KR100876089B1 - 산소 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소 버너에 관한 것으로서; 로(爐)의 벽면에 장착되되 중앙에 연료분사구가 전후방으로 관통 형성되며 그 연료분사구의 좌/우측에는 제1산소분사구가 전후방향으로 각각 형성되는 버너블럭과; 상기 연료분사구에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 경사지게 연료를 분사하는 연료노즐과; 상기 제1산소분사구 내부에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 1차 산소를 분사하는 제1산소노즐과; 상기 연료분사구의 전방 중심을 향해 경사지게 2차 산소를 분사하는 제2산소노즐;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 산소의 분사 방법을 통하여 넓은 영역에서 연소반응이 발생하게 함과 동시에 안정적인 연소반응을 통하여 평면 화염 및 무화염을 형성할 수 있으며, 산소화염이 버너블럭의 전방에 형성되어 버너블럭의 파손으로부터 보호할 수 있는 장점도 있다.

산소, 버너, 평면화염, 무화염

Description

산소 버너 { oxygen burner }

도 1은 본 발명에 따른 평면 화염 산소 버너를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 평면 화염 산소 버너의 정면도.

도 3은 도 2의 'A'-'A'선의 단면을 도시한 도면.

도 4는 도 2의 'B'-'B'선의 단면을 도시한 도면.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 산소 버너 110: 버너블럭

112: 연료분사구 114: 제1산소분사구

120: 연료노즐 130: 제1산소노즐

140: 제2산소노즐 150: 하우징

154: 1차산소주입구 200: 벽면

210: 제2산소분사구

본 발명은 산소 버너에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 산화제로 산소를 사용하여 연료의 절약이 가능하고, 제철/제강공정 등에서 사용하는 공업용 로(爐)에 사용시 로(爐)의 크기를 최소화함은 물론 로(爐)내의 소재를 균일하게 가열할 수 있는 평면화염을 형성하고 질소산화물(NOx) 등의 공해물질을 최소화할 수 있는 산소 버너에 관한 것이다.

일반적으로 제철제강 및 주단조 공정에서 사용하는 산업용 버너는 연료와 산화제인 공기(air)를 이용하여 화염을 형성하고, 형성된 화염의 온도에 의해 가열하고자 하는 소재의 온도를 상승시켜 후처리 공정(Post Process)의 편의를 돕기 위한 것으로서, 공업용 로(爐)에 설치된다.

이와 같은 종래의 산업용 버너는 한정된 공간을 갖는 공업용 로(爐)에서 사용되며, 연료 노즐에서 연료를 공급하고, 연료 노즐과는 별도로 설치되어 있는 산화제인 공기를 공급하기 위한 공기노즐을 통해 상온(常溫)의 공기 또는 공기예열기(RECUPERATOR)를 통해 공기를 약 500℃ 정도까지 예열해주는 구성으로 인해 오염 물질이 다량 발생하고, 과다한 에너지 소비 등의 문제점도 가지고 있었다.

한편, 배기가스의 폐열을 이용하여 1000℃ 이상으로 공기를 예열하여 사용하는 축열식 버너의 경우에는 연료 절감효과는 일반적인 산소 버너와 유사하나, 그 설비가 복잡해서 유지보수에 어려움이 있고, 설비 투자비가 높을 뿐만 아니라 일반적인 산소 버너 대비 10배 이상의 크기를 가짐으로써 설치 면적이 커지는 등의 문 제점을 가지고 있다.

또한, 일부 특수분야에서 산소 버너가 사용되고 있으나, 일반적인 공기와 연료를 사용하는 일반 버너의 화염에 비하여 800℃ 이상의 높은 단열 화염을 가지지만, 고온의 짧은 화염으로 인하여 가열소재의 국부가열로 인한 소재불량 및 버너 자체의 파손 등의 문제를 유발하는 문제점을 가지고 있다.

그리고, 일반버너 대비 30%이상의 높은 에너지 절감효과와 80%이상의 낮은 배기가스 방출에도 불구하고 많은 양의 질소산화물(NOx)이 발생되는 문제를 가지고 있어 일반적인 공업용 로에서는 사용하지 않는 실정이다.

따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 산소를 산화제로 사용하면서도 화염의 폭은 넓고 두께는 얇으며 길이는 긴 평판 화염을 형성하는 산소 버너를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 로내 온도가 자동점화 온도이상에서 무화염 연소를 형성함으로써 균일한 가열과 질소산화물등 공해 물질을 최소화 하는 산소 버너를 제공하는데에도 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 산소를 산화제로 사용하는 산소-연료 연소방식을 적용하여 연료 절감 효과를 극대화하는 산소 버너를 제공하는데에도 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;

로(爐)의 벽면에 장착되되 중앙에 연료분사구가 전후방으로 관통 형성되며 그 연료분사구의 좌/우측에는 제1산소분사구가 전후방향으로 각각 형성되는 버너블럭과; 상기 연료분사구에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 경사지게 연료를 분사하는 연료노즐과; 상기 제1산소분사구 내부에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 1차 산소를 분사하는 제1산소노즐과; 상기 연료분사구의 전방 중심을 향해 경사지게 2차 산소를 분사하는 제2산소노즐;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2산소노즐은 상기 연료분사구에서 상기 제1산소노즐보다 원거리에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료노즐과 제1산소노즐은 내열강계열의 금속 재질 또는 실리카 카바이드계열의 세라믹 재질 중에 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1산소노즐은 연료노즐의 중심축으로 내측으로 5°, 외측으로 5°이하로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2산소노즐은 로(爐)의 벽면 또는 버너블럭의 상하부에 경사지게 형성되는 제2산소분사구의 내부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2산소분사구의 전단부는 상기 연료분사구의 전단 직경의 5배 이상 떨어진 상/하부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제2산소노즐은 연료노즐의 중심축 전방을 향해 15 ~ 45°경사지게 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로내의 자동점화 온도는 600 ~ 1000℃이며, 상기 로내 온도가 600℃ 이하이면 상기 1차 산소를 전체 산소의 30 ~ 70% 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 70 ~ 30% 사용하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제2산소노즐은 RAVAL NOZZLE로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로내의 자동점화 온도는 600 ~ 1000℃이며, 상기 로내 온도가 1000℃ 이상이면 상기 1차 산소를 전체 산소의 0 ~ 5% 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 100 ~ 90% 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 산소 버너를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 평면 화염 산소 버너를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 평면 화염 산소 버너의 정면도이고, 도 3은 도 2의 'A'-'A'선의 단면을 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 'B'-'B'선의 단면을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4에 의하면, 본 발명에 따른 산소 버너(100)는 산화제로서 일반공기를 사용하지 않고 산소(Oxygen)를 사용한다.

이때, 본 발명에 따른 산소 버너(100)는 공지(公知)의 파일럿 버너 및 자외선 센서(UV Sensor)가 구비되어 연료를 점화시키고 정상적인 화염이 형성되었는지를 감시하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 산소 버너(100)는 로(爐)의 벽면(200)에 장착되되 중앙에 연료분사구(112)가 전후방으로 관통 형성되며 그 연료분사구(112)의 좌/우측에는 제1산소분사구(114)가 전후방향으로 각각 형성되는 버너블럭(110)과, 상기 연료분사구(112) 내부에 장착되어 상기 버너블럭(110)의 전방으로 연료를 분사하는 연료노즐(120)과, 상기 제1산소분사구(114) 내부에 장착되어 상기 버너블럭(110)의 전방으로 1차 산소를 분사하는 제1산소노즐(130)과, 상기 버너블럭(110)의 상/하부에 각각 구비되되 상기 연료분사구(112)의 전방을 향해 경사지게 2차 산소를 분사하는 제2산소노즐(140)로 이루어진다.

즉, 중앙에 연료분사구(112)가 형성되고 상기 연료분사구(112)의 좌/우측에는 상기 연료분사구(112)와 평행 또는 좌/우 방향으로 일정각도를 가지고 제1 산소가 분사되는 제1산소분사구(114)가 형성되고, 상기 연료분사구(112)를 중심으로 상/하부에 제2산소분사구(210)가 제1산소분사구(114)보다 좀더 멀리 연료분사류 중심축을 향해 일정각을 가지고 분사되도록 구성된다.

이때, 상기 버너블럭(110)의 후단에는 1차 산소를 공급하기 위한 공간부(152)가 형성되는 하우징(150)이 구비되며, 그 공간부(152)의 중앙에는 연료를 공급하는 연료노즐(120)이 관통 구비된다.

한편, 상기 연료노즐(120)의 후단부는 상기 하우징(150)의 후측을 관통하며, 그 연료노즐(120)의 후단에는 연료공급관(미도시됨)이 연결되어 외부에서 연료를 공급받게 된다.

그리고, 상기 하우징(150)의 일측에는 1차 산소를 공급받기 위한 1차산소주 입구(154)가 형성되고, 상기 제2산소노즐(140)의 후단에는 2차 산소를 공급받기 위한 2차산소주입구(142)가 형성된다.

이하, 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 연료노즐(120)은 버너블럭(110)의 연료분사구(112) 내부에 삽입되어 연료노즐(120)의 전단부가 버너블럭(110)의 내부에 위치한다.

따라서, 연료노즐(120)이 로(爐)내 고온에 직접적으로 노출되지 않도록 세라믹 등과 같은 내화물로 이루어지는 버너블럭(110)의 내부에 위치하게 되어 로(爐)내 고온의 복사열전달에 의한 파손이 방지된다.

이와 같은 연료노즐(120)은 버너블럭(110)의 전방으로 연료를 분사해주며, 상기 연료노즐(120)은 내열강계열의 금속 재질 또는 실리카 카바이드계열의 세라믹 재질 중에 어느 하나의 재질로 이루어진다.

한편, 상기 제1산소노즐(130)은 상기 연료노즐(120)의 좌/우측에 각각 배치된다.

이와 같은 제1산소노즐(130)은 제1산소노즐(130)의 전단부가 로(爐)내 고온에 직접적으로 노출되지 않도록 버너블럭(110)의 제1산소분사구(114) 내부에 삽입 장착되어 로(爐)내 고온의 복사열전달에 의한 파손이 방지된다.

이때, 상기 제1산소노즐(130)은 버너블럭(110)의 전방으로 1차 산소를 분사하게 되며, 분사되는 1차 산소는 연료의 좌/우측에서 전방으로 분사된다.

물론, 상기 제1산소노즐(130)은 상기 연료노즐(120)과 동일하게 내열강계열 의 금속 재질 또는 실리카 카바이드계열의 세라믹 재질 중에 어느 하나의 재질로 이루어진다.

한편, 상기 제1산소분사구(114)의 내부에 구비되는 제1산소노즐(130)의 설치각(A)은 연료노즐(120)의 중심축으로 내측으로 5°, 외측으로 5°이하로 제한하거나 연료노즐(102)과 평행을 이루도록 한다.

이때, 상기 제1산소노즐(130)에서 분사되는 1차 산소는 긴화염의 형성과 안정적인 화염의 점화를 목적으로 하게 된다.

따라서, 외측으로 5°이상의 각도로 1차 산소가 분사되는 경우에는 연료중심축과 멀어짐으로 연소반응지역이 멀어지게 됨으로써 불완전 연소를 발생시킬 수 있고, 상기 제1산소노즐(130)에서 분사되는 1차 산소가 내측으로 5°이상의 각도로 분사되는 경우에는 연료와 반응지역이 가깝게 되어 짧은 화염을 형성하게 된다.

따라서, 상기 1차 산소의 분사각도를 내외측으로 5°이하를 유지하도록 함으로써, 초기 화염의 형성은 버너블럭(110)과 일정거리를 주고 전방에서 이루어지도록 함으로써 버너블럭(110)이 산소 화염으로부터 직접적인 영향을 받지 않도록 한다.

그리고, 상기 연료노즐(120)과 제1산소노즐(130)이 설치되는 버너블럭(110)의 끝단과 로(爐)의 내벽면(200)간의 거리(B)는 0 ~ 100 ㎜사이의 거리를 두어 1차 연소대 지역을 쉽게 함과 동시에 파일럿 버너(미도시됨)의 화염보호와 화염감지가 용이하게 한다.

한편, 상기 제2산소노즐(140)은 연료노즐(120)의 상/하부에 연료노즐(120)의 전방을 향해 구비된다.

이때, 상기 제2산소노즐(140)은 도면상으로는 로(爐)의 벽면(200)에 경사지게 형성되는 제2산소분사구(210)의 내부에 설치되는 것만을 도시하였으나, 버너블럭(110)의 상하부에 경사지게 제2산소분사구(210)를 형성하고 그 내부에 설치되어 버너중심축으로 일정각과 일정거리를 두고 분사토록 설치함도 동일한 기술적 범주에 속하는 것이다.

이와 같은 제2산소노즐(140)은 연료노즐(120)의 중심축 전방을 향해 경사지게 설치되는데, 이 경우 상기 연료노즐(120)의 중심축 전방에서 상기 상/하측에 설치되는 제2산소노즐(140) 사이의 설치각(C)은 15 ~ 45°를 유지하도록 한다.

한편, 상기 버너블럭(110)의 연료분사구(112) 중심으로부터 제2산소노즐(140)의 중심 사이의 거리는 연료분사구(112) 직경의 5배 이상 떨어진 위치에서 연료분사구(112) 상/하에서 2차 산소를 분사하도록 설치된다.

이와 같이 제2산소노즐(140)을 설치함으로써 1차 산소가 버너블럭(110) 전단의 일정거리 떨어진 곳에서 연료와 충돌함과 동시에 상/하에서 분사되는 2차 산소가 버너블럭(110)의 전방 중심부로 분사됨으로써 서로 충돌이 일어나 연료와 산소의 혼합지역이 좌/우로 넓게 퍼지게 됨으로써, 화염이 평면화염 형태로 넓게 퍼지게 된다.

이때, 상기 제2산소노즐(140)의 설치각이 15° 이하이면 이러한 연료와 산소간의 충돌의 감소로 좌/우로 혼합지역이 넓게 퍼져 넓은 연소영역을 형성하지 못하며, 반대로 45 °이상인 경우에는 짧은 화염이 형성되며, 로내 온도가 저온인 구간 에서 불완전 연소의 원인이 된다.

또한, 상기 제2산소노즐(140)을 상기 연료분사구(120)에서 일정거리 이격되게 설치함으로써 산소, 연료간의 충돌이 버너전단 면과 떨어진 곳에서 화염을 형성하게 된다.

이 경우, 상기 제2산소노즐(140)을 상기 연료분사구(112)와의 거리가 연료노즐(120)의 직경에 비해 5배 이하의 거리상에 위치하는 경우에는 연소 형성지역이 버너와 가까이 형성됨으로 산소화염이 버너블럭(110)에 직접적인 영향을 주어 용손 등과 같은 파손 우려가 있는 동시에, 배기가스 재순환을 위한 혼입 형성지역이 좁아져 배기가스의 재순환이 원활하게 이루어지지 못해 질소산화물(NOx) 발생의 증가를 가져오게 된다. 물론, 이러한 제2산소노즐(140)의 설치 위치 및 분사각은 로체(爐體)의 크기 등에 따라 변경 설치할 수 있음은 당연하다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 산소 버너(100)는 로내의 온도에 따라 제1 및 제2산소노즐(130,140)을 통해 분사되는 1차 및 2차 산소의 사용비율을 속도비 등을 조정하여 적정한 환경하에서 운전하게 된다.

즉, 로내의 자동점화 온도는 600 ~ 1000℃로서, 상기 로내 온도가 상기 자동점화 온도인 600℃ 이하인 경우에는 질소산화물(NOx)의 발생보다는 일산화탄소(CO)의 발생 즉 불완전 연소 발생이 문제된다. 따라서, 1차 산소를 전체 산소의 30 ~ 70% 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 70 ~ 30% 사용하게 된다.

한편, 로내 온도가 자동점화 온도인 600℃ 이하인 경우에 1차 산소를 전체 산소의 30%이하를 사용하게 되면 연료에 대한 분사속도비가 증가하여 연료와 산소간의 혼합길이가 짧아져 짧은 화염을 형성하게 된다.

또한, 상기 1차 산소를 전체 산소의 70%이상 사용하는 경우에는 2차 산소로 30%밖에 공급이 되지 않으므로 2차산소의 목적인 평면화염 형성이 약화되는 단점을 가지게 된다.

그리고, 로내 온도가 자동점화 온도인 600℃ 이하인 경우에 1차 산소의 분사속도와 2차 산소의 분사 속도비를 2:1 ~ 1:1.5로 하여 안정적인 화염형성과 평면화염을 형성하도록 한다. 1차 산소의 분사속도와 2차 산소의 분사 속도비가 2:1이상인 경우 1차 산소속도가 2차 산소 속도보다 2배 이상 크게 되어 2차 산소의 평면화염 형성의 역할이 감소됨으로써 짧은 일반 산소 화염과 유사한 화염을 형성하게 된다. 1차 산소의 분사속도와 2차 산소의 분사 속도비가 1:1.5 이상인 경우 1차 산소속도가 2차 산소 속도보다 1.5배 작게 되어 2차 산소간의 충돌효과 증대와 저온구간에서의 화염안정화를 위한 다단연소효과의 감소로 안정적인 화염 형성이 어려우며, 결과적으로 불완전 연소를 발생시키게 된다.

이 경우 상기 제2산소노즐(140)은 고속 분사와 먼거리까지 2차 산소를 분사토록 하기 위하여 RAVAL NOZZLE을 이용함으로써, 초음속 산소 분사가 가능하여 배기가스의 유입 및 1차 및 2차 산소와 연료간의 충돌효과를 더욱 크게 한다.

한편, 로내 온도가 자동점화 온도는 1000℃ 이상인 경우 일산화탄소(CO) 발생보다는 질소산화물(NOx)의 발생이 문제되므로 1차 산소를 전체 산소의 0 ~ 5%를 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 100 ~ 90% 사용하게 된다.

이와 같은 조건하에서는 제2산소노즐(140)을 통하여 대부분의 산소가 분사되어 질소산화물(NOx)의 발생을 최소화하고, 소재의 표면을 균일하게 가열할 수 있게 된다.

즉, 로내온도가 자동점화 온도는 1000℃ 이상인 경우 제2산소노즐(140)을 통하여 대부분의 산소가 분사되도록 하여 로내의 배기가스가 화염안으로 유입되는 것을 최대화하고 넓은 지역에서 연소 반응이 일어나게 함으로써 질소산화물(NOx)의 발생을 최소화함과 동시에 평면화염 또는 무화염을 형성하여 균일한 가열을 가져오도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 산소의 분사 방법을 통하여 넓은 영역에서 연소반응이 발생하게 함과 동시에 안정적인 연소반응을 통하여 평면 화염 및 무화염을 형성할 수 있으며, 산소화염이 버너블럭의 전방에 형성되어 버너블럭의 파손으로부터 보호할 수 있는 장점도 있다.

특히, 이와 같이 평면 및 무화염을 형성함으로써 종래 일반적인 산소 버너의 가장 큰 문제인 국부 과열문제를 해소함과 동시에 저온 지역에서의 불완전 연소 문제와 고온지역에서의 질소산화물(NOx)과 같은 공해 물질의 발생을 최소화하여 로 부변 환경오염을 최소화하는 장점이 있다.

또한, 버너의 산화제로써 산소를 사용함으로써 연료를 절감하는 효과도 있다.

Claims (10)

1. 로(爐)의 벽면에 장착되되 중앙에 연료분사구가 전후방으로 관통 형성되며 그 연료분사구의 좌/우측에는 제1산소분사구가 전후방향으로 각각 형성되는 버너블럭과;

   상기 연료분사구에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 경사지게 연료를 분사하는 연료노즐과;

   상기 제1산소분사구 내부에 장착되어 상기 버너블럭의 전방으로 1차 산소를 분사하는 제1산소노즐과;

   상기 연료분사구의 전방 중심을 향해 경사지게 2차 산소를 분사하는 제2산소노즐;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제2산소노즐은 상기 연료분사구에서 상기 제1산소노즐보다 원거리에 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 연료노즐과 제1산소노즐은 내열강계열의 금속 재질 또는 실리카 카바이 드계열의 세라믹 재질 중에 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1산소노즐은 연료노즐의 중심축을 중심으로 내측으로 0°∼ 5°, 외측으로 0°∼ 5°로 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제2산소노즐은 로(爐)의 벽면 또는 버너블럭의 상하부에 경사지게 형성되는 제2산소분사구의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제2산소분사구의 전단부는 상기 연료분사구의 전단 직경의 5배 이상 떨어진 상/하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제2산소노즐은 연료노즐의 중심축 전방을 향해 15 ~ 45°경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 로내의 자동점화 온도는 600 ~ 1000℃이며, 상기 로내 온도가 600℃ 이하이면 상기 1차 산소를 전체 산소의 30 ~ 70% 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 70 ~ 30% 사용하는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 제2산소노즐은 RAVAL NOZZLE로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소 버너.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 로내의 자동점화 온도는 600 ~ 1000℃이며, 상기 로내 온도가 1000℃ 이상이면 상기 1차 산소를 전체 산소의 0 ~ 5% 사용하고, 2차 산소를 전체 산소의 100 ~ 90% 사용하는 것을 특징으로 하는 산소 버너.

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