KR101599231B1 - 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템 - Google Patents

내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 여러 가지 형태의 공업로(industrial furnace)에 적용되는 가스 재순환 시스템(Flue Gas Recirculation system ; 이하, 'FGR 시스템'이라고도 함)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시키는 것으로 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템들은 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등이 여전히 존재하는데 더하여, 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 등의 여러 가지 문제점들을 해결하여, 배가스 출구에 가까운 연소실 상부에서 하부 방향으로 고속의 가스를 투입함으로써 연소실 내부에 강한 재순환영역을 유도하고, 그것에 의해, 연소실 내 완전 혼합영역을 형성하여 반응성을 극대화시키는 동시에, 균일한 온도분포 형성에 의해 열전달의 균일화 및 CO, NOx 등의 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공된다.

Description

내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템{Internally induced flue gas recirculation system having high efficiency reaction performance by inversed injection of gas or air}
본 발명은 공업로(industrial furnace)에 적용되는 가스 재순환 시스템(Flue Gas Recirculation system ; 이하, 'FGR 시스템'이라고도 함)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시키는 것으로 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템들은, 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등이 여전히 존재하는데 더하여, 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 등의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 배가스 출구에 가까운 연소실 상부에서 하부 방향으로 고속의 가스를 투입함으로써 연소실 내부에 강한 재순환영역을 유도하고, 그것에 의해, 연소실 내 완전 혼합영역을 형성하여 반응성을 극대화시키는 동시에, 균일한 온도분포 형성에 의해 열전달의 균일화 및 CO, NOx 등의 공해물질을 저감할 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
종래, 화력 발전소, 폐기물 처리 연소로, 가스화로, 가정용 보일러, 연료전지용 개질기 및 가열기 등 여러 분야에 걸쳐 공업로(industrial furnace)가 널리 사용되고 있으며, 이러한 공업로에 대한 대표적인 예로서는, 예를 들면, 화격자식 연소로, 유동층식 반응로 및 열분해 용융 가스화로 등이 있다.
여기서, 상기한 화격자식 연소로에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1144236호에 제시된 바와 같은 "화격자식 소각장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-1144236호에 제시된 화격자식 소각장치는, 발열량이 높은 가연성폐기물 고형연료(Refuse - Derived Fuel; RDF) 또는 폐플라스틱 고형연료(Refuse Plastic Fuel; RPF) 등의 폐기물을 소각할 시에 발생하는 고온의 열로부터 화격자를 보호하여 내구성을 향상시키고, 폐기물 연소 시에 발생하는 용융물 및 미연분이 화격자들의 틈새로 낙하하여 미연분이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하기 위해, 가동 화격자와 고정 화격자가 교번하여 계단형태로 배치되며 투입된 폐기물을 가동 화격자의 작동에 의해 배출구 쪽으로 이동시키면서 소각하는 화격자식 소각장치에 있어서, 고정 화격자의 내부에는 유로가 형성되어 냉각수가 유로를 따라 유동하며 고정 화격자를 냉각시키고, 가동 화격자의 내부로 유입된 공기는 가동 화격자를 냉각한 후 예열되어 가동 화격자에 형성된 배기공을 통해 소각장치 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 화격자식 소각장치에 관한 것이다.
또한, 상기한 유동층식 반응로에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-2013-0077657호에 제시된 바와 같은 "순환유동층 연소장치 및 그 연소방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-2013-0077657호에 제시된 순환유동층 연소장치 및 그 연소방법은, 대류회수부의 배기가스 일부를 다시 대류회수부(convection path)의 전단으로 순환시킴으로써 대류회수부의 온도를 적절하게 조정할 수 있는 순환유동층 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것이다.
아울러, 상기한 열분해 용융 가스화로에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1323636호에 제시된 바와 같은 "가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-1323636호에 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법은, 가연성 물질이 투입되는 가스화부, 가스화부의 하부로 연통되는 퇴적부 및 퇴적부의 측면으로 연통되며 가열수단을 구비한 용융부를 구비하며, 퇴적부에는 가연성 물질이 채워져 용융부에서 생성된 가스가 가연성 물질을 통과하여 가스화부로 투입됨으로써, 안정적이고 신속하게 가연성 물질을 처리하고, 가열수단의 에너지 소모를 적게 하며, 유해물질이 적은 합성가스를 제공할 수 있는 가스화 용융로 및 이를 이용한 가연성 물질 처리 방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래 여러 가지 형태의 공업로가 제시된 바 있으나, 이러한 종래의 공업로들은, 연소시 발생하는 배기가스 중에 여러 가지 유해가스가 배출되는 문제가 있으며, 더욱이, 최근에는 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 공해물질 배출을 저감할 수 있는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.
이를 위해, 종래, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시키는 것으로 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되는 가스 재순환(FGR) 시스템을 구비한 공업로가 제시된 바 있다.
즉, 상기한 바와 같이 가스 재순환(FGR) 시스템을 구비하여 유해물질의 배출을 저감하기 위한 종래기술의 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0689788호에 제시된 바와 같은 "소각로 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합 적용한 폐기물소각방법 및 그 장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-0689788호에 제시된 소각로 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합 적용한 폐기물소각방법 및 그 장치는, 폐기물 소각과정에서 발생하는 배기가스를 재순환하여 산소와 혼합하여 폐기물의 소각 연소공정에 재사용함으로써 배기가스의 배출을 대폭 저감할뿐만 아니라, 배기가스의 여열을 회수하여 발열량을 높임과 동시에 산소부화율을 증가시켜 저공기비 고온연소에 의한 연소온도 증가에 따른 에너지 전환효율을 향상시키는 소각방법 및 그 장치에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, FGR 시스템을 통하여 배기가스를 재순환함으로써 유해가스의 배출을 저감하고 에너지 효율을 향상시키는 기술내용이 제시된 바 있으나, 기존의 FGR 시스템은, 기존 연소공기에 일부 배가스를 추가하는 정도의 수준으로는 공해물질 저감에 한계가 있으며, 굴뚝으로 나가는 배가스를 순환시킴에 의해 유량이 증가함으로써 설비 비용이 증가하게 되는데 더하여, 기존의 연소로에서 문제가 되는 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성이나 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등의 문제가 완전히 해결되지 못하고, 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 등의 문제가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 기존의 FGR 기술은, 연소실 내에 공기투입과 유사한 방법으로 배기스를 투입함으로써 NOx 저감에 다소간의 효과가 있으나, 배가스량이 증가하여 연소실 내 가스 체류시간이 짧아지는 단점이 있고, 아울러, 저속 가스 투입의 한계로 난류에 의한 반응효율이 낮다는 문제도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 기존의 FGR 시스템과 같은 저속 노즐 배열이 아닌 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들임으로써 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로써, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능한 동시에, 국부과열 영역을 감소하여 내화재 및 보일러 수관의 손상을 감소하고, 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 새로운 가스 재순환 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1144236호(2012.05.02.)
2. 한국 공개특허공보 제10-2013-0077657호(2013.07.09.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1323636호(2013.10.24.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0689788호(2007.02.26.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열 대신에 소수의 고속 노즐을 적용하여 공해물질 배출을 감소하는 것에 더하여, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역을 획기적으로 줄임으로써, 내화재/보일러 수관의 손상을 감소하고, 그것에 의해, 전체 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하도록 구성되는 기존의 가스 재순환(Flue Gas Recirculation ; FGR) 시스템은 공해물질 저감에 한계가 있고, 설비설계 및 제작비용이 증가하며, 국부과열에 의한 클링커 생성, 보일러관 부식, 로벽 손상 및 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하는 문제점들을 해결하기 위한 역방향 가스 재순환(Internally Induced Flue Gas Recirculation ; IIFGR) 시스템에 있어서, 연소작업이 이루어지는 연소로; 상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너; 상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및 상기 연소로 상단 부분의 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 구성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 연소로는, 화격자식 연소로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 연소로는, 유동층식 반응로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 연소로는, 열분해 용융 가스화로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 IIFGR 노즐은, 60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 역방향 가스 재순환 시스템은, 다수의 저속 노즐을 이용하여 배가스의 재순환이 이루어지도록 구성되는 기존의 가스 재순환(FGR) 시스템 대신에, 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 상기 고속 노즐로 이루어지는 상기 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 상기 연소로의 상단부에 설치하도록 구성됨으로써, 상기 배가스 내부 재순환영역에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고, 상기 고속 공기제트에 의해 강한 난류 유동이 형성되어 상기 연소로 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되어 NOx 및 CO의 배출량이 감소되고 운전성능이 향상되며, 국부과열 영역이 감소되어 내화재나 배관의 손상이 감소되고, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열 대신에 소수의 고속 노즐을 적용하여 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공됨으로써, NOx 및 CO의 배출량을 동시에 저감하여 공해물질의 배출이 감소할 뿐만 아니라, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역이 획기적으로 감소됨으로써, 내화재/보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 나아가 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래의 FGR 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템에 설치되는 IIFGR 노즐의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 화격자식 연소로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 유동층식 반응로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템의 성능을 검증하기 위한 시뮬레이션을 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열 대신에 소수의 고속 노즐을 적용하여 공해물질 배출을 감소하는 것에 더하여, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역을 획기적으로 줄임으로써, 내화재/보일러 수관의 손상을 감소하고, 그것에 의해, 전체 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 FGR 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 1에 나타낸 구성은, 종래의 FGR 시스템에 대한 일례로서, FGR 시스템이 화격자식 연소로에 적용된 경우를 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 기존의 FGR 시스템을 구비한 화격자식 연소로(10)는, 크게 나누어, 1차 연소실(11) 및 2차 연소실(12)을 구비하는 연소로(13)와, 연소로(13) 하부에 배치되는 화격자(14)와, 상기한 2차 연소실(12) 및 화격자(14)에 각각 재순환된 배가스를 공급하기 위한 복수의 공기주입 노즐을 포함하여 이루어지는 FGR부(15)와, 연소로에 연료를 공급하기 위한 연료주입부(16) 및 배기가스를 배출하기 위한 배기가스 배출부(17)를 포함하여 구성되어 있다.
즉, 종래의 FGR 시스템을 구비하는 연소로(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소공기와 동일 또는 유사한 위치에서 후단의 배가스를 순환하여 연소가스 유량을 증대시킴으로써 연소실 온도를 낮추어 NOx 등의 공해물질을 저감하도록 구성되며, 일반적으로, 배가스를 1차 공기 또는 2차 공기 근방에서 투입하는데, 고온의 연소영역에 굴뚝 또는 IDF(Induced Draft Fan) 출구로부터의 저온 배가스를 투입하여 국부 과열온도를 낮추고 NOx를 저감하도록 구성된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 FGR 시스템은, 기존 연소공기에 일부 배가스를 추가하는 정도의 수준으로는 CO 등의 공해물질 저감에 한계가 있으며, 또한, 굴뚝으로 나가는 배가스를 순환시킴에 의해 유량이 증가함으로써 설계 기준용량이 증가하여 설비설계 및 제작비용에 부담이 증가하게 된다.
아울러, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래의 FGR 시스템은, 결과적으로 연소 기작이 기존의 연소로와 동일하므로, 기존의 연소로에서 문제가 되는 연소로 벽면 국부과열에 의한 클링커 생성이나 보일러관 부식, 로벽 손상문제 등의 문제가 다소 완화될 수는 있으나 완전히 해결되지 못하여 동일한 문제점이 여전히 존재한다.
더욱이, 종래의 FGR 시스템은, 산성가스 제거시설의 용량이 부족한 경우에는 배가스에 포함된 산성가스에 의해 FGR 노즐 배관에 부식이 발생하여 사용이 어려운 문제도 있다.
상기한 바와 같이, 기존의 FGR 기술은 연소실 내에 공기투입과 유사한 방법으로 배기스를 투입함으로써 NOx 저감에 다소간의 효과가 있으나, 배가스량이 증가하여 연소실 내 가스 체류시간이 짧아지는 단점이 있고, 또한, 저속 가스 투입의 한계로 난류에 의한 반응효율이 낮다는 문제도 있다.
따라서 본 발명자들은, 이러한 종래기술의 FGR 시스템의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이, 기존의 FGR 시스템과 같은 저속 노즐 배열이 아닌 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들임으로써 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로써, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능한 동시에, 국부과열 영역을 감소하여 내화재 및 보일러 수관의 손상을 감소하고, 시설의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 역방향 가스 재순환 시스템(Internally Induced Flue Gas Recirculation system ; 이하, 'IIFGR 시스템'이라고도 함)을 제시하였다.
계속해서, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)은, 연소작업이 이루어지는 연소로(21)와, 연소로(21)의 일단부에 설치되는 버너(22)와, 연소로(21) 내에 연료를 공급하기 위해 버너(22)에 연결되는 연료주입구(23)와, 연소로(21) 내에 공기를 공급하기 위해 연료주입구(23)의 반대측에 형성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐(24)을 포함하여 구성되어, 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공기가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기한 연소로(21)는, 예를 들면, 화격자식 연소로, 유동층식 반응로, 열분해 용융 가스화로 등과 같은 각종 공업로를 이용하여 구성될 수 있으므로, 설명을 간략히 하기 위해 그러한 공업로들의 구체적인 구성이나 동작에 대한 설명은 생략하나, 본 발명의 실시예에 따른 IIFGR 시스템(20)은 종래의 여러 가지 연소로 및 반응로 등에 폭넓게 적용 가능한 장점을 가지는 것임에 유념해야 한다.
또한, 상기한 IIFGR 노즐(24)은, 예를 들면, 60 m/s 이상 수준의 고속 노즐을 이용하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)에 설치되는 IIFGR 노즐(24)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 기존의 FGR 시스템에서는 다수의 저속 노즐을 이용하여 배가스의 재순환이 이루어지도록 구성되나, 본 발명의 실시예에 따른 IIFGR 시스템(20)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 소수의 고속 노즐을 적용하여 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직 하향 고속 공기제트를 투입하는 것에 의해 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역(31)을 생성하도록 구성된다.
따라서 상기한 바와 같은 배가스 내부 재순환영역(31)에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고, 또한, 60m/s 이상 수준의 고속 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동이 형성됨으로써, 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환과 함께 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도됨으로써, NOx, CO의 배출량이 동시에 감소되는 동시에, 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의해 운전성능이 향상될 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 공해물질의 저감 효과에 더하여, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유지함으로써 연소실이나 보일러의 국부과열 영역을 획기적으로 감소하여 내화재나 보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 그것에 의해, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4는 종래의 화격자식 연소로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 종래의 화격자식 연소로의 경우, 일반적으로, 화격자 연소가 발생하는 1차 연소로는 화격자 위치별로 다른 화학종 분포로 인하여 불균일한 가스흐름이 발생하며, 따라서 이러한 불균일성을 2차 연소실의 2차 공기가 최대한 균일화시켜 주어야 하나, 종래에는 이러한 2차 공기에 의한 균일화에 한계가 있었다.
그러나 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 기존의 화격자식 연소로에 적용하면, 2차 연소실의 상부에 상기한 바와 같은 배가스 재순환 영역을 형성하여 혼합효과를 극대화시킴으로써 미연 연료의 연소뿐만 아니라, 균일한 온도분포를 유도하여 국부과열 영역을 감소하여 시설의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 종래의 유동층식 반응로에 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 적용한 경우의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 종래의 유동층식 반응로는, 유동층의 특성상 유동층(1차 연소실)에서 균일한 혼합과 반응이 유도되지만, 공기 투입량이 충분하지 않아 낮은 산소농도로 운전될 때 불완전 연소물질이 발생할 수 있으며, 연료 투입위치에 따라서 완전한 혼합이 발생하지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있으며, 이러한 경우, 상기한 화격자식 연소로와 마찬가지로, 프리보드(2차 연소실)에서의 2차 공기만으로는 한계가 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 기존의 유동층식 반응로에 적용하면, 이러한 문제를 용이하게 해결할 수 있다.
아울러, 종래의 열분해 용융가스화로는, 일반적으로, 고온의 용융로를 형성함으로 인해 화격자나 유동층 등의 연소시설을 이용할 수 없으며, 반응로 내 가스의 불균일성이 크다는 문제가 있으나, 이러한 경우에도, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 적용하여, 별도의 기계적 장비가 없어도 불균일성을 크게 줄일 수 있다.
더욱이, 종래의 열분해 용융가스화로는, 고온의 용융로의 특성상 자칫 국부 과열로 내화재의 손상이 쉽게 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 적용하면 이러한 문제도 용이하게 해결할 수 있다.
계속해서, 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)의 성능을 시뮬레이션을 통하여 검증한 실험결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)의 성능을 검증하기 위한 시뮬레이션을 결과를 나타내는 도면이다.
여기서, 도 6에 나타낸 실험결과는, 200톤/일의 도시폐기물 소각처리량을 가지는 전주 화격자식 도시폐기물 소각로에 본 발명의 실시예에 따른 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템(20)을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 CO 분포를 각각 비교하여 나타내고 있다.
더 상세하게는, 시뮬레이션 결과, 도 6a에 나타낸 바와 같이, IIFGR 미적용시 CO는 305ppm, NO는 234ppm으로 각각 나타났으나, IIFGR 적용시는, 도 6b에 나타낸 바와 같이, CO가 4.3ppm, NO가 222ppm으로 확인되었으며, 이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 IIFGR을 적용하면 NOx는 소량 감소하나 CO는 1/100 수준의 급격한 저감이 가능함을 알 수 있고, 즉, 이는 불완전 연소물질의 완전 연소를 가능하게 한다는 것을 나타낸다.
또한, 본 발명자들은, 상기한 시뮬레이션 결과에 더하여, 논산 하수 슬러지 유동층 소각로에 대하여도 성능실험 진행하였다.
더 상세하게는, 실험조건은, 먼저, 유동층 사양은 높이 70cm, 내경 1m 이고, 프리보드 사양은 높이 2m, 내경 1.2m 이며, 연소가스 산소농도는 6% 이고, CO 농도는 5000ppm 이며, 총 공기 투입량은 1500 Nm/hr 이고, IIFGR 투입량은 총 공기량의 10%로 하여 하수슬러지 + 석탄의 유동층 소각로에서의 연소실험을 진행하였다.
실험결과, 유동층 온도 600℃, 프리보드 온도 400℃에서는 IIFGR 노즐 효과가 없었으나, 유동층 온도 800℃, 프리보드 온도 650℃에서는 IIFGR 미적용시 CO 5000ppm, 적용시 1800ppm으로 나타나 CO가 1/3로 감소되는 것을 확인하였다.
따라서 상기한 바와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 IIFGR의 적용은 고온에서 더욱 큰 효과가 있으며, 즉, 일반적으로 운영되는 소각로의 온도가 800℃ 정도임을 감안하면, 본 발명에 따른 IIFGR의 적용에 의해 더욱 높은 CO 저감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 구현함으로써, 본 발명에 따르면, 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열이 아닌 소수의 고속 노즐을 적용하여, 배가스 출구 근처인 연소로 또는 보일러 천정에서 수직하향 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들여 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 유도하는 것에 의해 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환을 발생시키고, 고속의 공기제트 노즐에 의해 강한 난류 유동을 형성시켜 연소실 내부공간에 균일한 온도 및 반응장을 유도함으로서, NOx, CO의 배출량 동시 저감 효과 및 배가스 순환영역의 반응 안정화에 의한 운전성능 향상이 가능하도록 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 기존의 FGR 시스템과 같은 다수의 저속 노즐배열 대신에 소수의 고속 노즐을 적용하여 구성되는 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템이 제공됨으로써, NOx 및 CO의 배출량을 동시에 저감하여 공해물질의 배출이 감소할 뿐만 아니라, 연소실 공간 내의 온도분포를 균일하게 유도하여 연소실/보일러의 국부과열 영역이 획기적으로 감소됨으로써, 내화재/보일러 수관의 손상을 감소할 수 있고, 나아가 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 내부유도 유동재순환에 의한 고효율 반응성능을 가지는 역방향 가스 재순환 시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 화격자식 연소로 11. 1차 연소실
12. 2차 연소실 13. 연소로
14. 화격자 15. FGR부
16. 연료주입부 17. 배기가스 배출부
20. 역방향 가스 재순환(IIFGR) 시스템 21. 연소로
22. 버너 23. 연료주입구
24. 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐 31. 배가스 내부 재순환영역

Claims (6)

  1. 연소공기와 역방향 가스 재순환(Internally Induced Flue Gas Recirculation; IIFGR) 시스템에 있어서,
    연소작업이 이루어지는 연소로;
    상기 연소로의 일단부에 설치되는 버너;
    상기 연소로 내에 연료를 공급하기 위해 상기 버너에 연결되는 연료주입구; 및
    상기 연소로 상단 부분의 배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 구성되는 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐;을 포함하여 구성되고,
    상기 역방향 가스 재순환 노즐은,
    60 m/s 이상의 고속 노즐을 이용하여 구성되고 상기 연료주입구의 반대측에 형성되어 공기를 연료의 주입방향과 반대 방향으로 공급하며,
    상기 역방향 가스 재순환 시스템은,
    배가스 출구 근처에서 수직 하향으로 고속 공기제트를 투입하여 상승하는 연소가스를 끌어들이고 하향 순환시키는 배가스 내부 재순환영역을 생성하도록 상기 고속 노즐로 이루어지는 상기 역방향 가스 재순환(IIFGR) 노즐을 상기 연소로의 상단부에 설치하도록 구성됨으로써,
    상기 배가스 내부 재순환영역에 의해 연소로 내 완전 혼합영역을 형성하여 전체 배가스 유량의 2~3배에 이르는 강한 재순환이 이루어지고,
    상기 고속 공기제트에 의해 강한 난류 유동이 형성되어 상기 연소로 내부공간에 균일한 온도 및 반응장이 유도되어 NOx 및 CO의 배출량이 감소되고 운전성능이 향상되며,
    국부과열 영역이 감소되어 내화재나 배관의 손상이 감소되고, 시설 전체의 내구성을 증대시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연소로는, 화격자식 연소로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연소로는, 유동층식 반응로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연소로는, 열분해 용융 가스화로를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 역방향 가스 재순환 시스템.
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  6. 삭제
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