KR20190113899A - 가열 장치 및 가열 방법 - Google Patents

Abstract

높은 토출 속도에 있어서도 실화되지 않고 안정적으로 화염을 유지하는 것이 가능하여, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있는 가열 장치를 제공한다. 버너를 구비하는 가열 장치로서, 상기 버너가, 연료 가스를 토출하는 연료 가스 노즐과 연소용 공기를 토출하는 공기 노즐을 구비하는 주버너부와, 상기 주버너부보다 외측에 위치하고, 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스를 연소시키기 위한 파일럿 플레임 버너부를 구비하는, 가열 장치.

Description

가열 장치 및 가열 방법

본 발명은, 버너를 구비하는 가열 장치에 관한 것으로, 특히, 높은 토출 속도에 있어서도 실화 (失火) 되지 않고 안정적으로 화염을 유지하는 것이 가능하여, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있는 가열 장치에 관한 것이다. 또 본 발명은, 상기 가열 장치를 사용한 가열 방법에 관한 것이다.

물품의 가열 방법으로는, 열풍 가열, 적외선 가열, 전기 히터에 의한 가열, 유도 가열 등, 다양한 방법이 알려져 있지만, 그 중에서도 버너에 의한 가열은 다양한 용도에 있어서 매우 일반적으로 사용되고 있다.

도 8 은, 종래 사용되고 있는 예혼합 연소 버너의 일례를 나타내는 모식도이다. 예혼합 연소 버너 (100) 에서는, 가연성의 연료 가스 (101) 와 공기 (102) 가 예혼합 연소 버너 (100) 의 내부에서 미리 혼합되어 혼합 가스가 되고, 상기 혼합 가스는 예혼합 연소 버너 (100) 로부터 토출되어 연소됨으로써 화염 (103) 이 형성된다.

이와 같은 버너로 형성한 화염을 사용하여 직접 가열을 실시하는 경우, 화염으로부터 피가열물 표면으로의 전열량 Q 는 열 전달 계수 α 에 비례하고, 상기 열 전달 계수 α 는 화염의 토출 속도 V₀ 에 의존한다. 예를 들어, 원형의 개구를 갖는 버너를 사용하는 경우, 열 전달 계수 α 는 V₀ ^1/2 에 비례한다. 또, 복수의 노즐을 일직선 상에 나열하여 배치한 라인 버너의 경우, 열 전달 계수 α 는 V₀ ^0.58 에 비례한다. 따라서, 버너에 의한 가열 효율을 향상시키기 위해서는, 토출 속도를 높이는 것이 요구된다.

그러나, 토출 속도를 높이기 위해서 단순히 연료 가스나 공기의 유속을 올리면 화염이 불안정해지고, 더욱 유속을 올리면, 연소 속도와 가스 유속의 균형이 무너져, 화염이 하류로 날려져 꺼지는, 이른바 블로 오프가 발생한다. 그 때문에, 종래의 버너에서는 토출 속도를 크게 증가시킬 수 없고, 따라서 가열 효율의 향상에 한계가 있었다.

그래서, 화염을 안정시켜 블로 오프를 억제하는 방법으로서, 주 (主) 버너와, 상기 주버너에 있어서의 연소를 도와주는 파일럿 플레임 버너를 구비한 버너를 사용하는 방법이 제안되어 있다 (특허문헌 1).

일본 공개특허공보 2013-194991호

특허문헌 1 의 버너에 의하면, 화염을 안정화시키고, 화염 온도를 상승시킬 수 있다. 그러나, 상기 서술한 토출 속도 향상의 면에서는 특허문헌 1 에서 제안되어 있는 버너라도 충분하다고는 할 수 없어, 가열 효율의 향상을 위해서, 더욱 높은 토출 속도로 안정적으로 사용할 수 있는 버너를 구비한 가열 장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 토출 속도에 있어서도 실화되지 않고 안정적으로 화염을 유지하는 것이 가능하여, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있는 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 상기 가열 장치를 사용한 가열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 검토를 실시한 결과, 주버너부와 파일럿 플레임 버너부를 특정한 위치 관계로 형성한 버너를 사용함으로써, 예를 들어, 50 Nm/s 이상과 같은 매우 높은 토출 속도에서도 안정적으로 화염을 유지할 수 있는 것을 지견하였다. 본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지 구성은, 다음과 같다.

1. 버너를 구비하는 가열 장치로서,

상기 버너가,

연료 가스를 토출하는 연료 가스 노즐과 연소용 공기를 토출하는 공기 노즐을 구비하는 주버너부와,

상기 주버너부보다 외측에 위치하고, 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스를 연소시키기 위한 파일럿 플레임 버너부를 구비하는, 가열 장치.

2. 상기 주버너부가, 상기 연료 가스 노즐 및 상기 공기 노즐의 일방 또는 양방의 상류측에 균압실을 구비하는, 상기 1 에 기재된 가열 장치.

3. 상기 연료 가스 노즐 및 상기 공기 노즐이 직관 구조인, 상기 1 또는 2 에 기재된 가열 장치.

4. 상기 버너의 선단에, 바닥부와, 그 바닥부로부터 그 버너의 선단을 향해 점차 폭이 넓어지는 테이퍼부를 갖는 오목부가 형성되어 있고,

상기 주버너부가 상기 바닥부에 배치되어 있고,

상기 파일럿 플레임 버너부가 상기 테이퍼부에 배치되어 있는, 상기 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 가열 장치.

5. 상기 바닥부 및 상기 테이퍼부가 이루는 각도 θ 가 20°이상인, 상기 4 에 기재된 가열 장치.

6. 상기 파일럿 플레임 버너부가 면 (面) 연소 버너인, 상기 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 가열 장치.

7. 상기 파일럿 플레임 버너부가, 직경 d 의 관형 노즐 및 단변 방향의 폭 d 의 슬릿 노즐에서 선택되는 파일럿 플레임 노즐을 구비하고,

상기 파일럿 플레임 노즐의 선단이, 상기 테이퍼부의 표면으로부터 d 이상 15d 이하 들어간 위치에 형성되어 있는, 상기 4 또는 5 에 기재된 가열 장치.

8. 상기 주버너부에 있어서의 유량과 상기 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 유량을 독립적으로 조정 가능한 유량 조정 수단을 구비하는, 상기 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 가열 장치.

9. 상기 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 가열 장치를 사용하여 가열하는, 가열 방법.

10. 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스와 연소용 공기의 각각의 토출 속도가 50 Nm/s 이상인, 상기 9 에 기재된 가열 방법.

11. 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스의 유량 F1 과 상기 파일럿 플레임 버너부로부터 토출되는 파일럿 플레임용 연료 가스의 유량 F2 의 비, F1 : F2 를, 70 : 30 ∼ 85 : 15 로 하는, 청구항 9 또는 10 에 기재된 가열 방법.

본 발명에 의하면, 높은 토출 속도에 있어서도 실화되지 않고 안정적으로 화염을 유지하는 것이 가능해져, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 버너의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 주버너부의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 파일럿 플레임 버너부의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 파일럿 플레임 버너부의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 실시예 및 비교예의 각 버너에 있어서의 토출 속도를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 실시예 및 비교예의 각 버너에 있어서의 가열력을 나타내는 도면이다.
도 7 은, 비교예 1 과 실시예 1 의 버너에 있어서의 온도 분포의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 종래의 예혼합 연소 버너의 일례를 나타내는 모식도이다.

다음으로, 본 발명을 실시하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명은, 본 발명의 바람직한 실시양태를 나타내는 것으로, 본 발명은 이하의 설명에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 가열 장치는 버너를 구비하는 가열 장치로서, 상기 버너가 주버너부와 파일럿 플레임 버너부를 구비하고 있다. 상기 주버너부는, 연료 가스를 토출하는 연료 가스 노즐과 연소용 공기를 토출하는 공기 노즐을 구비하고 있고, 상기 주버너부로부터 토출된 연료 가스와 공기가 연소됨으로써, 피가열물을 가열하기 위한 화염을 형성한다. 또, 상기 파일럿 플레임 버너부는, 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스에 착화하기 위한 기능을 갖는 것이다.

여기서, 상기 파일럿 플레임 버너부가, 상기 주버너부보다 버너의 외측에 위치하는 것이 중요하다. 이와 같은 위치 관계로 함으로써, 다른 위치 관계로 한 경우와 비교하여 높은 토출 속도에 있어서도 안정적으로 화염을 유지할 수 있다. 상기 서술한 바와 같이, 화염으로부터 피가열물 표면으로의 전열량 Q 는 열 전달 계수 α 에 비례하고, 상기 열 전달 계수 α 는 화염의 토출 속도 V₀ 이 클수록 커진다. 따라서, 본 발명의 가열 장치에 의하면, 피가열물의 표면에 고속으로 화염을 충돌시킴으로써, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있다. 그리고 그 결과, 피가열물을 보다 고속으로, 보다 높은 온도까지 가열할 수 있다. 또, 본 발명의 가열 장치에 의하면, 동일한 가열 온도를 달성하기 위해서 필요한 연료 가스의 양을 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 가열 장치에서는 토출 속도를 높게 할 수 있기 때문에, 화염을 떨어진 위치까지 도달시킬 수 있다. 따라서, 피가열물로부터 떨어진 위치에 버너를 설치할 수 있어, 장치 설계의 자유도가 높다.

특히, 제철 (製鐵) 프로세스에 있어서는, 버너로부터 떨어진 위치에 있는 피가열물을 가열할 필요가 있는 경우가 많다. 그 때문에, 본 발명의 가열 장치는, 제철 프로세스용 가열 장치로서, 제철 재료의 가열에 매우 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 제철 프로세스용 가열 장치로는, 예를 들어, 소결광의 제조 등에 사용되는 소결기의 점화 장치를 들 수 있다. 또, 본 발명의 가열 장치를, 제철 프로세스용 가열 장치로서 사용할 때에는, 버너의 구조를, 직선상으로 나열된 복수의 노즐을 구비하는 라인 버너로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서술한 위치 관계로 함으로써 높은 토출 속도에 있어서도 화염을 안정적으로 유지할 수 있는 것은, 이하와 같은 이유 때문인 것으로 추측된다. 즉, 특허문헌 1 에서 제안되어 있는 바와 같이, 연료 가스 노즐과 연소용 공기 노즐이 파일럿 플레임 버너를 사이에 두도록 배치되고, 연료 가스의 토출 방향과 연소용 공기의 토출 방향이 교차하도록 배치되어 있는 경우, 와류 (渦流) 가 발생하여, 난류에 의한 운동 에너지 손실이 커지기 때문에 높은 유속을 유지할 수 없다. 이에 반해, 본 발명의 기술에서는, 상기 파일럿 플레임 버너부가 상기 주버너부보다 버너의 외측에 위치함으로써, 주류의 연료 가스와 연소용 공기의 난류를 억제하여, 높은 유속을 유지하는 것이 가능하다. 또, 주버너부로부터 토출되는 연료 가스와 연소용 공기의 토출 방향을 평행하게 하면, 난류를 한층 억제할 수 있어, 더욱 높은 유속을 유지할 수 있다.

또, 연료 가스 노즐이 중앙부에 있고, 그 외측에 파일럿 플레임 버너, 더욱 그 외측에 연소용 공기 노즐이 배치되어 있는 경우, 연료 가스는 양측의 파일럿 플레임을 향하여 토출시킬 필요가 있어, 연료 가스 노즐이 양측에 필요하게 된다. 그것에 의해, 노즐 개수가 증가되므로 토출 속도를 상승시키고자 하면 개개의 노즐의 직경이 작아지기 때문에, 토출 후의 가스 속도의 감쇠가 커져, 토출 후의 높은 유속의 유지가 불가능하다. 이에 반해, 본 발명의 기술에서는, 연료 가스를 양측으로 분할할 필요가 없기 때문에, 높은 유속을 유지할 수 있다.

[연료 가스]

상기 연료 가스로는 특별히 한정되지 않고, 가연성 가스이면 임의의 것을 사용할 수 있다. 상기 연료 가스로는, 예를 들어, 일반적으로는 천연 가스나 LPG (liquefied petroleum gas) 가 사용 가능하다. 상기 가열 장치를 제철소에 있어서 사용하는 경우에는, 제철소에서 부생되는 프로세스 가스를 상기 연료 가스로서 사용할 수도 있다. 상기 프로세스 가스로는, 코크스로 (爐) 가스를 함유하는 프로세스 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 코크스로 가스를 함유하는 프로세스 가스로는, 예를 들어, 코크스로 가스 자체 (즉, 코크스로 가스만으로 이루어지는 가스), 및 코크스로 가스와 고로 (高爐) 가스를 혼합한 가스인 M 가스가 바람직하게 사용된다.

다음으로, 도면에 기초하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 버너 (1) 의 모식도이고, 버너 (1) 의 단면에 있어서의 구조를 나타내고 있다. 버너 (1) 는, 버너 본체 (10) 와, 버너 본체 (10) 에 형성된 주버너부 (20) 및 파일럿 플레임 버너부 (30) 를 구비하고 있다. 상기 버너 (1) 의 선단 (화염이 형성되는 측) 에는, 오목부 (40) 가 형성되어 있고, 오목부 (40) 는, 바닥부 (41) 와, 바닥부 (41) 로부터 버너 (1) 의 선단을 향해 점차 폭이 넓어지는 테이퍼부 (42) 를 갖고 있다.

[주버너부]

도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 주버너부 (20) 의 구조를 나타내는 모식도이다. 주버너부 (20) 는, 연료 가스를 토출하는 연료 가스 노즐 (21) 과, 연소용 공기를 토출하는 공기 노즐 (22) 을 구비하고 있다. 연료 가스 노즐 (21) 은, 바닥부 (41) 의 중앙에 1 개 형성되어 있다. 공기 노즐 (22) 은, 연료 가스 노즐 (21) 을 사이에 두도록 좌우 대칭으로 2 개 형성되어 있다. 또한, 도 2 에 나타낸 예에서는 1 개의 버너의 단면을 나타내고 있지만, 폭이 넓은 물품을 가열하는 경우에는 복수의 버너를 지면 수직 방향으로 배열하여 라인 버너로 하는 것이 바람직하다.

연료 가스는 화살표 G 로 나타낸 바와 같이 공급되고, 연료 가스 노즐 (21) 로부터 토출된다. 또, 연소용 공기는 화살표 A 로 나타낸 바와 같이 공급되고, 공기 노즐 (22) 로부터 토출된다. 연료 가스는, 토출된 시점에서는 착화되어 있지 않지만, 도 1 에서 나타내는 바와 같이 파일럿 플레임 버너부 (30) 에 의해 형성되는 파일럿 플레임 (50) 에 의해 착화되어, 화염 (60) 을 형성한다.

연료 가스 노즐 (21) 및 공기 노즐 (22) 의 형상은 특별히 한정되지 않고, 임의의 형상으로 할 수 있다. 그러나, 도 2 에 나타내는 바와 같이 노즐 선단 부의 콘상 구조를 갖지 않는 직관 구조로 하는 것이 바람직하다. 직관 구조의 노즐을 사용하면, 토출 속도를 더욱 향상시켜, 피가열면에서의 열 전달 계수를 보다 크게 할 수 있기 때문에, 그 결과, 가열 효율을 한층 향상시킬 수 있다. 이것은, 직관 구조의 노즐에서는, 선회류를 형성하는 노즐을 사용한 경우에 비해 와류 형성에 의한 에너지 손실이 적어, 토출 후의 가스 속도의 감쇠가 억제되기 때문이다.

연료 가스 노즐 (21) 및 공기 노즐 (22) 의 직경 (이하, 노즐 직경이라고 한다) 은, 버너의 가열 효율을 올리기 위해, 상용 사용 유량역에서의 토출 유속이 50 ∼ 80 Nm/s 가 되도록 결정하는 것이 바람직하다. 또, 최대 연소시의 토출 유속은 150 Nm/s 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 토출 속도의 정의에 대해서는 후술한다.

연료 가스 노즐 (21) 및 공기 노즐 (22) 의 구체적인 직경은 한정되지 않지만, 상기 직경이 3 ㎜ 이상이면, 노즐로부터 토출된 후의 가스 속도의 감쇠를 더욱 억제할 수 있다. 그 때문에, 상기 직경은 3 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 5 ㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 직경의 조건도 특별히 한정되지 않지만, 상기 직경이 30 ㎜ 이하이면, 버너의 열 부하를 보다 바람직한 범위로 유지하여, 버너의 수명을 연장할 수 있다. 또, 직경이 30 ㎜ 이하인 것과 같은 작은 직경의 노즐을 다수 형성함으로써, 큰 직경의 노즐을 소수 형성하는 것보다 더욱 균일하게 가열을 실시할 수 있다. 그 때문에, 상기 직경은 30 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 가스 노즐 (21) 의 직경과 공기 노즐 (22) 의 직경은, 동일해도 되고, 상이해도 된다.

또한, 연료 가스 노즐 (21) 과 공기 노즐 (22) 의 간격 (노즐 피치) L₁ 은, 연료 가스 노즐 (21) 의 직경을 d_NG, 및 공기 노즐 (22) 의 직경을 d_NA 로 할 때, 2d_NG ≤ L₁ ≤ 15d_NA 를 만족시키는 것이 바람직하다. 또, 복수의 버너를 배열하여 라인 버너로 하는 경우, 각 버너의 연료 가스 노즐의 간격 (노즐 피치) L₂ 는, 2d_NG ≤ L₂ ≤ 15d_NA 를 만족시키는 것이 바람직하다. 상기 조건을 만족시키면, 연소 안정성이 한층 향상되어, 가스 속도의 감쇠를 더욱 억제할 수 있다.

[균압실]

주버너부 (20) 에는, 연료 가스 노즐 (21) 및 공기 노즐 (22) 각각의 상류측에 균압실 (23) 이 형성되어 있고, 균압실 (23) 의 노즐과 반대측 (상류측) 에는 연료 가스 또는 공기가 통과하기 위한 구멍이 형성된 유공판 (有孔板) (24) 이 설치되어 있다. 이와 같이 균압실 (23) 을 형성하면 가스를 보다 균일하게 토출할 수 있기 때문에, 화염을 더욱 안정화시키고, 토출 속도를 더욱 올리는 것이 가능해진다. 또한, 연료 가스 노즐 (21) 및 공기 노즐 (22) 의 어느 일방의 상류측에만 균압실 (23) 을 형성할 수도 있지만, 도 2 에 나타낸 바와 같이 양방에 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 균압실이란, 가스의 공급압의 변동에 의한 영향을 완화시키기 위해서, 노즐의 상류측에 형성되는 구조이다. 상기 균압실은, 도 2 에 예시한 바와 같이, 노즐의 상류측에 설치된, 1 또는 2 개 이상의 개구를 구비하는 판 (칸막이판) 과, 상기 칸막이판과 상기 노즐 사이의 공간을 구비한다. 그리고, 상기 칸막이판의 상류측과 상기 공간은, 상기 칸막이판의 개구만으로 연결되어 있다. 상기 칸막이판에 형성된 개구의 합계 면적은, 상기 공간의, 상기 노즐의 토출 방향과 수직인 면에 있어서의 단면적보다 작다. 또한, 상기 노즐의 개구의 합계 면적도, 상기 공간의, 상기 노즐의 토출 방향과 수직인 면에 있어서의 단면적보다 작다.

[파일럿 플레임 버너부]

상기 서술한 바와 같이, 파일럿 플레임 버너부는, 주버너부로부터 토출되는 연료 가스에 착화하여, 그 연료 가스를 연소시키는 기능을 갖고 있다. 주버너부로부터 토출되는 연료 가스의 착화는, 파일럿 플레임 버너부에 의해 형성되는 불꽃 (파일럿 플레임) 에 의해 실시된다. 따라서, 파일럿 플레임 버너부는, 통상, 파일럿 플레임을 형성하기 위한, 파일럿 플레임용 연료 가스 출구와 파일럿 플레임용 공기 출구를 구비하고 있다. 상기 파일럿 플레임용 공기를 사용하여 상기 파일럿 플레임용 연료 가스를 연소시킴으로써 파일럿 플레임이 형성된다. 또한, 이하의 설명에 있어서,「파일럿 플레임용 연료 가스」를 간단히「연료 가스」,「파일럿 플레임용 공기」를 간단히「공기」라고 부르는 경우가 있다.

본 발명의 가열 장치는, 상기 서술한 바와 같이 주버너부보다 외측에, 그 주버너부로부터 토출되는 연료 가스를 연소시키기 위한 파일럿 플레임 버너부를 구비하고 있기 때문에, 주버너로부터의 연료 가스의 토출 속도가 높은 조건에 있어서도 화염을 안정적으로 유지할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 버너에서는, 주버너의 전방측에 화염을 안정적으로 유지하기 위한 연소실 구조, 즉 주버너와 파일럿 플레임 버너를 둘러싸도록 버너의 전방을 향해 돌출된 구조를 갖지 않아도 된다는 이점도 갖는다.

또, 본 발명의 가열 장치에서는, 주버너의 화염은, 주버너로부터의 가스 토출 방향의 전방의 공간부에 유지된다. 공지된 기술에서는, 주버너의 전방측에 화염을 안정적으로 유지하기 위한 연소실 구조나 내화물로 구성되는 콘 형상의 구조물을 형성하고, 그 내부에서 화염을 유지하거나 그 표면에 접촉하는 화염을 유지하거나 하는 것이 실시되지만, 본 발명에서는 그러한 구조를 형성하지 않아도 파일럿 플레임 버너의 화염으로 주버너의 화염을 공간부에 유지함으로써, 주버너의 고속의 화염을 유지할 수 있다. 이와 같은 화염을 유지하기 위해서는, 주버너부의 가스의 토출 방향과 파일럿 플레임 버너부의 가스 토출 방향의 교점이, 버너의 가스 토출 방향 전방의 공간부 또는, 버너의 오목부의 밖 (버너의 외부) 에 위치하는 것이 바람직하다.

도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 파일럿 플레임 버너부 (30) 의 구조를 나타내는 모식도이다. 이 예에 있어서 파일럿 플레임 버너부 (30) 는, 면 연소 버너로 구성되어 있다. 면 연소 버너의 선단에는 다공질판 (31) 이 형성되어 있고, 다공질판 (31) 에, 파일럿 플레임용 연료 가스와 파일럿 플레임용 공기가, 각각 화살표 G 및 화살표 A 로 나타내는 바와 같이 공급된다.

본 발명의 가열 장치에서는, 주버너부 (20) 로부터 연료 가스와 공기가 고속으로 토출되기 때문에, 그 기류에 수반되는 수반류가 버너 (1) 의 선단 부근, 특히 오목부 (40) 의 내부에 형성된다. 예를 들어, 주버너부로부터 토출되는 가스의 유속이 50 m/s 인 경우, 수반류의 유속도 20 ∼ 30 m/s 로 고속이 되기 때문에, 파일럿 플레임 버너부 (30) 에 의해 형성되는 파일럿 플레임 (50) 이 불안정해질 우려가 있다. 그러나, 면 연소 버너에서는 착화 포인트가 다공질판의 표면 또는 내부에 존재하기 때문에, 수반류의 영향을 받지 않고 안정적으로 파일럿 플레임을 유지할 수 있다.

다공질판 (31) 으로는, 특별히 한정되지 않고 임의의 다공체로 이루어지는 판상 부재를 사용할 수 있다. 상기 다공체는, 예를 들어, 금속, 합금, 및 세라믹으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 개 이상의 재료로 구성할 수 있다. 다공질판 (31) 으로는, 예를 들어, 금속 메시 (금속 섬유를 적층한 것) 를 사용할 수 있다. 상기 다공질판 (31) 의 표면은, 테이퍼부 (42) 의 표면과 동일 면 상에 배치하는 것이 바람직하다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 주버너부 (20) 로부터 토출되는 연료 가스와 공기는, 파일럿 플레임 (50) 에 의해 착화된다. 따라서, 확실하게 착화된다는 관점에서는, 주버너부 (20) 와 파일럿 플레임 버너부 (30) 가, 주버너부 (20) 의 토출축 (토출 방향) 과 파일럿 플레임 버너부 (30) 의 토출축 (토출 방향) 이 그 연장선 상에서 교차하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 오목부 (40) 를 구성하는 바닥부 (41) 와 테이퍼부 (42) 가 이루는 각도 θ 를 20°이상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 θ 가 20°미만이면, 파일럿 플레임 버너부의 화염이 주버너부로부터 토출되는 가스류에 도달하기 어려워지기 때문에, 실화가 발생하기 쉬워진다. 상기 θ 는, 30°이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 θ 의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 통상적으로는 80°이하로 하는 것이 바람직하고, 60°이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

주버너부와 파일럿 플레임 버너부의 거리는, 파일럿 플레임 버너부의 화염 (파일럿 플레임 (50)) 이 주버너부로부터의 토출류에 도달하도록 결정한다. 파일럿 플레임 버너부의 화염 유효 길이를 F 로 할 때, 파일럿 플레임 버너부의 화염이 바닥부 (41) 의 면에 평행한 방향으로 도달하는 거리는 F·sinθ 가 되므로, 주버너부의 단 (端) 의 위치와 파일럿 플레임 버너부의 중심 위치의 거리가, 바닥부 (41) 의 면에 평행한 방향으로 F·sinθ 이하가 되도록 주버너부와 파일럿 플레임 버너부의 거리를 결정하면 된다. 구체적으로는, 파일럿 플레임 버너부의 유효 화염 길이가 100 ㎜ 이고, 주버너의 폭 (주버너부의 최외 노즐 간 거리) 이 50 ㎜, θ ＝ 30°인 경우, 주버너부 중심과 파일럿 플레임 버너부 중심의 거리는 75 ㎜ 이하로 하면 된다. θ 의 바람직한 범위를 고려하면, 주버너부 중심과 파일럿 플레임 버너부 중심의 거리는 60 ∼ 110 ㎜ 로 하는 것이 바람직하다. 유효 화염 길이는, 화염 온도의 측정 결과에 기초하여, 가스의 착화 온도 이상이 되는 영역의, 연소면 또는 테이퍼면으로부터의 길이로서 결정할 수 있다.

도 4 는, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 파일럿 플레임 버너부의 구조의 예를 나타내는 모식도이다. 이 실시형태에서는, 파일럿 플레임 버너부 (30) 가 직경 d 인 관형 노즐을 파일럿 플레임 노즐 (32) 로서 구비하고 있다. 파일럿 플레임 노즐 (32) 은, 동축에서 형성된 외관과 내관을 구비하고 있고, 상기 내관에는 화살표 G 로 나타낸 바와 같이 파일럿 플레임용 연료 가스가 공급되고, 상기 파일럿 플레임용 연료 가스는 상기 내관의 선단으로부터 토출된다. 한편, 상기 외관에는 화살표 A 로 나타낸 바와 같이 파일럿 플레임용 공기가 공급되고, 상기 파일럿 플레임용 공기는 상기 외관 선단으로부터 토출된다.

파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단은, 도 4 에 나타낸 바와 같이 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 d 이상 들어간 위치에 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단까지의 거리가 d 이상이다. 파일럿 플레임 노즐 (32) 로부터 토출되는 파일럿 플레임용 연료 가스는 공간 (33) 내에서 착화되고, 그 화염 (파일럿 플레임) 은 테이퍼부 (42) 의 표면을 넘어 외부로 번지도록 형성된다. 이와 같이 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단을 버너 본체 (10) 의 내부를 향해 들어간 위치로 함으로써, 면 연소 버너를 사용하지 않고서도, 상기 서술한 수반류의 영향을 억제하여 파일럿 플레임을 안정적으로 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 파일럿 플레임 버너부 (30) 가, 단변 방향의 폭 d 의 슬릿 노즐을 파일럿 플레임 노즐 (32) 로서 구비하는 경우에도, 동일하게 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단을 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 d 이상 들어간 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 수반류의 영향을 억제한다는 관점에서는, 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단까지의 거리를 2d 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단이 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 15d 이상 들어간 위치에 설치되어 있으면, 화염 온도가 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 테이퍼부 (42) 의 표면으로부터 파일럿 플레임 노즐 (32) 의 선단까지의 거리는, 15d 이하로 하는 것이 바람직하고, 4d 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[토출 속도]

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 가열 장치에 의하면, 높은 토출 속도에 있어서도 실화되지 않고 안정적으로 화염을 유지하는 것이 가능하여, 매우 높은 효율로 가열을 실시할 수 있다. 또한, 사용시의 토출 속도는 특별히 한정되지 않고, 화염을 유지할 수 있는 범위 내이면 임의의 속도로 할 수 있지만, 가열 효율의 관점에서는, 주버너부로부터 토출되는 연료 가스와 공기의 각각의 토출 속도를 50 Nm/s 이상으로 하는 것이 바람직하고, 60 Nm/s 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 65 Nm/s 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 매우 높은 토출 속도는 종래의 버너에서는 실현할 수 없었던 것이다.

또한, 여기서 토출 속도란, 주버너부의 연료 가스 노즐 및 공기 노즐의 직관부에 있어서의 가스 유속이고, 토출 속도 ＝ 단일 노즐의 단위 시간당 가스 유량/노즐 단면적에 의해 구해진다. 직관부를 갖지 않는 노즐에서는, 노즐 출구부의 단면적을 노즐 단면적으로서 생각한다 또, 다수 노즐 또는 다수 구멍으로 이루어지는 버너이고, 도 8 에 예시한 바와 같이 노즐의 전방에 원추상의 콘부가 있는 경우에는, 상기 콘부의 출구에 있어서의 단면적으로, 버너로부터 토출되는 연료 가스와 공기의 합의 합계 유량을 나눔으로써, 버너의 토출 속도를 구할 수 있다.

연료 가스의 토출 속도와 연소용 공기의 토출 속도는, 거의 동등하게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 연소용 공기의 토출 속도에 대한 연료 가스의 토출 속도의 비 (토출 유속비) 를 0.8 ∼ 1.2 로 하는 것이 바람직하다. 또한, 원추형의 콘을 갖는 버너에 있어서도, 콘 바로 앞의 노즐 구멍부에 있어서의 상기 토출 유속비를 0.8 ∼ 1.2 로 하는 것이 바람직하다.

[연료 가스 유량비]

주버너부에 있어서의 연료 가스 유량과 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 연료 가스 유량의 비율 (이하,「연료 가스 유량비」라고도 한다) 은, 화염의 안정성 및 가열 능력에 크게 영향을 미친다. 그 때문에, 가열 장치는, 주버너부에 있어서의 연료 가스 유량과 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 연료 가스 유량을 각각 독립적으로 조정 가능한 유량 조정 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 또, 연소용 공기량은, 연료 가스 유량에, 연료 가스의 이론 공기량과 공기비를 곱하여 결정할 수 있다. 가열 장치는, 주버너부에 있어서의 연소용 공기의 유량과 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 연소용 공기의 유량을, 각각 독립적으로 조정 가능한 유량 조정 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 유량 조정 수단으로는, 유량 조정 밸브 등을 사용할 수 있다.

주버너부에 있어서의 연료 가스 유량과 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 연료 가스 유량의 합계를 100 ％ 로 했을 때, 파일럿 플레임 버너부 연료 가스 유량이 15 ％ 미만이면, 수반류에 의한 화염 온도의 저하가 현저해져, 주버너의 실화가 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 파일럿 플레임 버너부의 연료 가스 유량을 15 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스의 유량 F1 과 상기 파일럿 플레임 버너부로부터 토출되는 파일럿 플레임용 연료 가스의 유량 F2 의 비, F1 : F2 를 85 : 15 이하 (F1/F2 ≤ 85/15) 로 하는 것이 바람직하다. 한편, 파일럿 플레임 버너부의 연료 가스 유량이 지나치게 많으면, 화염은 안정되지만, 주버너부의 화염이 작아지기 때문에 가열 능력이 저하된다. 그 때문에, 파일럿 플레임 버너부의 연료 가스 유량을 30 ％ 이하, 바꾸어 말하면, F1 : F2 를 70 : 30 이상 (F1/F2 ≥ 70/30) 으로 하는 것이 바람직하다.

실시예

버너 구조가 화염의 안정성에 주는 영향을 확인하기 위해, 이하의 3 종의 버너를 사용하여, 블로 오프가 일어나지 않고 화염을 유지할 수 있는 한계 토출 속도를 평가하였다.

(비교예 1) 도 8 에 나타낸 종래의 일반적인 예혼합 연소 버너

(비교예 2) 특허문헌 1 의 도 1 에 나타낸 버너

(실시예 1) 도 1 ∼ 3 에 나타낸 구조의 버너

상기 실시예 및 비교예에 있어서는, 도 1, 8 등에 나타낸 단면에 수직인 방향에 있어서의 버너의 폭을 1 m 로 하였다. 표 1 에, 노즐의 치수와 토출부 단면적을 나타낸다. 또, 비교예 2 및 실시예 1 에 있어서의 주버너부에 있어서의 연료 가스의 유량과 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 연료 가스의 유량의 비 (연료 가스 유량비) 를 표 1 에 합하여 나타내었다.

비교예 1 에서는, 도 8 에 나타낸 단면 형상을 갖고, 노즐 폭 10 ㎜, 길이 1 m 의 슬릿상 노즐을 사용하였다. 비교예 2 에서는, 특허문헌 1 의 도 1 에 기재된 노즐을 버너 폭 방향 1 m 사이에 직선상으로 60 세트 설치한 것을 사용하였다. 특허문헌 1 에 기재된 버너는, 버너 1 개당 2 개의 연료 가스 노즐을 구비하고 있기 때문에, 연료 가스 노즐의 개수는 120 개가 된다. 실시예 1 에서는, 본 발명의 도 1 및 도 2 의 노즐을 버너 폭 방향 1 m 사이에 직선상으로 50 세트, 즉, 연료 가스 노즐을 50 개 설치한 것을 사용하였다. 또한, 비교예 2 의 버너에서 50 세트의 노즐을 배치한 경우에는 화염이 불안정했기 때문에, 노즐은 60 세트 설치하여 화염의 안정화를 도모하였다.

실험은, 연소 공간의 치수가 1.4 m × 1.4 m × 0.4 m 인 실험용 연소로에서 실시하였다. 연료 가스와 연소용 공기의 유량비가 일정해지도록 양자의 유량을 증가시키고, 화염의 블로 오프가 일어나지 않고 화염을 유지할 수 있는 한계 토출 유속을 측정하였다.

여기서, 상기 연료 가스로는, 제철소 내의 부생 가스인 M 가스 (코크스로 가스와 고로 가스의 혼합 가스) 를 사용하였다. 상기 M 가스의 주성분은, H₂ : 26.5 ％, CO : 17.6 ％, CH₄ : 9.1 ％, N₂ : 30.9 ％ 였다.

측정 결과를 도 5 에 나타낸다. 비교예 1 에서는, 노즐 직관부에 있어서의 유속 (토출 속도) 이 30 Nm/s 를 초과하면, 화염을 유지할 수 없어 블로 오프가 발생하였다. 또한, 상기 직관부의 유속을 콘부의 선단에 있어서의 유속으로 환산하면, 3 Nm/s 이다. 비교예 2 에서는, 노즐 직관부에 있어서의 유속 (토출 속도) 이 40 Nm/s 를 초과하면, 화염을 유지할 수 없어 블로 오프가 발생하였다. 한편, 실시예 1 에서는, 토출 속도가 40 Nm/s 를 초과하는 조건이라도 화염은 안정되어 있었다. 토출 속도가 100 Nm/s 를 초과하면 화염이 불안정해지고, 120 Nm/s 에서 블로 오프가 발생하였다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 가열 장치에서는 종래의 버너에 비해 대폭 높은 토출 유속에 있어서도 안정 연소가 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 실제로 공업용 등에서 본 발명의 버너를 사용할 때에는, 블로 오프 한계 유속 근방에서의 사용은 공급계의 조업 변동 등에 의해 블로 오프 리스크가 높아질 가능성이 있기 때문에, 블로 오프 한계 유속보다 유속을 작게 하여 사용하는 것이 바람직하다. 도 5 에는, 실제의 상용 사용 유속의 일례도 기재하였다.

또, 전술한 측정과 동시에, 피가열물을 모의한 수랭 칠러를 버너에 대면시키도록 0.4 m 떨어진 위치에 설치하고, 물의 상승 온도로부터 버너의 가열력을 평가하였다. 연료 가스 유량 및 공기비를 동일하게 했을 때의, 각 실시예, 비교예에 있어서의 버너의 가열력을 도 6 에 나타낸다. 실시예 1 에서는, 비교예 1 및 비교예 2 에 비해 가열력이 대폭 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 전술한 측정과 동시에, 비교예 1 및 실시예 1 에 있어서의 화염 온도의 분포를, 열전쌍을 사용하여 측정하고, 이것에 기초하여 버너 단면 방향의 등온선을 작성하였다. 결과를 도 7 에 나타낸다. 양자는 동일한 연료 가스 유량 및 공기비로 측정한 것이다. 비교예 1 에서는, 버너 전방의 콘 내부에서 연소되어, 피가열물에 도달하기 전에 많은 연료 가스의 연소가 완료되었다. 한편, 실시예 1 에서는, 주버너로부터 토출된 연료 가스는, 버너와 피가열물의 중간 부근에 있어서 파일럿 플레임 버너의 화염에 의해 착화되어 연소를 개시하고 있고, 피가열물의 근방에서 많은 연료 가스가 연소되고 있다. 그 결과, 실시예 1 의 버너에서는 화염이 고속으로 피가열물에 충돌하여 보다 많은 에너지를 피가열면으로 주고 받기 때문에, 피가열물 근방의 가스 온도는 거의 동등하게 보이고 있어도, 도 7 에 나타낸 바와 같이 가열력의 대폭적인 향상이 확인된 것으로 생각된다.

1 : 버너
10 : 버너 본체
20 : 주버너부
21 : 연료 가스 노즐
22 : 공기 노즐
23 : 균압실
30 : 파일럿 플레임 버너부
31 : 다공질판
33 : 공간
40 : 오목부
41 : 바닥부
42 : 테이퍼부
50 : 파일럿 플레임
60 : 화염

Claims (11)

1. 버너를 구비하는 가열 장치로서,
   상기 버너가,
   연료 가스를 토출하는 연료 가스 노즐과 연소용 공기를 토출하는 공기 노즐을 구비하는 주버너부와,
   상기 주버너부보다 외측에 위치하고, 상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스를 연소시키기 위한 파일럿 플레임 버너부를 구비하는, 가열 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주버너부가, 상기 연료 가스 노즐 및 상기 공기 노즐의 일방 또는 양방의 상류측에 균압실을 구비하는, 가열 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 연료 가스 노즐 및 상기 공기 노즐이 직관 구조인, 가열 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너의 선단에, 바닥부와, 그 바닥부로부터 그 버너의 선단을 향해 점차 폭이 넓어지는 테이퍼부를 갖는 오목부가 형성되어 있고,
   상기 주버너부가 상기 바닥부에 배치되어 있고,
   상기 파일럿 플레임 버너부가 상기 테이퍼부에 배치되어 있는, 가열 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 바닥부 및 상기 테이퍼부가 이루는 각도 θ 가 20°이상인, 가열 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파일럿 플레임 버너부가 면 연소 버너인, 가열 장치.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 파일럿 플레임 버너부가, 직경 d 의 관형 노즐 및 단변 방향의 폭 d 의 슬릿 노즐에서 선택되는 파일럿 플레임 노즐을 구비하고,
   상기 파일럿 플레임 노즐의 선단이, 상기 테이퍼부의 표면으로부터 d 이상 15d 이하 들어간 위치에 형성되어 있는, 가열 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주버너부에 있어서의 유량과 상기 파일럿 플레임 버너부에 있어서의 유량을 독립적으로 조정 가능한 유량 조정 수단을 구비하는, 가열 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 가열 장치를 사용하여 가열하는, 가열 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스와 연소용 공기의 각각의 토출 속도가 50 Nm/s 이상인, 가열 방법.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 주버너부로부터 토출되는 연료 가스의 유량 F1 과 상기 파일럿 플레임 버너부로부터 토출되는 파일럿 플레임용 연료 가스의 유량 F2 의 비, F1 : F2 를, 70 : 30 ∼ 85 : 15 로 하는, 가열 방법.

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