KR100797493B1

KR100797493B1 - 질소산화물의 저감 시스템

Info

Publication number: KR100797493B1
Application number: KR1020070102693A
Authority: KR
Inventors: 임용택; 이경구; 안상근
Original assignee: 썬보일러 주식회사; 임용택; 이경구; 안상근
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2008-01-24

Abstract

개시된 내용은, 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 낮추고, 보일러가동시 배출되는 폐열을 이용하여 보일러에 공급되는 급수를 예열시켜 공급함에 따라, 보일러의 열효율을 유지하면서 연소용 공기 예열온도의 저하로 인해 질소산화물(NOx)의 생성되는 것을 감소할 수 있도록한 것으로,

본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템은, 보일러와,

보일러에 연소열을 전달하여 급수를 가열하는 버너와,

보일러의 배기가스 배출통로에 설치되며, 보일러로부터 배출되는 고온의 배기가스와 보일러에 공급되는 급수를 상호 열교환으로 인해 급수를 폐열에 의해 가열하는 절탄기와,

버너에 공급되는 연소용 외부공기를 증기의 열을 이용하여 예열하는 증기식 에어히터와,

보일러로부터 배출되는 배기가스를 대기중으로 배출시키는 연도와,

버너의 연소중인 화염에 물을 분사시켜 화염의 온도를 낮추는 물 분사장치를 포함한다.

질소산화물, 저감 시스템, 대기 오염

Description

질소산화물의 저감 시스템{reducing system of NOx}

본 발명은 화석연료의 연소가스 중에 포함되는 질소산화물(NOx) 등의 생성을 최대한 억제하여 대기, 환경 오염되는 것을 최소화할 수 있도록한 질소산화물의 저감 시스템에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 낮추고, 보일러 가동시 배출되는 폐열을 이용하여 보일러에 공급되는 급수를 예열시켜 공급함에 따라, 보일러의 열효율을 유지하면서 연소용 공기 예열온도의 저하로 인해 질소산화물(NOx)의 생성되는 것을 감소시킬 수 있도록한 질소산화물의 저감 시스템에 관한 것이다.

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

이중 질소산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로서 인체에 직접적 으로 해를 끼치고, 산성비의 원인이 되며, 각종 식물의 성장에 심감한 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 더블어 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 과잉공기비에서 연소하는 것이 NO 발생의 억제 방법이 될 수 있다. 이때 화염의 안정성 등을 고려 해야 된다.

열적 질소산화물의 발생기구는 zeldovich에 의해 제시된 다음의 반응식으로 설명될수 있다.

O + N₂↔ NO + N .......(1)

N + O₂↔ NO + O .......(2)

N + OH ↔ NO + H .......(3)

고온에서 O₂가 2 O로 분리되어, 이 산소원자가 공기 중의 질소분자와 반응하여 NO를 생성하고, 동시에 질소원자를 생성하며, 이것이 다시 공기중의 산소와 반응하여 NO를 생성한다. 반응식(3)의 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 연료중의 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 온도보다는 당량비에 크게 영향을 받는다.

즉발 질소산화물은 탄화수소계 연료에서 화염면 및 그 주변에서 급격한 연소로 생성되는 것으로서, NOx 발생량중 열적 NOx 및 연료 NOx에 비하여 무시할 정도이다.

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 예혼합 평판화염에 대하여 실험한 결과, 화염대 주변에서 급속한 NO의 생성을 발견하고, 이때 NO를 "prompt NO"라고 정의하였다. fenimore는 다음 반응식을 제안하였다.

N₂+ CH ↔ HCN + N .......(4)

N₂+ 2C ↔ 2CN .......(5)

반응식(4)의 반응에서 분해된 질소원자는 반응식(2)의 반응으로 NO를 생성하고, 반응식의 HCN 또는 CN도 산소를 포함하는 화화물과 반응하여 NO를 생성하게 된다.

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

저 NOx를 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(soot) 발생의 억제와 함께 이루어져야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 질소산화물의 저감 시스템은, 보일러(1)와,

보일러(1)에 연소열을 전달하여 온수를 가열하는 버너(2)와,

보일러(1)의 배기가스 배출통로(1a)에 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 에어 예열기(3)(air preheater)와,

보일러(1)로부터 배출통로(1a) 및 에어 예열기(3)를 통과시켜 폐열이 회수된 배기가스(150℃ 정도를 유지)를 대기중으로 배출시키는 연도(4)(stack)를 포함한다.

도면중 미 설명부호 5는 연소용 외부공기를 대기압 이상으로 가압(20℃ 정도를 유지)하여 버너(2)에 강제적으로 공급하는 송풍기(forced draft fan)이다.

이때, 전술한 에어 예열기(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 열효율 향상을 위해 에어 예열기(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 그 만큼 감소되므로 보일러의 열효율은 감소된다. 유류 연소 보일러의 경우 NOx 제어를 위해 공기 예열온도를 낮출 경우 배기가스의 온도가 50℃ 높아지면 효율은 2.2% 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 실시예는, 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 낮추고, 보일러 가동시 배출되는 폐열을 이용하여 보일러에 공급되는 급수를 예열시켜 공급함에 따라, 보일러의 열효율을 유지하면서 연소용 공기 예열온도의 저하로 인해 질소산화물의 생성되는 것을 감소할 수 있도록한 질소산화물의 저감 시스템과 관련된다.

본 발명의 실시예는, 화염 온도를 낮출 수 있도록 화염에 물을 분사시키는 물 분사장치를 액체 연료 또는 기체 연료를 사용하는 버너에도 적용할 수 있어 실용성을 향상시킬 수 있도록한 질소산화물의 저감 시스템과 관련된다.

본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템은,

보일러와,

보일러에 연소열을 전달하여 급수를 가열하는 버너와,

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 증기식 에어히터에 의해 예열되는 외부공기는 30∼60℃로 가열되어 버너에 공급될 수 있다.

전술한 버너의 연소용 노즐이 보일러의 화실에 대해 소정 스트로크범위내에서 이동될 수 있도록 연소용 노즐이 방사형으로 고정되는 튜브형 가스링이 보일러에 대해 이동가능하게 장착되어, 화염의 폭과 길이를 가변 조절할 수 있다.

전술한 연소용 노즐은,

튜브형 가스링에 방사형으로 각각 고정되고, 보일러의 외벽에 대해 이동가능하게 결합되는 외측관과, 외측관의 내부에 회전가능하게 결합되고, 연소용 가스를 분사시키는 가스 분사구가 단부에 일방향으로 형성되는 내측관을 포함하여 이루어지며,

내측관의 회전량에 따라 가스 분사구의 분사 방향을 조절하여 화염 중복되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 버너는,

버너에 공급되는 연소용 외부공기의 유입량을 줄여 연료를 과잉 연소시킬 수 있도록 연소용 노즐 안쪽으로 환형으로 형성되는 제1케이싱과,

제1케이싱 외측으로 동심원을 이루어 형성되고, 저공기 연소로 인해 발생되 는 미연분을 완전 연소시킬 수 있도록 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 유입량을 상대적으로 증대시켜 질소산화물 생성을 억제시키는 제2케이싱을 더 포함할 수 있다.

전술한 연소용 노즐의 전방에 설치되고 원활한 착화로 인해 안정된 화염을 형성하는 와류 발생기를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템은 아래와 같은 이점을 갖는다.

버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 낮추고, 보일러 가동시 배출되는 폐열을 이용하여 보일러에 공급되는 급수를 예열시켜 공급함에 따라, 보일러의 열효율을 유지하면서 연소용 공기 예열온도의 저하로 인해 질소산화물의 생성되는 것을 감소할 수 있다.

또한, 화염 온도를 낮출 수 있도록 화염에 물을 분사시키는 물 분사장치를 액체 연료 또는 기체 연료를 사용하는 버너에도 적용할 수 있어 실용성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템은, 보일러(1)(boiler)와,

보일러(1)에 연소열을 전달하여 급수를 가열하는 버너(2)(burner)와,

보일러(1)의 배기가스 배출통로(1a)에 설치되며, 보일러(1)로부터 배출되는 고온의 배기가스와 보일러(1)에 급수통로(6a)를 통하여 공급되는 급수를 상호 열교환으로 인해 급수를 폐열(300℃정도)에 의해 가열(163℃정도)하는 절탄기(6)(economizer)와,

송풍기(5)(forced draft fan)로부터 공기통로(5a)를 통하여 공급되는 연소용 외부공기(20℃정도)를 스팀통로(7b)를 통하여 공급되는 스팀의 열을 이용하여 예열시킨 후, 공기통로(7a)를 통하여 버너(2)에 공급하는 증기식 에어히터(7)(steam air heater)와,

보일러(1)로부터 배출되는 배기가스를 배출통로(1a)를 경유하여 대기중으로 배출시키는 연도(4)(stack)와,

물 분무통로(8a)를 통하여 공급되는 물을 버너(2)(액체 연료 또는 기체 연료가 사용될 수 있음)의 연소중인 화염에 분무상태로 분사시켜 화염의 온도를 낮추는 물 분사장치(8)(water spray system)를 포함한다.

이때, 스팀통로(7b)를 통하여 증기식 에어히터(7)에 공급되는 증기로 인해 예열되는 외부공기는 30∼60℃로 가열되어 공기통로(7a)를 통하여 버너(2)에 공급될 수 있다.

전술한 버너(2)의 연소용 노즐(10)(일예로서 8개가 대항되게 설치됨)이 보일러(1)의 화실(火室)에 대해 소정 스트로크범위(50∼150㎜정도)내에서 이동될 수 있도록 연소용 노즐(10)이 방사형으로 고정되는 튜브형 가스링(9)이 보일러(1)의 외벽(1b)에 대해 이동가능하게 장착되어(도 3에 화살표방향 "C"로 표기됨), 화염의 폭과 길이를 가변 조절할 수 있다.

전술한 연소용 노즐(10)은,

튜브형 가스링(9)에 방사형으로 각각 고정되고, 보일러(1)의 외벽(1b)에 대해 이동가능하게 결합되는 외측관(11)과, 외측관(11)의 내부에 360도 회전가능하게 결합되고(도 4에 화살표방향 "D"로 표기됨), 연소용 가스를 분사시키는 가스 분사구(12)가 단부에 일방향으로 형성되는 내측관(13)을 포함하여 이루어지며,

내측관(13)의 회전량에 따라 가스 분사구(12)의 분사 방향을 조절하여 화염 중복되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 버너(2)는,

미도시된 덕트를 통하여 버너(2)에 공급되는 연소용 외부공기(도 3에 화살표방향 "A"로 표기됨)의 유입량을 줄여 연료를 과잉 연소시킬 수 있도록 연소용 노즐(10) 안쪽으로 환형으로 형성되는 제1케이싱(14)과,

제1케이싱(14) 외측으로 동심원을 이루어 형성되고, 저공기 연소로 인해 발생되는 미연분을 완전 연소시킬 수 있도록 버너(2)에 공급되는 연소용 외부공기(도 3에 화살표방향 "B"로 표기됨)의 유입량을 상대적으로 증대시켜 질소산화물(NOx) 생성을 억제시키는 제2케이싱(15)을 더 포함한다.

전술한 연소용 노즐(10)의 전방에 설치되고, 점화플러그(N)에 의한 착화로 인해 안정된 화염을 형성하는 와류 발생기(16)(swirlier)를 더 포함한다.

이하에서, 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템의 사용예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

송풍기(5)로부터 공기통로(5a)를 통하여 공급되는 연소용 외부공기(20℃를 유지)는, 스팀통로(7b)를 통하여 증기식 에어히터(7)에 의해 공급되는 증기와 상호 열교환으로 인해 예열된다.

증기식 에어히터(7)에 의해 예열된 외부공기(50℃를 유지)는 버너(2)에 공급된다. 이로 인해 버너(2)에 공급되는 외부공기의 연소온도를 낮춤에 따라 버너(2)에 의한 연료 연소시 NOx 발생되는 것을 감소시킬 수 있다.

한편, 보일러(1)의 가동시 배출되는 고온(300℃를 유지)의 배기가스는 배기가스 배출통로(1a)에 설치된 절탄기(6)를 통과한다. 이때 급수통로(6b)를 통하여 공급되는 급수(120℃를 유지)와 배기가스의 상호 열교환으로 인해 급수를 예열시킨다. 보일러(1)로부터 배출되는 고온을 유지하는 배기가스의 폐열에 의해 예열된 급수(163℃)는 급수통로(6a)를 통과하여 보일러(1)에 공급된다.

전술한 바와 같이, NOx 발생량을 저감시키기 위하여 버너(2)에 공급되는 연 소용 외부공기의 온도를 낮춤에 따라, 보일러(1)로부터 배출되는 배기가스의 폐열 회수량이 감소되므로 보일러(1)의 열효율이 떨어진다.

이때 보일러(1)로부터 배출되는 배기가스의 폐열에 의해 보일러(1)에 공급되는 급수를 예열시킨 후 공급하게 되므로, 보일러(1)의 열효율 떨어지는 것을 보상할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버너의 구조 변경으로 인해 NOx 발생량을 저감시킬 수 있다. 즉 외부로부터 덕트(미도시됨)를 경유하여 연소용 노즐(10)(일예로서 8개가 각각 대항되게 설치됨) 내측으로 형성되는 원통형 제1케이싱(14)에 공급되는 외부공기 유입량을 줄여 연료의 과잉 연소를 실행한다.

반면에, 제1케이싱(14)의 외측으로 동심원을 이루어 형성되는 원통형 제2케이싱(15)에 공급되는 외부공기를 상대적으로 증대시켜, 저공기 연소로 인하여 발생되는 미연분을 완전 연소시킴에 따라 열적 질소산화물(thermal NOx) 생성을 억제할 수 있다.

화염의 폭과 길이를 가변 조절할 수 있도록 연소용 노즐(10)을 보일러(1)의 화실에 대해 설정된 스트로크범위내에서 이동시킬 수 있다. 즉 연소용 노즐(10)이 방사형으로 고정된 튜브형 가스링(9)을 보일러(1)의 격벽(1b)에 대해 소정거리(일예로서 100㎜) 범위내에서 이동시킬 수 있다(도 3에 화살표방향 "C"로 표기됨).

한편, 튜브형 가스링(9)에 고정되는 외측관(11)에 대해 내측관(13)을 360도 회전시킴에 따라, 내측관(13) 단부에 형성되는 가스 분사구(12)를 통한 가스의 분사 방향을 조정할 수 있다. 즉 대항되게 형성되는 연소용 노즐(10)의 가스 분사 구(12)의 분사 방향을 변경함에 따라, 화염 중복으로 인해 연소 온도의 상승되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 기존의 보일러 화실 면적이 협소하여 버너(2)를 설치하기 곤란한 경우, 연소용 노즐(10)을 보일러(1)에 대해 길이방향으로 이동시킬 수 있으며(연소용 노즐(10)이 각각 고정된 튜브형 가스링(9)이 이동됨), 연소용 노즐(10)의 내측관(13)을 외측관(11)에 대해 각각 360도 방향으로 회전시킬 수 있다.

이로 인해 화염의 폭과 길이를 보일러(1)의 화실에 최적인 조건으로 가변 조정할 수 있다.

아래의 표 1은 LNG 연료의 성분에 의한 연소 계산표로서, 발열량, 이론 공연비, 실제 배기가스량 등을 계산하였다.

표 1)

연료 조성	CH₄	C₂H6	C₃H8	n-C₄H10	i-C₄H10
Vol(%)	89.89	6.62	2.39	0.58	0.53

	HI	Hh
발열량	9583	10614	kcal/Nm³
연료비중	0.806	0.623	kg/Nm³
배기가스중O₂%	2.10		%
과잉공기량	1.1		Nm³/Nm³
이론 공연비	10.6		Nm³/Nm³
공기비 m	1.1

	습(濕)	건(乾)
이론 배기가스량	11.65	9.50	Nm³/Nm³
실제 배기가스량	12.71	10.56	Nm³/Nm³
건 배기가스 조성	CO₂ O₂	N₂ H₂O	계(計)
Vol(%)	10.86 2.10	87.03 16.90	100
Nm³/Nm³	1.15 0.22	9.19 2.15	12.71
보일러 용량	110 T/H	보일러 효율 86	%
연료량	8129 Nm³/h	연료량 6552	kg/h

전술한 연소 계산표(표 1)에 의해 연소용 공기온도를 178℃에서 NOx 발생량을 표 2에서와 같은 결과를 얻었다.

표 2)

NOx calculation sheet

보일러; 110T/H 보일러, 버너(2개), 천연가스(natural gas)

plant condition

flue gas recirculation NO

combuston air temo.(Ta) 178 ℃

O₂condition 2.10 %

fuels

lower heating value(LHV) 9,583 kcal/kg

composition

CH₄ 89.885 mol %

C₂H6 6.617 mol %

C₃H8 2.387 mol %

n-C₄H10 0.584 mol %

i-C₄H10 0.527 mol %

calculation

thermal NOx 175 ppm

=(60+(100+1.69*Ta)*Fcc)*Fin*Fg

comb.chamber factor(Fcc) 0.8

low NOx burner factor(Fin) 0.7

CnHm gas factor(Fg) 1.5

NOx (thermal) 2.1% 400 mg/㎥

4.0% 360 mg/㎥

total NOx 175 ppm

표 2)와 동일 조건에서 연소용 공기온도를 60℃에서 NOx 발생량을 표 3에서와 같은 결과를 얻었다.

표 3)

NOx calculation sheet

보일러; 110T/H 보일러, 버너(2개), 천연가스(natural gas)

plant condition

flue gas recirculation NO

combuston air temp.(Ta) 60 ℃

O₂condition 2.10 %

fuels

lower heating value(LHV) 9,583 kcal/kg

composition

CH₄ 89.885 mol %

C₂H6 6.617 mol %

C₃H8 2.387 mol %

n-C₄H10 0.584 mol %

i-C₄H10 0.527 mol %

calculation

thermal NOx 102 ppm

=(60+(100+1.69*Ta)*Fcc)*Fin*Fg

comb.chamber factor(Fcc) 0.8

low NOx burner factor(Fin) 0.7

CnHm gas factor(Fg) 1.5

NOx (thermal) 2.1% 232 mg/㎥

4.0% 209 mg/㎥

total NOx 102 ppm

전술한 바와 같이, 표 2)의 조건에서는 외부로부터 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 178℃의 조건에서는 175ppm의 NOx가 발생되었으며, 표 3)의 조건에서는 외부로부터 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 60℃의 조건에서는 102ppm의 NOx 발생되는 것을 확인할 수 있다.

즉 외부로부터 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 온도를 낮춤(175℃ → 60℃)으로 인해 NOx 발생량(175ppm → 102ppm)이 40%감소되는 것을 확인할 수 있다.

아래의 그래프는 산소(O₂) 농도(%)에 따른 NOx 발생량(ppm)을 도시한 것으로서, 산소 농도가 높을수록 NOx 발생량이 증가되며, 산소가 과농도로 증가되는 경우 NOx 발생량이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이와 반면에 연료의 효율성이 떨어진다("일본 기계학회" 편에서 발췌됨).

아래의 그래프는 에어 예열기를 설치하는 경우(도 1에 도시됨), 연소용 외부공기의 온도(℃) 상승에 따른 NOx의 상승되는 것을 도시한 것으로서, 외부로부터 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 증가에 따라 NOx 발생량이 비례하여 증가되는 것을 확인할 수 있다("zohn zink combustion handbook"에서 발췌됨).

이때 천연가스(CH₄) 또는 LPG(C₃H₄) 연료의 상승 곡선에서와 같이, 이들의 NOx 발생량이 비숫한 것임을 확인할 수 있다.

아래의 그래프는 물 분사장치를 통하여 물을 분무 상태로 화염에 분사시키는 경우 NOx의 저감되는 것을 도시한 것으로서, 화염의 온도가 가장 높은 부위에 분사되는 물 분사량이 증가되는 경우 열적 질소산화물(thermal NOx) 저감량이 증가되고, 분사되는 물 입자가 급속하게 증발되면서 믹싱 특성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.

이때, 화염에 분사되는 물의 분사량에 따라 NOx 저감량이 증가되는 반면에, 효율이 떨어지거나, 화염이 불안정하게 형성될 수 있으므로, 연소 발열량 10,000kcal당 0.5k이하의 분사량이 요구된다.

즉 물 분사장치(8)를 통하여 화염의 중앙에 분무상태의 물을 분사시킴에 따라 NOx 발생율을 40%정도 감소시킬 수 있다("1994년 1월 발행된 chemical engineering progress"에서 발췌됨).

한편, 연소용 노즐(10)의 출구 모양을 변형시켜 화염을 독립된 작은 화염으로 나누어 화염의 체류시간을 단축하고, 화염의 표면적 증가에 의하여 화염 온도를 저하시켜 열적 질소산화물(thermal NOx)을 제어할 수 있다.

이때, 연료 노즐끝에 화염 분사기를 장착하여 화염을 여러 개의 작은 화염으로 분할하거나, 연료 노즐의 위치를 변경시켜 화염 형성영역을 분리시키거나, 화염층을 넓게 확산시키는 경우도 있다.

화염 분할형 버너는 화염 길이가 짧고 미연분의 발생도 적으며 고부하 연소에서도 착화성 및 화염의 안정성이 우수하나, 그 억제원리가 혼합 촉진형 버너와 유사하므로 연료 질소산화물(fuel NOx)의 억제에 대하여 큰 효과를 기대할 수 없다.

그러나, 농염 연소 또는 자기 순환 등의 연소기구와의 조합이 용이하여, 연 소용 공기의 흐름을 조절하여 혼합지연을 유도하는 단계적 연소개념을 적용할 경우에는 연료 질소산화물의 제어가 가능하며, 질소산화물 저감율은 18-40%이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템에 의해 버너 연소시 발생되는 질소산화물의 저감 효과는 아래와 같다.

	기술 내용	저감 효과	저감 비율(%)	발생량(ppm)
1	종래 기술			175
2	연소용 외부공기온도 저하	thermal NOx	40	102
3	연소용 노즐 조절에 의한 분할 화염, 화염 길이 조절 내용	단위 열량 대비 부피 상승에 의한 화염 온도 저하	30	70
4	물 분사장치	화염 온도 저하 thermal NOx	40	40

도 1은 종래 기술에 의한 질소산화물의 저감 시스템의 개략적인 블럭도,

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 질소산화물의 저감 시스템의 개략적인 블럭도,

도 3은 도 2에 도시된 버너의 정면도,

도 4는 도 3에 도시된 버너의 측면도이다.

*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명

1; 보일러

2; 버너

4; 연도(stack)

5; 송풍기(forced draft fan)

6; 절탄기(economizer)

7; 증기식 에어히터(steam air heater)

8; 물 분사장치(water spray system)

9; 튜브형 가스링(gas ring)

10; 연소용 노즐(gas poker)

11; 외측관

12; 가스 분사구

13; 내측관

14; 제1케이싱

15; 제2케이싱

16; 와류 발생기(swirlier)

Claims

보일러;

상기 보일러에 연소열을 전달하여 급수를 가열하는 버너;

상기 보일러의 배기가스 배출통로에 설치되며, 보일러로부터 배출되는 고온의 배기가스와 보일러에 공급되는 급수를 상호 열교환으로 인해 급수를 폐열에 의해 가열하는 절탄기;

상기 버너에 공급되는 연소용 외부공기를 증기의 열을 이용하여 예열하는 증기식 에어히터;

상기 보일러로부터 배출되는 배기가스를 대기중으로 배출시키는 연도; 및

상기 버너의 연소중인 화염에 물을 분사시켜 화염의 온도를 낮추는 물 분사장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 증기식 에어히터에 의해 예열되는 외부공기는 30∼60℃로 가열되어 상기 버너에 공급되는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 버너의 연소용 노즐이 상기 보일러의 화실에 대해 소정 스트로크범위내에서 이동될 수 있도록 상기 연소용 노즐이 방사형으로 고정되는 튜브형 가스링이 상기 보일러에 대해 이동가능하게 장착되어, 화염의 폭과 길이를 가변 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 연소용 노즐은,

상기 튜브형 가스링에 방사형으로 각각 고정되고, 상기 보일러의 외벽에 대해 이동가능하게 결합되는 외측관과,

상기 외측관의 내부에 회전가능하게 결합되고, 연소용 가스를 분사시키는 가스 분사구가 단부에 일방향으로 형성되는 내측관을 포함하여 이루어지며,

상기 내측관의 회전량에 따라 상기 가스 분사구의 분사 방향을 조절하여 화염 중복되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 버너는,

상기 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 유입량을 줄여 연료를 과잉 연소시킬 수 있도록 상기 연소용 노즐 안쪽으로 환형으로 형성되는 제1케이싱과,

상기 제1케이싱 외측으로 동심원을 이루어 형성되고, 저공기 연소로 인해 발생되는 미연분을 완전 연소시킬 수 있도록 상기 버너에 공급되는 연소용 외부공기의 유입량을 상대적으로 증대시켜 질소산화물 생성을 억제시키는 제2케이싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 연소용 노즐의 전방에 설치되고, 원활한 착화로 인 해 안정된 화염을 형성하는 와류 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물의 저감 시스템.