KR950003880Y1 - 라디안트 튜브(Radiant Tube) 버너용 가스연료 분사노즐 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

라디안트 튜브(Radiant Tube) 버너용 가스연료 분사노즐

제1도는 일반적인 2단연소식 라디안트 튜브버너의 종단면 구조도.

제2(a)도 및 제2(b)도는 종래 연료분사노즐의 정면도 및 종단면 구조도.

제3도는 종래의 연료분사노즐이 사용시 공기와 연료의 혼합상태를 보인 개략 구성도.

제4도는 연료와 공기의 혼합시 공기비에 다른 질소산화물의 생성원리를 설명하는 그래프도.

제5(a)도 및 제5(b)도는 본 고안에 따른 라디안트 튜브버너용 가스 연료분사 노즐을 도시한 정면도 및 종단면 구조도.

제6도는 본 고안에 따른 가스 연료분사노즐의 사용시 공기와 연료의 혼합상태를 보인 개략 구성도.

제7도는 종래 및 본 고안의 가스 연료분사노즐 사용시 질소산화물 발생량을 비교 실험한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 라디안트 튜브(Radiant Tube) 2, 3 : 1차 및 2차 연소실

4 : 연료주입구 5 : 연료공급관

6, 7 : 연료분사구 8 : 가스연료 분사노즐

9 : 공기주입구 10 : 1차 공기공급구

11 : 1차 연소통

본 고안은 열처리로, 건조로 및 연속소둔로등에 사용되는 라디안트 튜브(Radiant Tube)용 가스 버너에 관한 것으로 보다 상세하게 설명하면, 라디안트 튜브와 동심으로 내부에 설치된 가스 연료분사노즐로 부터 가스연료가 분사되어 연소하는 라디안트 튜브버너의 가스 연료분사노즐 전면부에 노즐축심의 수평단면을 기준으로 축심상부보다 축심하부측으로 연료가 많이 분사되도록 다수개의 연료분사구를 설치함으로써, 노즐축심의 상부는 연료희박상태로 하고, 상기 축심보다 하부에는 연료과잉상태로 연소토록 하여 연료의 연소시 발생되는 질소산화물의 발생을 극소화할 수 있도록 한 라디안트 튜브버너용 가스연료 분사노즐에 관한 것이다.

일반적으로 열처리로, 건조로 혹은 연속소둔로등에 사용되는 라디안트 튜브를 이용한 가열방식은, 튜브내에서 가스 연료를 연소시 발생되는 열이 튜브를 통하여 복사됨으로서 피가열물을 가열토록 하는 간접 가열방식으로서 분위기 제어가 필요한 열처리 설비등에 널리 사용되는 것이다.

이와같은 라디안트 튜브내에 버너를 설치하여 가스 연료를 연소시킬 경우, 좁은 공간인 튜브내에서의 고부하 연소가 필수적인 관계로, 고온의 연소폐가스가 역시 고온으로 적열된 튜브내를 흐르기 때문에 고온역에서의 체재시간이 길어지게 되고, 또한 대부분의 라디안트 튜브버너는 흡인연소 방식이기 때문에 제어상 저과잉공기비 연소가 곤란하여 비교적 높은 공기비에서 운용되어지는 것이다.

따라서, 라이안트 튜브버너의 연소시에는 가열로 혹은 보일러등과 같은 넓은 공간에서 연료를 연소시킬때 보다 훨씬 많은 질소산화물이 발생하게 되는 단점이 있는 것이다.

이와같은 라디안트 튜브버너에서 다량으로 발생되는 질소산화물의 발생량을 저감하기 위한 저질소 산화물버너가 제안된 바 있다. 즉, 미국특허 제4,813,867호에 있어서는, 연소용공기를 단계적으로 부사시켜 급속한 연소를 억제함으로서 화염부의 최고온도를 저하시켜 질소산화물 발생을 억제토록 하는 2단 연소방식의 라디안트 튜브버너이다.

상기 라디안트 튜브버너는, 질소산화물의 억제수단으로 단지 공기 2단 분사방식만을 채용함으로써 종래의 버너인 1단 연소식 버너에 비해 30%이상의 질소산화물 저감은 실현이 곤란하여 실용상 극히 유용하게 채택되지 못하는 문제점이 있는 것이다.

한편, 상기와 같은 기술과 관련된 일반적인 2단 연소식 라디안트 튜브버너의 구조에 있어서는 제1도에 도시한 바와같이, 라디안트 튜브(1)의 내부에 1차 연소실(2) 및 2차 연소실(3)이 마련되며, 상기 라디안트 튜브(1)의 일측단부에는 연료주입구(4)와 연설된 연료공급관(5)의 단부에 중앙의 연료분사구(6)를 중심으로 원주방향에 균일하게 천설된 다수개의 연료분사구(7)차 형성된 가스 연료분사노즐(8)이 설치되는 한편, 라디안트 튜브(1)의 저부에는 공기주입구(9)가 형성되어 1차 및 2차 연소실(2, 3)내로 공기를 주입하는 구조로 이루어진다.

이와같은 구조를 갖는 라디안트 튜브 버너는 제1도 및 제2도에 도시한 바와같이, 연료주입구(4) 및 연료공급관(5)을 통해 공급되는 가스 연료는 가스 연료분사노즐(8)을 통하여 1차 및 2차 연소실(2)(3)로 분사되며, 이때 연소용 공기는 공기주입구(9) 및 1차 연소통(11)에 형성된 1차 공기공급구(10)를 통해 공급되어 1차 연소실(2)내부로 분사되는 1차 공기와, 라디안트 튜브(1)와 1차 연소통(11)사이의 환상공간(12)을 통하여 2차 연소실(3)로 분사되는 2차 공기로 각각 나뉘어져 분사된다. 그리고 가스 연료분사노즐(8)에서 분사되는 가스연료는 상기 1차 공기에 의해 1차 연소실(2)내에서 1차로 연소되고, 미연소분은 2차 연소실(3)인 라디안트 튜브(1)내에서 2차 공기에 의해 완전히 연소되는 것이다.

한편, 제2도 및 제3도에 도시한 바와같이 종래의 가스 연료분사노즐(8)은, 중앙의 연료분사구(6)를 중심으로 원주방향으로 균일하게 다수개의 연료분사구(7)가 형성되는 관계로, 전체적으로 가스 연료분사노즐(8)의 전면부에서 균일하게 분사되도록 한다. 이때, 가스연료와 공기의 혼합시 질소산화물의 생성원리를 제4도의 그래프에 도시한 바와같이, 라디안트 튜브(1)와 같이 연소실 내부의 온도가 공기비에 따라 종속되는 경우 공기비의 변화에 따른 질소산화물 발생량은 특정공기비(1.1-1.2)에서 극대치를 나타내는 역포물선 형태를 가지게 된다. 이는 가스연료의 종류에 따라 차이가 있으나 대개의 경우 1. 1-1.2의 범위내에 있게 되는 것으로 알려져 있다.

따라서 전체공기비 1.2정도에서 연소시키는 경우, 종래의 가스연료 분사노즐(8)을 사용하는 경우에는, 가스연료분사노즐(8)을 통해 분사되는 가스 연료가 공기와 균일하게 혼합되므로 제4도의 A점에서와 같은 질소산화물의 발생을 예측할 수가 있는 것이다.

본 고안은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 라디안트 튜브의 동축심으로 내부에 설치된 가스연료 분사노즐로 부터 가스 연료가 분사되어 연소하는 라디안트 튜브버너의 가스 연료분사노즐 전면부에 노즐축심의 수평단면을 기준으로 축심상부보다 축심하부측으로 가스 연료가 많이 분사되도록 다수개의 동일구경을 갖는 연료분사구를 설치함으로써, 가스 연료분사노즐 축심의 상부는 연료희박상태, 상기 축심하부에는 연료과잉상태로 연소토록 하여 가스 연료의 연소시 발생되는 질소산화물의 발생을 극소화할 수 있는 라디안트 튜브버너용 가스 연료분사노즐을 제공하는데 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 고안을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제5(a)도 및 제5(b)도는 본 고안에 따른 라디안트 튜브 버너용 가스 연료분사노즐을 도시한 정면도 및 종단면 구조도로서, 제1도에 의한 일반적인 2단 연소식 라디안트 튜브버너의 종단면 구조도와 같이 설명하면, 라디안트 튜브(1)의 내부에 1차 연소실(2) 및 2차 연소실(3)이 각각 마련되며, 상기 라디안트 튜브의 일측단부에 연료 주입구(4)와 연설된 연료공급관(5)이 1차 연소실(2)내부에 설치되며, 그 단부에 가스 연료분사노즐(8)이 설치되는 한편, 상기 라디안트 튜브(1)의 저부에는 공기주입구(9)가 형성되어 1차 및 2차 연소실(2, 3)내로 공기가 주입되는 구조로 이루어진다.

또한, 상기 라디안트 튜브(1)의 연료공급관(5)과 동축심으로 설치된 가스연료분사노즐(8)의 전면부의 노즐 축심(Po)에 연료분사구(6)가 하나 형성되고, 이 연료분사구(6)를 중심으로 하여 그 주위의 적정 반경위치에 다수개의 동일구경을 가지는 연료분사구(7)가 형성되는데, 이때 1개의 연료분사구(7)가 노즐축심(Po)의 수평단면을 기준으로 하여 축심상부(P₁)측인 연료분사구(6)직상부에 위치토록 하고, 3개의 연료분사구(7)가 축심하부(P₂)측에 위치토록 하며, 상기 축심하부측 연료분사구(7)는 좌, 우 대칭형 보다 바람직하게는 연료분사구(6)직하부에 1개를 위치시키고 그 직하부측 연료분사구(7)에 대해 60°위치에 연료분사구(7)를 1개씩 위치시켜 구성된다.

이와같은 구성으로 이루어진 본 고안의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

제5도 및 제6도에 도시한 바와같이, 연료주입구(4) 및 이와 연설된 연료공급관(5)을 통해 공급되는 가스 연료는 가스 연료분사노즐(8)을 통해 1차 연소실(2)로 분사되고, 연소용 공기는 공기주입구(9) 및 1차 연소통(11)에 형성된 1차 공기공급구(10)를 통해 1차 연소실(3)로 공급되고, 일부는 라디안트튜브(1)와 1차 연소통(11)사이의 환상공간(12)을 통해 2차 연소실(3)로 공급된다.

이때, 가스연료 분사노즐(8)은 노즐축심(Po)을 중심으로 축심상부(P₁)보다 축심하부(P₂)측으로 가스 연료가 많이 분사되도록 동일구경으로 된 다수개의 연료분사구(7)(7)(7)…를 설치함으로써, 축심하부측의 연료분사길이는 같으면서 축심상부(P₁)측은 연료희박상태로 되고, 축심하부(P₂)측은 연료과잉 상태로 연소를 하게 된다.

즉, 종래의 연료분사노즐과 마찬가지로 전체 공기비 1.2정도에서 연소시키는 경우 제4도의 그래프도에서와 같이, 축심상부(P₁)측은 연료희박(공기과잉)상태로 b점에 해당되고, 축심하부(P₂)측은 연료과잉(공기희박)사태로 되어 a점에 상당하므로, 전체적인 질소산화물의 발생량은 제4도의 A점과 같은 극대치를 갖지 않고, 제4도 B점과 같은 낮은 수준의 질소산화물이 발생되는 것이다.

제5(b)도에 도시된 미설명 부호 θ는 연료분사구(7)가 노즐축심(Po)에 대해 적정각도 편심될수 있음을 보인다.

따라서, 본 고안의 가스 연료분사노즐(8)은 종래의 가스 연료분사노즐 사용시보다 제4도의 A-B만큼의 질소 산화물 발생량이 저감되는 것이다.

즉, 본 고안은 연료분사구(7)의 구경이 동일하므로 종래의 경우 특히, 구경이 서로 다를때 야기될 수 있는 화염길이 신장에 의한 미연분의 발생이나 후연소, 튜브 온도 불균일화등을 유발시키지 않으므로 라디안트 튜브버너에서 중요 기술인 튜브내에서의 완전연소를 달성할 수 있는 것이다.

한편, 제7도는 종래의 가스 연료분사노즐과 본 고안의 가스 연료분사노즐을 사용한 경우의 질소산화물 발생량에 대한 실험결과를 나타낸 그래프로서, 비교실험에서 제1도와 같은 공기 2단 연소식 라디안트 튜브 버너를 이용하여 가스 연료분사노즐만 교체하여 그 결과를 파악하였다.

상기 결과는, 연소용량 13.5만 Kcal/hr인 가스 연료분사노즐의 연소부하 100%에 대한 것으로서, 각 실험조건별 실험로내 평균분위기 온도는 950℃로 유지하였다.

이때, 연료는 발열량 4400Kcal/Nm³인 코크스로 가스를 사용하였다.

상기 실험에서 알수 있듯이 본 고안의 가스 연료분사노즐을 사용하는 경우 질소산화물 발생의 대폭적인 저감이 가능함을 알수 있다.

상술한 바와같이 본 고안의 라디안트 튜브버너용 가스연료 분사노즐에 의하면, 노즐축심(Po)의 수평단면을 기준으로 축심상부(P₁)보다 축심하부(P₂)측으로 가스 연료가 많이 분사되도록 동일구경으로 된 다수개의 연료분사구를 설치함으로써, 연료의 연소시 발생되는 질소산화물의 발생을 극소화할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 라디안트 튜브(1)의 내부중심에 라디안트 튜브(1)와 동심축상으로 설치되는 연료공급관(5)의 가스 연료분사노즐(8)로 부터 가스 연료가 분사되어 연소되는 라디안트 튜브용 가스버너에 있어서, 상기 가스연료 분사노즐(8)의 전면부의 노즐축심(Po)에 형성되는 연료분사구(6)를 기준으로 한 동일반경의 위치에 동일구경의 연료분사구(7)를 다수개 형성하고, 상기 연료분사구(7)는 연료분사구(6)의 직상부에 1개 설치되며 연료분사구(6)의 하부에 좌,우 대칭형으로 3개 설치됨을 특징으로 하는 라디안트 튜브 버너용 가스 연료분사노즐.