KR102115576B1 - 초저질소산화물 연소장치 - Google Patents

초저질소산화물 연소장치 Download PDF

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KR102115576B1 KR1020180152631A KR20180152631A KR102115576B1 KR 102115576 B1 KR102115576 B1 KR 102115576B1 KR 1020180152631 A KR1020180152631 A KR 1020180152631A KR 20180152631 A KR20180152631 A KR 20180152631A KR 102115576 B1 KR102115576 B1 KR 102115576B1
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 연소로; 상기 연소로 일측에 위치하는 1차 연료 분사체; 상기 1차 연료 분사체 주위를 감싸듯이 위치하는 1차 공기 유로를 포함하는 버너; 상기 1차 공기 유로 둘레 측에 위치하며, 그 단부가 상기 연소로 내부로 소정간격 인입되어 위치하는 2차 연료 분사체; 상기 1차 공기 유로와 상기 2차 연료 분사체 사이에 위치하는 내부 재순환 유도부; 상기 1차 공기 유로와 상기 내부 재순환 유도부 사이에 위치하는 2차 공기 유로; 상기 연소로에서 배출되는 배가스로부터 열을 회수하는 열교환기; 상기 열교환기를 지난 배가스와 외부에서 유입되는 외기가 일측으로 유입되어 혼합된 혼합기가 상기 2차 공기 유로 측으로 공급되도록 하는 외부 재순환 라인; 및 상기 2차 공기 유로 측으로 공급되는 혼합기에 상기 열교환기에서 응축된 응축수를 분사하는 분사노즐;을 포함하며, 상기 연소로 내에서 발생하는 연소가스는 상기 2차 공기 유로를 통하여 연소로로 공급되는 혼합기의 유동에 의해 상기 내부 재순환 유도부를 통하여 상기 연소로로 재공급되는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.

Description

초저질소산화물 연소장치{Low NOx Burner}
본 발명은 연소장치에 관한 것으로, 연소시 발생하는 질소산화물을 효과적으로 저감할 수 있는 초저질소산화물 연소장치에 관한 것이다.
현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다. 그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다.
주된 환경 오염원으로는 질소 산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 발생하는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.
기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2의 화학식을 갖는 질소 산화물(NOx)의 생성이 불가피하다.
이의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다.
연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다. 특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.
질소산화물의 종류에는 발생 원인에 따라 열적 질소산화물(Thermal NOx), 급속 질소산화물(Prompt NOx), 및 연료 질소산화물(Fuel NOx)로 분류될 수 있다. 열적 질소산화물은 공기 중의 질소가 산소와 1600℃ 이상의 고온에서 반응하여 생성되는 것이고, 급속 질소산화물은 탄화수소계 연료의 연소시 연소 초기에 생성되는 것이며, 연료 질소산화물은 연료 중에 함유된 질소 성분의 반응에 의해 생성된다.
이와 같은 질소 산화물의 대책에 있어서도 천연가스와 같은 기체연료에는 연료 중에 질소성분이 함유되어 있지 않기 때문에 열적 질소산화물 및 급속 질소산화물에 관련된 사항을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.
질소산화물은 광화학 스모그 및 산성비의 원인이 되며 동식물에 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 오랫동안 많은 연구자들은 NOx를 감소시키는 다양한 방법을 연구하였다.
이로 인해 현재 시도되고 있는 저 NOx 방법으로는 배기가스 재순환, 물 또는 스팀분사, 공기 및 연료의 다단 연소, 선택적 비촉매 환원반응(SNCR, selective non-catalytic reduction), 선택적 촉매 환원반응(SCR,selective catalytic reduction) 등이 있다.
최근 선진국에서는 후연소 영역에서 NOx를 제거하는 재연소 방법이 시도되고 있으며, NOx 저감율이나 경제성에 있어서 효율성이 높다고 알려져 있다.
이하, 관련 선행기술을 살펴본다.
특허문헌 1에는 연소로에서 배출되는 배가스를 외기와 혼합하여 다시 연소로로 재순환 시키는 외부 재순환 기술이 적용된 연소장치가 개시된다.
그러나, 외부 재순환 기술의 경우 연소로에서 배출되는 배가스는 산소농도가 낮고 불활성 기체가 많이 포함되어 이를 재순환 하여 연소할 경우 화염이 불안정해지는 문제점이 있고, 따라서 배가스와 혼합되는 외기의 비율을 높여야 하기 때문에 배가스의 재순환율이 낮다.
특허문헌 2에는 연소로 내에 물을 분사하여 물의 열분해 방법을 통하여 질소산화물을 저감시키는 연소시스템이 개시된다. 그러나, 이와 같이 연소장치의 경우 물 공급을 위한 추가적인 장치 및 공급되는 물이 별도로 필요하여 공정 전체의 관점에서 경제적인 효율이 높다고 할 수는 없다.
또한, 특허문헌 3은 본 출원인에 의한 등록특허로서, 연소로 내의 내부 재순환부를 설치하고 연소로 구조의 최적설계를 통하여 질소 산화물을 저감하는 연소장치가 개시된다.
이와 같은, 연소장치의 경우 분할 화염을 구성을 통하여 화염 안정성을 높일 수 있고, 추가적인 장치의 구비 없이 최적의 설계를 통하여 효과적인 질소산화물의 저감이 가능하다. 다만, 향후 지속적으로 강화되는 환경규제에 능동적으로 대응하기 위해서는 추가적인 NOx 저감기술의 적용이 불가피하다고 할 것이다.
KR 2017-0073104 A KR 2017-0074081 A KR 1,512,352 B1
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보다 효과적으로 질소산화물의 저감이 가능한 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 함
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소로; 상기 연소로 일측에 위치하는 1차 연료 분사체; 상기 1차 연료 분사체 주위를 감싸듯이 위치하는 1차 공기 유로를 포함하는 버너; 상기 1차 공기 유로 둘레 측에 위치하며, 그 단부가 상기 연소로 내부로 소정간격 인입되어 위치하는 2차 연료 분사체; 상기 1차 공기 유로와 상기 2차 연료 분사체 사이에 위치하는 내부 재순환 유도부; 상기 1차 공기 유로와 상기 내부 재순환 유도부 사이에 위치하는 2차 공기 유로; 상기 연소로에서 배출되는 배가스로부터 열을 회수하는 열교환기; 상기 열교환기를 지난 배가스와 외부에서 유입되는 외기가 일측으로 유입되어 혼합된 혼합기가 상기 2차 공기 유로 측으로 공급되도록 하는 외부 재순환 라인; 및 상기 2차 공기 유로 측으로 공급되는 혼합기에 상기 열교환기에서 응축된 응축수를 분사하는 분사노즐;을 포함하며, 상기 연소로 내에서 발생하는 연소가스는 상기 2차 공기 유로를 통하여 연소로로 공급되는 혼합기의 유동에 의해 상기 내부 재순환 유도부를 통하여 상기 연소로로 재공급되는 초저질소산화물 연소장치를 제공한다.
상기 2차 공기 유로 측으로 공급되는 혼합기의 산소농도 및 상기 연소로에서 배출되는 배가스의 산소농도를 각각 감지하는 복수의 센서; 및 상기 외부 재순환 라인으로 유입되는 배가스 및 외기의 유량을 각각 조절하는 복수의 댐퍼;를 더 포함하며, 상기 각 센서에서 감지되는 각각의 산소농도에 따라 상기 각 댐퍼에 의해 상기 배가스 및 상기 외부공기의 유량이 조절되는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐에서 분사되는 응축수의 양을 조절하는 액츄에이터를 더 포함하며, 상기 연소로 내의 온도 또는 질소산화물 농도에 따라에 따라 상기 액츄에이터에 의해, 상기 분사노즐에서 분사되는 응축수의 양이 조절되는 것이 바람직하다.
상기 열교환기에서 응축되는 응축수를 무화하는 무화장치를 더 포함하며, 상기 무화장치에 의해 무화된 응축수가 상기 분사노즐을 통하여 분사되는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐은, 상기 외부 재순환 라인 일측에 설치되는 제1분사노즐, 상기 외부 재순환 라인의 타측과 상기 2차 공기 유로를 연통시키는 윈드박스에 설치되는 제2분사노즐, 상기 연소로 내부에 설치되는 제3분사노즐, 및 상기 배가스가 상기 외부 재순환 라인으로 유입되는 라인에 설치되는 제4분사노즐 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 어느 하나 이상의 분사노즐은, 상기 연소로 내 온도 또는 질소산화물 농도에 따라 선택적으로 응축수를 분사하거나, 분사하는 응축수의 양이 조절되는 것이 바람직하다.
상기 분사노즐은, 상기 외부 재순환 라인 일측에 설치되는 제1분사노즐, 상기 외부 재순환 라인의 타측과 상기 2차 공기 유로를 연통시키는 윈드박스에 설치되는 제2분사노즐, 상기 연소로 내부에 설치되는 제3분사노즐, 및 상기 배가스가 상기 외부 재순환 라인으로 유입되는 라인에 설치되는 제4분사노즐을 포함하며, 상기 각 분사노즐은, 상기 연소로 내 온도 또는 질소산화물 농도에 따라 선택적으로 응축수를 분사하거나, 분사하는 응축수의 양이 조절되는 것이 바람직하다.
상기 버너의 둘레측에서 상기 2차 연료 분사체의 선단 측에 위치하는 재순환 포트를 더 포함하며, 상기 연소로 내의 연소가스 중 일부는 상기 2차 연료 분사체의 선단부로 분사되는 2차 연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트를 통하여 상기 연소로 내부로 재유입되면서 상기 2차 연료 분사체에서 분사되는 2차 연료와 혼합되어 재연소되는 것이 바람직하다.
상기 2차 연료 분사체는 상기 1차 연료 분사체를 중심으로 하여 동일 원주 상에 소정간격 이격되어 복수개가 배치되고, 상기 내부 재순환 유도부 일측이 개방되며, 상기 재순환 포트 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 2차 공기 유로 사이로 공급되는 혼합기의 유속에 의해 상기 내부 재순환 유도부의 개방된 부분으로 유입되어 상기 연소로 내로 공급되어 연소되는 것이 바람직하다.
상기 내부 재순환 유도부는, 상기 2차 연료 분사체를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브, 상기 내부 재순환 슬리브의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드, 및 상기 연결 가이드의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 절곡부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 절곡부는 상기 2차 연료 분사체와 상기 내부 재순환 유도부 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 2차 공기 유로의 폭을 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 절곡부와 상기 1차 연료 분사체의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부를 더 포함하며, 상기 재순환 촉진 돌기부는 상기 1차 연료 분사체와 상기 재순환 유도부 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 공기 및 연료의 다단 공급을 통한 분할 화염 연소기술, 연소가스 내부 재순환 기술, 배가스 외부 재순환 기술 및 응축수를 재이용한 국부 고온영역의 해소 기술을 최적화 하여 적용 및 제어함으로써 질소산화물 저감은 물론 연소장치가 적용되는 보일러 등의 효율 향상에 있어 매우 뛰어난 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 개략적으로 나타낸다.
도 3은, 다른 실시예에 따른 내부 재순환 유도부를 포함하는 초저질소산화물 연소장치의 연소과정을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 구성을 상세히 설명한다.
연소로(100)는 내부에 소정 공간이 마련되며 그 내부로 연료 및 공기(산화제)가 공급되어 연소가 이루어진다.
1차 연료 분사체(10)는 연소로(100) 일측에 위치한다. 구체적으로는 그 단부가 연소로(100) 일측에 삽입되어, 1차 연료를 연소로(100) 측으로 분사하여 공급되도록 한다.
1차 연료 분사체(10)는 일 실시예로서 연소로(100) 측 부분에서 점점 그 직경이 확대되는 형상을 이루며, 공급되는 1차 연료를 그 외주면을 통해 분사한다.
1차 공기 유로(11)는 1차 연료 분사체(10) 주위를 감싸는 형태, 구체적으로는 중공 원통 형상의 구조체이다.
2차 연료 분사체(20)는 1차 공기 유로(11) 둘레 측에 위치하며, 그 단부가 상기 연소로(100) 내부로 소정간격 인입되어 위치하여, 2차 연료를 연소로(100) 내부로 분사하여 공급되도록 한다.
구체적으로, 2차 연료 분사체(20)는 복수개가 1차 연료 분사체(10)를 중심으로 동일 원주 상에 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 2차 연료 분사체(20)의 갯수는 한정되지 않으나, 6개 내지 12개가 배치되고, 바람직하게는 8개의 2차 연료 분사체(20)가 균등한 간격을 유지한 채 배치될 수 있다.
2차 연료 분사체(20) 단부 측에는 튜브 형태의 분사부(22)가 위치하며 1차 연료 분사부(22)를 통하여 분사되는 연료가 분사부(22)를 통하여 연소로(100) 내로 분사된다. 분사부(22)의 직경은 2차 연료 분사체(20)의 단부 직경보다 크게 형성된다.
재순환 포트(21)는 2차 연료 분사체(20) 선단부와 분사부(22) 내면 사이에 형성되는 간격으로서, 2차 연료 분사체(20)에서 분사부(22)를 통하여 분사되는 2차 연료의 유동에 의해 발생하는 부압에 의해, 연소로(100) 내에서 발생하는 연소가스가 재순환 포트(21)로 유입되어 2차 연료와 함께 분사부(22)를 통하여 연소로(100) 내로 다시 분사되면서 연소가 이루어짐으로써 연소가스의 재순환이 가능하다.
내부 재순환 유도부(40)는 1차 공기 분사체와 2차 연료 분사체(20) 사이에서 연소로(100)와 연통되는 유로 형태의 구성이다.
2차 공기 유로(30)는 1차 공기 유로(11)와 내부 재순환 유도부(40) 사이에 위치하는 공간이다.
윈드박스(80)는 연소로(100) 하부에 위치하여 상기 2차 공기 유로(30)와 연통되는 공간이며 이를 통하여 유입된 배가스와 외기가 혼합된 혼합기가 2차 공기 유로(30)를 통하여 연소로(100)로 재유입되며, 상세하게는 후술한다.
내부 재순환 유도부(40)는 내부 재순환 슬리브(41), 연결 가이드(43), 절곡부(45) 및 경사부재(47)를 포함한다. 상기한 2차 공기 유로(30)로 유입되는 혼합기의 유속에 의해 발생하는 부압에 의해, 연소로(100)에서 연소시에 발생하는 연소가스 일부가 내부 재순환 유도부(40)로 유입되어 연소로(100)로의 재순환이 이루어진다.
내부 재순환 슬리브(41)는 연소로(100)와 연통되는 부분에서 2차 연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치된다. 즉, 연소가스의 최초 유입부인 연소로(100) 하부로부터 하측으로 갈수록 중앙부, 즉, 1차 연료 분사체(10) 측을 향하도록 경사지게 배치된다. 즉, 내부 재순환 슬리브(41)의 하측으로 갈수록 점점 내부 폭이 넓어진다.
연결 가이드(43)는 내부 재순환 슬리브(41)의 하단으로부터 연장 형성되며, 내부 재순환 슬리브(41)를 통해 유입되는 연소가스의 완만한 유동을 가능하게 하도록 일정한 폭을 유지한다.
절곡부(45)는 연결 가이드(43) 하단에서 상측을 향하여 절곡되어 경사지게 형성됨으로써, 유동하는 연소가스의 이동방향이 변경되도록 한다.
또한, 상기한 절곡부(45)의 경사진 형상으로 인하여, 오리피스 형태의 구조를 이루며, 이와 같은 절곡부(45)의 배치 구조는 유동하는 연소가스의 유동 속도를 더욱 빠르게 함으로써 고속으로 연소로(100) 내로 유입되도록 한다.
이로써, 연소로(100)에서 발생하는 연소가스가 내부 재순환 슬리브(41) 및 연결 가이드(43)를 통해 1차 공기 유로(11)와 내부 재순환 유도부(40) 사이의 공간, 즉, 2차 공기 유로(30) 측으로 분사되고, 분사된 연소가스는 2차 공기 유로(30)를 따라 연소로(100) 내부로 유입된다.
즉, 2차 공기 유로(30)와 절곡부(45) 사이의 공간이 좁아짐으로써 베르누이 정리에 의해서 산화제의 유속이 증가하게 된다. 이와 같은 구조를 통해 연소로(100) 내에서 발생하는 유동 모멘텀의 증가를 가능하게 한다.
경사부재(47)는 내부 재순환 유도부(40)의 내부 하단부 즉, 연결 가이드(43)와 절곡부(45)의 경계선 상에 배치되는 구조체로서 연소가스가 유동할 수 있는 폭을 조절하여 결과적으로 유속을 조절하게 된다.
내부 재순환 유도부(40)의 다른 실시예로서, 내부 재순환 유도부(40)의 외주연의 일부가 개방된 개방부가 형성되어, 연소로(100)에서 발생한 연소가스의 일부는 2차 공기 유로(30)로 공급되는 혼합기에 의한 저압에 의해 유동하여, 복수의 2차 연료 분사체(20) 사이를 통하여 내부 재순환 유도부(40)로 유입되어 연소로(100) 내로 재순환 될 수 있다(도 3 참조).
재순환 촉진 돌기부(90)는 내부 재순환 유도부(40)를 구성하는 절곡부(45)와 1차 공기 유로(11) 사이, 즉 2차 공기 유로(30)의 공간을 좁히게 된다.
연소로(100)로부터 내부 재순환 유도부(40)를 통해 유동하는 연소가스의 유속은 재순환 촉진 돌기부(90) 부근을 지나면서 상승하게 된다. 이를 통해 내부 재순환 유도부(40)를 통해 연소로(100)로 재유입되는 연소가스의 박리(separation)가 방지되고, 결과적으로 연소가스의 재순환을 촉진한다.
열교환기(200)는 연소로(100)에 연결된 배가스 라인(60)에 설치되어, 연소로(100)에서의 연소에 의해 발생하여 배가스 라인(60)을 통하여 연소로(100) 외부로 배출되는 배가스로부터 열에너지를 회수한다. 열교환기(200)의 구성은 한정되지 않으나, 예를 들면 유체가 유동하는 열교환 튜브 등으로 구성되어 배가스와의 열교환을 통하여 열에너지가 회수된다.
한편, 배가스의 열에너지가 회수됨에 따라 배가스 내의 수분이 응축되어 응축수가 생성된다.
응축수 저장조(300)는 열교환기(200)와 연결되어 열교환기(200)에서 응축된 응축수를 저장한다.
외부 재순환 라인(50)은 배가스 라인(60) 일측에서 분기되어 윈드박스(80)와 연결되어, 열교환기(200)를 지난 배가스의 일부가 윈드박스(80)로 유입되도록 하며, 이를 위하여 외부 재순환 라인(50)과 배가스 라인(60)이 분기되어 연결되는 측에는 송풍기(53) 및 배가스 댐퍼(62)가 설치된다.
송풍기(53)는 배가스 라인(60)을 지나는 배가스를 외부 재순환 라인(50)을 통하여 윈드박스(80) 내부로 압송하며, 압송되는 공기의 양은 배가스 댐퍼(62)의 제어에 의해 조절된다.
한편, 외부 재순환 라인(50) 일측으로는 상기 송풍기(53)에 의해 외부로부터 외기가 유입되며, 이의 유량을 조절하기 위한 외기 댐퍼(52)가 설치된다.
송풍기(53)에 의해 유입되는 외기와 배가스 라인(60)에서 유입되는 배가스가 혼합된 혼합기가 외부 재순환 라인(50)을 통하여 윈드박스(80) 내부로 압송되며, 윈드박스(80) 내부로 압송된 혼합기가 2차 공기로서 2차 공기 유로(30)를 통하여 연소로(100) 내부로 유입되어 재순환하게 된다.
배가스 라인(60)에는 배출되는 배가스의 산소농도를 측정하기 위한 제1센서(65)가 설치되며, 윈드박스(80)에는 윈드박스(80)로 유입되는 혼합기의 산소농도를 측정하기 위한 제1센서(83)가 설치된다.
상기 제1센서(65) 및 제1센서(83)에서 측정되는 배가스와 혼합기의 산소농도에 따라 상기 배가스 댐퍼(62)와 외기 댐퍼(52)의 개도를 조절하게 되며, 상세히는 후술한다.
분사노즐은 윈드박스(80)로 유입되어 재순환하는 혼합기에 수분을 공급하여 습도를 높여 공급하기 위한 것으로서, 상기와 같이 열교환기(200)에서 응축되어 응축수 저정조에 저장된 응축수가 분사노즐에 의해 분사되어 혼합기에 공급된다.
분사노즐이 설치되는 위치는 한정되지 않으나, 분사노즐은 복수의 분사노즐(51, 61, 81, 82)로 구성될 수 있다.
분사노즐은 상기 외부 재순환 라인(50)에 설치되는 제1분사노즐(51), 상기 외부 재순환 라인(50)의 타측과 상기 2차 공기 유로(30)를 연통시키는 윈드박스(80)에 설치되는 제2분사노즐(81), 상기 연소로(100) 내부에 설치되는 제3분사노즐(82), 및 상기 배가스가 상기 외부 재순환 라인(50)으로 유입되는 라인에 설치되는 제4분사노즐(61)의 복수로 구성될 수 있다.
또한, 각 분사노즐(51, 61, 81, 82)에는 분사하는 응축수의 양을 조절하는 액츄에이터(미도시)가 구비되어 연소로(100) 내 온도 또는 질소산화물 농도에 따라 선택적으로 응축수를 분사하거나, 분사하는 응축수의 양이 조절될 수 있다.
또한, 열교환기(200)와 상기 각 분사노즐(51, 61, 81, 82) 사이에는, 열교환기(200)에서 응축된 응축수를 미세한 입자로 무화하여 분사노즐로 공급하는 무화장치가 설치되며, 혼합기에 분사되는 응축수의 입자를 작게 하여 공급하여 보다 효과적으로 혼합기의 수분을 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도 2를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초저질소산화물 연소장치의 동작을 상세히 설명한다.
연료 및 공기가 연소로(100)로 공급되어 연소가 이루어진다.
공급되는 연료는 1차 연료와 2차 연료로 나뉘어 공급되며, 공기도 마찬가지로 1차 공기 및 2차 공기로 나뉘어 공급됨으로써 연소로(100) 내에서 다단 화염을 형성하게 되어 1차적인 질소산화물 감소 효과를 얻을 수 있다.
1차 연료는 1차 연료 분사체(10)로 공급되어, 1차 연료 분사체(10)의 선단 측의 외주면을 통해 반경 방향으로 분사된다.
상기와 같이 분사된 1차 연료는 1차 공기 유로(11)로 공급되는 1차 공기와 혼합되며 예혼합 영역(78)을 형성한다. 여기에서, 1차 연료 분사체(10)는 연소로(100) 방향으로 향할수록 확개되는 형상을 가지므로 분사되는 연료가 넓은 부위에 걸친 예혼합 영역(78)을 형성할 수 있게 한다.
예혼합 영역(78)에 형성된 예혼합기는 1차 연료 분사체(10)의 선단을 통하여 연소로(100) 내로 분사되어, 1차 화염 영역(72)을 이루며 연소된다.
상기한 바와 같이, 1차 화염 영역(72)의 경우에는, 1차 연료와 외부에서 공급되는 공기(산화제)의 연소에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이는 후술하는 배가스의 재순환을 통한 연소의 경우 배가스에는 산소량이 적고 불활성 기체량이 많아 화염의 형성이 비교적 불안정 하므로, 1차 화염 영역(72)은 연료와 외부에서 유입되는 공기를 연소시켜 화염 영역을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 2차 연료가 2차 연료 분사부(22)로 공급되어 분사부(22)를 통하여 연소로(100) 내로 공급되며 연소가 이루어진다.
2차 연료 분사체(20)를 통해 1차 화염 영역(72)의 둘레 측의 상부로 분사되는 2차 연료는 먼저 1차 화염 영역(72)에서 미반응된 공기와 반응하는 과정을 통해 2차 화염 영역(74)을 형성한다.
1차 연료 분사체(10)의 반경 방향을 따라 분사되는 1차 연료가 1차 공기와 예비 혼합됨으로써 예혼합 영역(78)이 형성되고, 이 예혼합 영역(78)으로부터 연소로(100) 내에 공급된 예혼합기에 의해 1차 화염 영역(72)이 형성되며, 1차 화염 공간의 후단으로 2차 연료 분사체(20)로부터 2차 연료가 분사됨으로써 다단 화염 영역에서의 연소가 이루어진다.
연소로(100) 내에서의 연소에 의해 연소가스가 생성되어 배가스 라인(60)을 통하여 배출된다.
배출되는 배가스는 열교환기(200)로 유입되어 열교환에 의해 열에너지가 회수되면서 응축수가 발생한다.
열교환기(200)를 통과한 배가스의 일부는 배가스 라인(60)을 따라 외부로 배출되며, 배가스의 나머지 일부는 송풍기(53)에 의해 외부 재순환 라인(50)으로 유입되어 유동한다.
또한, 송풍기(53)에 의해 외기가 외부로부터 외부 재순환 라인(50)으로 유입되어, 배가스와 혼합되어 혼합기를 형성하고 형성된 혼합기는 윈드박스(80)로 유입된다.
윈드박스(80) 내로 유입된 혼합기가 2차 공기로서 2차 공기 유로(30)를 통하여 연소로(100) 내로 재유입 됨으로써 배가스의 외부 재순환이 이루어지게 된다.
1차 화염 영역(72) 및 2차 화염 영역(74)을 포함하는 다단 화염 공간에서의 연소가스(75)는 2차 공기 유로(30)를 통한 혼합기의 공급에 의해 형성되는 저압에 의해 내부 재순환 유도부(40)로 유입되어 혼합기와 혼합되면서 2차 공기 유로(30)를 따라 연소로(100) 내부로 다시 유입되어 재연소 된다.
이와 별도로 2차 연료 분사체(20)의 둘레 측과 연소로(100)의 양 측면 사이의 공간에는 재순환 영역이 형성된다. 이러한 재순환 영역에서 와류 형태로 연소가스가 유동한다.
재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)는, 2차 연료 분사체(20)의 선단에서 고속으로 분사되는 연료에 의해 형성되는 저압에 의하여 재순환 포트(21)로 유입된다.
재순환 포트(21)로 유입된 연소가스(76)는 분사되는 2차 연료 분사부(22)에서 분사되는 2차 연료와 혼합되어 분사부(22)를 통하여 연소로(100) 내부로 분사되어 재연소 될 수 있다.
한편, 상기와 같이 내부 재순환 유도부(40)의 다른 실시예로서, 내부 재순환 유도부(40) 일측이 개방된 개방부가 형성된 경우, 연소로(100) 둘레 측과 내부 재순환 유도부(40)의 외주연이 연통됨으로써, 재순환 영역에서 유동하는 연소가스(76)의 일부는 2차 공기 유로(30)로 유입되는 혼합기에 의하여 발생하는 부압에 의해, 각 2차 연료 분사체(20)의 이격된 사이와 개방부를 통과하여 내부 재순환 유도부(40)를 통하여 2차 공기 유로(30)로 유입되어 혼합기와 함께 연소로(100) 내 1차 화염 영역(72)으로 공급됨으로써 재연소가 이루어질 수 있다.
외부 재순환 라인(50)을 통하여 2차 유로로 공급되는 혼합기의 배가스/외기 혼합 비율은 상기 배가스 댐퍼(62)와 외기 댐퍼(52)의 연동제어를 통하여 조절된다.
구체적으로, 배가스 라인(60)에 설치된 제1센서(65)와 윈드박스(80)에 설치된 제1센서(83)에 감지되는 산소농도에 따라 배가스 댐퍼(62)와 외기 댐퍼(52)가 제어되어 혼합비를 조절하며, 이는 하기 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018120293077-pat00001
상기 식 1에서, [02]1은 제1센서(83)에서 측정되는 윈드박스(80)로 유입되는 혼합기의 산소농도이고, [02]F는 제1센서(65)에서 측정되는 배가스 라인(60)으로 배출되는 배가스의 산소농도이다. 또한, Qair는 외기의 유량이고, QFGR은 배가스의 유량이다.
상기한 바와 같이, 연소로(100)의 다단 연소에 의한 질소산화물 저감 효과 쭘만 아니라, 연소가스의 내부 재순환 및 배가스의 외부 재순환을 통하여 질소산화물을 더욱 저감할 수 있다.
연소시에 각 분사노즐(51, 61, 81, 82)은 응축수 저장조(300)에 저장된 응축수를 배가스, 혼합기 또는 연소로(100) 내에 직접 분사한다.
응축수 저장조(300)에 저장된 응축수가 무화장치에 의해 무화된 후에 각 노즐에 의해 분사되며, 구체적으로는, 제1분사노즐(51) 및 제2분사노즐(81)을 통하여 혼합기에 응축수를 분사하거나, 상기 제3분사노즐(82)을 통하여 응축수를 연소로(100) 내에 직접 분사하거나, 제4분사노즐(61)을 통하여, 외기와 혼합되기 전의 배가스에 응축수가 분사된다.
추가로, 각 분사노즐(51, 61, 81, 82)에 설치된 액츄에이터가 상기 연소로(100) 내의 질소산화물 농도나 온도에 따라 연동하여 동작함으로써 각 노즐에서 응축수가 선택적으로 분사되거나, 분사되는 양을 조절한다.
기존의 외부 재순환 방식을 사용하는 연소장치의 경우에는 응축수를 연소장치 내에 분사할 수가 없다. 그 이유는, 배가스의 질소산화물 농도가 높기 때문에 배가스가 응축되어 생성되는 응축수가 산성을 띄게 되어 연소장치 각 구성의 부식을 야기하기 때문이다. 가사, 이와 같은 기술의 적용을 하려 한다면 별도의 물 공급부를 구비하여야 한다.
그러나, 본 발명에서는 내부 재순환에 의해 배가스의 질소산화물 농도가 매우 낮고(대략 10ppm 이하), 이러한 배가스의 열교환을 통하여 생성되는 응축수는 거의 중성에 가까운 상태로서 이를 연소장치 내에 분사하는 방식으로 사용할 수 있다.
이와 같이, 응축수를 연소장치를 유동하는 유체(배가스, 혼합기)에 분사하게 되면 응축수의 잠열에 의해 유체의 온도가 상승함과 함께 습도도 매우 높아지게 된다. 이러한 유체를 연소로 내 화염으로 공급함에 따라 화염의 국부적 고온영역의 발생을 억제하고, 배가스의 응축온도를 상승시켜 최종적으로는 고효율과 저공해의 동시 달성이 가능해진다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 초저질소산화물 연소장치에 의하면, 공기 및 연료의 다단 공급을 통한 분할 화염 연소기술, 연소가스 내부 재순환 기술, 배가스 외부 재순환 기술 및 응축수를 재이용한 국부 고온영역의 해소 기술을 최적화 하여 적용 및 제어함으로써 질소산화물 저감은 물론 연소장치가 적용되는 보일러 등의 효율 향상에 있어 매우 뛰어난 효과를 나타낸다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 1차 연료 분사체
11: 1차 공기 유로
20: 2차 연료 분사체
21: 재순환 포트
22: 분사부
30: 2차 공기 유로
40: 내부 재순환 유도부
50: 외부 재순환 라인
60: 배가스 라인
80: 윈드박스
100: 연소로
200: 열교환기
300: 응축수 저장조
400: 무화장치

Claims (11)

  1. 연소로(100);
    상기 연소로(100) 일측에 위치하는 1차 연료 분사체(10);
    상기 1차 연료 분사체(10) 주위를 감싸듯이 위치하는 1차 공기 유로(11)를 포함하는 버너;
    상기 1차 공기 유로(11) 둘레 측에 위치하며, 그 단부가 상기 연소로(100) 내부로 소정간격 인입되어 위치하는 2차 연료 분사체(20);
    상기 1차 공기 유로(11)와 상기 2차 연료 분사체(20) 사이에 위치하는 내부 재순환 유도부(40);
    상기 1차 공기 유로(11)와 상기 내부 재순환 유도부(40) 사이에 위치하는 2차 공기 유로(30);
    상기 연소로(100)에서 배출되는 배가스로부터 열을 회수하는 열교환기(200);
    상기 열교환기(200)를 지난 배가스와 외부에서 유입되는 외기가 일측으로 유입되어 혼합된 혼합기가 상기 2차 공기 유로(30) 측으로 공급되도록 하는 외부 재순환 라인(50); 및
    상기 2차 공기 유로(30) 측으로 공급되는 혼합기에 상기 열교환기(200)에서 응축된 응축수를 분사하는 분사노즐;을 포함하며,
    상기 연소로(100) 내에서 발생하는 연소가스는 상기 2차 공기 유로(30)를 통하여 연소로(100)로 공급되는 혼합기의 유동에 의해 상기 내부 재순환 유도부(40)를 통하여 상기 연소로(100)로 재공급되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2차 공기 유로(30) 측으로 공급되는 혼합기의 산소농도 및 상기 연소로(100)에서 배출되는 배가스의 산소농도를 각각 감지하는 복수의 센서; 및
    상기 외부 재순환 라인(50)으로 유입되는 배가스 및 외기의 유량을 각각 조절하는 복수의 댐퍼;를 더 포함하며,
    상기 각 센서에서 감지되는 각각의 산소농도에 따라 상기 각 댐퍼에 의해 상기 배가스 및 상기 외기의 유량이 조절되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사노즐에서 분사되는 응축수의 양을 조절하는 액츄에이터를 더 포함하며,
    상기 연소로(100) 내의 온도 또는 질소산화물 농도에 따라에 따라 상기 액츄에이터에 의해, 상기 분사노즐에서 분사되는 응축수의 양이 조절되는,
    초저질소산화물 연소장치
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(200)에서 응축되는 응축수를 무화하는 무화장치를 더 포함하며,
    상기 무화장치에 의해 무화된 응축수가 상기 분사노즐을 통하여 분사되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사노즐은,
    상기 외부 재순환 라인(50) 일측에 설치되는 제1분사노즐(51), 상기 외부 재순환 라인(50)의 타측과 상기 2차 공기 유로(30)를 연통시키는 윈드박스(80)에 설치되는 제2분사노즐(81), 상기 연소로(100) 내부에 설치되는 제3분사노즐(82), 및 상기 배가스가 상기 외부 재순환 라인(50)으로 유입되는 라인에 설치되는 제4분사노즐(61) 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 어느 하나 이상의 분사노즐은,
    상기 연소로(100) 내 온도 또는 질소산화물 농도에 따라 선택적으로 응축수를 분사하거나, 분사하는 응축수의 양이 조절되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사노즐은,
    상기 외부 재순환 라인(50) 일측에 설치되는 제1분사노즐(51), 상기 외부 재순환 라인(50)의 타측과 상기 2차 공기 유로(30)를 연통시키는 윈드박스(80)에 설치되는 제2분사노즐(81), 상기 연소로(100) 내부에 설치되는 제3분사노즐(82), 및 상기 배가스가 상기 외부 재순환 라인(50)으로 유입되는 라인에 설치되는 제4분사노즐(61)을 포함하며,
    상기 각 분사노즐은,
    상기 연소로(100) 내 온도 또는 질소산화물 농도에 따라 선택적으로 응축수를 분사하거나, 분사하는 응축수의 양이 조절되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너의 둘레측에서 상기 2차 연료 분사체(20)의 선단 측에 위치하는 재순환 포트(21)를 더 포함하며,
    상기 연소로(100) 내의 연소가스 중 일부는 상기 2차 연료 분사체(20)의 선단부로 분사되는 2차 연료의 유속에 의해 상기 재순환 포트(21)를 통하여 상기 연소로(100) 내부로 재유입되면서 상기 2차 연료 분사체(20)에서 분사되는 2차 연료와 혼합되어 재연소되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차 연료 분사체(20)는 상기 1차 연료 분사체(10)를 중심으로 하여 동일 원주 상에 소정간격 이격되어 복수개가 배치되고, 상기 내부 재순환 유도부(40) 일측이 개방되며,
    상기 재순환 포트(21) 측으로 유입되는 연소가스 중 일부가 상기 2차 공기 유로(30) 사이로 공급되는 혼합기의 유속에 의해 상기 내부 재순환 유도부(40)의 개방된 부분으로 유입되어 상기 연소로(100) 내로 공급되어 연소되는,
    초저질소산화물 연소장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 재순환 유도부(40)는,
    상기 2차 연료 분사체(20)를 기준으로 경사지게 배치되는 내부 재순환 슬리브(41), 상기 내부 재순환 슬리브(41)의 후단으로부터 연장되는 연결 가이드(43), 및 상기 연결 가이드(43)의 후단에 연결되어 유동하는 연소가스의 이동방향을 변경하게 하는 절곡부(45)를 포함하는,
    초저질소산화물 연소장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 절곡부(45)는 상기 2차 연료 분사체(20)와 상기 내부 재순환 유도부(40) 사이에서 경사지게 배치됨으로써 상기 2차 공기 유로(30)의 폭을 감소시키는,
    초저질소산화물 연소장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절곡부(45)와 상기 1차 연료 분사체(10)의 외면 사이에 부설되는 재순환 촉진 돌기부(90)를 더 포함하며,
    상기 재순환 촉진 돌기부(90)는 상기 1차 연료 분사체(10)와 상기 재순환 유도부 사이로 유동하는 연소가스의 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는,
    초저질소산화물 연소장치.
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