KR20210000951A - 단계 연소형 저녹스 연소버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러등 연소기기에 사용되는 버너의 배기가스 중 질소산화물의 생성을 억제함과 아울러 완전연소를 도모할 수 있도록 하여서 된 단계 연소형 저녹스(低NOx) 연소버너를 개시한다.
본 발명은 이를 위하여 연료와 연소공기가 신속히 균일하게 혼합된 상태로 버너에 공급되도록 함과 아울러, 제1연소버너에 의하여 분출되는 화염의 둘레 및 길이 전체 표면을 제2연소버너에 의한 화염이 감싼 상태로 형성되도록 함으로써 화염의 전체 길이에 걸쳐 표면 온도를 효과적으로 저하시킬 수 있게 하여 Thermal NOx의 발생을 억제하고 완전연소를 도모할 수 있도록 한다.
이에 따라, 본 발명은 균일하게 분산되어 혼합된 혼합가스가 제1,2연소버너에 공급됨에 따라 화염상태가 안정되고 불안정한 연소로 인한 일산화탄소등 유해가스 발생이 방지될 뿐만 아니라, 화염 표면 온도를 낮추어 Thermal NOx 발생을 억제함과 아울러 완전연소에 의하여 열효율의 향상과 공해 물질을 배출하지 않는 이상적인 연소 상태가 확보되는 효과가 있다.

Description

단계 연소형 저녹스 연소버너{Stage Combustion Firing Burner for Gas}

본 발명은 보일러 등 연소기기에 사용되는 버너의 배기가스 중 질소산화물의 생성을 억제함과 아울러 완전연소를 도모할 수 있도록 하여서 된 단계 연소형 저녹스(低NOx) 연소버너에 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 많은 시도가 있었으며, 이러한 저녹스 버너는 일반버너와 달리 불꽃 양 옆에 보조 불꽃을 태워 완전연소를 도모하여 열효율을 높이고 환경을 파괴하는 질소산화물(NOx)의 배출을 감소시키도록 하는 것이다. 이를 설명하기 위하여 일반버너 및 저녹스 버너의 화염 사진을 도1로 도시하였다.

또한, 최근에 제안된 저녹스버너의 대표적인 예를 대한민국 등록특허 10-1569455(발명의 명칭: 복합형 저녹스 버너; 이하 '인용발명'이라 함)에서 살펴 볼 수 있다. 이러한 인용발명은 도2로 도시한 바와 같이 공기를 연소실로 안내하며, 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 연소 헤드로 연결되는 튜브 및 튜브의 외주연 일측에 적어도 하나 마련되고, 연소실로 연료를 분사하여 분할 화염을 형성하는 파이프 형상이며, 외주연 일 영역에는 연소 가스 유입을 위한 가스 유입구가 형성되는 연료 스퍼드를 포함하고, 연료 스퍼드에서 연료를 분사할 때, 발생하는 압력 차를 이용하여 연소 가스를 유인하여 상기 연소실 내에서 상기 연소 가스를 연소시킴으로써 공기를 연소실로 안내하며, 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 연소 헤드로 연결되는 튜브 및 파이프 형상이며, 튜브의 외주연 일측에 적어도 하나가 설치되고, 연소 헤드에서 생성되는 주 화염과 이격되는 분할 화염을 형성하며, 1000℃ 이상의 온도에서 생성되는 프롬프트 녹스의 억제를 위해, 주 화염의 외주연 중 1000℃ 이하인 영역을 향해 연료를 분사하는 연료 스퍼드를 포함하여서 된 것이다.

이에 따라, 인용발명은 연료 스퍼드와 연소 헤드의 이격거리 만큼 주 화염과 분할 화염이 이격되고, 주 화염과 분할 화염이 이루는 화염 군의 표면적 증대를 통해 연소실의 전열면의 복사열 흡수를 촉진하여 녹스 발생량을 낮추며, 연료 스퍼드가 연료를 분사할 때 발생하는 압력 차를 이용하여 연소실 내 연소 가스를 유인함으로써, 분사되는 연료의 발열량을 낮추는 복합형 저녹스 버너에 의해 달성하여 IFGR 기술에 따른 버너에 가스 스테이징 기술을 융합하여 기존의 IFGR 기술이 단독 적용된 저녹스 버너보다 녹스 발생량을 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

반면에 이러한 인용발명은 연료와 연소공기가 직교하면서 혼합됨과 동시에 연소되도록 점화되는 구조이므로 연료와 연소공기의 혼합 과정이 불충분하여 연소상태가 불안정을 야기하게 될 가능성이 높게 된다.

뿐만 아니라, 상기한 연료스퍼드에서 연소 가스를 유인하여 주 화염과 이격되는 분할 화염을 형성함으로써 주 화염과 분할 화염이 이루는 화염 군의 표면적 증대를 통해 연소실의 전열면의 복사열 흡수를 촉진하여 녹스발생량 저감을 기대하고 있으나, 이러한 연료스퍼드와 연소헤드는 모두 거의 동일한 수직면상으로 배치되어 있으며, 버너 가동 시간이 경과함에 따라 주 화염의 화염온도가 가장 매우 높게 되어 부피가 팽창되면서 연료스퍼드에 의한 분할화염의 진행을 차단될 우려가 높을 뿐만 아니라 분할화염은 연소버너 둘레에 설치된 제한된 수의 연료관 선단에서 형성되는 것이므로 연소버너의 주화염 둘레 전체와 접촉되는 것이 아니어서 화염의 온도를 충분히 낮추기에 부족하므로 Thermal NOx의 충분한 저감 효과를 기대하기 어렵게 되는 문제점과 함께 연소버너 둘레에 설치된 연료스퍼드가 선단에 구비된 연료관으로 역화될 위험성이 상존하는 문제점이 있다.

1. 대한민국 등록특허 10-1569455(발명의 명칭: 복합형 저녹스 버너)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연료와 연소공기가 신속히 고르게 혼합, 균등화된 상태로 버너에 공급되도록 하며, 제1연소버너에 의하여 분출되는 화염의 둘레 및 길이 전체 표면을 제2연소버너에 의한 화염이 감싼 상태로 형성되도록 함으로써 화염의 전체 길이에 걸쳐 표면 온도를 효과적으로 저하시킬 수 있도록 하여서 된 단계 연소형 저녹스 연소 버너를 제공함을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 공급되는 연소공기와 연료가 다수개의 경사가이드에 의하여 안내되면서 회전하여 연소공기와 연료가 완전히 균등질 상태로 혼합될 수 있도록 하여서 된 배플과, 상기 배플을 통과하여 연료와 연소공기(이하 '혼합기체'라 함)가 통과하면서 압력이 분산되도록 하기 위한 분배공이 구비된 압력분배판과; 상기 압력분배판을 통과한 혼합기체가 공급되는 화염공을 구비하여서 된 수직구조의 제1연소버너와; 상기 제1연소버너에 의하여 형성된 전체 화염 둘레를 감싸는 규격으로 된 관상체로 되며 상기 압력분배판을 우회한 혼합기체가 공급되는 화염공을 구비한 제2연소버너를; 구비하여서 된 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 연료가 연소공기에 균일하게 분산되어 혼합된 혼합가스가 제1,2연소버너에 공급됨에 따라 화염상태가 안정되어 연소량 제어가 용이하게 되는 효과가 있다.

이에 더하여 본 발명은 제1연소버너에서 혼합가스가 점화되어 분출되는 온도가 높은 중심화염의 전체 길이와 둘레를 감싸면서 매우 넓은 표면적에 걸쳐 제2연소버너에 의한 화염과 접촉되며 이러한 제2연소버너에 의한 화염은 넓은 면적으로 분산, 배치되어 있으므로 화염온도가 낮아 제1연소버너의 화염 표면 온도를 낮추어 Thermal NOx 발생을 억제함과 아울러 상기 제2연소버너의 화염은 제1연소버너의 화염 길이 및 둘레 전체에 걸쳐 접촉되면서 연소되는 것이므로 완전연소에 의하여 공해 물질을 배출하지 않는 이상적인 연소 상태가 확보되는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 제1,2연소버너의 화염공으로 혼합기체를 공급하기 위한 유입공과, 상기 화염공과 유입공 사이에 공간을 구비함으로써 예열공간의 확보와 함께 압력 분산 효과를 얻을 수 있게 되어 역화를 방지할 수 있게 되므로 안전하게 운용할 수 있게 되는 효과가 있다.

도1은 일반버너와 저녹스 버너의 화염을 대비한 사진.
도2는 종래의 복합형 저녹스 버너 화염 상태를 보인 설명도.
도3은 본 발명에 의한 단계 연소형 저녹스 연소버너의 외관을 보인 사시도.
도4는 본 발명에 의한 단계 연소형 저녹스 연소버너의 구조를 보인 종단면도.
도5는 본 발명에서 균일 분산된 혼합기체 생성을 위한 배플을 보인 측면도.
도6는 본 발명에서 사용되는 배플을 측면에서 관찰한 사시도.
도7은 본 발명에서 제1,2연소버너의 구조를 예시한 도4의 일부 종단면도.
도8은 본 발명에 의한 단계 연소형 저녹스 연소버너의 화염 생성 상태를 보인 설명도.
도9는 본 발명에 의한 단계 연소형 저녹스 연소버너를 장착한 보일러를 보인 예시도.

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 단계 연소형 저녹스 연소버너의 외관을 도3으로 도시하였으며, 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 4에 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 송풍기(100)와 연결되며 별도의 배관에서 공급되는 가스 연료가 주입되는 플렌지바디(200)와,

상기 플렌지바디(200)의 내측에 설치되며 방사상으로 배열된 경사가이드(301)와 반원공(302)을 구비하여서 된 원추형판체로 된 배플(300)과,

상기 배플(300)을 통과하면서 균일하게 혼합된 연료와 연소공기로 된 혼합기체의 압력이 분산되도록 하기 위한 분배공(402)을 구비하여서 된 압력분배판(401)과,

상기 압력분배판(401)을 통과한 혼합기체가 연소를 위한 제1연소버너(500)로 공급됨과 아울러, 상기 압력분배판(401) 외곽에 위치하는 통로(403)를 경유하여 제2연소버너(600)로 공급되도록 통로(403)를 제공하기 위한 본체(400)와,

상기 본체(400)에 체결되어 상기 압력분배판(401)을 경유한 혼합기체가 유입되며, 수직면상으로 형성된 제1화염공(501)을 구비하여서 된 기립구조의 제1연소버너(500)와,

상기 제1연소버너(500)의 둘레에 연결되어 직교하는 화염 분출 방향으로 고정된 관상체에 형성된 제2화염공(601)을 구비하여서 된 제2연소버너(600)를 구비하여서 된 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 도면상 플렌지본체(400) 좌측에 장착되는 송풍기(100)에서 연소공기가 압송되어 플렌지본체(400)로 유입되면 플렌지본체(400)의 측부에서 유입되는 연료와 함께 혼합된 혼합기체가 배플(300)을 통과하게 된다. 이러한 배플(300)은 도5,6으로 도시한 바와 같이, 원추형 판체로 된 것으로 원추형태의 중심점을 기준으로 경사가이드(301) 및 반원공(302)이 방사상으로 다수 형성된 것이며, 혼합기체가 상기 다수개의 경사가이드(301)를 동시에 통과하게 된다.

이러한 과정에서 배플(300)의 경사가이드(301)는 연소공기와 연료를 진입방향과는 달리 직각으로 굴절시켜 경사방향으로 내보내게 되며, 혼합기체는 다수의 경사가이드(301)를 거쳐서 반원공(302)으로 동시에 진입되고, 이와 같이 경로가 굴절된 연소공기와 연료는 도4,8의 화살표로 보인 바와 같이 배플(300)의 도면상 우측의 공간에서 회전하면서 강제 교반되는 것이다. 이에 따라 혼합된 연소공기와 연료는 고르게 섞인 균일하게 혼합된 혼합기체가 되는 것이다.

이와 같이 하여 생성된 균일화된 혼합기체는 본체(400)로 유입되어 다수의 분배공(402)을 구비한 압력분배판(401)을 거치면서 많은 양의 혼합기체가 제1연소버너(500)의 화염공으로 배출되는 것이어서 풍부한 연료가 공지된 점화장치(700)에 의하여 점화, 연소되면서 연소온도가 높아 화염팽창부(a)를 형성하면서 배출된다

아울러 제1연소버너(500)의 둘레에서 도면상 우측으로 분출되는 화염의 전체 길이와 둘레에 상응하는 길이로 형성된 제2연소버너(600)가 설치되어 있으므로, 제2연소버너(600)에 구비된 제2화염공(601)에서 형성되는 화염이 제1연소버너(500)의 화염 길이 및 둘레 전체에 걸쳐서 감싸는 형태로 연소하게 되는 바, 이러한 제2연소버너(600)의 화염은 도8로 보인 바와 같이 제1연소버너(500)에 비하여 그 표면적이 수배 더 넓은 반면 혼합기체가 제한된 공간인 통로(403)를 통하여 공급되므로 제1연소버너(500)에 비하여 혼합기체의 공급 압력이 저하되어 혼합기체의 연소량도 적게 됨에 따라 제2연소버너(600)의 화염과 제1연소버너(500)의 화염이 접하게 되는 화염접촉부(b)의 온도는 상기 화염팽창부(a)에 비하여 월등히 낮게 된다.

그 결과, 제2연소버너(600)에 의한 화염은 제1연소버너(500)의 화염 중심보다 화염 둘레의 온도가 낮게 되어 Thermal NOx의 발생을 억제하게 되는 것이다.

이와 함께 제2연소버너(600)의 제2화염공(601)에서는 도면상 하방 또는 상방으로 분사되는 화염기류가 형성되는 한편 제1연소버너(500)의 제1화염공(501)에서는 도면상 우측으로 진행하는 기류가 형성되어 이들이 직각으로 교차하므로 도면상 우측 상방과 도면상 우측 하방으로 맴돌며 진행하는 와류화염부(c)가 형성된다. 그 결과, 와류 화염부(c)는 이동경로가 길게 되어 도면상 우측 방향 진행 속도가 늦으므로 미연소 가스를 완전 연소시킴으로써 일산화탄소 배출을 방지하여 유해가스 배출을 억제하며 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이에 더하여 본 발명은 도4 및 도8의 부분 확대도인 도7로 명시한 바와 같이 상기 제1,2연소버너(500, 600)의 제1,2화염공(501,601)에 혼합기체를 공급하기 위한 제1,2유입공(502,602)이 구비되어 혼합기체가 공급되도록 함과 아울러, 상기 제1,2화염공(501,601)과 제1,2유입공(502,602) 사이 공간에 제1버퍼(503)와 제2버퍼(603)를 구비하여서 된 것이다.

이에 따라 본 발명은 상기한 바와 같이 배플(300)에 의하여 균일하게 혼합된 혼합기체가 압력분배판(401)의 분배공(402)을 경유하여 일부는 상기 제1연소버너(500)의 제1유입공(502), 제1버퍼(503)를 거쳐 제1화염공(501)으로 분출되면서 점화, 연소되는 것이고,

나머지는 압력분배판(401)에 의한 유체저항에 의하여 압력분배판(401)의 외곽으로 우회하여 제2유입공(602), 제2버퍼(603)를 거쳐 제2연소버너(600)의 제2화염공(601)으로 분출되면서 점화, 연소되는 것인바,

특히, 이러한 과정에서 도7로 명시한 바와 같이 제1버퍼(503) 및 제2버퍼(603)에 의한 공간에 혼합기체가 채워져 있어서 제1,2유입공(502,602)과 제1,2화염공(501,601) 사이에 압력변화가 발생할 경우 제1,2버퍼(503,603)에서 정체되어 압력 변화의 완충 역할을 하게 되어 안정된 점화 상태를 얻을 수 있고 역화를 방지할 수도 있게 되는 것이다.

아울러, 본 발명은 상기한 도7에서 확인되는 바와 같이 제1,2연소버너(500,600)의 제1,2유입공(502,602)과 제1,2화염공(501,601)의 위치가 서로 엇갈리도록 형성함으로써, 제1,2버퍼(503,603)에 의한 압력분산 가능을 강화하여 역화를 방지하고 화염이 더욱 안정화되도록 할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의한 단계 연소형 저녹스 연소버너는 여러 형태로 된 보일러 등 연소 설비에 장착하여 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예를 도9로 보였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 도9로 보인 적용예에서는 하방에 본 발명에 의한 버너를 장착하고 그 상방에 냉각수 유입 및 배출구를 갖는코일을 배치하여서 된 열교환부와 배기가스 열회수를 위한 열교환기등이 설치될 수 있으며 기타 다양한 형태의 연소기기에 장착하여 널리 활용할 수 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.

100 : 송풍기 200 : 플렌지바디 300 : 배플
301 : 경사가이드 302 : 반원공 400 : 본체
401 : 압력분배판 402 : 분배공 403 : 통로
500 : 제1연소버너 501 : 제1화염공 502 : 제1유입공
503 : 제1버퍼 600 : 제2연소버너 601 : 제2화염공
602 : 제2유입공 603 : 제2버퍼 700 : 점화장치
a : 화염팽창부 b : 화염접촉부 c : 와류화염부

Claims (3)

1. 송풍기와 연결되며 별도의 배관에서 공급되는 가스 연료가 주입되는 플렌지바디와, 상기 플렌지바디의 내측에 설치되며 동심원상으로 배열된 경사가이드와 반원공을 구비하여서 된 원추형판체로 된 배플과, 상기 배플을 통과하면서 균일하게 혼합된 연료와 연소공기로 된 혼합기체의 압력이 분산되도록 하기 위한 분배공을 구비하여서 된 압력분배판과, 상기 압력분배판을 통과한 혼합기체가 연소를 위한 제1연소버너로 공급됨과 아울러, 상기 압력분배판 외곽에 위치하는 통로를 경유하여 제2연소버너로 공급되도록 통로를 제공하기 위한 본체와,
   상기 본체에 체결되며 상기 압력분배판을 경유한 혼합기체가 유입되며, 수직면상으로 형성된 제1화염공을 구비하여서 된 기립구조의 제1연소버너와,
   상기 제1연소버너의 둘레에 연결되어 직교하는 화염 분출 방향으로 고정된 관상체에 형성된 제2화염공을 구비하여서 된 제2연소버너를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 단계 연소형 저녹스 연소버너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1,2연소버너의 제1,2화염공에 혼합기체를 공급하기 위한 제1,2유입공이 구비되어 혼합기체가 공급되도록 함과 아울러,
   상기 제1,2화염공과 제1,2유입공 사이 공간에 제1버퍼와 제2버퍼를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 단계 연소형 저녹스 연소버너.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1,2연소버너의 제1,2유입공과 제1,2유입공의 위치가 서로 엇갈리도록 형성하여서 됨을 특징으로 하는 단계 연소형 저녹스 연소버너.
   

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