KR20070067698A

KR20070067698A - 산업용 노에서의 버너에 의한 연소 방법 및 이를 위한 버너

Info

Publication number: KR20070067698A
Application number: KR1020077009813A
Authority: KR
Inventors: 토마스 레빈; 파울리 메엔페에; 외르겐 스외베그; 올레 스타둠
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2007-06-28
Also published as: KR100906702B1; JP4651675B2; SE527766C2; JP2011027410A; SE0402560D0; CN101044354A; EP1802914A1; US7993130B2; US20080085485A1; JP2008518185A; SE0402560L; WO2006043869A1; EP1802914B1; CN100565005C; EP1802914A4

Abstract

본 발명은, 버너 헤드(1)가 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 가스 파이프(2)의 일단부에 배치되어 있고, 상기 버너 헤드(1)로부터의 연료 가스가 상기 내부 파이프 내에서 그리고 외부 파이프 내에서 흐른 후에, 주위 환경으로 이어진 배기 채널(5) 안으로 흐르는 형태의 노 가열용 가스 버너에 의한 연소 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 상기 내부 파이프(2)를 버너 헤드(1)에 못 미쳐서 종결시키고, 상기 버너 헤드의 하류에 슬리브(10)를 배치하고, 그 슬리브 오리피스(13)가 내부 파이프 내부에 위치하도록 상기 슬리브(10)를 내부 파이프(2) 내에 약간 삽입하고 및/또는 내부 파이프(2)와 동심으로 배치하며, 상기 내부 파이프(2)의 개구(15)와 슬리브(10) 사이에 간극(14)을 마련하며, 상기 간극(14)의 크기를, 버너 헤드(1)로부터 도달한 연료와 연소 공기의 혼합물 및 간극(14)을 통해 재순환하는 배기 가스의 양이 연소 온도가 NOx를 형성하는 온도 미만의 온도로 되게 양으로 혼합되도록 정하는 것을 특징으로 한다.

Description

산업용 노에서의 버너에 의한 연소 방법 및 이를 위한 버너{A METHOD OF COMBUSTION WITH THE AID OF BURNERS IN INDUSTRIAL FURNACES, AND A BURNER TO THIS END}

본 발명은 산업용 노(爐)에서 버너에 의한 연소 방법 및 이를 위한 버너에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 가스 연소 버너에 관한 것이다.

통상, 산업용 노의 가열을 가스 버너에 의해 실행하고 있다. 통상의 연료는 천연 가스이지만, 프로판, 부탄, LEP 가스와 같은 다른 가스가 사용될 수도 있다.

효과적인 가스 버너의 하나의 예로는, 폐쇄된 바닥을 갖는 보호 파이프에 의해 외부가 둘러싸인 내부 가스 파이프의 일단부에 버너 헤드가 배치되어 있는 형태의 버너가 있다. 버너 챔버로부터 배출되는 연기(fumes)는 외부 파이프의 바닥을 향해 아래쪽으로 내부 파이프 내를 통과하고, 이어서 방향을 바꾸어 외부 파이프와 내부 파이프 사이에서 반대 방향으로 흐른 후에 주위 환경에 이어진 배기 채널로 보내진다. 보호 파이프는 열을 30% 정도는 대류에 의해 70% 정도는 복사에 의해 노 공간으로 방사한다.

그러한 가스 버너는 많은 양의 질소 화합물(NOx)을 배출한다. 탄화수소(HC) 의 양 및 일산화탄소(CO)의 양은 적다. CO의 양은 대략 0과 같다.

외부 파이프의 온도는 약 1150℃ 내지 1120℃에 이르러, 버너의 출력 집중도(power concentration)를 향상시키는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 파이프는 탄화규소(SiC) 또는 APM과 같은 고온 재료로 이루어진다. 여기서, APM은 Fe, Cr 및 Al을 함유하는 분말 야금 재료이다. 이 분말 재료는 파이프 형상으로 압출된다.

그러나, 배연의 NOx 함량은 그러한 고온에서 상당히 증가한다.

스웨덴 특허 번호 제518816호에는 노를 가열하는 방법 및 이를 위한 가스 버너가 개시되어 있으며, 이 가스 버너의 경우 외부 보호 파이프가 주위에 배치되어 있는 내부 연료 파이프의 일단부에 버너 헤드가 배치된 형태를 하며, 이 버너 헤드로부터의 연료 가스는 내부 파이프 내를 그리고 외부 파이프 내를 통과한 후에, 주위 환경에 이어진 배기 가스 채널로 보내진다. 2개의 촉매(8, 9)가 흐름 방향으로 서로 순차적으로 배치되어 있고, 제1 촉매(8)는 배기 가스에서 CO 함량이 충분히 높은 경우에 NOx를 N₂로 환원시키도록 되어 있으며, 이러한 환원은 NOx 함량을 미리 정해진 값까지 떨어뜨리기에는 충분하다. 산소(O₂) 입구가 제1 촉매와 제2 촉매 사이에 마련된다. 제2 촉매는 산소에 의해 CO 및 HC를 CO₂ 및 H₂O로 산화시키도록 되어 있으며, 이러한 산화는 CO 함량을 미리 정해진 값까지 떨어뜨리게 된다. 따라서, 2개의 촉매 및 산소 공급을 제어하기 위한 람다값(lambda value)의 측정이 요구되고 있다.

본 발명은 질소 산화물(NOx)의 형성을 억제하고, 이와 함께 청정 배기 가스의 생성을 현저히 촉진시키는 방법 및 버너에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은, 버너 헤드가 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 파이프(2)의 일단부에 배치되어 있고, 이 버너 헤드로부터의 연료 가스가 내부 파이프 내에서 그리고 외부 파이프 내에서 흐른 후에, 주위 환경에 이어진 배기 가스 채널(5) 안으로 흐르는 형태의 노 가열용 가스 버너에 의한 연소 방법에 관한 것으로서, 본 발명은, 내부 파이프를 버너 헤드에 못 미쳐서 종결시키고, 슬리브를 상가 버너의 버너 헤드의 상류에 배치하고, 슬리브를 그 오리피스가 내부 파이프 내에 위치하도록 내부 파이프 내에 약간 삽입하고 및/또는 내부 파이프와 동심으로 배치하며, 내부 파이프의 개구와 슬리브 사이에 간극을 형성하며, 그 간극의 크기를, 버너 헤드로부터 도달한 연료와 연소 공기의 혼합물 및 간극을 통해 재순환하는 배기 가스의 양이 연소 온도를 NOx 형성 온도 미만의 온도로 되게 양으로 되도록 정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 대체로 청구항 11에 기재된 특징들을 갖는 형태의 버너에 관한 것이다.

이하, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시 형태를 부분적으로 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 공지의 가스 버너의 개략적인 단면도이며,

도 2는 슬리브 개구 및 내부 파이프에 대한 입구 주위를 확대 도시한 도면이고,

도 3 및 도 4는 슬리브 및 내부 파이의 입구에 인접한 버너의 부분의 실시 형태를 각각 도시하는 도면이다.

도 1에는 공지의 형태의 노 가열용 가스 버너가 도시되어 있다. 이 가스 버너는 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 파이프(2)의 일단부에 버너 헤드(1)가 배치되어 있는 형태이다. 보호 파이프(3)는 바닥(4)에 폐쇄되어 있다. 이는 버너 헤드로부터의 배기 가스가 내부 파이프(2) 내에서 외부 파이프(3)의 바닥(4)을 향해 아래쪽으로 흐르고, 이어서 그 가스는 방향을 바꿔 외부 파이프와 내부 파이프 사이의 공간에서 반대 방향으로 흐른 후, 주변 환경에 이어진 배기 가스 채널(5) 안으로 흐르게 됨을 의미한다

복열 장치(recuperator)가 버너 헤드를 둘러싸는 내부 가스 파이프(2) 부분으로 이루어지거나, 대안적으로는 버너 헤드를 둘러싸는 별도의 파이프로 이루어지며, 이 경우, 상기 별도의 파이프에 연장하여 별도의 내부 파이프가 마련된다. 따라서, 이러한 별도의 파이프 및 별도의 내부 가스 파이프는 서로 축방향으로 정렬된다. 별도의 내부 가스 파이프는 별도의 파이프의 개방 단부에서 시작된다. 연료 가스는 입구(6)를 통해 도입되며, 공기는 입구(7)를 통해 도입된다.

도 1에서의 도면 번호 11은 제1 촉매에 대한 망상 구조를 나타내며, 도면 부호 12는 제2 촉매(9)에 대한 디스크형 망상 구조를 나타낸다. 그러한 촉매에 의해 제공되는 이점은, 그들이 세라믹 모놀리스로 이루어진 촉매보다 더 고온에 견딜 수 있다는 점이다. 게다가, 유동 저항이 통상의 촉매보다 낮아진다.

본 발명은, 전술한 형태의 버너, 즉, 버너 헤드(1)가 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 가스 파이프(2)의 일단부에 배치되고, 버너 헤드로부터의 연료 가스가 내부 가스 파이프(2) 내에서 흐른 후, 외부 파이프의 폐쇄단(4)에서 방향을 바꿔 외부 파이프(3)와 내부 가스 파이프(2) 사이의 공간에서 계속 흐르고, 이어서 주변 환경에 이어진 배기 가스 채널(5) 안으로 보내진다.

본 발명에 따르면, 내부 가스 파이프(2)는 버너 헤드(1)에 못 미쳐서 종결된다. 버너 헤드(1)의 상류에는 슬리브(10)가 배치되어 있으며, 이 슬리브는 그 오리피스(13)가 내부 가스 파이프(2) 내에 위치하도록 내부 가스 파이프(2) 내에 약간 삽입되고 및/또는 그 내부 가스 파이프(2)와 동심으로 놓이게 된다. 내부 파이프(2)의 개구(15)와 슬리브(10) 사이에는 간극(14)이 형성된다. 이 간극(14)은 버너 헤드로부터 도달한 연료와 연소 공기의 혼합물 및 간극을 통해 재순환하는 배기 가스의 양이 연소 온도를 NOx 형성 온도 미만의 온도로 되게 하는 양으로 되도록 하는 크기로 되어 있다.

NOx는 연료 플랜트의 형태 및 사용 연료의 종류에 따라 다양한 온도에서 형성된다. 본 발명의 경우, 연소 온도는 약 1600℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 버너는 주로 천연 가스, 용기 가스(bottled gas), 프로판 또는 부탄 가스용으로 의도된 것이다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 간극(14)은 연료 가스의 NOx 함량 또는 NOx 농도가 125 ppm보다 낮도록 하는 크기를 갖는다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 간극은 NOx 함량 또는 NOx 농도가 25 ppm보다 낮도록 하는 크기를 갖는다.

본 발명의 한가지 바람직한 방법은, 람다값이 1에 근사하도록 하는 것이 바람직하다.

특히 바람직한 실시예에 따르면, 람다값은 최저 0.940으로 된다.

본 발명의 버너는 내부 파이프와 외부 파이프 사이의 공간에서 연료 가스의 충분히 큰 재순환을 달성하며, 간극의 존재로 인해, 연료 가스의 일부가 버너 헤드로부터의 연료 혼합물과 함께 내부 가스 파이프 안으로 흡입되게 하는 이젝터 효과가 얻어지도록 하는 조건을 제공한다. 그 결과, 산소에 대한 접근은 연소 공정의 제한 효과(limiting effect)를 갖는다. 또한, 산소와 질소 가스 사이의 반응 거리를 보다 길게 하여, NOx의 형성을 억제한다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 슬리브 출구 개구(13)의 단면적(A1)과 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비는 0.10 보다는 작고 0.01보다는 크도록 된다.

다른 바람직한 실시예에 따르면, 내부 가스 파이프(2)와 외부 보호 파이프(3) 사이로 표시된 공간(16)의 단면적(A4)과, 슬리브(10)와 내부 가스 파이프(2) 사이의 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비는 1.0 내지 2.0 범위에 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 내부 가스 파이프(2)와 외부 보호 파이프(3) 사이로 표시된 공간(16)의 단면적(A4)과 내부 가스 파이프(2)의 단면적(A3) 간의 비는 0.75 내지 1.75 범위에 있다.

이젝터 효과와 관련하여, 슬리브(10)로부터의 연료 혼합물의 배출 속도는 충분히 높은 것이 중요하다.

슬리브(10)의 노즐(13)로부터의 연료 혼합물의 노즐 속도는 35m/s를 초과하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 구성 요소들의 열팽창에 의한 결과가 도시되어 있다. 열은 외부 파이프(3)가 도 3 및 도 4에서 좌측으로 선형적으로 팽창하게 한다. 이와 함께, 외부 파이프(3)는 내부 가스 파이프(2)를 동반하게 된다. 그러나, 내부 파이프(2)는 도 3 및 도 4의 좌측에 위치한 외부 파이프의 바닥에서부터 이 바닥을 시작점으로 하여 팽창한다. 내부 파이프는 이 내부 파이프의 더 높은 온도로 인해 외부 파이프보다 더 많이 팽창한다. 출력을 증가시키는 경우, 내부 가스 파이프는 버너 헤드(1)에 더 근접하게 되는 데, 다시 말해, 슬리브가 내부 파이프 안으로 더 밀어 넣어질 것이다. 상온과 비교하면, 파이프가 가열된 경우 파이프의 오리피스(15)는 도 2에 제시된 치수의 경우에 약 20 ㎜의 거리만큼 버너 헤드(1)에 근접하게 변위할 것이다.

도 3에는 열팽창의 결과로 단지 약간의 변위만이 발생한 실시예가 도시되어 있다. 그 차이가 거리(AT)로 표시되어 있다. 도 4에서는 거리(19)로 나타낸 보다 큰 변위가 도시되어 있다. 확인할 수 있는 바와 같이, 내부 파이프(2) 안으로 돌출하는 슬리브의 부분은 변위가 커짐에 따라 더 길어져, 간극(14)의 크기가 유지된 다.

이러한 열 팽창으로 인해, 슬리브(10)에서 내부 파이프(2)와 함께 간극(14)을 형성하는 부분(17)은 원통형 형상을 하는 것이 매우 바람직하다.

그 결과, 간극(14)은 열팽창에 관계없이 일정한 크기를 가질 수 있다.

도 2에는 예로서 가스 버너의 해당 부분의 치수가 표시되어 있다. 이들 치수 및 람다값이 상기한 값들에 근사할 때에, 슬리브 오리피스로부터의 가스의 배출 속도에 따라 20 내지 40 ppm의 NOx 함량이 얻어진다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하고 있음이 명백하다.

본 발명이 다수의 예시적인 실시예를 참조하여 기술되고 있지만, 슬리브의 구조 및 내부 가스 파이프의 구조는 간극(14)의 영역에서 달리할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 보호 범위 내에서 수정 및 변형이 이루어질 수 있기 때문에 전술한 예시적인 실시예에 한정되는 것으로 간주하여서는 안될 것이다.

Claims

버너 헤드(1)가 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 가스 파이프(2)의 일단부에 배치되어 있고, 상기 버너 헤드(1)로부터의 연료 가스가 상기 내부 파이프 내에서 그리고 외부 파이프 내에서 흐른 후에, 주위 환경에 이어진 배기 채널(5) 안으로 흐르는 형태의 노 가열용 가스 버너에 의한 연소 방법에 있어서,

상기 내부 파이프(2)를 버너 헤드(1)에 못 미쳐서 종결시키고, 상기 버너 헤드의 하류에 슬리브(10)를 배치하고, 그 슬리브 오리피스(13)가 내부 파이프 내에 위치하도록 상기 슬리브(10)를 내부 파이프(2) 내에 약간 삽입하고 및/또는 내부 파이프(2)와 동심으로 배치하며, 상기 내부 파이프(2)의 개구(15)와 슬리브(10) 사이에 간극(14)을 마련하며, 상기 내부 파이프와 함께 상기 간극(14)을 형성하는 슬리브(10)의 부분(17)을 원통형 형상으로 하고, 상기 간극(14)의 크기를, 버너 헤드(1)로부터 오는 연료와 연소 공기의 혼합물 및 간극(14)을 통과한 재순환 배기 가스의 양이 연소 온도를 NOx 형성 온도 미만의 온도로 되게 하는 양으로 혼합되도록 정하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항에 있어서, 약 1600℃의 온도까지 가열하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 간극(14)의 크기를 NOx 함량이 125 ppm 미 만으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 간극(14)을 NOx 함량이 25 ppm 미만이 되게 하는 크기로 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 람다값(lambda value)을 1에 근사하게 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제5항에 있어서, 람다값을 최저 0.940으로 되게 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리브의 출구 개구(13)의 단면적(A1)과 상기 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비를 0.10보다는 작고 0.01보다는 크게 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 파이프(2)와 출구 파이프(3) 사이의 공간(16)의 단면적(A4)과, 상기 슬리브(10)와 내부 파이프(2) 사이의 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비를 1.0 내지 2.0 범위 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 파이프(2)와 외부 파이프(3) 사이의 공간(16)의 단면적(A4)과 상기 내부 파이프(2)의 단면적(A3) 간의 비를 0.75 내지 1.75 범위 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리브(10)의 오리피스로부터의 연료 혼합물의 배출 속도를 35 m/s를 초과하도록 하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
버너 헤드(1)가 외부 보호 파이프(3)에 의해 둘러싸인 내부 가스 파이프(2)의 일단부에 배치되어 있고, 상기 버너 헤드(1)로부터의 연료 가스가 상기 내부 파이프 내에서 그리고 또 외부 파이프 내에서 흐른 후에, 주위 환경으로 이어진 배기 채널(5) 안으로 보내지는 형태의 노 가열용 가스 버너에 있어서,

상기 내부 파이프(2)는 버너 헤드(1)에 못 미쳐서 종결되며, 상기 버너 헤드의 하류에는 슬리브(10)가 마련되고, 이 슬리브(10)는 그 슬리브 오리피스(13)가 내부 파이프 내에 위치하도록 내부 파이프(2) 내에 약간 삽입되고 및/또는 내부 파이프(2)와 동심으로 배치되며, 상기 내부 파이프(2)의 오리피스(15)와 슬리브(10) 사이에는 간극(14)이 형성되며, 상기 내부 파이프와 함께 상기 간극(14)을 형성하는 슬리브(10)의 부분(17)은 원통형 형상으로 하고, 상기 간극(14)의 크기는 버너 헤드(1)로부터 도달한 연료와 연소 공기의 혼합물 및 간극(14)을 통해 도달한 재순환 배기 가스가 연소 온도를 NOx 형성 온도 미만으로 되게 하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 노 가열용 가스 버너.
제11항에 있어서, 상기 슬리브의 출구 개구(13)의 단면적(A1)과 상기 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비는 0.10보다는 작고 0.01보다는 큰 것을 특징으로 하는 노 가열용 가스 버너.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 내부 파이프(2)와 출구 파이프(3) 사이의 공간(16)의 단면적(A4)과, 상기 슬리브(10)와 내부 파이프(2) 사이의 간극(14)의 단면적(A2) 간의 비는 1.0 내지 2.0 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 노 가열용 가스 버너.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 파이프(2)와 외부 파이프(3) 사이의 공간(16)의 단면적(A4)과 상기 내부 파이프(2)의 단면적(A3) 간의 비는 0.75 내지 1.75 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 노 가열용 가스 버너.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 파이프(2)와 함께 간극(14)을 형성하는 슬리브(10)의 부분은 원통형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 노 가열용 가스 버너.