KR100361645B1 - 배기가스 재순환방식에 의한 저질소산화물 소형 응축식 가스보일러 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스 재순환 연소방식을 질소산화물(NOx)을 저감시키는 이론을 적용하는 응축식 소형 가스보일러의 구조 및 연소방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러에 있어서 가장 중요한 기술 개발 대상과제인 공해저감과 효율 향상에 관한 사항으로서 보일러의 안정된 연소상태를 유지하면서 연소과정에서 발생하는 환경오염물질인 질소산화물(NOx)의 배출을 최소화하고, 연소배가스 중의 포함된 수분의 보유열량을 적극 회수하여 보일러의 열 효율을 극대화하기 위한 가정용 및 소형 가스보일러의 구조에 관한 것이다.

상기와 같은 목적으로 기존의 소형 가스 보일러에서 전혀 사용되지 않던 구조로서 배기가스의 재순환 연소법을 적용하기 용이하도록 무동력의 이젝터를 사용하여 배가스 일부를 연소용 공기의 공급력에 의해서 함께 흡입되어 혼합되도록 하며, 기존의 가정용 보일러에 있어서 효율 향상을 목적으로 열교환 전열면 확대와 응축열 회수를 위하여 2개의 별도 열교환기를 직열로 연결하여 사용함에 따른 열교환기의 보일러 내부 공간 배치 특성이 좋지 않고 보일러 제작이 나쁜 단점의 보완과 전열성능 향상을 위하여 충분한 응축열을 회수할 수 있을 정도의 전열면적을 갖는 1개의 열교환기로서 기존의 판형 핀의 형태를 그대로 사용하면서 판형핀 형태의 격벽을 핀 중간에 설치하여 2패스 방식으로 전열면을 분리시키는데 착안하여 연소가스의 유동 구조를 2패스 방식의 구조를 갖게 함으로서 기존의 응축형 보일러에 비해 구조를 단순화시키고, 배가스의 공해물질 배출량을 줄이며, 열효율을 증대시킨 보일러 구조를 갖는다.

이와 같은 보일러의 구조는 가정용을 포함하는 기존의 소형 보일러에 비해서 질소산화물 저감을 위한 높은 공기비 연소에 따른 효율 저하를 방지할 수 있으며, 보일러의 연소량 즉 부하의 변화에 따른 응축수 발생 위치의 변화와 연소가스의 급격한 온도저하에 의한 굴뚝에서의 응축현상으로 인한 폐해를 완화시킬 수 있고, 격벽의 전열핀화에 따른 격벽의 과열방지, 예혼합 연소방법에 배가스 재순환법의 적용에 따른 안정성유지 및 수관군 연소의 적용에 따른 화실확보에 따른 보일러 크기의 감소 등의 많은 장점을 갖는다.

배기가스 일부를 재순환시켜서 공기 및 연료가스와 함께 모두 미리 혼합하여 연소기에 공급하여 연소시키는 방법은 재순환시키지 않는 보일러의 경우에 비하여 연소 반응이 지연됨으로서 화염의 온도를 일차 낮추어서 열 NOx의 발생을 근본적으로 억제할 수 있는데, 일반적으로 확산화염이나 세미 분젠화염과 같이 역화나 가연 한계 밖의 혼합기에 대해서는 안전성 유지가 비교적 용이하나 이와 같이 예혼합 연소에서는 배가스의 온도가 높으면 자체 발화하여 연소기 내부에서 연소될 수 있기 때문에 응축형 보일러와 같이 배가스 온도가 낮은 경우에만 이 배가스 재순환법을 예혼합 연소에 적용하여 연소 중에 발생을 억제할 수 있으며, 동시에 화염중에 핀붙이 수관을 배치하여 화염온도를 더욱 낮춤으로서 열 NOx 발생을 최소화한다. 동시에 보일러의 핀붙이 수관 전열면을 2 패스 방식으로 확장 배치하여 배기가스의 응축 잠열을 회수함으로써 열효율을 극대화할 수 있을 뿐만아니라 응축수의 배출이 용이한 구조이다.

Description

배기가스 재순환방식에 의한 저질소산화물 소형 응축식 가스보일러 구조 {A Small Condensing Gas Boiler for Emitting Low NOx by Exhaust Gas Recirculation }

본 발명은 배기가스 재순환방식에 의한 저질소산화물 응축식 소형 가스보일러 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러에서 연소되어 굴뚝으로 배출되는 배기가스 중 일정량을 다시 흡입하여 혼합기에서 공기 및 가스연료와 함께 혼합시킨 후 예혼합 버너로 연소시킴과 동시에 보일러 내의 수관을 연소 화염 속에 배치함으로서 질소산화물(NOx)의 생성을 억제할 뿐만 아니라 보일러의 구조를 전열효과를 상승시키기 위하여 사용하는 핀에 해당하는 형태의 격벽을 설치하여 1개의 열교환기로서 2패스(pass) 방식으로 설계하여 연소과정에서 생성되는 연소 배기가스 중의 수분이 보유한 응축열을 회수함으로서 기존의 응축형 보일러에 비해 구조를 단순화시키고, 배가스의 공해물질 배출량을 줄이며, 열효율을 증대시킨 가스 보일러의 구조에 관한 것이다.

가정용 또는 소형 보일러에서 사용되는 연료는 경유로 대표되는 유류와 LPG 또는 LNG의 가스를 들 수 있다. 우리나라에서는 공업화의 역사가 짧은 데 따른 천연가스의 수입과 보일러용 연료로서 가스를 사용하기 시작한 것은 역사가 그다지 깊지 않다. 따라서 우리나라의 가스보일러에 대한 기초적인 기술수준이 낮음에도 불구하고, 외래 기술의 도입에 의해서 상당히 빠른 속도로 발전하고 있다. 특히 보일러의 효율향상과 보일러에서 발생하는 환경오염물질의 최소화를 위한 기술개발 노력이 끊임없이 이어지고 있다.

가스보일러는 통상 주거지역에서 사용할 뿐만 아니라 꽤 많은 량의 에너지를 사용하기 때문에 오염배출 방지를 위한 관심이 집중되고 있다. 최근에는 환경 친화적이고 효율적인 장치의 개발을 위한 개발경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있는 가운데 가스보일러 분야에서는 공해를 유발하는 대표적인 오염물질인 질소 산화물(NOx)의 발생을 억제함과 동시에 질소산화물과 트레이드 오프 관계에 있는 일산화탄소(CO)의 배출을 최소화하기 위한 가스보일러를 개발하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 가스 보일러에서 공해를 유발하는 상기의 오염물질은 연소반응에 따른 화염의 열적 특성에 따라서 발생되는 양이 결정되는 데, 화염의 특성은 연료와 연소용 공기의 혼합 및 화염의 반응 속도에 따른 반응온도에 따라서 결정된다. 기존의 가정용을 포함한 소형 가스 보일러에서는 세미 분젠식 버너가 널리 이용되고 있는데 이러한 분젠식 버너를 갖는 보일러는 화염의 안정성이나 역화의 위험성이 적다는 등의 장점을 갖는 반면 구조적으로 화염길이가 길고 완전연소가 어려워서 연소에 필요한 공간이 커야할 뿐만아니라 화염의 연소시에 발생하는 오염물질의 저감 및 완전연소를 위하여 연소에 필요한 공기량을 이론 공기량 보다 훨씬 초과하여 과잉공기를 과도하게 투입함으로서 오염물질을 희석하는 구조를 견지하여 왔다. 따라서 보일러의 효율이 낮고 총량적으로는 오염물질의 양이 많이 발생하였으며, 과잉공기의 과다에 의한 화염의 부적절한 냉각에 의해서 일산화탄소의 배출이 많아져서 질식사고를 일으키는 원인이 되기도 하며, 과잉공기의 투입에 의한 보일러 효율 향상의 저해 요인이 된다.

또한 연소반응이 진행되는 데 필수적인 연소공간을 필요로 하며, 효율을 극대화하기 위하여 최근에는 예혼합 연소반응을 동반하는 응축식 열교환기가 적용되고 있으나 현행의 보일러에 있어서는 2개의 열교환기를 별도로 제작하여 직렬로 연결하여 사용하는 하향연소 방식의 1 패스의 응축형 열교환기를 갖는 보일러가 개발되어 있는 실정으로서 컴팩트한 보일러의 설계 및 제작비용 면에서 효과적이지 않다. 그러나 가정용 및 소형 가스 보일러에 본 제안을 통해서 적용하고 자하는 연소가스 재순환 구조 및 판형 핀 형태의 분리판을 이용한 효과적인 응축형 열교환기 적용 방안은 기존의 보일러 구조에서는 연소반응을 위한 연소공간의 최소화와 연소온도를 제어하기 위한 배기가스 재순환기술의 활용 등은 기술상의 문제로 인하여 아직 적절하게 활용되고 있지 않는 실정이다.

본 발명은 응축형 소형 가스보일러에 있어서 무동력 혼합기구인 이젝터를 이용하여 예혼합 연소방법에 배기가스의 재순환을 적용하여 질소산화물 발생량을 최소화하고, 이를 위하여 가스보일러의 굴뚝과 혼합기까지의 거리의 단축과 보일러를 컴팩트하게 제작할 수 있도록 단일 열교환기의 유동공간을 판형핀 형태의 분리판에 의해 분리한 2 패스 방식 응축형 가스보일러의 구조를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스보일러의 종단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 송풍기 2: 유량조절밸브 3: 벤츄리 노즐

4: 이젝터 5: 혼합기 및 균분배판 6: 예혼합 가스버너 및 노즐

7: 열교환기 핀 8: 열교환기 수관 9: 응축수배출구

10: 굴뚝 11: 연료공급관 12: 2 패스용 분리판

13:재순환관

본 발명의 가스보일러는 송풍기(1), 버너(6), 열교환기(8), 굴뚝(10), 배기가스 재순환 통로(13)로 대략 구분할 수 있다.

보다 상세하게는 공기를 공급하는 송풍기(1), 공기 흐름에 연료를 공급하고 연소된 배기가스를 혼합해주는 혼합기(3,4,5), 연료와 공기의 혼합가스의 유속에 의해서 발생하는 마이너스 압력을 이용하여 연소된 배기가스를 흡입하는 이젝터(3, 4), 굴뚝에서 혼합기로 연소된 배기가스를 흡입하는 재순환관(13); 공기, 연료 및 배기가스가 혼합된 예혼합 가연성 혼합기를 연소시켜주는 버너(6), 화염이나 연소가스로부터 열을 흡수하여 물에 전달하는 2 패스 방식의 핀붙이 응축형 열교환기(F inned Tube Condensing Heat Exchanger)(7,8), 배기가스를 대기 중으로 내보내는 굴뚝(10)을 구비한다.

보일러의 용량에 맞는 연료량을 연소시키기에 적합한 풍량을 발생시키는 송풍기(1)로부터 공기가 공급되며, 연료가스는 연료공급관(11)을 통해서 유동하는 공기류 중에 분출된다. 연료와 공기가 혼합된 가연성 가스는 노즐(3)을 통과하는 동안 속도가 빨라지고 이젝터(4)를 지나게 되면 이젝터 내부의 압력이 대기압 이하로낮아져서 배기가스 재순환관(13)을 통해서 배기가스가 이젝터(ejecter) 내부로 유입된다. 공기와 연료가 혼합된 가연성 가스는 다시 배기가스와 혼합되어서 버너(6)의 내부로 공급된다. 이 때 배기가스 재순환관(13)에는 밸브(2)나 교축용 오리피스 또는 배관직경을 적정하게 설정함으로서 배기가스의 재순환량을 제어할 수 있다.

이와 같이 버너내부로 들어온 혼합가스는 버너 노즐면을 지나면서 바로 점화되어 화염을 형성하게 되며 이 화염은 바로 수관으로 구성된 열교환기의 전열면과 부딪히며 열교환에 의해 급격히 온도가 강하하게 되며 이때 열교환기는 핀이 붙지않은 형태나 핀(7)이 붙은 형태로 화염에 의해 소손되지 않는 구조가 되어야 한다. 이와같이 화염온도가 1,200℃ 이하로 강하하게 되면 그 이상의 온도에서 급격하게 생성량이 증가하는 질소산화물의 농도가 크게 감소된다.

상기의 열교환기는 보일러에 있어서 연소화염으로부터 물에 열을 효율적으로 전달하는 핀붙이 방식으로써 화염 및 연소가스 통로는 2 패스로 이루어져 있으며, 이러한 구조를 가짐으로서 버너와 굴뚝이 같은 방향이 되기 때문에 배기가스의 재순환 거리를 단축시킬 수 있어서 무동력의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 2패스 방식의 응축형 열교환기를 사용함으로써 연소가스의 온도가 두 번째 패스에서 응축온도 이하까지 강하되어 결과적으로 응축이 일어나게 된다. 그러나 충분한 응축과 경제적인 응축도달 수준은 흡입공기온도 수준을 감안하여 일반적으로 연소가스가 열교환기를 빠져나갈 때 약 50-60℃ 수준 정도까지 강하되는 것이 좋다.

이상과 같이 열교환기를 통과한 연소가스는 일부가 다시 혼합기를 거쳐 버너로 들어가고 나머지는 굴뚝을 통하여 외부로 배출된다. 그리고 열교환 과정 중에생성된 보일러 하부의 경사면을 따라서 배출구(9)를 통해서 배출되는 데 이때 응축수는 산도에 따라서 알칼리에 의한 중화처리를 하거나 또는 환경오염상의 문제가 없으면 그대로 하수구를 통해서 배출시킨다.

열교환기에 공급되는 물의 유입구와 출구의 위치는 도 1에서와 같이 상부 또는 하부의 위치로 할 수 있으며, 경우에 따라서는 수관의 배열 위치를 바꾸어 도 1의 열교환기 우측 방향에서도 물을 출입시킬 수 있다.

본 발명에 따른 배기가스 재순환형 가스보일러는 배기가스의 일부를 연소실내로 흡입하여 연료 및 공기와 함께 예혼합하여 재연소시킴으로써 배기가스중의 질소산화물(NOx)의 농도를 낮추고 연소효율을 향상시킬 수 있으며, 본 배기가스 재순환 연소기술의 예혼합 버너에 이용은 응축형 보일러와 결합됨에 따라서 가능하게 되었으며, 또한, 연도(10)와 혼합실(4)의 압력차를 극복하고 이젝터의 원리를 이용하여 배기가스를 흡입하기 때문에 배기가스 흡인용 송풍기가 필요 없게 되어 별도의 동력비가 부가되지 않을 뿐만 아니라 크기도 작아지는 잇점이 있다.

한편 이와 같은 보일러 시스템의 공간적 제약을 극복하고 열적으로도 효율이 높게 구성하는 방안의 하나로 열교환기의 연소가스측 패스를 2 패스로 구성하여 굴뚝과 송풍기의 위치를 같은 방향으로 함으로써 굴뚝과 송풍기의 거리를 가깝게 하여 배기가스 재순환을 위한 통로의 설치가 최단거리에서 이루어지게 되고, 별도의 연도 설치공간의 절약에 의한 보일러 내부의 컴팩트화가 가능할 뿐만아니라 부가적으로 배기가스로부터 응축된 응축수 배출이 용이한 구조를 달성한다.

그리고 핀튜브 열교환기를 가스화염 속에 들어가도록 배치하여 화염의 온도를 낮추어 열에 의한 질소산화물의 생성을 저하시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 배기가스의 일부를 재순환시켜 연소기에서 재연소하도록 하여 배출되는 배기가스 중에 질소산화물의 농도가 저감되는 응축형 가스보일러에 있어서, 배기가스의 재순환을 위한 재순환관(13)의 일측에 연통하여 송풍기(1)에 의하여 도입된 연소용 공기 및 연료와 재순환된 배기가스를 혼합하여 예혼합가스버너(6)에 공급하는 구조를 취하며, 상기 공기 및 연료를 상기 송풍기(1)로 오리피스형 또는 벤츄리형 공기 이젝터(4)에 압송하면 이젝터(4)와 연통된 재순환관(13)의 배기가스가 상기 이젝터(4)에 발생되는 흡인력에 의해서 이젝터(4)에 무동력으로 흡인되어 상기 압송된 공기와 연료와 혼합되어 예혼합가스버너(6)에 공급하도록 하며, 상기 예혼합가스버너(6)의 전방으로 판형 핀을 갖는 응축형 1기의 열교환기가 연소실내에 형성되고, 연소가스가 통과하는 유동 공간을 판형 핀 형태의 분리판(12)으로 구획하여 대략 "U"자형의 2패스 연소가스 유통로를 형성하므로서 연소가스가 2개의 구획된 공간을 순차적으로 이동하도록 구성한 소형 응축식 가스보일러의 구조.
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