KR200177803Y1 - 플루 디바이더 형상변경을 통한 질소산화물(NOx) 저감형 버너 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 고안이 속한 기술분야

본 고안은 플루 디바이더의 형상변경을 통한 질소산화물(NOx) 저감형 버너에 관한 것이다.

2. 고안이 해결하려고 하는 기술적 과제

배기가스 순환법과 화로내 이단연소기법에 비해 설비, 보수 그리고, 유지 등에 있어 경제적이면서 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있는 버너를 창안코자 함.

3. 고안의 해결방법의 요지

저 질소산화물 버너의 플로 디바이더(4) 끝단에 양방향 공기분산판(3)을 부착한 본 고안에 의해 해결됨.

4. 고안의 중요한 용도

기존버너에서 생성되는 질소산화물 및 분진을 30%이상 감소시킬 수 있으며 화로수관의 국부적인 과열을 방지하여 전체적인 화로내 온도분포를 균일하게 유지하고 다양한 화로형상에 연소신뢰성을 향상시켜 적용할 수 있음.

Description

플루 디바이더의 형상변경을 통한 질소산화물(NOx) 저감형 버너

본 고안은 플루 디바이더 형상변경을 통한 질소산화물(NOx) 저감형 버너에 관한 것이며, 구체적으로 화석연료 연소로 인하여 생성된 공해물질인 질소산화물을 연소과정에서 줄일 수 있는 산업용 버너에 관한 것으로, 플루 디바이더(Flow Divider) 끝단에 공기분리판을 양방향으로 설치하여 선회의 증감없이 일차베인(Outer Vane)을 통과한 1차 공기롤 반경방향으로 확산시켜 화염후류측에 공기과잉상태를 만듦으로써 주 연소영역에서 생성된 질소산화물의 환원반응 및 불완전 연소물질의 완전연소를 촉진토록 하고, 이차베인(Inner Vane)을 통과한 2차공기 및 3차 공기에는 축방향 속도성분을 강화하여 연료의 후류이동을 촉진함으로써 저온의 화염대에 위치하도록하여 연료중의 질소성분 가스화를 촉진시켜 부분적인 '연료질소산화물(FUEL NOx)' 생성을 억제토록 하며, 이를 통해 공해물질인 미연가스와 분진의 저감 및 주연소영역 초기화염의 안정화를 추구하고, 연소물의 노내 체류시간 증가(time delay) 및 고온화염면의 냉각효과(quenching effect) 극대화에 의한 고온영역의 감소로 질소산화물의 생성을 억제토록 한 것이다.

현재 화석연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량은 엄격히 규제되고 있다. 따라서 연소에 의한 화학에너지의 열에너지로의 변환에 있어서 완전연소는 버너의 기본적인 만족사항이고, 특별한 미연분의 증가없이 질소산화물의 감소 정도가 버너의 성능을 좌우하는 매우 중요한 항목으로 부각되어 있다.

종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은 연소용공기중에 함유된 질소가 고온의 연소분위기에서 과잉산소와 반응하면서 생성되는 '열적 질소산화물(Thermal NOx)'을 감소시키기 위해 고온의 연소지역에서는 과잉산소가 부족하도록 연료과잉-공기부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고 공기부족에 의해 발생되는 불완전 연소물을 노내온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전연소시키는 방법이 수로 사용되고 있다. 다시 말하면, 버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉과 공기부족 상태를 유지하고, 이때 생성된 완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 공급한다.

이와 같이, 버너 앞에서 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되어 있는 기업이나 장치에는 배기가스 재순환법과 화로내 이단연소기법 그리고, 저 질소산화물 버너 등이 있다.

상기 배기가스 재순환법은, 연소된 배기가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 버너로 유입시켜 연소하는 기법이고, 상기 화로내 이단연소기법은 연소공기의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접보내어 버너지역에 불완전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 기법인데 이들 배기가스 순환법과 화로내 이단연소기법은 설비추가에 의한 질소산화물 감소기법이다. 그리고 상기 저 질소산화물 버너는, 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 버너이다.

전자의 배기가스 순환법과 화로내 이단연소기법은 질소산화물 감소효과는 높으나 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가로 설치해야 하므로 경제적인 부담과 설비, 보수 그리고, 유지 등의 측면에 지속적인 부담이 요구된다. 따라서 최근에는 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 질소산화물을 저감할 수 있는 후자의 저 질소산화물 버너를 선호하는 추세이다.

이와 같은 요구에 능동적으로 대처하기 위하여 안출된 본 고안은 버너부의 공기역학적인 고려로 후류연소영역을 과잉공기상태로 만들어 연소과정중에 생성된 미연가수 및 분진의 과대 증가를 방지하고 아울러 버너부 초기화염 안정화와 희박연소를 추진함으로써 연소반응 지연에 의한 화염의 최고 온도영역을 완화시키며 이로 인하여 저온의 연소분위기를 형성으로 버너부 근처 연료과잉영역의 질소산화물 생성을 억제하고 화염후류에 공기과잉영역을 형성하여 질소산화물의 질소로의 환원반응을 촉진하여 질소산화물을 저감시키는 저 질소산화물 버너의 제공을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 플루 디바이더의 끝단에 양방향 공기분산판을 적절한 각도로 배치하여 선회도의 변경없이 강선회된 1차공기의 확산효과에 의한 초기화염의 안정화와 주연소영역에서의 연료과잉(과잉공기비<1)상태를 만들어 연료과잉과 고온화염면의 냉각에 의한 고온영역감소로 질소산화물의 생성을 억제하며, 약선회 공기에 의한 축방향 속도성분을 강화하여 연료의 후류이동을 촉진하여 저온의 화염대에 위치토록 함으로써 연료증의 질소성분 가스화를 촉진시켜 부분적인 '연료질소산화물(FUEL NOx)' 생성을 억제토록 하고 연료과잉으로 인하여 생성된 불완진 연소물질은 화염대 외부로 집중된 강선회공기 및 약선회 공기와 후류연소영역에서 집중적으로 만나면서 완전연소가 되도록 하며, 이 후류연소영역을 과잉공기상태로 만듦으로써 질소산화물의 질소로의 환원반응을 촉진시키는 본 고안에 의해 달성될 수 있는 바, 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 설명한다.

제 1 도는 본 고안의 단면도 및 양방향 공기분산판의 확대도.

제 2 도는 본 고안의 화로내 연소공기 분포도.

제 3 도는 본 고안의 버너출구 속도 분포 특성도.

제 4 도는 본 고안의 화로내 온도분포 특성도.

제 5 도는 본 고안의 질소산화물 및 분진배출 특성도.

제 6 도는 종래 고안의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 일차베인 2 : 이차베인

3 : 양방향 공기분산판 4 : 버너외통

5 : 플루 디바이더 6 : 버너 평행부

7 : 연료노즐 8 : 확산형 보염기

9 : 일차베인 구동축 10 : 이차베인 구동축

제 1 도는 본 고안의 단면도 및 양방향 공기분산판의 확대도(a)를 나타낸 것이다.

본 고안은 특별한 미연물질 및 분진의 증가없이 질소산화물을 버너 자체에서 김소시킬 수 있도록 고안한 것으로, 일차베인(1), 이차베인(2), 버너의통(4), 플루 디바이더(5), 버너 평행부(6), 연료노즐(7), 확산형 보염기(8), 일차베인 구동축(9), 이차베인 구동축(10)으로 구싱된 저 질소산화물 버너에 있어서, 상기 플루 디바이더(5) 끝단에 양방향 공기분산판(3)이 부착된 것으로 구성되어 있다.

상기 공기 분산판(3)은 플루 디바이더(5)의 수평축(B)에 대해 외측굴절부분(3')이 플루 디바이더(5)의 바깥쪽으로 α 각만큼 굴절되고, 내측굴절부분(3")이 플루 디바이더(5)의 안쪽으로 D 각만큼 굴전된다.

이하, 본 고안의 작용에 대해 상세히 설명한다.

제 2 도는 본 고안의 화로내 연소공기 분포도이고, 제 3 도는 본 고안의 버너출구 속도분포 특성도이며, 제 4 도는 본 고안의 화로내 온도분포 특성도이고, 제 5 도는 본 고안의 질소산화물 및 분진배출 특성도를 나타낸 것이다.

본 고안이 적용된 버너는, 제 6 도의 종래 버너의 플루 디바이더 끝단에 양방향 공기분산판을 부착하여 제 1 도와 같이 강선회용 일차베인(1)을 통과한 일부 공기에 반경방향 속도성분 강화에 의한 확산효과를 증가시키고, 약선회된 2차, 3차 공기에 축방향 속도성분을 강화하여 화로로 유입시킨다.

상기 플루 디바이더(5)를 버너 평행부(6)까지 연장하고 버너의 중심에 설치된 연료노즐(7)을 통하여 연료를 화로중심에서 대칭적으로 분무시키는데 이때, 연소공기가 약선회용 이차베인(2)을 통과하먼서 축류속도 성분이 강화되고 강선회 공기와 교차적으로 공급된 약선회 공기가 증발하고 있는 연료액적을 후류측으로 밀어내면서 저온의 화염대에 연료액적을 위치시킴으로써 미연소상태로 존재하고 있는 연료 중의 질소성분이 가스화되고 이로 인하여 연료 질소산화물을 억제할 수 있어 질소성분이 많이 함유된 연로의 연소에 특히 효과적으로 작용하게 된다.

또한, 강선회용 일차베인(1)을 통과하면서 선회된 연소공기는 플루 디바이더(5)와 양방향 공기분산판(3)에 의해 제 2 도와 같이 화로중심보다 화로외측으로 집중되면서 내부순환류의 강화로 초기연소영역에서의 화염안정화를 이루고, 화염의 냉각을 촉진하여 고온의 연소영역을 감소시켜 질소산화물의 생성을 억제한다.

이 과정에서 화염대에는 연소공기가 부족한 연료과잉 상태가 되어 이차적인 질소산화물의 생성이 억제되며 양방향 공기분산판(3)을 통과한 강선회 공기 및 약선회 공기가 서로 교차적으로 접촉하면서 주 연소영역에서 화염냉각효과를 극대화하여 화로 전체적인 온도분포를 제 4 도와 같이 균등하게 만들어 열적 질소산화물의 생성을 억제하게 된다.

또한, 제 3 도와 같이 양방향 공기분산관(3)로 선회를 강화하여 반경방향 속도성분을 증가시켜 연소가스의 화로내 체류시간이 상대적으로 길어져 후류에서의 완전연소를 달성할 수 있는 충분한 시간을 만들어 주므로, 연료과잉에 의하여 생성된 중간생성물과 발생된 질소산화물과의 질소로의 환원반응 영역도 길어져 질소산화물 저감효과를 극대화 할 수 있다.

그리고 제 3 도와 같이 양방향 공기분산판은 통과한 연소공기의 확산에 의해 화염후류에서 혼합도를 증가시켜 후류에서의 완전연소를 달성할 수 있는 충분한 조건을 만들어 주므로, 연료과잉에 의하여 생성된 중간생성물과 발생된 질소산화물과의 질소로의 환원 반응 분위기 고조로 질소산화물을 저감할 수 있다.

본 고안의 효과로는, 제 4 도 및 제 5 도에서 종래 고안과 비교하여 나타냈다. 상기 결과에 나타낸 바와같이 기존버너에서 생성되는 질소산화물 및 분진을 30% 이상 감소시킬 수 있으며 화염길이의 고려로 화로수관의 국부적인 과열(Critical Heat Flux)을 방지하여 전체적인 화로내 온도분포를 균일하게 유지하는 최적의 연소상태를 이룰 수 있다. 또한 화로형상에 따른 적절한 선회도를 일차베인 구동축(9), 이차베인 구동축(10)으로 조절할 수 있으므로 다양한 화로형상에 연소신뢰성을 향상시켜 적용할 수 있다.

그리고, 종래의 배기가스 순환법과 화로내 이단연소기법에 비해 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가로 설치할 필요가 없으므로 경제적이며 설비, 보수 그리고, 유지 등이 용이한 탁월한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 일차베인(1), 이차베인(2), 버너외통(4), 플로디바이더(5), 버너 펑행부(6), 연료노즐(7), 확산형 보염기(8), 일차베인 구동축(9), 이차베인 구동측(10)으로 구성된 저 질소산화물 버너에 있어서, 플루 디바이더(5)의 수평축(B)에 대해 외측굴절부분(3')이 플루 디바이더(5)의 바깥쪽으로 α 각만큼 굴절되고, 내측굴절부분(3")이 플루 디바이더(5)의 안쪽으로 β 각만큼 굴절된 양방향 공기분산판(3)이 상기 플루 디바이더(5) 끝단에 부착된 것을 특징으로 하여 질소산화물을 미연분의 특별한 증가없이 감소시키는 플루 디바이더 형상변경을 통한 질소산화물(NOx) 저감형 버너.