KR100763002B1 - 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러에 관한 것이다.

본 발명에 따른 보일러는 버너의 연소온도와 버너의 높이에 따라 적절하게 배치된 다단의 분사장치를 구비한다. 분사장치는 노즐로 구성되되, 특히 버너 내부로 주입될 연소가스의 선회를 돕기 위해서 버너면을 따라서 일정한 각도로 기울어져 있는 다수의 노즐로 구성되는 한편, 버너의 바닥부에는 잔여 연소가스의 연소와 탈질을 돕기 위해 버너면에서 버너중심을 향해 길게 뻗어 있는 노즐랜스로 구성된 분사장치를 구비하거나 버너면을 따라서 다수의 노즐로 이루어진 버너장치를 추가로 구비할 수 있다.

Description

탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러 {Boiler having injection device that spout reductor for denitration}

도 1은 본 발명에 따른 다단의 분사장치를 갖춘 보일러의 개략적인 도면이다.

도 2a는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도이다.

도 2b는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도이다.

도 2c는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도이다.

도 2d는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도이다.

도 3은 본 발명의 보일러 버너면에 장착될 분사장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 보일러 바닥부에 설치될 분사장치의 다른 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 ----- 보일러, 2 ----- 버너,

10,20,30,40 ----- 분사장치, 11,41 ----- 노즐,

42 ----- 노즐랜스.

본 발명은 탈질용 환원제를 분사하는 보일러에 관한 것이며, 특히 이 보일러의 버너면에 장착될 다단의 분사장치에 관한 것이다.

종래에 사용되었던, 수관과 노통 및 연관튜브를 갖추고 있는 온수전용 보일러는 일반적으로 질소산화물의 저감시스템으로 널리 공지되어 있는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; 이하 SCR) 또는 선택적 비촉매 환원법(Selective Non-Catalytic Reduction; 이하 SNCR)으로는 탈질효과를 최적화시킬 수 없는 것으로 알려져 있다.

구체적으로 말하자면, SCR은 가정용 또는 온수전용 보일러(현재는 하향식 보일러가 대세임)에 적용하는 데에 상당한 어려움이 있다. 전술된 일반적인 온수전용 보일러의 구조상 연소버너에서 발생하는 배기가스의 온도가 대략 70~150℃ 정도로 낮은 온도분포를 유지하고 있을 뿐만 아니라 이의 부하변동이 매우 극심하여 SCR을 직접적으로 적용하여도 만족스런 질소산화물(NO_X)의 저감효과를 창출하지 못할 것이다.

이러한 문제점을 갖고 있는 온수전용 보일러에 SCR을 적용하기 위해서서는, 남아 있는 배기가스는 청정연료로 다시 재가열되어서 배기가스의 온도분포를 일정 수준의 고온으로 끌어 올려야 하며 이러한 재가열공정에서 발생되는 불필요한 과잉열에 대한 열회수장치를 추가로 갖춰야 하므로 보일러의 설치 효용성 및 경제성이 떨어지는게 현실이다.

덧붙여서, SNCR은 일반적인 온수전용 보일러에 적용이 가능한 것으로 알려져 있으나, 전술되었듯이 보일러 버너에서 부하변동이 심하고 버너 내부에서 온도분포가 다양하기 때문에 탈질효율이 떨어지며 부산물의 생성이 많아 환경규제를 만족시키기에는 상당한 애로사항을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 탈질용 환원제를 분사하는 보일러 뿐만 아니라 이 보일러 내부로 환원제를 공급하는 분사장치가 안출되었다.

본 발명의 목적은 무촉매 탈질기술을 적용하여 탈질효율을 SCR 수준에 이르는 60~75% 정도로 향상하여 강화된 환경법규를 충족시킬 수 있도록 한다.

이를 위해서, 본 발명은 복합제어가능한 분사장치를 갖추고 있는 것을 특징으로 하며 그 특징은 다음과 같다. 본 발명에 따른 분사장치는,

(1) 분사각도의 제어;

(2) 분산 및 혼합제어;

(3) 과열 및 고온부식제어 및;

(4) 분사거리제어;를 효과적으로 실시하여 질소산화물을 충분히 저감시키도록 한다.

본 발명의 분사장치는 보일러 부하에 종속되어 버너의 길이(높이)에 따라서 다단으로 배치되어 있다. 예컨대, 버너 내부에 발생하는 온도분포영역에 따라서 본 발명에 따른 보일러의 버너면에 분사장치를 개별적으로 장착하는 것이 바람직하다. 버너의 내부온도가 일정하게 분포하지 않고 보일러의 온도조절부로 온수온도를 조절할 때마다 버너의 연소온도가 매번 달라지기 때문에 분사장치는 버너의 높이에 따라서 적당하게 배치된다. 전술된 바와 같이, 다단으로 배치될 분사장치는 2~5단으로 배치되며, 특히 4단으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 보일러에 사용될 분사장치는 다수의 노즐로서 구성되어 있으며, 버너 내에서 화염을 만드는 연소가스를 일정한 방향으로 선회될 수 있도록 환원제를 분사한다. 버너 내부로 주입될 연소가스는 환원제를 함유한 혼합공기의 제어를 통해서 일정한 방향으로 선회된다. 즉, 혼합공기를 버너 내부로 분사할 수 있게 다수의 노즐로 이루어진 분사장치는 버너면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 배치되어 전술된 바와 같이 연소가스를 선회시킬 수 있다. 노즐로 구성된 분사장치는 또한 연소가스와 혼합공기와의 접촉면을 확대시키기 위해서 압력 및 유량을 제어할 수 있도록 되어 있다.

또한, 노즐랜스형태로 이루어진 본 발명에 따른 분사장치의 다른 일례는 버너의 바닥부에 근접하게 배치되며 분사장치의 최하단에 배치되는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 하향식 보일러에서는 화염이 위에서 아래방향으로 일어나기 때문에 버너의 바닥면에 노즐랜스로 된 분사장치를 배치한다. 통상적으로, 분사장치의 마지막 단이 형성될 바닥부, 더욱 구체적으로 바닥부의 중심에는 질소산화물과 환원제를 함유한 혼합공기와의 혼합이 제대로 이루어지지 않기 때문에, 다수의 노즐을 내설하고 있는 노즐랜스(nozzle lance)를 매개로 하여 버너 내부로 직접 혼합공기를 배출할 수 있도록 한다.

이제, 첨부도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 보일러와 이에 장착될 분사장치에 대해서 더욱 상세히 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단의 분사장치를 갖춘 보일러를 개략적으로 도시한 종단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 보일러(1)는 각 연소버너에 화염온도 및 버너(2)의 높이에 따라 다단으로 배치된 다수의 분사장치(10,20,30,40)를 구비한다. 특히, 도시된 보일러(1)는 현재 일반적으로 사용되고 있는 하향식 보일러를 도해한 것이다. 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이 하향식 보일러(1)의 구조와 형상에 대해서는 구체적으로 기술하지 않도록 하여 본 발명의 특징을 더욱 명확하게 하여 이해를 돕기 위함이다.

제1분사장치(10)는 버너(2)의 연소가스 배출구에 근접하게, 특히 버너 높이에 1/2지점에 배치되는 것이 바람직하며 제4분사장치(40)는 버너(2)의 바닥부에 근접해서 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 제2분사장치(20)와 제3분사장치(30)는 전 술된 제1분사장치(10) 및 제4분사장치(40) 사이에 적당하게 이격시켜 배치된다.

도 2는 각각의 분사장치(10,20,30,40)의 배열상태를 도해한 것이다. 제1 내지 제3분사장치(10,20,30)는 다수의 노즐이 버너면을 따라서 적당하게 배열되어 있으며, 이에 대해서는 도 2a 내지 도 2c에서 도해할 것이다.

도 2a는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도이다. 도시되었듯이, 제1분사장치(10)는 다수의 노즐(11)이 버너면에서 일정한 각도로 기울어지게 배열되어 있다. 기울어진 노즐(11)들이 버너(2) 내부로 환원제를 함유한 혼합공기를 분사하므로써 실선으로 표시된 화살표방향(F)으로 연소가스를 선회시킬 수 있다. 노즐(11)을 통해 버너(2) 내부로 분사될 혼합공기는 연소가스를 선회시켜 탈질용 환원제와의 혼합을 돕도록 한다. 이와는 달리, 노즐의 기울기 방향을 반대로 하여 선회방향을 시계방향으로 유도할 수도 있다.

도 2b는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도로서, 제2분사장치(20)는 제1분사장치(10)와 동일한 구조로 이루어져 연소가스의 선회를 돕는다.

도 2c는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도로서, 제3분사장치(30)는 제1분사장치(10)와 동일한 구조로 이루어져 연소가스의 선회를 돕는다.

도 2d는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ 선에서 바라본 보일러의 횡단면도로서, 제4분사장치(40)는 버너(2)의 바닥부에 근접하게 배치되어 있다. 도시된 바와 같이, 제4분사장치(40)는 앞서 기술된 분사장치(10,20,30)과 유사하게 버너면 둘레로 배치된 다수의 노즐(41)로 구성되는 한편, 버너의 일측면에서 버너(2)의 중심을 향해 길게 뻗어 있는 노즐랜스(42)를 추가로 구비한다. 특히, 제4분사장치(40)가 장착된 버 너(2)의 바닥부까지 연소가스가 원활하게 공급되지 못하면, 연소가스와 제4분사장치(40)에서 분사될 혼합공기와의 접촉이 효과적으로 이루어지지 못하기 때문에 버너(2)의 중심까지 혼합공기를 제공할 수 있는 노즐랜스(42)를 구비하여 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 보일러 버너면에 장착될 분사장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면으로, 제1 내지 제4분사장치(10,20,30,40)에 각각의 노즐이 사용되므로 도 3에서는 제1분사장치(10)에 구비될 노즐을 개략적으로 도해한 것이다.

노즐(11)은 버너면을 관통하여 버너(2) 내부로 환원제를 함유한 혼합공기를 공급할 수 있도록 한다. 특히, 버너(2) 내부에 위치된 노즐단부는 버너면과 일정한 각도로 경사지게 배치되어 이미 기술된 바와 같이 연소가스의 선회를 돕고, 그 단부에서 혼합공기의 확산(점선방향)된다.

노즐(11)은 혼합공기의 분산을 돕기 위해서, 제어부(111)를 추가로 구비한다. 제어부(111)는 환원제와 공기의 혼합비, 분사압력, 분사각도 및, 유량을 제어한다. 분사압력과 유량을 제어하므로써, 버너 내부로의 분사거리를 조절할 수 있어 연소가스와 혼합공기와의 접촉을 촉진시킬 수 있어 탈질효과를 극대화시킨다.

당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 환원제는 사용조건에 따라서 요소, 암모니아 또는 탄산암모늄 등을 사용한다.

도 4는 본 발명에서 사용될 노즐랜스의 개략적인 단면도이다.

도 2d와 도 4를 참조로 하여, 제4분사장치(40)는 도시된 노즐랜스(42)와 버너면 둘레로 배열된 다수의 노즐(41)로 이루어진다. 특히, 노즐랜스(42)는 버너(2) 의 일측면에서 버너의 중심방향으로 길게 뻗어 있다. 노즐랜스의 길이부(421)는 그 중심내부로 환원제 이송튜브(432)를 구비한다. 환원제 이송튜브(432)는 환원제 저장조(도시되지 않음)으로부터 노즐랜스(42)의 길이부보다는 못미치게 뻗어 있는바, 노즐랜스의 길이부(421)는 그 외주면을 따라서 다중의 노즐구멍을 형성하여서 환원제 이송튜브(432)로 전달된 환원제를 버너(2) 내부로 분사할 수 있게 한다. 고온을 유지하는 버너(2) 내부에서 유지보존할 수 있게 노즐랜스(42)의 길이부를 따라서 냉각수를 연속적으로 공급할 수 있는 냉각수로(433)을 구비한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 보일러의 버너 내에서 일어날 연소공정 중 발생되는 질소산화물을 저감하기 위해서 버너 높이를 고려해 적절히 이격되게 배치된 다단의 분사장치를 갖추고 있고, 이 분사장치는 버너면과 일정한 각도로 경사지게 배열되어 연소가스와 분사될 혼합가스의 접촉을 용이하게 할 수 있는 다수의 노즐을 갖출 수 있도록 제공된다. 또한, 버너의 바닥부에서는 혼합가스와 연소가스의 접촉이 특히 용이하지 않기에 버너 중심까지 혼합가스를 공급할 수 있는 노즐랜스를 구비하도록 되어 있다.

Claims (5)

1. 수관과 노통 및 연관튜브를 구비하고 버너에서 연소가 일어나는 보일러에 있어서,

   하향식으로 연소될 수 있게 상부에서 연소가스를 공급하는 버너와;

   상기 버너의 측벽면을 관통하는 다수의 노즐을 구비한 다단의 분사장치 및;

   환원제를 구비하고서 상기 분사장치로 공급할 수 있는 환원제 저장조;로 이루어지며, 상기 노즐이 버너면과 일정한 각도로 경사지게 배열되어 연소가스를 선회되게 하는 것을 특징으로 하는 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러.
2. 제1항에 있어서, 상기 버너의 높이를 기준으로 1/2지점에서 버너의 바닥부에 근접한 위치까지 상기 분사장치를 다단으로 배치하는 것을 특징으로 하는 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러.
3. 제1항에 있어서, 상기 노즐은 제어부를 구비하여 공기와 환원제의 혼합비, 분사각도, 분사압력 및, 유량을 조절하여 연소가스로 분사시키는 것을 특징으로 하는 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러.
4. 제1항에 있어서, 상기 분사장치는 외주면 둘레로 다수의 노즐구멍을 구비하고 그 중심에는 환원제 이송튜브와 냉각튜브를 갖춘 노즐랜스를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러.
5. 제4항에 있어서, 상기 노즐랜스는 상기 버너의 바닥면에 인접해 있는 분사장치에 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 탈질용 환원제를 분사하는 분사장치를 갖춘 보일러.

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