KR20120131212A - 연소에 관한 방법 및 버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료와 산화제가 버너 헤드로 이송되는 가열로에서의 산화제와 연료의 연소에 관한 방법과 관련된 것이다. 본 발명은, 제1 단계에서는 노 공간의 온도가 연료의 자연 연소 온도를 초과할 때까지, 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 근접하게 공급함으로써, 실질적으로 버너 헤드 가까이, 버너 헤드로부터 근거리에서 연소 과정이 이루어지도록 하며, 제2 단계에서는 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 소정 간격으로 공급함으로써, 실질적으로 버너로부터 외측 방향으로, 버너 헤드로부터 적어도 버너 헤드의 직경에 해당하는 거리만큼 떨어진 지점에서 연소 과정이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

연소에 관한 방법 및 버너{A METHOD PERTAINING TO COMBUSTION, AND A BURNER}
본 발명은 연소에 관한 방법 및 버너와 관련된 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가열로(heating furnace)에 있어서의 산소 가스의 연소를 위한 연소 방법과 상기 산소 가스의 연소를 위한 버너에 관한 것이다.
고농도의 산소와 함께 탄화수소를 연소시키는 경우, 노(爐)에서는 이산화탄소와 스팀의 분압이 매우 높은 대기가 형성됨과 동시에 화염의 온도가 보통 2000 ℃를 넘게 된다. 이는 여러 가지 단점, 이를테면 NOx의 함유량이 높아지고 국소적으로 과열되는 등의 문제를 야기한다.
배출물을 감소시키는 특성을 갖는 버너를 구성하는 것이 매우 바람직하다.
본 발명은 이러한 요구를 만족시킨다.
따라서, 본 발명은, 연료와 산화제가 버너 헤드로 이송되는 가열로에서 산화제와 연료를 연소시키는 것과 관련된 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 방법의 제1 단계에서는, 노 공간의 온도가 연료의 자연 연소 온도를 초과할 때까지, 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 근접하게 공급함으로써, 실질적으로 버너 헤드 가까이, 버너 헤드로부터 근거리에서 연소 과정이 이루어지도록 하며, 본 발명에 따른 방법의 제2 단계에서는, 그 대신 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 소정 간격으로 공급함으로써, 실질적으로 버너로부터 외측 방향으로, 버너 헤드로부터 적어도 버너 헤드의 직경에 해당하는 거리만큼 떨어진 지점에서 연소 과정이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 청구항 5에서 기술한 일반적인 특징을 갖는 유형의 버너에 관한 것이다.
본 발명은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예를 부분적으로 참고하여 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 버너 헤드의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 버너 헤드의 정면도이다.
도 3은 버너가 제1 모드로 작동 중인 경우에 일측면에서 바라본 버너 헤드와 화염의 개략도이다.
도 4는 버너가 제2 모드로 작동 중인 경우에 일측면에서 바라본 버너 헤드와 화염의 개략도이다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 연료와 산화제가 버너 헤드로 이송되는 가열로에서의 산화제와 연료의 연소에 관한 것이다. 상기 버너 헤드는 공지된 방식으로 노의 벽에 장착되므로 연소 과정에서 발생되는 화염은 노의 연소실 내부로 연장된다.
본 발명은 2 단계로 연소 과정이 이루어진다는 점을 특징으로 하며, 2 단계 중 제2 단계가 공지된 기술에 비해 여러 가지 장점들을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 제1 단계에서는, 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 근접하게 공급함으로써, 실질적으로 버너 헤드 가까이, 버너 헤드로부터 약간 떨어져서 연소 과정이 이루어지도록 한다. 이 방법은 그 자체로 공지되어 있으며, 이 방법에서의 버너는 "산소-연료(Oxy-fuel)" 버너라고 불린다.
상기 방법의 제1 단계에서는, 노의 연소실 온도가 연료의 자연 연소 온도를 초과할 때까지 상기 버너가 작동된다.
상기 노의 연소실 온도가 대략 750 ℃를 초과하는 경우에 연소 과정의 제2 단계가 적절하게 시작될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전술한 온도 또는 더 높은 온도에 도달하는 경우에 상기 제2 단계가 수행된다. 상기 제2 단계에서는, 대신 버너 헤드로부터 연료와 산화제를 서로 소정 간격으로 공급함으로써, 일반적으로 버너로부터 외측 방향으로, 적어도 버너 헤드의 직경에 해당하는 거리만큼 버너 헤드로부터 떨어진 지점에서 연소가 이루어진다.
상기 제1 단계에서는, 버너 헤드(1)에 있는 노즐(2)을 통해 연료를 공급하고, 상기 노즐(2) 둘레에 동심으로 배치된 유출 개구(3)를 통해 산화제를 공급하는 것이 바람직하다(도 1 참조).
또한, 제2 단계에서는, 버너 헤드(1)에 있는 노즐(2)을 통해 연료를 공급하고, 상기 노즐(2)로부터 소정 거리를 두고 버너 헤드의 일측부에 위치한 유출 개구(4, 5)를 통해 산화제를 공급하는 것이 바람직하다(도 1 참조).
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 유출 개구(4, 5)는 라발 노즐(Laval nozzle)이나 벤츄리 노즐(venturi-nozzle)로 이루어진다.
개구(6)는 화염을 모니터링하는 기능을 수행한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 유출 개구(4, 5)는 연료 노즐(2)로부터 버너 헤드의 직경의 절반을 초과하는 소정 거리만큼 떨어져 있다.
원하는 효과를 얻기 위해서 상기 소정 거리는 약 40 mm이면 충분하다는 것이 확인되었다.
따라서, 상기 버너에서는, 얼마간은 전형적인 산소-연료 버너로서 작동하고 얼마간은 실질적으로 보다 낮은 최대 온도의 화염을 생성하는 기능을 갖는 버너로서 작동하는 2가지 서로 다른 작동 방식이 허용된다. 전술한 보다 낮은 최대 온도는 반응 역학에 의해 NOx의 생성이 제한되는 온도 이하가 되도록 조절되는데, 상기 온도는 약 1550 ℃이다.
이는, 종래의 산소-연료 연소 과정에 비해 버너 헤드로부터 더 멀리 떨어져서 연료와 산소가 연소되도록 전술한 산소 유출 개구(4, 5)와 연료 노즐의 위치를 설정함으로써 달성된다. 전술한 위치 설정은 도 3 및 도 4에 도시되어 있는데, 도 3은 산소-연료 연소에 있어서 화염(7, 8)의 전파와 길이 사이의 상관 관계를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명에 따른 방법의 제2 단계에 따른 연소의 경우에 상기 화염의 전파와 길이 사이의 상관 관계를 도시한 것이다.
본 발명의 요지는, 산화제의 산소 함량이 80 %를 초과함에도 불구하고, 분리(separation), 고압, 그리고 최적화된 노즐 위치 설정을 통해서 연소 영역에서의 산소 함량을 낮추는 데 있다. 이는, 노즐의 표면에 큰 감압(subpressure)을 형성할 수 있고 매질 방출 노즐(medium-emitting nozzles)이 없는 노즐 구성에 의해 달성된다. 이러한 감압에 의해서, 연소 가스는 노의 대기로부터 흡입되고, 바깥으로 흐르는 매질과 빠르게 혼합되어 이 매질과 함께 난류를 형성한다. 혼합 매질, 즉 노의 대기에서의 통상적인 산소 함량은 0.5 내지 10 % 이다. 나머지 가스는 CO2, H2O 및 N2의 다양한 혼합으로 이루어진다.
CO2, H2O 및 N2는 연소 과정에 적극적으로 참여하지 않으므로, 이들 성분은 "연소 억제제"로서 작용한다. 산소와 연료의 희석도는 매우 높다. 통상적으로, 순수한 산소를 사용하는 경우에도, 연소 과정에서의 산소 농도는 7 내지 15 %이다. 본 발명에 따르면, 상기 자연 연소 온도를 초과하는 공정 온도에서 NOx 가스(주로 NO와 NO2)의 형성을 현저하게 저감시키고, 확산되지만 제어된 연소를 얻는다.
결과적으로, 연료와 산화제 가스는 서로 만나기 이전에 노의 연소 가스와 혼합된다. 이를 통해 공지된 기법에 따라 연소가 이루어지는 경우에 얻을 수 있는 효율에 상응하는 효율에도 불구하고 보다 크고 저온인 화염(8)이 형성된다. 상기 노즐들은 버너 헤드의 종축을 향하도록 또는 종축에서 멀어지도록 기울어질 수도 있지만, 편의상 곧게 전방을 향할 수 있다, 즉 상기 노즐은 서로를 향하도록 또는 서로 멀어지도록 방향을 설정할 필요가 없다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 산화제는 가스상이며 그 산소 농도는 85 % 이상이다.
본 발명에 따른 방법의 한 가지 중요한 특징에 따르면, 상기 산화제는 2 bar 이상의 과압(overpressure)으로 버너에 이송된다. 산소-연료 연소의 경우보다 화염 온도는 더 낮고 노(爐) 체적 내의 가스 혼합물은 더 많기 때문에, 노(爐) 공간에서의 온도차가 현저하게 작아지는 동시에 NOx의 생성이 최소화된다.
본 발명의 방법을 적용하면, 산업 공정에서 사용되는 종래의 연소 장치와 비교하여 공정 효율을 낮추는 일 없이 연소에 필요한 양 이상으로 물질을 공급하지 않고도 NOx의 생성이 90 % 넘게 줄어든다.
본 발명에 따른 버너 노즐은 산소-연료 연소에서의 공지된 버너 헤드보다 더 크지 않다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 버너 노즐의 직경은 약 70 mm이다.
전술한 소형화 기법을 통해 본 발명은 사용자가 이미 보유하고 있는 장비에 적용될 수 있다. 또한, 상기 장비는 공정 온도가 매우 높은 용례에 있어서 소형 수냉각식 보호용 케이싱(water-cooled protective casing) 내에 배치될 수 있다.
선택된 연료, 즉 고체 연료, 가스 연료 또는 액체 연료를 이용하여 본 발명에 따른 전술한 장점들을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 구성은 해당 공정을 위해 사용되는 노(爐) 장비를 재구성하지 않고도 원칙적으로 기존의 연소 시스템을 대체할 수 있다.
사용되는 상기 연료가 오일, 프로판, 또는 천연 가스인 경우에 유익하다
도 1에 도시된 버너 헤드는 오일을 연료로 하는 경우에 대한 것이다.
도 2는 천연 가스를 연료로 하는 경우의 버너 헤드(10)를 도시한 것이다. 노즐(11)은 천연 가스용 노즐이다. 유출 개구(12, 13, 14)는 산화제용 개구이다. 개구(15)는 화염을 모니터링하기 위한 것이며, 개구(16)는 파일럿 화염(pilot flame)을 위한 것이다.
산화제 노즐과 연료 노즐들이 곧게 전방을 향할 수 있으므로, 저렴하고 유지 보수가 용이하며 노즐 구성을 교체하는 것 이외의 조치 없이도 기존의 공정에 적용될 수 있는 구성을 얻게 된다.
산화제는 라발 노즐 또는 벤츄리 노즐 형태인 하나 이상의 노즐을 매개로 하여 연소 공간으로 분사된다. 상기 산화제는 2 bar 이상의 과압하에 있는 것이 바람직하다. 압력이 더 높을수록, 본 발명의 효율도 더 향상된다. 일반적인 용례에서 바람직한 압력은 4 내지 5 bar 이다. 연료는 가능한 압력으로 종래의 노즐을 매개로 하여 분사된다.
본 발명은 다양한 구체적인 실시예를 참고로 하여 기술되었지만, 상기 버너 헤드의 구성이 변경될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 상기 버너 헤드는 도시된 것보다 더 많은 수의 산화제 유출 개구를 포함할 수도 있다. 또한, 연료 노즐의 배치가 도면에 도시된 것과 다를 수도 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 첨부하는 청구범위의 범주 내에서 변경이 가능함을 이해해야 한다.

Claims (6)

  1. 연료와 산화제가 버너 헤드로 이송되는 가열로에서의 산화제와 연료의 연소에 관한 방법으로서, 제1 단계에서는 노 공간의 온도가 연료의 자연 연소 온도를 초과할 때까지, 버너 헤드(1; 10)로부터 연료와 산화제를 서로 근접하게 공급함으로써, 버너 헤드 가까이, 버너 헤드로부터 근거리에서 연소 과정이 이루어지도록 하며, 제2 단계에서는 그 대신 버너 헤드(1; 10)로부터 연료와 산화제를 서로 소정 간격으로 공급함으로써, 버너로부터 외측 방향으로, 버너 헤드로부터 적어도 버너 헤드의 직경에 해당하는 거리만큼 떨어진 지점에서 연소 과정이 이루어지도록 하는 연소에 관한 방법에 있어서,
    상기 제2 단계에서, 연료는 버너 헤드의 노즐(2; 11)에서만 공급되며, 산화제는 상기 노즐(2; 11)로부터 소정 거리를 두고 버너 헤드의 일측부에 위치한 유출 개구(4, 5; 12-14)에서만 공급되며,
    상기 유출 개구(4, 5; 12-14)는 상기 노즐(2; 11)로부터 상기 버너 헤드(1; 10)의 직경의 절반을 초과하는 소정 거리만큼 떨어져 위치하고,
    상기 산화제는 가스상이며 상기 산화제의 산소 함량은 80 % 이상이 되도록 하고,
    상기 산화제를 2 bar 이상의 과압으로 이송하는 것을 특징으로 하는 산화제와 연료의 연소에 관한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 연료는 버너 헤드(1; 10)의 노즐(2; 11)에서 공급되며, 산화제는 상기 노즐 둘레에서 동심(3)으로 공급되는 것을 특징으로 하는 산화제와 연료의 연소에 관한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료로서 오일을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화제와 연료의 연소에 관한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료로서 천연 가스 또는 프로판을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화제와 연료의 연소에 관한 방법.
  5. 연료와 산화제가 버너 헤드로 이송되는 가열로에서 산화제와 연료를 연소시키고, 버너 헤드(1; 10)는 연료 공급 노즐(2; 11)을 포함하며, 버너 헤드(1; 10)는 노즐에 근접한 제1 산화제 유출 개구(3)를 더 포함하고, 상기 제1 산화제 유출 개구를 통해 제1 단계 동안에 산화제가 흐르도록 구성되어 버너 헤드 가까이, 버너 헤드로부터 근거리에서 연소 과정이 이루어지도록 하며, 버너 헤드는 연료 공급 노즐(2; 11)로부터 소정 거리를 두고 위치한 추가의 산화제 유출 개구(4, 5; 12-14)를 더 포함하여 버너로부터 외측 방향으로, 버너 헤드로부터 적어도 버너 헤드의 직경에 해당하는 거리만큼 떨어진 지점에서 연소 과정이 이루어지도록 하는 버너로서,
    연소의 제2 단계 동안에는 상기 추가의 산화제 유출 개구에만 산화제를 이송시키도록 구성되며,
    추가의 산화제 유출 개구(4, 5; 12-14)는 상기 연료 공급 노즐(2; 11)로부터 소정 거리를 두고 버너 헤드의 일측부에 위치하고,
    상기 추가의 산화제 유출 개구(4, 5; 12-14)는 상기 연료 공급 노즐(2; 11)로부터 상기 버너 헤드(1; 10)의 직경의 절반을 초과하는 소정 거리만큼 떨어져 위치하며,
    상기 버너는 2 bar 이상의 과압으로 산소 함량이 80 % 이상인 산화제를 이송하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  6. 제5항에 있어서, 상기 추가의 산화제 유출 개구(4, 5)는 라발 노즐(Laval nozzle) 또는 벤츄리 노즐(venturi-nozzle)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버너.
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