KR102043956B1 - 배기가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 보일러의 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx) 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기에 관한 것으로서 보다 상세하게는 보일러의 버너로부터 배출되는 고온의 연소가스에 보일러 후단 연소가스와 연소공기에 소량의 요소수를 혼합 공급하여 질소산화물(NOx)과 반응시켜 인체에 무해한 질소(N₂)로 환원시키고 연소기 내부에 설치된 가열필터를 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열필터와 접촉하여 치환, 산화반응 및 완전 연소됨으로써 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 및 불완전연소가스의 배출을 억제하여 대기환경에 개선하도록 한 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기에 관한 것인바, 본 발명은 보일러 배기가스를 연소시키는 버너와; 버너의 불꽃이 내측으로 유입되는 연소실을 구비하며, 연소실과 외부를 연결하는 다수의 통기공을 형성한 원통형의 연소통과; 상기 버너와 연소통 사이에 설치되어 불꽃을 조절하기 위한 불꽃 조절용 공기공급관과; 상기 연소통의 외부에 설치되어 상기 연소통과의 사이에는 보일러 배기가스를 공급하는 가스공급관이 구비되고 상기 가스공급관으로부터 유입된 보일러 배기가스와 공기가 혼합되는 혼합실을 이루는 원통형의 외통을 포함하고, 상기 외통과 중심이 나란하게 설치되어 연소실을 통과하는 연소가스 중 포함되어 있는 불완전연소가스와 접촉하여 불완전연소가스를 산화 및 연소시키는 가열필터수단과; 상기 혼합실에 유입되는 보일러 배기가스의 연소가 용이하도록 공기를 공급하는 연소공급용 공기공급관과; 상기 혼합실에 유입되는 보일러 배기가스와 혼합되도록 요소수를 분무 형태로 분사하는 인젝터장치와; 요소수가 저장되며 상기 인젝터장치가 연결된 요소수저장탱크를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

Description

배기가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 보일러의 연소기{Combustor capable of reducing nitrogen oxide contained in boiler combustion gas and increasing energy efficiency}

본 발명은 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx) 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기에 관한 것으로서 보다 상세하게는 보일러의 버너로부터 배출되는 고온의 연소가스에 보일러 후단 연소가스와 연소공기에 소량의 요소수를 혼합 공급하여 질소산화물(NOx)을 반응시켜 인체에 무해한 질소(N₂)로 환원시키고 연소기 내부에 설치된 가열필터수단을 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열필터수단과 접촉하여 치환, 산화반응 및 완전 연소됨으로써 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 및 불완전연소가스의 배출을 억제하여 대기환경에 개선하도록 한 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기에 관한 것이다.

에너지 소비 증가에 따라 화석연료의 연소가스에 의한 대기 오염이 심각한 사회문제로 비화되고 있다. 연소가스 중의 대표적인 오염물질은 황산화물(SOx), 염화합물(HcL), 질소산화물(NOx), 바나듐산화물(VOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소 등이 있다.

이중 질소산화물(NOx)은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로서 인체에 직접적으로 해를 끼치고, 산성비의 원인이 되며, 각종 식물의 성장에 심각한 영향을 끼치므로, 그 배출량에 대한 규제가 엄격해지고 있다.

대기중에 존재하는 질소산화물 중 인체에 해를 끼치며 대기 오염의 주 원인은 NO와 NO₂로서, 이들을 총칭하여 NOx라 칭한다. NOx의 발생원으로는 열적 질소산화물(thermal NOx), 즉발 질소산화물(prompt NOx) 및 연료 질소산화물(fuel NOx)로 분류되며, 각각의 저감에 대한 연구가 환경문제와 더불어 활발하게 가속화되고 있다.

열적 질소산화물은 고온의 분위기하에서 연소공기 중의 질소분자가 산소와 반응하여 생성되는 것으로서, 연료 중의 질소 성분이 없는 경우 NOx 발생의 주 원인이 될 수 있다. 이에 대한 대책으로 가능한 화염의 온도를 낮추고 낮은 과잉 공기비에서 연소하는 것이 NO 발생의 억제 방법이 될 수 있다. 이때 화염의 안정성 등을 고려해야 된다.

열적 질소산화물의 발생 기구는 zeldovich에 의해 제시된 다음의 반응식으로 설명될 수 있다.

O + N₂ ↔ NO + N

N + O₂ ↔ NO + O

N + OH ↔ NO + H

고온에서 O₂가 2O로 분리되어, 이 산소원자가 공기 중의 질소분자와 반응하여 NO를 생성하고, 동시에 질소 원자를 생성하며, 이것이 다시 공기 중의 산소와 반응하여 NO를 생성한다. 반응식의 경우는 연료과농 상태에서 중요하다.

열적 질소산화물의 생성은 주로 연소온도가 높을 경우, 연소영역에서 산소의 농도가 높을 경우, 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 경우 많이 발생된다. 특히 온도 의존성이 매우 크다.

연료 질소산화물은 연료의 탈질화가 되어 있지 않은 중유 등의 저질유 연소시 연료 중의 질소 성분이 공기 중의 산소와 결합하여 생성되는 것으로서, 탈질화가 되지 않은 연료를 연소시키는 경우 연소 방법이나 연소 장치를 변환하여 연료의 N성분이 NO화 되지 않도록 N₂화시키는 것이 필요하다. 연료 NOx의 생성은 온도 보다는 공기의 당량비에 크게 영향을 받는다.

고온의 화염후류 영역에서는 NOx의 생성에 대하여 zeldovich기구에 따른 이론과 실험 결과가 비교적 일치되고 있다. 화염면 및 그 주변에서는 zeldovich기구 이외의 경로에 의하여 많은 양의 NO가 급격히 생성되는 것이 발견되었다.

fenimore는 메탄-공기, 에틸렌-공기의 예 혼합 평판 화염에 대하여 실험한 결과, 화염대 주변에서 급속한 NO의 생성을 발견하고, 이때 NO를 "prompt NO"라고 정의하였다. fenimore는 다음 반응식을 제안하였다.

N₂ + CH ↔ HCN + N

N₂ + 2C ↔ 2CN

상기 반응식에서 분해된 질소원자는 NO를 생성하게 되고, 반응식의 HCN 또는 CN도 산소를 포함하는 화화물과 반응하여 NO를 생성하게 된다.

현재까지의 연구 결과, 즉발 질소산화물은 탄화수소계 연료에서만 생성되고, 온도, 연료의 종류, 공기의 당량비 등에 대한 의존성이 비교적 낮고, 연소가스의 체류시간에는 무관한 것으로 알려져 있다. 그러나 즉발 질소산화물의 생성과 소멸과정은 아직까지 정확하게 알려져 있지 않다.

저 질소산화물(NOx)를 얻기 위한 방법으로는 운전조건의 변경에 의한 방법, 연소방식을 변경하는 방법, N성분이 적은 연료를 사용하는 방법 등이 있다. 이때 NOx의 발생과 미연가스의 발생은 서로 상반되기 때문에 저 NOx 연소는 연소 효율, CO 및 매연(fumes) 발생의 억제와 함께 이루어져야 한다.

첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 에너지효율 향상 시스템은, 보일러(1)와, 보일러(1)에 버너(2)로 연료를 연소한 연소열을 전달하여 온수를 가열하는 버너(2)와, 보일러(1)의 배기가스 배출통로(1a)가 설치되며, 공기통로(3a)를 통해 버너(2)에 공급되는 연소용 외부공기를 보일러(1)로부터 배출되는 폐열(300℃ 정도를 유지)을 이용하여 가열(178℃ 정도를 유지)하는 공기예열기(3)(air preheater)와, 보일러(1)로부터 배출통로(1a) 및 공기예열기(3)를 통과하여 폐열이 회수된 배기가스(150℃ 정도를 유지)를 대기중으로 배출시키는 연도(4)(stack)를 포함한다.

도면 중 미 설명부호 5는 연소용 외부공기를 대기압 이상으로 가압(20℃ 정도를 유지)하여 버너(2)에 강제적으로 공급하는 송풍기(forced draft fan)이다. 이때, 전술한 공기예열기(3)에 의해 예열된 후 버너(2)에 공급되는 연소용 외부공기의 온도(178℃정도)가 높기 때문에 열적 질소산화물의 생성을 촉진하게 된다.

배기가스의 온도가 높은 보일러에서는 에너지효율 향상을 위해 공기예열기(air preheater)를 설치하여 연소용 공기를 예열하게 된다. 연소공기의 예열온도 저하는 연소온도에 직접 영향을 주게 된다. 예를 들어 공기의 예열온도를 50℃ 낮추면 단열 화염온도는 25℃ 정도 저하된다. 따라서 공기 예열온도 저하에 의하여 열적 질소산화물을 감소시킬 수 있다.

반면에, 공기 예열온도를 낮추면 폐열 회수량이 그만큼 감소되므로 보일러의 에너지효율은 감소된다. 유류 연소 보일러의 경우 NOx 제어를 위해 공기 예열온도를 낮출 경우 배기가스의 온도가 50℃ 높아지면 효율은 22% 감소하게 되므로, 공기 예열온도에 의하여 NOx 저감을 도모하려면 보일러의 효율을 고려해야 된다.

이때 공기 예열온도 저하에 의한 NOx 저감법은 열적 질소산화물 억제에 중점을 두고 있으므로 가스 또는 경질류를 사용하는 설비에 적합하다.

본 발명의 목적은 버너의 연료 연소에 필요한 연소공기를 공기예열기를 통과한 가열 공기량을 조절하여 1차로 버너에서 연료의 연소온도를 낮추어 질소화합물(NOX)의 생성을 억제하고 보일러로부터 연도(Stack)로 배출되는 고온의 연소가스 중 일부(5∼30vol%)를 연소기로 다시 순환시키며, 요소수를 소량 혼합 공급하여 질소산화물(NOx)과 반응시켜 인체에 무해한 질소(N₂)로 환원시키고, 또한 공기예열기를 통과한 2차 연소공기를 공급하여 연소실 내부에 설치된 가열필터수단을 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열된 가열필터수단과 접촉하여 산화 및 완전 연소되도록 함으로써, 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물(NOx) 및 불완전연소가스(CO)와 미연분(Fumes)의 배출을 방지하여 대기환경을 개선하며 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키고 또한 보일러의 에너지 효율을 극대화하는 데에 있다.

상기한 본 발명의 목적은 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기에 있어서, 보일러 배기가스를 연소시키는 버너와; 버너의 불꽃이 내측으로 유입되는 연소실을 구비하며, 연소실과 외부를 연결하는 다수의 통기공을 형성한 원통형의 연소통과; 상기 버너와 연소통 사이에 설치되어 불꽃을 조절하기 위한 불꽃 조절용 공기공급관(제2의 공기공급관)과; 상기 연소통의 외부에 설치되어 상기 연소통과의 사이에는 보일러 배기가스를 공급하는 가스공급관이 구비되고 상기 가스공급관으로부터 유입된 보일러 배기가스와 공기가 혼합되는 혼합실을 이루는 원통형의 외통을 포함하고; 상기 외통과 중심이 나란하게 설치되어 연소실을 통과하는 연소가스 중 포함되어 있는 불완전연소가스와 접촉하여 불완전연소가스를 산화 및 연소시키는 가열필터수단과; 상기 혼합실에 유입되는 보일러 배기가스의 연소가 용이하도록 공기를 공급하는 연소공급용 공기공급관(제1의 공기공급관)과; 상기 혼합실에 유입되는 보일러 배기가스와 혼합되도록 요소수를 분무 형태로 분사하는 인젝터장치와; 요소수가 저장되며 상기 인젝터장치가 연결된 요소수저장탱크를 포함하고, 상기 연소통(200)에 구비된 상기 통기공(210)은 상기 혼합기체가 상기 불꽃부위에 공급되는 위치에 구비된 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기에 의하여 달성된다.

상기 가열필터수단은 하우징의 내측에 일정간격으로 다수개의 핀형 또는 파이프 타입의 반응셀이 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기에 의하여 달성된다.

상기 혼합실은 가스공급관으로부터 공급되는 보일러 배기가스와 연소공급용 공기공급관으로부터 공급되는 공기 및 요소수를 와류형태로 혼합하고, 상기 와류형태로 공기가 혼합되는 보일러 배기가스는 상기 다수의 통기공을 통하여 상기 연소통으로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기에 의하여 달성된다.

이와 같은 본 발명은 보일러로부터 배출되는 고온의 연소가스에 공기와 요소수를 혼합 공급하여 질소산화물을 반응시켜 인체에 무해한 질소로 환원시키고 연소실 내부에 설치된 가열필터를 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열필터수단과 접촉하여 탄화 및 연소됨으로써 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물 및 불완전연소가스의 배출을 방지하여 대기환경에 개선하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 에너지 효율 증대장치의 구조를 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기의 구조를 보여주는 정단면도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 보일러 연소가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 연소기의 구조를 보여주는 측단면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 보일러 배기가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지 효율 증대를 얻을 수 있는 연소기의 구조를 보여주는 정단면도이고, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 보일러 배기가스에 함유된 질소산화물 저감 및 에너지 효율 증대를 얻을 수 있는 연소기의 구조를 보여주는 측단면도이다.
본 발명에 따른 연소기는 보일러 배기가스를 연소시키는 버너(900)와 버너(900)의 불꽃이 내측으로 유입되는 연소실(220)을 구비하며 연소실(220)과 외부를 연결하는 다수의 통기공(210)을 형성한 연소통(200) 외측면으로는 보일러 배기가스가 혼합되어 공급되는 가스 공급관(110)과 연소시 필요한 공기를 공급하는 연소공급용 공기 공급관(120)을 형성한 외통(300)과, 연소 공급용 공기공급관(120)으로부터 공급되는 에어와 가스공급관(110)으로부터 공급되는 배기가스를 혼합시키기 위해 상기 외통(300)과 연소통(200) 사이에 마련되는 혼합실(310)과, 버너(900)와 연결되어 버너(900)의 불꽃 화염이 연소되도록 공기를 공급하는 불꽃 조절용 공기 공급관(150)을 포함하여 이루어진 구조이다.

상기 불꽃 조절용 공기 공급관(150)은 점화 완료 후 버너의 화염 형태를 조절하기 위한 것이다. 상기 연소실(220)에는 통기공(210)이 동심원상에 일정 간격으로 다수개 형성하는 것이 바람직하다.

그 이유는 통기공(210)의 개수에 의해 공급되는 가스의 양이 조절되기 때문이며, 또한 상기 가스 공급관(110)과 혼합 공기 공급관이 연소통(200)의 상부의 접선방향에 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 외통(300)과 중심이 나란하게 설치되어 연소실(220)을 통과하는 연소가스 중 포함되어 있는 불완전연소가스와 접촉하여 불완전연소가스를 탄화 및 연소시키는 가열필터수단(600)이 설치된다.

상기 가열필터수단(600)은 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(610)의 내측에 일정간격으로 다수 개의 핀형 타입의 반응셀(620)이 설치되어 있다.

한편 혼합실(310)에는 상기 혼합실(310)에 유입되는 보일러 배기가스와 혼합되도록 요소수를 분무 형태로 분사하는 인젝터장치(700)와 요소수가 저장되며 상기 인젝터장치(700)가 연결된 요소수저장탱크(800)가 연결 설치되어 있다.

상기와 같은 본 발명의 사용 상태는 도 2에 도시된 바와 같이 버너(900)에 불을 붙임과 동시에 불꽃 조절용 공기 공급관(150)을 통해 외부의 공기를 공급하면서 불꽃 화염의 형태 모양 등을 조절한다. 상기 버너의 화염의 조절은 가열필터수단(600)이 가열될 수 있는 정도, 바람직하게는 가열필터수단(600)의 전단까지 형성하는 것이 좋다.

상기 버너(900)의 불꽃 조절이 완료되면 보일러 배기가스를 가스 공급관(110)을 통해 외통(300)과 내통 사이에 형성된 혼합실(310)로 공급한다. 이때 가스 공급관(110)을 통해 유입되는 보일러 배기가스의 유량에 따라서 연소공급용 공기 공급관(120)을 통해 외부 에어를 혼합실(310)로 공급한다.

상기 혼합실(310)은 가스 공급관(110)으로부터 공급되는 보일러 배기가스와 연소공급용 공기 공급관(120)으로부터 공급되는 에어가 혼합되지만 요소수가 저장되어 있는 요소수저장탱크(800)와 연결된 인젝터장치(700)로부터 요소수가 분사되어 혼합실(310)에서는 보일러 배기가스, 연소용 에어, 요소수가 와류형태로 혼합되어 혼합기체를 형성하게 된다. 또한, 연소용 에어는 보일러의 배기가스보다 온도가 낮은 보일러 외부의 공기이므로, 혼합기체의 온도는 보일러의 배기가스의 온도보다 낮은 온도로 버너의 불꽃 부위에 공급되게 된다.

이때 혼합기체는 다음과 같은 반응이 일어난다.

2CO(NH₂)₂ + 4NO + O₂ → 2N₂ +CO₂ + 2H₂O

상기 요소수저장탱크(800)에 요소수를 인젝터장치(700)을 사용하여 분무하면 요소수 중의 물과 보일러 후단 연소가스 중의 수분이 혼합실에서는 아래와 같은 반응이 일어난다.

C + H₂O → CO + H₂

2NO + CO + 1/2O₂ → N₂ + 2CO₂

2NO + 2H₂ → N₂ + 2H₂O

상기와 같이 반응이 일어난 혼합기체는 연소통(200)에 형성된 통기공(210)을 통해 상기 와류형태로 연소통(200)의 연소실(220)로 공급되며 버너(900)의 불꽃 화염에 의해 연소되게 된다.

상기 연소실(220)에서 보일러 배기가스가 버너(900)의 불꽃 화염에 의해 연소되지만, 이때 완전히 연소되지 않은 불완전 연소가스는 가열필터수단(600)을 통과하면서 고열로 가열되어 있는 일정간격으로 다수 개가 핀형 또는 파이프 타입의 반응셀(620)과 접촉하여 탄화 및 연소시키게 된다.

이와 같은 본 발명은 보일러로부터 배출되는 고온의 연소가스에 공기와 요소수를 혼합 공급하여 질소산화물을 반응시킴으로써, 인체에 무해한 질소로 환원시키고, 연소실 내부에 설치된 가열필터를 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열필터수단과 접촉하여 탄화 및 연소됨으로써, 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물 및 불완전연소가스의 배출을 방지하여 대기환경에 개선하도록 하는 효과가 있다.

110 : 가스 공급관 120 : 연소공급용 공기 공급관
150 : 불꽃 조절용 공기 공급관 200 : 연소통
210 : 통기공 220 : 연소실
300 : 외통 310 : 혼합실
600 : 가열필터수단 610 : 하우징
620 : 반응셀 700 : 인젝터장치
800 : 요소수저장탱크 900 : 버너

Claims (6)

1. 배기가스에 함유된 질소산화물 및 불완전 연소가스를 저감시키기 위한 보일러의 연소기에 있어서,
   상기 보일러의 배기가스를 회수하여 연소시키기 위한 버너와;
   상기 배기가스와 요소수와 공기가 혼합된 혼합기체를 공급하기 위한 통기공을 구비하며, 상기 버너의 불꽃이 유입되며 불완전 연소된 배기가스가 연소되며 상기 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 요소수와 반응하는 연소실을 구비한 원통형의 연소통과;
   상기 연소통과의 사이에 상기 배기가스와 상기 요소수와 상기 공기를 혼합하기 위한 혼합실을 갖도록 상기 연소통의 외부를 둘러싸는 원통형의 외통과;
   상기 연소실을 통과하는 연소가스에 포함되어 있는 불완전 연소가스를 산화 및 연소시키기 위해 상기 외통과 중심이 나란하게 설치된 가열필터수단;을 포함하고,
   상기 외통에는 상기 보일러로부터 회수되는 배기가스, 상기 요소수, 상기 버너로부터 유입되는 불꽃과 상기 배기가스를 연소시키기 위해 상기 공기가 공급되고,
   상기 연소통에 구비된 상기 통기공은 상기 혼합기체가 상기 불꽃 부위에 공급되는 위치에 구비되며,
   상기 배기가스는 상기 보일러의 연도로 배출되는 가스의 5∼30vol%를 가스공급관을 통하여 상기 혼합실로 공급하는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가열필터수단은 하우징의 내측에 핀형 반응셀들이 설치된 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 혼합기체는 보일러의 배기가스, 상기 공기 및 요수소를 상기 혼합실에서 와류형태로 혼합하고, 상기 혼합된 혼합기체는 상기 통기공들을 통하여 상기 연소통으로 공급되는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.
4. 보일러로부터 회수되는 배기가스와 공기와 요소수를 혼합하여 혼합기체를 생성하는 혼합실과;
   불꽃을 발하는 버너와;
   상기 버너의 불꽃을 조절하기 위한 제2의 공기공급관과;
   상기 버너의 불꽃이 유입되고 상기 불꽃 부위에 상기 혼합기체를 공급하는 연소실;을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 보일러로부터 회수되는 배기가스는 상기 보일러의 연도로 배출되는 가스의 5∼30vol%인 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 버너의 불꽃에 공급되는 혼합기체는 상기 공기에 의해 상기 배기가스의 온도보다 낮아진 온도로 상기 버너의 불꽃 부위에 공급하는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소기.

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