버너(BURNER)연소관리 실무기술

[그림자]

1. 분무연소

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액체연료를 분무시켜 미세한 유적들로 미립화하여, 공기와 혼합하여 연소시키는 연소법을 분무연소(Spray Combustion)라 한다.
분무연소에는 미립화, 분무와 공기의 혼합, 유적의 증발과 열분해, 연소등의 현상들이 관계된다.
분무연소의 모델은 <그림1>에 도시한다. 버너노즐에 의해 미립화된 유적들은 1차공기와 혼합되고, 버너타일과 화염에서의 복사열, 순환하는 고온가스와의 혼합등에 의해 가열되어 버너직후에서 화염이 형성된다.
버너출구에서 형성되는 화염의 경우에는 아직 2차공기가 침입되지 못한 상태이기 때문에 연료의 증기와 가연성가스의 농도가 농후한 화염이 혀엇ㅇ된다. 2차공기가 충분히 공급되는 위치에서는 이 가연성가스는 거의 연소된다.
연소실의 하류부에서는 탄소입자들이 연소하는 부드러운 화염이 형성된다.
<그림-2>에 유적의 연소모델을 도시한다. 경유의 연소시에는 증발분이 증발하여 증기로 되어 연소된다. 이때 유적의 감소속도는 입경의 자승에 비례한다.
각각의 유적들은 연료증기에 둘러싸여 연소실을 비행하게 되고, 이 연료증기가 유적주위에서 연소하게 된다.
증질유의 경우에는 휘발분이 증발한 후에 유적의 온도가 열분해 온도(약500℃)에 달할 때까지 연소실을 비행한다. 유적의 온도가 열분해온도로 되면, 이 유적의 90%정도가 열분해되어 가스로 변하면서 거의 동시에 연소하게 된다.
열분해되고 남은 잔탄립일부는 산화성분위기에서 연소하게 된다. 이 경우 연소실에서 완전히 연소되지 못하고 배기가스로 배출되는 이 잔탄립은 잔탄형SOOT라고 부른다. 이 잔탄형 SOOT는 수 Hm 수심 Hm의 크기를 갖게 되고, 분무입경에 대략 비례하게 된다.
분무연소장치는 연료의 종류, 미립화 및 공기혼합의 방법에 따라 여러 가지가 잇지만 이 장치에서 형성되는 화염의 특성을 다음과 같이 대별할 수 있다.
1. 미립화가 양호하며 유적이 적고 연소용 일자공기량이 많은 경우
2. 미립화는 양호하지만, 일자공기량이 작은 경우
3. 미립화가 불량하여 유적이 크지만 일자공기량이 많은 경우
4. 미립화가 불량하고, 일차공기량이 작은 경우
1의 경우에는 유적이 작아서 증발시간이 많고, 버너출구에서 충분한 양의 공기가 혼합되어 있기 때문에 기체연료의 예혼합화염에 가까운 연소상태가 된다.
2의 경우에는 유적의 증발은 빠르지만, 버너출구에서 공기량이 부족하여서 기체연료의 확산연소와 유사한 연소가 행해진다.
또 3의 경우에는 개개의 유적의 증발에 지배되는 화염이 형성되고, 4의 경우에는 유적증발과 주위의 공기혼합에 지배되는 화염이 형성된다.
연소기기는 연소실과 조합되어서 이용되지만, 가장 중요한 기능으로서는 연료를 완전히 연소시키는 것이다. 즉 연소효율이 100%에 근접하여야만 한다. 또 화염의 크기와 형상도 각각의 조건에 적합되어야 하고, 연소부하율도 적당한 값으로 되어야만 한다.
연소기기는 연료공급계와 공기공급계로 구성된다. 연료공급계의 주요부인 연료분무기(이하 버너라 함)는 연료를 적당한 운동량으로 분사하여 미립화시키고 분산시키낟. 공기공급계의 주요부인 에어레지스터는 분무된 연료에 연소용공기를 유효하게 혼합시켜, 화염을 안정시킴과 동시에 연소특성을 지배, 조정하기 위하여 공기유동을 규제하고 조정하는 기능을 갖는다.

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2. 유류버너의 특성

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증발이나 유적의 연소 등의 현상을 고려할 경우에는 연료의 단위체적당의 표면적으로 표시되는 비표면적(표면적/체적)이 매우 중요하다.
일반적으로 비표면적(비표면적의 역수를 Sauter's Mean Diameter라함)이 클수록 연료의 단위중량당의 표면적이 증가하여 수열면에서 유리함으로써 증발시간이 짧아 화염의 착화성이나 안정성이 양호하게 될 뿐아니라, 연소용공기와 접촉면적이 넓어 공기와 혼합이 양호하게 되어 공기비도 낮아지게 된다. 따라서 비표면적이 클수록 연소성능이 향상되고 SOOT의 생성도 억제되게 한다.
분무류가 중심축에 대해 대칭이 되지 않는다면, 연소실내에서 위치에 따라 연료와 공기의 혼합비가 다르기 때문에 양호한 연소성능을 얻기가 어려울 뿐 아니라 화염의 안정성도 저하되게 된다.
따라서 유류버너는 액체연료를 연소장치에 적합한 비표면적을 갖도록(즉 SMD의 값이 작도록)미립화시키고, 연소실내에서 분무의 공간분포가 대칭에 가깝도록 연료를 분산시키는 역할을 할 수 있어야 한다.
중소형보일러에 사용되고 있는 대표적인 버너로써는 유압식 버너, 고압기류식 버너, 로터리 버너 등 3종류가 있다.

[1]유압식버너
유압식버너는 연료를 5~20㎏/㎠의 압력으로 가압한 후, 연료자체의 압력에 의해 노즐에서 고속으로 분출시켜 미립화시키는 버너이다 이 형식의 버너들은 분무매체를 사용하지 않기 때문에 다른 형식의 버너에 비해 분무의 운동량이 적다.
유압식버너에는 노즐에 공급된 연료가 전부 분사되는 비환류형 버너와 노즐에 공급된 연료 중 일부는 분사되고 일부는 환류되는 환류형 버너등 2종류가 있다.

(1)비환류형(Non-return형)
비환류형버너의 노즐의 구조도를 <그림-3>에 도시한다.
일반적으로 노즐내부에 와류실을 설치하고, 이 와류실로 유입되는 연료에 선회운동이 부가될 수 있는 유로로 구성되어 있다.
연료가 와류실로 접선방향<그림(a)>또는 나선형의 유로<그림(b)>를 따라 고속으로 유입되면, 선회액막이 노즐로부터 분출되어 원추형의 액막이 형성되면서 미립화된다.
<그림-4>는 분사압력에 따라 변화하는 원추형 액막의 형성 및 미립화상태를 나타낸다. 분사압이 낮을 때는 커다란 기포처럼 액막이 형성되나 압력이 점차 증가함에 따라 중고의 원추형액막이 형성되며, 액적으로 분열되는 위치도 점차 분출구쪽으로 이동해 간다. 또 분무각도 압력의 증가에 따라 증가하게 된다.
이 형식의 연료분사량특성곡선을 <그림-5>에 도시한다. 비환류형 버너의 연료분사량은 유압의 평방근에 거의 비례하기 때문에 연소량을 조절하기 위해서는 분사압력을 변화시켜야 한다. 분무압력을 감소시키면, 분무입경이 조악하여지고 <그림-6참조>분무각은 좁아져서 연소상태가 불량하게 된다. 따라서 비환류형 버너의 연소량 조절범위가 좁게 된다.

(2)환류형버너
비환류형버너의 연소량의 감소되는 경우에는 와류실의 선회력이 감소하여 분무특성이 조악해지는 결점을 보완하기 위해서 와류실로 유입되는 연료압을 일정하게 유지함으로써 와류실의 선회력을 유지할 수 있는 구조로 되어있다.
<그림-7>에 환류형버너의 구조도를 도시한다. 저연소량시에도 와류실에 공급되는 연료유압을 일정하게 유지하고 와류실에 설치된 환류유로를 통과하는 압력을 감소시켜 환류유량을 증대시키기 때문에 와류실에서의 선회력은 유지되게 된다.
따라서 연료의 선회력이 유지됨으로써 분무특성도 상당히 유지된다. 정공급 유압형 버너의 연소량조절은 환류측에 설치한 유량조절밸브의 조작에 의해 이루어진다. 이 경우 환류측의 유압변화에 따라 환류유량이 변화하기 때문에 다른 종류와는 달리 유량조절밸브의 전개시에 최저연소량이 되고, 유량조절밸브가 완전히 닫혔을 때 최대연소량이 분사되게 된다.
이 환류형 버너의 분무량 특성을 <그림-8>에 도시한다.
대형발전용 보일러에 사용되는 정차압환류형 버너의 경우에는 연소량의 변화에 관계없이 와류실로 공급되는 연료의 공급압과 환류압의 차가 일정하게 유지된다. 이 경우에는 연료공급측에 설치된 유량조절밸브에 의해 연소량을 조절한다.
정차압 환류형 버너의 분사량특성을 <그림-9>에 나타낸다.


[2]고압기류식 버너
고압기류식버너는 수kg/㎠의 분무매체를 이용하여 연료를 분무하는 형식의 버너로써 2유체버너라고도 한다. 분무매체로써는 압축성이면서 다량의 에너지를 저장할 수 있는 공기 또는 증기등을 이용하고 있다. 분무매체의 유량과 유속, 연료와 분무매체의 충돌방식을 비교적 자유롭게 설계할 수 있기 때문에 일반적으로 양호한 분무특성을 얻을 수 있다.
고점도 연료나 대용량버너에 많이 이용되고 있다.
2유체버너는 분무의 생성방식에 따라 내부혼합식, 외부혼합식 및 중간혼합식으로 분류한다.
(1)중간혼합식 버너

근래에 2유체버너로써 가장 널리 이용되고 있는 중간혼합형 노즐을 <그림-10>에 나타낸다. 이 노즐에서 연료와 분무매체가 분출직전에 Y자 형태로 혼합되기 때문에 Y-Jet버너라고도 한다.
이 중간혼합식 버너에서 분무매체와 연료의 혼합·분열모델을 <그림-11>에 도시한다. 노즐내부에서 Y자 방향으로 기액이 충돌하여서 일부는 미립화하고, 나머지 연료는 내벽에 부착하여 흘러서 노즐선단에서 막상으로 분출되어 미립화된다.
이 경우 연료의 미립화는 액주분류, 자유액막 및 고체멱변상의 액막등의 분열, 기액의 상대속도나 충돌에 의한 분열과 같은 복잡한 미립화현상에 의해 이루어진다.
<그림-12>에 중간혼합식 버너의 분무입경의 변화를 나타낸다. 연료량의 증가는 분무입경의 증대를 가져오고, 분무매체의 유량증가는 분무입경의 감소를 가져온다. 또 연소량의 변화에 관계없이 동일한 분무입경을 갖는 분무류를 얻기 위해서는 연료량이 적을 경우에는 연료량이 클 경우 보다 기액의 질량비가 더 커야 한다.
이 중간혼합형버너의 분무매체의 소비량은 다른 형식의 2유체버너에 비해 작기 때문에 근래에 가장 널리 이용되고 있다. 일반적으로 소비증기량은 연료량의 3-10%정도이고 노즐을 교체함으로써 분무각도를 변화시켜 화염을 광각단염에서 장염까지 변화시킬 수 있는 특징을 갖고 있다.

(2) 외부혼합식 버너
버너의 노즐외부에서 연료와 분무매체가 충돌혼합하여 분무하는 형식의 버너이다.
<그림-13>에 외부혼합식버너의 구조도를 도시한다.
연료와 분무매체는 버너내부에 설치된 각각의 통로를 통해 버너노즐까지 공급된다. 버너노즐에 공급되는 유압은 비교적 저압으로 설계되어 있는 것이 많고, 연료노즐면적이 크기<그림(a)참조> 때문에 고점도유의 연소에 적당하다.


연료의 분무를 위한 분무매체의 양은 증기의 경우 중유량의 20-60%, 공기의 경우 이론 공기랴은 2-7%인 경우가 많다.
<그림-13(b)>의 경우에는 버너 중심부에 비환류형 유압식 노즐을 설치하여 연료를 유압에 의해 분무시킨 후 유압식 노즐의 주위에서 공급되는 분무매체를 충돌시키는 구조로 되어 있다. 이 경우에는 일반적으로 급압력이 유압식과 같이 매우 높다.

(3) 내부혼합식 버너
<그림-14>와 같이 버너내부에 설치된 혼합실에서 연료와 분무매체가 혼합된 후, 노즐을 통해 분무하는 형식의 유류버너이다.
내부혼합식 버너의 연료분무에 사용되는 분무매체의 양과 압력은 외부혼합식과 거의 같지만, 연료의 유압은 대략 3-10kg/㎠정도로 외부혼합식에 비해 다소 높은 압력을 갖는다.
중간혼합식 같이 노즐을 교체함으로써 분무각도를 변화시켜 광각단염에서 장염까지 화염특성을 변화시키는 것이 가능하기 때문에 용도가 광범위하다.
혼합실입구가 유인구조로 되어있는 경우에는 유압이 분무매체의 압력과 동압 또는 비슷한 압력으로 운전할 수 있도록 되어있다.
무유인 구조의 버너에서는 유압과 분무매체의 압력차로 분사량을 조절한다. 따라서 내부혼합식 버너의 연소량은 분무매체의 압력 및 유압과 설 상관되기 때문에 조절장치가 복잡하다. 내부혼합식 번의 분사량특성을 <그림-15>에 도시한다.

[3]로터리 버너
로터리버너는 시설비가 가장 적고 연료의 점도변화에 따른 성능변화가 비교적 적기 때문에 중소형보일러에 가장 보편적으로 사용되고 있다. <그림-16>은 로터리버너의 구조도이다. 고속(300-800rpm)으로 회전하는 회전컵에 연료공급관을 통해 연료가 공급되면, 이 연료는 회전컵의 원심력에 의해 회전컵 내면에 얇은 액막을 형성한다.
회전컵 선단에서 연료가 얇은 액막상태로 <그림-17(a)>와 같이 반경방향으로 분출된다. 이 때 회전컵 외부로는 미립화용기가 고속으로 유출되어 연료의 액막과 충돌하여 <그림-17(b)>와 같이 미립화된다.
로터리버너는 회전컵의 회전운동에 의한 원심력과 1차공기의 운동에너지를 이용하기 때문에 연료를 분무시키기 위한 유압은 불필요하다. 연료의 압력이 과대하게 회전컵에 공급되는 경우에는 연료공급관에서 회전컵에 공급되는 속도가 과대하여져서 회전컵내면에 유막을 파괴시키게 되어 분무입경이 커지게 된다.
분무입경에 미치는 회전컵의 회전속도와 미립화용 공기속도의 영향을<그림-18>에 도시한다.
일반적으로 로터리버너의 미립화용 공기량은 연소공기량의 5-15%정도이다. 그러나 국산로터리버너의 미립화용 공기량은 연소공기량의 5-8%정도인 것이 많다.
또 로내압이 걸리는 경우에는 내장 FAN의 토출량이 줄어서 미립화용 공기량이 더욱 작아지게 된다. 미립화용 공기량이 감소하면 공기노즐을 통과하는 공기속도가 감소하게 되어 분무입경이 <그림-19(a)>와 같이 커지게 된다.
따라서 공기비도<그림-19(b)>와 같이 높아지게 된다.


미립화용 FAN을 내장하고 있는 로터리버너의 단점을 보완하여 연소를 위해 가장 적절하도록 미립용 공기량을 공급할 수 있는 로터리버너도 외국에서는 사용되고 있다.
이 버너는 밀비화용 송풍기를 버너 외부에 별도로 분리설치하여 미립화용 공기를 충분히 공급할 수 있도록 되어 있다.
로터리 버너는 중소형보일러에 널리 이용되어 왔지만 최근 외국에서는 내용량 로터리버너가 출현하여 대형보일러에도 사용되고 있다.

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3. 에어레지스터

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기류중에서 화염을 안정시키고, 연료와 공기의 혼합특성을 조정하기 위해서 연소용공기유동은 규제하거나 조정하는 기능을 하는 것을 에어레지스터라 한다. 이 에어레지스터는 보염기(保焰器:Flame Holder 또는 Stabilizer), 버너 Throat, Register Vane, 윈드박스(wind Box)등으로 구성되며 이것들을 상호유기적으로 결합되어 있다.

[1]윈드박스(Wind Box) 윈드박스는 용소용공기의 덕트와 버너 Throat를 연결하는 공기통로로써 공기 흐름을 규제하고 공기의 동압(動壓)을 대부분 정압으로 변환시키는 Receive Tank의 역할을 한다. 이것은 화염의 치우침이나 연소 성능을 향상시키기 위해서 버너 Throat를 통과하는 공기흐름의 불균일한 부분을 제거하여 균일한 유속분포 또한 대칭인 흐름이 되도록 하는 기능을 갖고 있어야만 한다.
이 윈드박스에서 공기는 버너 중심축에 대해 수직방향이나 접선방향으로 유입되어, 이 곳에서 공기의 동압은 정압으로 변환된다.
또 이 정압은 다시 버너 중심축과 평행한 속도로 변환되어 공기를 연소실로 유입되게 한다.
따라서 윈드박스 출구의 속도분포를 균일하게 하기 위해서 일반적으로 윈드박스의 단면적이 버너 Throat1의 단면적에 비해 크게 하고 있다.
실제 연소장치에 이용되고 있는 대표적인 윈드박스에 대해 약술한다.

(1)내통형 윈드박스
소형보일러용으로 이용되고 있는 내통형 윈드박스를 <그림-20>에 도시한다. 연소용공기는 윈드박스로 유입되어 내통의 외부에서 동압이 정압으로 변환된 후, 내통을 경유하여 연소실로 분출된다.

(2)접선유입(接線流入)형 윈드박스
접선유입형 윈드박스와 그 속도분포를 <그림-21>에 도시한다. 이 윈드박스는 연소용 공기덕트가 윈드박스에 접선방향으로 부착되어 있다. 따라서 연소용공기는 접선방향으로 윈드박스에 유입되어 윈드박스내에서 선회운동을 하게된다.
이 윈드박스에서 분추되는 속도분포는 <그림-21(b)>와 같이 대칭인 속도분포로 된다.

(3)편심(偏心)형 윈드박스
버너의 중심축을 윈드박스의 중심을 편심시키는 구조로 되어있다. 이 편심형 윈드박스의 예를 <그림-22>에 도시한다.
편심이 효과를 나타내주는 윈드박스의 속도분포를 <그림-23>에 나타낸다. 편심이 없는 경우에는 <그림-23(a)>와 같이 공기덕트와 연결되는 쪽의 속도가 반대쪽의 속도에 비해 상당히 크지만, 적당한 편심이 주어지는 경우에는 그림(b)와 같이 거의 동일한 속도로 된다.

[2]보염기(保焰器)
분무화염의 경우에는 분무된 유적이 증발하여 연소용공기와 혼합될 때까지 요하는 시간과 공간이 필요하다. 일반적으로 보염기가 없는 화염은 <그림-24(a)>와 같은 화염이 형성된다. 이 Life현상은 연소용 공기의 속도가 빠를수록 더욱 현저하게 나타난다.
산업용 버너의 경우에 고부하연소가 될 수록 연소실의 크기는 감소하지만 연소실내의 유속은 빨라진다. 대부분의 연소장치에서 연소실에 유입되는 연소용기의 유속은 연소속도보다 빠르기 때문에 화염을 안정시키기 위한 보염기가 필요하다.



유동중에 장애물을 놓으면 그 물체의 하류쪽에 후류(後流)가 형성된다. 이 후류는 유동의 하류에서 상류쪽으로 역류(逆流)하는 유동을 포함한다. 그 후류에는 유체가 재순환하는 폐회로가 형성되는데 이것을 재순환영역이라 부른다.
이 재순환영역과 주위의 흐름과의 물질 및 열의 전달은 매우 크다. 재순환유에서 다량의 열과 활성화학종들의 주위류에 전달되기 때문에 재순환영역은 주위의 미연유동장에 대한 연속적인 점화원(點火原)으로 작용한다.
따라서 화염은 <그림-24(b)>와 같이 보염관에 거의 부착된 화염이 형성된다.
유류버너에 많이 사용되고 있는 대표적인 보염기들을 <그림-25>에 도시한다. 원추형보염기나 원판형보염기는 반경방향으로 긴 slit를 만들어 주거나 다수의 퍼지홀(Purge Hole)들을 만들어줌으로써 소량의 공기를 통과시키고 있다.
이 보염기를 통과하는 공기는 보염기를 냉각시켜 과열을 방지할 뿐 아니라 카본(Carbon)부착을 억제하는 기능을 갖고 있다.
임계치 이상의 각도를 갖는 선회익을 유동중에 설치하면, 유동중에 놓인 장애물의 경우와 유사한 재순환 영역이 선회익의 하류에 형성된다. <그림-25(c)>와 같은 선회기(旋回器)를 설치하여 화염안정을 도모하는 경우도 많이 있다.
이 선회기의 경우에는 선회익의 과열이나 카본부착이 감소하기 때문에 수명이 길어진다.
보염기에 화염이 보지되는 경우의 화염구조를 <그림-26>에 도시한다. 보염기직후의 재순환영역이 바로 안쪽엣 화염이 착화되어 하류로 주화염이 형성된다.
화염의 착화점보다 하루에서는 재순환영역의 외부로 화염이 형성되지만 이 화염의 안정성은 재순환영역의 크기와 모양, 이 영역내부에서 순환하는 질량유량등에 지배된다. <그림-27>에 원판형보염기에 의해서 형성되는 재순환영역에서 재순환질량유량비(연소용 공기량에 대한 재순환유량의 질량비)를 도시한다.
봉쇄비(封鎖比:Blockage Ratio=(보염기의경)²/(버너Throat경)²)가 커짐에 따라 재순환영역의 길이는 상당히 감소하지만 재순환영역의 폭은 보염기의 직경만큼 증가한다. 재순환 질량유량비는 봉쇄비의 증가에 따라 상당히 증대된다.
원판형보염기와 동일한 크기의 선회기(선회익각53°)를 부착하여 재순환영역의 크기를 조사한 결과를 <그림-27(b)>에 나타낸다.
재순환영역의 길이는 선회기의 경우가 원판형 보염기의 경우 보다 길지만 재순환영역의 체적은 두 경우에 거의 같다.

재순환영역의 크기가 과소한 경우에는 화염의 안정한 연소범위가 좁게 되어 턴다운비(Turn Down Ratio)가 작아지고 연소음이나 연소진동이 발생할 우려가 있다. 역으로 재순환영역의 크기가 과대하다면 이 영역에 체류하는 연료가 많아져서 과농혼합지가 되기 때문에 매연의 발생량이 증대하게 된다.
따라서 재순화영역의 크기는 각 버너의 특성에 적합한 것이어야만 양호한 연소성능을 얻을 수 있다.

[3]Register Vane, 버너Throat 및 버너Tile
덕트를 경유하여 윈드박스를 공급된 공기는 연소실로 유입되기 전에 1차 공기와 2차 공기로 분할되는 경우가 있다. 이 경우에 1차 공기는 화염의 안정을 담당하게 되어 보염기를 거쳐 연소실로 유입된다. 2차 공기는 주로 연소실의 흐름을 주도하여 연소성능을 지배하게 된다.
연소용 공기인 2차공기는 많은 경우에 적당한 선회운동을 갖고 연소실로 유입된다. 이 경우 윈드박스와 연소실사이에 설치된 선회익에 의해서 선회가 부가된다. 연소용 2차 공기에 선회를 주기 위해서 설치하는 선회익을 Register Vane이라 부른다.
Register Vane을 통과한 연소용공기를 연소실로 분출시키는 부분을 버너 Throat라 하고, 버너 Throat출구의 캐스터블시공부를 버너 Tile이라 부른다. 연소용공기는 버너 Throat와 버너 Tile에 의해서 흐름방향과 유속등이 최종적으로 조정된다.
이 버너 Throat와 버너 Tile의 형상이나 칫수가 분무각도나 화염퍼짐각도에 적절하지 못한 경우에는 카본퇴적이나 과열로인하여 소손될 우려가 있다.
내화캐스터블로 시공된 버너 Tile은 화염의 복사열로부터 연소실전면을 보호해 줄 뿐만아니라 화염에서 방출된 복사열을 버너주위의 미연혼합기로 반사시킴으로써 보염기주위의 분위기 온도를 상승시켜 화염안정에 기여하는 기능도 갖고 있다.
발열량이 작은 연료나 증발하기 어려운 중질유를 연소시키는 경우에는 버너 Tile의 기능이 증대된다. <그림-28>은 실제 연소기에 이용되고 있는 에어레지스터의 몇가지 예이다.


(a)~(c)는 연소용공기가 1차, 2차로 구별되지 않은 경우이고, (d)~(f)는 연소용공기가 1차와 2차로 분리되어 공급되는 에어레지스터의 실례이다.
Register Vane각이나 버너 Throat 및 버너 Tile의 형상과 치수를 적절히 변화시키면, 연소실에 여러 가지 유동상태(流動狀態)가 나타나게 된다.
Register Vane각의 변화에 따른 유동상태의 천이를 <그림-29>에 도시한다. 선회도가 0에서 차츰 증가함에 따라 유동상태는 A₁→ A₂→ A₃→ B₁→ B₂→ C로 변화한다.
유동상태 A₁과 A₂는 선회가 없거나 낮은 선회도의 경우에 형성되는 유동상태이다. 이 경우에는 버너 Throat직후에서 박리(薄利)현상이 발생하게 되어, 버너로부터 약간 떨어진 하류에 변동화염면(Fluctuation Fiame Front)이 형성된다.
유동상태 A₃의 경우에는 유동이 버너 Tile을 따라서 흐르게 된다. 또 유동상태 A₄의 경우에는 버너에서 좀 떨어진 위치에서 재순환영역이 형성된다.


A₃와 A₄의 경우에 형성되는 화염은 A₁과 A₂에 비해 상당히 안정되게 한다. 유동상태 B₁의 경우에는 재순환영역이 충분히 발달되어서 버너직후에서부터 안정된 재순환영역이 형성된다. 이 경우에는 보염기를 사용하지 않아도 비교적 안정된 화염을 얻을 수 있다. 선회도가 과대하게 되면, 유동상태가 B₂와 C₁으로 되는데 이 경우에는 유동이 연소실 벽쪽으로 형성되게 된다.
이 경우에 연소용공기가 너무 외측으로 형성되어 화염이 보일러의 연소실벽과 접촉하게 되고, 그 결과 연소성능이 저하된다.
연소실에서의 유동상태에서 미치는 연소실의 크기와 버너 Tile각의 영향을 <그림-30>과 <그림-31>에 도시한다.
버너 Tile각이 크면 재순환유동이 발생하는 선회수가 작아지지만, 재순환영역이 충분히 형성된 후에는 별로 영향이 없다.
연소용공기의 분출각은 연소실 크기에 별로 영향을 받지 않지만 재순환영역의 크기는 연소실 크기에 상당히 영향을 받게 된다.
이와 같이 Register Vane의 각도나 버너 Throat, 버너 Tile의 형상 및 치수를 변화시킴으로써 연소실내의 속도분포나 유동형태를 임의로 조절가능하다. 따라서 유루버너에 적절한 유동이 되도록 에어레지스터를 조합함으로써 우수한 연소성능을 갖는 화염을 얻을 수 있다.


화염안정을 위한 1차공기량과 선회도가 연소성능에 미치는 효과를 <그림-32>에 나타낸다. 연소장치는 최고의 성능을 발휘 할 수 있는 선회도나 일차공기량이 존재함을 알 수 있다.

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4. 분무화염에 영향을 미치는 인자

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분무화염에 영향을 미치는 인자들을 대별하면 연료, 연소용공기, 연소실 및 버너등 4가지로 구분된다. 이들이 화염의 복사와 관계되는 화염의 온도, 화염중의 soot농도, 화염의 방출율(Emissivity)과 복사능에 미치는 영향을 검토한다.

[1]연료의 영향
액체연료의 성질중에서 화염복사에 가장 큰 영햐을 주는 것은 C/H비이다.
<그림-33>에 C/H비에 따른 화염의 방출을 εf의 변화를 나타낸다.
C/H비가 증가할수록 방출율이 높아진다. 방출율εfC/H비 및 연료의 평균비등 온도 t₃(℃)사이에는 다음의 관계가 있다.
εf = 0.282 ln(C/H-5)/4 + 0.002(ts-200) + 0.484
<그림-34>에 C/H가 화염에 미치는 영향을 도시한다. 화염의 온도는 C/H비의 증가에 따라 감소하지만 soot농도와 복사능E는 증대된다. 이 복사능의 증대는 화염중의 soot농도의증가로 인해 방출율εf가 증대함에 기인한다.

[2]공기의 영향
운동량의 영향을 <그림-35>와 <그림-36>에 도시한다.
<그림-35>의 경우에 운동량을 증대되면 공기와 연료의 혼합이 양호해져서 soot의 생성량이 감소되고 방출율도 작아진다.
이 결과 운동량이 큰 화염의 온도가 운동량이 작은 화염의 온도보다 높게 된다.
연소용공기에 선회가 부가된 화염의 경우를 <그리-37>에 도시한다.
연소공기에 선회가 주어지면 연소실내의 유동이 현저히 변화됨으로서 온도분포도 상당히 변화된다. 선회화염은 중심축상에 존재한느 재순환고온가스에 의해 버너출구에 안정되고, 버너직후의 화염은 도가 높다. 선회하지 않는 화염은 버너에서 좀 떨어진 위치에서 착화하고 화염온도도 서서히 상승한다. 선회화염은 버너직후에서의 방출율이 매우 크다.
화염에 미치는 공기비의 영향은 <그림-38>과 같다.
화염이 온도는 공기비가 낮은 경우가 더 높다. 그러나 화염초기의 온도는 공기비가 높은 경우가 더 높다. 이것은 연소실입구에서 연료와 공기의 혼합이 양호하여져서 초기화염에서의 연소반응이 활발이 진행되지만 soot농도가 낮아져 방출율εf는 작기 때문이다. 연소시 하류쪽으로 갈수록 화염의 방출율의 차가 커지며, 화염온도도 공기비가 작은 경우가 높아지기 때문에 복사능의 차도 커진다.



공기예열에 따른 화염의 변화를 <그림-39>에 도시한다. 예열한 연소용공기를 사용하는 경우에는 부가된 열량에 의해 화염온도가 전체적으로 높아진다. 그러나 화염의 형태는 냉공기를 이용하는 화염과 본질적으로 차가 없다.
또 자유분류의 경우에 유동은 밀도의 차에 그다지 영향을 받지 않기 때문에 유동패턴도 차가 없다. 전체적으로 예열온도에 의해서는 차가 없기 때문에 복사능 E의 증가는 화염온도가 높게 도는 것에 기인한다. 공기의 온도가 약 100℃높아지면 화염온도는 26℃정도 높게 된다.
산소부화 연소의 영향은 <그림-40>과 같다. 산소부화 연소의 경우에 2가지 면에서 화염에 영향을 준다. 연소반응에 불필요한 질소(공기에의 유입되는 질소)의 양이 적어져서 화염의 온도가 높아질 뿐아니라 산소농도의 증대로 연소반응이 빨라져서 산소농도가 높기 때문에 연소 반응이 촉진되어 화염중의 soot농도가 낮아져서 화염의 방출을 εf는 감소한다. 그러나 화염온도상승을 인해 복사능 E는 매우 커진다.



[3] 연소실 모양의 영향
연소반응은 국지분위기(온도 및 조성)에 크게 영향을 받는다. 연소실에서 유동은 연소실의 형상 즉 단면이 사각이냐 원형이냐에 따라 현저하게 변화한다.
원형단면의 연소실의 경우에는 축대칭의 재순환영역이 형성되지만 사각단면의 연소실에는 귀퉁이에 비대칭의 강한 재순환 영역이 형성된다. 이 강한 재순환에 의해 연소공기가 연소가스로 희석되어 연소가 지연된다. <그림-41참조>따라서 연소를 위해서는 원형 연소실보다 큰 사각단면의 연소실이 필요하게 된다.
[그림-41]에서 사각연 소실의 경우가 반응이 지연되어 원형연소실의 경우보다 초기화영에서의 온도 상승이 지연되고 화염길이도 더 길어진다. 또 사각 연소실의 경우에는 복사능이 원형연소실에 비해 현저히 감소된다.
연소실벽온도의 영향을 <그림-42>에 도시한다. 연소실벽을 냉각하여 연소실벽의 온도를 낮춘 경우에는 연소반응이 지연되어서 초기화염의 온도상승이 비교적 완만하고, soot농도가 높아진다. 연소실의 벽을 냉각하는 경우에는 화염온도가 전체적으로 현히 감소하고 복사능E도 현저 감소된다.



[4]버너의 영향
분무를 위한 공기의 사용여부가 화염에 미치는 영향이 크다. 분무용공기를 사용하는 버너인 공기분무식버너와 로터리버너의 화염은 서로 유사하고, 분무용공기가 필요없는 증기분무식버너와 유압식버너의 화염도 서로 유사하다.
공기분무식버너와 증기분무식 버너의 측정결과를 <그림-43>에 도시한다. 공기분무식버너의 경우에는 분무용공기가 버너직후에서 상당히 강하게 혼합되기 때문에 증기분무버너 보다 연소반응이 촉진되어 초기화염의 온도가 높게 된다.
또 공기분무식버너의 경우는 soot의 농도도 낮으며, 복사능 E는 연소실 하류쪽으로 갈수록 복사능은 급격히 감소한다.

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5.공연빚절장치

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버너의 연소성능은 버너본체부분과 에어레지스터에 의해서 결정되지만, 이 성능을 유지하여 운전하기 위해서는 공연비 조절장치가 우수해야 한다. 버너의 연소성능이 우수할지라도 공연비 조절장치가 뒷받침되지 않으면 버너의 운전성능이 저하되게 된다.
버너의 성능을 표시하기 위한 방법으로써 적정(適正)공기비를 사용한다. 이 적정공기비는 과잉공기에 의한 배기손실과 불완전연소실의 합이 최소로 되는 공기비를 의미한다.
<그림-44참조>운전공기비가 적정공기비 보다 작으면 불완전연소에 의한 미연소실이 급격히 증대하고 적정공기비 보다 운전공기비가 크게 되면 과잉공기에 의한 배기손실이 증가하게 된다.
과잉공기에 의한 배기손실은 배기가스온도의 상승에 의한 손실의 합으로 나타낼 수 있다.
이 적정공기비는 분무특성, 화염안정, 공기혼합 및 연소실조건등에 따라 각 버너마다 다른 값을 갖는다. 동일한 버너의 경우에도 연소량의 변화에 따라서도 적정공기비의 값이 <그림-45>와 같이 달라질 뿐 아니라 유온이나 공기의 온도 등의 운전조건에 따라서도 달라진다.
보일러의 부하에 따라 연료유량이 변호하게 되면, <그림-45>의 적정공기비로 보일러가 운전될 수 있을 때 보일러의 운전효율이 증대될 수 있다.
그러나 연료유량 조절밸브와 공기조절댐퍼의 유량특이 서로 다르기 부하의 변동에 따라 적정공기비가 되도록 공기와 연료를 조절하는 장치가 필요하게 된다.
<그림-46>에 중소형보일러에 이용되고 있는 연소 제어장치의 실례를 도시한다. 보일러의 부하변동에 따라 증기압력을 감지하여 비례 설정기에 신호를 보내고 여기에서 발생되는 신호에 의해 주조절모타가 동작하게 된다.
그 결과 모타의 축과 연결된 공연비 조절장치의 주축이 회전하고 주축과 연결된 오일 유량조절밸브와 공기댐퍼가 작동하게 된다 <그림-47>은 공연비제어 링크장치이다. (a)의 경우는 링크만을 이용하여 공연비를 조절하게 되어 있다.
이 경우는 부하별 적정공기비 곡선<그림-45>를 추적하여 운전하기가 어렵다. 그림(b)는 연소용 공기량을 조절하는 링크에 캡을 설치하여 연소용 공기량이 캠의 곡선에 의해 조정되게 되어 있다. 이 경우에 캠의 곡선이 부하변동에 따라 적정공기비 곡선을 추적할 수 있도록 선정된다면, 적정공기비곡선<그림-48>을 추적하여 버너를 운전하는 것이 가능하게 된다.
실용되고있는 캠은 버너와 연소실조건등에 따라 캠의 곡선을 쉽게 조절할 수 있는 구조를 갖고 있다. 이 가변캠의 구조를 <그림-48>에 도시한다.
보일러의 운전시에 중유가열기의 상태에 의해 유온이 변화하면 연료유량이 변화한다. 또 동일한 댐퍼 위치에서도 연소용고기의 온도에 따라서 공기의 유량이 변화한다. 이러한 경우에 O₂-Trimming장치를 사용하면, 보일러의 부하에 따라 적정공기비로 운전하는데 편리하다. 이 경우에도 부하변화시에는 주조절 모타의 회전에 의해 주축이 회전하여 연료량과 공기랴이 조절된다.
그러나 배기가스의 실측치가 O₂-Controller에 기억되어 있는 부하별 적정고기비와 상이하게 되면, 2차고기댐퍼 Control Motor가 작동하여 공기비를 적정공기비와 일치하도록 2차 댐퍼를 조절하게 된다.
<그림-50>은 보일러에 사용되고 있는 노내압 조절장치이다. 이것은 노내압이 적정치이하로 작아지는 경우에 배기댐퍼를 닫아서 노내압을 유지시켜 주는 장치이다.
노내압이 0mmH₂O이상인 경우에 노내압변화가 연소에 미치는 효과는 미미하다.
최근의 보일러들은 열효율증대를 위해 전열면을 증대시키거나 열고환기를 사용하기 때문에 대부분 노내압이 0mmH₂O이상된다. 따라서 가변캠에 의해 적정고기비를 원활히 조절할 수 있는 보일러에서는 기대효과가 미미하다.
그러나 <그림-50>과 같이 유인통풍방식을 택하는 보일러의 경우에는 보일러부하가 작을 때에 노내압이 음압이 되어 연소에 상당히 큰 영향을 미치게 되기 때문에 노내압조절을 필요로 한다.
또 배기연돌이 매우 높아서 노내압이 음압이 되는 경우에도 공연비조절을 위한 보조장치로써 노내압 조절장치가 이용될 수 있다.