KR20210000949A - 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소 초기 영역의 화염온도를 저하시켜 연소 중에 사용된 공기 중 질소와 산소의 반응으로 생성되는 써멀 녹스(THERMAL NOx) 및 연료내에 유기적으로 결합된 질소 성분이 연소시에 질소 산화물로 전환되어 생성되는 퓨얼 녹스 (FUEL NOx)의 생성을 억제할 수 있도록 하기 위한 가스용 저녹스형 평면 연소 버너를 개시한다. 이를 위하여 본 발명은 다수 연소공 하방에 전열격판을 구비하여서 된 냉각 배관을 배치하며, 다수 연소공의 개개 화염이 상기 전열격판과 분리판에 의하여 단위 연소실을 형성하고, 연소실의 화염출구의 분리판에 고정된 화염가이드를 구비하여 단위 연소실이 가로와 세로로 반복 배열 설치되도록 하여서 된 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 연소 초기 영역의 화염온도를 저하시켜 고온 연소 과정에서 발생하는 써멀 녹스와 퓨얼 녹스의 생성을 억제시키게 됨과 아울러 다수의 단위 연소부에 의하여 화염의 표면적이 증가되어 발열량이 증가하게 되는 효과가 있다.

Description

가스용 저 녹스형 평면 연소 버너{Low NOx type Plain Combustion Burner for Gas}

본 발명은 보일러 등 연소기기에 사용되는 버너의 배기가스 중 질소산화물의 생성을 억제할 수 있도록 하기 위한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 공해를 유발하는 대표적인 오염물질인 NOx는 연소 반응에 따른 화염의 열적 특성에 따라서 발생되는 양이 결정된다.

즉, 연소 과정에서 공기 중의 질소가 고온에서 산화되면서 질소 산화물이 발생하는 것이며, 산업용 보일러, 소각로 등이 주요한 질소 산화물의 배출원으로 지목되어 있다.

이러한 질소 산화물은 기관지염증, 천식, 만성기관지염을 일으키며 산성비의 원인으로 식물을 고사시키는 등 주요 대기오염물질로 규제되고 있는 것이다.

그러므로, 배기가스 중의 질소산화물 발생량을 줄이기 위한 가스보일러가 제안된 바 있으며, 그 대표적인 예를 대한민국 공개특허 10-2001-0056546(발명의 명칭: 배기가스 재순환방식에 의한 저질소산화물 소형 응축식 가스보일러 및 연소 방법; 이하 '인용발명'이라 함)에서 살펴 볼 수 있다.

이러한 인용발명은 보일러에서 연소되어 굴뚝으로 배출되는 배기가스 중 일정량을 다시 흡입하여 혼합기에서 공기 및 가스연료와 함께 혼합시킨 후 예혼합버너로 연소시킴과 보일러의 구조를 2패스(pass) 방식으로 설계하여 연소과정에서 생성되는 연소 배기가스 중의 수분이 보유한 응축열을 회수함으로서 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

그러므로, 인용발명은 2패스(pass) 방식으로 설계하여 연소과정에서 생성되는 연소 배기가스 중의 수분이 보유한 응축열을 회수함으로서 효율의 향상을 도모하는 효과가 기대된다.

반면에 인용발명은 도1로 확인되는 바와 같이 물출구, 물입구로 제시된 핀붙이 수관(8)이 예혼합버너(6)의 화염 구간 하방에 이격되어 설치된 것이므로 상기 핀붙이 수관(8)에 의한 화염온도 저하 효과를 얻을 수 없게 됨에 따라 기대하는 수준의 질소 산화물의 생성 억제 효과를 얻을 수 없게 되었던 문제점이 있었다.

1. 대한민국 공개특허 10-2001-0056546(발명의 명칭: 배기가스 재순환방식에 의한 저질소산화물 소형 응축식 가스보일러 및 연소 방법)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연소 초기 영역의 화염온도를 저하시켜 연소 중에 사용된 공기 중 질소와 산소의 반응으로 생성되는 써멀 녹스(THERMAL NOx) 및 연료내에 유기적으로 결합된 질소 성분이 연소시에 질소 산화물로 전환되어 생성되는 퓨얼 녹스 (FUEL NOx)의 생성을 억제할 수 있도록 하기 위한 가스용 저녹스형 평면 연소 버너를 제공함을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 송풍기에 의한 송풍압입으로 연소공기와 혼합된 가스 연료와 함께 공급되도록 하며, 공기와 혼합된 가스 연료가 통과하는 분배판과, 상기 분배판에 구비된 다수의 분배공에 의하여 공급되는 가스가 분산된 후 연소공을 통과하여 점화되면서 화염을 형성하고, 그 하방에 핀붙이 수관을 복수개 배열하여 열교환이 실시되도록 하되,

상기 다수 연소공 하방에 전열격판을 구비하여서 된 냉각 배관을 배치하며, 다수 연소공의 개개 화염이 상기 전열격판과 분리판에 의하여 단위 연소실을 형성하고, 연소실의 화염출구의 분리판에 고정된 화염가이드를 구비하여 단위 연소실이 가로와 세로로 반복 배열 설치되도록 하여서 된 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너를 구비하여서 된 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 연소공기와 가스 연료가 연소공을 통과하면서 공지된 점화장치에 의하여 점화되어 생성된 화염이 냉각 배관의 둘레를 경유하는 동안 냉각배관을 통과하는 공기나 물에 의하여 냉각되고 이러한 화염은 전열격판과 분리판에 의하여 구획된 단위 연소실에서 화염출구로 배출되는 바, 화염은 화염출구의 공간과 화염가이드를 거쳐 단위 연소실 마다 배출된다. 이에 따라, 본 발명에서는 분할된 화염이 가로, 세로 연속된 평면상 다수의 분할된 작은 크기의 화염으로 형성된다. 이러한 단위 연소실의 화염들은 냉각 배관으로 흐르는 공기나 냉각수에 의하여 온도가 낮아지게 되므로 과열되지 않고 연소 초기 영역의 화염온도를 저하시켜 고온 연소 과정에서 발생하는 써멀 녹스와 퓨얼 녹스의 생성을 억제시키게 된다. 아울러, 본 발명은 다수의 단위 연소부에 의하여 화염의 표면적이 증가되어 발열량이 증가하게 된다.

아울러, 화염을 여러개의 독립된 작은 화염으로 분할함으로써 화염의 방열선을 증가시며 화염온도를 저하시킴과 동시에 화염층을 얇게 형성시켜 체류시간을 단축시킴으로써 화염의 길이가 짧게 됨과 동시에 미연분의 발생이 적으며 18 ~ 40%의 질소 산화물 저감 효과를 제공할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

도1은 종래의 저질소 산화물 소형 응축식 가스 보일러 구조를 보인 설명도.
도2는 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너를 보인 종단면도.
도3은 도2의 요부 확대 단면도.
도4는 본 발명을 적용한 보일러를 보인 설명도.
도5는 본 발명을 적용한 다른 형태의 보일러를 보인 설명도.
도6은 도5로 보인 본 발명에 의한 평면 연소 버너 시공 상태 부분 확대도.
도7은 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너의 다른 실시예를 보인 확대도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도2에 도시하였다. 이러한 본 발명은 연소 공기의 공급을 위하여 송풍기(200)에 의한 송풍압입 방식으로 연소공기를 공급하고 있는 것이다.

한편으로는 상기 연소공기와 함께 가스 연료가 주입되어 설정된 비율로 혼합되면서 분배공(101)을 통과하여 고르게 분산되도록 하기 위한 분배판(100)과, 상기 분배판(100)에 구비된 다수의 분배공(101)에 의하여 공급되는 가스가 분산된 후 본 발명에 의한 평면 연소 버너(400)의 연소공(401)을 통과하여 공지의 점화장치에 의하여 점화되면서 화염을 형성하고, 화염이 배열된 핀붙이 수관(300)을 통과하도록 하되,

상기 평면 연소 버너(400)의 다수 연소공(401)에 인접하여 전열격판(402)을 구비하여서 된 냉각 배관(500)을 배치하며, 다수 연소공(401)에 형성된 개개 화염이 상기 전열격판(402)과 분리판(601)에 의하여 분리되는 단위 연소실(600)을 형성하고, 화염출구(602)에 분리판(601) 선단에 고정된 화염가이드(603)를 구비하여서 된 단위 연소실(600)이 가로와 세로의 평판상으로 반복 배열 설치되도록 하여서 된 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 상기한 바와 같이 분배판(100)에 분산 배치 형성된 다수의 분배공(101)을 통하여 공기와 혼합된 가스 연료가 분산되면서 통과한 후 미도시된 공지의 점화장치에 의하여 점화된다. 이러한 점화장치는 필요에 따라 한 개 이상 설치될 수 있는 것임은 물론이다.

이러한 공지의 점화장치에 의하여 연소가스가 점화되어 생성된 화염은 전열격판(402)과 분리판(601) 그리고 냉각 배관(500) 둘레면에 의하여 형성된 굴곡되고 좁은 통로를 통과하여 화염출구(602)로 배출되므로 화염의 열이 분산되는 결과가 된다.

특히, 본 발명에서 냉각 배관(500)에는 공기 또는 물이 통과하고 있으므로 열용량이 크게 되어 화염의 온도를 대폭 낮출 수 있게 된다. 이에 따라, 화염 온도가 1,650 ~ 2,000℃의 고온 상태에서 빠르게 생성되는 질소와 산소의 반응으로 발생하는 써멀 녹스 발생 우려가 불식되는 것이며,

화염 온도가 낮으므로 화염의 고열에 의한 열분해를 통하여 젤도비치 메커니즘(Zeldovich mechanism)에 따라 NH_3, HCN, CN과 같은 저분자량의 질소 화합물로 변하면서 이들이 산소와 반응하여 NOx를 생성함에 따라 발생되는 퓨얼 녹스 생성이 방지되는 것이다.

(젤도비치 메커니즘 (Zeldovich mechanism );

1. Y.B. Zel'dovich (1946). "The Oxidation of Nitrogen in Combustion Explosions". Acta Physicochimica U.S.S.R. 21: 577??628 참조.

2. Zeldovich, Y. A., D. Frank-Kamenetskii, and P. Sadovnikov. Oxidation of nitrogen in combustion. Publishing House of the Acad of Sciences of USSR, 1947 참조.

3. Williams, Forman A. "Combustion theory". (1985) 참조.

4. Zeldovich, I. A., Barenblatt, G. I., Librovich, V. B., Makhviladze, G. M. (1985) Mathematical theory of combustion and explosions 참조.)

이와 같이 하여 본 발명에서는 연소 중인 화염의 온도가 냉각 배관(500)에 의하여 저하되어 써멀 녹스와 퓨얼 녹스의 발생이 최소로 억제되는 상태로 전열격판(402)과 분리판(601)으로 구획된 단위 연소실(600)에서 연소 화염이 화염가이드(603)로 배출되는 것이다.

이러한 과정에서 본 발명은 가로와 세로로 반복 배열된 다수의 단위 연소실(600) 마다 화염가이드(603)로 분리된 화염이 배출되는 것이므로 전체 화염의 합에 의하여 화염 표면적이 확장되어 발열량이 증가하게 되고, 이와 같이 독립된 작은 화염은 넓은 면적에 걸쳐서 방열선을 방사하게 되는 것이며, 화염의 길이가 짧게 되어 체류시간을 단축시켜 미연분의 발생을 감소시켜 미세먼지 발생량을 줄임과 동시에 일반 평면 연소 버너에 비하여 NOx 발생량이 18% ~ 40% 저감될 수 있는 것이다.

이와 같이 하여 본 발명에 의한 화염은 상기 냉각 배관(500)을 순환하는 물이나 공기를 가열하게 되고, 화염가이드(603)에 근접하여 배열된 핀붙이 수관(300)을 가열하여 상기 핀붙이 수관(300)을 통과하는 물을 가열하되, 상기 냉각 배관(500)을 통과하여 1차 가열된 물이 핀붙이 수관(300)으로 연속 공급되도록 하여 열효율을 높이거나 냉각 배관(500)을 통과한 공기가 송풍기(200)에 의하여 연소공기로 공급되도록 하여 효율적인 연소가 가능하도록 할 수 있다.

아울러, 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너(400)를 채용한 보일러의 예를 도4로 예시하였다.

도4의 예에서는 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너(400)를 수평으로 배치하고, 송풍기(200)가 상방에서 하방으로 연소 공기를 압송함과 아울러, 일측에서 연료 가스가 공급되도록 한다.

또한, 도2, 3으로 보인 바와 같이, 다수의 분배공(101)이 구비된 분배판(100)을 설치하여 공급되는 연소 가스와 연소공기의 혼련이 이루어지면서 평판상으로 된 연소 버너(400)의 다수 연소공(401)에 균일한 압력으로 공급되도록 한다.

이어서, 상술한 바와 같이 연소공(401)으로 유입된 연료 가스는 공지의 점화장치에 의하여 점화되므로 전열격판(402)과 분리판(601)으로 구획된 단위 연소실(600)에서 연소되면서 화염을 발생시키며 화염은 냉각 배관(500)을 통과하면서 고온상태에서 저온상태로 변환된 후 화염출구(602)에 배치된 화염가이드(603)를 통과하여 화염을 배출하게 되므로 평면 연소 버너(400)에는 가로와 세로로 반복되는 많은 수의 화염을 형성하게 된다.

이와 같이하여 생성된 화염은 냉각 배관(500)에 의하여 온도가 낮아지게 되어 저 녹스형 버너로 기능하게 되는 것이며, 그 하방에 배치된 많은 수의 핀붙이 수관(300)을 가열하면서 하향 이동하게 되는 것이고, 물이 핀붙이 수관(300)을 통과하면서 열교환되어 가열 후 배출될 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너(400)를 채용한 보일러의 다른 예를 도5으로 예시하였다.

도5의 예에서는 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너(400)를 도4와는 달리 수직으로 배치하고, 송풍기(200)가 도면상 좌측에서 우측으로 연소 공기를 압송함과 아울러, 측부로 연료 가스가 공급되도록 한다.

이러한 예에서는 도5 및 도5의 부분 확대도인 도6에 도시된 바와 같이, 송풍기(200)가 도면상 좌측에서 우측으로 연소 공기를 압송함과 아울러, 측부로 연료 가스가 공급되도록 한다.

아울러, 다수의 분배공(101)이 구비된 분배판(100)을 설치하여 공급되는 연소 가스와 연소공기의 혼련이 이루어지면서 평판상으로 된 연소 버너(400)의 다수 연소공(401)에 균일한 압력으로 공급되도록 한다.

이어서, 상술한 바와 같이 연소공(401)으로 유입된 연료 가스는 공지의 점화장치에 의하여 점화되므로 전열격판(402)과 분리판(601)으로 구획된 단위 연소실(600)에서 연소되면서 화염을 발생시키며, 화염은 냉각 배관(500)을 통과하면서 고온상태에서 저온상태로 변환된 후 화염출구(602)에 배치된 화염가이드(603)를 통과하여 화염을 배출하게 되므로 평면 연소 버너(400)에는 가로와 세로로 반복되는 많은 수의 화염이 형성된다.

이러한 예에서도 생성된 화염은 냉각 배관(500)에 의하여 온도가 낮아지게 되어 저 녹스형 버너로 기능하게 되는 것이며, 도면상 우측에 배치된 많은 수의 핀붙이 수관(300)을 가열하면서 우측으로 이동하게 되는 것이다.

또한, 이러한 예에서는 화염이 수평으로 된 핀붙이 수관(300)의 핀붙이를 통과하여 하방의 배연구(800)로 모아져 배출되며, 이와 동시에 하방으로부터 유입된 물이 핀붙이 수관(300)으로 상승하면서 가열되는 것이고, 배연구(800)를 통과한 배기가스는 열회수기(700) 내부에서 상승하면서 열회수기(700)를 통과하는 온수나 공기를 재차 가열함으로써 배기가스의 온도가 40℃ ~ 50℃ 정도로 되도록 함으로써 효율적 에너지 활용이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에서의 단위 연소실(600)의 화염출구(602)에 배치된 화염가이드(603)는 "V"형 단면으로 됨으로써 인접한 단위 연소실(600)의 화염과 분리되도록 함으로써 최적의 연소 조건을 제공하며 전체적으로 화염의 표면적을 증대시킴에 기여하게 된다.

아울러, 이러한 본 발명에서의 화염가이드(603)는 분리판(601)의 단부에 용접의 방법으로 시공될 수 있으며, 일체로 성형하여서 된 금속 프레스 물일 수도 있고, 세라믹과 같은 무기질로도 제작이 가능하다.

이에 더하여 본 발명에서는 도7로 보인 바와 같이 화염출구(602)에 메쉬(900)를 포설하여 화염에 의하여 가열되도록 함으로써 연소 중 미연소 가스의 누출을 방지할 수도 있다.

이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

또한, 본 발명에 의한 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너(400)를 2가지 형태의 보일러에 적용한 예를 도시하였으나, 기타 다양한 형태의 연소기기에 결합하여 다양한 용도로 사용할 수 있음은 물론이다.

100 : 분배판 101 : 분배공 200 : 송품기
300 : 핀붙이 수관 400 : 평면 연소버너 401 : 연소공
402 : 전열격판 500 : 냉각 배관 601 : 분리판
600 : 단위 연소실 602 : 화염출구 603 : 화염가이드
700 : 열회수기 800 : 배연구 900 : 메쉬

Claims (3)

1. 연소공기와 함께 가스 연료가 주입되어 설정된 비율로 혼합되면서 분배공을 통과하여 고르게 분산되어 통과되도록 하기 위한 분배판과, 상기 분배판에 구비된 다수의 분배공에 의하여 공급되는 가스가 분산된 후 본 발명에 의한 평면 연소 버너의 연소공을 통과하여 점화되면서 화염을 형성하고, 화염이 배열된 핀붙이 수관을 통과하도록 하되,
   상기 평면 연소 버너의 다수 연소공에 인접하여 전열격판을 구비하여서 된 냉각 배관을 배치하며, 다수 연소공에 형성된 개개 화염이 상기 전열격판과 분리판에 의하여 분리되는 단위 연소실을 형성하고, 화염출구에 분리판 선단에 고정된 화염가이드를 구비하여서 된 단위 연소실이 가로와 세로의 평판상으로 반복 배열 설치되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 가스용 저 녹스형 평면 연소 버너.
2. 제1항에 있어서,
   함을 특징으로 하는 상기 화염가이드의 단면이 "V"형상으로 됨을 특징으로 하는 가스용 저녹스형 평면 연소 버너.
3. 제1항에 있어서,
   상기 화염출구에 메쉬를 포설하여서 됨을 특징으로 하는 가스용 저녹스형 평면 연소 버너.

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