KR200276859Y1 - 축열식 버너용 연료 및 공기 분사장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 연소가스의 gus열을 축열체에 저장하고 축열체에 저장된 열을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 예열하여 연소로의 열효율을 향상시키는 축열식 버너의 배기가스에 포함된 NOx의 양을 최소화시켜 환경오염을 방지할 수 있는 축열식 버sj용 분사장치에 관한 것으로서, 연소로의 양측에 연소부를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 gus열을 축열기로 축열하는 축열식 버너에 있어서, 연소부에 내장된 연료노즐을 버너타일의 중심에서 편심되게 설치하고, 이의 둘레면에는 1차공기가 분사되는 1차공기 분사공을 등간격으로 형성하는 한편, 상기 버너타일에는 버너타일과 동심을 이루도록 2차공기 분사공을 다수개 형성하되, 대경분사공과 소경분사공이 교차되도록 형성하여서 된 것이다.

Description

축열식 버너용 연료 및 공기 분사장치

본 고안은 연소가스의 현열을 축열체에 저장하고 축열체에 저장된 열을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 예열하여 연소로의 열효율을 향상시키는 축열식 버너의 배기가스에 포함된 NOx의 양을 최소화시켜 환경오염을 방지할 수 있는 축열식 버너용 분사장치에 관한 것이다.

일반적으로 가열로 및 기타 공업로에는 연소가스에 포함된 폐열을 회수하여 연소공기의 온도를 상승시키는 축열식 버너가 널리 사용되고 있는바, 상기 축열식 버너시스템은 도 1에 도시된 바와같이 연소로(1)의 내부에는 피가열물(A)을 지지하기 위한 스키드(1a)가 설치되어 있고 상기 연소로(1)의 양측에는 연소부(3)(3a)가 각각 설치되어 있으며 상기 각 연소부(3)(3a)의 내부에는 연료가 공급되는 연료노즐(4)(4a)이 설치되어 있다.

그리고 상기 각 연소부(3)(3a)의 내부에는 배기가스에 포함된 현열을 축열하는 축열기(5)(5a)가 내장되어 있고 각 연소부(3)(3a)의 끝단에는 연결관(6)(6a)이 설치되어 있으며 상기 연결관(6)(6a)은 사방으로 절환되는 절환밸브(7)와 연결되어 있다.

한편 상기 절환밸브(7)에는 외부의 연소공기를 흡입하는 흡입관(8a)과 배기가스를 외부로 배출시키는 배기관(8)이 설치되어 있고 상기 흡입관(8a)과 배기관(8)에는 연소공기 및 배기가스를 강제 순환시키기 위한 흡입팬(9a) 및 배기팬(9)이 각각 설치되어 있다.

따라서 연소로(1)의 내부에 설치된 스키드(1a) 상부에 피가열물(A)을 안착시킨 후 연료노즐(4)에 설치된 밸브를 개방시키고 연료노즐(4a)에 설치된 밸브를 폐쇄시켜 연소부(3)측으로만 연료가 공급되도록 하고 흡입팬(9a)을 작동시키면 상기 흡입팬(9a)으로 흡입된 연소용공기는 절환밸브(7)를 통해서 축열기(5)를 지나면서 열교환을 하여 온도가 상승된 상태로 상기 연소부(3)를 통하여 연소로(1)의 내부로 공급되어 연료노즐(4)로 공급되는 연료와 혼합된다.

이때 연소부(3)에 장착된 점화장치(도면 미도시)가 작동되면 공기와 혼합된 연료가 점화되어 연소로(1) 내부에서 연소되며 이때 발생된 고온(1000℃ 이상)의 연소가스는 스키드(1a)의 상부에 안착된 피가열물(A)을 가열시킨 후 타측을 통하여 연소부(3a)로 이동되고 이에 내장된 축열기(5a)에서 열교환을 하고, 상기 축열기(5a)를 통해서 배출되는 저온(200℃ 이하)의 배기가스는 배기팬(9)에 의해서 강제순환되어 외부로 배출된다.

이와같이 연소부(3)를 일정시간 동작시킨 후에는 연료노즐(4)에 설치된 밸브를 폐쇄시키고 연료노즐(4a)에 설치된 밸브를 개방시키며 절환밸브(7)를 절환하여 연소부(3a)를 작동시켜 발생되는 배기가스를 연소부(3)측으로 배출시키는 과정을 반복하면서 피가열물(A)을 가열하게 된다.

이와같은 축열식 버너는 배기가스의 현열을 회수하여 연소공기를 고온으로 예열가능하여 종래의 연소법 대비 30% 이상의 열효율 향상이 가능하다는 유익한 특징을 가지고 있지만, 열효율이 높음에도 불구하고 축열식 버너의 실기 적용은 매우 제한적인데 이는 고온공기의 사용에 따른 질소산화물(NOx)의 다량발생 때문이다.

즉 NOx의 발생은 연소온도에 비례하는데 축열식 연소에서는 연소용공기의 온도가 높고 연소온도는 연소용공기의 온도에 직선적으로 비례하기 때문에 종래의 연소법에 비례하여 다량의 NOx가 발생하게 되므로 NOx의 발생량을 최소화 할 수 있는 장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

종래에는 도 2에 도시된 바와같이 연소실(10a)의 일측에 설치된 연소부(20a)로 공급되는 연소공기를 1차공기와 2차공기로 분리시키기위한 댐퍼(30a)가 설치되어 있고 상기 댐퍼(30a)에 의해서 분리된 1차공기는 연료노즐(40a)측으로 이동되어 연료와 혼합되며 이는 점화장치(도면 미도시)에 의해서 연소되어 연소로(10a)의 내부로 공급된다.

상기 연소로(10a)에 공급된 화염은 2차공기 분사공(50a)을 통해서 분사되는 2차공기와 혼합되면서 완전연소 되므로 1차연소를 공기부족상태로 이루어지게 함으로서 산소분압저하에 의한 NOx 저감효과를 얻는 것이다.

그러나 800℃ 이상의 고온공기 연소가 이루어지는 축열연소에서는 제2도와 같은 단순한 구성의 공기 2단연소에서는 수백ppm의 NOx가 발생한다. 일례로 LPG를 연료로 하여 실험한 결과는 연소용공기 온도 845℃, 노온 1,250℃에서 285ppm의 NOx가 측정된 바 있다.

이와같이 종래의 축열식 연소는 열효율은 높은 대신 NOx 발생량이 문제가 되고 있는 것이다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 고안한 것으로서, 버너의 열효율은 높게 유지함은 물론 배기가스에 포함되는 NOx 발생량을 최소화하여 환경오염을 방지할 수 있는 축열식 버너용 연료 및 공기 분사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기위한 본 고안은 연소로의 양측에 연소부를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 현열을 축열기로 축열하는 축열식 버너에 있어서, 연소부에 내장된 연료노즐을 버너타일의 중심에서 벗어나게 편심적으로 설치하고, 이의 둘레면에는 1차공기가 분사되는 1차공기 분사공을 등간격으로 형성하는 한편, 상기 버너타일에는 버너타일과 동심을 이루도록 2차공기 분사공을 다수개 형성하되, 대경분사공과 소경분사공이 교차되도록 형성하여서 된 것이다.

도 1은 일반적인 축열식 버너시스템을 도시한 개략도,

도 2는 종래 연료 분사장치를 도시한 단면도,

도 3은 본 고안에 따른 연료 및 공기 분사장치를 도시한 단면도,

도 4는 본 고안에 따른 연료 및 공기 분사장치를 도시한 측면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연소로 20 : 연소부

30 : 연료노즐 40 : 버너타일

50 : 1차공기 분사공 60, 61 : 2차공기 분사공

이하 본 고안을 도시한 첨부도면 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 고안에 따른 연료 및 공기 분사장치를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 고안에 따른 연료 및 공기 분사장치를 도시한 측면도로서, 본 고안은 연소로(10)의 양측에 설치되는 연소부(20)에 연료를 공급하는 연료노즐(30)을 설치하되, 연료노즐(30)의 끝단을 상기 연소부(20)에 설치되는 버너타일(40)의 중심에서 벗어나게 설치하고 상기 연료노즐(30)의 둘레면에는 1차공기가 분사되는 1차공기 분사공(50)이 등간격으로 다수개 형성되어 있다.

한편 상기 버너타일(40)에는 버너타일(40)의 중심과 동심을 이루도록 다수개의 2차공기 분사공이 형성되어 있고 상기 2차공기 분사공은 대공분사공(60)과 소공분사공(61)이 순차적으로 형성되어 있다.

이와같은 구성된 본 고안의 작용을 설명하면 다음과 같다.

연소로(10)에 설치된 연소부(20)로 연료가 공급되면 상기 연료는 연료노즐(30)을 통해서 버너타일(40)의 끝단으로 분사됨과 동시에 흡입관(70)을 통하여 공급되어 1차공기 분사공(50)으로 분사되는 연소공기와 혼합되는데 상기 1차공기 분사공(50)을 통하여 분사되는 1차공기는 연료노즐(30)의 둘레면으로 균일하게 분사되므로 상기 연료노즐(30)을 통하여 분사되는 연료와 동일한 혼합비를 유지하게 된다.

한편 상기 연료노즐(30)은 버너타일(40)의 중심보다 낮게 설치되어 있으므로 상기 버너타일(40)의 하부는 상부보다 상대적으로 공기가 부족한 상태가 되며 1차공기 분사공(50)을 2차공기 분사공(60(61)보다 연료노즐(30)에 근접한 위치에 배치하는 이유는 1차연소가 버너타일(40)의 내부에서 이루어 지도록하여 화염의 안정성을 확보하기 위함이다.

또한 2차공기 분사공(60)(61)은 버너타일(40)의 중심과 동심원상에 있으므로 2차공기는 버너타일(40)의 전체 단면에 고르게 분사되므로 버너타일(40)의 축심하부에는 더 많은 연료가 분사되는 반면, 2차공기는 버너타일(40)에 균일하게 분사되므로 상대적으로 축심하부는 공기부족상태, 축심상부는 공기 과잉상태의 연소 즉 비화학양론연소가 일어나게 되는 것이다.

또한 2차공기 분사공(60)(61)이 위치하는 버너타일(40)에는 동일한 공기 압력에서 대공분사공(60)이 소공분사공(61)보다 분사되는 공기량이 많으므로 이 동심원상에서도 비화학양론연소가 일어나는 것이다.

즉 본 고안의 버너는 연료노즐(30)을 버너타일(40)의 축심에서 편심시키고 2차공기 분사공을 대공분사공(60)과 소공분사공(61)으로 구성함에따라 버너타일(40)의 단면전체 및 2차연소 영역에서의 국부적인 비화학양론연소가 가능한 것이다.

이와같은 비화학양론 연소에서는 전체적으로 버너에 공급되는 공기량은 일정하게(예, 공기비 1.1)유지하되, 국부적으로 공기과잉과 공기부족영역을 조성함에 의해 NOx 발생이 극대가 되는 공기비 영역의 생성을 억제함에 의해 NOx 저감이 가능하게 된다.

표1은 본 고안의 연료 및 공기 분사장치를 이용한 실험결과를 나타낸 것으로서, 실험용 버너의 연소용량은 12.5만kcal/hr, 연료는 상용 LPG, 연료와 공기의 분출속도는 상온기준으로 20m/s로 하였으며 연소로(10)의 온도에 따른 NOx의 발생량은 공기온도 800℃ 이상에서도 100 ppm(O2 11% 환산기준) 이하의 NOx가 발생되므로 NOx 저감이 가능함을 알 수 있다.

연소로온도(℃)	공기온도(℃)	O2농도(%)	CO농도(ppm)	NOx발생량(ppm)	NOx 발생량(ppm, 11% O2환산치)
1200	792	3.0	23	94	52
1246	821	2.6	15	112	61
1280	847	2.8	12	129	71
1304	800	2.8	15	146	80

한편 NOx의 발생량은 공기의 분사속도에 따라 변화량이 크게 나타났으며, 상온기준 공기의 분사속도가 빠른 경우가 상대적으로 느린 경우보다 NOx 발생량이 감소하였고, 이는 공기가 고속으로 분사되면 연소로내부의 연소가스가 공기로 혼입되는 양이 증대하여 공기중의 산소농도를 낮춰주기 때문이다.

이상에서와 같이 본 고안은 연료와 1차,2차연소공기의 분사방향을 편심되도록 분사함에 따라 2단연소에 부가하여 비화학양론 연소를 가능케 하여 고온의 연소용공기를 사용하는 축열식 버너에서의 NOx 발생량을 극저감할 수 있으므로 열효율을 상승시킴은 물론 NOx의 발생량을 최소화하여 환경오염을 방지할 수 있게 되는 매우 유용한 고안이다.

Claims (1)

1. 연소로(10)의 양측에 연소부(20)를 설치하여 일측은 연소모드로 설정하고 타측은 배기모드로 설정하여 배기가스에 포함된 현열을 축열기로 축열하는 축열식 버너에 있어서,

   연소부(20)에 내장된 연료노즐(30)을 버너타일(40)의 중심 외측에 설치하고, 이의 둘레면에는 1차공기가 분사되는 1차공기 분사공(50)을 등간격으로 형성하는 한면 상기 버너타일(40)에는 버너타일(40)과 동심을 이루도록 2차공기 분사공을 다수개 형성하되, 대경분사공(60)과 소경분사공(61)이 교차되도록 형성하여서 됨을 특징으로하는 축열식 버너용 연료 및 공기 분사장치.