KR101236689B1 - 저녹스형 버너 - Google Patents

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KR101236689B1
KR101236689B1 KR1020120073286A KR20120073286A KR101236689B1 KR 101236689 B1 KR101236689 B1 KR 101236689B1 KR 1020120073286 A KR1020120073286 A KR 1020120073286A KR 20120073286 A KR20120073286 A KR 20120073286A KR 101236689 B1 KR101236689 B1 KR 101236689B1
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박재언
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Abstract

본 발명은 질소산화물의 생성을 방지할 수 있는 저녹스형 버너에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저녹스형 버너는 복수의 화염유도부에 의하여 표면적이 극대화된 화염이 복수개로 분할 유지됨으로써, 연소과정에서의 질소산화물 배출량을 극도로 저감한다.

Description

저녹스형 버너 {LOW NITROGEN OXIDE BURNER}
본 발명은 가스용 버너에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 질소산화물의 생성을 저감할 수 있는 저녹스형 버너에 관한 것이다.
일반적으로 질소산화물은 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 퓨얼 녹스(Fuel NOx)와, 연소용 공기중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 써말 녹스(Thermal NOx)와, 탄화수소계열의 화석 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스(Prompt NOx) 등으로 구분된다.
이러한 질소 산화물 중에서 특히, 퓨얼 녹스는 연소기술에 의해 제어될 수 없고, 이에 따라 저녹스형 버너는 써말 녹스와 프롬프트 녹스의 두 가지 질소산화물의 생성을 방지하는데 그 기술적 과제를 가지고 있다.
종래의 저녹스형 버너에는 배기가스를 회수하여 화염에 혼입하는 배기가스 재순환방식(Flue Gas Recirculation)의 저녹스형 버너, 연소용 공기를 1,2차로 나누어 화염을 분할함으로써 화면 표면적을 극대화시킨 분할화염버너, 화염 표면적을 증가시키기 위한 방법으로 화염을 막 형태로 만든 박막화염버너 등이 있으며, 이러한 종래의 저녹스형 버너는 화염 온도 저감에 의해 써말 녹스 생성을 감소시키는 기술을 도모하여 왔다. 이러한 저녹스형 버너의 충분한 연소공간을 확보하기 위해서는, 외부에서 인입된 배기가스량만큼 연소실의 부피를 늘려주어야 하기 때문에 최근의 보일러 콤팩트화 설계 경향과는 맞지 않는다.
이에 따라, 본 출원인은 앞서 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환(Flue Gas Self Recirculation)등을 구현함으로써 써말 녹스와 프롬프트 녹스의 생성을 동시에 방지할 수 있는 저녹스형 버너를 개발하였다(등록번호 10-0784881).
그러나 이러한 저녹스형 버너는 용량이 커지면서 화염의 직경도 따라서 커지므로 하나의 커다란 화염이 만들어지면서 화염의 온도가 높아지게 된다. 이 경우 연소용 공기 및 연료를 분할 공급하는 설계를 적용하면 분할화염으로 인하여 써말 녹스를 더욱 저감할 수 있으나, 설계와 제작에 추가적인 시간과 비용이 투입되고, 질소산화물의 배출량도 아직 개선의 여지가 많이 남아 있는 것이 현실이다. 이에 기존의 저녹스형 버너를 최대한 활용하여 대용량의 현장에 투입하면서도 질소산화물의 배출량은 더욱 저감할 수 있는 저녹스형 버너의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은, 화염 표면적을 극대화시켜 복사전열을 증대함으로써 연소과정에서의 써말 녹스의 발생을 더욱 저감한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 저녹스형 버너는 공기가 급기되는 급기통로가 형성되며 연소실의 버너 장착공에 장착되는 버너 본체와, 급기통로와 연결되고 연소실로 화염을 안내하며 서로 인접하여 원주상을 이루도록 배치되는 복수의 화염유도부를 포함하며, 화염유도부는 버너 장착공에 삽입되는 튜브와, 튜브의 중심부에 배치되어 연료를 공급하는 연료공급관과, 연료공급관의 선단에 위치하여 튜브와의 사이에 분사로를 형성하는 디퓨저와, 연료공급관의 선단에 위치하여 연소실로 연료를 분출하는 복수의 연료노즐을 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 저녹스형 버너는 복수의 화염유도부 중 적어도 하나가 원주상의 중심에 위치한다면, 중심에 위치한 화염유도부를 통해 연료 또는 공기 중 적어도 하나가 공급되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 저녹스형 버너는 복수의 화염유도부가 인접하여 이루어진 원주상의 외곽방향으로만 연료가 분출된다.
본 발명의 실시예에 따른 저녹스형 버너는 복수의 연료노즐이 연료공급관의 선단에 방사상으로 배치되며, 인접하는 2개 이상의 화염유도부에 구비된 복수의 연료노즐 중에서 적어도 2개 이상의 연료노즐이, 인접하는 2개 이상의 화염유도부 사이에 형성되는 빈 공간 내 같은 지점을 향하여 연료를 분출한다.
본 발명에 따른 저녹스형 버너는 복수의 화염유도부에 의하여 화염 표면적이 극대화됨으로써, 연소과정에서의 질소산화물 배출량을 극도로 저감한다.
도 1은 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 화염유도부의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 복수 화염유도부의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 복수 화염유도부의 정면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 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 발명에 따른 저녹스형 버너가 설치된 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 화염유도부를 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저녹스형 버너(1000)는 버너 본체(1100)와 복수의 화염유도부(1200)를 포함하며, 화염유도부(1200)는 튜브(1210)와 연료공급관(1220)과 디퓨저(1230)와 연료노즐(1240)을 포함한다. 버너(1000)는 연소실(2000)의 버너 장착공(2100)에 복수의 화염유도부(1200)가 삽입됨으로써 장착된다. 버너 본체(1100)는 송풍기(미도시)를 통해 공기가 급기되는 급기 통로(1110)가 형성되어 있고, 화염유도부(1200)는 급기통로(1110)와 연결되는 튜브(1210)와, 튜브(1210)의 중심부에 구비된 연료공급관(1220)과, 튜브(1210) 선단과의 사이에 분사로(1250)를 형성하며 복수의 공기분출공(1231)을 구비하는 디퓨저(1230)와, 연료공급관(1220)의 선단에 마련되어 연소실(2000)로 연료를 분출하는 복수의 연료노즐(1240)을 포함한다.
버너 본체(1100)에는 속이 빈 원통형상의 튜브(1210)가 인입되어 있고, 튜브(1210)는 연소실(2000) 내로 인입된다. 디퓨저(1230)는 연료공급관(1220)의 선단에 마련되며, 디퓨저(1230)의 외주와 튜브(1210)의 선단 사이에는 연소실(2000)로 공기가 분사되는 분사로가 형성된다. 튜브(1210)의 선단은 내경 방향으로 절곡되어 분사로(1250)의 단면을 최소화하여 연소실(2000)로 공급되는 공기의 유속을 극대화할 수 있다. 연료공급관(1220)은 튜브(1210)의 중심부에 배치되어 그 선단이 디퓨저(1230)의 중심을 관통하여 연소실(2000) 내로 인입되고, 연소실(2000) 내로 인입된 연료공급관(1220)의 선단에는 복수의 연료노즐(1240)이 연료공급관(1220)으로부터 퍼져나가는 형태로 방사상으로 형성되어 있다. 여기서 연료노즐(1240)은 연료공급관(1220)의 축선방향에 따라 서로 다른 위치에 배치되어 연료의 분출이 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 하며, 인접하는 2개 이상의 화염유도부(1200)에 구비된 복수의 연료노즐(1240) 중에서 적어도 2개 이상의 연료노즐(1240)이 인접하는 화염유도부(1200) 사이에 형성되는 빈 공간 내 같은 지점을 향하여 집중적으로 연료를 분출하도록 할 수 있다. 또한 각 연료노즐(1240)은 디퓨저(1230)의 외주측에 형성된 공기의 분사로(1250)까지 길게 연장되어 형성되었으며, 분사로(1250)를 통해 연소실(2000)로 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출한다. 이러한 분사로(1250)와 연료노즐(1240)에 의하여 공기와 연료의 급속혼합작용을 구현할 수 있다. 한편 디퓨저(1230)에는 급기 통로의 공기가 연소실(2000)로 분출되는 복수의 공기분출공(1231)이 형성되어 있다. 이러한 복수의 공기분출공(1231)을 통해 급기되는 공기는 복수의 고속기류를 형성하고, 이러한 복수의 고속기류에 의해 그 주변에 와류가 생성되며, 이러한 와류에 의해 연료와 공기를 균일하게 혼합할 수 있다. 탄화수소계열의 화석 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스는 공기와 연료의 이러한 급속하고 고른 혼합에 의하여 그 발생이 현저히 낮아지게 된다.
한편, 복수의 연료노즐(1240)을 통해 연료가 고속으로 분출되고, 분사로(1250)를 통해 공기가 고속으로 분출되어 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, 분사로(1250)에 의해 화염의 속도가 매우 빠른 고속화염이 형성되고, 이에 의해 화염은 그 폭이 점점 축소된 후에 다시 점점 확대되는 형태로 형성된다. 또한 튜브(1210)의 일부가 연소실(2000) 내로 일정 길이만큼 인입되어 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 상대적으로 온도가 낮은 이러한 연소가스의 재순환에 의하여 그 발생이 현저히 낮아지게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 복수 화염유도부의 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 저녹스형 버너의 복수 화염유도부의 정면을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저녹스형 버너(1000)는 하나의 버너 본체(1100)에 복수개의 화염유도부(1200)가 연결되어 급기통로(1110)를 형성한다. 화염유도부(1200)는 서로 인접하여 하나의 원주상을 이루도록 배치되는데, 복수의 화염유도부(1200)중 적어도 하나가 이러한 원주상의 중심에 위치하는 경우에는, 중심에 위치한 화염유도부(1200)로 연결되는 급기통로(1110) 또는 연료공급관(1220)을 차단하거나, 중심에 위치한 화염유도부(1200)의 연료노즐(1240) 또는 공기분출공(1231) 및 분사로(1250)를 제거함으로써, 중심에 위치한 화염유도부(1200)를 통해서는 연료 또는 공기 중 적어도 하나가 분출되지 않도록 할 수 있다. 또한 원주상에 배치되는 복수의 화염유도부(1200)의 연료노즐(1240) 개수를 줄이거나 연료노즐(1240)간의 각도를 특정하게 배치함으로써 원주상의 외곽방향으로만 연료가 분출되도록 할 수 있다. 이러한 복수의 화염유도부(1200)에 의하여 유도된 화염들은 서로 합쳐지는 현상이 없이 독립적으로 분할 유지됨으로써 표면적이 극대화된다. 특히 전체 화염의 형상이 중심부에서 합쳐지지 않음으로써 각각의 개별 화염의 복사열전달이 충분히 이루어진다. 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소 분자를 산화시켜 생성하는 써말 녹스는 표면적이 극대화된 화염에 의한 복사전열 증대로 인하여 그 발생이 현저히 낮아지게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 저녹스형 버너의 녹스 배출량 측정결과는 다음의 표 1과 같다. 질소산화물의 측정농도는 천연가스(도시가스) 연소시 측정한 값이며, 보일러 부하율 100±5% 범위 내에서 저녹스형 버너의 인정기준은 질소산화물 50 ppm 미만이다.
구분
 버너 용량
[ton/hr]
 화염유도부 측정결과
수량
[개]		 직경 [mm] 노즐
[개]		 O2
[%]		 NOx
[ppm]		 NOx
(O2 4%) [ppm]
비교예 3.5 1 218 9 3.5 26 25.3
실시예 1 3.5 7 121 9 4.37 36 36.8
실시예 2 3.5 7 135 6 3.93 29 28.9
실시예 3 3.5 7 135 4 3.73 14 13.8
비교예는 2007년 5월 4일 환경관리공단으로부터 본 출원인이 인정검사를 받은 기존의 저녹스형 버너이다. 실시예 1은 비교예보다 작은 직경의 화염유도부(1200)를 복수개 포함한다. 실시예 2는 실시예 1보다 연료노즐(1240)의 개수가 적어 인접하는 화염유도부(1200) 사이에 형성되는 빈 공간의 같은 지점을 향하여 집중적으로 연료를 분출하는 화염유도부(1200)를 복수개 포함한다. 실시예 3은 복수의 화염유도부(1200)에 구비된 복수의 연료노즐(1240)이 복수의 화염유도부(1200)가 인접하여 이루어진 원주상의 중심에 위치하는 화염유도부(1200)를 향하도록 위치한다면, 상기 원주상의 중심에 위치하는 화염유도부(1200)를 향하는 연료노즐(1240)을 통해 연료가 분출되지 않도록 연료노즐(1240)의 개수를 표 1과 같이 화염유도부(1200) 하나당 6개에서 4개로 줄이고, 원주상의 중심에 배치된 화염유도부(1200)를 통해서는 연료와 공기가 분출되지 않도록 하였다.
실시예 1의 배출가스 측정결과, 비교예보다 작은 직경의 화염유도부(1200)를 복수개 사용하여 동일 용량에 투입 시 질소산화물 배출량은 산소농도 4% 기준에서 36.8ppm으로 비교예의 25.3ppm보다는 오히려 증가했음을 알 수 있다. 이는 화염유도부(1200)를 복수개 사용함으로써 분사로(1250)의 단면적이 증대되어 공기의 분출 속도가 낮아지기 때문인 것으로 분석된다. 낮아진 공기의 분출 속도에 의하여 연료와 공기의 혼합 능력이 저하되고, 자기재순환하는 순환량이 줄어들어 실시예 1의 프롬프트 녹스 및 써말 녹스의 발생량은 비교예의 경우보다 증가하게 된다.
실시예 2의 배출가스 측정결과, 실시예 1보다 연료노즐(1240)의 개수가 적은 화염유도부(1200)를 복수개 사용하여 동일 용량에 투입 시 질소산화물의 배출량은 산소농도 4% 기준에서 28.9ppm으로 실시예 1의 36.8ppm보다는 감소했으나 여전히 비교예의 25.3ppm보다는 높음을 알 수 있다. 이는 연료노즐(1240)의 개수를 줄여 화염끼리 뭉쳐지는 현상을 실시예 1보다 감소시키긴 했지만 여전히 중심부에 형성되는 화염이 주변화염에 의하여 복사열전달을 방해받기 때문인 것으로 분석된다. 또한 디퓨저(1230)의 직경을 키워서 연소가스 내부 재순환량이 증대되도록 하였지만, 중심화염의 온도저하를 달성하는 데에는 한계가 있는 것으로 분석된다.
실시예 3의 배출가스 측정결과, 동일 용량에 투입시 질소산화물 배출량은 산소농도 4% 기준에서 13.8ppm으로 실시예 1 과 실시예 2는 물론 비교예의 경우보다도 훨씬 감소했음을 알 수 있다. 이는 전체 화염이 중심부에서 합쳐지는 현상을 방지하여 개별 화염의 복사열전달이 충분히 이루어지기 때문인 것으로 분석된다.
측정결과 실시예 1내지 3은 질소산화물의 배출량이 모두 50ppm 미만인 저녹스형 버너로 확인되었다. 특히 실시예 3은 50ppm 미만의 인정기준을 훨씬 초과달성한 14ppm 미만의 이른바 초저녹스형 버너이다. 외부 FGR 방식 (배기가스 재순환방식, Flue Gas Recirculation)을 채택하지 않은 상태에서 14ppm 미만으로 질소산화물을 배출하는 버너는 아직까지 없었으며, 이러한 저녹스형 버너(1000)가 상용화될 경우 지구 환경 보호에 더욱 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 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: 버너 본체
1110: 급기통로 1200: 화염유도부
1210: 튜브 1220: 연료공급관
1230: 디퓨저 1231: 공기분출공
1240: 연료노즐 1250: 분사로
2000: 연소실 2100: 버너 장착공

Claims (4)

  1. 공기가 급기되는 급기통로가 형성되며, 연소실의 버너 장착공에 장착되는 버너 본체와,
    상기 급기통로와 연결되고, 상기 연소실로 화염을 안내하며, 서로 인접하여 원주상을 이루도록 배치되는 복수의 화염유도부를 포함하며,
    상기 화염유도부는 상기 버너 장착공에 삽입되는 튜브와, 상기 튜브의 중심부에 배치되어 연료를 공급하는 연료공급관과, 상기 연료공급관의 선단에 위치하여 상기 튜브와의 사이에 분사로를 형성하는 디퓨저와, 상기 연료공급관의 선단에 위치하여 상기 연소실로 연료를 분출하는 복수의 연료노즐을 구비하고,
    상기 복수의 연료노즐은 상기 연료공급관의 선단에 방사상으로 배치되며, 인접하는 2개 이상의 화염유도부에 구비된 상기 복수의 연료노즐 중에서 적어도 2개 이상의 연료노즐이 상기 인접하는 2개 이상의 화염유도부 사이에 형성되는 빈 공간 내 같은 지점을 향하여 연료를 분출하도록 배치되는 저녹스형 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 화염유도부 중 적어도 하나가 상기 원주상의 중심에 위치한다면, 상기 중심에 위치한 화염유도부를 통해 연료 또는 공기 중 적어도 하나가 공급되지 않는 저녹스형 버너.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 화염유도부에 구비된 복수의 연료노즐이 상기 원주상의 중심에 위치하는 화염유도부를 향하도록 위치한다면, 상기 원주상의 중심에 위치하는 화염유도부를 향하는 연료노즐을 통해 연료가 분출되지 않는 저녹스형 버너.
  4. 삭제
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