KR970003605B1 - 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너 - Google Patents

Abstract

없음

Description

저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너

제1도는 본 발명에 따른 버너의 개략 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 버너12 : 엘보우

14 : 노즐입구16 : 노즐파이프

17 : 플랜지18 : 제2공기바람통

20 : 수벽22 : 연소체임버

24 : 버너외벽26 : 물튜브

28 : 원추형확산기30 : 버너포트

32 : 노즐파이프내벽34 : 플러그외벽

38 : 중공플러그40 : 분무출구

42 : 중간혼합물44 : 구동장치

46 : 노즐출구50 : 제2공기통로

54 : 슬라이드댐퍼56 : 환상외부통로

57,59 : 베인58 : 환상내부통로

60 : 화염안정화링

본 발명은 연료버너에 관한 것으로서, 특히 석탄, 기름, 가스를 연소시키면서 비교적 짧은 화염으로도 저질소 화합물을 방출하는 효과가 있는 새롭고 유용한 버너에 관한 것이다.

일반적으로 저질소화합물 석탄연소버너는 연소하는 동안 일산화탄소의 생성을 감소시키기 위해 공기스테이징(staging) 및/또는 연료스테이징 원리에 의존하는바, 어떤 경우에도 일산화질소나 이산화질소보다는 질소화합물을 생성시키기 위해 반작용이 발생되도록 과연료/저산소 조건하에서 일부연소가 필연적인데, 좋은 예로서는 미국 특허 제4,836,772호에 공기스테이징과 연료스테이징원리를 이용하여 저질소 화합물을 방출하는 버너가 게재되어 있다.

여기서 상기 공기스테이징은 연료에 혼합되는 공기유입량을 조절할 수 있는 2갈래의 공기유입버너통의 배치구조에 의해 이루어져, 결과적으로 버너를 통해 유입된 모든 공기가 즉시 연료와 혼합되지 않고 공기의 유입이 점차적으로 이루어지도록 조절된다.

그리고 상기 연료스테이징은 조절된 과연료구역내에서 연료의 유입에 의해 달성되지만 이는 불완전 연소와 탄화수소물을 생성시키게 되고, 상기 탄화수소물이 연소물들과 혼합되기도 하고 화염속에서 이미 형성된 질소화합물을 감소시키는데, 이러한 조합효과는 연료와 공기의 혼합을 지연시키기에 충분한 운동량을 갖고서 연소실내로 축방향으로 배치된 연료젯트에 의해 달성되지만, 상기한 버너/연소공정에서는 바람직하지 못하게 비교적 화염이 길게 된다.

또한 공기/연료의 혼합은 신속한 혼합에 의한 고질소화합물보다 훨씬 긴 화염을 초래하는 경향이 있고, 이렇게 길어진 화염은 용광로벽과 충돌하여 용재침전과 부식 및 비연소물층(냉화염)을 높이게 되는데, 이러한 현상들은 각각 작동과 수명 및 연소효율에 심각한 영향을 미치게 되고, 상기한 연료스테이징에 관해서는 미국특허 제4,206,712호에 개지되어 있다.

한편 저질소화합물버너에서 화염길이를 감소시키기 위해 임펠려를 석탄노즐을 출구에 장착시켜 연료분출을 편향시켜줌으로써 축방향의 연료운동과 화염길이를 줄일 수도 있으나, 이 경우에는 질소화합물이 심각하게 증가하는 문제점이 있고, 이와 달리 미국특허 제4,440,151호에 게재된 버너에서는 노출출구에서 가속되고 편류되는 여러갈래의 흐름내로 연료분출을 분리시키도록 되어 있지만 임펠러를 사용한 미국 특허제 4,836,772호호에 개재된 버너에서와 마찬가지로 질소화합물생성의 문제가 발생하며, 이에 부가하여 미국특허 제4,400,151호에 게재된 버너는 연료분사속도의 조절효과를 신뢰할 수 없으므로, 이 고안은 기계적 신뢰도가 빈약한 문제점이 있었다.

그리고 시험에 의해 미국특허 제4,836,772호에 개재된 버너는 저량의 질소화합물을 갖는 짧은 화염을 만들어줄 수 있지만 연료분사운동량을 증가시키기 위해 고에너지의 제2차공기소용돌이가 필요하게 되는데, 이 고에너지의 제2차공기소용돌이는 상당히 높은 버너압력의 강하를 요구하게 된다.

한편, 미국특허 제4,768,948호에는 버너축에 평행하게 조밀한 화염을 만드는 환형버너노즐이 개재되어 있고, 미국특허 제4,428,727호에는 노즐로부터 환형배출구간격을 변화시킬 수 있는 축방향으로 이동가능한 부품을 갖춘 고체연료용 버너가 게재되어 있으며, 미국 특허 제3,049,085호에는 축방향으로 조절가능한 임펠러가 게재되어 있다.

이에 본 발명은 비교적 화염의 길이가 짧으면서도 저질소화합물을 방출할 수 있는 버너에 관한 것으로서, 이 본 발명에 따른 버너는 일반적으로 미국특허 제4,936,772호에 게재된(본 발명의 참조로서 병합됨) 축방향의 석탄노즐과 이 노즐주위를 둘러싼 2갈래의 공기유입버너통을 갖춘 버너와 유사하지만, 석탄노즐이 증공플러그에 맞춰질 수 있도록 변형되고, 하나의 파이프는 버너엘보우로부터 혼합장치 노즐을 통과하여 뻗어 원추형확산기로 사용되며, 석탄/1차공기(PA) 혼합물은 노즐벽 부근의 과연료구역안으로 원추형 확산기에 의해 확산되면서 연료는 미국특허 제4,380,202호에서와 같이 중심부를 향해 편향된다.

그리고 상기 노즐은 유동구역의 입구에 비해 약 2배 정도 확장되고, 이 노즐이 확장됨에 따라 중앙파이프 역시 대체로 노즐입구지역에 상응한 지역을 차지하도록 확장되어 있으므로, 중공플러그의 외주면을 따라 이동하는 연료/1차 공기 혼합물은 노즐입구에서와 거의 같은 속도로 이동하고, 상기 중공플러그를 갖춘 중앙노즐파이프는 버너노즐선단에 대해 저·후로 이동이 가능하여 연료/1차 공기혼합물의 배출속도가 변화되게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 석탄과 기름내지 가스연소용 버너를 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 버너는 축방향으로 이동가능한 플러그를 갖추고, 이 플러그에는 분말형태의 석탄을 이동시키는 노즐파이프내에 위치되는 확장단면이 형성되어 있으며, 상기 노즐파이프에도 역시 확장단면이 형성되어 있다.

본 발명의 다른 목적은 디자인이 간단하고 구조가 견고하며 제조가 경제적인 버너를 제공함에 있고, 본 발명을 특징지우는 다양한 특성은 이후 특허청구범위에 기재되면서 본 발명의 일부를 형성한다.

이하 본 발명이 이해를 돕기위해 본 발명에 따른 버너를 사용함에 따라 얻어지는 특별한 효과를 작동상의 잇점을 첨부한 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

제1도에 있어서 버너(10)는 엘보우(12)에서 노즐입구(14)로 공급된 특히 분말석탄과 1차 공기혼합물을 연소시키기 위해 고안된 것으로, 상기 노즐입구(14)는 석탄/1차 공기 혼합물을 제2공기바람통(18)을 가로질러 뻗은 중앙노즐파이프(16)의 입구로 공급하고, 상기 제2공기바람통(18)은 연소체이버(22)의 칸막이로 구획지워진 수벽(20)과 상기 중앙노즐파이프(16)의 플랜지(17)에 의해 인접된 개구부를 갖는 버너외벽(24) 사이에 형성되며, 상기 수벽(20)으로부터 물튜브(26)는 구부러져 연소체임버(22)내로 뻗은 확장벽을 갖춘 원추형 버너포트(30)를 형성한다.

그리고 상기 중앙노즐파이프(16)에 위치한 원추형확산기(28)는 노즐파이프(16)의 내면 또는 내벽(32) 근처의 과연료 구역안으로 석탄/1차 공기 혼합물을 분사하여 더 많은 연료가 중앙노즐파이프(16)에 위치한 중공플러그(38)의 외벽(34)으로 쏠리는게 되고, 상기 중공플러그(38)는 도면상에서 사선으로 도시되지만 실제로는 중공상태로서 여러구조물을 갖추고 있는 바, 예컨대 점화장치와 기름분무기를 위한 도관과, 분무된 기름과 중간혼합물(42)을 연소체임버(22) 안으로 분사하기 위한 분무출구(40)를 갖추고 있으며, 상기 분무될 중간혼합물(42)은 예컨대 증기나 공기 등이다.

한편 도면상에 개략적으로 도시된 구동장치(44)는 2개의 화살표방향인 전·후 축방향으로 중공플러그(38)를 이동시키기 위해 이 플러그(38)에 연결되어 플러그외벽(34)의 바깥쪽으로 확장된 벽이 노즐파이프내벽(32)의 바깥쪽으로 확장된 벽에서 더 멀어지거나 근접하도록 이동시켜 중앙노즐파이프(16)와 중공플러그(38) 사이에 구획된 환상의 노즐출구(46)를 통과하여 화살표(36) 방향인 연소체임버(22) 안으로 석탄/1차 공기 배출속도를 변화시킨다.

그리고 상기 공기바람통(18)로부터 제2공기가 화살표(48)방향으로 유동하여 노즐파이프(16)의 외벽과 버너통(52)의 내면사이에 형성된 환상의 제2공기통로(50) 안으로 흐르고, 상기 제2공기통로(50) 안으로 형성된 환상입구는 노즐파이프(16)의 외벽에 이동가능하게 장착된 슬라이드댐퍼(54)가 축방향으로 이동됨에 따라 개폐되도록 되어 있다.

상기 연소체임버(22) 근처의 제2공기통로(50)는 하나 또는 그 이상의 소용돌이치는 베인(57)을 갖춘 환상외부통로(56)와 하나 또는 그 이상의 다른 소용돌이치는 베인(59)을 구비한 환상내부통로(58)로 구분되며, 방출되는 석탄/1차 공기 혼합물을 둘러싼 환상구역안의 제2공기는 버너포트(30)을 통하여 연소체임버(22)안으로 흘러간다.

상기 중공플러그(38)가 제1도에서 도시된 바와 같이 위치된 경우에 연료공기 혼합물은 미국특허 제4,836,772호에 개재된 것과 유사한 속도로 화살표(36) 방향으로 노즐을 빠져나가, 연소를 안정화시키고 가속화하는 화염안정화링(60)을 통과하지만, 연료/1차 공기 혼합물이 상기 노즐을 빠져나감에 따라 증공플러그(38)의 벌프바디효과(bluff body effect)에 의해 인접유동흐름이 순환/재순환되어 상기 지역을 점유하게 되는 바, 이는 연료/1차 공기 혼합물분출의 축방향운동량을 효과적으로 감소시키며, 상기 지역은 저질소화합물이 방출되도록 과연료사태로 유지하고, 상기와, 같이 감소된 연료분사운동량은 몇가지 이유에서 화염길이를 감소시키는 경향이 있는바, 그 하나는 석탄입자들이 버너로부터 단위거리당 연소기간을 보다 많이 가지게 되고, 둘째로는 감소된 연료분사운동량이 빙둘러 수용돌이치는 제2공기(연소부산물과 함께)를 좀더 용이하게 확산시킬 뿐만 아니라 버너로부터 적정거리에 분사연료를 완전하게 혼합시킨다.

상기한 장치의 형상구조로 인해 노즐선단에 대해 중공플러그(38)를 전후로 단순히 재배치함으로써 버너노즐방출속도를 변화시켜 줄 수 있는 바, 이러한 중공플러그(38)의 배치위치는 결과적으로 질소형성과 화염기이에 영향을 미치며, 중공플러그(38)를 부분적으로 노즐선단으로부터 안쪽으로 들어가게 하면서 화염을 짧게 하면 부출속도를 낮출 수 있게 된다.

상기한 사실은 저질소화합물버너에서 화염길이축소문제를 해결하게 되고, 이와는 달리 화염길이를 감소시키기 위해 버너노즐출구에 임펠러를 장착시켜 석탄/1차 공기 혼합물을 버너축의 각진 부위에서 편향시킴으로써 축방향 운동량을 감소시켜 줄 수도 있는데, 화염길이는 임펠러의 확장각에 비례하여 단축되지만, 연료가 연료젯트를 둘러싼 제2공기흐름안으로 필연적으로 편향되기 때문에 임펠러상의 문제점이 있고, 이러한 문제점을 임펠러가 없는 동일한 버너와 비교할때 석탄휘발중에 과연료지역을 축소시킬 뿐만 아니라 질소가 심각히 증가된다. 그러나 본 발명은 연료밀집을 유지하면서 화염발달에 따라 연료분사중지에 의해 연료분사운동량을 감소시켜 결과적으로 저질소화합물상태를 유지하면서 도시에 화염을 단축한다.

본 발명에 따른 주요한 잇점은 상기한 바와 같이 즉, 화염길이가 축소된 저질소화합물방출에 있지만 몇몇 다른 잇점도 부가되는 바, 그 하나는 석탄을 연료로 사용할 수 있는데 있고, 이는 낮은 버너노즐속도로 저휘발성이 석탄이나 고습갈탄 내지 석유코크스 같은 연소가 어려운 분말연료를 용이하게 연소시킬 수 있는 것으로 증명되었다.

본 발명은 버너의 중공플러그(38)를 안쪽으로 약간 끌어들임으로써 소위 강화된 이중점화레지시터버너와 가이 작동되도록 형성가능한 바, 이는 노즐을 이탈하는 연료/1차 공기 혼합물의 속도를 더욱 낮추고 노즐하류의 점화구역에서 연료잔류시간을 증가시켜 주지만, 미국과 그외 많은 나라에서 연소되는 대부분의 석탄은 매우 낮은 노즐속도에 의존하지 않고도 용이하게 연소되며, 실제로 노즐속도가 매우 낮게 되면 버너에 손상을 입힐 뿐만 아니라 잠재적으로 위험한 상태로 이끄는 노즐내로의 화염역류현상을 초래하게 된다.

따라서 본 발명에 따른 다른 잇점은 석탄의 품질에 따라 적합하게 노즐속도를 용이하게 조절해 줄 수있으므로, 노즐속도를 조절하여 연소가 어려운 석탄이나 용이한 석탄을 모두 쉽게 연소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 버너의 또다른 장점은 석탄노즐내에 축방향으로 위치한 "노즐파이프(16)와 중공플러그(38)"의 사용에 관련된 것으로서, 본 장치는 버너점화장치용 하우징 및/또는 주기름분무기(40) 내지 주가스분무기와 같은 보조연료분무기로서 사용가능하며, 상기 노즐파이프(16)와 중공플러그(38)는 편리한 위치에 설치되어 축방향으로 배치됨에 따라 천연가스나 기름연료를 연소시키기 위한 연료스테이징의 원리를 원활하게 사용할 수 있게 한다.

제1도에 도시된 바와 같이 본 장치는 노즐파이프(16)에 원통형내벽(64,65)과 중공플러그의 외벽(62,63)을 갖추고, 이 벽(62,63,64,65)들은 노즐배출속도를 보다 용이하게 조절하기 위해 차차 가늘어질 수 있다.

도시된 바와 같은 본 장치는 버너노즐입구만한 크기의 "중공플러그(38)"와 노즐입구면적의 2배 크기의 보너노즐출구를 갖추는 바, 어떤 경우에는 예컨대 노즐입구의 2개가 되는 중공플러그와 노즐입구의 3배가 되는 노즐출구와 같이 상기 노즐과 플러그면적의 다른 비율이 더 효과적일 수 있다.

또한 상기 노즐파이프(16)와 중공플러그(38)는 도관(66,67)을 형성시켜 소량의 공기를 공급하거나 연도가스를 재순환시켜 질소방출량을 더 감소시키거나 불꽃형태를 조절하는 것이 가능하다.

본 발명의 원리와 활용을 설명하기 위해 특정한 실시예를 들어 기술하면서 도시하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 범주내에서 다른게 변형실시될 수도 있다.

Claims (8)

1. 연료/1차 공기 혼합물을 유입시키기 위한 노즐입구(14)와 이 혼합물을 분사시키기 위한 노즐출구(46) 및 상기 노즐입구(14)와 노즐출구(46) 사이에서 최소한 일부 길이방향을 따라 확장된 내벽(32)을 구비한 노즐파이프(16)와; 이 노즐파이프(16)에 축방향으로 뻗어 형성되면서 연료/1차 공기 혼합물의 통로용으로 상기 노즐파이프(16) 내에서 환상노즐공간을 구획지우고, 이 환상노즐공간내에서 적어도 일부 길이 방향을 따라 확장됨과 더불어 상기 환상노즐공간을 따라 연료/1차 공기혼합물을 확산시키기 위해 상기 노즐파이프(16)의 확장부와 마주보는 외벽(34)을 갖춘 중공플러그(38); 상기 노즐파이프(16)와 중공플러그(38)를 서로에 대해 축방향으로 상대 이동시키기 위해 노즐파이프(16)와 중공플러그(38) 사이에 연결되어 연료/1차 공기혼합물이 노즐파이프(16)와 플러그(38)의 확장부근처에서 상이한 속도로 이동되도록 노즐파이프(16)와 플러그(38)의 확장부에서 노즐공간의 횡단면적을 변화시키는 구동장치(44) 및; 상기 노즐출구(46)으로부터 분사된 연료/1차 공기 혼합물을 둘러싼 환상의 흐름내에 제2공기를 공급하도록 상기 노즐파이프(16)를 둘러 뻗은 제2공기 공급장치를 갖추고서 연료/1차 공기 혼합물을 연소시키는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 노즐파이프(16)의 내벽(32)이 확장된 원통형상의 상하부를 갖춘 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
3. 제2항에 있어서, 상기 중공플러그(38)의 외벽(34)이 확장된 원통형상의 상하부를 갖춘 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
4. 제1항에 있어서, 상기 노즐입구(14)에 연결된 연료/1차 공기 혼합물은 노즐입구(14)로 공급하는 엘보우(12)가 연결된 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
5. 제1항에 있어서, 상기 노즐입구(14)의 환상노즐공간의 하부와 상기 중공플러그(38) 및 노즐파이프(16)의 확장된 상부사이에 원추형 확산기(28)가 구비된 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2공기공급장치가 노즐파이프(16)의 둘레에 배치되면서 노즐파이프(16) 주위의 환상의 제2공기체임버를 구획짓는 제2공기바람통(18)을 구비한 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2공기체임버에 이 체임버를 내부환상체임버와 외부 환상체임버로 구분짓는 장치가 구비되면서 적어도 하나의 내·외부 환상체임버에 적어도 하나의 소용돌이치는 베인(57,59)을 갖춘 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.
8. 제1항에 있어서, 상기 노즐파이프(16)의 내벽(32)과 중공플러그(38)의 외벽(38)의 적어도 하나로부터 환상노즐공간으로 공기를 공급하기 위한 도관(66,67)이 구비된 것을 특징으로 하는 저질소화합물을 배출하는 화염이 짧은 버너.