KR20190061986A - 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소의 과정을 단계적으로 진행함으로써 보다 안정적인 점화 및 연소과정에서 발생하는 손상을 방지하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 연료 및 미립화매체를 2단 분사하는 제1 버너부와, 상기 제1 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 산소를 2단 분사하는 제2 버너부와, 상기 제2 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 내부 공간에 냉각수가 이동하는 냉각부를 포함하고, 상기 제1 버너부는 상기 제1 버너부의 길이방향과 평행하게 형성되며, 상기 미립화매체가 이동하는 미립화매체 이동관과, 상기 미립화매체 이동관과 이격되어 배치되되, 일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되고, 상기 연료가 이동하는 연료 이동관과, 일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되어 상기 미립화매체 이동관으로부터 공급된 상기 연료 및 상기 미립화매체가 이동하는 혼합매체 이동부과, 상기 혼합매체 이동부의 타단과 연결되어 상기 연료 및 상기 미립화매체를 분사하는 연료노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너를 제공한다.

Description

액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너{Large-capacity oxygen burner with optimized structure of liquid fuel atomization}

본 발명은 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소의 과정을 단계적으로 진행함으로써 보다 안정적인 점화 및 연소과정에서 발생하는 손상을 방지하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너에 관한 것이다.

일반적으로 버너는 가스 또는 오일을 공급받아 화염을 발생시키는 장치이다.

일 예로, 버너는 경유와 산소가 버너 내부에서 혼합 및 액적화가 동시에 진행되면서, 버너팁을 빠져나와 별도의 착화용 버너에 의해 착화되는 구조를 가진다.

하지만, 버너에서 사용되는 산화제로 순산소를 사용하기 때문에 버너 팁 내부의 유로가 미세하게 조정되지 않으면 역화(Flash Back)에 따른 버너 팁 부분의 급격한 손상이 유발되는 문제점이 있다.

또한, 버너 팁 주위로 순환유동을 형성하여 고온의 연소가스가 새로운 착화된 화염을 안정화시키기 위한 버너 내부의 유로가 팁 부분에서 확장되는 설계는 버너 팁의 손상과 역화를 유발하는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0108496호 (발명의 명칭: 노즐, 버너, 연소기, 가스터빈, 가스터빈 시스템, 공개일: 2016.09.19)

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연소의 과정을 단계적으로 진행함으로써 보다 안정적인 점화 및 연소과정에서 발생하는 손상을 방지하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 연료 및 미립화매체를 2단 분사하는 제1 버너부와, 상기 제1 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 산소를 2단 분사하는 제2 버너부와, 상기 제2 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 내부 공간에 냉각수가 이동하는 냉각부를 포함하고, 상기 제1 버너부는 상기 제1 버너부의 길이방향과 평행하게 형성되며, 상기 미립화매체가 이동하는 미립화매체 이동관과, 상기 미립화매체 이동관과 이격되어 배치되되, 일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되고, 상기 연료가 이동하는 연료 이동관과, 일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되어 상기 미립화매체 이동관으로부터 공급된 상기 연료 및 상기 미립화매체가 이동하는 혼합매체 이동부과, 상기 혼합매체 이동부의 타단과 연결되어 상기 연료 및 상기 미립화매체를 분사하는 연료노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너를 제공한다.

본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너는 연소의 과정을 단계적으로 진행함으로써 점화가 보다 안전하게 진행되고, 연소과정에서 발생하는 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너의 연소 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너는 제1 버너(100), 제2 버너(200) 및 냉각부(300)를 포함한다.

상기 제1 버너(100)는 외부에서 공급되는 연료를 선단부에 위치하는 연료노즐부(110)를 통해 분사한다.

상기 연료노즐부(110)는 제1 연료노즐(111)과 제2 연료노즐(112)을 포함한다.

상기 제1 연료노즐(111)은 상기 제1 버너(100)의 길이방향 단면의 중심을 기준으로 제1 원주방향을 따라 배치되며, 제1 연소(R1) 이후에 진행되는 제2 연소(R2)에 사용되는 연료를 분사한다.

상기 제2 연료노즐(112)은 상기 제1 연료노즐(111)과 이격되어 배치되며, 상기 제1 버너(100)의 길이방향 단면의 중심을 기준으로 제1 원주방향의 외측에 위치하는 제2 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 연소(R1)에 사용되는 연료를 분사한다.

상기 제2 연료노즐(112)로부터 분사되어 제1 연소(R1)에 사용되는 연료는 전체 사용연료의 30%이며, 상기 제1 연료노즐(111)로부터 분사되어 제2 연소(R2)에 사용되는 연료는 전체 사용연료의 70%를 사용하여 연소과정을 진행한다.

상기 제2 버너(200)는 상기 제1 버너(100) 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 선단부에 위치하는 산소노즐부(210) 통해 산소를 분사한다.

상기 산소노즐부(210)는 제1 산소노즐(211)과 제2 산소노즐(212)을 포함한다.

상기 제1 산소노즐(211)은 상기 제2 버너(200)의 길이방향 단면의 중심을 기준으로 제3 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 연소(R1)에 사용되는 산소를 분사한다.

상기 제2 산소노즐(212)은 상기 제1 산소노즐(211)과 이격되어 배치되며, 상기 제2 버너(200)의 길이방향 단면의 중심을 기준으로 제3 원주방향의 외측에 위치하는 제4 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제2 연소(R2)에 사용되는 산소를 분사한다.

상기 제1 산소노즐(211)로부터 분사되어 제1 연소(R1)에 사용되는 산소는 전체 사용산소의 30%이며, 상기 제2 산소노즐(212)로부터 분사되어 제2 연소(R2)에 사용되는 산소는 전체 사용산소의 70%를 사용하여 연소과정을 진행한다.

상기 제2 연료노즐(112)로부터 분사되는 연료와 제1 산소노즐(211)로부터 분사되는 산소가 반응하는 1차 연소지역을 형성함으로써, 화염점화의 용이 및 화염점화가 안정적으로 유지될 수 있도록 한다.

이후, 상기 제1 연료노즐(111)로부터 분사되는 연료와 제2 산소노즐(212)로부터 분사되는 산소가 반응하여 2차 연소지역을 형성함으로써 2차 연소지역을 형성하고, 이후 상기 제1 연소(R1) 및 상기 제2 연소(R2)에서 미연소된 부분이 완전 연소되도록 하는 제3 연소(R3)를 통해 확산화염방식으로 점화될 수 있도록 한다.

상기 제1 연소(R1) 내지 상기 제3 연소(R3)에 의한 화염은 상기 제1 버너(100) 및 상기 제2 버너(200)와 직접적인 접촉이 이루어지지 않으며, 이에 따라 화염에 의한 상기 제1 버니 및 상기 제2 버너(200)의 손상을 방지할 수 있게 된다.

상기 냉각부(300)는 상기 제2 버너(200) 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 연소(R1) 내지 상기 제3 연소(R3)에 의해 발생되는 열에 의해 가열된 상기 제2 버너(200)를 냉각시키며, 수냉방식으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너에는 Pilot burner, Glow plug type의 점화 장치 및 High energy ignitor의 구성을 추가할 수 있다.

Glow type Ignitor 구성을 추가한 경우 별도의 냉각 보호장치를 설계, 설치하였으나 점화가 되지 않았고, Pilot Burner 구성을 추가한 경우 주위 압력이 2.0 bar 이상에서는 점화가 이루어지지 않았으나, 실제 기동버너의 점화가 상압에서 작동됨으로 적용이 가능하며, 자체 점화 및 기동 버너 모두 점화가 용이하게 이루어 졌으며, High energy ignitor 점화 장치의 경우, 상압 및 가압 하에서 모두 점화가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너의 최적화 실험 예을 설명하면 다음과 같다.

TEST-BED에서 가압 실험을 진행하기 전, TYPE-A, TYPE-B를 테스트 퍼니스에 설치하여 상압 조건하에서 연료 유량은 60~200 kg/hr 변경하면서 실험을 진행하였으며, 또한, HMI로 유량 제어 시 Type-A와 TYPE-B 모두 정상적으로 작동하는 것을 HMI 화면을 통해 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너의 용량 (연료 공급량)을 180 kg/hr 이상으로 세팅하고, 연료를 공급하여 점화 및 주 화염 형성을 실험확인 하였으며, 결과는 다음과 같다.

여기서, TYPE-A는 본 발명에 따른 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너이며, TYPE-B는 상용 제품을 축소제작한 것 이다.

이후 실험은 Test Bed로 버너 및 점화 장치를 이관하여 추가적으로 수행 진행하였다.

먼저, 실험에 따른 연료의 변동 유량은 60, 100, 150, 그리고 200 kg/hr 총 4 가지 조건으로 실험을 진행하였으며, 연료의 저유량~고유량 변경에 따라 TYPE-A는 TYPE-B와 비교 했을 때 화염길이의 큰 변화가 없었고, 저유량 약 100 kg/hr이하에서는 Type-B의 경우 화염형성 및 유지가 불안정한 상태를 확인했다..

전반적인 화염의 점화, 형성 및 유지는 Type-A가 상대적으로 우수하였으며, TYPE-A의 경우 연료의 분사가 1, 2차로 구분되어 일정 각을 가지고 분사되나, TYPE-B는 연료가 일직선으로 분사되는 구조를 가지고 있기 때문으로 판단된다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

100: 제1 버너
110: 연료노즐부
111: 제1 연료노즐
112: 제2 연료노즐
200: 제2 버너
210: 산소노즐부
211: 제1 산소노즐
212: 제2 산소노즐
300: 냉각부

Claims (1)

1. 연료 및 미립화매체를 2단 분사하는 제1 버너부;
   상기 제1 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 산소를 2단 분사하는 제2 버너부; 및
   상기 제2 버너부의 외주 측에 원주방향을 따라 배치되며, 내부 공간에 냉각수가 이동하는 냉각부;를 포함하고,
   상기 제1 버너부는,
   상기 제1 버너부의 길이방향과 평행하게 형성되며, 상기 미립화매체가 이동하는 미립화매체 이동관;
   상기 미립화매체 이동관과 이격되어 배치되되, 일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되고, 상기 연료가 이동하는 연료 이동관;
   일단이 상기 미립화매체 이동관과 연결되어 상기 미립화매체 이동관으로부터 공급된 상기 연료 및 상기 미립화매체가 이동하는 혼합매체 이동부; 및
   상기 혼합매체 이동부의 타단과 연결되어 상기 연료 및 상기 미립화매체를 분사하는 연료노즐부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료 미립화의 최적화 구조를 가지는 대용량 산소버너.

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