KR101213883B1

KR101213883B1 - 저열량 가스용 저녹스형 버너

Info

Publication number: KR101213883B1
Application number: KR1020120112733A
Authority: KR
Inventors: 이종태; 박재언
Original assignee: 주식회사 수국
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2012-12-18

Abstract

본 발명은 저열량 가스용 저녹스형 버너에 관한 것이다.
본 발명에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너는 튜브와 연료공급관과 복수의 연료 노즐관과 디퓨저를 포함한다. 튜브는 연소실의 버너 장착공에 삽입되어 연소실 내로 돌출된다. 연료공급관은 튜브의 중심부에 배치되어 연료를 공급하며 튜브보다 낮게 돌출되어 단부에 제1연료 분출공이 형성된다. 복수의 연료 노즐관은 연료공급관의 단부에서 분기하여 튜브의 단부로 연장되어 단부에 제2연료 분출공이 형성된다. 디퓨저는 연료공급관의 단부에서 튜브의 단부를 향해 벌어진다.
본 발명에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너에 의하면, 연소용 가스를 1차와 2차로 나누어 공급하여 연료과농 연소와 공기과잉 연소가 연소실 내에서 동시에 일어나도록 함으로써, 발열량이 낮고 열량의 변동폭이 큰 바이오 가스를 안정적으로 연소하면서 질소 산화물의 배출량을 저감하게 된다.

Description

저열량 가스용 저녹스형 버너{Low nitrogen oxide burner for burning low-calorie combustion gas}

본 발명은 저열량 가스용 저녹스형 버너에 관한 것으로서, 발열량이 낮으면서 열량의 변동폭이 큰 가스인 바이오 가스를 연소하면서도 과잉 공기량이 낮아 질소산화물의 배출량이 적은 저열량 가스용 저녹스형 버너에 관한 것이다.

지금까지 개발된 저녹스형 버너들은 천연가스, LPG 등 발열량이 8600 kcal/Nm³ 이상인 고열량 가스를 연소하기 위한 것들이었다. 그러나 이러한 고열량 가스는 매립량이 한정되어 있어 이를 대신할 새로운 에너지 자원의 개발이 이루어지고 있는데 비해, 저녹스 연소 기술 동향은 여전히 천연가스와 LPG에 초점이 맞추어져 새로운 연료를 적용하기 위한 대응이 많이 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다.

현재 각광받고 있는 대체 에너지원 중에서 하수나 분뇨 처리 가스, 매립지 가스 등의 이른바 바이오 가스는 천연가스나 LPG에 비하여 발열량이 상대적으로 낮고 열량의 변동폭이 심한 저열량의 가스이다. 이러한 저열량 가스는 연소시 발화점 이상의 온도를 유지하기가 어려워 화염을 유지하기가 어려운 것이 특징이다. 질소산화물의 배출량을 줄이기 위한 저녹스 연소 기술에서는 화염의 온도를 낮추는 것이 핵심 관건인데, 이러한 저열량 가스를 연소할 경우에는 화염의 온도가 매우 낮기 때문에, 화염의 온도를 더 낮추는 저녹스 연소가 그대로 실시될 경우 실화의 위험이 매우 크다. 특히, 기존의 저녹스형 버너는 고열량 가스를 사용하여 연소하는 경우에 적합하도록 개발되었기 때문에 저열량 가스이며 열량변동이 심한 바이오 가스를 연소하는 데에는 적합하지 않다.

한편, 기존의 저녹스형 버너는 최적 공기비가 1.2 수준이며, 이 외의 공기비에서는 연소가 불안정해지거나, 연소실과의 주파수 공명에 의한 연소 진동이 빈번하게 되므로 공기비를 더 낮추어 에너지를 절약하는 데에도 한계가 있었다.

이에, 바이오 가스와 같이 발열량이 낮으면서 열량의 변동폭이 큰 가스를 연소하면서도 과잉 공기량이 낮아 연소시 질소산화물의 배출량이 적은 가스 버너의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 발열량이 낮으면서 열량의 변동폭도 큰 바이오 가스를 안정적으로 연소하면서 질소산화물의 배출량을 저감할 수 있는 저열량 가스용 저녹스형 버너를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너는, 연소실의 버너 장착공에 삽입되어 연소실 내로 돌출된 튜브와, 튜브의 중심부에 배치되어 연료를 공급하며 튜브보다 낮게 돌출되어 단부에 제1연료 분출공이 형성된 연료공급관과, 연료공급관의 단부에서 분기하여 튜브의 단부로 연장되어 단부에 제2연료 분출공이 형성된 복수의 연료 노즐관과, 연료공급관의 단부에서 튜브의 단부를 향해 벌어지는 디퓨저를 포함하며; 디퓨저에는 제1연료 분출공에서 분출되는 1차 연소용 가스와 연소하여 연료과농 연소영역을 이루는 복수의 공기 분출공이 형성되고, 디퓨저의 단부와 튜브의 단부 사이에는 제2연료 분출공에서 분출되는 2차 연소용 가스와 연소하여 공기과잉 연소영역을 이루는 공기의 분사로가 형성된다.

디퓨저의 내부에는 복수의 공기 분출공에서 분출되는 공기를 선회시키는 복수의 선회슬릿이 구비된다.

복수의 연료 노즐관은 연료공급관의 단부에서 방사상으로 배치되는 한편 디퓨저의 외곽 전체를 감싸는 형태이거나, 연료공급관의 단부에서 방사상으로 배치되는 한편 디퓨저의 외곽 일부를 감싸면서 디퓨저를 관통하는 형태일 수 있다.

튜브의 단부 또는 디퓨저의 단부는 내측으로 절곡되어 공기 분사로에서 분출하는 공기는 버너의 중심선 방향으로 기울어지게 되어 있다.

연료 노즐관의 단부는 외측으로 절곡되어 2차 연소용 가스는 공기 분사로에서 분출하는 공기와 교차하면서 혼합하게 되어 있다.

본 발명에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너에 의하면, 연소용 가스를 1차와 2차로 나누어 공급하여 연료과농 연소(Rich Combustion)와 공기과잉 연소(Lean Combustion)가 연소실 내에서 동시에 일어나도록 함으로써, 발열량이 낮고 열량의 변동폭이 큰 바이오 가스를 안정적으로 연소하면서 질소 산화물의 배출량을 저감하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에서 화살표 A-A선에 따라 본 도면이다.
도 3은 도 1의 화염형성부에서 튜브를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 화염형성부를 단면으로 나타낸 상세도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에서 화살표 A-A선에 따라 바라본 도면이다. 도 3은 도 1의 화염형성부에서 튜브를 제거한 상태를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 1의 화염형성부를 단면으로 나타낸 도면이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저열량 가스용 저녹스형 버너(1000)는 버너 본체(1100)와 화염형성부(1200)를 포함하며, 화염형성부(1200)는 튜브(1210)와 연료공급관(1220)과 디퓨저(1230)와 복수의 연료 노즐관(1240)을 포함한다. 버너(1000)는 연소실(2000)의 버너 장착공(H)에 화염형성부(1200)가 삽입되어 연소실(2000)내로 돌출되게 장착된다. 버너 본체(1100)에는 송풍기(미도시)를 통해 연소용 공기가 급기되는 급기통로가 형성되어 있다. 화염형성부(1200)는 연소실(2000)내에 화염을 형성하는 부분이다. 튜브(1210)는 연소실(2000)의 버너장착공(H)에 삽입되어 연소실(2000)내로 돌출된다. 연료공급관(1220)은 튜브(1210)의 중심부에 배치되어 연료를 공급하며 튜브(1210)보다 낮게 돌출되어 끝단에 제1연료 분출공(1221)이 형성된다. 디퓨저(1230)는 연료공급관(1220)의 단부에서 튜브(1210)의 단부를 향해 벌어진다. 복수의 연료 노즐관(1240)은 연료공급관(1220)의 단부에서 분기하여 튜브(1210)의 단부로 연장되어 끝단에 제2연료 분출공(1241)이 형성된다.

버너 본체(1100)에는 속이 빈 원통형상의 튜브(1210)가 결합되어 있고, 튜브(1210)는 연소실(2000) 내로 삽입되어 돌출된다. 디퓨저(1230)는 연료공급관(1220)의 단부에서 연장 형성되어 튜브(1210)의 단부를 향하여 벌어지는 형상을 이루도록 구비되며, 디퓨저(1230)의 단부와 튜브(1210)의 단부 사이에는 제2연료 분출공(1241)에서 분출되는 2차 연소용 가스와 연소하여 공기과잉 연소영역(LC)을 이루는 공기 분사로(1211)가 형성된다. 튜브(1210)의 끝단은 내측 방향으로 절곡되어 공기 분사로(1211)의 단면을 최소화하므로 연소실(2000)로 공급되는 공기의 유속이 극대화된다. 공기 분사로(1211)를 통해 고속으로 분출되는 공기가 복수의 연료 노즐관(1240)의 제2연료 분출공(1241)을 통해 고속으로 분출되는 연료와 거의 직각에 가깝게 교차되면서 혼합되고, 이 혼합된 기체가 점화플러그(미도시)에 의해 점화되어 연소실(2000)에는 축소된 후에 확대되는 장구 형태의 화염이 형성되면서 연소가스가 발생한다. 즉, 공기 분사로(1211)에 의해 화염의 속도가 매우 빠른 고속화염이 형성되고, 이에 의해 화염은 그 폭이 점점 축소된 후에 확대되는 형태로 형성된다. 또한 튜브(1210)의 일부가 연소실(2000) 내로 일정 길이만큼 인입되어 돌출하여 있으므로, 고속화염과 화염의 최소직경부에 의한 낮은 압력이 화염의 후단부 깊숙이 미치게 된다. 화염의 최소직경부에서는 화염의 전파속도가 매우 빠르고, 화염 후단부의 연소가스는 화염의 최소직경부측으로 유도되는데, 이에 따라 연소실(2000)의 연소가스는 화염 둘레 영역에서 재순환된다. 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 써말 녹스는 이러한 연소가스 재순환(Flue Gas Recirculation)에 의하여 그 발생이 현저히 낮아지게 된다.

연료공급관(1220)은 디퓨저(1230)의 중심을 이루도록 튜브(1210)의 중심부에 배치되며, 연료공급관(1220)이 연소실(2000) 내로 직접 노출되는 기존의 저녹스형 버너의 경우와 달리, 연료공급관(1220)의 단부가 튜브(1210) 단부의 바깥으로 노출되지 않는다. 또한 연료공급관(1220)은, 단부에서 연장되어 형성되는 디퓨저(1230)가 튜브(1210)의 단부를 향하여 벌어지는 형상을 이룰 수 있도록, 기존의 저녹스형 버너의 연료공급관보다 버너 본체(1100) 쪽으로 더욱 후퇴되어 위치한다. 연료공급관(1220)의 끝단에는 복수의 제1연료 분출공(1221)이 구비되어 있어 1차 연소용 가스가 분출된다. 분출된 1차 연소용 가스는 연료과농 연소(Rich Combustion)를 위한 중심부 화염을 형성하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연료공급관(1220)의 단부에는 디퓨저(1230)의 외곽 일부를 감싸면서 디퓨저(1230)을 관통하여 공기 분사로(1211)에서 종결되는 형상으로 구비된 복수의 연료 노즐관(1240)이 연료공급관(1220)으로부터 퍼져나가는 형태로 방사상으로 형성되어 있다. 여기서 연료 노즐관(1240)은 연료공급관(1220)의 축선방향에 따라 서로 다른 위치에 배치되어 연료의 분출이 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 한다. 각 연료 노즐관(1240)은 디퓨저(1230)의 외주측에 형성된 공기 분사로(1211)까지 길게 연장되어 형성되고, 연료 노즐관(1240)의 단부는 외측으로 절곡되어 공기 분사로(1211)를 통해 연소실(2000)로 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 2차 연소용 가스를 분출한다. 이러한 연료 노즐관(1240)에 의하여 공기 분사로(1211)에서는 공기와 연료의 급속혼합작용이 구현되며, 분출된 2차 연소용 가스는 공기과잉 연소(Lean Combustion)를 위한 외곽부 화염을 형성하게 된다. 복수의 연료 노즐관(1240)이 디퓨저(1230)의 외곽에 배치되는 방법은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 디퓨저(1230)의 일부를 감싸면서 관통하는 형태일 수 있고, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 디퓨저(1230) 전체를 감싸면서 관통하지는 않는 형태일 수 있다. 튜브(1210)의 직경과 디퓨저(1230)의 직경을 고려하여 도 4의 (a) 또는 도 4의 (b)에서 선택하여 실시할 수 있으며, 공기 분사로(1211)에 연료 노즐관(1240)의 말단이 위치하도록 유의하여야 한다.

본 발명에 의한 저열량 가스용 저녹스형 버너(1000)는 튜브(1210)의 중심에 위치하는 연료공급관(1220)의 제1연료 분출공(1221)에 의하여 1차 연소용 가스를 공급받고, 공기 분사로(1211)에 그 말단이 위치하는 연료 노즐관(1240)을 통하여 2차 연소용 가스를 공급받으므로, 화염형성부(1200)의 중심부와 외곽부에 각각 연료과농 연소와 공기과잉 연소가 이루어져, 발열량이 낮으면서 열량의 변동폭이 큰 바이오 가스를 보다 안정적으로 연소할 수 있게 된다.

한편 디퓨저(1230)에는 제1연료 분출공(1221)에서 분출되는 1차 연소용 가스와 연소하여 연료과농 연소영역(RC)를 이루는 복수의 공기 분출공(1231)이 형성되고, 디퓨저(1230)의 내부에는 복수의 공기 분출공(1231)에서 분출되는 공기를 선회시키기 위한 복수의 선회슬릿(1232)이 구비되어 있다. 디퓨저(1230)의 단부는 내측으로 절곡되어 공기 분사로(1211)에서 분출하는 공기는 버너의 중심선 방향으로 기울어지게 되어 있다. 복수의 공기 분출공(1231)을 통해 급기되는 공기는 복수의 선회슬릿(1232)에 의하여 고속의 선회기류를 형성하게 되며, 이러한 고속의 선회기류에 의하여 연료와 공기의 균일한 혼합이 달성된다. 탄화수소계열의 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스는 공기와 연료의 이러한 급속하고 고른 혼합에 의하여 그 발생이 현저히 낮아지게 된다. 또한 디퓨저(1230)는 연료공급관(1220)의 단부에서 연장되어 형성되어 튜브(1210)의 단부를 향하여 벌어지는 형상을 이루므로, 연소시 화염을 보호하고 유지시켜주는 보염기능이 기존의 저녹스형 버너에 비하여 우수하다. 본 발명에 따른 저열량 가스용 저녹스형 버너(1000)에 사용되는 연료는 발열량이 낮고 그 변동폭이 큰 바이오 가스가 주가 되기 때문에 이러한 벌어지는 형상의 디퓨저(1230)에 의하여 보염을 하는 것이 바이오 가스의 안정적인 연소를 이룰 수 있는 방법이다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

1000 : 버너 1100 : 버너본체
1200 : 화염형성부 1210 : 튜브
1211 : 공기 분사로 1220 : 연료공급관
1221 : 제1연료 분출공 1230 : 디퓨저
1231 : 공기 분출공 1232 : 선회슬릿
1240 : 연료 노즐관 2000 : 연소실
1241 : 제2연료 분출공

Claims

연소실의 버너 장착공에 삽입되어 연소실 내로 돌출된 튜브와,
상기 튜브의 중심부에 배치되어 연료를 공급하며 상기 튜브보다 낮게 돌출되어 단부에 제1연료 분출공이 형성된 연료공급관과,
상기 연료공급관의 단부에서 분기하여 상기 튜브의 단부로 연장되어 단부에 제2연료 분출공이 형성된 복수의 연료 노즐관과,
상기 연료공급관에서 상기 튜브의 단부를 향해 벌어지는 디퓨저를 포함하며;
상기 디퓨저에는 상기 제1연료 분출공에서 분출되는 1차 연소용 가스와 연소하여 연료과농 연소영역을 이루는 복수의 공기 분출공이 형성되고,
상기 디퓨저의 단부와 상기 튜브의 단부 사이에는 상기 제2연료 분출공에서 분출되는 2차 연소용 가스와 연소하여 공기과잉 연소영역을 이루는 공기 분사로가 형성된 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.
청구항 1에 있어서,
상기 디퓨저의 내부에는 상기 복수의 공기 분출공에서 분출되는 공기를 선회시키는 복수의 선회슬릿이 구비되는 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 연료 노즐관은 상기 연료공급관의 단부에서 방사상으로 배치되는 한편 상기 디퓨저의 외곽 전체를 감싸는 형태인 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 연료 노즐관은 상기 연료공급관의 단부에서 방사상으로 배치되는 한편 상기 디퓨저의 외곽 일부를 감싸면서 상기 디퓨저를 관통하는 형태인 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.
청구항 1에 있어서,
상기 튜브의 단부 또는 상기 디퓨저의 단부는 내측으로 절곡되어 상기 공기 분사로에서 분출하는 공기는 상기 버너의 중심선 방향으로 기울어지게 되어 있는 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.
청구항 1에 있어서,
상기 연료 노즐관의 단부는 외측으로 절곡되어 상기 2차 연소용 가스는 상기 공기 분사로에서 분출하는 공기와 교차하면서 혼합하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 저열량 가스용 저녹스형 버너.