KR20200129447A - 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너 - Google Patents

타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너 Download PDF

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KR20200129447A
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Abstract

본 발명은 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너에 관한 것으로서, 1차 튜브가 연소실의 내부로 돌출되게 설치되고, 1차 연료 공급관이 1차 튜브의 내부에 배치되며, 타공판형 연소헤드가 1차 연료 공급관의 선단에 1차 튜브의 끝단과 간격을 가지게 배치되고, 2차 튜브가 1차 튜브를 둘러싸게 배치되며, 2차 연료 분사체가 2차 튜브를 둘러싸게 복수개가 배치되고, 거리 조정구가 타공판형 연소헤드를 축방향으로 이동시켜 1차 튜브의 끝단과의 이격거리을 조정하는 구조이다.
본 발명에 의하면, 연소헤드의 수리 교체와 조정을 용이하게 하고, 연소실의 체적이 상대적으로 작고 화염온도 감소가 늦게 이루어져 녹스감소에 어려운 연소실 구조를 가지는 연관식 보일러에 적용되면서도, 녹스의 생성을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있다.

Description

타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너{Low NOx Burner Having Combustion Head of Perforated Plate Type}
본 발명은 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너에 관한 것으로서, 연소헤드의 수리 교체와 조정을 용이하게 하고, 질소산화물(NOx)(이하, '녹스'라 한다)의 생성을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 연관식 보일러의 버너로 적합한 타공판형 디퓨저를 가지는 저녹스 버너에 관한 것이다.
녹스는 화석 연료가 연소할 때 발생하는 일산화질소와 이산화질소와 같은 질소와 산소의 화합물이다.
녹스는 발생 메커니즘에 따라 퓨얼 녹스(fuel NOx), 써멀 녹스 및 프롬프트 녹스(prompt NOx)로 분류된다. 퓨얼 녹스는 연료에 포함된 질소가 연소과정에서 산화됨으로써 생성된다. 써멀 녹스는 연소과정에서 연소용 공기에 포함된 질소가 1300℃ 이상의 고온에서 유리된 후 산화됨으로써 생성된다. 프롬프트 녹스는 고 농도 상태의 연료가 연소용 공기와 혼합되기 전에 1000℃ 이상의 고온에 노출됨으로써 생성된다.
이러한 녹스는 탄화수소와 함께 태양광에 의해 발생하는 광화학적 스모그의 발생원인이 된다. 그리고 녹스는1~3ppm만 존재해도 취기를 맡을 수 있고, 호흡기 질환에 대한 면역력을 감소시키고, 혈중 헤모글로빈과 반응하여 메트헤모글로빈 (methemoglobin)을 형성시킴으로써 산소전달을 방해한다. 그리고 이산화질소는 적갈색, 자극성 기체로서 일산화질소보다 독성이 강하여 급성 폐수종, 폐쇄성 기관지염, 폐렴 등을 일으킨다. 이에 따라, 녹스를 저감시키기 위한 녹스 저감기술들이 연구 및 개발되어 왔다.
저녹스 버너는 연료와 산소가 결합하는 연소기 형태를 녹스의 생성을 억제할 수 있게 개량한 것으로서, 녹스의 발생을 점감시킴으로써 녹스의 배출농도를 감소시키는 방향으로 연구 및 개발되고 있다.
한편, 버너가 적용되는 보일러는 수관식 보일러와 연관식 보일러로 나누어진다.
수관식 보일러는 증기 드럼과 물 드럼을 순환하는 물을 가열하여 고압의 스팀을 발생시키는 보일러로서, 연소실 면적이 넓고 길이가 짧으며 연소실 특성에 따라 크고 짧은 화염이 필요하며, 연소실 체적이 큰 구조로 열전달이 많이 이루어짐으로써 녹스 저감에 좋은 연소실 구조를 가진다.
도 1에 도시한 바와 같이, 수관식 보일러에 적용되는 수관식 버너(1)는 연소실(FR)의 전방에 형성된 개구부의 중앙에 배치되는 1차 연료 분사체(10)와, 1차 연료 분사체(10)를 둘러싸는 동시에 개구부 내측에 밀착되게 배치되는 2차 연료 분사체(20)와, 1차 연료 분사체(10)의 선단에 배치되는 스월러(30)와, 1차 연료 분사체(10)와 스월러(30)를 둘러싸도록 배치되는 1차 튜브(40)와, 1차 튜브(40)와 2차 연료 분사체(20) 사이에 배치되는 2차 튜브(51)와 재순환 튜브(52)를 가지는 2중파이프 타입의 재순환 유도부(50)를 포함한다.
이러한 수관식 버너(1)는 연소실이 넓은 수관식 보일러에서, 2차 연료 분사체(20)의 배치 직경(D)를 크게 함으로써 외측 화염간의 거리를 극대화하고, 1차 연료 분사체(10)를 통해 분출되어 발생하는 중심 화염은 스월러(30)를 통해 화염이 짧고 넓게 퍼지는 화염으로 형성되게 하며, 또한 스월러(30)에 도달하기 전에 일부의 1차 연료가스를 역방향으로 분출시켜 공기와 같이 선회하게 함으로써 부분적 예혼합(partial premix) 화염을 형성시켜 녹스 발생량을 줄이는 구조이다.
이러한 부분적 예혼합 화염은 화염의 길이가 짧아지는 점이 작용하여 1차측 연료 가스량이 전체 연료 가스량의 약 20% 이하로 운전시에는 연소불안정성이 높아지는 문제점이 있다.
중국공개특허 CN107690557A(공개일: 2018.02.13.)
본 발명의 목적은 연관식 보일러의 버너로 적합하게 구조를 변경하고 타공판형 연소헤드를 적용하여, 연소헤드의 수리 교체와 조정을 용이하게 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소실의 체적이 상대적으로 작고 화염온도 감소가 늦게 이루어져 녹스감소에 어려운 연소실 구조를 가지는 연관식 보일러에 적용되면서도, 녹스의 생성을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 안정화된 중심 화염에 의해 1차측 가스 연료량이 전체 가스량의 약 10% 이하의 운전시에도 버너의 연소 안정성이 확보되게 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 2차 연료 분사체의 배치 직경을 줄이고 재순환 연소가스의 유입량을 증가시켜 녹스를 저감시키는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너는 연소실의 내부로 돌출되게 설치되어 연소실 내부로 공기를 안내하는 1차 튜브와, 1차 튜브의 내부에 배치되어 1차로 연료를 공급하는 1차 연료 공급관과, 1차 연료 공급관의 선단에 1차 튜브의 끝단과 간격을 가지게 배치되어 1차 튜브에 의해 안내되는 공기를 확산하는 한편 1차 연료 공급관을 통해 1차로 공급되는 연료를 방사상으로 분출시키는 타공판형 연소헤드와, 1차 튜브를 둘러싸게 배치되어 연소실의 미연소 가스를 1차 튜브 사이로 유도하여 연소실 내부로 분출시키도록 안내하는 2차 튜브와, 2차 튜브를 둘러싸게 복수개가 배치되어 2차로 연료가 분사되는 2차 연료 분사체와, 타공판형 연소헤드를 축방향으로 이동시켜 1차 튜브의 끝단과의 이격거리를 조정하는 거리 조정구를 포함한다.
거리 조정구는 1차 연료 공급관의 외면에 고정된 플랜지와, 플랜지에 연결된 연결로드와, 연결로드에 결합되어 1차 연료 공급관을 이동시켜 위치를 조절하는 조절봉을 포함한다.
1차 튜브는, 연소실 벽에 고정되어 1차 튜브의 내부 및 외부로 공기를 유도하여 안내하는 공기 유도관의 내부에 연결된다.
공기 유도관의 전방에는 1차 튜브의 외면을 향하여 기울어진 경사부가 형성되고, 경사부와 2차 튜브 사이에는 연소실의 연소가스가 순환하여 연소실 내로 재공급되는 연소가스 순환 간격이 형성된다.
1차 튜브와 2차 튜브 사이에는 센터를 맞추며 지지되는 복수의 제1지지리브가 구비되고, 공기 유도관 경사부에는 2차 튜브측으로 돌출하여 2차 튜브의 외면을 지지하는 복수의 제2지지 리브가 구비된다.
1차 튜브의 선단부에는 타공판형 연소헤드를 향하여 소정 각도로 경사진 단면을 가진 축경부가 형성된다.
2차 튜브는 원통부의 연소실 측 단부에 공기가 연소실의 외측으로 퍼지도록 확관부가 형성되고, 확관부의 외주면에는 2차 연료 분사체를 지지하는 지지부가 구비된다.
2차 연료 분사체는 2차 연료가 분사되는 노즐관의 단부에 연소실의 연소가스가 유입하여 연소실에 다시 분출되게 안내하는 포커관을 구비한다.
포커관의 단부에는 2차 연료 및 연소 가스의 혼합물이 연소실의 외측을 향하여 경사지게 분출되게 하는 경사면이 형성된다. 포커관의 중심 길이는 그 내경의 10배 이상으로 형성된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너에 의하면, 연소헤드의 수리 교체와 조정을 용이하게 하고, 연소실의 체적이 상대적으로 작고 화염온도 감소가 늦게 이루어져 녹스감소에 어려운 연소실 구조를 가지는 연관식 보일러에 적용되면서도, 녹스의 생성을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 안정화된 중심 화염에 의해 1차측 가스 연료량이 전체 가스량의 약 10% 이하의 운전시에도 버너의 연소 안정성이 확보되게 하며, 2차 연료 분사체의 배치 직경을 줄이고 재순환 연소가스의 유입량을 증가시켜 녹스를 저감시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 수관식 보일러에 적용되는 수관식 버너를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 나타내는 구성도이다.
도 3는 도 2의 앞측(연소헤드 측)에서 본 전면도이다.
도 4은 도 2의 버너의 단부 상세도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너의 작용 상태도이다.
도 6은 본 발명의 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너와 비교하기 위한 비교예의 버너를 나타내는 구성도이다.
도 7은 도 2의 본 발명의 실시예의 저녹스 버너와 도 6의 비교예 버너를 녹스 발생량을 시험하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너를 나타내는 구성도이고, 도 3는 도 2의 앞측(연소헤드 측)에서 본 전면도이며, 도 4는 도 2의 버너의 단부 상세도이다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너(100)는 1차 튜브(110)와, 1차 연료 공급관(120)과, 타공판형 연소헤드(130)와, 2차 튜브(140)와, 2차 연료 분사체(150)와, 거리 조정구(160)을 포함한다.
1차 튜브(110)는 연소실(FR)의 내부로 돌출되게 설치되어 연소실(FR) 내부로 공기를 안내한다. 1차 튜브(110)의 선단부에는 타공판형 연소헤드(130)를 향하여 소정 각도로 경사진 단면을 가진 축경부(111)가 형성된다. 경사진 축경부(111)는 공기가 버너의 중심으로 모이게 하여 중심 화염의 폭이 커지는 현상을 억제하며, 연소실(FR) 내로 공급되는 공기의 급기통로의 공기 통과 면적을 줄이므로써 급기속도를 증가시킨다.
1차 튜브(110)의 단부 내주면에는 타공판형 연소헤드(130)을 이동시킬 때 안내하는 한편 타공판형 연소헤드(130)의 타공판과 1차 튜브(110)의 축경부(111) 사이의 간격(C)을 유지시키는 간격 유지 리브(112)가 1차 튜브(110)의 내주면을 따라 일정한 간격으로 복수개(본 실시예에서는 3개)가 설치된다. 간격 유지 리브(112)의 외측 끝단에는 걸림턱(112a)이 형성되어 타공판형 연소헤드(130)의 돌출거리를 구속한다. 간격 유지 리브(112)의 걸림턱(112a) 반대측은 1차 튜브(110)의 반경방향으로 꺽여져 1차 튜브(110)의 내주면에 고정된다. 간격 유지 리브(112)의 중간부에 타공판형 연소헤드(130)의 후술하는 타공판이 이동시에 슬라이딩하면서 안내된다.
한편, 1차 튜브(110)는, 후술하는 공기 공급 챔버에 연통된 공기 유도관(170)의 내부에 원주방향을 따라 복수의 연결 리브(113)에 의해 연결된다.
1차 연료 공급관(120)은 1차 튜브(110)의 내부에 배치되어 1차로 연료를 공급하는 파이프로서, 그 단부에는 타공판형 연소헤드(130)가 결합된다. 1차 연료 공급관(120)의 끝단은 막혀 있으며, 그 단부에서 타공판형 연소헤드(130)의 후술하는 연료 분출관에 연결되어, 1차 연료가 방사상으로 분출되게 한다.
1차 연료 공급관(120)의 내부에는 화염을 중심부로 공기를 개별적으로 분출시킬 수 있는 중앙 공기분출관이 구비될 수 있다. 중앙 공기분출관은 1차 튜브(110)의 직경이 클 경우는 그 생성된 화염의 직경이 커져 화염중심부가 고온으로 올라갈 수 있으므로, 이에 대응하기 위한 것(그 온도를 적절히 낮추기 위한 것)으로, 화염의 중심부로 공기를 개별적으로 공급하도록 그 선단부가 연소실(FR)을 향해 개방된다.
타공판형 연소헤드(130)는 1차 연료 공급관(120)의 선단에 1차 튜브(110)의 끝단과 간격(C)을 가지게 배치되어 1차 튜브(110)에 의해 안내되는 공기를 확산하는 한편 1차 연료 공급관(120)을 통해 1차로 공급되는 연료를 방사상으로 분출시키며, 타공판(131)과, 복수의 연료 분출관(132)와, 이그나이트(igniter)(133)을 포함한다.
타공판(131)에는 1차 연료 공급관(120)의 단부가 중심을 관통하여 설치되며, 각 연료 분출관(132)의 사이에 복수의 공기 분출공(131a)이 배열 형성되어 있다. 공기 분출공(131a)을 통해 연소실 내로 급기되는 공기는 복수의 고속기류를 형성하고, 이러한 복수의 고속기류에 의해 그 주변에 와류가 형성되며, 이러한 와류에 의해 연료와 공기의 균일한 혼합을 도모할 수 있다.
복수의 연료 분출관(132)은 타공판(130)의 외측(연소실측)에 1차 연료 공급관(120)의 외주면에 방사상으로 연결되며, 그 단부에는 1차 주연료노즐(132a)이 개별적으로 형성된다. 각 연료 분출관(132)은 1차 연료 공급관(120)의 축선방향에 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있고, 이에 따라 연료 분출관(132)에 구비된 1차 주연료노즐(132a)들의 분출위치가 서로 다르게 배치됨으로써 연료의 분출이 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 할 수 있고, 이로 인해 특정 영역에서의 연료농도가 높아짐을 방지할 수 있다.
한편, 연료 분출관(132)에 인접한 1차 연료 공급관(120)의 선단 외주면에는 복수의 1차 보조연료노즐(121)이 방사상으로 형성된다. 각 1차 보조연료노즐(121)도 각 1차 주연료노즐과 마찬가지로 1차 연료 공급관(120)의 선단에서 서로 다른 위치에 배치됨으로써 연료의 분출작용이 균일하게 이루어질 수 있다.
이그나이트(igniter)(133)는 1차 연료 공급관(120)의 단부 외주면에 지지대를 통해 설치되며, 타공판(131)을 통과하여 점화 플러그가 배치된다.
2차 튜브(140)는 1차 튜브(110)를 둘러싸게 배치되어 연소실(FR)의 미연소 가스를 1차 튜브(110) 사이로 유도하여 연소실(FR) 내부로 분출시키도록 안내한다. 2차 튜브(140)는 원통부(141)와, 원통부(141)의 연소실측 단부에 공기가 연소실(FR)의 외측으로 퍼지도록 하는 확관부(142)와, 확관부(142)의 외주면에서 2차 연료 분사체(150)를 지지하는 지지부(143)를 구비한다. 한편, 1차 튜브(110)와 2차 튜브(140)의 원통부(141) 사이에는 센터를 용이하게 맞추며 튜브를 지지하는 복수의 제1지지 리브(144)가 원주방향을 따라 구비되고, 2차 튜브(140)의 외주면에는 후술하는 복수의 제2지지 리브가 구비된다.
2차 연료 분사체(150)는 2차 튜브(140)와 공기 유도관(170)를 둘러싸게 복수개가 배치되어 2차로 연료가 분사되게 한다. 2차 연료 분사체(150)는 연소실의 벽을 관통하여 2차 연료를 공급하는 2차 연료 공급관(151)의 단부에 연결된 노즐관(152)과, 노즐관(152)의 단부에서 연료가 분사됨에 따라 연소실의 미연소가스가 유입되어 연소가스와 혼합된 2차 연료가 연소실(FR)로 분출되게 안내하는 포커관(153)을 구비한다.
포커관(153)의 단부에는 2차 연료 및 연소 가스의 혼합물이 연소실(FR)의 외측을 향하여 경사지게 분출되게 하는 경사면(153a)이 형성된다. 연소실(FR)의 외측을 향하여 경사된 경사면(153a)을 가지는 구조는 2차 연료가 중심으로 분출되지 않게 하고 주변의 낮은 온도에서 미연소가스와 함께 연소되게 함으로서 녹스 발생량을 줄이는 효과가 있다.
그리고, 포커관(153)의 중심 길이(L)는 내경(d1)의 10배 이상으로 형성된다. 포커관(153)의 길이가 짧으면 연료와 연소가스가 충분히 희석되지 않으므로 안정화된 유로가 확보되지 않으므로 연소효율이 낮아지게 된다.
거리 조정구(160)는 타공판형 연소헤드(130)를 축방향으로 이동시켜 1차 튜브(110)의 끝단과의 이격거리를 조정하며, 1차 연료 공급관(120)의 외면에 고정된 플랜지(161)와, 플랜지(161)에 연결된 연결로드(162)와, 연결로드(162)에 결합되어 1차 연료 공급관(120)을 이동시켜 위치(이동거리)를 조절하는 조절봉(163)을 포함한다. 조절봉(163)은 버너의 외부에서 핸들 또는 조정기구에 의해 조정된다.
공기 유도관(170)은 원통관(171)이 연소실 벽에 고정되어 1차 튜브(110)의 내부 및 외부로 공기를 유도하여 안내하며, 연소실(FR)의 전방 외부에 설치되는 공기 공급 챔버(180) 내에 돌출되게 설치된다.
공기 유도관(170)의 원통관부(171)의 전방에는 1차 튜브(110)의 외면을 향하여 기울어진 경사부(172)가 형성되고, 경사부(172)와 2차 튜브(140) 사이에는 연소실(FR)의 연소가스가 순환하여 연소실(FR) 내로 재공급되는 연소가스 순환 간격(RC)이 형성된다. 그리고, 경사부(172)에는 2차 튜브(140)측으로 돌출하여 2차 튜브(140)의 외면을 지지하는 복수의 제2지지 리브(173)가 원주방향을 따라 구비된다. 이때, 제2지지 리브(173)는 2차 튜브(140)의 외면을 길이방향으로 길게 지지하므로 안정성을 높이고 2차 튜브(140)의 센터링이 용이하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너는 도 5에 도시한 바와 같이 1차 연료가 화살표 A방향을 따라 1차 연료 공급관(120)을 통해 연소실의 중심으로 공급되고, 2차 연료가 화살표 B방향을 따라 2차 연료 분사체(150)의 복수의 2차 연료 공급관(151)을 통해 연소실의 중심 주변으로 공급되며, 공기가 화살표 E방향을 따라 공기 유도관(170)을 통해 1차 튜브(110)의 내부와 외부를 통해 연소실로 공급되어, 연료와 공기의 혼합물이 연소되어 중심 화염(1차 화염) 및 주변 화염(2차 화염)을 형성하게 된다.
1차 연료 공급관(120)을 통해 공급되는 1차 연료는 타공판형 연소헤드(130)에서 연료 분출관(132)을 통해 방사상으로 1차 주연료 노즐(132a)에서 분사되어, 1차 튜브(110)의 끝단과 타공판(131)의 사이 간격(C) 을 통해 분출되는 공기와 함께 혼합되어 연소실로 분출되면서 연소되는 한편, 1차 보조연료노즐(121)을 통해 방사상으로 분사되어 공기와 혼합되어 연소실로 분출되면서 연소된다. 이때, 1차 주연료 노즐(132a)를 통해 분출되는 연료와, 1차 튜브(110)의 끝단과 타공판(131)의 외주면 사이의 간격(C)을 통해 급기되는 공기가 상호 직교하고, 이에 따라 급기되는 공기와 다수의 노즐을 통해 고속으로 분출되는 연료가 상호 직교되게 혼합됨으로써 공기와 연료의 급속혼합작용을 구현할 수 있다.
이러한 급속 혼합은 연료와 공기를 고루 혼합시켜 연소실(FR)에서 연소되는 연료가 부분적인 공기 부족 현상을 유발하지 않도록 한다. 완전 연소의 조건은 연료가 연소 시, 주변에서 연소에 필요한 공기를 제때 공급받는 것이며, 급속 혼합은 공기와 연료를 적절히 혼합시킴으로써 완전 연소에 필요한 조건을 상당부분 충족시킨다. 여기서, 급속 혼합을 통해 공기와 연료가 적절히 혼합되면, 연료가 연소될 때, 불완전 연소의 발생을 최소화하면서 동시에 프람프트 NOx의 발생도 최소화한다. 이는 연료가 완전 연소에 가까운 연소를 이루는 것을 의미하며, 이에 더하여, 연료가 완전 연소에 가까운 연소 특성을 보임에 따라, 일산화탄소(CO)의 발생이 최소화된다.
한편, 공기와 연료는 180도의 각도로 서로 마주보게 분출되어 혼합되는 대향분류 방식이 그 혼합효과가 극대화되어 좋기는 하지만, 연소량의 조절이 필요한 대부분의 버너에 적용될 경우 이러한 대향분류 방식은 공기가 연료의 흐름을 방해하기 때문에 현실적으로 공기의 흐름각도가 연료의 분출을 방해하지 않는 범위 내에서 최대한 대향분류 방식에 가깝게 설계한다. 이에 따라 본 발명에서 간격(C)을 따라 급기되는 공기는 그 진행방향이 1차 튜브(110)의 축경부(111)의 경사각도에 대응하는 각도로 이루어지고, 이로서 공기와 연료가 혼합되는 교차각도가 90도보다 약간 큰 둔각으로 이루어져 대향분류에 보다 가깝도록 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 1차 튜브(110)의 축경부(111)에 의해 공기의 급기속도를 최대화하고, 1차 주연료 노즐(132a)를 통해 고속으로 분출되는 연료의 분출방향과 공기의 급기방향을 대략 직각에 가깝게 함으로써, 공기와 연료의 급속혼합을 구현하고, 이러한 급속혼합에 의해 프롬프트 녹스(prompt NOx)의 생성을 방지함과 더불어 보다 컴팩트한 화염을 도모할 수 있다.
한편, 2차 연료 공급관(151)을 통해 공급되는 2차 연료는 노즐관(152)의 단부에서 포커관(153)을 통해 분사됨에 따라, 연소실(FR)의 미연소가스가 화살표 F방향으로 포커관(153)내로 유입되어 미연소가스와 혼합되어 연소실로 분사되게 한다. 이때, 포커관(153)의 단부는 연소실(FR)의 외측을 향하여 경사된 경사면(153a)을 가지므로, 2차 연료가 중심으로 분출되지 않게 하고 주변의 낮은 온도에서 미연소가스와 함께 연소되게 함으로서 녹스 발생량을 줄이는 효과가 있다.
그리고, 공기 공급 챔버(180)을 통해 공기 유도관(170)내에 유입되는 공기(화살표 E 방향)의 일부는 1차 연료 공급관(120)와 1차 튜브(110) 사이 공간을 지나(화살표 E1 방향) 타공판(131)의 공기 분출공(131a)을 통해 연소실(FR)내로 분출하는 한편 1차 튜브(110)의 끝단과 타공판(131)의 사이 간격(C)을 통해 분출되는 연소실(FR)내로 분출된다.
또한, 공기 유도관(170)내에 유입되는 공기(화살표 E 방향) 중에서 공기 유도관(170)의 경사부(172)에 의해 안내되는 공기(화살표 E2 방향)는 1차 튜브(110)와 2차 튜브(140)를 사이를 지나면서 화살표 G 방향으로 연소가스 순환간격(RC)을 통해 재순환되는 미연소가스와 혼합되어 연소실로 분사된다. 이때, 2차 튜브(140)는 종래의 2중 파이프 타입이 아닌 '1중 파이프 타입'으로 되어 있으므로, 미연소가스가 용이하게 내부로 유입되며 2차 연료 분사체(150)와의 사이 간격을 줄일 수 있고(2차 연료 분사체의 배치 직경을 줄임), 제작 및 가공성이 향상된다. 그리고 연소가스 순환간격(RC)에는 2차 튜브(140)가 수평으로 되어 있으므로(종래에는 절곡되어 있었음), 미연소가스의 유입을 용이하게 하고 유입량(순환량)을 증대시켜 미연소가스의 연소효율을 높인다.
화살표 F와 G방향으로 미연소가스가 재순환하는 것은 단순히 연료에 공기를 공급한다는 측면이 아니라, 와류를 형성하면서 휘몰아치는 공기가 연료와 섞이도록 함으로써, 연료와 공기가 균일하게 혼합할 수 있도록 한다. 연료 입자와 공기 입자가 균일하게 혼합되면, 각 연료 입자가 연소될 때, 주변에는 공기 입자가 연료 입자의 연소에 기여하므로 불완전 연소가 최소화되는 것이며, 불완전 연소가 최소화된다는 것은 불완전 연소에 의한 부산물(예컨대 일산화탄소)의 생성이 감소됨을 의미한다.
표 1은 연관식 보일러에 적용된 연소헤드(스월러 타입 및 타공판 타입)를 가지는 버너에서 연료(LNG)와 공기(O2)의 공급에 따라 발생하는 녹스(NOx)와 일산화탄소(CO)의 생성량을 나타낸다.
연소헤드 전체 연료
(Nm3/h)		 1차연료
(Nm3/h)		 공기(O2)
(%)		 NOx
(ppm)		 CO
(ppm)
스월러 348 82 1.95 19 2
타공판 335 31 1.93 9.7 13
표 1에서 나타난 바와 같이 타공판 타입의 연소헤드를 가지는 버너는 스월러 타입의 연소헤드를 가지는 버너에 비해 1차연료의 양을 2차연료에 대해 상대적으로 줄인 상태(1차 연료의 양을 전체 연료량의 10% 이하)에서, 일산화탄소(CO)의 양은 증가되지만 NOx의 양이 현저하게 감소한 저녹스 버너임을 알 수 있다.
도 7은 구체적인 구조의 버너로 비교한 예로서, 도 2의 본 발명의 실시예의 저녹스 버너(100)와 도 6의 비교예 버너(c100)로 녹스 발생량을 시험하여 나타낸 그래프이다. 도 6의 비교예의 버너(c100)는 1차연료 공급관(c120)은 단부에 확관부(c121)가 형성되어 1차 튜브(c110)의 내부 사이공간에 예혼합영역 형성을 위한 분사구(c122)가 형성되고, 확관부(c121)의 단부를 수평으로 하여 스월러(c130)을 설치하며, 포커관(c153)의 단부를 연소실(FR)의 내측을 향하여 경사된 경사면(c154)를 형성한 점에서 도 2의 본 발명의 실시예와 상이하다.
비교예의 버너의 나머지 구조는 본 발명의 실시예(도 2)와 거의 동일하게 하여 비교 시험하였다. 시험은 전체연료(LNG) 공급량을 330Nm3/h와 260Nm3/h로 하여, 일반적 시험방법(표 1의 시험방법과 동일)에 따라 공기(O2)의 공급량에 따라 NOx의 변화량을 측정하였다.
그래프에서 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너(도 2)는 비교예의 스월러형 연소헤드를 가지는 버너(도 6)에 비해 녹스(NOx)가 약 40% 가량 저감하고 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명은 1차 튜브(110) 내의 1차연료 공급관(120) 및 연소 헤드(130)를 1차 연료(110)와 별도로 분리하게 할 수 있도록 함으로써, 연소헤드의 수리 교체를 용이하게 한다. 또한, 본 발명은 거리 조정구(160)를 통해 1차연료 공급관(120) 및 연소 헤드(130)를 이동시킬 수 있게 함으로써 연소 조건에 따라 연소실로 분출되는 공기 통로 면적을 용이하게 조정할 수 있다. 연소 헤드(130)의 위치 조정은 버너의 외부에서 조절봉(163)을 회동시킴에 따라 연결로드(162)를 당기고 밀면, 플랜지(161)에 고정된 1차연료 공급관(120) 및 연소 헤드(130)를 이동시켜 조정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너에 의하면, 연소헤드의 수리 교체와 조정을 용이하게 하고, 연소실의 체적이 상대적으로 작고 화염온도 감소가 늦게 이루어져 녹스감소에 어려운 연소실 구조를 가지는 연관식 보일러에 적용되면서도, 녹스의 생성을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있다. 또한, 안정화된 중심 화염에 의해 1차측 가스 연료량이 전체 가스량의 약 10% 이하의 운전시에도 버너의 연소 안정성이 확보되게 하며, 2차 연료 분사체의 배치 직경을 줄이고 재순환 연소가스의 유입량을 증가시켜 녹스를 저감시킨다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 저녹스 버너 110: 1차 튜브
111: 축경부 112: 간격 유지 리브
113: 연결리브 120: 1차 연료 공급관
121: 1차 보조 연료노즐 130: 타공판형 연소헤드
131: 타공판 132: 연료 분출관
140: 2차 튜브 141: 원통부
142: 확관부 143: 지지부
144: 제1 지지 리브 150: 2차 연료 분사체
151: 2차 연료 공급관 152: 노즐관
153: 포커관 160: 거리 조정구
161: 플랜지 162: 연결 로드
163: 조절봉 170: 공기 유도관
171: 원통관부 172: 경사부
173: 제2 지지 리브 180: 공기 공급 챔버
FR: 연소실 RC: 연소가스 순환 간격

Claims (10)

  1. 연소실의 내부로 돌출되게 설치되어 연소실 내부로 공기를 안내하는 1차 튜브와,
    상기 1차 튜브의 내부에 배치되어 1차로 연료를 공급하는 1차 연료 공급관과,
    상기 1차 연료 공급관의 선단에 상기 1차 튜브의 끝단과 간격을 가지게 배치되어 상기 1차 튜브에 의해 안내되는 공기를 확산하는 한편 상기 1차 연료 공급관을 통해 1차로 공급되는 연료를 방사상으로 분출시키는 타공판형 연소헤드와,
    상기 1차 튜브를 둘러싸게 배치되어 상기 연소실의 미연소 가스를 상기 1차 튜브 사이로 유도하여 상기 연소실 내부로 분출시키도록 안내하는 2차 튜브와,
    상기 2차 튜브를 둘러싸게 복수개가 배치되어 2차로 연료가 분사되는 2차 연료 분사체와,
    상기 타공판형 연소헤드를 축방향으로 이동시켜 상기 1차 튜브의 끝단과의 이격거리를 조정하는 거리 조정구를 포함하는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거리 조정구는
    상기 1차 연료 공급관의 외면에 고정된 플랜지와,
    상기 플랜지에 연결된 연결로드와,
    상기 연결로드에 결합되어 상기 1차 연료 공급관을 이동시켜 위치를 조절하는 조절봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 튜브는,
    상기 연소실의 벽에 고정되어 상기 1차 튜브의 내부 및 외부로 공기를 유도하여 안내하는 공기 유도관의 내부에 연결되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유도관의 전방에는 상기 1차 튜브의 외면을 향하여 기울어진 경사부가 형성되고,
    상기 경사부와 상기 2차 튜브 사이에는 상기 연소실의 연소가스가 순환하여 상기 연소실 내로 재공급되는 연소가스 순환 간격이 형성되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 튜브와 상기 2차 튜브 사이에는 센터를 맞추며 튜브를 지지하는 복수의 제1지지 리브가 구비되고,
    상기 경사부에는 2차 튜브 측으로 돌출하여 상기 2차 튜브의 외면을 지지하는 복수의 제2지지 리브가 구비되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 튜브의 선단부에는 상기 타공판형 연소헤드를 향하여 소정 각도로 경사진 단면을 가진 축경부가 형성되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 튜브는 상기 연소실 측 단부에 공기가 상기 연소실의 외측으로 퍼지도록 확관부가 형성되고,
    상기 확관부의 외주면에는 상기 2차 연료 분사체를 지지하는 지지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2차 연료 분사체는 2차 연료가 분사되는 노즐관의 단부에 상기 연소실의 연소가스가 유입하여 상기 연소실에 다시 분출되게 안내하는 포커관을 구비하는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 포커관의 단부에는 2차 연료 및 연소 가스의 혼합물이 상기 연소실의 외측을 향하여 경사지게 분출되게 하는 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 포커관의 중심 길이는 그 내경의 10배 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 타공판형 연소헤드를 가지는 저녹스 버너.
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