KR100560814B1 - 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2단 연소식 저질소산화물 버너에 관한 것으로, 연료노즐에서 분사된 연료를 1차 공기노즐을 통해 분사되는 1차 공기에 의해 1차 연소시키고 계속하여 2차 공기노즐을 통해 분사되는 2차 공기에 의해 완전 연소시키는 2단 연소식 버너에 있어서, 상기 1차 공기노즐(31)은 1개로만 구성되고 버너의 단면 중앙에 형성된 상기 연료노즐(12)의 일측에서 1차 공기를 분사시키도록 배치되고, 상기 2차 공기노즐(32)은 상기 1차 공기노즐(31)에서 분사된 1차 공기와 연료노즐(12)에서 분사된 연료의 1차 연소가 수행되는 연소실의 주위를 따라 여러 개가 배치됨을 특징으로 하며, 이에 의하면 연료와 공기의 비대칭 분사 연소방식을 적용하여 질소산화물의 생성을 억제시킬 수 있는 우수한 효과를 갖는다.

버너, 2단 연소, NOx, 편심, 1차 공기노즐

Description

편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너{Two-staged low NOx burner equipped with single biased primary air nozzle}

도1은 종래기술에 따른 공기 2단 연소형 가스버너의 구성을 나타낸 도면;

도2는 종래기술에 따른 공기 2단 연소형 버너의 연소동작상태를 나타낸 도면;

도3은 본 발명에 따른 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너의 구성을 나타낸 도면이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10 : 연료도입구 11 : 연료관

12 : 연료노즐 20 : 공기도입구

30 : 공기챔버 31 : 1차 공기노즐

32 : 2차 공기노즐 40 : 연소실

50 : 냉각공기투입구 51 : 냉각공기공급관

본 발명은 2단 연소식 저질소산화물 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료와 공기의 비대칭 분사 연소방식을 적용하여 질소산화물의 생성을 억제시킬 수 있도록 된 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너에 관한 것이다.

일반적으로 가열로나, 보일러와 같이 가스버너를 사용하는 설비에서는 열효율 못지 않게 환경오염의 방지를 위하여 질소산화물의 발생량을 억제하는 것이 중요하다.

가스연료 사용시에는 공기중의 질소와 산소가 고온에서 반응하여 생성되는 소위 열적 '질소산화물(Thermal NOx)'이 대부분을 차지하며, 이 열적 질소산화물의 발생량은 연소조업 조건은 물론, 버너의 구조에 큰 영향을 받는다.

상기 질소산화물의 생성억제를 위하여 각종 저질소 산화물 버너가 제안되어 사용되고 있는데, 대체적으로 공기 2단 연소형 버너가 주류를 이루고 있다.

이와 같은 공기 2단 연소형 가스버너는 연소에 필요한 공기를 버너 내부에서 2단으로 나누어 공급하는 것이다.

대개 공기 2단 연소형 가스버너에서는 1단에 필요 공기량의 20∼70%를 공급하여 산소부족에 의한 질소산화물 생성억제와 연소온도 저하에 의한 질소산화물 생성억제의 효과를 도모하고, 나머지 연소용 공기를 2단에서 분사하여 미연분을 완전하게 연소시킬 수 있도록 구성된다.

도1은 종래기술에 따른 공기 2단 연소형 가스버너의 구성을 나타낸 도면이며, 도2는 종래기술에 따른 공기 2단 연소형 버너의 연소동작상태를 나타낸 도면이다.

공기도입구(1)로부터 공급되는 공기의 분할된 통로를 갖는 공기챔버(2)와, 버너의 중앙에 설치된 연료노즐(3)과, 연료노즐(3)의 주위를 따라 구성되어 공기챔버(2)로부터 공급되는 공기가 분사되는 1차 공기노즐(4)과, 상기 1차 공기노즐(4)의 주위를 따라 설치되고, 1차 공기노즐(3)과는 분리된 공기통로로부터 공기를 분사하여 1차 연소역에서 불완전 연소된 연료를 2차로 완전 연소시키는 2차 공기노즐(5)로 구성된 것이다.

도면의 부호중 설명되지 않은 부호 6은 연료의 공급경로에 대한 냉각을 위한 공기를 공급하기 위한 냉각공기도입구, 7은 냉각공기노즐이다.

상기한 종래의 공기 2단 연소형 가스버너는 공기도입구(1)를 통해 공급되는 연소형 공기가 분할된 공기통로를 통해 나뉘어 공급되며, 분할 공급되는 공기중 1차 공기노즐(4)을 거쳐 분사되는 공기는 버너의 중앙에 설치된 연료노즐(3)에서 분사되는 연료와 혼합되어 1차 연소가 진행된다. 계속하여, 1차 연소과정에서 불완전연소된 연료는 2차 공기노즐(5)로부터 분사되는 공기와 혼합되어 완전연소를 이루게 된다. 따라서, 공기 2단연소를 통해 급속연소가 방지됨으로써 질소산화물의 발생이 억제된다.

그러나, 이와같은 종래의 2단 연소형 가스버너는 연료노즐(3)의 주위를 따라 1차 공기노즐(4)이 구성되어 있어, 버너의 중앙부에서 연료가 분사됨에 따라 연료와 공기의 균일 혼합이 일어나고, 1차 공기로서 연소용 공기의 일부만 공급되므로 1차 연소역은 연료과농이 된다. 특히 중심부근의 연료는 공기와의 혼합이 지연되어 긴 화염이 형성되며, 화염이 커다란 하나의 화염으로 형성됨으로써, 외부로의 방열 속도가 느려져 질소산화물의 감소율을 저하시키게 된다.

따라서, 종래의 2단 연소형 버너는 1단 연소형 버너 대비 30% 정도의 질소산화물 저감은 가능하지만, 공기 2단 분사라는 원리 하나만으로는 질소산화물 100ppm 이하의 저공해 연소는 불가능하였다. 특히, 고온의 공기를 사용하는 경우는 질소산화물 발생량이 매우 증가하는 문제가 있는 것이었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 1차 공기를 편심분사하되 연료와 비대칭적으로 분사하여 공기 2단연소 효과와 1차 공기의 편심분사에 의해 1차 연소구역에서의 농담연소를 증진시킴으로써 질소산화물의 생성을 억제할 수 있도록 된 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은, 연료노즐에서 분사된 연료를 1차 공기노즐을 통해 분사되는 1차 공기에 의해 1차 연소시키고 계속하여 2차 공기노즐을 통해 분사되는 2차 공기에 의해 완전 연소시키는 2단 연소식 버너에 있어서, 상기 1차 공기노즐은 1개로만 구성되고 버너의 단면 중앙에 형성된 상기 연료노즐(12)의 일측에서 1차 공기를 분사시키도록 배치되며, 상기 2차 공기노즐은 상기 1차 공기노즐에서 분사된 1차 공기와 연료노즐에서 분사된 연료의 1차 연소가 수행되는 연소실의 주위를 따라 여러 개가 배치됨을 특징으로 하는 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너를 마련함에 의한다.

또한, 본 발명의 1차 공기노즐은 상기 연료노즐의 방향에 대하여 그 연료노즐의 끝단으로 갈수록 연료노즐의 중심 쪽으로 근접되게 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 1차 공기노즐은 타원형으로 형성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명자 등은 장기간에 걸쳐 버너의 개발 연구를 수행하여 왔으며, 질소산화물 저감을 위하여 비당량연소가 유용함을 확인한 바 있다. 즉, 대한민국 실용신안등록 제90010호(명칭: 라디안트 튜브 버너용 가스연료 분사노즐)와, 제276859호(명칭: 축열식 버너용 연료 및 공기 분사장치)에는 연료노즐내 연료분사구의 적정한 배치 내지는 연료노즐의 편심배치, 2차 공기 노즐의 분사구 크기 조절 등으로 추가적인 질소산화물 저감이 가능함을 확인한바 있으며, 현재 산업현장에 다수 적용되고 있다.

본 발명은 종래기술에 따른 2단 연소형 버너의 문제점을 해결하면서 실용신안등록 제276859호에 개시된 분사장치의 설비 적용과정에서의 개량을 포함하는 것이다.

상기 실용신안등록 제276859호는 공기 2단 연소를 기본으로 하여, 연료노즐을 버너축심에서 편심되도록 배치하고 1차 공기노즐을 연료노즐과 동심상에서 2차 공기노즐보다는 연료노즐에 근접하도록 배치하며, 대공노즐과 소공노즐로 이루어지는 2차 공기노즐을 버너중심과 동심원상의 1차 공기노즐 외주에 배치함으로써 비화학양론연소의 효과를 극대화하는 구성이다.

그러나, 상기 실용신안등록 제276859호의 구성은 다수개의 1차 공기노즐을 배치함으로써 제작상의 곤란성과 버너 타일의 내구성 문제가 제기된다. 또한, 다수개의 1차공기노즐에서 공기가 분사됨에 의해 버너 스로트 내부의 급속연소, 상대적으로 좁은 면적을 통한 1차 공기의 분사로 1차 공기 모멘텀 감소에 따른 화염크기의 증가문제가 지적되어 개량을 필요로 한다. 또한, 다수개의 1차 공기노즐을 사용함에 따라 버너타일내 파일럿 버너의 배치가 곤란한다. 특히, 축열버너로 사용하는 경우, 공기고속분사시에는 공기의 영향으로 파일럿 버너의 화염이 크게 흔들려 화염검지가 곤란하여 연소제어상 안전의 문제가 제기된다.

따라서, 본 발명은 1차 공기를 편심분사하되 연료와 비대칭적으로 분사하도록, 1차 공기가 한 개의 노즐에서 분사되도록 하여 상대적인 1차 공기의 모멘텀을 증가시킴으로써 화염크기를 제어 가능토록 하고, 1차 공기노즐이 없는 쪽에 파일럿 버너를 배치할 수 있도록 구성된다.

즉, 공기 2단연소 효과와 1차 공기의 편심분사에 의해 1차 연소구역에서의 농담연소를 증진시켜 질소산화물의 생성을 억제한다.

또한, 연소공기의 고속분사로 인하여 노내가스의 재순환 유도가 원활하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 질소산화물의 저감효과를 향상시키고 화염검지 및 제어성과 제작 및 사용관련 문제점을 해소한다.

도3은 본 발명에 따른 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 버너는 연료를 제공하는 연료관(11)과, 공기를 제공하는 공기챔버(30)와, 상기 연료관(11)에서 연료를 공급받아 분사하기 위한 연료노즐(12) 및 상기 공기챔버(30)에서 공기를 공급받아 분사하기 위한 1개의 1차 공기노즐(31)과 다수개의 2차 공기노즐(32)을 갖는다.

상기 연료관(11)에는 연료도입구(10)를 통해 연료가 제공되며, 상기 공기챔버(30)에는 공기도입구(20)를 통해 공기가 제공된다.

보다 상세하게는, 상기 연료관(11)은 공기챔버(30)를 관통하여 도면에서 볼 때 공기챔버(30)의 좌, 우 양측으로 더 연장되며, 좌측 연장 부위에 상기 연료도입구(10)가 형성되고, 우측 연장 부위에 연료노즐(12)이 형성된다. 이 연료노즐(12)은 버너 단면의 중앙에 위치하도록 형성된다.

또한, 상기 연료관(10)을 감싸도록 설치된 냉각공기공급관(51)은 그 냉각공기공급관(51)의 좌측 단부 쪽에 형성된 냉각공기투입구(50)를 통해 냉각공기를 공급받아 상기 연료관(10)의 외부를 냉각시킨 후 그 연료관(10)의 연료노즐(12) 쪽으로 냉각공기를 분사시키도록 연료노즐(12)의 선단까지 연장 형성된다.

상기 연료노즐(12)의 선단 부위에는 연소실(40)이 형성되며, 이 연소실(40)에는 상기 공기챔버(30)와 연결된 1개의 1차 공기노즐(31)을 통해 1차 공기가 분사되며, 상기 1차 공기노즐(31)에서 분사된 1차 공기는 연료노즐(12)을 통해 분사되는 연료를 1차 연소시킨다.

상기 1차 공기노즐(31)은 타원형상을 갖도록 형성되어 상기 연료노즐(12)의 일측에 위치된다. 타원형상은 편심분사 및 공기의 담소연소에 기여한다. 1개의 1차 공기노즐(31)이 연료노즐(12)의 일측에 위치하게 됨으로써 상기한 실용신안등록 제276859호의 구성이 가지는 제작상의 곤란성, 버너 스로트 내부의 급속연소, 1차 공기 모멘텀 감소에 따른 화염크기의 증가, 버너 타일내 파일럿 버너의 배치의 곤란성 등이 모두 해결된다.
또한, 상기 1차 공기노즐(31)에서 분사되는 1차 공기의 분사방향은 상기 연료노즐(12)에서 분사되는 연료의 분사방향과 소정의 각도를 갖도록 형성되며, 이는 상기 1차 공기노즐(31)의 방향이 연료노즐(12)의 방향에 대하여 그 연료노즐(12)의 끝단으로 갈수록 연료노즐(12)의 중심 쪽으로 근접되게 형성됨을 의미한다.

그리고, 상기 2차 공기노즐(32)은 상기 공기챔버(30)에서 공기를 공급받아 상기 연소실(40)의 끝단 쪽으로 2차 공기를 분사시키도록 형성되며, 이러한 2차 공기노즐(32)은 상기 연료노즐(12)을 중심으로 하여 원주 방향을 따라 일정 간격 떨어지도록 여러 개가 형성되며, 특히 상기 2차 공기노즐(32)은 연료노즐(12)과 평행하게 형성된다.

상기한 구성으로 된 본 발명의 작용을 설명한다.

먼저, 연료노즐(12)의 일측에 1차 공기노즐(31)이 구성되며, 이러한 1차 공기노즐(31)은 연료노즐(12)의 주위를 따라 여러 개가 배치되는 종래의 것과는 달리 1개가 연료노즐(12)의 일측에만 배치되어 1차 공기를 연료노즐(12)의 일측으로 편심 분사시킨다.

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또한, 1차 공기노즐(31)은 연료노즐(12)의 방향에 대하여 그 연료노즐(12)의 끝단으로 갈수록 연료노즐(12)의 중심 쪽으로 근접되게 소정의 분사각도를 형성함으로써 1차 공기를 편심되게 분사시키는 역할을 수행한다.

이렇게 1차 공기노즐(31)을 통해 분사된 1차 공기는 연료노즐(12)에서 분사되는 연료와 혼합되어 1차 연소가 발생된다.

이때, 1차 공기노즐(31)을 통해 공급되는 1차 연소에 필요한 공기는 소정의 분사각도로 연료노즐(12)의 일측으로만 공급되므로 상기 연료노즐(12)의 주변을 따라 연료가 과잉으로 공급되는 공간과 연료가 부족한 공간이 형성되며, 이는 비당량연소를 가능하게 한다. 또한, 종래 버너보다 향상된 1차 공기의 모멘텀에 의해 1차 연소구역에서 연소가스 자기 재순환이 일어난다.

따라서, 연료노즐(12)에서 분사되는 연료와 연소가스와의 혼합을 촉진하여 고온연소 영역에서의 산소농도 저하와 화염의 국부고온방지로 질소산화물의 생성을 보다 억제시킬 수 있다.

이와 같이 1차 연소과정을 통해 불완전연소된 연료는 2차 공기노즐(32)로부터 분사되는 공기와 혼합되어 완전한 연소를 이루게 된다.

또한, 본 발명에서는 1차 공기노즐(31) 및 2차 공기노즐(32)의 고속분사(예컨대, 120m/sec)를 통해 연소영역에 연소가스를 재유입시켜 노내가스의 재순환유도를 원활하게 함으로서, 연소공기중의 산소농도를 떨어뜨려 질소산화물의 발생을 억제시킴은 물론, 노내온도 균일화를 유도하여 피가열소재의 균일 가열성을 향상시킬 수 있다.

이와같은 본 발명을 적용하면, 비대칭 연소를 통해 국부적인 화염피크(peak) 온도저하 및 연소역에서의 산소농도 희박형성으로 질소산화물 생성억제기능을 강화시킬 수 있다.

특히, 단공 구조의 1차 공기노즐을 사용함에 의해 1차 공기의 모멘텀이 증대되어 비당량연소 효과 이외에도 제작 및 운전에서 발생된 종래 기술의 문제점들을 해소할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명자 등은 천연가스를 연료로 하여 연소용량 350만kcal/h 의 버너를 제작하여 축열연소를 수행한 결과 질소산화물의 발생농도가 40∼100ppm으로서 평균 70ppm 이하의 저공해 연소가 가능함을 확인하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너에 의하면, 연료노즐의 일측에 1개의 1차 공기노즐을 배치시켜 1차 공기를 연료노즐의 일측으로 편심 분사시킴으로써 1차 연소구역에서의 농담연소를 증진시켜 질소산화물의 생성을 억제할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 연료노즐에서 분사된 연료를 1차 공기노즐을 통해 분사되는 1차 공기에 의해 1차 연소시키고 계속하여 2차 공기노즐을 통해 분사되는 2차 공기에 의해 완전 연소시키는 2단 연소식 버너에 있어서,

   상기 1차 공기노즐(31)은 1개로만 구성되고 버너의 단면 중앙에 형성된 상기 연료노즐(12)의 일측에서 1차 공기를 분사시키도록 배치되며, 상기 2차 공기노즐(32)은 상기 1차 공기노즐(31)에서 분사된 1차 공기와 연료노즐(12)에서 분사된 연료의 1차 연소가 수행되는 연소실의 주위를 따라 여러 개가 배치됨을 특징으로 하는 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 1차 공기노즐(31)은 상기 연료노즐(12)의 방향에 대하여 그 연료노즐(12)의 끝단으로 갈수록 연료노즐(12)의 중심 쪽으로 근접되게 형성됨을 특징으로 하는 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너.
3. 제2항에 있어서, 상기 1차 공기노즐(31)은 타원형으로 형성됨을 특징으로 하는 편심 1차 공기노즐을 갖는 2단 연소식 저질소산화물 버너.

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