KR101269145B1 - 2단으로 연료 및 공기를 분사하는 축열식 버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너는, 연소용 공기가 유입되거나 배기가스가 배출되는 가스 출입통로가 내부에 형성된 버너 몸체, 가스 출입통로에 연통되며 버너 몸체의 일단부에 형성된 1차 공기 분사구, 1차 공기 분사구와 연통되며 버너 몸체의 일단부에 형성된 연소실, 가스 출입통로에 연통되며 일단부에 형성되되, 일단부의 단면을 기준으로 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 2차 공기 분사구, 버너 몸체를 관통하면서 연소실 내측으로 그 단부가 노출되도록 설치된 제1 연료 노즐 및 버너 몸체를 관통하면서 버너 몸체에 매립되고 일단부의 단면을 기준으로 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 제2 연료 노즐을 포함한다.
연소 장치, 버너, 축열, 연료 노즐, 질소 산화물

Description

2단으로 연료 및 공기를 분사하는 축열식 버너{REGENERATIVE BURNER INJECTING TWO-STAGED FUEL AND AIR}
본 발명은 축열식 연소장치의 구성요소 중에서 연료 및 공기를 연소시켜 화염을 연소장치에 제공하는 축열식 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장시간 동안 연소가 진행되더라도 연료 노즐의 손상을 최소화할 수 있는 축열식 버너에 관한 것이다.
일반적으로 가열로 또는 보일러와 같이 버너를 사용하는 설비에서는 열효율 못지 않게 환경오염의 방지를 위하여 질소산화물의 발생량을 억제하는 것이 중요하다. 즉, 가스 연료 사용시에는 공기 중의 질소와 산소가 고온에서 반응하여 소위 열적 질소산화물(Thermal NOx)을 생성한다. 이러한 질소산화물은 환경오염을 유발하는 주요한 요소로 지적되면서, 이의 생성을 억제하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.
그래서, 질소산화물의 생성을 억제하는 공기 2단 연소식 버너가 제안되었으며, 대한민국 특허등록 제056814호에 공지되어 있다. 공기 2단 연소식 버너는 연소에 필요한 공기를 버너 내부에서 2단으로 나누어 공급한다. 대개, 2단 연소식 버너에서는 1단에 필요한 공기량의 20~70%를 공급하여 산소 부족에 의한 질소 산화물 생성 억제와 연소 온도 저하에 의한 질소 산화물 생성 억제의 효과를 도모하고, 나머지 연소용 공기를 2단에서 분사하여 미연분을 완전하게 연소시킬 수 있도록 구성된다.
그리고, 가열로 및 기타 공업로에는 연소가스에 포함된 폐열을 회수하여 연소 공기의 온도를 상승시키는 축열식 버너가 사용되고 있으며, 대한민국 실용신안등록 제0276859호에 공지되어 있다. 즉, 축열식 버너는 가열로 또는 기타 공업로에서 2개 이상이 설치되는데, 다수 개의 축열식 버너들 중에서 어느 하나가 연소 작동을 하면 다른측 축열식 버너가 배기가스를 배출하도록 구성된다. 그리고, 축열식 버너는 그 배기가스 배출통로에 축열기가 설치되어, 연소 작동시에 연소용 공기를 예열하도록 구성된다.
상기와 같이 종래에는 질소산화물 생성을 억제하기 위해 공기를 2단으로 나누어 공급하면서도 연소용 공기를 예열하도록 구성된 축열식 버너가 산업현장에서 널리 사용되고 있다.
본 발명은 2단으로 연료 및 공기를 분사시킴으로써 질소산화물의 발생을 억제하면서 장시간 연소로의 복사열에 노출되더라도 연료 노즐이 손상되지 않도록 그 구조가 개선된 축열식 버너를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너는, 연소용 공기가 유입되거나 배기가스가 배출되는 가스 출입통로가 내부에 형성된 버너 몸체, 가스 출입통로에 연통되며 버너 몸체의 일단부에 형성된 1차 공기 분사구, 1차 공기 분사구와 연통되며 버너 몸체의 일단부에 형성된 연소실, 가스 출입통로에 연통되며 일단부에 형성되되, 일단부의 단면을 기준으로 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 2차 공기 분사구, 버너 몸체를 관통하면서 연소실 내측으로 그 단부가 노출되도록 설치된 제1 연료 노즐 및 버너 몸체를 관통하면서 버너 몸체에 매립되고 일단부의 단면을 기준으로 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 제2 연료 노즐을 포함한다.
상기 2차 공기 분사구와 제2 연료 노즐이 일단부의 단면에서 동일 원주상에 배치될 수 있다. 이때, 2차 공기 분사구 및 제2 연료 노즐이 복수개 배치되고, 2차 공기 분사구와 제2 연료 노즐이 교대로 배치될 수 있다.
상기 단면을 기준으로 가스 출입통로의 직경이 제1 공기 분사구의 직경보다 클 수 있다.
상기 버너 몸체의 외측으로 돌출된 제1 연료 노즐 및 제2 연료 노즐에는 각 각 제1 연료 공급관 및 제2 연료 공급관이 삽입될 수 있다.
상기 제1 공기 분사구를 통해 연소실로 공기가 제공되고, 제1 연료 노즐을 통해 연소실로 연료가 제공될 수 있다.
상기 제2 공기 분사구를 통해 연소 장치의 연소로로 공기가 제공되고, 제2 연료 노즐을 통해 연소로로 연료가 제공될 수 있다.
상기 연소실, 2차 공기 분사구 및 제2 연료 노즐은 연소 장치의 연소로와 연통되어 연소로에 화염을 제공할 수 있다.
상기 연소실에서 연소로로 제공되는 화염 중 불완전 연소된 부분이 2차 공기 분사구를 통해 분사된 공기에 의해 완전 연소될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너는 2단으로 연료 및 공기를 분사하는 구성에 의해 보다 확실하게 질소산화물의 발생이 억제될 뿐만 아니라, 연소용 공기를 예열하는 축열식 구성에 의해 연소 에너지 효율이 향상될 수 있다.
또한, 연료 노즐들이 연소로의 화염에 의한 복사열에 직접적으로 접촉 또는 노출되지 않으므로, 장시간 사용에도 연료노즐이 쉽게 손상되지 않아 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 축열식 연소장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 축열식 연소장치는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)가 적용되는 장치이다.
축열식 연소장치(100)는 일반적으로 하나의 연소로(110)에 한 쌍의 축열식 버너(200)(201)가 장착된다. 예를 들어, 제1 축열식 버너(200)가 연소 작동을 하면, 제2 축열식 버너(201)는 연소로(110) 내에서 발생되는 배기가스를 배출시킨다.
축열식 연소장치(100)는 일반적으로 하나의 배관을 통해 연료가 공급되다가, 어느 일 지점에서 제1 축열식 버너(200)와 제2 축열식 버너(201)로 나뉘어져 공급된다. 도 1을 통해 제1 축열식 버너(200)가 연소 작동을 하고, 제2 축열식 버너(201)가 배기가스 배출을 한다고 설명하였으나, 제1 축열식 버너(200)와 제2 축열식 버너(201)는 일정 주기를 가지고 연소 작동과 배기가스 배출 작동을 교대로 실행할 수 있다.
축열식 연소장치(100)의 동작을 설명하면, 제1 연료공급 배관(120)에 설치되는 제1 연료 절환 밸브(130)가 개방상태로 유지되고, 제2 연료공급 배관(121)에 설치되는 제2 연료 절환 밸브(131)가 닫힘상태로 유지된다. 그러면, 제1 연료 공급배관(120)을 통해 제1 축열식 버너(200)로 연료가 공급되고, 제1 공기 배관(160)을 통해 제1 축열식 버너(200)로 연소용 공기가 공급된다. 이런 작동상태에서 제2 축열식 버너(201)는 배기가스 배출 역할을 수행하게 되어 제2 공기 배관(161)으로 배기가스를 배출한다. 이 때, 제1 공기 배관(160)과 제2 공기 배관(161)은 가스 절 환기(150)에 연결되며, 가스 절환기(150)는 그 내부에 설치된 절환 밸브 모드의 작동에 따라 연소용 공기 또는 배기가스의 진행방향을 변경한다.
제1 축열식 버너(200)와 제2 축열식 버너(201)에는 각각 제1 축열기(140)와 제2 축열기(141)가 연결된다. 제1 축열식 버너(200)에 공급되는 연소용 공기는 제1 축열기(140)를 통과하면서 예열되고, 제2 축열식 버너(201)를 통해 배출되는 배기가스는 그 내부에 함유하는 현열과 열교환을 통해 제2 축열기(141)에 축열된다.
다른 한편으로 제1 축열식 버너(200)와 제2 축열식 버너(201)는 그 기능이 상호 교환될 수 있다. 즉, 제1 축열기(140)는 배기가스의 현열을 축열하게 되고, 제2 축열기(141)는 축열된 현열을 이용하여 연소용 공기를 예열한다.
이하, 축열식 연소장치(100)에 사용되는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)에 대해 보다 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)는 그 내부에 가스 출입통로(220)가 형성된 버너 몸체(210)와 연소실(230)을 포함한다.
버너 몸체(210)는 도 1에 도시된 축열기(140)와 연통되도록 연결되며, 가스 출입통로(220)를 통해 연소용 공기가 유입되거나 배기가스가 배출된다. 이 때, 축열식 버너(200)에는 축열기(140)에서 예열된 연소용 공기가 가스 출입통로(220)를 통해 그 내부로 제공되므로 연소 과정 시, 축열식 버너(200)의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
연소실(230)은 버너 몸체(210)의 내부에서 가스 출입통로(220)와 연통되어 형성된다. 가스 출입통로(220)와 연소실(230) 사이에는 1차 공기 분사구(240)가 형성되고, 이 1차 공기 분사구(240)는 양단이 각각 가스 출입통로(220) 및 연소실(230)과 연통된다. 이러한 구조에 의해 가스 출입통로(220)에서 1차 공기 분사구(240)의 일단으로 유입되는 연소용 공기는 1차 공기 분사구(240)의 타단에서 연소실(230)로 분사된다. 이 때, 1차 공기 분사구(240)는 가스 출입통로(220)에 비해 작은 체적을 가지므로, 상대적으로 좁은 공간으로 유입된 연소용 공기들이 압력에 의해 연소실(230)로 원활하게 공급될 수 있다.
또한, 버너 몸체(210)를 관통하면서 그 일단이 연소실(230)과 연통되도록 제1 연료 노즐(250)이 형성된다. 버너 몸체(210)의 외측으로 돌출된 제1 연료 노즐(250) 단부에는 제1 연료 공급관(251)이 삽입되고, 이 제1 연료 공급관(251)에서 제공되는 연료가 제1 연료 노즐(250)을 통해 연소실(230)로 분사된다. 여기서, 제1 연료 노즐(250)은 버너 몸체(210)의 외부에서 내부를 관통하도록 설치되되, 그 방향이 도 2의 x축과 교차되므로 연소실(230)에서 연소로(110)로 발생되는 화염과 동일 직선상에 위치하지 않는다. 이에 따라 제1 연료 노즐(250)은 화염의 복사열에 노출되지 않을 수 있다.
상기한 구성에 따라 1차 공기 분사구(240)에서 분사된 연소용 공기와 제1 연료 노즐(250)에서 분사된 연료가 연소실(230)에서 혼합되어 1차로 연소된다.
한편, 본 실시예의 축열식 버너(200)는 2차 공기 분사구(260) 및 제2 연료 노즐(270)을 포함한다.
2차 공기 분사구(260)는 1차 공기 분사구(240)와 마찬가지로 가스 출입통로(220)와 연통되어 형성된다. 구체적으로, 2차 공기 분사구(260)의 일단은 가스 출입통로(220)와 연통되고, 타단은 연소로와 연통된다. 2차 공기 분사구(260)의 타단은 도 3에 도시한 바와 같이, 단면을 기준으로 중심부에 위치한 연소실(230)의 외곽에 형성되며, 복수개의 2차 공기 분사구(260)가 연소실(230)을 따라 원주를 그리며 형성될 수 있다.
2차 공기 분사구(260) 또한 가스 출입통로(220)에 비해 작은 체적을 가져서 연소로로 연소용 공기를 효율적으로 분사할 수 있다. 가스 출입통로(220)로 유입되는 연소용 공기는 1차 공기 분사구(240) 및 2차 공기 분사구(260)로 나뉘어져 제공될 수 있다.
한편, 1차 공기 분사구(240) 및 2차 공기 분사구(260)를 통해서 연소용 공기가 유입될 뿐만 아니라, 축열식 버너(200)에서 배출되는 배기가스가 1차 공기 분사구(240) 및 2차 공기 분사구(260)를 통해 축열식 버너(200)의 외부로 배출된다.
제2 연료 노즐(270)은 버너 몸체(210)에 매몰되어 형성된다. 제2 연료 노즐(270)로 제1 연료 노즐(250)과 마찬가지로 그 일단에 제2 연료 공급관(271)이 삽입되며, 타단은 연소로(110)와 연통된다. 여기서, 제2 연료 공급관(271)은 버너 몸체(210)의 외측에서 버너 몸체(210)를 관통하도록 제2 연료 노즐(270)에 삽입되며, 제2 연료 노즐(270)은 연소실(230)에 나란한 방향을 따라 버너 몸체(210) 내에 매몰되도록 형성된다. 제2 연료 노즐(270)은 복수개 형성될 수 있으며, 도 3에 도시한 바와 같이 연소실(230)의 외곽을 따라 원주를 그리며 배열될 수 있다.
즉, 제2 연료 노즐(270)은 2차 공기 분사구(260)와 동일한 원주 상에 형성될 수 있다. 이때, 제2 연료 노즐(270)과 2차 공기 분사구(260)는 교대로 배치될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제2 연료 노즐(270)과 2차 공기 분사구(260)는 연소실(230)의 외곽을 따라 배열되되, 다른 원주상에 배치될 수도 있다.
제2 연료 노즐(270)은 버너 몸체(210)에 매몰되므로, 연소로(110) 내의 화염으로부터 복사열이 잘 전달되지 않는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)의 제1 연료 노즐(250) 및 제2 연료 노즐(270)이 연소실(230)이나 연소로(110)의 내측으로 최소 부위 즉, 그 단부 만이 노출된다. 이에 의해 제1 연료 노즐(250) 및 제2 연료 노즐(270)은 직진성을 갖는 복사열에 직접적으로 접촉되지 않으며, 연소실(230)이나 연소로(110)에서 발생되는 고온의 기체와 접촉되지 않는다. 따라서 축열식 버너(200)가 장시간 동안 작동되더라도 노즐들(250)(270)이 손상되는 것을 최대한 방지할 수 있고, 고온의 기체에 의해 노즐들(250)(270)이 산화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 제1 연료노즐(250)과 제2 연료노즐(270)이 공기 분사구들(240)(260) 또는 가스출입 통로에 노출되지 않으므로, 축열식 버너(200)의 작동시, 제1 연료 노즐(250) 및 제2 연료 노즐(270)을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치가 필요하지 않다.
본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)는 1차 공기 분사구(240) 및 제1 연료 노즐(250)에서 분사된 연소용 공기 및 연료를 통해 축열식 버너(200)의 중심 영역에서 1차적으로 연소가 이루어진다. 이때, 1차 연소 과정에서 불완전하게 연소된 연료는 2차 공기 분사구(260)를 통해 분사된 연소용 공기와 혼합되어 완전하게 연소된다. 또한, 2차 공기 분사구(260)를 통해 분사된 공기는 연소로(110) 내의 공기를 재순환시켜 원활하게 함으로써, 연소 공기 중의 산소 농도를 감소시켜 질소 산화물의 발생을 억제시킬 수 있다. 한편, 2차 공기 분사구(260) 및 제2 연료 노즐(270)에서 분사된 연소용 공기 및 연료를 통해서도 연소가 이루어지므로 축열식 버너(200)의 연소 효율이 높아질 뿐 아니라, 2차 공기 분사구(260)와 제2 연료 노즐(270)은 중심 영역에 위치한 연소실(230)의 외곽에 균일하게 형성되어 있어 연소로(110)에 균일한 화염 피크를 제공할 수 있다.
본 발명의 발명자는 축열식 버너(200)를 상기한 구조로 준비하고, 이에 대한 축열 연소 테스트를 실시하여 질소 산화물의 발생 농도를 측정하였으며, 아래와 같은 결과를 알 수 있었다.
실험예에서는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너(200)를 사용하여 천연가스 연료를 연소시켰다. 실험예에 사용된 연소로(110)는 가로, 세로 및 길이가 각각 0.6m, 0.6m 및 3m인 사각형 형상이며, 그 양단부에 각각 축열식 버너(200)를 설치하였다.
축열식 버너(200)의 연소용 공기와 연료의 분사 속도는 상온 기준에서 30m/s 이상으로 유지하였고, 구체적인 축열 연소 조건은 아래 표 1에 나타내었다. 여기서, 연소로(110)의 온도는 연소로의 길이 방향으로 중간 부분의 온도를 측정한 것 이며, 연소 용량은 사용된 축열식 버너(200)의 연소 용량이며, 절환 시간은 양단부에 각각 설치된 축열식 버너 중 한 개를 교대로 선택하여 연소 과정에 사용하는 시간을 의미한다.
연소 용량
(kcal/h)		 제1/제2 연료 비율 로의 온도
(℃)		 절환 시간
(sec)		 NOx 농도
(ppm)
실험예 1 12만 30 : 70 1130 90 39
실험예 2 17만 50 : 50 1150 90 30
실험예 3 17만 30 : 70 1150 90 36
실험예 4 17만 0 : 100 1160 90 28
표 1을 참조하면, 실험예 1~4의 경우, 축열 연소를 수행한 결과 질소 산화물의 발생 농도가 28~39ppm 으로써 일반적인 평균 질소 산화물의 농도인 70ppm 에 비해 현저히 낮은 질소 산화물의 농도를 나타내었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너를 사용하면 저공해 연소가 가능함을 알 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 축열식 연소 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 버너를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>
200; 축열식 버너 210; 버너 몸체 220; 가스 출입통로
230; 연소실 240; 1차 공기 분사구 260; 2차 공기 분사구
250; 제1 연료 노즐 270; 제2 연료 노즐

Claims (10)

  1. 연소용 공기가 유입되거나 배기가스가 배출되는 가스 출입통로가 내부에 형성된 버너 몸체;
    상기 가스 출입통로에 연통되며 상기 버너 몸체의 일단부에 형성된 1차 공기 분사구;
    상기 1차 공기 분사구와 연통되며 상기 버너 몸체의 일단부에 형성된 연소실;
    상기 가스 출입통로에 연통되며 상기 일단부에 형성되되, 상기 일단부의 단면을 기준으로 상기 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 2차 공기 분사구;
    상기 버너 몸체를 관통하면서 상기 연소실 내측으로 그 단부가 노출되도록 설치된 제1 연료 노즐; 및
    상기 버너 몸체를 관통하면서 상기 버너 몸체에 매립되고 상기 일단부의 단면을 기준으로 상기 1차 공기 분사구의 외측에 형성된 제2 연료 노즐을 포함하되,
    상기 2차 공기 분사구와 상기 제2 연료 노즐이 상기 일단부의 단면에서 동일 원주상에 배치되고, 상기 2차 공기 분사구와 상기 제2 연료 노즐이 교대로 배치된 축열식 버너.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 공기 분사구 및 상기 제2 연료 노즐이 복수개 배치된 축열식 버너.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단면을 기준으로 상기 가스 출입통로의 직경이 상기 제1 공기 분사구의 직경보다 큰 축열식 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버너 몸체의 외측으로 돌출된 상기 제1 연료 노즐 및 상기 제2 연료 노즐에는 각각 제1 연료 공급관 및 제2 연료 공급관이 삽입된 축열식 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공기 분사구를 통해 상기 연소실로 공기가 제공되고, 상기 제1 연료 노즐을 통해 상기 연소실로 연료가 제공되는 축열식 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공기 분사구를 통해 연소 장치의 연소로로 공기가 제공되고, 상기 제2 연료 노즐을 통해 상기 연소로로 연료가 제공되는 축열식 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연소실, 상기 2차 공기 분사구 및 상기 제2 연료 노즐은 연소 장치의 연소로와 연통되어 상기 연소로에 화염을 제공하는 축열식 버너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연소실에서 상기 연소로로 제공되는 화염 중 불완전 연소된 부분이 상기 2차 공기 분사구를 통해 분사된 공기에 의해 완전 연소되는 축열식 버너.
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