KR100886568B1

KR100886568B1 - 액화산소를 열원으로 하는 완전연소식 고효율 보일러의 연소방법

Info

Publication number: KR100886568B1
Application number: KR1020080122589A
Authority: KR
Inventors: 김종성
Original assignee: 김종성
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2009-03-02

Abstract

본 발명은 보일러의 연료소모를 획기적으로 저감할 수 있는 고효율 보일러에 관한 것으로 연료 연소시 순수한 산소만을 공급하여 열효율을 크게 증가시킨 발명이다. 또한 연료 연소시 공기 중 산소가 아닌 순수산소를 연료와 혼합하여 연소시킴으로써 공기 중의 질소 등 비 연소물질이 연소시 혼합되지 않아 무공해 연소가 가능하게 되므로 환경오염을 방지하기 위한 목적도 달성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 연소를 위하여 보일러나 버너의 연소장치에 연료를 공급할 때 순수한 산소를 공급하고 이 순수산소의 공급량에 따라 연소시의 불꽃 온도를 통상의 보일러 불꽃 온도보다 훨씬 높게 조절할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 본 발명의 연료와 순수산소의 혼합방식에 의한 연소에서는 연료의 소모량이 통상의 보일러의 공기 혼합방식의 연소에서의 연료 소모량보다 크게 절감할 수 있는 기술이며, 본 발명의 고효율 보일러의 순수산소 혼합방식에서 연료가 연소할 때는 순수산소가 충분히 공급되므로써 환경오염 물질은 배출되지 않는 기술이다. 따라서, 이러한 보일러를 가정의 난방이나 산업용 보일러로 이용할 경우 연료의 절감뿐만 아니라 환경오염을 획기적으로 개선할 수 있어 저탄소 녹색성장을 위하여 꼭 필요한 기술을 제공할 수 있는 것이다.

보일러, 연료, 액체산소, 연소, 고효율, 연소장치

Description

액화산소를 열원으로 하는 완전연소식 고효율 보일러의 연소방법{A method of perfect combustion for high efficiency boiler supplied pure oxygen as a heat source }

본 발명은 가정용 보일러 또는 산업용 보일러나 버너에 관한 것으로 보다 상세하게는 보일러나 버너에 공급되는 연료의 연소효율 및 열효율을 극대화하기 위하여 순수산소를 이용하는 발명에 관한 것이다. 이를 위해 창안된 본 발명의 고효율 보일러의 연료혼합방식은 보일러 연소시 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 함께 혼합 흡입시키는 방법 및 이의 연소장치가 제공된다.

우리나라는 전통적으로 가정 난방의 경우 온돌시스템을 이용한 난방이 크게 발전하여 왔으며, 근래에는 대부분 연료를 가스나 경유 등을 이용하고 있다. 즉, 가스나 경유 등의 연료를 보일러에서 연소시켜 이때 발생되는 열로 물을 데워 난방하는 방식이다. LPG 가스 등 보일러의 연료는 그동안 국제적인 유가 급등으로 가격이 많이 올라 각 가정에서 난방비가 큰 부담으로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 보일러의 열효율을 높이고 연료의 소모를 적게하기 위하여 개발하였다. 보일러에 관한 종래기술을 살펴보면 연소장치 및 연료공급계통의 구성을 변화시킨 보일러나 버너에 관한 기술도 다양하게 개시되어 있다.

예를 들어 국내 공개특허공보 제1990-5120호에는 연료와 공기를 혼합하여 연소를 돕기 위하여 연료 공기를 공급하기 위한 공기 레지스터에 관한 발명이 개시되어 있다. 공기 레지스터에 의해 공급된 연료를 연소시키기 위하여 연소를 내부 점화 구역과 내부 점화 구역을 동심원으로 둘러싸는 외부 보조구역으로 분할하는 버너에 관해 공지되어 있다. 이 기술에서 구역 분할의 목적은 화염의 중심에서 양호한 점화 안정성에 필요로 하는 고강도 혼합을 주변에서 더 완만한 기류와 분리시키는 것이며, 주변에서 매우 뜨겁고 격렬한 화염의 질산화물 생성을 방지하기 위한 것이다. 이러한 기술은 내부 및 외부 구역에서 연소를 제어시킬 수 있는 공기 레지스터 장치, 방법 및 그의 배치를 제공하고 다중 구역 연소를 개선하는 것에 관한 것이다.

그리고 미국 특허 제4,504,216호에는 공기 레지스터는 기류를 조절하며, 기류를 화로의 조악한 환경에서 멀리 떨어진 간단한 상류 측 밸브로서 기류를 측정하여 제어할 수 있는 내부 나선형 스크롤(scroll) 통로를 이용하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 국내 공개특허공보 제2000-50188호에는 보일러에 산소를 공급하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로 보일러 버너의 공기 공급부에 제오라이트 충진층을 통과한 양질의 산소를 공급함으로 달성하였다. 보일러 버너에 산소를 공급하는 방법은 공기를 제오라이트 충진층을 통과하여 발생된 산소를 버너에 공급하도록 이루어진다. 공급되는 공기는 제오라이트 충진층에 강압적으로 공기를 공급하거나, 송풍 팬의 흡입력에 의해 흡입되는 공기를 제오라이트 충진층을 통과하도록 하여 양질의 산소를 공급하도록 이루어진다. 보일러가 가동전에 송풍기가 회전하거나, 송풍팬이 정지시에 제어부에서 콤프레셔의 작동과 작동정지를 콘트롤하여 연소환경이 유지된다. 또한, 제오라이트 충진층을 형성한 케이스의 하단에는 층진층내에 불순물로 인하여 흡입력이 약할 때에 바이패스밸브를 열어주어 공기를 흡입하도록 하여 양질의 산소를 버너에 공급하여 완전연소가 이루어져 열효율이 높도록 구성하였다.

이와 같은 종래의 기술은 보일러의 본체 또는 연소장치의 구성에 관한 것이거나 공기 중의 질소를 일부 걸러 공기 중 산소의 함량을 증대시키는 산소공급 장치에 관한 기술로 본원 발명의 순수 산소를 이용하여 연료를 연소시키는 기술과는 본질적인 차이가 있으며, 열효율뿐만 아니라 환경오염 문제를 근원적으로 해결하였다는 점에서 기술적으로 명백한 차이가 있다.

최근 국제 유가 및 에너지 가격이 급등함에 따라 각 가정과 산업계에서 연료비로 인한 부담이 증대되고 있으며, 이를 절감하기 위한 다양한 노력들이 시도되고 있다. 또한 그간 원유 등 화석 연료 중심의 에너지 자원의 급격한 소비는 지구온난화 및 대기오염 등의 환경문제가 큰 문제로 제기되고 있는 실정이다.

가정용 및 산업용 보일러는 에너지 소비가 많은 에너지 다소비 설비로서 에너지비용의 절감을 위해 설비의 최적설계가 기본적으로 요구되고 있다. 또한 고효율 보일러의 설계시에는 환경문제를 고려해야 한다. 보일러 등 열설비가 고효율을 내기 위해서는 공정 열원의 고온화가 요구되는데 LPG 가스 등의 연료를 통상의 보일러에서 연소할 때는 고온화에 한계가 있다. 그리고 이러한 고온 열설비의 설치시에는 질소산화물(NOx) 등의 환경오염물질의 배출이 증가하므로 이를 저감하는 기술이 요구된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 보일러의 에너지원으로 LPG, LNG 등의 가스와 경유 등의 연료를 연소시킬 때 액체산소용기(1)의 순수산소를 연료와 혼합하여 보일러 버너부(8)에 분사하는 방식을 채택하였다. 이러한 순수산소를 LPG 가스 등의 연료와 혼합하여 연소시키는 방식은 연료를 완전연소함으로써 NOx, HC 등의 환경오염 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 되었으며, 보일러 버너 부(8)에서 고온의 화염을 발생시킬 수 있어 열효율도 크게 증가시킬 수 있게 되었다. 또한 기존의 연료를 이용한 보일러의 연소방식에서 액체산소용기(1) 설비와 이를 위한 버너, 기화기만을 추가적으로 연결시킴으로써 기술적인 어려움 없이도 간단하게 고효율 연소방식을 채택할 수 있게 되었다.

겨울철 일반적인 가정에서 난방을 위해서는 20Kg 용기로 한달에 5~7통의 LPG 가스가 필요한데 최근 LPG 가스 가격의 급등(1통에 4만원)으로 난방비가 크게 증가하게 되었다. 그러나 본원 발명의 순수 액체산소를 이용하여 LPG 가스를 완전연소하여 난방을 하는 경우엔 한달에 1통 정도의 LPG 가스만으로도 충분하여 LPG 연료의 소비량을 크게 줄일 수 있으며, 액화산소 가격을 감안하더라도 LPG 가스 소비량을 크게 감소시킬 수 있기 때문에 연료비를 크게 절감할 수 있다. 또한 액화산소를 이용하여 완전연소하는 경우 NOx나 불완전 연소시 발생되는 탄화수소(HC) 등 환경오염물질이 발생되지 않아 환경의 질 개선에도 크게 기여하게 된다. 또한 액화산소는 가연성이 없어 폭발의 염려가 없으므로 취급이 용이하고 안전하며 경제적이다. 또한 수소가스나 브라운가스를 이용하는 경우 설비가 복잡하고 대형화 할 수밖에 없기 때문에 전기 소모량도 많고, 설비비가 많이 드는 등의 단점을 본 발명의 순수 액체산소를 이용한 고효율 보일러의 연소방법을 채택함으로써 해결할 수 있게 되었다. 또한 도시가스가 보급되지 않아 LPG 가스를 사용하는 농촌이나 도서지역에서 공기 연소방식으로 LPG 연료를 연소시킬 경우엔 LPG 가스 통의 소비가 많아 배달 등의 문제점이 있으나 순수 액체산소를 이용할 경우엔 장기간 사용할 수 있어 이러 한 문제점을 해결할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보일러 버너부(8)에 액체산소용기(1)의 순수산소를 연료와 함께 혼합하여 분사함으로써 고온의 화염을 발생시키면서도 연료의 소비를 크게 저감할 수 있도록 하였다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예인 고효율 보일러의 버너부에 순수산소를 공급하기 위한 순수산소 혼합연소 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도면 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 보일러 버너부에 순수산소와 연료의 공급계통 및 공급장치를 도시한 실시 상태도이고, 도 2는 보일러 버너부의 측면도를 나타낸다. 그리고 도 3은 본 발명의 보일러 버너부(8)의 평면도를 도시한 것이다. 본 발명의 보일러 버너부(8)에 공급되는 산소는 공업적으로 생산된 순수산소를 액체산소용기(1)에 액체상태로 보관하여 연료 연소시 연료의 산화제로 사용된다. 액체산소용기(1)의 액체산소는 기화기(2)에서 기화시킨 다음 산소 레귤레이터(5)에서 균일하게 조정되어 연료와 혼합하고, 이 연료혼합가스를 보일러 버너부(8)에 분사시켜 연소시킨다. 연료용기(3)의 LPG 가스는 연료 레귤레이터(4)에서 균일하게 조절되어 상기 기화기(2)에서 기화된 순수산소 가스와 혼합되어 보일러 버너부(8)에 분사된다. 이때 보일러 버너부(8)에 분사된 연료혼합가스는 적은 연료량에도 불구하고 고온의 화염을 내며 연소되는데 산소 비율을 증대시킬수록 화염의 온도가 상승하여 열효율을 높일 수 있게 된다. 즉 통상의 보일러에서 화염의 온도는 속불꽃의 온도가 900~1200℃이고, 겉불꽃의 온도는 1300~1400℃ 정도이나, 본 발명의 액체산 소용기(1)의 순수산소를 이용한 고효율 보일러는 보일러 버너부에서 불꽃의 온도가 2500~3000℃까지 상승시킬 수 있어 열효율을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 통상 보일러의 연료는 LPG, LNG, 경유 및 석유류가 사용되고 있으며, 시중에 판매되는 LPG 가스의 조성을 보면 에탄(C2H6) 5%, 프로판(C3H8) 60~80%, 부탄(C4H10) 20~30% 정도로 구성되어 있고, 이 조성 비율은 계절 및 용도에 따라 차이가 있다.

LPG 가스를 순수산소로 연소시켰을 경우의 발열량 및 발생되는 가스성분을 살펴보면 다음과 같다. 탄소(C)가 완전연소할 때는 발열반응으로 탄산가스(CO2)와 함께 열이 발생된다. 그 반응식과 양적관계는 다음과 같다.

C + O2 → CO2 + 97200kcal/kmol

12Kg 32Kg 44Kg

수소(H) 또한 탄소와 더블어 LPG, LNG 등의 주성분이고, 수소에 산소를 공급하면 다음의 화학반응이 일어나며 열과 수증기가 발생된다.

H2 + 1/2O2 → HO2 + 68400kcal/kmol

보일러 연료로 사용되는 LPG 가스의 조성은 통상 에탄 5%, 프로판 70%, 부탄의 함량이 25%의 비율로 구성되며 다음과 같은 발열반응이 일어나게 된다. 이때 순수산소 140Kg으로 완전연소시킬 수 있는 LPG 가스의 양은 아래의 화학반응식으로부터 계산하면 38.6Kg이 된다.

LPG의 조성중 에탄(C2H6)의 발열반응에는 다음과 같이 분자량의 비율에 따라 30Kg 의 에탄에 112Kg의 순수산소가 반응하여 이산화탄소 88Kg과 물 54Kg이 발생된다.

C2H6 + 3(1/2)O2 → 2CO2 + 3H2O

30Kg 112Kg 88Kg 54Kg

LPG의 조성중 프로판(C3H8)의 발열반응에는 다음과 같이 분자량의 비율에 따라 44Kg의 프로판에 160Kg의 순수산소가 반응하여 이산화탄소 132Kg과 물 72Kg이 발생되며, 프로판 1Kg에 12000kcal의 열이 발생된다.

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

44Kg 160Kg 132Kg 72Kg

LPG의 조성중 부탄(C4H10)의 발열반응에는 다음과 같이 분자량의 비율에 따라 55Kg의 에탄에 208Kg의 순수산소가 반응하여 이산화탄소 176Kg과 물 90Kg이 발생되며 이때 발생되는 열은 부탄 1Kg에 11800kcal의 열이 발생된다.

C4H10 + 6(1/2)O2 → 4CO2 + 5H2O

58Kg 208Kg 176Kg 90Kg

위 계산식에서 LPG 가스 중 에탄이 5%라면 무게로 1.5Kg, 프로판이 70%인 경우엔 30.8Kg이고 부탄이 25%인 경우엔 14.5Kg이 혼합된 것이므로 LPG 가스의 무게가 총 46.8Kg이 된다. 이 LPG 가스가 완전연소될 때 소비되는 순수산소량을 이론산소량이라고 하며, 이때의 이론산소량을 보면 상기 에탄과 결합되는 순수산소량은 5.6Kg, 상기 프로판과 결합되는 순수산소량은 160Kg, 상기 부탄과 결합되는 순수산소량은 52Kg으로 에탄 5%, 프로판 70% 및 부탄 25%로 구성된 LPG 가스의 연소시 소모되는 총 순수산소량은 169.6Kg이된다. 즉, 46.8Kg의 LPG 가스가 완전연소하기 위해서는 169.6Kg의 순수산소가 필요하게 되며, 연소시 140Kg의 순수산소가 소모될 때 필요한 LPG 가스는 38.6Kg이 된다.

위 식에서 보는 것처럼 LPG 가스를 액체산소용기(1)의 순수산소를 이용하여 연소시킬 경우엔 공기 중의 산소를 이용하여 연소하는 것이 아니므로 이론적으로 NOx의 배출이 0이 되어 NOx에 의한 환경오염 문제를 해결할 수 있다. 또한 LPG 가스의 성분이 되는 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10)은 CO2와 물로 완전연소되므로 실질적으로 오염물질의 배출이 없게 되며, 이산화탄소를 포집할 경우 유용한 이산화탄소를 생산할 수 있다. 또한 LPG 가스가 순수산소 상태에서 연소되므로 화염의 온도가 공기 연소시보다 훨씬 높은 2500~3000℃ 정도로 높일 수 있어 보일러의 열효율을 크게 증대 시킬 수 있으며 그만큼 LPG 가스의 연료 소모를 줄일 수 있다.

일반적으로 20Kg 용기의 가정용 LPG 가스는 부탄 20%와 프로판 80% 비율로 들어 있으며, 그럴 경우 20Kg의 LPG 가스에는 중 부탄은 4Kg, 프로판은 16Kg이 되고, 가정용 LPG 가스 1통을 완전연소하기 위해서는 약 71.9Kg의 순수산소가 필요하며 이 순수산소량이 이론산소량이 된다. 이 때 발생되는 LPG 가스의 총 열량은 239200kcal가 된다.

여기에서는 LPG 가스를 연료로 사용하였을 경우만 기재하고 있으나, LNG, 경유 및 등유의 경우에도 액화산소를 산화제로 충분히 이용할 수 있고, 이에 따른 설비 변경의 어려움 없이 이용할 수 있으므로 본 발명은 연료의 종류를 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 보일러 버너부(8)의 화염 온도를 높여 보일러의 고효율 연소를 위한 연료혼합방법에 관한 것으로 여기에서는 LPG 연료를 사용하여 설명한다. 이를 위해 본 발명에서 LPG 가스와 혼합되는 순수산소는 공기 중의 산소를 이용하지 않고 별도의 액체산소용기(1)를 설치하여 이로부터 순수산소를 공급받아 연료와 혼합하여 연소시킨다. 통상 공기를 이용한 LPG 가스의 연소범위는 프로판의 경우 2.1~9.5%, 부탄 1.8~8.4% 범위로 연소한계가 좁은 편이다. 그러나 수소의 경우는 연소범위가 4~75% 범위로 폭발의 위험이 대단히 높다.

보일러 버너부(8)에 공급되는 산소는 공업적으로 생산된 순수산소를 압력용기에 액체상태로 액체산소용기(1)에 저장하였다가 기화시켜서 연료와 일정비율 혼합하여 보일러 버너부(8)에 공급한다. 이때 연소를 돕는 순수산소량을 조절하여 불꽃의 세기와 화염의 온도를 조절한다. LPG 가스와 혼합되는 액체산소용기(1)로부터 공급되는 순수산소는 LPG 가스와 혼합되었을 때 혼합가스 내에 순수산소가 15% 이상인 경우 연소하기 시작하고 산소량으로 불꽃의 세기 및 화염온도가 조절된다. 처음 보일러 버너부(8)의 불꽃을 점화시킬 때는 점화연료관(10)으로부터 공급되는 LPG 가스를 이용하여 점화시키고, 보일러 버너부(8)에서 불꽃이 점화된 뒤에는 혼합연료관(11)으로부터 순수산소와 LPG 가스가 균일하게 혼합되어 공급되어지는 순수산소 연료혼합가스가 지속적으로 분사되어 연소되게 된다. 이때 순수산소는 LPG 가스와 혼합되어 연료혼합가스가 되는데 이론적인 순수산소의 비율은 15%~38% 범위에 해당 한다. 또한 역화를 방지하기 위하여 기화기(2)에서 기화된 순수산소와 LPG 가스를 혼합가스 레귤레이터(6)에서 혼합 조정한 후 역화를 방지하기 위하여 역화방지기(7)에서 순수산소 가스와 LPG 가스의 혼합분포가 균일하게 조정된 후 보일러 버너부(8)에 분사되어 순수산소 연료혼합가스가 연소된다. 균일한 연료혼합가스를 얻기 위해서는 액체산소용기(1)의 순수산소가 기화기(2)로 유입되어 기화된 다음 산소 레귤레이터(5)에서 균일하게 유량이 조절되고 유입된 순수산소는 기화되어 LPG 가스와 혼합될 수 있는 상태가 된다. 이와 동시에 연료용기(3)의 LPG 가스는 연료 레귤레이터(4)에서 조절되어 상기 기화기(2)에서 기화된 순수산소와 균일하게 혼합되어 보일러의 버너부(8)에 분사되어 연소된다. 이때 보일러 버너부(8)에 분사된 연료혼합가스는 적은 연료량에도 불구하고 고온의 화염을 내며 연소되는데 순수산소 비율을 증대시킬수록 화염의 온도가 증대하여 열효율이 높게 된다. 즉 통상의 보일러에서 화염의 온도가 최고 1300~1400℃ 정도이나, 본원 발명의 순수산소를 연소시킬 경우 보일러의 버너부(8)에서의 불꽃 온도가 2500~3000℃까지 크게 상승하여 열발생을 크게 증가시킬 수 있다. 이 때 발생된 열의 대부분을 보일러의 순환수로 이동시켜 열효율이 획기적으로 증대시키게 된다.

본 발명의 고효율 보일러 연소방식은 열 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 순수산소를 이용하여 연료를 완전연소시킴으로써 질소산화물(NOx)이나 탄화수소(HC) 등 환경오염물질의 발생을 근원적으로 차단할 수 있다. 또한 연료의 열효율이 높기 때문에 연료 소비량을 크게 절감할 수 있으며, 보일러의 연소장치를 비교적 복잡하지 않게 설비할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 본 발명의 전체적인 구성을 나타낼 수 있는 구성도,

도 2는 본 발명에서 보일러 버너부의 측면도

도 3은 본 발명에서 보일러 버너부의 평면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 액체산소용기

2: 기화기

3: 연료용기

4: 연료 레귤레이터

5: 산소 레귤레이터

6: 혼합가스 레귤레이터

7: 역화방지기

8: 보일러 버너부

9: 보일러

10: 점화연료관

11: 혼합가스연료관

12: 매니폴드

13: 노즐

Claims

보일러 버너부(8)에서 연료의 연소를 위한 연료혼합방식에 있어서,

연료용기(3)의 연료가스가 연료 레귤레이터(4)에 의해 조절되는 단계, 및

연료가스의 산화제인 산소는 액체산소용기(1)의 순수산소를 기화기(2)에서 기화되어 산소 레귤레이터(5)에 의해 조절되는 단계, 및

상기 연료가스와 상기 기화된 순수산소 가스가 화염의 역화방지를 위하여 역화방지기(7)에서 순수산소가 연료가스에 15~38%로 균일하게 혼합되는 단계로 이루어진 연료의 산화제로 순수산소만을 사용하는 연료혼합가스 혼합방법.
제 1항에 있어서,

보일러 버너부(8)에서 불꽃을 점화시키기 위해서 연료 레귤레이터(4)에서 조정된 연료가스가 점화연료관을 통하여 보일러 버너부(8)에 연료가스를 분사하는 단계, 및

상기 연료가스에 불꽃이 점화된 후에는 연료가스와 순수산소 가스가 혼합된 연료혼합가스가 혼합가스연료관으로부터 보일러 버너부(8)에 분사되어 지속적으로 연소되도록 이루어진 연료의 산화제로 순수산소만을 사용하는 연료혼합가스 혼합방법.
제 2항에 있어서

상기 보일러 버너부(8)에서 순수산소를 혼합한 연료혼합가스가 연소할 때 연 료가스에 혼합되는 순수산소량을 조절하여 상기 보일러 버너부(8)의 연소온도를 1500℃에서부터 3000℃까지 조절되도록 이루어진 연료의 산화제로 순수산소만을 사용하는 연료혼합가스 혼합방법.