기를 아우터포트의 내부로 접선방향으로 불어 넣어주면 이 공기는 각 포트간의 사이 공간을 회전하면서 포트를 공냉시키고 자체 승온되며, 인너포트에 설치된 에어노즐을 통하여 버너내부로 분사되어 아웃렛쪽 원판에 부딪히게 되고, 부딪힌 공기중 일부는 버너내부로 되돌려져 1차 연소용 공기가 되고 나머지는 아웃렛쪽 원판을 타고 흘러 아웃렛으로 빠져나가 2차 연소용 공기가 되고, 1차 연소용 공기는 월러에 의하여 되돌려져 에멀젼 인젝터를 감싸고 돌아 에멀젼 인젝터에서 분사되는 연료와 혼합, 완전 연소를 이루어 대기오염물질을 획기적으로 저감시키는 버너시스템이 제공된다.

Description

대기오염물질 저감용 버너시스템{A burner system reducing air-polution material}

본 고안은 연료를 완전 연소시켜 다이옥신, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)과 같은 대기오염물질을 획기적으로 저감할 수 있는 산업용 버너시스템에 관한 것이다. 특히 폐유 또는 폐유정제유를 연료로 사용하고, 특히 이에 물을 첨가하여 제조한 에멀젼 연료유를 연료로 사용하는 버너시스템에 관한 것이다.

종래의 버너에 있어서 대기오염물질을 저감하기 위한 방법은 여러 가지로 제시되어 있으며, 특히 NOx를 저감하기 위한 고안이 주류를 이루고 있다. 이하에서는 종래의 기술을 개관하고 문제점을 적출해 낸다.

첫째, 나선형 공기분산판을 조절함으로써 연소조건에 따라 최적의 연소상태를 유지할 수 있도록 하여 NOx의 저감효과를 꾀한 것(등록번호 20-0236493, '저질소산화물버너', '선행기술1'이라 한다)이 있다. 도 13a를 보면, 외부선회용베인(3)과 내부선회용 베인(4)을 통하여 주입된 연소용 공기는 화로방향으로 더욱 좁아지게 형성된 통로를 통과함으로써 더욱 빨라지게 되고, 이렇게 공급된 연소용 공기로 말미암아 연료노즐(2)에서 분사되는 연료가 보염기(1)에서부터 불꽃을 형성하면서 열량을 창출하게 되는데, 여기까지는 전통형의 버너이다. '선행기술1'은 여기에 나선형 가변공기분산판(5)과 확산형 분리통(6)을 첨가함으로써 연소용 공기를 보염구 바로 앞에서 형성되는 1차연소용 공기와 보염구에서 떨어져서 형성되는 2차연소용 공기로 적절히 나누어 공급하도록 의도하고 있다. 그럼으로써 보염능력을 강화하고 고온의 내부순환류를 형성시켜 질소산화물의 발생을 억제한다는 것이다.

둘째, 배기가스와 연소용 공기가 축열체에서 직접적으로 열교환되도록 하여 저NOx화를 꾀한 것(등록번호 10-0230940 '저NOx버너', '선행기술2'라 한다)이 있다. '선행기술2'는 도 13b에 도시된 바와 같이 중앙 통관(24)으로 고온의 연소용 공기가 충분히 주입되고, 그 출구는 버너타일(22)로 둘러싸인 확경부(23)로 연결되는데, 이 확경부는 직경이 중앙 통관(24)보다 더 크다. 연료분사노즐(19)은 확경부에 설치되어 있다. 확경부(23)는 중앙 통관(24)에서 분출되는 연소용 공기의 흐름에 의하여 부압이 걸리도록 하기 위한 것이다. 이로써 부연소실(25)에 걸리는 부압으로 인하여 로내에 강력한 배기가스의 재순환이 일어나게 되고, 그 영향으로 불꽃 유지영역(X1)과 로내 배기가스 재순환 연소영역(X2)과 완만 연소영역(X3)을 형성하도록 하여, 저 NOx화를 실현하고 불꽃의 안정성도 좋게 한다는 것이다.

셋째, 연소용 공기가 버너의 중앙부 통관에서 분출되게 하고 그 주위에서 연료를 1차 노즐과 2차 노즐의 2단으로 나누어 분사함으로써 1차 불꽃과 2차 불꽃을형성시키는데, 1차 불꽃에서는 연소용 공기를 충분히 공급하고 2차 불꽃에서는 2차 연료와 1차 불꽃 고온 혼합기의 반응을 유도함으로써 산소농도를 낮춰 환원반응이 나타나도록 하여 NOx의 저감을 꾀하는 것(일본 특개평 6-50508, '선행기술3'이라 한다)이 소개되어 있다. '선행기술3'은 도1c에 도시된 바와 같이 중앙 통관(A)을 통하여 공급되는 고온의 연소용 공기에 버너타일(31) 사이로 형성된 1차 연료노즐(32)과 2차 연료노즐(33)에서 연료를 분사하는데, 먼저 1차연료노즐(32)에서 분사된 연료는 중앙 통관(A)에서 공급된 많은 양의 공기와 혼합되어 산소과잉상태의 1차불꽃을 형성하고, 이에 다시 2차연료노즐(33)에서 분사된 연료가 혼합됨으로써 산소농도가 낮아 환원반응이 일어나는 2차불꽃을 형성시키고, 이로써 저NOx화를 실현한다는 것이다.

넷째, 연료노즐에 이르는 연료 공급관 외측에 동심형태의 지연성 가스 공급관을 설치하고, 산소를 지연성 가스로 이용함으로써 길고 큰 화염을 얻음과 동시에 NOx 발생량의 저감을 꾀한 것(등록번호 10-0193294, '액체연료용버너', '선행기술4'라 한다)이 있다. '선행기술4'는 도1d에서 보는 바와 같이, 선단부에 연료분출노즐(41)을 가지는 연료공급관(42)과 지연성 가스통로를 형성하기 위하여 연료공급관(42)의 바깥쪽에 동심형태로 지연성가스공급관(43)을 설치하고, 연료공급관(42)의 선단부와 간극을 두고 연료공급관내에 오리피스부재(44)를 설치하였다. 오리피스부재(44)의 오리피스(45)와 연료공급관(42)의 연료분출노즐(41)은 서로 편심되어 있다. '선행기술4'는 지연성가스(산소)의 유량과 유속을 제어함으로써 고온이면서 길고 큰 화염을 얻을 수 있다는 것이다.

상기의 선행기술들은 주로 액체를 연료로 하는 버너에서 여러 가지 문제점이 발견되었다. '선행기술1'에서 전통형의 버너에 나선형 가변공기분산판(9)과 확산형 분리통(6)을 추가로 설치하였다고 하여 강력한 선회류를 형성시킬 수 있는 것은 아니며, NOx의 저감효과도 미미하다.

'선행기술2'는 연소용 공기의 통로를 보염구 부근에서 갑자기 확대함으로써 부압이 걸리도록 하여 선회류를 만드는 것이 주된 내용이지만, 실제에 있어서는 부압의 정도가 낮을 뿐 아니라 부압만으로 강력한 선회류를 얻어 고효율의 연소를 이루는 데에는 한계가 있다. 이에 따라 공해물질의 저감효과도 미미한 편이다.

'선행기술3'도 2차연료노즐이 일으키는 2차불꽃에서의 환원분위기는 현저하지 못하고, 따라서 저NOx화를 실현하기에는 미흡하다.

'선행기술4'는 산소를 보조연료(지연성가스)로 사용하고 이의 유속과 유량을 조절함으로써 고온의 불꽃을 얻을 수 있고, 공해물질도 상당히 감소하지만 그러나 산소의 사용으로 운용비용이 많이 들고 원가에 비하여 효율적이지 못하다는 단점이 있다.

또한 연소용 공기를 와류시키는 방법에 관한 선행기술로서 일본 공개특허 '유수에멀젼을 생성하고 연소시키는 방법 및 장치(일본공개특허 소58-140506, '선행기술5'라 한다)'와 국내 등록실용신안 '건류가스 완전연소장치(등록번호 20-0231928, '선행기술6'이라 한다)'를 들 수 있다.

'선행기술5'중 연소공기의 와류방법에 관한 것은 도 13e에 도시한 바와 같이 종래의 오일버너(59)의 화염출구에 가스반응연소기(50)를 덧대어 화염(54)의 연소를 돕고자 의도한 것인데, 이 가스반응연소기(50)는 내통(51), 공기예열통(52), 외통(53)등을 구비하고 있다. 송풍기(55)에서 송풍된 연소용 공기는 먼저 외통(53)과 공기예열통(52)의 사이 공간을 지나 공기예열통(52)과 내통(51)의 사이 공간으로 진입하고, 진입된 공기는 내통에 설치된 다수개의 소공(57)을 통하여 직접 가스연소반응기(50) 안으로 분사되어 화염(54)을 와류시키게끔 설계되었다. 여기서 소공(57)은 내통(51)의 여러 부분에 산재되어 있다. 이 방법은 첫째 연소용 공기를 어느 정도 예열시킬 수 있고, 둘째, 선회화염을 만들어 연소상태를 개선할 수 있다는 데에 그 의의가 있다.

'선행기술5'의 방법은 그러나 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 연소용 공기의 예열이 충분히 이루어지지 못한다. 내벽을 통해 전해져 오는 간접열 만으로는 빠르게 주입되는 공기를 충분히 예열시킬 수 없다. 본 고안의 실험과정에서 본 바에 의하면 연소용 공기가 내통안으로 진입할 때의 온도는 겨우 섭씨 120도 내외인데, 선행기술(5)에서도 최고 예열온도가 이 정도일 것이고, 내통(51)중 화염출구에 가까이 설치된 소공(57)으로 주입되는 공기의 온도는 이보다 낮을 것이 분명하다. 그렇다면 이 온도는 너무 낮아서 화염의 연소를 돕는데 한계가 있다. 또한 이 온도로는 연소용 공기가 40%정도 팽창되는데, 이 역시 화염을 선회시키는데 부족한 양이고, 따라서 화염을 강하게 선회시키기 위해서는 공기를 많이 넣어야 하는데, 그러면 잉여공기로 말미암아 NOx가 많이 발생하고, 잉여공기는 화염의 온도를 떨어뜨리게 되므로 연소상태 역시 크게 개선되지 못하는 것이다. 더욱이 이 방법은 종래의 버너(59)에서 자체적으로 주입되는 공기가 있음에도 이에추가하여 공기를 주입하므로 공기양이 많아질 수밖에 없고, 따라서 전술한 과다 NOx와 저온화염의 문제를 피할 수 없게 된다.

둘째, 선행기술(5)의 방법에서 연소용 공기를 예열하려면 내통(51)의 내벽에 내화물이 시공되어 있지 아니하고 철판 그대로여야 하는데, 이 경우 화염의 온도가 매우 높다면 그 철판으로 된 내통(51)이 남아나지 못한다. 내통과 화염출구에 에어커튼을 쳐주지 못하기 때문이다. 본 고안에 의한 화염은 최고온도가 섭씨 2200도인데 만약 선행기술(5)도 그렇다면 그 내통(51)은 녹아 없어지고 만다. 결국 선행기술(5)의 방법은 화염온도가 섭씨 1280도라고 밝히고 있는데, 이 화염온도로는 폐유나 벙커씨유 등을 완전연소 시키기에 부족한 감이 있다. 또한 그 정도의 화염온도로도 내통(51)은 빠르게 고온부식되고, 특히 내통(51)의 화염출구 부분은 내구성을 유지하기가 불가능하다.

셋째, 이 방법은 종래의 버너에서 분출되는 화염만을 내통(51)안의 빈 공간에서 선회시키므로 완전연소를 이루기 어렵고, 특히 내통(51)의 하단에 불연물인 그을음이 쌓이게 되어 자주 청소를 해 주어야 하는 문제가 있다. 특히, 폐유를 연소유로 사용할 때에는 폐유에 함유된 쇳가루나 석회질 등의 불연물이 내통(51)의 하단에 쌓여 연소상태가 급격히 나빠지게 되는 원인이 된다. 본 고안에서 내통의 중앙에 에멀젼 인젝터(130)를 설치한 이유는 이러한 문제점을 해결하고 완전연소로 이끌기 위함이다.

국내등록 실용신안 '건류가스 완전연소장치(등록번호 20-0231928, '선행기술6')는 폐타이어 소각시 추출되는 건류가스를 연소시키기 위하여 고안된것으로, 도 13f에 도시한 바와 같이, 케스타블로 구성된 1차 연소부(60)와 2차 연소부(70)를 구비하고, 1차 연소부(60)에서 2차 연소부로 불완전연소된 건류가스와 화염을 내보내면 2차 연소부(70)에서 완전연소 시킨다는 원리이다. 여기서 2차 연소부는 바깥관체(71)와 내측관체(72)로 된 이중관체로 구성되어 있는데, 바깥관체(71)와 내측관체(72) 사이에는 바람공급실(73)을 형성하고, 내측관체(72)에는 일정한 각도로 경사지게 설치된 다수의 바람공급구멍(74)을 일정한 간격으로 형성하여 2차 연소실(75)로 바람이 공급되는 순간 와류되도록 구성하고 있다. 이 방법중 2차 연소실(75)의 설계는 이에 주입되는 바람으로 인하여 선회화염을 얻고자 하는데 그 의의가 있다. 그러나 이 방법 역시 다음과 같은 문제점을 안고 있다.

첫째, 2차 연소실(75)에 공급되는 공기가 거의 예열되지 못한다. 2차 연소실(75) 내부를 내화물로 시공하였기 때문이다. 물론 이 경우에도 약간의 예열은 되지만 극히 미미한 수준이다. 결국 충분히 예열된 공기를 공급하지 못하므로 완전연소를 이루기 어렵다.

둘째, 바람공급구멍(74)이 2차 연소실(74)의 내측관체(72) 전 부분에 설치되어 있어 고온의 정제된 화염을 얻지 못하고, 단지 건류가스를 적절히 연소시키는 기능밖에 하지 못한다.

셋째, 공기의 예열 미흡, 에어커튼의 미비, 본 고안의 에멀젼인젝터(130)가 수행하는 기능의 미비 등으로 말미암아 선행기술(5)에서와 같이 NOx 과다 발생, 불완전연소, 내구성 미흡, 2차 연소실 내부에 그을음의 적체 등의 문제점이 있다.

이외에도 그림으로 도시하지는 않았지만, 연소용 공기를 버너본체의 내통과외통속에 분할하여 공급하고 외통용 공기는 선회기를 통하여 선회하도록 유도하며 보염기를 내통용과 외통용으로 구분해서 각각 설치함으로써 강력한 선회류를 얻어 연소효율을 배가하고 화염의 안전화와 저NOx화를 실현한다는 기술(공개번호 특1994-0018602)과, 액체연료의 분사방법에 관한 것으로서 연료를 중앙에서 분출되는 내부연료분사공과 그 둘레에 이격되어 형성된 외부연료분사공을 통하여 분사하는데 각 분사공은 각각 별도의 와류실을 구비하고 있으며 분사각도를 서로 다르게 설치함으로써 2중 화염구조를 형성하도록 하여 저NOx화를 실현한다는 기술(등록번호 10-0363765)이 소개되어 있다. 그러나 이들 기술 역시 와류를 적절하게 형성시키지 못하고 공해물질의 저감 측면에서도 개선할 점이 많다.

이와 같이 종래의 버너기술은 경유, 벙커C유와 같은 연료에서 문제시되는 질소산화물의 발생을 크게 억제하지 못할 뿐 아니라, 폐유나 그 정제유를 연료로 할 때 문제시되는 황산화물, 일산화탄소 등과 같은 대기오염물질의 발생에 대하여 적절한 대응책을 제공하지 못하고 있다. 또한 섭씨 2000도가 넘는 고온의 정제된 화염을 얻지 못한다. 또한 증기터빈이나 스털링엔진(Stirling Engine)의 가동에 필요한 열량을 창출할 때 연소효율이 높지 못하여 연료가 낭비되고 있다.

본 고안은 상기와 같은 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 아래와 같은 항의 기준에 따라 과제를 해결하고자 한다.

(1) 버너에서 생성되는 화염에 강력한 와류를 형성하여 연소의 효율성을 도모하고

(2) 길고 큰 화염을 창출하여 최대의 열량을 생산해 내고

(3) 이용조건에 따라 화염온도를 적절히 조절할 수 있도록 하고, 최고온도로는 섭씨 2,000도를 상회하도록 하여 고온의 열량이 필요한 부문에 적절한 수단을 제공하며,

(4) 최근 실용화되기 시작한 스털링엔진에 필요한 열량을 효율적으로 공급하고,

(5) 질소산화물, 황산화물, 일산화탄소, 냄새, 그을음 등과 같은 대기오염물질의 발생을 최대한 억제할 수 있는 연소방법을 갖춘 버너시스템을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 이하로 이루어지는 대기오염물질 저감용 버너시스템을 제공한다.

원통형의 버너에 있어서 한 개의 포트(인너포트), 인너포트 외측에 공간을 두고 형성되는 적어도 한개의 다른 포트(아우터포트 또는 외곽의 포트가 두 개일 경우 미들포트 및 아우터포트), 아우터포트의 한 부분에서 접선을 이루도록 설치된 인랫과 그 인랫으로 공기를 송풍해 주는 블로어, 인너포트의 아웃렛쪽에 일렬로 설치되어 버너안의 아웃렛쪽원판으로 공기를 쏘아주는 다수개의 에어노즐, 버너의 연료주입구쪽 원판에 설치되어 선회공기를 만들어 버너내로 주입해 주는 월러, 버너의 연료주입구쪽 원판의 가운데에서 버너내 중앙으로 돌출한 에멀젼 공급장치인 원기둥모양의 에멀젼 인젝터, 에멀젼을 버너내로 분사하기 위하여 상기 에멀젼 인젝터를 천공하여 형성된 다수개의 오리피스 등으로 구성된 대기오염물질 저감용 버너시스템이 준비된다. 이 버너시스템에서 연료는 주로 경유, 벙커C유, 폐유, 폐유정제유 등과 같은 액체연료에 물을 적절한 비율로 섞어 만든 에멀젼연료유가 사용된다. 그리고 연소용 공기는 블로어에서 아우터포트와 미들포트(또는 인너포트) 사이로 회전하도록 불어넣어지고, 이 공기는 와류가 되어 아우터포트와 미들포트 및(또는) 인너포트를 공냉시킴과 동시에 승온되고, 인너포트에 설치된 에어노즐을 통하여 버너내로 주입되는데, 버너내에서 이 공기는 1차연소용과 2차연소용으로 적절히 구분되고, 1차연소용 공기는 인너포트 안쪽에서 큰 원기둥을 형성하며 연료주입구쪽으로 진행한 후 월러에 의하여 적절한 세기와 회전지름을 가진 와류가 되고, 이 와류는 적은 원기둥을 형성하여 에멀젼인젝터를 감싸고 돌면서 에멀젼과 혼합, 화염을 형성하면서 아웃렛쪽으로 진행하고, 화염은 아웃렛을 지나면서 2차연소용 공기를 만나 새로운 산소를 공급받으면서 완전연소를 이루게 된다.

도1은 본 고안에 의한 기본형 버너의 구성과 공기 흐름을 나타낸 종단면도이고,

도2는 본 고안에 의한 버너의 사시도이고,

도3은 본 고안에 의한 버너의 아웃렛쪽에서 본 정면도이고,

도4는 도1의 블로어에서 공기가 투입되는 관계를 나타낸 정면도이고,

도5는 도1의 내부구조를 나타낸 종단면도이고,

도6은 도1의 횡단면도이고,

도7은 도1의 A-A선 요부를 공기흐름과 함께 나타낸 횡단면도이고,

도8은 도7중 에어노즐 부분을 인너포트만 표시하여 나타낸 횡단면도이고,

도9는 도1의 에멀젼인젝터에서 에멀젼이 분사되는 모습을 나타낸 요부 정면도이고,

도10은 도1의 월러의 구조를 나타낸 평면도이고,

도11은 본 고안의 실시예1에 따른 버너의 구성과 공기 흐름을 나타낸 종단면도이고,

도12는 도11의 A-A선 요부를 공기흐름과 함께 나타낸 횡단면도이고,

도13a는 선행기술1에 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이고,

도13b는 선행기술2 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이고,

도13c는 선행기술3에 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이고,

도13d는 선행기술4에 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이고,

도13e는 선행기술5에 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이고,

도13f는 선행기술6에 따른 버너의 구조를 나타낸 종단면도이다.

이하에서는 본 고안의 구성에 대하여 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명한다.

도1은 본 고안을 구현하기 위한 대기오염물질 저감용 버너시스템(100)으로서 기본형의 대표도면이다. 도1에서 원통형의 아우터포트(101), 미들포트(102) 및 인너포트(103)는 동일한 중심축을 갖고 서로 다른 반지름을 갖도록 설치되는데, 반지름은 아우터포트(101)보다 미들포트(102)가 더 작고, 미들포트(102)보다 인너포트(103)가 더 작다. 따라서 각 포트의 원통곡면 사이에는 공간이 형성된다. 특히 아우터포트(101)와 미들포트(102) 사이의 공간보다 미들포트(102)와인너포트(103) 사이의 공간이 더 좁다. 각 포트는 연료주입구쪽 원판(104) 및 아울렛쪽 원판(105)에 용접으로 연결되어 지지되는데, 미들포트(102)만은 연료주입구쪽 원판(104)에 닿아있지 않고 간격을 두고 떨어져 있다.

송풍용 블로어(111)는 아우터포트(101)의 아웃렛쪽 끝부분에 설치된다. 블로어(111)에서 송풍된 연소용 공기는 인렛(112)을 통하여 아우터포트(101)와 미들포트(102) 사이로 주입되는데, 여기서 인랫(112)은 아우터포트(101)의 곡면에 대하여 접선방향으로 설치된다. 따라서 인렛(112)으로 주입된 공기는 아우터포트(101)와 미들포트(102) 사이의 공간을 회전하면서 연료주입구(106)쪽으로 진행한다. 이 과정에서 버너안의 고온의 화염에서 전달되는 열을 공기가 함유하면서 승온되고 아우터포트(101)와 미들포트(102)는 공냉된다. 이 경우 아우터포트(101)의 외부온도는 섭씨 50도를 넘지 않는데, 이는 열기기 관련 법령에 적합한 온도이다.

아우터포트(102)와 미들포트(102) 사이로 회전하면서 진행한 연소용 공기는 연료주입구쪽 원판(104)에 부딪히면서 방향을 선회한다. 방향이 바뀌는 변곡점은 미들포트(102)와 연료주입구쪽 원판(104)이 이격되어 있는 공간에서 이루어진다. 변곡점에서는 연소용 공기가 회전력을 잃어 난류가 되지 않도록 하는 것이 중요하다. 변곡점을 지난 연소용 공기는 이제는 미들포트(102)와 인너포트(103) 사이의 공간을 아웃렛쪽 원판(105)방향으로 진행하게 되는데, 이 과정에서 더욱 높은 온도를 머금게 되고, 미들포트(102)와 인너포트(102)를 공냉시키게 된다. 특히 미들포트(102)와 인너포트(103) 사이의 공간은 아우터포트(101)와 미들포트(102) 사이의 공간보다 더 좁으므로 연소용 공기는 벤츄리원리에 의하여 더욱 고속으로 회전하게된다.

회전하면서 아웃랫쪽 원판(105)에 다가간 연소용 공기는 거기서 회전방향으로 인너포트 원주면상 접선보다 아웃렛방향으로 10도 내지 15도 기울어져 설치된 에어노즐(107)을 타고 버너내부로 들어가게 된다. 기본형에서 에어노즐(107)은 아웃렛쪽 원판(105)에서 45 내지 70 밀리미터 떨어진 지점에 다수개가 설치된다. 따라서 미들포트(102)와 인너포트(103) 사이의 공간중 아웃렛쪽 원판(105)에 가까운 부분은 공기의 운동경로에서 비켜난 데드스페이스(dead space)가 되며, 자칫하다가는 연소용 공기가 거기서 난류로 변할 위험이 있다. 여기서도 연소용 공기가 회전력을 유지하면서 에어노즐(107)을 통하여 버너 내부로 들어가도록 하는 것이 중요하다.

에어노즐(107)은 별도의 노즐장치를 설치하는 것보다 인너포트(103)의 외벽면에서 내벽면으로 내벽면에 접하도록 구멍을 뚫어 만드는 것이 가장 양호하다. 에어노즐(107)을 별도로 만들어 설치하는 경우에는 그 설치작업이 어렵고 원가가 더 많이 소요되는 반면 기능은 나아지지 않는다. 또한 인너포트(103) 외벽에서 에어노즐(107)로 연소용 공기가 쉽게 유입되도록 공기채집장치를 설치하여도 연소가 크게 개선되지 않는다. 다만, 공기채집장치를 설치한 경우에는 블로어(111)의 압력이 더 적어져도 무방하였다. 따라서 블로어(111)의 압력과 블로어(111)에서부터 에어노즐(107)에 이르기까지 회전하는 공기살의 굵기를 적절하게 조절하면 별도의 공기채집장치가 필요치 않다. 공기살의 굵기는 블로어(111)의 압력뿐 아니라 아우터포트(101)와 미들포트(102)의 간격, 미들포트(102)와 인너포트(103)의 간격 및버너의 길이 등과 같은 변수에 의하여도 달라진다. 도8에서는 인너포트(103)의 두께를 나타내 에어노즐(107)의 구조를 설명하고 있다. 연소용 공기는 화살표방향으로 진행한다. 따라서 인너포트(103)의 두께가 너무 엷으면 에어노즐(107)을 만들기가 어렵고 그 기능도 떨어진다. 기본형에서 인너포트(103)는 10밀리미터의 스테인레스강이 사용되었다.

에어노즐(107)을 통하여 버너 내부로 들어간 연소용 공기는 인너포트(103) 내벽면을 타고 회전하면서 아웃렛쪽 원판(105)으로 가서 부딪힌다. 연소용 공기가 에어노즐에서 나와 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪힐 때까지 적어도 360도를 회전하는 것이 좋으며, 아웃렛쪽 원판(105)에 가기까지의 회전수는 에어노즐(107)의 기울어진 각도와 에어노즐(107)에서부터 아웃렛쪽 원판(105)까지의 거리에 따라 달라진다.

아웃렛쪽 원판(105)에 부딪힌 연소용 공기는 그 원판의 크기와 구조에 따라 방향이 180도로 꺾어져 버너의 연료주입구쪽 원판(104)방향으로 진행하는 부류가 있고, 일부는 아웃렛쪽 원판(105)을 타고 아웃렛(108)으로 빠져나가기도 한다. 꺾어져 버너내부로 깊숙이 진행하는 공기를 1차연소용공기라 하고, 아웃렛으로 빠져 나가는 공기를 2차연소용공기라 한다. 여기서 1차연소용공기와 2차연소용공기의 비가 매우 중요한데, 이는 블로어(111)의 압력, 아우터포트(101)와 미들포트(102)의 간격, 미들포트(102)와 인너포트(103)의 간격, 에어노즐(107)의 직경, 에어노즐(107)의 각도, 에어노즐(107)의 아웃렛쪽 원판(105)과의 이격거리 및 아웃렛(108)의 직경에 따라 변한다. 1차연소용공기의 비율을 높이려면 블로어(111)의압력은 크게, 아우터포트(101)와 미들포트(102)의 간격은 적게, 미들포트(102)와 인너포트(103)의 간격은 더 적게, 에어노즐(107)의 직경은 적고 각도는 크게, 에어노즐(107)의 아웃렛쪽 원판(105)과의 이격거리는 짧게, 아웃렛(108)의 직경은 적게 하는 것이 필요하다. 그러나 이 비율에는 최적의 값이 없다. 버너의 용도에 따라 다르게 설계하는 것이 좋다. 예를 들어, 길고 큰 화염이 필요한 경우에는 2차 연소용 공기의 비를 많게 하여야 할 것이고, 화염보다는 고온의 연소가스가 필요한 경우에는 1차 연소용 공기의 비를 크게 하여 버너 내부에서 대부분의 연소가 이루어지도록 하여야 한다.

1차연소용공기는 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪혀 꺾이면서도 회전력을 잃지 않아야 한다. 그리고 방향을 바꿔 버너내부로 깊숙이 진행하는 과정에서 큰 원기둥을 형성하게 된다. 그 결과 버너 내부에서 인너포트(103)의 내벽면에 근접하여 형성된 큰 원기둥이 연료주입구(106)쪽으로 진행하면서 연소용 공기의 온도는 더욱 상승할 뿐 아니라 화염의 열기가 확산하는 것을 막아주어 화염의 온도를 보호·유지해 주고, 인너포트(103)의 내벽면을 화염으로부터 보호해 준다. 즉, 연소용 공기의 큰 원기둥은 화염과 인너포트(103) 사이에 쳐진 에어커튼과 같은 효과를 나타내 준다. 특히 에어노즐(107)에서부터 아웃렛쪽 원판(105)까지의 구간에는 에어커튼이 2중으로 쳐지게 된다. 에어노즐(107)에서 나온 공기가 아웃렛쪽 원판(105)으로 진행하면서 형성하는 에어커튼과 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪혀 꺾어져 내려오는 큰 원기둥이 그것이다. 여기서 큰 원기둥은 원심력에 의하여 인너포트(103) 내벽과 마찰하면서 회전하는 것이 아니라 자체의 회전관성에 의하여 회전한다. 그리고에어노즐(107)에서부터 연료주입구쪽 원판(104)까지는 인너포트(103)와 큰 원기둥 사이에 공간이 형성된다. 따라서 인너포트(103) 내벽면에 걸리는 부하가 없고 마찰력에 의한 압력 저하현상과 회전력 저하현상이 일어나지 않는다. 즉, 인너포트(103) 내벽면을 매끄럽게 하지 않아도 관계없다.

연소용 공기의 큰 원기둥은 연료주입구쪽 원판(104)에 설치된 월러(120)에 의하여 다시 방향이 전환되면서 작은 원기둥이 되어 아웃렛(108) 방향으로 진행하게 되는데, 월러(120)는 연소용 공기의 작은 원기둥의 회전력을 배가하고 작은 원기둥이 버너 내부의 중앙으로 뻗어있는 에멀젼인젝터(130)의 주위를 돌도록 유도한다. 월러(120)는 세탁기의 밑면에 설치된 회전판과 유사한 형상이나 가장자리의 깃이 올라가 있어 연소용 공기가 흩어지지 않도록 하는 역할을 한다. 월러(120)의 중앙에는 에멀젼인젝터(130)가 설치될 수 있도록 동그란 공간을 형성하고 있다. 월러(120)는 그 하단의 모터(121)에 의하여 전기로 작동된다.

연소용 공기의 작은 원기둥은 에멀젼인젝터(130)를 감싸고 돔으로서 에멀젼인젝터(130)에서 분출되는 에멀젼과 혼합되고, 이에 효과적으로 산소를 공급하여 양호한 연소상태를 유도하게 된다. 뿐만 아니라 작은 원기둥의 연소용 공기는 충분히 높은 온도를 함유하고 있고 회전하므로 고온의 연소를 이루고 화염속에 골고루 산소를 공급해 주어 연소의 효율성을 극대화시킨다. 최초의 연소는 착화기(140)를 통하여 점화되어 이루어진다.

연소용 공기는 인렛(112)으로 유입된 후 월러(120)에 의하여 되돌려질 때까지 점진적으로 온도가 상승한다. 본 고안에 의한 기본형 버너에 대한 측정자료에의하면, 인렛(112)에서 22℃의 공기가 미들포트(102)와 인너포트(103) 사이의 공간으로 들어서는 순간에는 58℃가 되었고 에어노즐(107)로 들어가는 순간에는 127℃가 되었으며, 에어노즐(107)에서 분사된 공기가 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪힐 때에는 온도가 급속도로 상승하여 250℃ 내외가 되었고, 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪혀 되돌려져서 연료주입구쪽 원판(104)으로 내려와 월러(120)에 부딪히는 공기는 780℃ 내외가 되었다. 화염은 폐유정제유를 75%, 물을 25%로 하여 만든 에멀젼을 연료로 했을 때 에멀젼 인젝터(130) 끝부분에서는 1300℃ - 1500℃, 아웃렛(108)을 빠져 나온 화염의 경우에는 1600℃ - 2200℃의 온도를 기록하였다. 온도는 연소용 공기의 송풍량, 물의 첨가비율 등에 의해서도 영향을 받는다.

연소용 공기의 온도가 점차 상승해 간다는 것은 연소용 공기의 부피가 점차 커져 간다는 것을 뜻한다. 온도가 높아지면 기체분자의 활동이 활발해지고, 따라서 공기의 밀도가 희박해져서 그 부피가 팽창하기 때문이다. 위의 실험에서 연소용 공기의 각 단계별 온도와 공기부피의 비를 정리하면 다음 표와 같다. 이 표에서 부피의 비는 인렛(112)을 통하여 최초로 유입되는 온도인 22℃를 100으로 하여 산정한 것이다.

위 표에서 연소용 공기의 부피는 월러(120)에 부딪힐 때에는 최초의 유입시에 비하여 3.65배나 팽창되어 있다. 따라서 연소용 공기의 흐름은 점차 빨라질 수밖에 없다. 연소용 공기의 부피가 팽창하여 흐름이 빨라지는 현상은 공기의 압력을 높이게 되어 본 고안에 의한 선회화염을 얻는 데에 긍정적 작용을 한다. 공기의 유입량을 충분히 증가시키지 않고도 양질의 선회화염을 얻을 수 있는 방법으로서, 선행기술에서는 달성할 수 없는 부분이다. 그러나 공기의 방향이 꺾이는 변곡점에서 자칫하면 난류로 변하기 쉽다는 점도 유의해야 할 대목이다.

일반 대기는 부피를 기준으로 할 때 질소를 79%, 산소를 21% 정도 포함하고 있다. 그런데 질소는 연소되지 않는다. 본 고안에서는 연소되지 않는 질소를 79%나 함유한 일반공기를 사용함으로써 연소용 공기의 안정성을 확보하고 있다. 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪혀 연료주입구(106)쪽으로 진행하는 1차 연소용공기가 화염 주변을 감싸고 회전하는데도 연소용 공기에까지 화염이 옮아붙지 않는 이유는 연소용 공기에 질소가 함유되어 있기 때문이며, 또한 이는 1차 연소용 공기와 2차 연소용 공기의 분배비율에 의해서도 영향을 받는다. 만약 연소용 공기에 산소를 인위적으로 주입하여 산소비중을 높인다면 회전하는 연소용 공기에까지 화염이 번지게 되어 본 고안에 의한 연소효과를 얻을 수 없게 될 것이다.

에멀젼인젝터(130) 주변의 화염은 산소가 충분치 못한 산소결핍상태의 환원적 분위기로 형성되어 NOx의 생성을 억제한다. 또한 에멀젼에는 물이 첨가되어 있으므로 이에 의해서도 NOx와 SOx의 발생이 효과적으로 억제된다. 에멀젼 제조기법은 그 권리가 보호되어 있는 것도 있지만(예, 등록번호 20-0277225), 거의 보편화되어 있다(예, 공개번호 특1992-7002486). 본 고안에서 에멀젼은 에멀젼인젝터(130) 내에서 만들어지는데, 제조된 에멀젼중 물이 차지하는 비율은 부피를 기준으로 하여 10% 내지 30%이다. 물의 비율은 연소상태, 연료의 종류, 버너의 용도, 배기가스중 NOx와 SOx의 정도 등을 변수로 하여 적절히 조절된다. 에멀젼인젝터(130)는 경유 등과 같은 연료호스(132)와 물호스(133)를 통하여 연료와 물을 끊임없이 제공받아 분사하므로 자동적으로 냉각되어 고온의 열에 의해서도 용융되거나 부식되지 않고 오래 견딜 수 있다.

화염은 아웃렛(108)으로 나오면서 2차 연소용 공기를 만나게 되고, 완전 연소된다. 따라서 불완전연소 잔여물인 CO, 연기, 냄새와 같은 것은 전혀 발생하지 않는다. 또한 불꽃은 고온의 2차 연소용공기로 인하여 매우 안정적으로 형성된다.

아웃렛(108)은 원통형으로 형성되고 그 내벽면은 케스타블(109)로 시공된다. 본 고안의 버너에서 캐스타블(109)은 아웃렛(108) 내벽과 아웃렛쪽 원판(105)에만 쳐지는데, 이것은 2차 연소용공기의 압력이 아웃렛쪽 원판(105)과 아웃렛(108) 내벽면에 강력한 에어커튼을 형성할 정도까지는 못되기 때문에 아웃렛쪽 원판(105)과 아웃렛(108)의 내구성을 확보하기 위하여 필요하다. 원통형의 아웃렛(108)에서 원통의 직경은 본 고안의 버너에서 분출되는 화염의 굵기와 세기에도 영향을 미친다. 따라서 용도에 따라 적절히 조절할 수 있다. 또한 아웃렛(108)의 원통 길이도 일정하게 설계된다. 아웃렛(108)의 내부원통은 2차 연소실이므로 원통의 길이도 본 고안에 의한 버너의 연소상태에 영향을 미친다. 기본형에서 아웃렛(108)의 원통길이는 170밀리미터로 제작되었다.

본 고안에서, 미들포트(102)를 제거하고 아우터포트(101)와 인너포트(103)만으로 버너시스템을 설계할 수도 있다(이하 '실시예1'이라 한다). '실시예1'은 도11과 도12에서 보는 바와 같이 블로어(111)가 연료주입구쪽에 치우쳐져 설치된다. 연소용 공기의 유입과 진행은 기본형에서와 같다. '실시예1'에서는 공냉의 효과가 충분하지 못하므로 아우터포트(101)의 외벽의 온도가 섭씨 80도를 넘게 되고, 따라서 별도의 케이스를 만드는 것이 안전하다. 또한 연소상태도 앞의 기본형의 경우보다 다소 떨어지나, 종전의 버너보다는 더 낫다. '실시예1'의 경우에는 블로어(111)의 압력은 다소 낮은 것을 사용해도 무방하다.

또한 본 고안에서 블로어(111)의 압력, 아우터포트(101)와 미들포트(102)의 간격, 미들포트(102)와 인너포트(103)의 간격, 에어노즐(107)의 직경과 각도 및 아웃렛(108)의 직경이 적절하게 설계된 경우에는 에멀젼인젝터(130)가 없이도 비교적 양호한 연소상태를 이끌어낼 수 있다(이하 '실시예2'라 한다). '실시예2'는 도시하지는 않았으나, 연료는 연료분사노즐을 통하여 버너내부로 주입된다. 연료분사노즐은 연료주입구쪽 원판(104)의 중앙에 설치하거나 또는 착화기(140)와 같이 설치해도 된다. '실시예2'에서는 연료로 에멀젼을 사용하지 않고 유류만을 사용하거나 또는 버너 외부의 장치에서 에멀젼을 만들어 주입할 수 있다. 그러나 대기오염물질의 저감효과는 앞의 기본형에 비하여 현저하게 떨어진다. 특히 '실시예2'에서는 폐유를 연료유로 하여 장시간 가동하는 경우 쇳가루 등과 같은 불연물과 약간의 그을음이 내통의 밑면에 쌓여 주기적으로 청소를 해 주어야 한다는 문제점이 적출되었다.

또한 본 고안에서 에어노즐(107)을 설치하지 않고 대신 인너포트(103)를 연료주입구쪽 원판(104)에서만 용접으로 지지시키고 아웃렛쪽 원판(105)에서는 간격을 두고 떼어놓음으로써 그 간격으로 회전하는 공기가 인너포트(103) 안으로 들어가 아웃렛쪽 원판(105)에 부딪혀 1차 연소용 공기와 2차 연소용 공기로 나누어지도록 설계할 수도 있다(이하 '실시예3'이라 한다). '실시예3'에서도 양호한 연소상태를 얻을 수 있으나 이 경우에는 버너의 인너포트(103)의 직경을 적게 하는 것이 어렵고, 따라서 적은 용량의 버너를 설계하기가 어렵다. 또한 에어노즐(107)을 사용하지 않으므로 에어노즐(107)의 각도나 직경에 의하여 1차 연소용 공기와 2차 연소용 공기로 적절히 나누는 것이 어렵고 따라서 연소상태에 대한 통제가 매우 어렵다. 또한 버너내에서 강력한 선회류를 형성하기가 더 어렵다. 또한 '실시예3'에서는 연소용 공기가 인너포트(103) 내측을 타고 회전하게 되고, 따라서 원심력에 의하여 큰 원기둥이 형성되므로 인너포트(103) 내벽면과의 마찰을 일으키게 되고 공기의 압력을 더 증대시킨다. 그러나 '실시예3'에 의해서도 기존 버너보다는 더 양호한 연소상태를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 고안에 있어서는, 버너에 3개 또는 2개의 포트(101, 102, 103)를 설치, 에어노즐(107)을 통하여 일반공기만을 버너내로 고속 회전시켜 불어 넣어주고, 경유, 벙커씨유, 폐유 등과 같은 액체연료와 물을 혼합한 에멀젼 연소유가 에멀젼인젝터(130) 내에서 제조되어 오리피스(131)를 통하여 분사되도록 함으로써 연소효율성을 크게 높임은 물론 고가의 산소를 사용하지 않아도 선행기술의 주요 결점이었던 NOx등 대기오염물질을 크게 줄이고 강력하면서도 정제된 선회화염을 얻을 수 있다.

특히 연료에 물을 혼합한 에멀젼 연소유를 사용하고도 고온의 화염을 얻을 수 있다. 물의 사용으로 NOx와 SOx를 크게 줄이고 연료단위당 열량을 극대화시킬 수 있는 것이다.

또한 1차 연소용 공기에 의한 연소시 산소결핍상태의 환원성 분위기를 조성하는 것도 NOx의 저감에 기여한다.

또한 버너내의 온도를 다이옥신의 분해온도 이상으로 하여 다이옥신류를 분해하므로 폐유나 폐유 정제유를 사용하여도 다이옥신이 나올 염려가 없고, 유해한 중금속류를 휘산시킬 수 있다.

산소결핍상태의 화염이 아웃렛을 통과할 때 2차 연소용 공기가 공급되는데, 이 때 완전연소를 이루게 되고 과잉공기는 주입되지 않는다. 따라서 과잉공기에 의한 NOx의 발생도 억제된다.

또한 본 고안에 의한 버너로는 길고 큰 화염을 얻을 수 있어 소각로나 소성로용 버너로도 유용하게 사용할 수 있다.

또한 본 고안에 의한 버너는 폐유나 폐유 정제유를 사용하여도 대기오염물질이 기준치 이하로 나오므로 연료비용을 크게 절감하거나 마이너스의 연료비용으로 필요한 열량을 얻을 수 있다.

또한 본 고안에 의한 버너는 연소용 공기에 의한 에어커튼으로 버너의 포트(101, 102, 103)가 고온으로부터 보호되는 것을 특징으로 한다.

Claims (3)

1. 동일한 중심축을 갖고 반지름이 각각 다른 적어도 2개의 원통형의 포트(101, 102, 103)와 각 포트를 지지하는 연료주입구쪽과 아웃렛쪽의 원판(104, 105) 및 연료주입구쪽 원판에 의하여 지지되고 버너 내부의 중앙 공간을 향하여 원통형으로 형성된 에멀젼 인젝터(130)로 이루어진 버너에 있어서, 인너포트(103)의 외벽면에서 내벽면으로 공기를 주입하는 다수개의 에어노즐(107)은 연소용 공기가 인너포트(103)의 내벽면을 타고 회전하면서 아웃렛쪽 원판(105)으로 진행하도록 하고, 아웃렛쪽 원판(105)에서는 거기에 부딪히는 연소용 공기의 일부를 버너내로 되돌여 1차 연소용 공기로 만들고 일부는 아웃렛(108)으로 빠져 나가 2차 연소용 공기가 되도록 인너포트(103) 원주면에 접하고 아웃렛쪽 원판(105)을 향하여 기울어지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 저감용 버너시스템.
2. 제1항에 있어서, 에멀젼 인젝터(130)는 연소용 공기가 에멀젼 인젝터(130)를 감고 돌면서 에멀젼인젝터(130)에서 분사되는 연료를 연소시키도록 그 주위에 연료를 분사하기 위하여 천공된 다수개의 오리피스(131)가 있는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 저감용 버너시스템
3. 제1항에 있어서, 연료주입구쪽 원판(104)에는 연소용 공기에 회전력을 부여하고 회전반경을 조절하도록 설치된 월러(120)를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는대기오염물질 저감용 버너시스템