KR940007372Y1 - 저 NOx 라디안트 튜브 버너(Radiant Tube Burner) - Google Patents

저 NOx 라디안트 튜브 버너(Radiant Tube Burner) Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

저 NOx 라디안트 튜브 버너(Radiant Tube Burner)
제1도는 본 고안에 따른 라디안트 튜브 버너의 내부 구조도.
제2도는 종래기술에 따른 흡출기를 장착한 연소 폐가스 재순환식 라디안트 튜브버너의 내부 구조도.
제3도는 종래기술에 따른 흡인 송풍기를 이용한 연소 폐가스 재순환식 라디안트 뉴브버너의 내부구조도.
제4도는 연소 폐가스 재순환법의 NOx생성저감 효과를 나타내는 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 라디안트 튜브버너 2 : 1차 공기공급구멍
3 : 1차 연소통 4 : 선회익
5 : 폐가스 생성용 연소통 6 : 연료 파이프
7 : 주 연료 분사구멍 8 : 부 연료 분사구멍
9 : 연소폐가스 분출구멍 10 : 리디안트 튜브(Radiant Tube)
11 : 연료 안내관 12 : 1차 연소실
13 : 2차 연소실 14 : 흡출기
15 : 송풍기 16 : 열 교환기
본 고안은 압연공정의 연속 소둔로 등에서 소재의 간접가열을 위하여 사용되고 있는 라디안트 튜브 버너(Radiant Tube Burner)에 관련된 것으로, 좀더 상세히는 흡출기나 송풍기를 사용하여 연소폐가스를 연소공기중에 강제 혼입시키는 통상의 연소 폐가스 재순환식 저 NOx(질소 산화물) 라디안트 튜브 버너에 비하여 연료의 일부를 선행 연소시켜 이때 생성되는 연소폐가스가 1차 적으로 연소용 공기에 혼합되도록 하고 1차 연소통의 연소폐가스가 나머지 연소용 공기류에 일부 혼합되도록 함으로서 산소분율이 저하된 연소용 공기가 연료가스와 반응케 함으로서 연료의 급속연소를 완화시켜 NOx생성량의 저감과 동시에 균일한 튜브온도를 얻을 수 있도록 한 라디안트 튜브버너에 관한 것이다.
라디안트 튜브 버너(Radiant Tube Burner)는 소재를 특정한 분위기 조건 하에서 가열하여야 할 필요가 있을때 사용되는 간접 가열방식의 버너로서, 연소는 밀폐된 공간에서 이루어지며 고온의 연소 폐가스가 U자 또는 W자 형의 튜브내를 흐르면서 튜브 표면을 가열하게 된다. 피가열물(소재)은 적열된 튜브의 표면으로 부터 방출되는 복사열(Radiant Heat)에 의하여 가열된다.
라디안트 튜브버너에 있어서는 밀폐된 공간에서 연소 반응이 이루어질 뿐만아니라 고온의 연소폐가스가 한정된 밀폐 공간 내부를 흐르기 때문에 연소폐가스의 고온부 체류 시간이 통상의 개구식 버너(Open Burner)에 비하여 길다. 이는 연소공기중의 질소가 고온의 분위기하에서 산소와 반응할 수 있는 시간을 제공해 주므로 이로 인해서 NOx의 생성량이 증대된다. 실제로 라디안트 튜브버너의 운용에 있어서 NOx의 배출은 중요한 문제점으로 지적되고 있다. 또한 소재의 가열 측면에서 볼 때에 튜브 표면의 균일한 적정 온도분포를 유지하는 것이 튜브의 수명 연장과 효율적인 가열에 있어서 대단히 중요하다. 따라서 라디안트 튜브버너의 설계에 있어서는 NOx생성량의 저감과 튜브표면에서의 온도구배를 최소화 하는 것이 요구되고 있으며, 이는 연료와 공기의 적절한 혼합 및 연소방법과 직결된다.
라디안트 튜브 버너에 대한 상기의 NOx 생성저감과 튜브온도 균일화를 위하여 가장 보편적으로 채택되고 있는 연소기술로는 연소공기를 단계적으로 분사시켜 급속한 연소를 억제함으로서 화염부의 최고온도를 저하시켜 NOx생성을 억제함과 동시에 튜브의 국부적 과열을 방지하는 2단 연소방법이 있다. 그러나 이러한 2단 연소방법 만으로는 NOx 생성량을 30%이상 저감하기가 어렵기 때문에 환경 규제치를 초과하는 경우가 많다. 따라서 보다 큰 NOx 저감 효과를 얻기 위하여 상기 2단연소법과 병행하여 연소 폐가스를 연소공기 중에 혼입하여 연소공기중의 산소분율을 저하시킴으로서 화염온도 저하와 동시에 질소와 반응할 수 있는 산소의 농도를 저하시키도록 된 폐가스 재순환 연소방식이 시도되고 있다. 상기 폐가스 재순환 연속방식으로는 현재까지 흡출기나 송풍기를 이용하여 연소폐가스를 강제적으로 연소공기중에 혼입시키는 방식이 제시되어 있고 이러한 방식은 부속기기의 설치가 요구되며 운전조건 변화시에도 적정한 연소 폐가스 재순환율을 유지하기가 곤란한 단점을 지니고 있다.
제2도와 제3도는 이러한 폐가스 재순환방식에 의한 NOx 저감효과를 얻기 위하여 제시된 공지의 기술을 예시한 그림이다. 제2도는 연소공기를 흡출기(14)를 통하여 버너(7)에 공급하고 이흡출기(14)의 흡인력을 이용하여 튜브(10) 출구(17)의 연소 페가스 일부가 연소공기로 혼입되도록 한 것이다. 이러한 방식은 라디안트 튜브(10)의 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 연소부하가 변동되거나 공기비의 변동에 의하여 연소공기의 양이 변화될 경우 흡인력이 변화되어 혼입되는 폐가스의 양이 변화되는 단점이 있다. 재순환 되는 연소 폐가스의 양이 적절하지 않은 경우에는 불완전 연소로 인한 열효율 저하, 연소상태 불안정등과 같은 심각한 조업상의 문제를 야기하게 된다. 제3도는 송풍기(15)에 의한 강제혼입 방법을 예시한 것이다. 이 경우에도 연소조건의 변화에 따라 혼입되는 폐가스 양의 적절한 조절이 불가능하다. 더우기 이러한 방법은 송풍기(15)와 배관의 설치가 필요하고 송풍기의 운전을 위한 부가적인 비용이 요구된다. 특히 라디안트 튜브버너의 1개의 노에 수십개 내지 수백개가 배치되는 경우가 일반적이므로 이러한 방법의 적용시에는 설치가 대단히 곤란해 진다.
제4도는 가스연료 연소시 NOx생성 억제를 위한 공지의 연소 페가스 재순환 효과를 도시한 것이다.
그림에서 재순환율 R은 재순환 되는 연소 폐가스 량(mR) 연소공기 유량(mA) 그리고 연료량(mP)의 합에 대한 연소 폐가스 량(mR)의 비율을 나타낸다. 재순환율 R이 커질수록 NOx생성은 급격히 저하되면 25%(P.Q점) 정도에 이르면 한계에 도달한다.
그림에서 폐가스 재순환율을 25%수준으로 할 경우 NOx 저감율은 거의 70%정도에 이르게 되며 공기비의 변화는 그 효과에 영향을 미치지 못함을 알 수 있다. 폐가스 재순환법에 의한 NOx 생성 저감은 주로 연소공기 중의 산소농도 저하에 기인하여 그 저가효과가 타 방법에 비하여 월등하고 공기비 변화나 부하 변동등의 조업조건 변화시에도 적용가능한 것이 특징으로 알려져 있다. 또한 재순환되는 연소 폐가스의 온도와 NOx저감 효과와는 거의 관계가 없음이 밝혀져 있다.
본 고안은 상기 종래의 기술에서 발생되는 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서 라디안트 튜브 버너내에서 연소 폐가스가 자체적으로 생성되어 연소용 공기와 혼입하도록 함으로소 흡출기나 송풍기가 필요없게 되고, 종래의 2단 연소식 버너에 비하여 NOx 생성저감 효과가 크면서 튜브의 온도분포가 균일하게 되는 라디안트 튜브 버너를 제공함에 목적이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 고안을 보다 상세히 설명한다.
제1도에는 본 고안의 실시예가 도시되어 있다. 본 고안에 의한 라디안트 튜브 버너(1)는 기본적으로 2단 연소식 구조를 갖추고 있다. 연소공기용 덕트(D)의 내부에는 1차 연소통(3)이 축방향으로 고정, 위치되고 상기 1차 연소통(3)이 고정된 부위에는 복수개의 1차 공기 공급구멍(2)이 원주방향으로 복수개 형성되며 상기 1차 연소통(3)의 몸체부에는 단부(段部)가 형성되어 직경이 축소된 연료안내관(11)이 형성되고, 상기 단부에는 복수개의 폐가스 분출구멍(9)이 형성되어 있다.
또한, 상기 1차 연소통(3) 내측에는 폐가스 생성용 연소통(5)이 위치되어 상기 1차 연소통(3)의 내측면과, 폐가스 생성용 연소통(5)의 외주면 사이에는 공기통로가 생성된다. 그리고, 상기 연소용 공기덕트(D)의 일측을 관통하여 삽입된 연료파이프(6)가 상기 폐가스 생성용 연소통(5) 내부로 연장되고, 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 내측면과 상기 연료파이프(6)의 외주면 사이에 공기통로가 형성되며, 상기 연료파이프(6)의 선단부는 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 선단부까지 연장되어 복수개의 주연료 분사구멍(7)이 형성되는 한편, 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 타측단부 근방에는 상기 연료파이프(6)의 원주방향으로 복수개의 부연료 분사구멍(8)이 형성되어 있다. 또한, 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 일측단부 외측면과 상기 1차 연소통(3)의 내측면 사이의 환형공간에는 복수개의 선회익(4)이 형성되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 고안의 라디안트 튜브버너(1)는 연소공기 덕트(D)를 통과한 전체 연소용 공기의 30%내지 40%가 1차 공기 공급구멍(2)을 통하여 1차 연소통(3)내로 유입되고, 나머지 60% 내지 70%의 공기는 상기 1차 연소통(3)의 외주면과 튜브(10)의 내측면에 형성된 공기통로를 따라 흐르게 된다. 상기 1차 공기 공급구멍(2)을 통하여 유입된 연소용 공기는 일부가 1차 연소통(3)의 내측면과 폐가스 생성용 연소통(5)의 외주면 사이에 형성된 공기통로를 통하고, 선회익(4)을 통하여 상기 1차 연소통(3) 내부의 1차 연소실(12)로 유입되고, 나머지 일부가 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 내측면과 연료파이프(6)의 외주면 사이에 형성된 공기통로로 유입되어, 상기 연료파이프(6)의 부연료 분사구멍(8)을 통해 배출된 연료가스의 일부와 혼합되고 반응하여 연소 폐가스를 생성시켜 1차 연소통(3) 내의 1차 연소실(12)로 유입시킨다.
상치 1차 연소실(12)에서는 상기 1차 연소통(3)의 내측면과 폐가스 생성용 연소통(5)의 외주면 사이에 형성된 공기통로로 유입되는 연소용 공기와, 상기 폐가스 생성용 연소통(5)의 내측면과 연료파이프(6)의 외주면 사이에 형성된 공기통로를 통하여 유입되는 폐가스 및, 상기 연료파이프(6)의 주연료 분사구멍(7)을 통해 유입되는 연료가스가 서로 혼합되어 반응한다. 이때, 선회익(4)은 상기 1차 연소통(3)의 내측면과 폐가스 생성용 연소통(5)의 외주면 사이를 통과하는 공기류에 선회류성분을 부여하여 난기류를 발생시켜 연소반응을 촉진한다. 또한, 상기 1차 연소실(12)에서 연소되지 못한 연료가스는 상기 튜브(10)의 2차 연소실(13)에서 60%내지 70%의 연소용공기와 반응하여 연소가 완료된다.
예로서, 상기 1차 공기 공급구멍(2)을 통하여 연소용 공기의 30%가 유입되고, 연료파이프(6)의 부연료 분사구멍(8)을 통하여 전체 연료 가스의 7%가 분출되는 경우, 제4도의 폐가스 재순환율(R)에 해당하는 연소폐가스 분율을 1차 연소실(12)내로 유입되는 폐가스량을 기준으로 계산된다. 즉, 폐가스 생성용 연소통(5)의 내측면과 연료파이프(6)의 외주면 사이에 형성된 공기통로에서 연소용 공기와 연료가스가 반응하여 생성된 폐가스량을 이용하여 계산한 폐가스 재순환율(R)은
이다.
상기 (1)식에서 G는 이론 연소폐가스 생성량, A는 이론공기량, m은 공기비(과잉공기량/이온공기량)이다. 상기(1)식에서 분자와 분모의 첫째항은 폐가스 생성용 연소통(5)내에서 생성된 폐가스양이고 연소폐가스량(mR)에 해당된다.
본문의 둘째항은 1차 연소실(12)로 유입되는 연소용 공기의 양을 나타내고 연소공기유량(mA)에 해당하며, 0.23은 1차연소실(12)에서 반응하게 되는 연료의 량(mP)에 해당한다. 여기서 연료량(mP)의 수치가 0.23인 까닭은 상기 1차 연소통(3)으로 유입되는 30%의 연소용 공기가 7%의 연료와 반응하여 폐가스를 생성시킨후 나머지 23%의 연소용 공기가 1차 연소실(12)로 유입되기 때문에, 상기 23%의 연소용 공기에 대응하여 23%의 연료가스가 반응하고 나머지 70%연료가스는 추후에 2차 연소실(13)에서 반응하게 된다. C.O.G(Coke Oven Gas)를 연료로 사용하는 경우는 G=5.28, A=4.6이고, 공기비 m=1에 대하여 계산하면
가 된다. 또한 공기비가 1.3인 경우에 대해서도 이러한 R의 값은 0.23이 되는 것으로 계산되어 지는데, 이는 공기비 변화에 거의 관계없이 제4도에 나타낸 바와같은 연소 폐가스 재순환 효과를 극대화 할 수 있음을 의미한다.
1차 연소실(12)내의 중심 주근은 연료자체 또는 연료 과농상태가 되며 벽면부근에는 연소용 공기와 연료가스가 반응하여 생성된 연소 폐가스가 존재하게 된다. 이 연소 폐가스는 1차 연소통(3)의 단부에 장착된 연소 폐가스 분출구멍(9)을 통하여 연소용 공기류에 혼입되며, 연료 안내관(11)은 상기 연소통 공기가 연료가스와 반응하기 전에 혼입된 연소폐가스와 충분히 혼합될 수 있도록 하는 역할을 한다.
상기와 같이 본 고안은 부 연료 분사구멍(8)을 설치하여 전체 연료의 7% 내지 10%를 폐가스 생성용 연소통(5)내에서 1차 적으로 연소시켜 연소 폐가스를 자체 생성하고 이를 연소용공기에 혼합한 후 1차 연소실(12)에서 연료가스와 반응케 하고 이때 생성된 폐가스를 연소 폐가스 분출구멍(9)을 통하여 나머지 연소용 공기에 혼입시킴으로서 버너 자체내에서 연소 폐가스가 연소용 공기에 혼입되도록 하여 송풍기나 흡출기를 설치하지 않고도 연소 폐가스 재순환의 효과를 얻어 NOx의 생성을 저감시키며 완만한 연소를 실현하여 라디안트 튜브의 온도본포 균일화가 가능토록 하는 유익한 특징이 있는 것이다.

Claims (1)

  1. 연소공기용 덕트(D)에 연결된 튜브(10)를 갖추고, 상기 튜브(10) 내측에는 1차 공기공급구멍(2)을 갖춘 1차 연소통(3)이 장착되며, 상기 1차 연소통(3)의 일측단부에는 직경이 축소된 연료안내관(11)이 고정되는 한편, 상기 1차 연소통(3)의 내측에는 연료파이프(6)가 위치되고, 상기 1차 연소통(3)과 연료파이프(6) 사이에는 폐가스 생성용 연소통(5)이 위치되어 상기 연료파이프(6)의 외주면과 폐가스 생성용 연소통(5)의 내측으로 연소용 공기가 공급되고, 상기 폐가스 생성용 연소통(5) 내측의 연료파이프(6)에는 다수개의 부원료 분사구멍(8)이 형성되어 상기 연료파이프(6)의 외주면과 폐가스 연소통(5)이 내측으로 연료가스가 공급되는 폐가스 재순환 연소방식의 라디안트 튜브에 있어서, 상기 1차 연소통(3)과 연료안내관(11) 사이에는 다수개의 폐가스 분출구멍(9)이 형성되어 1차 연소통(3) 내부의 연소폐가스가 연료 안내관(11)의 외측에서 흐르는 연소용 공기류에 혼입됨을 특징으로 하는 저NOx 라디안트 튜브버너.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100940430B1 (ko) * 2007-03-16 2010-02-10 쥬가이로 고교 가부시키가이샤 라디언트 튜브 버너
CN114008400A (zh) * 2019-06-12 2022-02-01 国民大学校产学协力财团 形成有再循环区域的燃烧散热板

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