KR101235638B1

KR101235638B1 - 저녹스 버너

Info

Publication number: KR101235638B1
Application number: KR1020120060137A
Authority: KR
Inventors: 하우식; 장동현
Original assignee: (주) 청우지엔티
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-02-21

Abstract

본 발명은 공기조절과 화염분할 및 배기가스자기재순환연소기술을 통해 녹스를 저감하는 저녹스 버너에 관한 것으로 정류기에 보염부를 중심으로 하여 부챗살처럼 방사상으로 형성되어 있고 공기공급구가 형성되어 있는 긴 3각봉 형상의 공기공급부와 헤드 외주면에 원주상으로 위치하고 1차 공기공급공급부와 2차 공기공급부에 연료를 분출하는 연료노즐로 구성되어 있다.

Description

저녹스 버너{Low NOx Burner}

본 발명은 공기조절과 화염분할 및 배기가스자기재순환연소기술을 통해 녹스를 저감하는 저녹스 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정류기에 형성한 공기분출구를 사면으로 형성하여 공기분출구에서 나오는 공기가 정류기 앞에서 순환할 수 있도록 하여 연소시킴으로써 화염이 분할화염을 형성하면서 정류기로부터 멀리 나가지 않도록 하는 한편, 헤드 외주면에 각도를 달리하여 원주상으로 설치한 복수개의 연료노즐을 연소시킴으로써 분할화염을 형성할 수 있도록 하고 또 2단 연소방식과 연소실 내부에서의 배기가스 재순환연소기술을 통해 Thermal NOx와 Prompt 녹스의 생성을 동시에 방지할 수 있도록 한 수관식 보일러용 저녹스 버너에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물은 NO와 NO₂를 뜻하며 통상 NOx (녹스)라고 표기하는데, 화석 연료를 연소시킬 때 다량 발생된다. 녹스의 생성은 화염온도, 산소농도 및 연료중의 질소성분 등에 의해 영향을 받지만 이들은 운전조건 과 연소방법의 변경 등에 의하여 변화시켜 녹스를 저감시킬 수 있다.

녹스는 연료에 화학적으로 결합되어 존재하는 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 Fuel 녹스(연료중의 NOx)와 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 산화하여 연소용 공기 중의 질소 분자를 산화 생성하는 Thermal 녹스(온도의 NOx) 및 탄화수소계열의 화석연료가 고농도상태로 고온에서 산화되어 연소용 공기 중의 질소 분자를 생성하거나 탄화수소계열의 화석연료가 고농도상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 Prompt 녹스로 구분된다.

상기 녹스 중 연료중의 녹스인 Fuel 녹스는 연소기술로는 제어할 수 없으므로 업계에서는 Thermal 녹스와 Prompt 녹스를 제어할 수 있는 버너의 개발에 주력하고 있다.

녹스는 공기 중의 산소와 질소가 반응하여 생성되는데, 산소와 질소는 상온에서는 상호 반응성이 매우 낮으나 고온(1500℃ 이상)에서는 상호 반응을 하여 NO를 발생시킨다. 따라서 대부분의 버너 연소실의 최고 온도지역인 화염 표면지역은 통상 1200 ~ 1750℃의 온도에 도달하므로, 이 반응은 NO 생성의 중요한 생성원이 되고 있는 바, 그 반응식은 다음과 같다.

N₂+O₂= 2NO

이와 같이 NO가 생성되면 분해반응속도가 느려 N₂와 O₂로 다시 분해되지 않고, 산소와 다시 반응하여 NO₂를 생성 즉, 2NO + O₂ = 2NO₂가 된다.

이 반응은 온도가 상승함에 따라 반응속도가 느려지는 반응이다. 따라서 고온에서는 NO생성이 활발하며, 기체의 온도가 서서히 내려가면, 고온의 NO는 N₂와 O₂로 분해된다. 따라서 녹스 생성을 줄이기 위해서는 연소실 전역에 걸쳐 연소공기를 보다 균일하게 공급함과 동시에 버너의 화염온도를 최대한 낮추는 것이 바람직하다. 이를 위하여 대한민국 특허등록 제0784880호는 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx의 생성을 동시에 저감할 수 있도록 하고 있고 대한민국 특허등록 제0855719호는 연료공급관의 선단에 탈착 가능하며 연료공급관의 직경보다 큰 직경을 갖는 연료확산부를 설치하여 연료확산부의 직경을 조절함으로써 녹스의 발생을 저감시킬 수 있도록 하였다.

그러나 상기 기술들은 장치가 복잡하므로 출원인은 공기조절과 화염분할 및 배기가스자기재순환연소기술을 통해 녹스를 저감하는 저녹스 버너를 개발하여 대한민국 특허등록 제1022722호로 등록을 받은 바 있다. 상기 특허는 연소실내에 공기를 공급하며, 선단부에는 안쪽으로 경사진 경사단면이 형성되어 있는 공기공급관; 상기 공기공급관 정 중앙에 길이방향으로 위치하고 그 선단부가 폐쇄되어 있는 연료공급관; 공기공급량을 조절할 수 있도록 상기 공기공급관과 상기 연료공급관 사이에 설치된 공기조절관; 상기 연료공급관이 정류기 외부로 돌출된 폐쇄된 선단부로서 외주면에는 복수 개의 1차 연료분출공이 형성되어 있는 보염부; 상기 연료공급관 선단부 외주면에 위치하고 연소실에 인입되어 있는 원통형의 헤드; 상기 헤드의 외주면에 길이방향으로 설치되어 있고 측면에는 긴 타원형의 2차 연료분출공이 형성되어 있는 복수 개의 연료노즐; 및 상기 헤드의 수직 선단부로서 상기 연료공급관의 외주면과는 밀착되어 있고 상기 헤드의 내주면과는 3~10mm의 틈새를 유지하고 있어 상기 틈새로도 공기가 분출되도록 되어 있으며 상기 단부에는 복수개의 공기분출공이 형성되어 있는 정류기; 로 구성되어 있다. 그러나 상기 특허는 화염을 멀고 길게 분출할 수 있도록 되어 있어 긴 타원형 또는 긴 직사각형 형태의 보일러(노통 연관식 보일러)에는 매우 효율적이지만 앞 면적은 넓지만 길이가 짧은 수관식 보일러(수직형 보일러 이하 ‘수관식 보일러’라 함)에는 적합하지 않은 문제가 있다.

따라서 수관식 보일러용으로서 화염을 많이 발생하되 멀리까지 분출하지 않는 저녹스 버너의 개발이 요망되고 있다.

상기 과제는 화염이 멀리가지 않도록 공기를 순환식으로 분출하면서 분할화염을 형성할 수 있도록 정류기의 공기공급구에 변화를 주는 한편, 헤드 외주면에 원주상으로 설치한 연료노즐의 연료분출공의 방향에도 변화를 줌으로써 해결할 수 있다.

본 발명의 버너는 복수개의 긴 삼각봉 형상의 공기공급부를 정류기에 방사상으로 형성하지만 공기를 멀리 분출하지 않도록 공기공급구를 상기 각 공기공급부의 한쪽 사면에 형성하여 공기가 정류기 전면에서 순환하도록 함으로써 각 공기공급구에서 공급되는 공기와 만나 발생하는 화염이 공기과잉연소와 분할화염을 형성하되 정류기로부터 멀리 나가지 않음으로써 정류기 앞의 넓은 면적을 충분히 가열할 수 있다. 동시에 헤드 외주면에 원주상으로 복수개 설치한 연료노즐의 단부에 형성된 2차 연료분출공 중 일부는 연료분출공이 정면을 향하도록 형성되어 있고, 기타 연료분출공은 구멍이 길이방향으로 위로 90° 절곡되게 형성되어 있으므로 헤드 외주면에서는 공기희박연소를 하고 대부분의 화염은 정류기로부터 멀리 나가지 않지만 정면을 향하도록 형성되어 있는 일부 연료분출공에서 생성된 화염은 연소실의 끝까지 진행하였다가 재순환됨으로써(배기가스 재순환연소) Thermal Nox와 Prompt 녹스의 생성을 동시에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명 저녹스 버너의 구조를 보여주는 단면도
도 2는 본 발명 저녹스 버너의 사시도
도 3은 본 발명의 저녹스 버너의 정면도
도 4는 본 발명 공기희박연소영역에서의 화염분할을 보여주는 도면
도 5는 연소실 내에서 화염수렴과 배기가스의 자기재순환을 보여주는 도면

본 발명은 선단부에는 경사단면이 형성되어 있는 공기공급관과 상기 공기공급관 정 중앙에 길이방향으로 위치하고 그 선단부가 폐쇄되어 있는 연료공급관, 공기공급관과 연료공급관 사이에 위치하고 공기의 양을 조절하는 공기조절관, 연료공급관이 정류기 외부로 돌출되고 폐쇄된 선단부로서 외주면에는 복수 개의 1차 연료분출공이 형성되어 있는 보염부, 연소실에 인입되어 있는 원통형의 헤드, 상기 헤드의 외주면에 원주상으로 설치되어 있고 선단부에는 2차 연료분출공이 형성된 복수 개의 연료노즐 및 상기 헤드의 수직 선단부인 정류기로 구성된 저녹스 버너에 있어서, 상기 정류기에는 보염부를 중심으로 하여 긴 3각봉 형상의 공기공급부가 부챗살처럼 방사상으로 형성되어 있고 상기 공기공급부의 한쪽 사면에는 길이방향으로 길게 공기공급구를 형성시키는 한편, 헤드 외주면에 원주상으로 형성되어 있는 복수개의 연료노즐 중 일부는 연료분출공이 정면을 향하도록 형성되어 있고 나머지는 연료분출공이 위로 90° 절곡되게 형성되어 있는 수관식 보일러용 저녹스 버너에 관한 것이다.

이하, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 저녹스 버너의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2는 본 발명 저녹스 버너의 사시도, 도 3은 본 발명 저녹스 버너의 정면도이고 도 4는 본 발명 공기과잉연소영역에서의 화염분할을 보여주는 도면이며, 도 5는 연소실 내에서 화염의 수렴과 배기가스의 자기재순환을 보여주는 도면이다.

본 발명의 저녹스 버너는 출원인이 특허 출원하여 제1022722호로 등록을 받은 저녹스 버너 즉, 선단부에는 경사단면(110)이 형성되어 있는 공기공급관(100)과 상기 공기공급관(100) 정 중앙에 길이방향으로 위치하고 그 선단부가 폐쇄되어 있는 연료공급관(300), 공기공급관(100)과 연료공급관(300) 사이에 위치하고 공기의 양을 조절하는 공기조절관(200), 연료공급관(300)이 정류기(600) 외부로 돌출된 폐쇄된 선단부로서 외주면에는 복수 개의 1차 연료분출공(410)이 형성되어 있는 보염부(400), 연소실(800)에 인입되어 있는 원통형의 헤드(500), 상기 헤드 외주면에 원주상으로 복수개 설치되어 있고 선단부에는 2차 연료분출공(710)이 형성되어 있는 연료노즐(700) 및 상기 헤드의 수직 선단부인 정류기(600)로 구성된 저녹스 버너를 앞 면적은 넓지만 연소실의 내부 길이가 짧은 수관식 보일러에 적합하도록 정류기에 형성한 연료분출부와 헤드 외주면에 설치한 연료노즐에 변경을 가한 것이다.

우선 상기 특허의 급기통로를 그대로 이용하여 즉, 도 1에서 보는 바와 같이 경사단면(110)과 공기조절턱(210) 사이의 좁은 틈을 1차 공기공급부(120)로 하는 한편, 공기조절관(200)의 내주면과 연료노즐(700) 사이에도 공기희박연소를 할 수 있을 정도의 적은 양의 공기가 2차 연료분출공(710)과 만날 수 있도록 좁은 틈을 만들어 2차 공기공급부(220)를 형성하였다.
또 정류기(600)에는 보염부(400)를 중심으로 하여 긴 3각봉 형상의 공기공급부(610)를 부챗살처럼 방사상으로 형성하고 상기 각 공기공급부(610)의 한쪽 사면(斜面)에는 동일한 방향으로 길게 공기공급구(611)를 형성하였다.

상기 공기공급구(611)의 길이는 공기공급부(610) 길이의 1/2 이상이 되도록 형성하여야 한다. 그 이유는 연소실(800)의 면적에 적합하게 공기과잉연소를 할 수 있는 양의 공기를 공급하기 위한 것이다. 즉, 보염부(400) 외주면에 형성되어 있는 1차 연료분출공(410)으로부터 분출할 수 있는 연료의 양은 전체 공기공급구(611)로부터 분출할 수 있는 공기양의 20~50%에 불과하다. 따라서 만일 공기공급구(611)의 길이가 공기공급부(610) 길이의 1/2 미만이면 공기과잉연소를 할 수 있을 정도로 충분한 양의 공기를 공급하기 어렵기 때문이다.

또 공기공급구(611)는 공기공급부(610)의 한쪽 사면(斜面)에 동일한 방향으로 형성되어 있으므로 공기공급구(611)로부터 분출되는 공기는 필연적으로 동일한 방향(즉, 시계방향이나 그 역방향)으로 분출되게 되고 따라서 분출된 공기는 정류기(600) 앞에서 순환하게 되며 그 결과 화염 역시 1차 연소구역(A) 즉, 정류기(600) 바로 앞 부근에서 순환 및 공기과잉연소를 하면서 분할화염을 형성하면서 연소실(800) 앞 면적을 가열하게 된다.

한편, 헤드(500) 주위에서는 공기희박연소를 할 수 있어야 하므로 헤드(500) 외주면에는 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)로부터 공급되는 공기의 양에 비하여 많은 양의 연료를 분출할 수 있도록 충분한 수 즉, 8~15개의 연료노즐(700)을 헤드(500) 외주면에 설치하여야 한다. 따라서 본 발명의 도면에서는 12개로 표시하고 있으나 반드시 이에 한정할 것이 아니다. 즉, 연료노즐(700)의 수는 연소실(800)의 크기나 연료노즐(700)의 구경에 따라 신축적으로 정할 수 있다. 한편, 상기 연료노즐(700) 중 일부 즉, 1~4개의 연료노즐(700)의 연료분출공(710)은 정면을 향하도록 형성하고, 기타 연료분출공(710)은 헤드(500) 주위로 연료를 분출할 수 있도록 길이방향에서 위쪽으로 90° 절곡되어 있다.

그 이유는 본 저녹스 버너는 수관식 보일러용이므로 화염은 많이 발생시키되 멀리까지 보낼 필요가 없기 때문이다. 그럼에도 불구하고 배기가스 재순환을 하기 위해서는 일부 화염을 연소실(800) 내부 끝까지 보낸 후 수렴하여야 하므로 2차 연료분출공(710) 중 일부 즉, 1~4개는 정면을 향하여 화염을 분출할 수 있도록 한 것이다.

한편, 1차 공기공급부(120)의 공기공급양은 공기희박연소를 할 수 있게끔 적은 양이 되도록 공기조절턱(210)에 의하여 조절되고 2차 공기공급부(220) 역시 공기조절관(200)과 연료공급관(300)의 틈새이므로 많은 양의 공기를 공급할 수 없다. 따라서 헤드(500) 주위에서는 필연적으로 공기희박연소를 하면서 각 2차 연료분출공(710)별로 연료분출공의 방향에 따라 수직 또는 수평으로 분할화염을 형성하며, 이와 같이 형성된 분할화염은 연소실(800)로 유입되어 연소실(800)을 가열하면서 배기가스재순환을 하게 된다.

이하, 본 발명 저녹스 버너의 작용에 대하여 설명한다.

송풍기(미 도시)를 이용하여 공기공급관(100)에 공기를 공급하는 한편, 연료탱크(미 도시)로부터 연료공급관(300)에 연료를 공급하면 도 3에서 보는 바와 같이 보염부(400)를 중심으로 하여 방사상으로 형성되어 있는 공기공급부(610)의 공기공급구(611)에서는 공기공급구(611)가 형성된 방향 즉, 시계방향이나 그 반대방향으로 공기가 분출되어 1차 연료분출공(410)에서 분출되는 연료와 만나면서 각 공기공급구(611) 별로 화염을 형성하게 된다. 그러나 1차 연료분출공(410)으로부터 분출되는 연료의 양은 상기 공기공급구(611)로부터 분출되는 공기양의 20~50%에 불과하므로 이 연소구역(A)에서는 공기과잉연소를 하면서 각 공기공급구(611) 별로 분할화염을 형성하게 하게 된다. 그러나 모든 연료분출구(611)가 연료분출부(610)의 한쪽 사면에 동일한 방향으로 형성되어 있으므로 상기 화염은 공기가 분출하는 방향으로 휘면서 강선회류를 형성하지만 공기가 정류기(600) 앞에 형성되고 멀리 나가지 않으므로 화염은 도 5에서 보는 바와 같이 보염부(400)쪽으로 당겨지는 흐름을 보이게 된다.

한편, 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)를 통해 상기 연료노즐(700)을 통과하는 공기는 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)의 폭을 좁게 또는 넓게 함으로써 그 양을 조절할 수 있게 되어 있다. 따라서 연소실의 크기에 따라 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)로부터 공급되는 공기의 양을 적게 조절함으로써 각 2차 연료분출공(710)별로 공기희박연소가 되면서 분할화염을 형성하며, 상기 공기희박연소된 분할화염은 좁은 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)를 벗어나 공간이 넓은 연소실(800)로 유입되면서 속도가 빨라진다. 즉, 상기 연소실(800)로 공급된 분할화염은 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)의 좁은 통로로부터 넓은 공간으로 분출되어 나왔으므로 속도가 빨라짐과 동시에 주위의 압력이 떨어지므로 화염 대부분은 2차 연소구역(B)에서 연소되면서 와류를 일으키면서 보염부(400)쪽으로 회류되고 나머지 화염 즉, 정면을 향하여 형성된 연료노즐에서 발생한 화염은 3차 연소구역(C)에서 연소되면서 1200℃이하의 온도로 되어 보염부(400)쪽으로 회류(回流)하여 정류기(600) 부근에서 공기과잉연소를 함으로써 강선회류를 형성하여 보염부(400)쪽으로 당겨지는 화염과 교반, 혼합하여 와류를 형성하면서 배기가스 자기재순환을 하게 된다.

이와 같이 각 연료노즐(700)별로 분할화염을 형성함으로써 복사열 전달을 촉진하고 이에 따라 화염의 온도가 저하된다. 또 1차 공기공급부(120)와 2차 공기공급부(220)의 좁은 통로를 통해 연소실로 유입된 공기희박연소된 화염은 공기보다 연료의 양이 많으므로 연소가스의 성분은 공기에 보다 가깝게 되고 이에 따라 화염의 온도도 저하되므로 녹스의 발생을 억제하게 된다.

또 재순환된 배기가스에는 탄산가스가 많이 함유되어 있어 더 이상 연소 작용을 할 수 없으므로 배기가스자기재순환과정에서 더욱 연소온도가 낮아지게 되어 녹스의 발생을 최대한 억제하게 된다.

이와 같이 공기희박연소에 의하여 발생된 화염과 공기과잉연소에 의하여 발생된 화염이 교반, 혼합되면서 와류를 형성하여 자기재순환연소를 하면서 녹스의 분해반응이 진행되고 동시에 중간생성물(NHi, HCN 등)도 감소하여 녹스를 대폭 저감시킬 수 있다. 이와 같이 공기희박연소와 공기과잉연소의 2단 연소방식과 자기재순환연소방식을 복합적으로 채택함으로써 연비가 높아지고 배기가스도 적게 배출하게 된다.

100 : 공기공급관 110 : 경사단면
120 : 1차 공기공급부
200 : 공기조절관 210 : 공기조절턱
220 : 2차 공기공급부
300 : 연료공급관
400 : 보염부 410 : 1차 연료분출공
500 : 헤드 600 : 정류기
610 : 공기공급부 611 : 공기공급구
700 : 연료노즐 710 : 2차 연료분출공
800 : 연소실

Claims

선단부에는 경사단면이 형성되어 있는 공기공급관과 상기 공기공급관 정 중앙에 길이방향으로 위치하고 그 선단부가 폐쇄되어 있는 연료공급관, 공기공급관과 연료공급관 사이에 위치하고 공기의 양을 조절하는 공기조절관, 연료공급관이 정류기 외부로 돌출된 폐쇄된 선단부로서 외주면에는 복수 개의 1차 연료분출공이 형성되어 있는 보염부, 연소실에 인입되어 있는 원통형의 헤드, 상기 헤드의 외주면에 원주상으로 설치되어 있고 선단부에는 복수 개의 연료분출공이 형성된 연료노즐 및 상기 헤드의 수직 선단부로서 보염부 주위에 복수개의 공기공급부가 방사상으로 형성되어 있는 정류기로 구성된 저녹스 버너에 있어서,
상기 정류기에 보염부를 중심으로 하여 부챗살처럼 방사상으로 형성되어 있고 공기공급구가 형성되어 있는 긴 3각봉 형상의 공기공급부;와
헤드 외주면에 원주상으로 위치하고 경사단면과 공기조절턱 사이의 좁은 틈인 1차 공기공급부와 공기조절관의 내주면과 연료노즐 사이의 좁은 틈인 2차 공기공급부에 연료를 분출하는 연료노즐;로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저녹스 버너.
제1항에 있어서, 상기 공기공급구는
상기 공기공급부의 한쪽 사면(斜面)에 동일방향으로 공기공급부 길이의 1/2 이상 길게 형성되어있는 것을 특징으로 하는 저녹스버너.
제1항에 있어서,
상기 연료노즐 중 1~4개는 연료분출공이 정면을 향하도록 형성되어 있고 나머지는 길이방향으로 위로 90° 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 저녹스버너.