KR20140067090A - 관형상 화염 버너 - Google Patents

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KR20140067090A
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다이헤이 노우치
쥰 이시이
미노루 아사누마
구니아키 오카다
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

일단이 개방된 관형의 연소실을 갖고, 이 연소실 폐쇄단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있는 관형상 화염 버너로서, 그 연소실 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐이 마련되어 있는 동시에, 해당 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터 취입된 온도 조정용 가스가 상기 연료 가스 취입 노즐측으로 역류하는 것을 방지하는 역류 방지 수단이 마련되어 있다.

Description

관형상 화염 버너{TUBULAR FLAME BURNER}
본 발명은 관형상 화염 버너에 관한 것이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 관형상 화염 버너(10)는 일단이 개방된 관형상의 연소실(11)을 갖고, 이 연소실(11)의 폐색단측에 연료 가스를 취입하는 노즐(12)과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐(13)이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있으며, 연소실(11)내에 관형상 화염(14)을 형성하는 버너로서, 연소 설비의 소형화와, 연소 조건에 따라 증가하는 NOx 등의 유해 물질, 탄화 수소 등의 미연소분, 매연 등의 환경 오염원을 저감할 수 있는 획기적인 버너이다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 평성11-281015호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2012-097918호
이러한 관형상 화염 버너를 열풍 발생 장치 등으로서 사용하는 경우에는 연소 배기 가스를 원하는 온도로 조정할 필요가 있지만, 상기의 특허문헌 1에는 연소 배기 가스의 온도 조정 방법에 대해서는 나타나 있지 않다.
이에 대해, 특허문헌 2에는 연소실의 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐을 마련하고, 그 노즐로부터 취입된 온도 조정용 가스에 의해서 연소 배기 가스의 온도 조정을 실행하는 것이 기재되어 있다.
그러나, 후술하는 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]의 란에서 상세하게 기술하는 바와 같이, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는 실화(失火)(연소 정지)하는 경우가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 사정을 감안해서 이루어진 것이며, 관형상 화염 버너를 열풍 발생 장치 등으로서 사용하는 경우에 대응하여, 연소 배기 가스의 온도를 적절하게 조정할 수 있고, 안정된 연소의 지속이 가능한 관형상 화염 버너를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 특징을 갖는다.
[1] 일단이 개방된 관형상의 연소실을 갖고, 이 연소실 폐쇄단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있는 관형상 화염 버너로서, 그 연소실 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐이 마련되어 있는 동시에, 해당 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터 취입된 온도 조정용 가스가 상기 연료 가스 취입 노즐측으로 역류하는 것을 방지하는 역류 방지 수단이 마련되어 있는 관형상 화염 버너.
[2] 상기 역류 방지 수단은 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터의 온도 조정용 가스의 취출 방향을 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 10°∼60°하류측으로 경사시키는 것인 상기 [1]에 기재된 관형상 화염 버너.
[3] 상기 역류 방지 수단은 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐의 상류측에 배치된 난류 생성 기구인 상기 [1]에 기재된 관형상 화염 버너.
[4] 상기 난류 생성 기구는 오리피스, 격자, 충전층의 어느 하나인 상기 [3]에 기재된 관형상 화염 버너.
[5] 상기 온도 조정용 가스 취입 노즐은 연소실의 내경 D의 2.5∼3.5배의 거리만큼 연료 가스 취입 노즐로부터 떨어져 있는 [1]에 기재된 관형상 화염 버너.
[6] 상기 온도 조정용 가스 취입 노즐은 연소실의 내경 D의 3.5∼6배의 거리만큼 연료 가스 취입 노즐로부터 떨어져 있는 청구항 1에 기재된 관형상 화염 버너.
[7] 일단이 개방된 관형상의 연소실을 갖고, 이 연소실 폐쇄단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있는 관형상 화염 버너로서, 그 연소실 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐이 마련되어 있고, 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터의 온도 조정용 가스의 취출 방향이 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 10°∼60°하류측으로 경사져 있는 관형상 화염 버너.
[8] 상기 온도 조정용 가스의 취출 방향이 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 25°∼60°하류측으로 경사져 있는 [7]에 기재된 관형상 화염 버너.
본 발명에 있어서는 관형상 화염 버너를 열풍 발생 장치 등으로서 사용하는 경우에 대응하여, 연소 배기 가스의 온도를 적절히 조정할 수 있고, 안정된 연소의 계속이 가능한 관형상 화염 버너로 되어 있다.
도 1은 종래의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서 기초로 한 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너에서의 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 위치의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예에서의 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 위치의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예에서의 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 위치의 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너의 다른 예에서의 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 위치의 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너에서의 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 상태를 나타내는 횡단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너에서의 다른 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 상태를 나타내는 횡단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너에서의 다른 온도 조정용 가스 취입 노즐 설치 상태를 나타내는 횡단면도이다.
도 17은 관형상 화염 버너의 성능을 확인하기 위한 연소 시험 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은 특허문헌 1에 기재된 종래의 관형상 화염 버너를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 1실시형태에 있어서 기초로 한 온도 조정용 가스 취입 노즐을 갖는 관형상 화염 버너(10A)를 나타내는 것이며, 전술한 특허문헌 2에 기재된 관형상 화염 버너에 대응하고 있다.
도 2의 관형상 화염 버너(10A)는 도 1에 나타낸 종래의 관형상 화염 버너(10)와 같이, 일단이 개방된 관형상의 연소실(11)을 갖고, 이 연소실(11)의 폐색단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐(연료 가스 취입 노즐)(12)과, 산소 함유 가스를 취입하는 노즐(산소 함유 가스 취입 노즐)(13)이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되고, 연소실(11)내에 관형상 화염(14)을 형성한다. 또한, 연료 가스 취입 노즐(12)과 산소 함유 가스 취입 노즐(13)에 부가해서, 연소실(11)의 개방단측에, 연소 배기 가스(19)의 온도를 조정하기 위한 온도 조정용 가스(17)를 취입하는 노즐(온도 조정용 가스 취입 노즐)(16)이 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있다.
이 관형상 화염 버너(10A)는 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 온도 조정용 가스(17)를 취입하여 혼합시키는 것에 의해, 연소 배기 가스(19)의 온도를 조정할 수 있다.
그러나, 이 관형상 화염 버너(10A)에서는 저온(예를 들면 상온)의 온도 조정용 가스(17)를 일정량 이상 취입한 경우, 실화(연소 정지)해 버리는 경우가 있었다. 또한, 연료 가스의 발열량이 낮고 관형상 화염(14)의 길이가 긴 경우에는 더욱 소량의 온도 조정용 가스(17)에서 실화가 관측되었다.
그래서, 본 발명자들은 그 실화의 원인에 대해, 연소 시험 장치를 이용한 연소 시험이나 수치 시뮬레이션 등에 의해서 검토를 실행하였다. 그 결과, 이 실화는 이하의 메커니즘에서 생기는 것이 명백하게 되었다.
(a) 완전 연소 전에 있어서의 온도 조정용 가스의 혼합에 의한 연소 정지
특허문헌 1에 기재되어 있는 종래의 관형상 화염 버너(10)에서는 연소실(11)의 길이는 연소실(11)의 직경 D에 대해 반드시 길 필요는 없지만, 그것은 온도 조정용 가스(17)의 혼합이 없는 경우에 한정된다. 온도 조정용 가스(17)의 혼합이 없으면, 일단 착화된 연료 가스는 꺼지지 않고 연소를 완료할 수 있기 때문이다. 물질이 연소하기 위해서는 연료, 산소, 가스 온도의 3개가 불가결하지만, 이 관형상 화염 버너(10A)에 있어서, 온도 조정용 가스(17)로서 상온의 가스를 관형상 화염(14)에 혼합시키면, 관형상 화염(14)의 온도가 급격히 저하하고 실화해 버린다. 또한, 온도 조정용 가스(17)로서, 상온의 가연성 가스, 공기, 불활성 가스(아르곤)의 종류를 사용하였지만, 모두 실화하고 있으며, 관형상 화염(14)의 온도 저하가 최대의 원인인 것이 확인되었다.
(b) 온도 조정용 가스의 상류로의 역류
종래의 사고 방식에서 보면, 이 관형상 화염 버너(10A)에서는 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 취입된 온도 조정용 가스(17)는 그 취입된 위치로부터 하류측에만 공급되며, 상류측의 관형상 화염(14)에 영향을 준다(연소하고 있던 관형상 화염(14)을 끈다)고는 생각되지 않았다. 그러나, 실제로는 온도 조정용 가스(17)의 취입에 의해서, 취입 위치 및 하류측의 관형상 화염(14)의 직경의 축소뿐만 아니라, 상류측의 관형상 화염(14)의 직경도 축소되는 현상이 연소 시험에서 관찰되었다. 또한, 수치 시뮬레이션의 결과, 비록 관형상 화염(14)의 배기 가스(연소 배기 가스)(19)가 하류를 향해 흐르고 있어도, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 취입된 후의 온도 조정용 가스(17)가 그 취입 위치로부터 동심원형상으로 확산하려고 하여, 도 2에 나타내는 바와 같이, 짧은 거리이기는 하지만, 온도 조정용 가스(17)의 일부(18)가 연소실(11)의 내벽면을 따라 상류측으로 거슬러 올라가는(역류하는) 것을 알 수 있었다.
본 발명자들은 이상의 결과로부터, 이하의 결론이 얻어졌다.
실화를 적확하게 방지하면서, 온도 조정용 가스(17)를 혼합하기 위해서는 관형상 화염(14)을 형성하는 가스인 연료 가스 및 산소 함유 가스가 연소를 완료한 후의 위치에 온도 조정용 가스(17)를 취입하고, 또한, 온도 조정용 가스(17)가 연료 가스 취입 노즐(12)측으로 역류하는 것을 방지할 필요가 있다. 구체적으로는 관형상 화염(14)이 형성되는 위치보다 하류에 온도 조정용 가스(17)를 취입하고, 또한 온도 조정용 가스(17)가 연료 가스 취입 노즐(12)측으로 역류하는 것을 방지할 필요가 있다.
그리고, 역류의 방지를 실현하는 것으로서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시형태(실시형태 1, 실시형태 2)에 있어서의 관형상 화염 버너를 상도하였다.
<실시형태 1>
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)를 나타내는 것이고, 도 4는 그 관형상 화염 버너(10B)에 있어서의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 상태를 나타내는 횡단면도이다.
이 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)에서는 도 2에 나타내는 바와 같은 온도 조정용 가스(17)의 일부(18)가 상류측으로 역류하는 것을 방지하도록 하고 있다.
즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 온도 조정용 가스(17)가 관형상의 연소실(11)의 관축에 직교하는 방향으로부터 소정의 각도 θ만큼 하류측으로 경사진 방향을 향해 취입되도록, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)을 각도 θ만큼 경사시켜 부착하고 있다. 구체적으로는 각도 θ를 10°∼60°로 하고 있다(10°≤θ≤60°). 각도 θ는 25°∼60°인 것이 바람직하다.
또한, 수치 시뮬레이션에 의해, 각도 θ가 10°이상에서는 온도 조정용 가스(17)의 역류가 감소하고, 각도 θ가 45°에서 온도 조정용 가스(17)의 역류가 거의 소멸하는 것이 확인되고 있다. 또, 각도 θ를 60°이하로 하면, 연소실(11)과의 간섭이 적어 제작이 매우 용이하게 된다.
또한, 온도 조정용 가스(17)가 각도 θ만큼 하류측으로 경사진 방향을 향해 취입되도록 하기 위해서는 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)을 각도 θ만큼 경사시켜 부착하는 것 이외에, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 내부에 온도 조정용 가스(17)의 흐름을 각도 θ만큼 경사시키는 기구(예를 들면, 정류판(25))를 마련하는 것으로도 좋다.
이와 같이 해서, 이 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)는 온도 조정용 가스(17)의 취입 각도를 소정의 각도 θ(10°≤θ≤60°)만큼 하류측으로 경사시키는 것에 의해서, 온도 조정용 가스(17)의 역류를 방지하고, 그 결과, 연소실(11)의 길이를 짧게 한 상태에서 실화를 적확하게 방지하면서, 연소 배기 가스(19)의 온도를 적절히 조정할 수 있다.
또한, 이 관형상 화염 버너(10B)에서는 도 4에 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 횡단면도를 나타낸 바와 같이, 1개의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 되어 있지만, 다른 설치 상태를 취하는 것도 가능하다.
예를 들면, 도 5에 나타내는 관형상 화염 버너(10B1)와 같이, 도 6에 그 관형상 화염 버너(10B1)에 있어서의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 복수개(도 6에서는 3개)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)에서 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 해도 좋다.
또, 반드시 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스를 취입하도록 하지 않아도 좋고, 도 7에 나타내는 관형상 화염 버너(10B2)와 같이, 도 8에 그 관형상 화염 버너(10B2)에 있어서의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 소정의 개수(도 8에서는 3개)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)에서 연소실(11)의 중심부를 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 해도 좋다.
또한, 도 9에 나타내는 관형상 화염 버너(10B3)와 같이, 도 10에 그 관형상 화염 버너(10B3)에 있어서의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 연소실(11)의 내경을 관형상 화염(14)의 선단부 근방에서 일단 축소하고, 그 축소한 위치에서 소정의 개수(도 10에서는 3개)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 중심부를 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 해도 좋다.
또한, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 형상은 관형상 화염 버너(10B)(도 3, 도 4)와 같이, 직사각형 단면 노즐(슬릿 노즐)이라도 좋고, 관형상 화염 버너(10B1)(도 5, 도 6), 관형상 화염 버너(10B2)(도 7, 도 8), 관형상 화염 버너(10B3)(도 9, 도 10)와 같이, 원형 단면 노즐이라도 좋다.
요컨대, 온도 조정용 가스의 원하는 유량·유속이 얻어지도록, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 형상과 치수와 개수를 정하면 좋다.
<실시형태 2>
도 11, 도 12, 도 13은 각각 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)를 나타내는 것이다.
이 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)에서는 관형상 화염(14)의 연소를 적극적으로 가속하여, 연소가 완료하는 위치를, 자연스럽게 연소가 완료하는 위치로부터 상류측으로 이동시키고, 그 하류측에 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)을 설치하도록 하고 있다.
즉, 관형상 화염(14)의 하류측이고 또한 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 상류측에 난류(亂流) 생성 기구(20)를 설치하여, 관형상 화염(14)의 온도를 온도 조정용 가스(17)의 역류에 의해 저하시키는 일 없이, 고온의 상태에서 산소와 연료 가스의 혼합·연소를 가속하여 강제적으로 연소를 완료시키도록 하고 있다.
구체적으로는 도 11에 나타내는 관형상 화염 버너(10C)에서는 난류 생성 기구(20)로서 오리피스(21)를 설치하고 있다. 또, 도 12에 나타내는 관형상 화염 버너(10D)에서는 난류 생성 기구(20)로서 격자(메시)(22)를 설치하고 있다. 또, 도 13에 나타내는 관형상 화염 버너(10E)에서는 난류 생성 기구(20)로서 충전층(23)(예를 들면, 구형상 세라믹을 소결시킨 것)을 설치하고 있다.
또한, 이 난류 생성 기구(20)의 설치에 의해, 온도 조정용 가스(17)가 연소실(11)의 내벽면을 따라 상류측으로 역류하는 것이 저지되고, 관형상 화염(14)의 안정성을 손상시키지 않는 효과도 있다.
이와 같이 해서, 이 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)는 관형상 화염(14)의 하류측에 난류 생성 기구(20)를 설치하는 것에 의해서, 연소실(11)의 길이를 짧게 한 상태에서, 실화를 적확하게 방지하면서, 연소 배기 가스(19)의 온도를 적절히 조정할 수 있다.
또한, 이 실시형태 2(도 11∼도 13)에 있어서는 도 14에 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 1개의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 되어 있지만, 다른 설치 상태를 취하는 것도 가능하다.
예를 들면, 도 15에 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 복수개(도 15에서는 3개)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 해도 좋다. 또, 반드시 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 온도 조정용 가스를 취입하도록 하지 않아도 좋으며, 예를 들면, 마찬가지로 도 16에 횡단면도를 나타내는 바와 같이, 소정의 개수(도 16에서는 3개)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)로부터 연소실(11)의 중심부를 향해 온도 조정용 가스(17)를 취입하도록 해도 좋다.
또한, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 형상은 관형상 화염 버너(10C)(도 11, 도 14), 관형상 화염 버너(10D)(도 12, 도 14), 관형상 화염 버너(10E)(도 13, 도 14)와 같이, 직사각형 단면 노즐(슬릿 노즐)이라도 좋고, 도 15, 도 16과 같이, 원형 단면 노즐이라도 좋다.
요컨대, 온도 조정용 가스의 원하는 유량·유속이 얻어지도록, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 형상과 치수와 개수를 정하면 좋다.
그리고, 본 발명에 있어서는 사용하는 연료 가스에 특히 제한을 가하는 것은 아니지만, 도 2에 나타낸 바와 같이 해서 온도 조정용 가스(17)의 취입을 실행하면, 실화할 가능성이 높은 저발열량 가스를 연료 가스로서 이용할 때에 그 효과가 크다. 상기 저발열량 가스는 예를 들면, 고로 가스(BFG), CDQ 가스, 가연 성분을 소량 포함하는 배기 가스 등과 같은 발열량이 600∼900kcal/N㎥, 특히, 600∼800kcal/N㎥의 저발열량 가스이다.
또, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)을 설치하는 위치에 대해서는 관형상 화염(14)을 형성하는 가스(연료 가스 및 산소 함유 가스)가 연소를 완료한 후의 위치가 좋다. 이 위치는 연료 가스의 발열량이나 연소실내에서의 가스 유속에 따라 변경된다.
예를 들면, 비교적 발열량이 높은 가스를 연료 가스로서 이용한 경우에는 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치와 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 2.5∼3.5배로 되는 위치로 하는 것이 바람직하고, 2.5∼3.0배로 되는 위치가 연소실(11)의 길이(버너길이)를 더욱 짧게 할 수 있으므로 더욱 바람직하다.
한편, 발열량이 800kcal/N㎥ 이하의 저발열량 가스를 연료 가스로서 이용한 경우에는 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치와 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치의 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3.5∼6배로 되는 위치로 하는 것이 바람직하고, 4.0∼5.0배로 되는 위치가 연소실(11)의 길이(버너길이)를 더욱 짧게 할 수 있으므로 더욱 바람직하다.
이와 같이, 연료 가스의 발열량에 의해서, 필요한 연소실(11)의 길이(관형상 화염 연소대 길이)는 변경되지만, 어느 경우에도, 본 발명에 의해서 연소실(11)의 길이를 짧게 하는 것이 용이하게 된다.
또, 온도 조정용 가스에 대해서는 연소 배기 가스를 원하는 온도로 조정할 수 있도록 온도 조정용 가스의 온도와 공급량을 설정하면 좋다. 예를 들면, 연소 배기 가스를 고로에 예열 가스로서 취입하는 경우, 예열 가스의 온도는 500℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상이 바람직하므로, 이러한 예열 가스 온도가 되도록 온도 조정용 가스의 온도와 공급량을 설정하면 좋다. 그 때에, 온도 조정용 가스에 예열 가스의 성분 조정이라는 역할도 갖게 한 경우에는 온도 조정용 가스로서 CO, H2 등의 환원 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 고로 가스, 전로 가스, 코크스로 가스 등의 1종 이상을 이용할 수 있으며, 특히, 고로 가스의 일부를 추출하여 온도 조정용 가스로서 이용하는 것이 바람직하다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예 1로서, 도 17에 나타내는 연소 시험 장치(30)를 이용해서, 상술한 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)의 성능의 확인을 실행하였다.
그 때에, 노체(31)에 부착된 관형상 화염 버너(10)의 연료 가스로서는 LPG(프로판 가스)를 질소에 의해 10배로 희석한 희석 LPG(희석 프로판 가스, 발열량 2400kcal/N㎥)를 사용하고, 산소 함유 가스로서는 공기를 사용하였다. 그리고, 각각 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 취입되는 연료 가스의 속도와 공기의 속도가 연소실(11)내에서 혼합한 후의 가스 속도의 약 9배가 되도록, 연료 가스 취입 노즐(12)과 산소 함유 가스 취입 노즐(13)의 사이즈를 조정하였다.
또, 온도 조정용 가스(17)로서는 질소로 10배로 희석한 희석 LPG(희석 프로판 가스), 질소, 공기의 3종류를 이용하고, 그 취입량은 연소 배기 가스량과 동일하게 하며, 취입 속도는 연소실(11)내에서 혼합한 후의 가스 속도의 약 9배가 되도록, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 사이즈를 조정하였다.
또한, 연소실(11)의 내경은 약 200㎜이며, 온도 조정용 가스의 취입 위치의 영향을 조사하기 위해, 관형상 화염 버너(10)의 전체 길이는 3m로 되어 있다.
그리고, 온도 조정용 가스(17)를 취입하지 않은 경우에는 연소 배기 가스의 온도가 2000℃ 가깝게 되기 때문에, 노체(31)로부터의 연소 배기 가스를 살수 장치(32)에 의해서 냉각한 후에 굴뚝(33)으로부터 배출하는 것으로 하였다. 또, 노체(31) 전체는 내화물로 덮고, 상부 지붕 부분과 살수 장치(32)까지의 배관은 수랭 구조로 하였다. 관형상 화염 버너(10)의 후단에는 점검 창, 점화 플러그, 휘도 검지기가 설치되어 있으며, 실화는 휘도 검지기로부터 검지되고, 순식간에 프로판 가스 공급이 정지되는 기구로 되어 있다.
이하에, 각각의 관형상 화염 버너의 성능을 조사, 확인한 결과를 설명한다. 또한, 온도 조정용 가스(17)로서, 희석 LPG(희석 프로판 가스), 질소, 공기의 어느 것을 이용한 경우에도 결과는 마찬가지였기 때문에, 여기서는 온도 조정용 가스(17)로서 공기를 이용한 경우에 대해 설명한다.
우선, 본 발명의 실시형태 1의 기초로 한 관형상 화염 버너(10A)의 성능을 확인하기 위해, 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치에서 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치까지의 거리 L을 변경하는 실험을 실행하였다.
그 결과, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 2.5배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 혼합하는 동시에 실화하였다. 온도 조정용 가스(공기)를 혼합한 상태에서는 점화 플러그에 의한 점화도 불가능하였다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 취입하면, 연소는 하지만 최장 20분 밖에 연속 연소하지 않아, 실화에 수반하는 재점화가 불가결하였다. 한편, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3.5배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 취입해도 연속적으로 연소하며, 적어도 60분의 안정 연소를 확인할 수 있었다. 또, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 4배 이상인 경우에도 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
이에 대해, 상술한 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)의 성능을 확인하기 위해, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 경사 각도 θ를 30°로 해서 부착하고, 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치에서 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치까지의 거리 L을 변경하는 실험을 실행하였다. 또한, 그 때, 온도 조정용 가스(17)의 정류 효과를 올리기 위해, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 내부에 4개의 정류판(25)을 설치하였다.
그 결과, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 2.5배, 3.5배의 어느 경우도 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
다음에, 연료 가스를 고로 가스(발열량 760kcal/N㎥)로 변경하는 동시에, 온도 조정용 가스(17)도 고로 가스로 변경하고, 산소 함유 가스는 그대로 공기를 사용하여, 상기와 마찬가지의 실험을 실행하였다.
그 결과, 본 발명의 실시형태 1의 기초로 한 관형상 화염 버너(10A)에서는 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 혼합하는 동시에 실화하였다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3.5배, 4배, 5배인 경우에는 각각 최장 5분, 20분, 60분의 연속 연소이었다. 한편, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 6배인 경우에는 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
이에 대해, 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)에서는 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3배인 경우에는 최장 60분의 연속 연소이었다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3.5배, 4배, 5배, 6배인 경우에는 모두 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 관형상 화염 버너(10B)의 다른 예인 관형상 화염 버너(10B1)(도 5, 도 6), 관형상 화염 버너(10B2)(도 7, 도 8), 관형상 화염 버너(10B3)(도 9, 도 10)에 대해서도 상기의 관형상 화염 버너(10B)에 대한 실험과 마찬가지의 실험을 실행한 결과, 모두 관형상 화염 버너(10B)와 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
이와 같이 해서, 본 발명의 유효성을 명백하게 할 수 있었다.
<실시예 2>
본 발명의 실시예 2로서, 도 17에 나타내는 연소 시험 장치(30)를 이용해서, 상술한 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)의 성능의 확인을 실행하였다.
그 때에, 노체(31)에 부착된 관형상 화염 버너(10)의 연료 가스로서는 LPG(프로판 가스)를 질소에 의해 10배로 희석한 희석 LPG(희석 프로판 가스, 발열량 2400kcal/N㎥)를 사용하고, 산소 함유 가스로서는 공기를 사용하였다. 그리고, 각각 연소실(11)의 내벽면의 접선 방향을 향해 취입되는 연료 가스의 속도와 공기의 속도가 연소실(11)내에서 혼합한 후의 가스 속도의 약 9배가 되도록, 연료 가스 취입 노즐(12)과 산소 함유 가스 취입 노즐(13)의 사이즈를 조정하였다.
또, 온도 조정용 가스(17)로서는 질소로 10배 희석한 희석 LPG(희석 프로판 가스), 질소, 공기의 3종류를 이용하고, 그 취입량은 연소 배기 가스량과 동일하게 하며, 취입 속도는 연소실(11)내에서 혼합한 후의 가스 속도의 약 9배가 되도록, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 사이즈를 조정하였다.
또한, 연소실(11)의 내경은 약 200㎜이며, 온도 조정용 가스(17)의 취입 위치의 영향을 조사하기 위해, 관형상 화염 버너(10)의 전체 길이는 3m로 되어 있다.
그리고, 온도 조정용 가스(17)를 취입하지 않는 경우에는 연소 배기 가스의 온도가 2000℃ 가깝게 되기 때문에, 노체(31)로부터의 연소 배기 가스를 살수 장치(32)에 의해서 냉각한 후에 굴뚝(33)으로부터 배출하는 것으로 하였다. 또, 노체(31) 전체는 내화물로 덮고, 상부 지붕 부분과 살수 장치(32)까지의 배관은 수랭 구조로 하였다. 관형상 화염 버너(10)의 후단에는 점검 창, 점화 플러그, 휘도 검지기가 설치되어 있으며, 실화는 휘도 검지기로부터 검지되고, 순간적으로 프로판 가스 공급이 정지되는 기구로 되어 있다.
이하에, 각각의 관형상 화염 버너의 성능을 조사, 확인한 결과를 기술한다. 또한, 온도 조정용 가스(17)로서, 희석 LPG(희석 프로판 가스), 질소, 공기의 어느 것을 이용한 경우에도 결과는 동일하였으므로, 여기서는 온도 조정용 가스(17)로서 공기를 이용한 경우에 대해 설명한다.
우선, 실시예 1과 마찬가지로, 본 발명의 실시형태 2의 기초로 한 관형상 화염 버너(10A)의 성능을 확인하기 위해, 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치에서 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치까지의 거리 L을 변경하는 실험을 실행하였다.
그 결과, 실시예 1과 마찬가지로, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 2.5배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 혼합하는 동시에 실화하였다. 온도 조정용 가스(공기)를 혼합한 상태에서는 점화 플러그에 의한 점화도 불가능하였다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 취입하면, 연소는 하지만 최장 20분밖에 연속 연소하지 않아, 실화에 수반하는 재점화가 불가결하였다. 한편, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3.5배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 취입해도 연속적으로 연소하며, 적어도 60분의 안정 연소를 확인할 수 있었다. 또, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 4배 이상인 경우에도 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
이에 대해, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)의 성능을 확인하기 위해, 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 바로 상류측에 난류 생성 기구(20)(오리피스(21), 격자(22), 충전층(23))를 설치하고, 연료 가스 취입 노즐(12)의 설치 위치에서 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 위치까지의 거리 L을 변경하는 실험을 실행하였다. 또한, 오리피스(21)는 내경 120㎜의 구멍이 뚫린 링형상의 세라믹판을 이용하였다. 이것에 의해, 연소실(11)의 유로 단면적이 일시적으로 반감하고, 압손이 상승하게 된다. 격자(22)는 세라믹제의 종횡 모두 8개 격자의 것을 이용하였다. 이것에 의해, 연소실(11)의 유로 단면적이 일시적으로 반감된다. 충전층(23)은 연소실(11)의 내경 D의 1/10의 직경인 세라믹 입자를 5층분 소결시켜 이용하였다.
그 결과, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 2.5배, 3.5배의 어느 경우에도 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
다음에, 연료 가스를 고로 가스(발열량 760kcal/N㎥)로 변경하는 동시에, 온도 조정용 가스(17)도 고로 가스로 변경하고, 산소 함유 가스는 그대로 공기를 사용하여, 상기와 마찬가지의 실험을 실행하였다.
그 결과, 본 발명의 실시형태 2의 기초로 한 관형상 화염 버너(10A)에서는 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3배인 경우에는 온도 조정용 가스(공기)를 혼합하는 동시에 실화하였다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3.5배, 4배, 5배인 경우에는 각각 최장 5분, 20분, 60분의 연속 연소이었다. 한편, 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 6배인 경우에는 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
이에 대해, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)에서는 거리 L이 연소실(11)의 내경 D의 3배인 경우에는 최장 60분의 연속 연소이었다. 또, 거리 L이 연소실의 내경 D의 3.5배, 4배, 5배, 6배인 경우에는 모두 60분 이상의 안정 연소를 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)의 온도 조정용 가스 취입 노즐(16)의 설치 상태(도 14)를 다른 설치 상태(도 15, 도 16)로 한 경우에 대해서도 상기의 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)(모두 도 14)에 대한 실험과 마찬가지의 실험을 실행한 결과, 어느 경우도, 관형상 화염 버너(10C, 10D, 10E)(모두 도 14)와 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
이와 같이 해서, 본 발명의 유효성을 명백하게 할 수 있었다.
10; 관형상 화염 버너 10A; 관형상 화염 버너
10B; 관형상 화염 버너 10B1; 관형상 화염 버너
10B2; 관형상 화염 버너 10B3 ; 관형상 화염 버너
10C; 관형상 화염 버너 10D; 관형상 화염 버너
10E; 관형상 화염 버너 11; 연소실
12; 연료 가스 취입 노즐 13; 산소 함유 가스 취입 노즐
14; 관형상 화염 16; 온도 조정용 가스 취입 노즐
17; 온도 조정용 가스 18; 온도 조정용 가스의 역류 부분
19; 연소 배기 가스 20; 난류 생성 기구
21; 오리피스 22; 격자
23; 충전층 25; 정류판
30; 연소 시험 장치 31; 노체
32; 살수 장치 33; 굴뚝

Claims (8)

  1. 일단이 개방된 관형상의 연소실을 갖고, 이 연소실 폐쇄단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있는 관형상 화염 버너로서,
    그 연소실 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐이 마련되어 있는 동시에, 해당 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터 취입된 온도 조정용 가스가 상기 연료 가스를 취입하는 노즐측으로 역류하는 것을 방지하는 역류 방지 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역류 방지 수단은 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터의 온도 조정용 가스의 취출 방향을 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 10°∼60°하류측으로 경사시키는 것인 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 역류 방지 수단은 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐의 상류측에 배치된 난류 생성 기구인 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 난류 생성 기구는 오리피스, 격자, 충전층의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐은 연소실의 내경 D의 2.5∼3.5배의 거리만큼 연료 가스 취입 노즐로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐은 연소실의 내경 D의 3.5∼6배의 거리만큼 연료 가스 취입 노즐로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  7. 일단이 개방된 관형상의 연소실을 갖고, 이 연소실 폐쇄단측에, 연료 가스를 취입하는 노즐과 산소 함유 가스를 취입하는 노즐이 그 내벽면의 접선 방향을 향해 마련되어 있는 관형상 화염 버너로서,
    그 연소실 개방단측에 연소 배기 가스의 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐이 마련되어 있고, 온도 조정용 가스를 취입하는 노즐로부터의 온도 조정용 가스의 취출 방향이 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 10°∼60°하류측으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 조정용 가스의 취출 방향이 관형상의 연소실의 관축에 직교하는 면으로부터 25°∼60°하류측으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 관형상 화염 버너.
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