KR102367741B1 - 저녹스 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저녹스 버너에 관한 것으로, 특히 연소실로 공급되는 연료가 1000℃ 이상 화염의 고온 영역에 노출되었을 때 급격히 생성되는 Prompt NOx와 1350℃를 초과하는 고온의 화염 영역에서 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx를 억제시킬 수 있도록 한 저녹스 버너에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 공기를 연소실내로 공급하는 공기공급관; 상기 공기공급관의 내측 중앙부위에서 전후방향으로 길게 설치되고, 연료를 공급하는 연료공급관; 상기 공기공급관을 통해 공급되는 공기의 흐름에 직교하도록 공기공급관의 전방부위로부터 측방향을 향해 방사형태로 돌출된 복수의 연료노즐; 상기 공기공급관의 전방부위를 막으면서 상기 연료공급관의 선단부위에 결합되며, 상기 각 연료노즐이 형성된 부위와 대응한 위치에 각각 화염분할구가 형성된 디퓨저; 상기 연료노즐과 이웃하는 연료노즐의 사이에 각각 형성되어 이웃하는 연료노즐과 측방향이 격리되도록 하는 분할판;으로 구성된다.

Description

저녹스 버너{Low NOx burner}

본 발명은 저녹스 버너에 관한 것으로, 특히 연소실로 공급되는 연료가 1000℃ 이상 화염의 고온 영역에 노출되었을 때 급격히 생성되는 Prompt NOx와 1350℃를 초과하는 고온의 화염 영역에서 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx를 억제시킬 수 있도록 한 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 운전조건과 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.

이를 위하여 대한민국 특허등록 제10-0784880호(저녹스형 버너)는, 공기를 연소실 내로 안내하고, 그 일부가 일정 길이만큼 연소실 내로 인입되며, 선단부가 내경방향으로 절곡된 튜브; 상기 튜브의 선단 내경부에 배치되고, 상기 절곡된 선단부와 일정 간격으로 이격되어 연소실 내로 공기를 공급하는 급기통로를 형성하는 디퓨저; 및 상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로를 통해 공급되는 공기와 직교하는 방향으로 연료를 분출하는 하나 이상의 연료분출관을 포함하고, 상기 연료분출관은 상기 튜브를 관통하여 설치된 연료공급관으로부터 분기되어 상기 튜브 및 디퓨저 사이의 급기통로 상에 방사상으로 배치되고, 상기 연료분출관은 그 선단부에 다수의 연료노즐이 방사상으로 배치되도록 구성되어, 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx의 생성을 동시에 저감할 수 있도록 하였다.

또한, 대한민국 특허등록 제0855719호(녹스 저감형 버너)는 연소실 내부로 공기를 공급하는 공기공급관과; 상기 공기공급관의 내부에 길이방향으로 설치되며, 선단이 상기 연소실에 인접하도록 연장형성되는 연료공급관과; 중공원통형상으로 형성되며 상기 연료공급관에 대응하는 직경으로 형성되어 상기 연료공급관의 선단에 연결되는 연결부와, 상기 연결부의 선단을 폐쇄하도록 형성되며 상기 연결부보다 큰 직경으로 형성되어 내부에 공간이 마련되는 확관부로 구성되는 연료확산부와; 상기 확관부의 외경둘레를 따라 상호 이격하여 배치되며, 상기 확관부의 내부공간과 연통되도록 돌출형성되는 복수의 연료노즐과; 상기 연료공급관의 선단과 상기 연료확산부의 사이에 형성되되 상기 확관부에 밀착되는 플레이트로, 외측이 상기 공기공급관의 선단 내측에 인접하도록 형성되어 상기 공기공급관과의 사이에 급기통로를 형성하는 디퓨저와; 상기 확관부를 관통하여 형성되는 복수의 보조공기공급관과; 상기 보조공기공급관이 형성된 위치에 대응되는 상기 디퓨저에 상기 보조공기공급관에 대응되는 크기로 천공되어 상기 보조공기공급관과 연통되는 보조공기공급공으로 구성되어 있어서, 상기 연료확산부의 직경을 조절함으로써 녹스의 발생을 저감시킬 수 있도록 하였다.

그러나 상기 종래 기술들은 연료노즐이 1000℃ 이상 고온의 연소실 내측으로 곧바로 노출되어 있게 됨으로써 Prompt NOx 발생을 억제시키는데 한계가 있으며, 또한 각 연료노즐에 의해 발생되는 화염이 이웃하는 연료노즐로부터 발생된 화염과 겹쳐지면서 큰 화염을 이루게 됨으로써 1350℃를 초과하여 화염온도가 증가하게 되므로, 이러한 고온의 화염영역에서 질소와 산소와 반응하여 발생하는 Thermal NOx를 크게 저감시킬 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 연료노즐이 연소실의 내부까지 연장되는 구조를 가짐으로써 그만큼 연소실의 길이도 길어져야 하므로, 설치공간에 큰 제약이 뒤따른다.

<선행기술문헌>

1. 특허등록 제10-0784880호

(저녹스형 버너)

2. 특허등록 제10-0855719호

(녹스 저감형 버너)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 선단이 연소실로 진입되는 디퓨져의 후단에 연료노즐을 위치시켜 분출되는 연료가 곧바로 고온의 연소실 내부 고온 영역에 노출되지 않도록 함으로써 Prompt 녹스의 발생을 억제시키고, 또한 각 노즐들을 분할판에 의해 격리시킴으로써 화염이 서로 겹쳐지지 않도록 분할화염을 형성하도록 하여 화염온도를 크게 낮춤으로써 Thermal NOx의 발생을 낮추도록 한 저녹스 버너를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저녹스 버너는,

공기를 연소실내로 공급하는 공기공급관;

상기 공기공급관의 내측 중앙부위에서 전후방향으로 길게 설치되고, 연료를 공급하는 연료공급관;

상기 공기공급관을 통해 공급되는 공기의 흐름에 직교하도록 상기 연료공급관의 전방부위로부터 측방향을 향해 방사형태로 돌출된 복수의 연료노즐;

상기 공기공급관의 전방부위를 막으면서 상기 연료공급관의 선단부위에 결합되며, 상기 각 연료노즐이 형성된 부위와 대응한 위치에 각각 화염분할구가 형성된 디퓨저;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료노즐과 이웃하는 연료노즐의 사이에는 각각 분할판이 설치되어 이웃하는 연료노즐과 측방향이 격리되도록 구성된다,

그리고, 상기 연료노즐의 선단부위는 상기 화염분할구의 외측방향 끝단부위에 위치되도록 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 저녹스 버너는, 분출되는 연료가 고온의 연소실 환경에 직접 노출되지 않도록 함으로써 Prompt 녹스의 발생을 억제시키고, 또한 각 노즐들로부터 발생되는 화염이 분할판에 의해 분할됨으로써 단일화염보다 화염표면적이 더 큰 상태가 되어 전열면에 복사열 흡수가 극대화된다.

이로 인해, 화염온도가 크게 낮취져서 Thermal NOx의 발생이 크게 낮춰지는 장점이 있다.

또한, 연료노즐이 디퓨저의 후단이 위치함으로써 연소실 내부로 연료노즐이 진입하지 않게 되므로, 연소실의 길이가 짧고, 체적열부하율이 높은 관류형 보일러, 노통연관식 보일러, 냉온수기 등에 적용할 수 있게 되어 설치공간의 제약성을 극복할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명에 의한 저녹스 버너의 구조를 보인 도.
도2는 도1의 평면구조도.
도3은 도1의 좌측면 구조도.
도4는 도1의 우측면 구조도.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다.

따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.

그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도1은 본 발명에 의한 저녹스 버너의 구조를 보인 도이고, 도2는 도1의 평면구조도이며, 도3은 도1의 좌측면 구조도이다. 그리고, 도4는 도1의 우측면 구조도이다.

본 발명의 저녹스 버너는, 공기를 연소실내로 공급하는 공기공급관(100)과, 상기 공기공급관(100)의 내측 중앙부위에서 전후방향으로 길게 설치되고, 연료를 공급하는 연료공급관(200)과, 상기 공기공급관(100)을 통해 공급되는 공기의 흐름에 직교하도록 연료공급관(200)의 전방부위로부터 측방향을 향해 방사형태로 돌출된 복수의 연료노즐(210)과, 상기 공기공급관(100)의 전방부위를 막으면서 상기 연료공급관(200)의 선단부위에 결합되며, 상기 각 연료노즐(210)이 형성된 부위와 대응한 위치에 각각 화염분할구(310)가 형성된 디퓨저(300)와, 상기 연료노즐(210)과 이웃하는 연료노즐의 사이에 각각 형성되어 이웃하는 연료노즐과 측방향이 격리되도록 하는 분할판(400)이 설치되며,

상기 연료노즐(210)의 선단부위는 상기 화염분할구(310)의 외측방향 끝단부위에 위치되도록 구성된다.

상기 공기공급관(100)은 전방과 후방이 개방된 원통의 관체로 되어 있고, 그 중심부에는 복수의 연료노즐(210)이 구비된 연료공급관(200)이 삽입되어 위치하게 되며, 상기 연료공급관(200)의 선단부위에는 원판 형태의 디퓨저(300)의 중앙부위가 직교하는 방향으로 결합되어 있다.

상기 연료노즐(210)은 연료공급관(200)의 전방부위 둘레를 따라서 등간격으로 복수개가 돌출되어 형성되어 있는데, 이러한 연료노즐(210)은 직관 형태로서 상기 연료공급관(200)의 측방향으로 연장되어 돌출된다,

즉, 상기 연료노즐(210)은 상기 연료공급관(200)과 직교하는 방향으로 방사형태로 돌출되어 형성됨으로써 공기공급관(100)을 통해 공급되는 공기의 흐름에 직교하도록 설치되는 것이다.

또한, 상기 연료노즐(210)은 그 선단부위가 디퓨저(300)의 외측 둘레에 근접하도록 하는 길이를 가지게 된다.

그리고, 상기 디퓨저(300)는 상기 공기공급관(100)의 전방부위를 막도록 하는 직경을 가지게 되는데, 디퓨저(300)의 외경과 공기공급관(100)의 내경 사이에는 1~2mm의 간극(G)이 형성되어 있으며, 공기공급관(100)의 선단부위로부터 후방으로 일정한 거리를 두고 위치하게 된다.

즉, 공기공급관(100)의 선단부위가 디퓨저(300)보다 전방으로 더 연장되어 위치하는 구조인 것이다.

또한, 상기 각 연료노즐(210)이 형성된 부위와 동일한 부위에 전후방으로 관통된 화염분할구(310)가 형성되어 있게 되는데, 상기 화염분할구(310)는 상기 연료노즐(210)의 끝부분에 해당하는 위치에 원형으로 형성되며, 그 직경이 연료노즐(210)의 외경보다 2~4배가 크게 형성된다.

또한, 연료노즐(210)의 선단부위는 화염분할구(310)의 외측방향 끝단부위 즉, 디퓨저(300)의 가장자리에 근접한 부위에 위치하게 된다.

아울러, 상기 연료노즐(210)의 측방에는 평판 형태로 된 분할판(400)이 각각 설치되어 있어서, 이웃하는 연료노즐과 측방향이 격리되도록 하는데, 상기 분할판(400)의 전단부위는 디퓨저(300)와 직교하도록 용접 등에 의해 고정되고, 일측단부위는 상기 연료공급관(200)이 직교하도록 용접 등에 의해 고정되어 있다.

따라서, 이러한 분할판(400)도 상기 연료공급관(200)의 외측 둘레를 따라 일정간격으로 방사형태로 설치되며, 그 분할판들 사이에 연료노즐이 각각 위치하는 구조를 가지는 것이다.

그리고, 상기 분할판(400)의 외측부위 일측으로부터 후단부위 일측까지 경사부(410)가 형성되어 있어서, 연료노즐(210)로부터 분출되는 연료과 공기가 혼합되기 전에 상기 경사부(410)를 통하여 각 연료노즐(210)로 공기가 고르게 공급될 수 있도록 한다.

이를 위해서 상기 경사부(410)는 연료와 공기가 급속 혼합되는 것을 방해하지 않도록 형성되며, 그 경사부(410)의 시작부위는 상기 연료노즐(210)의 위치와 동일한 위치 또는 후방의 위치부터 시작되는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 구조에 의해 Prompt 녹스와 Thermal 녹스를 저감시키는 연소과정을 설명한다.

공기공급관(100)을 통해 공급되는 공기를 분할판(400)에 의해 분할되어 화염분할구(310)를 통해 연소실로 공급되는데, 이때 공기는 분할판(400)과 화염분할구(310)를 통과하면서 흐름이 빨라지게 된다.

이 상태에서 연료공급관(200)을 통해 연료를 공급하게 되면, 방사형태로 설치되는 연료노즐(210)을 통해 연료가 분출되는데, 이때 분출되는 연료는 공기의 흐름과 직교하는 방향으로 분출되므로, 빨라진 공기의 흐름과 함께 급속하게 혼합되며, 또한 디퓨저(300)의 후단에서 프리 믹싱(Pre Mixing)이 행해진 후 화염분할구(310)를 통해 연소실의 내부로 공급된다.

또한, 화염분할구(310)의 외측방향 끝단부위에서 연료과 공기가 혼합됨으로써 공기의 흐름이 가장 빠른 위치에서 연료가 급속 혼합되도록 한 후 연소실로 공급되도록 한다.

이는, 연료노즐(210)을 통해 분출되는 고농도의 연료가 연소실 내에 형성된 1000℃ 이상의 고온 영역에 직접 노출시키지 않도록 함은 물론, 공기와의 급속 혼합에 의해 Prompt NOx 발생을 크게 억제시키는 것이다.

또한, 분할판(400)에 의해 연료노즐(210)들을 격리시킨 상태에서 연료노즐(210)로부터 분출된 연료가 공기와 급속 혼합된 후 한정적인 크기를 갖는 화염분할구(310)를 통해 연소실로 공급됨으로써 연소 시작단계에서부터 디퓨저(300)의 전방부위에서 화염분할구(310)에 의해 각각의 화염으로 완전히 분리된 작은 분할화염이 형성되는 것이다.

이는 곧, 기존과 같이 화염온도가 높으면서도 분할화염에 비해 전체 표면적이 상대적으로 작은 단일화염에 비해, 본 발명은 단순한 구조에 의해 분할화염을 형성함으로써 화염분할 최적화를 통해 화염 표면적을 상대적으로 크게 하여 연소실의 전열면에 복사열 흡수가 극대화되도록 한다.

즉, 하나의 단일화염보다 다수의 분할화염을 형성하여 화염의 표면적을 크게 함으로써 연소실의 전열면에서 화염의 복사열 흡수를 극대화하도록 하는 것이다.

따라서, 복수열 흡수의 극대화에 의해 화염온도가 크게 낮춰질 수 있으므로, 전체 발생 녹스의 약 70~80%를 차지하는 Thermal 녹스의 발생이 최소화될 수 있는 것이다.

그리고, 디퓨저(300)의 후방부위에 연료노즐(210)이 위치함으로써 종래와 같이 연소실의 내부로 연료노즐이 노출되지 않게 되어 연소실의 길이도 그만큼 줄어들 수 있는 것이다.

아울러, 공기공급관(100)을 통해 공급되는 공기가 디퓨저(300)와 공기공급관(100) 사이의 간극(G)을 통해 빠르게 분사되고, 디퓨저(300)의 전방으로 더 돌출된 공기공급관(100)의 선단부위에 의해서 분사되는 공기가 직진성을 가지게 되므로, 연료노즐(210)에 의해 발생된 화염의 직경이 커지면서 연소실 벽에 부딪혀 불완전 연소되는 것을 방지하게 된다.

즉, 간극(G)을 통해 빠르게 분사되는 빠른 공기에 의해 화염이 연소실 벽으로 퍼지는 것을 방지하게 되어 불완전 연소를 방지하는 것이다.

또한, 이러한 간극(G) 구조에 의해 직경 또는 폭이 작은 연소실 내에서도 화염이 연소실 벽에 부딪히는 것을 방지할 수 있어서, 본 발명의 저녹스 버너를 연소실의 크기에 큰 장애없이 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 예일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

100 : 공기공급관
200 : 연료공급관
210 : 연료노즐
300 : 디퓨저
310 : 화염분할구
400 : 분할판
410 : 경사부
G : 간극

Claims (4)

1. 공기를 연소실내로 공급하는 공기공급관;
   상기 공기공급관의 내측 중앙부위에서 전후방향으로 길게 설치되고, 연료를 공급하는 연료공급관;
   상기 공기공급관을 통해 공급되는 공기의 흐름에 직교하도록 상기 연료공급관의 전방부위로부터 측방향을 향해 등간격을 가지면서 방사형태로 돌출되며, 선단부위가 화염분할구의 외측방향 끝단부위에 위치하는 복수의 연료노즐;
   상기 공기공급관의 전방부위를 막으면서 상기 복수의 연료노즐이 후방부위에 위치하도록 상기 연료공급관의 선단부위에 결합되며, 상기 각 연료노즐이 형성된 부위와 대응한 위치에 원형으로 된 상기 화염분할구가 각각 형성된 디퓨저;로 구성되고,
   상기 연료노즐과 이웃하는 연료노즐의 사이에는 각각 분할판이 설치되어 이웃하는 연료노즐과 측방향이 격리되도록 하고, 상기 분할판은 상기 연료공급관의 외측 둘레를 따라 일정간격으로 방사형태로 설치되며, 분할판의 외측부위 일측으로부터 후단부위 일측까지 경사부가 형성되되, 상기 경사부의 시작부위는 상기 연료노즐과 동일한 위치 또는 후방의 위치로부터 시작되도록 형성되고,
   상기 공기공급관의 내경과 상기 디퓨저의 외경 사이에 간극이 형성되고, 상기 공기공급관의 선단부위는 상기 디퓨저의 전방으로 더 돌출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 저녹스 버너.
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