KR102489514B1 - 저녹스 버너를 이용한 열풍로 시스템 - Google Patents

저녹스 버너를 이용한 열풍로 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열풍로 내로 유입되는 희석용 공기의 유량 및 압력 변동이 있더라도 버너에서 발생하는 화염이 거의 영향을 받지 않아 화염을 안정화시킴과 동시에 열풍로의 전방부에서의 국부적인 화염 발생을 억제할 수 있는 열풍로 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열풍로 시스템은, 전단부에 열풍이 배출되는 열풍배출구가 형성되고, 후방부 측면에 희석용 공기가 유입되는 희석공기 유입구가 형성되어 있는 통 형태의 열풍로; 상기 열풍로의 후단부에 설치되는 저녹스 버너; 및, 전방면과 후방면이 개방된 통 형태로 되어 상기 저녹스 버너의 전단부에서부터 전방으로 연장되게 설치되며, 측면이 열풍로의 희석공기 유입구와 마주보도록 형성되어 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기를 전방과 후방으로 유도하고, 후단부는 열풍로의 후방면과 일정 거리 이격되게 배치되는 화염가이드;를 포함하며, 상기 희석공기 유입구를 통해 유입된 후 화염가이드의 측면에 부딪혀 후방으로 유도된 희석용 공기는 화염가이드 후단부와 열풍로 후방면 사이의 틈새를 통해 화염가이드의 내부 공간으로 유입되어 저녹스 버너에서 생성되는 화염에 혼합될 수 있다.

Description

저녹스 버너를 이용한 열풍로 시스템{Hot Air Heating System Using Low NOx Burner}
본 발명은 열풍로 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료노즐의 끝단에 다단 확산공간을 갖는 디퓨저를 구성하여 연소용 공기를 확산시키면서 고르게 분포시키고, 디퓨저의 중앙에 배치되는 1차 연료노즐과 주변부에 배치되는 복수의 2차 연료노즐을 통해 열풍로 내 온도에 따라 순차적으로 연료가스를 공급하여 연소시킴으로써 열풍로 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 무화염(flameless) 연소가 가능하게 함으로써 녹스(NOx)의 발생량을 줄일 수 있는 저녹스 버너를 이용한 열풍로 시스템에 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 구분될 수 있다.
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 열풍로 내의 최고 온도지역인 화염 표면지역은 통상 1200 ~ 1750℃의 온도에 도달하므로, 이 반응(N2 + O2 = 2NO)은 NO 생성의 중요한 생성원이 되고 있다.
이와 같이 NO가 생성되면 분해반응속도가 느려 N2와 O2로 다시 분해되지 않고, 산소와 다시 반응하여 NO2를 생성(2NO + O2 = 2NO2)하게 된다.
이 반응은 온도가 상승함에 따라 반응속도가 느려지는 반응이다.
따라서 고온에서는 NO 생성이 활발하며, 기체의 온도가 서서히 내려가면, 고온의 NO는 N2와 O2로 분해된다.
그러므로, 녹스 생성을 줄이기 위해서는 열풍로 내 전역에 걸쳐 연소공기를 보다 균일하게 공급함과 동시에 버너의 화염온도를 최대한 낮추는 것이 바람직하다.
이를 위하여 대한민국 등록특허 제10-0784880호(저녹스형 버너)는 고속화염의 생성, 연료 및 공기의 급속한 혼합작용, 연소가스의 자기재순환 등을 구현함으로써 Thermal NOx와 Prompt NOx의 생성을 동시에 저감할 수 있도록 하고 있고, 대한민국 등록특허 제10-0855719호는 연료공급관의 선단에 탈착 가능하며 연료공급관의 직경보다 큰 직경을 갖는 연료확산부를 설치하여 연료확산부의 직경을 조절함으로써 녹스의 발생을 저감시킬 수 있도록 하였다.
그러나 상기한 등록특허들의 저녹스형 버너는 장치가 복잡하고 번잡한 문제가 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-1022722호(저녹스 버너)는 공기를 열풍로 내로 공급하며 그 선단부에 경사단면이 형성되어 있는 공기공급관과, 상기 공기공급관 내부에 설치되고 연료를 공급하는 연료공급관, 상기 연료공급관의 선단부 외주면에 위치한 헤드, 상기 헤드의 외주면에 설치된 복수개의 연료 노즐 및 상기 공기공급관의 경사단면과 헤드 사이에 열풍로 내로 공기를 공급하는 급기통로가 형성되어 있는 저녹스 버너에 있어서, 상기 급기통로의 폭을 조정함으로써 공기공급량을 조절할 수 있도록 상기 공기공급관과 상기 연료공급관 사이에는 공기조절관이 설치되도록 구성되어 있다.
이 등록특허는 급기통로의 폭을 조절함으로써 열풍로 내로 공급되는 연소공기의 양을 조절할 수 있지만, 공기공급관 내에서 공기가 고르게 분포하지 못하여 각 헤드의 위치로 연소공기를 고르게 공급하지 못하는 문제점이 있다.
또한 종래의 저녹스 버너는 중앙 분사구에서 연료가스가 분사되면서 연소용 공기와 혼합 과정을 거쳐 연소되기 때문에 비교적 좁은 영역에서 많은 에너지가 방출됨에 따라 높은 연소온도가 유지되고, 따라서 녹스량이 상대적으로 증가하게 된다.
도 1은 종래의 열풍로 시스템의 구성을 나타낸 도면으로, 연소시스템은 열풍로(1)와, 열풍로(1)의 후방측에 설치되는 버너(2)와, 버너(2)의 전단부에 설치되는 믹싱콘(mixing cone)(3)을 포함한다.
열풍로(1)의 후방부 일측에는 희석용 공기가 유입되는 희석공기 유입구(1b)가 형성되어 있고, 열풍로(1)의 전단부에 열풍이 배출되는 열풍배출구(1a)가 개방되게 형성된다.
버너(2)는 일반적인 버너 또는 기존의 저녹스 버너를 적용하여 구성할 수 있다. 버너(2)의 일측에는 연소용 공기가 유입되는 연소공기 유입구(2a)가 형성되고, 버너(2)의 중앙부에 LNG 가스와 바이오가스의 혼합가스로 된 연료가스가 유입되어 분사되는 연료노즐이 구비된다.
믹싱콘(3)은 다수의 구멍이 천공된 콘(cone) 형태로 이루어져, 열풍로(10)의 희석공기 유입구(12)를 통해 유입된 희석용 공기가 믹싱콘(3)의 구멍을 통해 버너(2)의 전단부로 공급되어 연소된다.
이러한 구성으로 이루어진 종래의 연소시스템은 희석용 공기를 800℃ 이상으로 가열하여 열풍배출구(1a)를 통해 배출한다.
그러나, 열풍로(1)의 희석공기 유입구(1b)를 통해 유입되는 희석용 공기의 유량과 압력 변동으로 인하여 버너 화염이 영향을 받아서 화염이 측방의 믹싱콘(3) 쪽으로 흔들리게 되는데, 이로 인하여 불완전 연소가 발생하여 대기오염 물질인 CO, 녹스 등이 다량으로 발생하게 된다.
또한 불완전 열풍로 인하여 화염의 길이가 늘어나 열풍로(1) 전방의 열풍배출구(1a) 주변이 국부 가열되어 열풍로(1)의 수명이 대폭 단축되고, 국부가열로 인하여 미연소가스와 공기 중의 질소가 반응하여 급격이 녹스 성분이 발생하며, 연료사용량이 증가하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0784880호 대한민국 등록특허 제10-0855719호 대한민국 등록특허 제10-1022722호
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열풍로 내로 유입되는 희석용 공기의 유량 및 압력 변동이 있더라도 버너에서 발생하는 화염이 거의 영향을 받지 않아 화염을 안정화시킴과 동시에 열풍로의 전방부에서의 국부적인 화염 발생을 억제할 수 있고, 화염 최고대 온도 범위를 낮추고 희석용 공기의 온도를 신속하게 증가시켜 화염에 혼합함으로써 녹스를 저감할 수 있는 연소시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 버너를 통해 열풍로 내로 공급되는 공기가 균일하게 분포할 수 있으며, 열풍로 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 무화염(flameless) 연소가 가능하게 함으로써 녹스(NOx)의 발생량을 현저하게 줄일 수 있는 저녹스 버너를 적용한 열풍로 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열풍로 시스템은, 전단부에 열풍이 배출되는 열풍배출구가 형성되고, 후방부 측면에 희석용 공기가 유입되는 희석공기 유입구가 형성되어 있는 통 형태의 열풍로; 상기 열풍로의 후단부에 설치되는 저녹스 버너; 및, 전방면과 후방면이 개방된 통 형태로 되어 상기 저녹스 버너의 전단부에서부터 전방으로 연장되게 설치되며, 측면이 열풍로의 희석공기 유입구와 마주보도록 형성되어 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기를 전방과 후방으로 유도하고, 후단부는 열풍로의 후방면과 일정 거리 이격되게 배치되는 화염가이드;를 포함하며, 상기 희석공기 유입구를 통해 유입된 후 화염가이드의 측면에 부딪혀 후방으로 유도된 희석용 공기는 화염가이드 후단부와 열풍로 후방면 사이의 틈새를 통해 화염가이드의 내부 공간으로 유입되어 저녹스 버너에서 생성되는 화염에 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 열풍로 시스템의 저녹스 버너는, 전방면이 개방되게 형성되고, 연소용 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되어 열풍로의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징; 상기 버너하우징의 전단부에 결합되어 버너하우징 내부로 공급된 연소용 공기를 전방의 열풍로 내로 확산시키면서 분사하는 디퓨저; 상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 열풍로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐; 및, 상기 버너하우징의 주변부를 통해 상기 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 열풍로 내측으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐;을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 한 형태에 따른 저녹스 버너는, 상기 저녹스 버너는, 전방면이 개방되게 형성되고, 연소용 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되어 열풍로의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징; 상기 버너하우징의 전단부에 결합되며, 중심부 후방에 노즐수용공이 형성되고, 상기 노즐수용공의 전방에 노즐 수용공보다 큰 직경을 가지며 후방면은 노즐수용공과 연통되고 전방면은 열풍로 내로 연통되는 확산공간을 구비하며, 상기 노즐수용공의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 확산공간의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되고, 상기 확산공간의 반경방향 외측에 상기 버너하우징 및 열풍로 내와 연통되는 복수의 외측 공기공급공이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있는 디퓨저; 상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 열풍로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 축방향으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐; 상기 버너하우징의 주변부를 통해 상기 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 열풍로 내측으로 축방향으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐; 및, 상기 버너하우징의 후단부에 상기 제1연료노즐 및 제2연료노즐의 후단부와 연결되어 연료가스를 공급하는 연료공급부;를 포함하고,
상기 연료공급부는, 연료가스 공급원과 연결되어 연료가스를 공급받으며 제어부에 의해 유로가 전환되면서 연료가스를 제1연료노즐과 제2연료노즐 중 어느 하나로 공급하는 유로제어밸브와, 상기 유로제어밸브를 제1연료노즐과 제2연료노즐에 각각 연결하는 제1연료공급관 및 제2연료공급관을 포함하고,
상기 디퓨저의 확산공간은 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간이 연속적으로 배열되면서 다단 확산공간을 형성할 수 있다.
상기 제2연료노즐은 상기 디퓨저의 외측 공기공급공보다 반경방향 외측으로 더 떨어진 위치에 설치될 수 있다.
상기 제2연료노즐의 내경은 상기 제1연료노즐의 내경보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 저녹스 버너는, 상기 노즐수용공 내측으로 삽입된 제1연료노즐의 전단부 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배열되며, 전후방향을 따라 나선형으로 연장되거나 축방향에 대해 일정 각도로 비틀어지게 형성되어 노즐수용공 내주면과 제1연료노즐의 전단부 외주면 사이로 유동하는 연소용 공기를 선회시키는 복수의 스월블레이드;를 더 포함할 수 있다.
상기 스월블레이드는 상기 제1연료노즐의 끝단부 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 링 형태의 블레이드헤드의 외면에 일체로 형성될 수 있다.
상기 내측 공기공급공 및 외측 공기공급공은 후방에서 전방을 향해 반경방향 내측으로 경사지게 연장될 수 있다.
상기 디퓨저의 확산공간은 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간이 연속적으로 배열되면 다단 확산공간을 형성할 수 있다.
상기 디퓨저의 다단 확산공간을 구성하는 개별 확산공간들은 후방에서 전방으로 갈수록 점차적으로 내경이 증가하면서 콘(cone) 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기 화염가이드의 측면에 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기를 화염가이드의 후방 및 원주방향으로 유도하는 복수의 나선형 가이드베인이 설치될 수 있다.
그리고, 상기 화염가이드의 후단부 내주면에 화염가이드의 내부 공간으로 유입되는 희석용 공기의 코안다 효과를 발생시키도록 유선형으로 된 복수의 코안다블레이드가 원주방향을 따라 배열될 수 있다.
본 발명에 따르면, 중심부의 제1연료노즐을 통해 연료가스가 분사되어 1차적으로 화염을 생성하고, 일정 온도 이상에서 주변부의 복수의 제2연료노즐을 통해 연료가스가 분사되어 연소영역이 넓게 분포되면서 연소속도가 감소하여 연소온도를 낮출 수 있고, 연소온도와 비례하는 녹스의 농도를 감소시킬 수 있다.
또한 디퓨저 중심부에 형성된 다단 확산공간을 통해서 연소용 공기를 균일하게 확산시키면서 연료가스와 반응시켜 화염을 생성할 수 있으므로 녹스 발생량을 더욱 저감시킬 수 있다.
그리고 저녹스 버너의 전단부에 생성되는 화염이 화염가이드에 둘러싸여 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기가 화염에 직접적으로 혼합되지 않고 화염가이드의 후단부를 통해서 화염가이드 내부 공간으로 유입되므로 희석용 공기의 유량 및 압력 변화가 발생하더라도 화염이 영향을 받는 것이 최소화되어 화염이 흔들리는 것을 방지함과 더불어 열풍로 내의 국부적 연소를 방지할 수 있다.
또한 화염가이드의 후단부를 통해 화염가이드 내측 공간으로 유입되는 희석용 공기는 저녹스 버너에서 생성되는 화염과 접촉하여 화염 최고대 온도를 낮출 수 있다. 특히 희석용 공기가 화염가이드의 측면을 따라 후방으로 유동하면서 가열된 후 화염가이드 내부로 공급되므로 녹스 발생을 더욱 저감할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 열풍로 시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열풍로 시스템의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열풍로 시스템을 구성하는 화염가이드의 다른 실시예를 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열풍로 시스템을 구성하는 화염가이드의 또 다른 실시예를 나타낸 요부 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열풍로 시스템을 구성하는 저녹스 버너의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 저녹스 버너의 종단면도이다.
도 7은 도 5에 도시한 저녹스 버너의 횡단면도이다.
도 8은 도 5에 도시한 저녹스 버너를 구성하는 디퓨저의 정면도이다.
도 9는 도 5에 도시한 저녹스 버너의 변형례를 나타낸 종단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 무화염(flameless) 운전 원리를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 무화염 저녹스 버너와 일반적인 화염 발생형 저녹스 버너의 화염 온도 변화를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12a는 일반적인 화염 발생형 저녹스 버너의 열풍로 내 온도 변화에 따른 녹스(NOx) 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 12b는 본 발명에 따른 무화염 저녹스 버너의 열풍로 내 온도 변화에 따른 녹스(NOx) 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 저녹스 버너를 구성하는 디퓨저의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 열풍로 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열풍로 시스템은 열풍을 생성하여 배출하는 열풍로(10)와, 열풍로(10)의 후단부에 설치되는 저녹스 버너(100), 저녹스 버너(100)에서 생성되는 화염에 희석용 공기를 공급하고 화염을 안정화시키는 화염가이드(20)를 포함한다.
열풍로(10)는, 전단부에 열풍이 배출되는 열풍배출구(11)가 전방으로 개방되게 형성되고, 후방부 측면에 희석용 공기가 유입되는 희석공기 유입구(12)가 측방으로 개방되게 형성되어 있는 원통 형태로 이루어진다.
저녹스 버너(100)는 열풍로(10)의 후방면 중심부에 설치되며, 연료가스와 연소용 공기를 혼합하여 연소시킨다. 저녹스 버너(100)의 구체적인 구조와 작용에 대해서는 이후에 도 4 내지 도 12를 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
화염가이드(20)는 고내열성 금속으로 이루어지며, 전방면과 후방면이 개방된 원통 형태로 되어 열풍로(10) 내부 공간에서 저녹스 버너(100)의 전단부에 전방으로 연장되게 설치된다. 화염가이드(20)의 전단부와 후단부는 바아 형태로 된 복수의 고정부재(30)에 의해 열풍로(10)의 내면에 고정될 수 있다.
화염가이드(20)는 열풍로(10)의 직경보다는 작은 직경의 원통으로 이루어져 측면이 열풍로(10)의 희석공기 유입구(12)와 마주보도록 배치된다. 또한 화염가이드(20)의 후단부는 열풍로(10)의 후방면과 일정 거리 이격되게 배치된다.
따라서, 희석공기 유입구(12)를 통해 유입되는 희석용 공기는 화염가이드(20)의 측면에 부딪혀 일부는 전방으로 유도되고 나머지 일부는 후방으로 유도된 후 화염가이드(20) 후단부와 열풍로(10) 후방면 사이의 틈새를 통해 화염가이드(20)의 내부 공간으로 유입되어 저녹스 버너(100)에서 생성되는 화염에 혼합된다.
이와 같이 저녹스 버너(100)의 전단부에 생성되는 화염이 화염가이드(20)에 둘러싸여 희석공기 유입구(12)를 통해 유입되는 희석용 공기가 화염에 직접적으로 혼합되지 않고 화염가이드(20)의 후단부를 통해서 화염가이드(20) 내부 공간으로 유입되므로 희석용 공기의 유량 및 압력 변화가 발생하더라도 화염이 영향을 받는 것이 최소화되어 화염이 흔들리고, 열풍로(10) 내의 국부적 연소를 방지할 수 있다.
화염가이드(20)의 후단부를 통해 화염가이드(20) 내측 공간으로 유입되는 희석용 공기는 저녹스 버너(100)에서 생성되는 화염과 접촉하여 화염 최고대 온도를 낮출 수 있다. 특히 희석용 공기가 화염가이드(20)의 측면을 따라 후방으로 유동하면서 가열된 후 화염가이드(20) 내부로 공급되므로 녹스 발생을 더욱 저감할 수 있다.
희석공기 유입구(12)를 통해 유입된 후 화염가이드(20)의 후방으로 유동하는 희석용 공기가 화염가이드(20)의 후단부 전체 면적에 걸쳐 균일하게 유입될 수 있도록 하기 위하여, 도 3에 도시한 것과 같이 상기 화염가이드(20)의 후방부 측면에 희석공기 유입구(12)를 통해 유입되는 희석용 공기를 화염가이드(20)의 후방 및 원주방향으로 유도하는 복수의 나선형 가이드베인(21)이 설치될 수 있다.
나선형 가이드베인(21)은 복수개가 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열될 수 있다. 나선형 가이드베인(21)의 높이(화염가이드의 반경방향 길이)는 공기의 흐름을 고려하여 화염가이드(20)의 외면과 열풍로(10)의 내면 사이의 거리의 20~30% 정도로 형성됨이 바람직하다.
또한 화염가이드(20) 내측으로 유입되는 공기의 흐름을 안정화시키기 위하여, 도 4에 도시한 것과 같이 상기 화염가이드(20)의 후단부 내주면에 화염가이드(20)의 내부 공간으로 유입되는 희석용 공기의 코안다 효과를 발생시키도록 유선형으로 된 복수의 코안다블레이드(22)가 원주방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 코안다블레이드(22)는 후방부가 볼록한 에어포일 형태를 가질 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 저녹스 버너(100)는, 열풍로(10)의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징(110), 상기 버너하우징(110)의 전단부에 결합되는 디퓨저(120), 상기 버너하우징(110)의 중심부를 통해서 디퓨저(120)의 후방부 중심에 결합되는 제1연료노즐(130), 상기 버너하우징(110)의 주변부를 통해 상기 디퓨저(120)의 주변부에 결합되는 복수의 제2연료노즐(140) 및, 상기 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면에 결합되어 연소용 공기를 선회시키는 스월부재(150)를 포함한다.
버너하우징(110)은 전단부가 개방된 원통형으로 되어 열풍로(10)의 후단부 외측에 부착된다. 버너하우징(110)의 일측부에는 내부 공간으로 연소용 공기가 유입되는 공기유입구(112)가 개방되게 형성되어 있다. 공기유입구(112)는 공기공급장치(미도시)와 연결되어 연소를 위한 상온 또는 예열된 공기를 버너하우징(110)의 내부 공간으로 공급한다.
버너하우징(110)의 후단부에는 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140)의 후단부와 연결되어 연료가스를 공급하는 연료공급부(160)가 설치된다. 상기 연료가스는 매립가스(LFG, Land Fill Gas), LFG와 바이오가스를 혼합한 혼합가스를 사용할 수 있다. 이외에 연료가스로서 LNG, 또는 LNG와 바이오가스를 혼합한 혼합가스 등을 사용할 수도 있을 것이다. 연료공급부(160)는 연료가스 공급원과 연결되어 연료가스를 공급받으며, 연소시스템의 제어부(미도시)에 의해 유로가 전환되면서 연료가스를 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140) 중 어느 하나로 공급하는 유로제어밸브(161)와, 상기 유로제어밸브(161)를 제1연료노즐(130)과 제2연료노즐(140)에 각각 연결하는 제1연료공급관(162) 및 제2연료공급관(163)을 포함할 수 있다.
디퓨저(120)는 전방 중심부에 화염점화 영역을 형성하여 연료가스와 연소용 공기가 반응하여 화염의 형성이 용이하도록 하며, 연료가스와 연소용 공기가 연소되면서 발생되는 화염을 전방으로 안내하는 기능을 한다.
상기 디퓨저(120)는 고온용 내화 시멘트로 이루어질 수 있다. 상기 디퓨저(120)의 중심부 후방에는 제1연료노즐(130)의 전단부가 삽입되는 노즐수용공(121)이 형성되고, 상기 노즐수용공(121)의 전방에 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간(122a, 122b)이 연속적으로 배열된 다단 확산공간(122)이 전방으로 개방되게 형성되어 있다. 또한 노즐수용공(121)의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 다단 확산공간(122)의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공(123)이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 있다. 그리고 상기 다단 확산공간(122)의 반경방향 외측에 상기 버너하우징(110) 및 열풍로(10) 내부와 연통되는 복수의 외측 공기공급공(124)이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있다.
따라서 버너하우징(110)의 공기유입구(112)를 통해 버너하우징(110) 내부로 유입된 공기의 일부는 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 외주면 사이의 공간과 상기 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급되고, 나머지 일부의 공기는 외측 공기공급공(124)을 통해서 열풍로(10) 내부로 공급된다.
상기 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)을 구성하는 개별 확산공간(122a, 122b)들은 각각 직경이 일정하게 형성될 수 있지만, 도 6 및 도 7에 도시한 것과 같이 각각의 개별 확산공간(122a, 122b)은 후방에서 전방으로 갈수록 점차적으로 내경이 증가하면서 콘(cone) 형태를 가질 수 있다.
상술한 것과 같이 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)이 콘 형태를 가지면, 스월부재(150) 및 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급된 연소용 공기가 원활하게 선회하면서 전방으로 유동하여 균일한 확산이 이루어질 수 있다.
또한 내측 공기공급공(123) 및 외측 공기공급공(124)은 축방향과 나란하게 연장될 수 있지만, 도 9에 도시한 것과 같이 내측 공기공급공(123) 및 외측 공기공급공(124)이 후방에서 전방을 향해 반경방향 내측으로 경사지게 연장된 구조를 가질 수도 있다.
또한 디퓨저(120)에는 버너하우징(110)을 관통하여 설치되는 파일럿버너와 같은 점화장치(171) 및 자외선 감지기와 같은 화염검출장치(172)를 수용하기 위한 복수의 구멍(125)이 다단 확산공간(122)과 연통되게 형성될 수 있다.
제1연료노즐(130)은 내열성이 우수한 금속으로 이루어지며, 버너하우징(110)의 후방면 중심을 관통하여 전단부가 디퓨저(120)의 노즐수용공(121) 내측에 삽입되게 설치된다. 제1연료노즐(130)은 열풍로(10) 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122) 내측으로 연료가스를 1차적으로 분사하여 화염을 생성한다.
제1연료노즐(130)의 전단부의 외경은 노즐수용공(121)의 내경보다 작게 되어 제1연료노즐(130)의 전단부의 외주면과 노즐수용공(121)의 내주면 사이에는 연소용 공기가 흐를 수 있는 공간이 형성된다.
상기 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이의 공간을 통해 유동하는 연소용 공기가 다단 확산공간(122) 내측으로 유입되면서 연료가스와 연소용 공기가 더욱 균일하게 혼합될 수 있도록 하기 위하여 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이에 스월부재(150)가 설치된다.
상기 스월부재(150)는 상기 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 링 형태의 블레이드헤드(151)와, 상기 블레이드헤드(151)의 외면에 일체로 형성된 복수의 스월블레이드(152)를 포함할 수 있다. 상기 스월블레이드(152)는 전후방향을 따라 나선형으로 연장되거나 축방향에 대해 일정 각도로 비틀어지게 형성되어 노즐수용공(121)의 내주면과 제1연료노즐(130)의 전단부 외주면 사이로 유동하는 연소용 공기를 선회시키면서 균일하게 확산될 수 있도록 하는 기능을 한다.
이 때, 스월블레이드(152)를 따라 안내되는 연소용 공기가 스월블레이드(152)의 면을 따라서 유동하는 코안다 효과를 발생시켜 공기 흐름을 안정화시킬 수 있도록 하기 위하여 스월블레이드(152)는 후방부가 볼록한 에어포일 형태를 가질 수 있다. 즉, 복수의 스월블레이드(152) 각각은 후단부에 앞전(leading edge)가 형성되고 전단부에 뒷전(trailing edge)이 형성된 에어포일 형태를 가질 수 있다.
상기 스월블레이드(152)가 제1연료노즐(130)의 외주면에 착탈될 수 있는 링 형태의 블레이드헤드(151)에 형성되면, 제1연료노즐(130) 자체를 가공하지 않고, 별도로 스월부재(150)를 제작하여 필요에 따라 스월부재(150)를 제1연료노즐(130)에 착탈시켜 사용할 수 있으므로 제작 및 사용이 매우 용이한 이점이 있다.
제2연료노즐(140)은 버너하우징(110)의 주변부를 통해 디퓨저(120)의 주변부, 즉 디퓨저(120)의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐(130)의 연료가스 공급이 종료되면 열풍로(10) 내측으로 연료가스를 분사한다. 제2연료노즐(140)은 상기 디퓨저(120)의 외측 공기공급공(124)보다 반경방향 외측으로 더 떨어진 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 제2연료노즐(140)은 열풍로(10) 내부로 연료가스 제트를 분사할 수 있도록 제1연료노즐(130)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다.
이 실시예에서 제2연료노즐(140)은 2개가 디퓨저(120)의 양측 테두리 부분에 근접하게 설치되어, 열풍로(10) 내의 산소 농도가 낮고(대략 3% 이하) 불연 희석제의 농도가 높은 연소가스 재순환 구역으로 연료가스를 직접 고속 제트로 분사함으로써 무화염(flameless) 운전이 가능하도록 한다. 무화염 운전이란 열풍로(10) 내 온도분포와 연소 반응 영역이 균일해지고 화염의 경계가 사라져 육안으로 화염이 보이지 않는 운전 상태로서, 산소농도가 낮아 화염의 크기가 작고 화염이 분산 및 확장되어 가시적인 화염이 보이지 않는다.
도 10을 참조하면, 양측의 제2연료노즐(140)에 의해 고속 제트로 분사된 연료가스는 연료가스의 자체 발화점보다 낮은 온도에서 연소용 공기 및 재순환 연소가스와 혼합되므로 연료가스와 연소용 공기가 반응영역을 형성하여 화염이 발생하기 전에 충분히 혼합된다. 제2연료노즐(140)에서 분사된 연료가스는 재순환 연소가스의 산소(농도가 3% 이하임)와 반응하면서 열풍로(10) 내의 산소를 소진한다.
이러한 무화염 운전 조건에서는 NOx(녹스) 생성이 현저하게 줄어드는데(도 11과 도 12a 및 도 12b의 그래프 참조), 이는 반응물과 불연 희석제의 혼합으로 화염이 작고 연소온도가 낮으며, 연소영역이 확장되기 때문이다. 또한 연료가스가 중앙에 집중되지 않고 주변부에 복수의 위치로 분산되므로 NOx 형성의 주요구역인 Flame Front가 없고, 화염 중 산소의 농도를 낮춤으로써 상대적으로 질소의 반응 속도를 낮출 수 있다.
이러한 구성으로 이루어진 열풍로 시스템은 다음과 같이 작동한다.
저녹스 버너(100)의 버너하우징(110)의 공기유입구(112)를 통해 유입되는 연소용 공기는 디퓨저(120) 중앙의 노즐수용공(121) 내주면과 제1연료노즐(130) 외주면 사이의 공간과 내측 공기공급공(123)을 통해서 다단 확산공간(122) 내측으로 공급된다. 이 때 노즐수용공(121) 내주면과 제1연료노즐(130) 외주면 사이의 공간으로 유입되는 연소용 공기는 스월블레이드(152)를 통과하면서 선회하여 다단 확산공간(122) 내측에서 선회류가 발생하여 제1연료노즐(130)을 통해 공급되는 연료가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 또한 다단 확산공간(122)은 개별 확산공간(122a, 122b)들이 전방에 배치된 것이 더 큰 직경을 가지므로 연소용 공기가 전방으로 유동하면서 확산이 더욱 원활하게 이루어져 연료가스와의 혼합이 균일하게 이루어지면서 화염이 생성될 수 있으며, 이는 녹스 저감에 유리한 영향을 미치게 된다.
이 때 디퓨저(120)의 외측 공기공급공(124)을 통해서도 소정량의 연소용 공기가 분사되면서 화염이 생성된다.
제1연료노즐(130)을 통해 연료가스가 공급되고 디퓨저(120)를 통해 연소용 공기가 공급되면서 화염이 생성되는데, 열풍로(10) 내의 온도가 제어부(미도시)에 입력되는 소정의 온도(예를 들어 500~700℃)에 도달하면, 제어부는 연료공급부(160)의 유로제어밸브(161)를 절환하여 제1연료노즐(130)로의 연료가스 공급을 차단하고, 복수의 제2연료노즐(140)로 연료가스를 공급하도록 유로를 제어한다. 상기 제2연료노즐(140)을 통해 연료가스를 공급하는 온도는 연료가스의 착화 온도보다 약간 낮은 온도로서, 이는 연료가스가 불꽃을 만들기 전에, 즉 연료가스와 연소용 공기가 반응하기 전에 열풍로 내의 연소가스 중의 산소(O2)와 연소용 공기, 연료가스를 충분히 혼합하기 위함이다.
복수의 제2연료노즐(140)을 통해 공급되는 연료가스는 열풍로(10) 내의 주변부의 연소가스 재순환 구역으로 분사되어 무화염(flameless) 운전이 진행된다. 이 때 제2연료노즐(140)을 통해 분사되는 연료가스의 연소가 진행되는 과정에서 열풍로(10) 내의 주변을 순환하는 연소가스 내의 잔존 산소가 반응하여 산소가 소진되므로 무화염 연소가 진행될 수 있다. 전술한 것과 같은 무화염 운전에 의해 녹스 발생량을 현저하게 저감할 수 있다.
한편, 저녹스 버너(100)를 통해 화염 운전 및 무화염 운전(무화염이라고 하더라도 미세한 화염은 존재함)이 진행되는 과정에서, 열풍로(10)의 희석공기 유입구(12)를 통해 희석용 공기가 열풍로(10) 내로 유입된다.
희석공기 유입구(12)를 통해 유입된 희석용 공기는 화염가이드(20)의 측면에 부딪힌 후 전방 및 후방으로 분기되어 일부는 전방으로 흘러나고 나머지 일부는 후방으로 흘러간 다음, 화염가이드(20) 후단부와 열풍로(10) 후방면 사이의 공간을 통해서 화염가이드(20) 내부로 유입되어 저녹스 버너(100)의 전단부에서 발생하는 화염과 접촉하여 연소를 돕는 작용을 한다.
상술한 것과 같이 본 발명의 열풍로 시스템을 구성하는 저녹스 버너(100)는 중심부의 제1연료노즐(130)을 통해 연료가스가 분사되어 1차적으로 화염을 생성하고, 일정 온도 이상에서 주변부의 복수의 제2연료노즐(140)을 통해 연료가스가 분사되어 연소영역이 넓게 분포되면서 연소속도가 감소하여 연소온도를 낮출 수 있고, 연소온도와 비례하는 녹스의 농도를 감소시킬 수 있다.
또한 디퓨저(120) 중심부에 형성된 다단 확산공간(122)을 통해서 연소용 공기를 균일하게 확산시키면서 연료가스와 반응시켜 화염을 생성할 수 있으므로 녹스 발생량을 더욱 저감시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저녹스 버너(100)의 디퓨저(120)를 나타낸 것으로, 이 실시예의 저녹스 버너(100)는 디퓨저(120)의 다단 확산공간(122)의 내주면에 부착되는 원통형의 메쉬(mesh)로 된 메쉬부재(180)를 더 포함한다.
상기 메쉬부재(180)는 내열성의 금속 재질로 된 원통형의 망체(mesh)로 이루어져, 다단 확산공간(122) 내측으로 유입되는 연소용 공기의 선회류에 와류를 추가로 발생시킴으로써 연소용 공기가 더욱 균일하게 혼합될 수 있도록 함과 더불어, 열에너지를 흡수하여 녹스 발생을 더욱 저감시키는 작용을 한다.
상기 메쉬부재(180)는 중공관들이 가로세로로 엮여서 메쉬 구조를 이루며, 중공관 내부에 열을 흡수하여 상변화하는 상변화물질이 채워져 열에너지를 더 효과적으로 흡수할 수 있게 구성될 수도 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 열풍로 11 : 열풍배출구
12 : 희석공기 유입구 20 : 화염가이드
21 : 나선형 가이드베인 22 : 코안다블레이드
30 : 고정부재 100 : 저녹스 버너
110 : 버너하우징 112 : 공기유입구
120 : 디퓨저 121 : 노즐수용공
122 : 다단 확산공간 123 : 내측 공기공급공
124 : 외측 공기공급공 130 : 제1연료노즐
140 : 제2연료노즐 150 : 스월부재
160 : 연료공급부 171 : 점화장치
172 : 화염검출장치 180 : 메쉬부재

Claims (12)

  1. 전단부에 열풍이 배출되는 열풍배출구가 형성되고, 후방부 측면에 희석용 공기가 유입되는 희석공기 유입구가 형성되어 있는 통 형태의 열풍로;
    상기 열풍로의 후단부에 설치되는 저녹스 버너;
    전방면과 후방면이 개방된 통 형태로 되어 상기 저녹스 버너의 전단부에서부터 전방으로 연장되게 설치되며, 측면이 열풍로의 희석공기 유입구와 마주보도록 형성되어 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기를 전방과 후방으로 유도하고, 후단부는 열풍로의 후방면과 일정 거리 이격되게 배치되는 화염가이드;
    를 포함하며,
    상기 희석공기 유입구를 통해 유입된 후 화염가이드의 측면에 부딪혀 후방으로 유도된 희석용 공기는 화염가이드 후단부와 열풍로 후방면 사이의 틈새를 통해 화염가이드의 내부 공간으로 유입되어 저녹스 버너에서 생성되는 화염에 혼합되며,
    상기 저녹스 버너는,
    전방면이 개방되게 형성되고, 연소용 공기가 유입되는 공기유입구가 형성되어 열풍로의 일측 단부에 결합되는 통 형태의 버너하우징;
    상기 버너하우징의 전단부에 결합되며, 중심부 후방에 노즐수용공이 형성되고, 상기 노즐수용공의 전방에 노즐 수용공보다 큰 직경을 가지며 후방면은 노즐수용공과 연통되고 전방면은 열풍로 내로 연통되는 확산공간을 구비하며, 상기 노즐수용공의 반경방향 외측에 후단부에서부터 상기 확산공간의 후단부로 관통하는 복수의 내측 공기공급공이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되고, 상기 확산공간의 반경방향 외측에 상기 버너하우징 및 열풍로 내와 연통되는 복수의 외측 공기공급공이 전후방향으로 관통되게 형성되어 있는 디퓨저;
    상기 버너하우징의 중심부를 통해서 전방으로 연장되며, 전단부가 상기 디퓨저의 노즐수용공에 삽입되게 설치되어, 열풍로 내의 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 상기 확산공간 내측으로 축방향으로 연료가스를 1차적으로 분사하는 제1연료노즐;
    상기 버너하우징의 주변부를 통해 전방으로 연장되며, 디퓨저의 중심에서부터 반경방향으로 일정 거리 이격된 위치를 관통하도록 설치되어, 제1연료노즐의 연료가스 분사가 종료되면 열풍로 내측으로 축방향으로 연료가스를 분사하는 복수의 제2연료노즐; 및,
    상기 버너하우징의 후단부에 상기 제1연료노즐 및 제2연료노즐의 후단부와 연결되어 연료가스를 공급하는 연료공급부;
    를 포함하고,
    상기 연료공급부는, 연료가스 공급원과 연결되어 연료가스를 공급받으며 제어부에 의해 유로가 전환되면서 연료가스를 제1연료노즐과 제2연료노즐 중 어느 하나로 공급하는 유로제어밸브와, 상기 유로제어밸브를 제1연료노즐과 제2연료노즐에 각각 연결하는 제1연료공급관 및 제2연료공급관을 포함하고,
    상기 디퓨저의 확산공간은 전방으로 갈수록 내경이 큰 복수의 확산공간이 연속적으로 배열되면서 다단 확산공간을 형성하는 열풍로 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2연료노즐은 상기 디퓨저의 외측 공기공급공보다 반경방향 외측으로 더 떨어진 위치에 설치된 열풍로 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2연료노즐의 내경은 상기 제1연료노즐의 내경보다 작은 열풍로 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저녹스 버너는,
    상기 노즐수용공 내측으로 삽입된 제1연료노즐의 전단부 외주면에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배열되며, 전후방향을 따라 나선형으로 연장되거나 축방향에 대해 일정 각도로 비틀어지게 형성되어 노즐수용공 내주면과 제1연료노즐의 전단부 외주면 사이로 유동하는 연소용 공기를 선회시키는 복수의 스월블레이드;
    를 더 포함하는 열풍로 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스월블레이드는 상기 제1연료노즐의 끝단부 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 링 형태의 블레이드헤드의 외면에 일체로 형성된 열풍로 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 내측 공기공급공 및 외측 공기공급공은 후방에서 전방을 향해 반경방향 내측으로 경사지게 연장된 열풍로 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 디퓨저의 다단 확산공간을 구성하는 개별 확산공간들은 후방에서 전방으로 갈수록 점차적으로 내경이 증가하면서 콘(cone) 형태로 된 열풍로 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 디퓨저의 확산공간의 내주면에 금속 재질로 된 원통형의 메쉬로 된 메쉬부재가 부착된 열풍로 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 화염가이드의 측면에 희석공기 유입구를 통해 유입되는 희석용 공기를 화염가이드의 후방 및 원주방향으로 유도하는 복수의 나선형 가이드베인이 설치된 열풍로 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 화염가이드의 후단부 내주면에 화염가이드의 내부 공간으로 유입되는 희석용 공기의 코안다 효과를 발생시키도록 후방부가 볼록한 에어포일 형태로 된 복수의 코안다블레이드가 원주방향을 따라 배열된 열풍로 시스템.
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