o 가스 연소의 연소과정에는 연료의 미립화나 증발 과정이 존재하지 않기 때문에 액체연료에 비하여 연소과정이 비교적 간단합니다. 따라서 액체연료에 비해 연소반응이 급격히 일어나게 되어 연소 부하율(연소실 단위체적당 단위 시간당 연소량)을 높게 할 수 있습니다.
o 가스화염에는 가스와 공기의 혼합 상태에 따라 특성이 다른 화염이 형성됩니다. 버너의 노즐 전에서 가스와 공기를 미리 혼합하여 혼합기를 노즐에서 분출하는 경우에 형성되는 예혼합 화염(豫混合火焰)이라 하고 그러한 연소 방법을 예혼합 연소(豫混合燃燒)라 합니다. 또 연료 가스만 버너 노즐에서 분출시켜서 주위의 공기와 접촉하여 형성하는 화염을 확산 화염(擴散火焰)이라 하고 이러한 연소 방법을 확산 연소(擴散燃燒)라 합니다.
o 연소용 공기의 공급방식에 따라 가스버너를 분류하면, 강제혼합식 버너와 유도 혼합식 버너로 나눌 수 있습니다. 강제 혼합식 버너는 송풍기에 의해 연소용 공기가 압입 되는 가스보일러용 버너이고, 유도혼합식 버너는 연소가스와 외기와의 온도차에 의한 통풍력 및 가스 분출에 의한 흡인력에 의해 연소용 공기가 공급되는 버너입니다. 유도 혼합식 가스버너는 가정용 보일러와 같은 소형기기에 주로 사용되고 산업용 보일러에는 강제혼합식 가스버너가 사용되고 있다.
o 가스의 연소는 가스와 공기의 혼합하는 위치와 미리 혼합하는 공기 (1차 공기)의 양에 의해 불꽃의 형상, 온도, 불꽃의 안전성 등이 다르며 각각의 특성에 따라 용도에 맞게 이용하고 있으며, 연소방법은 1차 공기의 혼합비율과 1차 공기의 혼합방법에 의해 분류할 수 있습니다.
ㅁ 예혼합(premixed) 연소
연료가 공기와 미리 섞인 상태에서 연소가 이루어지는 방식으로 공기의 양에 따라 전 1차식, 분젠식, 세미 분젠식 화염으로 구분됩니다.
ㅁ 확산(diffusion) 연소
가연성 연료분자와 공기분자가 서로 확산에 의해 혼합하면서 화염을 형성하는 연소 형태(적화식 버너)로 특징을 가지고 있습니다.
가스버너의 종류
ㅁ 강제혼합식 버너
산업용 중소형 보일러에 널리 이용되고 있는 강제 혼합식 버너는 가스와 공기를 미리 혼합하여 버너로 공급되는 내부혼합식, 공기와 가스가 버너 출구에서 혼합을 개시하는 외부 혼합식, 연소용공기의 일부를 혼합하여 버너에서 분출하고 나머지는 Nozzle 출구에서 혼합하는 부분혼합식 등으로 세분됩니다.
내부 혼합식 버너의 경우 가스와 공기를 강제 혼합하는 방식을 Ventri 식과 Premixer 식이 있지만, 두 경우 모두 가연성 혼합기를 버너에서 분출하기 때문에 역화의 위험이 있기 때문에 역화방지장치가 버너 상류측에 설치되어야 합니다.
이 내부혼합식 버너는 예혼합 화염이 형성되는 버너이기 때문에 고부하연소에 적합하고, 화염의 크기도 작아지는 장점도 있으며, 외부혼합식 버너의 경우에는 내부 혼합식 버너에 비해 고부하연소를 행하기 어렵지만, 버너 내부에서 가연성 혼합기가 형성되지 않기 때문에 역화의 위험이 없이 광범위한 연소제어가 가능하고, 또 고온의 예열 공기를 연소에 이용하기 용이한 특징을 갖고 있습니다.
송풍기에 의해 연소용공기가 공급되는 버너를 강제 혼합식 버너라 하며, 강제 혼합식 버너에는 연소용 공기와 연료 가스가 버너 내부 또는 버너 이전에서 이루어지는 내부 혼합식과 버너 외부 즉 연소실에서 혼합되는 외부 혼합식으로 분류되지만(중간 혼합식도 있음) 국내 보일러의 경우 거의 대부분이 외부혼합식버너를 사용하고 있습니다.
국내에서 보일러용 외부혼합식 가스버너는 Center-Fire형 가스버너, Multi-Spatter형 가스버너, Ring형 가스버너 등이 많이 사용되고 있습니다.
Center-Fire형 버너는 Gun형 버너라 부르는 버너로써 가스연료를 버너 중심에 설치한 Nozzle에서 분출합니다.
Ring형 가스버너는, 버너 Tile과 대략 동일한 경(經)으로 감겨진 Tile전주(全周)에 다수의 가스 분사 Nozzle을 설치하고, 이 버너는 Nozzle수가 많기 때문에 보염 효과가 크게 되고, 더욱이 버너 Tile전주에 걸쳐 연료가 균일하게 분사되기 때문에 더욱 안정된 화염을 형성합니다.
Multi-Spatter형 가스버너는 버너 throat에 다수의 Gas Lance을 설치한 버너로 Multi-Lance형 버너라고도 부릅니다.
ㅁ 메탈파이버(Metal Fiber) 예혼합 버너
o 메탈 파이버 Mat
가스의 연소 시에 발생하는 공해물질의 저감을 위하여 최근에 각광을 받고 있는 메탈파이버 Mat를 이용하여 다양한 버너가 개발되어 시판되고 있습니다.
메탈파이버 Mat는 벨기에의 Acotech사에서 제조된 FecralloyⓇ로 명명되는 내열 금속 섬유로서 철을 주성분으로 하여 크롬, 알루미늄과 이토륨 등 여러 가지 희귀 금속이 포함된 합금입니다. 메탈파이버 Mat는 초기에 통기성이 우수한 내식, 내열성의 필터 소재로 개발하였으나, 이의 열적인 우수성과 메탈파이버 Mat의 미세구조의 특성이 연소기 재료로서 적합한 것으로 판단되어 예혼합 연소를 위한 표면 연소기 제조에 적극적으로 활용되고 있습니다.
메탈파이버 Mat는 직경 20～50㎛ 범위의 금속섬유(Metal Fiber) 형태로 뽑아낸 다음 다시 가공하는 것으로서, 이를 적층 하여 균일한 두께로 압착시킨 Mat에 대한 미세구조를 살펴보면 위 그림과 같습니다.
메탈파이버 Mat는 적열상태의 표면 연소에서부터 청염의 고부하 연소에 이르기까지 넓은 연소범위에서 우수한 연소 성능을 가지며, Mat의 특성상 고부하 예혼합 연소가 가능하며 Mat는 혼합가스가 통과하는 천공의 형태, 배열 및 크기에 따라 연소특성이 좌우되기 때문에 이에 대한 다양한 변화 및 시도가 있었습니다.
아래 그림은 이에 대한 몇 가지 예를 나타낸고, (a)는 초기에 천공되지 않은 Mat의 밀도 및 두께만을 변화시키면서 연소에 적용한 모 재료로서 압력 손실이 커서 실용상 고부하 요구에는 부응하지 못한 단점이 있었습니다.
(b)는 (a)의 모재료에 0.75mm 직경의 원형 천공을 규칙적으로 배열한 것이고, (c)는 Mat에 폭 0.5mm, 길이 6mm인 직사각형으로 천공하여 가공한 것이며, (d)는 지금까지 의 적층 압착에 의한 방법에서 벗어나 양털로 털실을 만들어서 옷감을 짜듯 제조한 것입니다.
ㅁ 메탈 파이버 버너
메탈파이버 Mat는 유연성과 가공성이 우수하기 때문에 원형평면, 장방형 평면과 곡면, 원통형 및 콘형 등 비교적 버너의 형상을 자유롭게 구성할 수 있습니다. 특히 메탈파이버 Mat의 특성이 역화(flash back)에 강하기 때문에 예혼합 연소가 가능하여 저 공기비 연소를 달성할 수 있으며, 연소 유량 범위(턴 다운비)가 대단히 넓은 장점을 가지고 있습니다.
아래 그림(a)는 공기와 연료의 혼합 특성을 고려하여 개발한 메탈파이버 버너입니다. 메탈 파이버 버너의 연소상태는 아래 그림(b)과 같이 메탈파이버 표면 부근에서 예혼합 된 가스가 연소하는 특징을 갖고 있으며, 이 메탈파이버 버너는 기존의 확산형 버너와는 달리 예혼합형 버너로서 고성능 연소를 시킬 수 있는 특성이 있기 때문에 연소기를 소형화할 수 있는 신기술입니다.
ㅁ 적화식 버너
가스를 그대로 대기 중에 분출하여 연소시키는 방법으로 연소에 필요한 공기는 전부 불꽃의 주변에서 얻습니다. 일반적으로 연소반응이 완만하여 불꽃이 길게 되어 적황색을 띠고, 이 방식의 버너는 소음이 적고 역화 염려가 없으며 공기조절이 필요 없습니다.
그러나 고온(900℃, 적황색)을 얻기 어렵고, 불완전 연소로 인한 매연이 발생 할 가능성이 있습니다. 가스 중에 중탄화 수소가 많거나 공기의 공급이 불충분하면 탄소입자가 그대로 연소 배기가스 중에 포함되어 매연이 되는 것입니다.
ㅁ 분젠(Busen)식 버너
분젠식 버너는 가스가 노즐로부터 일정한 압력으로 분출하고 그때의 운동 에너지에 의하여 공기구멍으로 연소에 필요한 공기의 일부분(1차 공기)을 흡입하여 혼합관 중에서 혼합하여 염공으로부터 연소합니다. 이때 불꽃은 주변에서 확산에 의해 공기를 필요로 하며 이 공기를 2차 공기라 합니다. 불꽃은 내염(內炎)이라고 하는 둥근 상태의 청백 부분과 바깥쪽의 외염(外炎) 및 눈에 보이지 않는 고온층으로 구별할 수 있습니다.
ㅁ 세미분젠식 버너
분젠식과 적화식 중간 방식의 버너로 1차 공기율이 약 40% 이하이며 내염과 외염의 구별이 확실하지 않고, 불꽃 온도는 1,000℃부근이고 불꽃색은 청색으로 역화하는 경우는 거의 없습니다.
ㅁ 전1차 공기식 버너
연소에 펼요한 필요 공기량 전체를 1차 공기에 의존하여 연소하는 방식으로 1차 공기와 가스를 미리 혼합시켜 연소하는 방식으로, 분젠식에 1차 공기를 많이 하면 화염이 역화 또는 리프트 하는 경우가 있으며, 전 1 차 공기식 연소법도 필요 공기를 전부 1차 공기로 해서 홉입하므로 역화하기 쉬운 연소법이다. 이러한 현상이 일어나지 않도록 염공을 특 별한 구조로 한 것이 원적외선 난로, 세라믹, 메탈화이버 (Met 외 Fiber Burner)등이 이 연소법을 응용한 것이다. 가정용 난방기 및 특수 용도에 이용, 불꽃 온도는 850℃ 부근이 고 금속망이나 세라믹 표변에 연소시키는 방식으로 설치가 용이하다.
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기타 절감기술에는 공기예열기 교체, 열매체보일러 배가스 열교환기 교체, 소용량 보일러 추가 설치, 응축수 및 포화수 누설방지, 폐열보일러 용량 증설, 스팀제트버너무화공급원변경(스팀→압
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