KR101031534B1 - 저 질소산화물 부생가스버너 - Google Patents

Abstract

배기가스의 NOx의 배출을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 저 질소산화물 부생가스버너가 제공된다. 상기 저 NOx 가스버너는 공기 흡입구를 통하여 유입되는 공기가 채워지는 에어챔버가 일측에 형성되며 그 대향면 측에는 보일러 동체내의 연소실을 향하여 일 방향으로 개구된 윈드-실드가 형성된 버너 하우징과; 길이 방향으로 관통된 중공의 내측의 벽에는 외부로부터 공급되는 주-연료를 입력하는 폴드 튜브가 형성되고, 상기 폴드튜브에 유입된 주-연료를 상기 연소실의 방향으로 분사하는 다수의 연료분기관이 종단 둘레를 따라 배열되어 상기 버너 하우징의 내부에 고정 설치되어진 매니폴드와; 이중 관체로 형성되어 상기 버너 하우징의 외측으로부터 상기 매니폴드의 중공에 삽입 고정되어 외부로부터 분리되어 유입되는 가스연료와 NOx 저감촉매를 상기 연소실로 분사하는 연료·촉매 주입관과; 다수의 확산구멍과 비틀림 개구부가 가지고 상기 매니폴드의 연료분기관들의 전면에 고정 설치되어 그 종단과 연료·촉매 주입관의 종단으로부터 제공되는 화염을 분할하고 선회시켜 상기 연소실로 확산시키는 화염분할 확산판과; 상기 공기 흡입구에 설치되어 상기 에어챔버로 공급되는 공기량을 제어하는 댐퍼로 구성된다.

수소버너, 저 질소산화물, 저 NOx, 액화석유가스, 수소보일러, 불꽃 확산

Description

저 질소산화물 부생가스버너{LOW NOx INDUSTRIAL WASTE GAS BURNER}

본 발명은 가스버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부생가스(Industrial Waste Gas; 副生 GAS) 또는 수소가스를 연소 시 질소산화물(Nitrogen Oxide: "이하 "NOx"라 칭함)의 배출을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 저 NOx 부생가스버너에 관한 것이다.

통상적인 보일러 시스템은 액화천연가스(liquefied natural gas : LNG), 액화석유가스(liquefied petroleum gas : LPG), 부탄가스 등이며 제철소의 고로, 코스스, 제강 등의 설비 조업과정에서 부산물로 부생(副生)되는 BFG(Blast Furnace Gas), COG(Coke Oven Gas), LDG(LD-Converter Gas) 등의 부생가스(Industrial Waste Gas)를 연소시켜 물 등과 같은 작동유체를 가열하는 시스템으로 이 기술 분야에서 잘 알려져 있다.

상기와 같은 연료 중 BFG, COG, LDG 등의 부생 가스와 소각로나 물에서 정제 되는 수소가스(H₂)는 연소 시 발생되는 배기가스에 다량의 NOx를 포함하고 있다. 상기 부생가스에는 일산화탄소(CO)가 비교적 많이 포함되어 있기 때문에 연소 시 산소가 부족하거나 연소온도가 낮으면 완전연소가 일어나지 못하여 불완전 연소생성물인 일산화탄소(CO)의 배출량이 더욱 증가되어 대기 환경에 악영향을 주게 된다. 또한 상기 부생가스는 발열량이 낮아 원할한 연소가 되지 않아 공기의 과잉으로 열손실이 크며, 인위적으로 연소온도를 높이면 NOx의 배출량이 증가하기 때문에 적정한 온도로 연소하면서 NOx의 배출을 저감시키는 기술이 요구된다.

현재는, 상기 부생가스로부터 수소가스를 생산하는 기술까지 개발되어 있다. 예를 들면, 폐기물을 처리하는 과정에서 부가적으로 발생하는 부생가스 중의 하나인 황산(H₂SO₄)으로부터 분리해 낸 수소가스를 그 원료로 사용하여 에너지 효율을 극대화하는 기술, 부생가스에 포함된 일산화탄소(CO)로부터 "워터-가스 시프트(water-gas shift (CO + H2O → CO2 + H2)" 반응을 이용하여 수소를 생성하는 기술을 그 예로 들 수 있다.

수소를 연료로 하는 수소버너는 다양한 형태가 이 기술 분야에 알려져 있고, 2007. 12. 05. 특허등록 제10-0784948호 "수소버너를 그 화염감지방법"(이하 "등록특허 1"이라 칭함)과 2008년 04. 15. 등록된 특허등록 제10-0823929호 "엘앤지 겸용 수소 촉매 연소 버너"(이하 "등록특허 2"라 칭함)를 그 예로 들 수 있다.

상기 등록특허 1에 개시된 수소버너는 급기팬에 의해 외부로부터 산소를 함유하는 공기와 수소연료를 혼합관에 공급하여 적정비율로 혼합한 후 점화장치에 의 해 수소연료를 연소시키도록 된 간단한 구조를 갖는다. 또한 상기 수소연소버너는 수소연료가 연소되어질 때 화염감지봉 등에 의해 연소상태를 용이하게 감지하기 위하여 연료첨가제를 상기 공기와 수소연료가 혼합되는 혼합관에 공급하도록 하여 되어 있다.

또한 상기 등록특허 2에 개시된 수소버너는 내부 공간이 구비된 버너 바디와, 기 버너 바디로 공기가 공급되는 공기유로와, 상기 버너 바디에 장착되며 수소 연료를 버너 바디의 내부 공간에 분사시키는 수소 분사유닛과, 상기 수소 분사유닛에서 분사되는 수소 연료와 상기 공기 유로로 공급되는 공기 중의 산소와 화학 반응을 일으키면서 수소 연료를 연소시키는 촉매 부재와, 상기 버너 바디에 장착되며 연료를 버너 바디의 내부 공간에 분사시키는 연료 분사유닛을 포함하여 구성된다.

그러나, 위와 같은 구조를 갖는 종래의 수소버너들은 단순히 수소연료와 공기가 혼합된 가스를 연소시킴으로써 연소 시 공기 중에 포함된 질소와 산소가 결합하여 발생하는 질소산화물(NOx)을 그대로 배출함으로써 대기가 오염되는 문제가 있었다. 또한 수소연료와 공기를 혼합한 후 바로 점화, 연소시키는 구조로 되어 있어 수소 연료의 발열량이 낮으면 연소가 잘 되지 않는 문제가 있다. 통상 수소는 2000Kcal/Nm^3O0Kg경우에 연소가 가능하게 되며, 그 이하의 발열량인 경우 연소가 잘 이루어지지 않아 별도의 착화/점화장치에 충분하게 예열하지 않으면 연소가 잘되지 않는 것으로 알려져 있다.

따라서 본 발명의 목적은 점화 및 착화가 용이하고, 질소산화물을 착화/점화가 용이하고 연료의 연소에 의한 로(furnace)의 온도를 적절하게 낮추어 배기가스의 NOx를 저감시키는 저 NOx 부생가스버너를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 액화가스를 착화시킨 후 외부로부터 공급되어 버너의 내부로 분사되는 수소 또는 부생가스연료를 연소 시, 그 연소온도를 낮추기 위한 냉각제를 분사하여 배기가스의 NOx를 저감시키는 구조를 갖는 저 NOx 부생가스버너를 공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 버너 내의 다수의 노즐에 의해 생성된 소정 크기의 화염(flame)을 분할 및 선회시켜 확산 방출함으로써 버너 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 구조를 갖는 저 NOx 부생가스버너를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저 NOx 부생가스버너는, 공기 흡입구를 통하여 유입되는 공기가 채워지는 에어챔버(air chamber)가 일측에 형성되며 그 대향면 측에는 보일러 동체내의 연소실을 향하여 일 방향으로 개구된 윈드-실드(wind-shield)가 형성된 버너 하우징(Mounting plate)과; 길이 방향으로 관통된 중공의 내측의 벽에는 외부로부터 공급되는 주-연료(main fuel)를 입력하는 폴드 튜브(fold tube)가 형성되고, 상기 폴드 튜브에 유입되는 상기 주-연료를 상기 연소실의 방향으로 분사하는 다수의 연료분기관이 종단 둘레를 따라 환 형상으로 배열되어 상기 버너 하우징의 내부에 고정 설치되어진 매니폴드(manifold)와; 이중 관체(double tube)로 형성되며 상기 버너 하우징의 외측으로부터 상기 매니폴드의 중공에 삽입 고정되어 외부로부터 분리되어 유입되는 가스연료와 NOx 저감촉매를 상기 연소실로 분사하는 연료·촉매 주입관과; 다수의 화염분할구멍이 형성된 확산구멍과 비틀림 개구부가 형성된 판-형상으로 상기 매니폴드의 연료분기관들의 전면에 고정 설치되어 상기 연료분기관들과 상기 연료·촉매 주입관의 종단으로부터 제공되는 화염(불꽃)을 분할하고 선회시켜 상기 연소실로 확산시키는 화염분할 확산판과; 상기 공기 흡입구에 설치되어 제1댐퍼모터의 회전에 따라 개폐되어 상기 에어챔버로 공급되는 공기량을 제어하는 제1댐퍼를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1댐퍼는 상기 연소실에서 배출되어 연도로 배출되는 배기가스를 재순환시키는 재순환통로를 통해 유입된 공기와 외부의 공기가 혼합된 혼합 공기를 유입하는 것임을 특징으로 한다.

상기 매니폴드에는 상기 버너 하우징의 외부로부터 공급되는 주-연료를 상기 폴드 튜브로 공급하는 주-연료관를 가지며, 상기 주-연료관의 입구에는 제2댐퍼모터의 회전에 따라 개폐되어 상기 주-연료관으로 유입되는 주-연료량을 제어하는 제2댐퍼가 설치됨을 특징으로 한다.

상기 연료분기관들과 연료·촉매 주입관의 종단에는 다수의 분사구멍들이 정 면과 측면에 형성된 분사노즐 캡이 결합됨을 특징으로 한다.

상기 연료·촉매 주입관은 외부로부터 입력되는 가스연료를 종단에 형성된 분사노즐를 통하여 분사하는 액화가스연료 주입관과 그 내부에 삽입되어 외부로부터 입력되는 NOx 저감촉매를 상기 분사노즐을 통해 상기 연소실로 분사하는 NOx 저감촉매 주입관으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 NOx 저감촉매는 물(H₂O)을 사용하여 상기 연소실내의 연소온도를 낮추는 것이 바람직하다.

본 발명의 따른 저 NOx 부생가스 보일러 시스템은, 분사된 연료가 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 배출하는 배기가스 배출통로 및 상기 연소실의 화염에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체(boiler shell)와; 상기 보일러 동체의 연소실에 결합되며, 연료투입제어신호에 따라 외부로부터 유입되는 가스연료 또는 주-연료 중에서 선택된 어느 하나의 연료와 외부로부터 제공되는 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 화염을 발생하여 상기 연소실에 제공하고, 외부로부터 공급되는 NOx 저감촉매를 상기 연소실에 분사하여 연소실의 온도를 낮추는 저 NOx 가스버너와; 구동신호에 대응하는 속도로 회전되는 전동기의 구동에 의하여 상기 배기가스 배출통로로 배출되는 배기가스와 외부의 공기를 흡입·혼합하여 상기 저 NOx 가스버너로 공급하는 송풍기와, 상기 송풍기의 출구와 상기 저 NOx 가스버너의 연소용 공기 흡입구 사이에 설치되어 제1제어신호에 따라 개도량이 조절되는 제1댐퍼로 구성된 연소공기 공급장치와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 압력과 온도를 감지하는 부하감지센서와 상기 배기가스 배출통로 상에 위치되어 산소농도를 감지하는 산소센서를 구비하며, 상기 감지된 압력/온도에 비례하는 증속·감속되는 구동신호를 상기 전동기로 제공하고, 상기 압력/온도센서 및 산소센서의 츨력에 대응하는 연료투입제어신호와 제1제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1댐퍼는 상기 연소실에서 배출되어 연도로 배출되는 배기가스를 재순환시키는 재순환통로를 통해 유입된 공기와 외부의 공기가 혼합된 혼합 공기를 유입하는 것임을 특징으로 한다.

상기 매니폴드에는 상기 버너 하우징의 외부의 수소연료를 상기 폴드 튜브로 공급하는 주-연료관을 가지며, 상기 주-연료관의 입구에는 제2제어신호에 따라 개도량이 조절되어 상기 주-연료관으로 공급되는 주-연료의 공급량을 제어하는 제2댐퍼가 설치됨을 특징으로 한다.

상기 연료분기관들과 연료·촉매 주입관의 종단에는 다수의 분사구멍들이 정면과 측면에 형성된 분사노즐 캡이 결합됨을 특징으로 한다.

상기 연료분기관들과 연료·촉매 주입관의 종단의 측면에는 장공의 분사구멍과 나사선이 형성되고, 상기 나사선에는 앞부분의 중앙부분에 분사구멍이 형성된 분사노즐 캡이 결합되어 상기 분사노즐 캡의 체결에 따라 상기 장공의 분사구멍의 노출길이가 조절되도록 되어 있다.

상기 연료·촉매 주입관은 외부로부터 입력되는 가스연료를 종단에 형성된 분사노즐을 통하여 분사하는 액화가스연료 주입관과 그 내부에 삽입되어 외부로부 터 입력되는 NOx 저감촉매를 상기 분사노즐을 통해 상기 연소실로 분사하는 NOx 저감촉매 주입관으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 NOx 저감촉매는 물(H₂O)을 사용하여 상기 연소실내의 연소온도를 낮추는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 저 NOx 가스버너는 초기에 액화석유가스(LPG) 등과 같은 가스연료에 의하여 버너를 구동하여 화염을 연소실로 제공한 후, 상기 가스연료의 화염으로 부생가스 또는 수소와 같은 주-연료를 점화시킴으로써 주-연료의 발열량이 충분히 높지 않은 경우(2000Kcal/Nm³ 이하)에도 주-연료를 연소시켜 보일러를 운전할 수 있다. 또한, 물 등과 같은 NOx 저감촉매를 연소실의 내부로 분사시킴으로써 연소실의 연소온도를 낮춤과 동시에 매니폴드의 다수의 노즐을 통하여 연소실의 내부로 제공되는 화염을 분할하고, 선회시켜 연소온도를 저감시킴으로서 질소산화물의 배출을 억제할 수 있는 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 하기에 설명되는 본 발명의 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저 NOx 버너의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 화염분할 확산판의 정면도와 A-A'선 단면도이다.

도 1 내지 도 2a, 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 저 NOx 부생가스버너(20)는 원통 형상으로 밀폐된 버너 하우징(100)을 갖는다. 상기 버너 하우징(100)은 가스연료 주입관(126)으로 유입되는 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(LNG) 등의 가스연료(GF) 또는 하단부분의 제2댐퍼(26)를 통해 유입되는 주-연료(HF) 중 적어도 어느 하나의 연료를 상단부분의 제1댐퍼(32)를 통해 유입되는 연소용 공기와 혼합 분사하여 화염을 보일러 동체내의 연소실(16)로 제공하도록 되어 있다. 본 발명에 따른 저 NOx 부생가스버너(20)는 LPG 또는 LNG 등의 가스연료(GF)를 선택 투입하여 점화시킨 후에 주-연료(HF)를 투입하여 상기 주-연료(HF)를 상기 가스연료(GF)의 연소 화염에 의해 착화시키도록 되어 있다.

도 1에서 참조부호 126I는 착화라인으로서 수동밸브(VA)가 연결되어 외부로부터 유입되는 가스연료(GF)를 종단에 연결된 착화기에 착화시킨다. 상기 가스연료(GF)를 착화시킨 후에는 제어신호(CTL3)를 활성화시켜 가스연료주입관(126)을 통해 유입되는 가스연료(GF)를 점화시킨다.

상기 버너 하우징(100)의 상단부에는 제1제어신호(CTL1)에 따라 시계 또는 반시계 방향으로 회전되는 제1댐퍼모터(Damper motor)(34)에 따라 개폐되는 제1댐퍼(32)가 설치되며, 상기 제1댐퍼(32)를 통하여 흡입되는 연소용 공기는 버너 하우징(100)내에 마련된 에어챔버(115)로 공급된다. 상기 버너 하우징(100)의 에어챔버(115)와 보일러 동체(boiler shell)의 연소실(16)의 사이에는 바람을 한 쪽 방향으로만 공급하기 위한 윈드 실드(wind-shield)(114)가 형성되며, 상기 윈드 실드(114)의 개구부에는 화염을 보다 안정적으로 상기 연소실(16)로 제공하기 위한 호퍼(116)가 설치되어 있다.

상기 버너 하우징(100)의 에어챔버(115)로부터 상기 윈드 실드(114)의 사이에는 길이 방향으로 관통된 중공(123)이 형성된 매니폴드(120)가 고정 설치되어 있다. 상기 매니폴드(120)의 중공(123)의 내측의 벽에는 외부로부터 공급되는 주-연료(HF)를 입력하는 폴드 튜브(fold tube)(121)가 형성되고, 그 종단에는 상기 폴드 튜브(121)에 유입된 주-연료(HF)를 상기 연소실(16)의 방향으로 분사하는 다수의 연료분기관(128)이 환 형상으로 배열되어 되어 있다. 또한 상기 매니폴드(120)의 폴드 튜브(121)에는 상기 버너하우징(100)을 통한 주-연료관(122)이 결합되어 그 종단에 연결된 제2댐퍼(36)를 통하여 외부로부터 유입되는 주-연료(HF)가 공급되도록 되어 있다. 상기 제2댐퍼(36)는 제2제어신호(CTL2)에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회전되는 제2댐퍼모터(40)에 의해 개도량이 제어된다.

상기 매니폴드(120)의 내부 중공(123)에는 상기 버너 하우징(100)의 외부로부터 공급되는 가스연료(GF)와 NOx 저감촉매(WL)를 유입하여 연소실(16)로 분사하기 위한 연료·촉매 주입관(118)이 고정 설치된다. 상기 연료·촉매 주입관(118)은 가스연료 주입관(126)의 내부에 NOx 촉매 주입관(127)이 삽입된 이중 관체(double tube)로 형성되어 상기 버너 하우징(100)의 외측으로부터 상기 매니폴드(120)의 중 공(123)에 삽입되어 고정된다. 상기 연료·촉매 주입관(118)의 종단과 다수의 연료분기관(128)의 종단에는 도 1에 도시된 분사노즐(129)이 결합되어 있다.

상기 분사노즐(129)은 도 1에 도시된 바와 같이, 측면에 분사노즐구멍(142)이 적어도 하나 이상 형성되고 전방향에 분사노즐구멍(142)이 형성되어진 분사노즐캡(146)이 연료분기관(128) 또는 가스연료 주입관(126)의 종단에 형성된 나사에 나사결합되어 형성된다. 상기와 같은 종단부분에 나사결합된 분사노즐캡(129)들이 결합된 연료분기관(128)과 가스연료 주입관(126)의 전방향에는 도 1에 도시된 바와 같은 화염분할 확산판(flame diffuser)(130)이 결합되어있다.

상기 화염분할 확산판(130)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 전면의 테두리 부분에는 다수의 화염분할구멍(131)들이 형성된 화염분할 플레이트(133)를 구비한다. 상기 화염분할 플레이트(133)의 중심 내부에는 일측면만이 소정의 각도로 비틀린 각도로 상승되어 개구되어진 개구부(137)를 갖는 확산선회가이드(136)가 일정한 간격으로 배열된 확산플레이트(138)가 용접되어 고정되어 있다. 상기 화염분할 확산판(130)의 배면에는 일정한 길이를 가지는 블래킷 로드(bracket rod)(132)가 형성되며 그 종단에는 상기 연료분기관(128)에 끼워져 고정되는 로드 클램프(134)가 형성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 화염분할 확산판(130)의 로드 클램프(134)들은 매니폴드(120)의 종단부분에서 환 형상으로 연결되어 연소실(16)의 내부로 향하도록 배열된 연료분기관(128)에 삽입되어 고정됨으로써 도 1과 같은 형태로 결합된다.

도 1에 도시된 가스연료 주입관(126)의 유입구에는 제어신호에 따라 개폐의 개도량이 조절되는 전자밸브(22)가 연결되어 외부로부터 유입되는 가스연료(GF)의 양을 조절할 수 있도록 되어 있다. 또한 도 1에서는 자세하게 도시되지 않았지만, 제1댐퍼(32)는 배기가스 재순환 통로 상에 위치되어 외부로부터 유입되는 신선한공기와 배기가스연도로부터 재순환되어진 배기가스가 적절하게 혼합한 공기를 흡입하는 통로에 놓여진다. 위 전자밸브의 연결구성은 후술하는 도 3에 의해 보다 자세하게 설명된다.

우선 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 저 NOx 부생가스버너(20)의 동작을 설명하기에 앞서 초기에는, 도 1에 도시된 제1댐퍼(32)는 절반정도 개방된 상태이고, 송풍기의 작동에 의해 외부공기와 배기가스 재순환통로 상의 배기가스와 혼합된 연소공기를 버너하우징(100)의 에어챔버(115)로 공급하는 상태이며, 제2댐퍼(36)는 완전하게 닫힌 상태라 가정한다.

지금, 도 1에 가스연료(GF)가 공급되면, 상기 가스연료(GF)를 수동밸브(VA)를 통하여 착화라인(126I)의 종단에 연결된 착화기로 공급된다. 이때, 상기 착화기는 통상의 보일러 장치에 있는 것과 동일하다. 상기 착화기는 상기 유입되는 가스연료(GF)를 착화시킨다. 이와 같은 같은 상태에서 전자밸브(22)가 열려지면 상기 가스연료 주입관(126)의 종단에 결합된 분사노즐(129)로부터는 상기 주입된 가스연료(GF)가 분사된다. 상기 가스연료 주입관(126)의 분사노즐(129)로부터 분사되는 가스연료(GF)는 에어챔버(115)의 내부로 공급되는 연소용 공기에 의해 연소실(16)의 내부로 공급된다.

이와 같은 상태에서 분사노즐(129)의 부근에 위치된 착화기에 의해 상기 가스연료 주입관(126)의 종단에 결합된 분사노즐(129)로부터 분사되는 가스연료가 착화됨으로써 화염이 형성되어 그 주변을 가열하게 되며, 상기 화염은 화염분할 확산판(130)의 화염분할 플레이트(133)의 화염분할구멍(131) 및 확산플레이트(138)에 형성된 개구부(137)를 통해 분할되고 확산되어 연소실(16)로 공급된다. 이때, 상기 확산플레이트(138)에 형성된 개구부(137)는 도 2a에 도시된 바와 같이 일측면이 상부쪽으로 경사진 형태로 개구되어 있어 매니폴드(120)의 방향에서 연소실(16)의 방향으로 화염이 토출되는 경우 상기 화염은 도 2a에 도시된 화살표의 방향으로 선회하면서 토출된다.

상기와 같이 가스연료 주입관(126)으로 유입되는 가스연료(GF)가 연소되어 연소실(16)의 내부의 온도가 상승되면, 상기 저 NOx 가스버너(20)가 설치된 보일러의 부하(스팀의 압력과 온도)가 증가되며 상기 연소실(16)에서 연소된 후의 배기가스가 배출되는 연도의 산소농도가 떨어진다.

상기 연소실(16)내의 산소농도가 떨어지고 상기 보일러의 부하가 증가되면 저 NOx 가스버너(20)의 동작을 제어하는 제어기는 상기 가스연료 주입관(126)으로 주입되는 가스연료(GF)가 점화되었음을 검출하여 제2댐퍼(36)가 개방되도록 제2댐퍼모터(40)를 구동한다.

상기 제2댐퍼(36)가 개방되면, 외부로부터 공급되는 주-연료(HF)는 주-연료관(122)의 내부공간(125)을 통하여 매니폴드(120)의 폴드 튜브(121)로 유입되며, 상기 주-연료(HF)의 유입에 의해 매니폴드(120)의 폴드 튜브(121)에 연결된 연료분 기관(128)들의 종단에 결합된 다수의 분사노즐(129)로부터는 부생가스 또는 수소가스인 주-연료가 분사된다. 상기 연료분기관(128)의 분사노즐(129)에서 분사되는 주-연료는 상기 가스연료 주입관(126)의 분사노즐(129)의 화염에 의하여 착화되어 화염을 형성한다.

상기 매니폴드(120)의 연료분기관(128)의 분사노즐(129)에서 형성된 화염은 도 2a 및 도 2b와 같이 구성된 화염분할 확산판(130)의 외측 둘레의 화염분할 플레이트(133)에 형성된 화염분할구멍(131)들을 통과하면서 다수의 화염으로 분할된 후 연소실(16)의 내부로 공급됨으로써 연소실(131)의 내부의 화염은 넓은 범위로 확산되면서 연소온도가 내려간다.

또한 상기 화염분할 확산판(130)의 중심부분에 위치된 확산 확산플레이트(138)에 개구되어 형성된 비틀림 개구부(137)에 의한 확산선회 가이드(136)에 의해 도 2a와 같이 선회됨으로써 연소실(16)의 내부로 제공된 불꽃은 선회하면서 배기됨을 알 수 있다.

상기와 같이 동작되는 상태에서 연료·촉매 주입관(118)의 내부에 삽입된 NOx 저감 촉매 주입관(127)로 NOx 저감 촉매가 주입되면, 상기 NOx 저감 촉매 역시 종단의 분사노즐(129)에 의해 분사되어 연소실(16)로 확산됨으로써 연소실(16)내의 NOx생성을 억제한다. 이때, 상기 NOx 저감 촉매는 물(H₂O)이 사용될 수 있으며, 외부에서 NOx 수수버너(20)가 운전 중인 경우에는 지속적으로 공급된다.

따라서 외부로부터 유입되는 NOx 저감 촉매가 NOx 촉매 주입관(127)의 종단 부분에서 분사되어 연소실(16)의 내부로 분사됨으로써 연소실(16)의 온도가 낮아짐으로써 NOx의 배출량은 크게 떨어짐을 알 수 있다.

또한, 상기 도 1에 도시된 저 NOx 수소 버너(20)는 배기가스 재순환통로상에 위치된 제1댐퍼(32)를 통하여 배기가스의 일부를 재환순환 유입에 의해 낮아짐으로써 NOx의 발생량이 크게 줄어든다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 저 NOx 부생가스버너(20)는 배기가스 재순환을 통하여 연소실(16)내의 온도를 낮추고, 물을 연소실(16)내의 화염에 분사하여 낮춤으로써 연소실(16)내부의 온도상승에 의해 발생되는 NOx의 발생량을 크게 저감시킬 수 있다. 또한, 2000Kcal/Nm³0Kg이하로 유입되는 주-연료(HF)를 가스연료(GF)에 의해 착화시킴으로써 비교적 발열량이 낮은 부생가스 또는 수소가스 등의 주-연료(HF)의 착화를 비교적 쉽게 할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 화염분할 확산판의 또 다른 실시 예에 따른 정면도와 B-B'선 단면도로서, 도 2b에 도시된 브래킷 로드(132), 로드 클램프(134)의 구성을 생략되었다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 화염분할 확산판(130A)은 중앙부분의 점화화염구(150)의 외측에 다수의 화염분활구멍(131a)들이 형성되어 배열되어 있다. 따라서, 도 3a 및 도 3b와 같은 구성을 갖는 화염분할 확산판(130A)은 연료·촉매 주입관(118)과 다수의 연료분기관(128)의 종단에 결합된 가스노즐(129)로부터 제공되는 화염을 다수의 화염분활구멍(131a)에 의해 분할하여 연소실(16)의 내부로 공급함으 로써 연소실내의 NOx가 저감된다.

도 4는 도 1에 도시된 연료·촉매 주입관(118)의 가스연료 주입관(126)과 다수의 연료분기관(128)의 종단에 형성된 연료분사구멍(140A)의 종단에 장공 형상의 연료분사구멍을 형성하고, 상기 가스연료 주입관(126)과 다수의 연료분기관(128)의 종단에 하나의 분사구멍(142)이 전면 중앙에 형성된 분사노즐 캡(146)을 결합한 다른 실시예를 보인 도면이다.

도 4와 같은 구조를 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 분사노즐은 가스연료 주입관(126)과 다수의 연료분기관(128)의 종단에 형성된 나사에 나사 결합된 분사노즐 캡(146)의 체결량을 조절함으로써 연료분사 구멍(140A)의 유효 분사 구멍의 크기를 조절할 수 있어 그로부터 제공되는 화염의 크기를 적절하게 할 수 있는 이점을 갖는다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저 NOx 가스버너를 가지는 보일러 시스템(10)의 개략도이다. 도 5에서 참조부호 20은 위에서 설명된 구성을 갖는 저 NOx 부생가스버너로서, 보일러 동체(12)의 내부에 마련된 연소실(16)에 결합된다.

상기 보일러 동체(12)의 연소실(16)에 결합된 저 NOx 부생가스버너(20)의 가스연료 주입관(126)에는 제3제어신호(CTL3)에 따라 개도량이 제어되는 전자밸브(21)가 연결되어 있다. 그리고 보일러 동체(12)는 상기 연소실(16)에서 연소된 후의 가스를 배출하는 배기가스 배출통로인 연도결합구(22) 및 상기 연소실(16)의 화염에 의해 내부에 채워진 물을 가열하는 워터 셀(18)이 일체화되어 형성되어 있 다. 이때, 상기 연도결합구(22)의 내부에는 연소실(16)에서 배출되는 배기가스의 산소농도를 감지하는 산소센서(28)가 설치되어 있다.

도 5의 보일러 동체(12)의 상부에 형성된 연도결합구(22)의 배출구는 프리히터(Pre heater)를 통해 배기가스를 외부로 배출하는 연도(24)에 결합되며, 상기 연도(24)로부터 배출되는 배기가스의 일부는 수동으로 그 개도량이 조절되는 제3댐퍼(27)와 유도전동기(28)의 회전에 따라 풍력을 발생하는 송풍기(30)에 의해 저 NOx 가스버너(20)의 공기 흡입구(129)에 결합된 제1댐퍼(32)로 재순환된다. 이때, 상기 송풍기(30)를 회전시키는 유도전동기(28)는 제어기(50)의 제어신호(FC : frequency Control signal)에 대응하는 속도로 증속 또는 회전되어 송풍기(30)의 송풍량을 조절한다. 본 발명에서 연도결합구(22), 프리히터(26), 연도(24), 제3댐퍼(27), 송풍기(30) 및 제1댐퍼(32)의 경로를 배기가스 재순환 경로라 칭한다.

도 5에서 참조부호 23은 보일러 부하센서로서, 보일러 동체(12)의 워터 셀(18)로부터 토출되는 스팀의 압력/또는 스팀의 온도를 감지하는 압력/온도센서(보일러 부하센서)이고, 50은 제어기로서, 압력/온도센서(23)와 상기 산소센서(38)로부터 출력되는 보일러 부하량과 산소농노 값에 따라 제1댐퍼모터(34), 제2댐퍼모터(40) 및 전자밸브(21)의 개도량을 제어하기 위한 제어신호(CTL1, CTL2 및 CTL3)와 유도전동기(28)의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호(FC)를 출력한다.

도 5에서 미설명된 참조부호 24는 보일러 동체(12)의 내부에서 연소실(16)을 형성하는 노통이고, WP는 보일러 동체(12)의 워터 셀(18)에 물을 보충하는 급수펌프, SH는 상기 보일러 동체(12)의 워터 셀(18)로부터 스팀을 토출하기 위한 스팀헤 더이다.

초기 도 5에 도시된 제1댐퍼(32)와 제3댐퍼(27)는 약 50%~70%로 열려져 있고, 제2댐퍼(36)는 완전히 닫혀진 상태이다. 이와 같은 상태에서 도 5에 도시된 저 NOx 버너 보일러 시스템(10)의 운전되면, 제어부(50)는 제어신호(CTL1)를 활성화시켜 전자밸브(21)를 개방한다. 상기 전자밸브(21)의 개방에 의해 저 NOx 가스버너(20)에는 가스연료 주입관(126)을 통해 유입되는 가스연료(GF)를 전술한 바와 같이 점화시켜 화염을 보일러 동체(12)내에 마련된 노통(14)의 연소실(16)로 제공한다.

상기와 같이 연소실(16)에 화염이 제공되면 그 배기가스는 연도결합구(22)를 통해 배출된다. 이때, 연도결합구(22)에 설치되는 산소센서(38)가 배기가스의 산소농도를 감지하여 해당신호를 제어기(50)로 전달한다. 상기와 같은 가스연료(GF)의 점화에 의하여 배기가스의 산소농도가 급격히 감소한 것을 감지한 제어기(50)는 가스연료가 연소되었음을 감지하게 되며, 이때, 상기 제어기(50)는 제어신호(CTL2)를 활성화시켜 제2댐퍼모터(40)를 서서히 구동하여 제2댐퍼(36)를 개방한다. 상기 제2댐퍼(36)가 개방되면, 외부로부터 공급되는 주-연료(HF)가 주-연료관(122)의 관체내부(125)를 통해 매니폴드(120)의 폴드 튜브(121)로 공급됨으로써 상기 연소실(16)에는 주-연료의 점화에 의한 화염이 제공됨으로써 연소실(16)내의 온도는 더욱 상승된다.

상기 보일러 동체(12)내의 노통(14)의 연소실(16)의 온도가 높은 온도로 상승되면, 상기 제어부(50)는 제어신호(CTL1)의 출력을 조절하여 가스연료(GF)의 가 스연료주입관(126)에 연결된 전자밸브(21)를 닫거나, 상기 전자밸브(21)의 개도량이 적어지도록 한다. 바람직하게는 상기 가스연료 주입관(126)의 유입구(inlet)에 설치된 전자밸브(21)의 개도량과 상기 제2댐퍼(36)의 개도량은 보일러 동체의 스팀헤더(SH)에 설치된 압력/온도센서(23)의 출력에 따라 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 압력/온도센서(23)로부터 출력되는 보일러의 압력/온도가 일정한 값 이상인 경우에는 상기 전자밸브(21)를 차단하여 가스연료(GF)의 유입을 완전히 차단한 후, 제2댐퍼(36)의 개도량은 상기 압력/온도센서(23)의 출력에 반비례하도록 제2댐퍼모터(40)를 제어하여 연료 주입량을 조절하는 것이 좋다.

한편, 상기 저 NOx 가스버너(20)에는 외부로부터 공급되는 물 등과 같은 NOx 저감 촉매의 공급에 의해 연소실(16)의 화염온도가 급격히 상승되는 것을 방지함으로써 NOx의 배출이 저감된다. 상기 연소실(16)내의 고온의 배기가스는 연도결합구(22)를 통하여 프리히터(26)를 통해 연도(24)로 배출된다. 이때, 상기 프리히터(26)는 스파이럴 튜브 등이 내장된 것으로 상기 고온의 배기가스에 의해 외부의 공기를 가열하는 것이다.

상기 연도(24)로 배출되는 배기가스의 일부는 제3댐퍼(27)와 유도전동기(28)의 회전에 의해 가·감속 회전되는 송풍기(30)의 회전에 의하여 외부의 신선한 공기와 혼합된 후 상기 프리히터(26)를 통해 저 NOx 부생가스버너(20)의 상단에 설치된 제1댐퍼(32)를 통해 저 NOx 부생가스버너(20)의 공기 흡입구(129)로 재순환 공급된다. 상기 제1댐퍼(32)는 제1댐퍼모터(34)에 의해 그 개도량이 조절되어 저 NOx 부생가스버너(20)로 공급되는 연소용 공기의 유입량을 조절하는데, 그 과정은 아래 와 같다.

보일러 동체(12)의 상부에 결합된 압력/온도센서(23)는 보일러 동체(12)의 워터 셀(18)로부터 토출되는 스팀의 량(보일러 부하량) 또는 그 스팀의 온도를 감지하여 제어기(50)로 공급하며, 연도결합구(22)에 설치된 산소센서(38)는 연소실(16)로부터 배출되는 배기가스중의 산소농도를 감지하여 해당 감지신호를 제어기(50)로 공급한다.

이때, 상기 제어기(50)는 상기 산소센서(38)의 출력에 따라 제1댐퍼모터(34)를 제어하여 제1댐퍼(32)의 개도량을 제어한다. 예를 들면, 감지된 산소량이 미리 설정된 기준산소 값 이하인 경우에는 제1댐퍼(32)가 보다 많이 열려지도록 상기 제1댐퍼모터(34)를 제어한다. 또한 상기 제어기(50)는 상기 압력/온도센서(23)에 의해 감지된 보일러 부하에 따라 유도전동기(28)의 회전속도를 증속 또는 감속하는데, 보일러의 부하가 적은 큰 경우에는 증속 구동하고 적은 경우에는 감속 구동한다.

따라서 도 4에 도시된 저 NOx 버너 보일러 시스템(10)의 저 NOx 부생가스버너(20)는 NOx 저감촉매, 화염의 분할 연소, 배기가스 재순환 등의 방법을 통하여 부생가스 또는 수소가스 등의 주-연료의 연소에 의한 배기가스의 NOx를 저감시킴으로써 액화석유가스, 부생가스 또는 수소연료를 연소하는 보일러 시스템의 NOx를 크게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저 NOx 가스버너의 단면 구조를 나타낸 도면.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 화염분할 확산판의 정면도와 A-A'선 단면도.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 화염분할 확산판의 또 다른 실시 예에 따른 정면도와 B-B'선 단면도.

도 4는 도 1에 도시된 다수의 연료분기관과 연료·촉매 주입관 및 이들에 결합된 분사노즐 캡의 구성도.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저 NOx 가스버너를 가지는 보일러 시스템의 개략도.

《도면의 부분에 대한 부호의 설명》

10 : 저 NOx 버너 보일러시스템, 12 : 보일러 동체(Boiler shell),

14 : 노통(furance), 16 : 연소실,

18 : 워터-쉘(water shell), 20 : 저 NOx 버너,

21 : 전자밸브, 22 : 연도결합구,

23 : 보일러부하감지기, 24 : 연도(flue),

26 : 프리히터(pre-heater), 28 : 유도전동기,

30 : 송풍펜, 32, 36 : 제1, 제2 댐퍼,

34, 40 : 제1, 제2 댐퍼모터, 38 : 산소센서.

50 : 제어기, 100 : 버너 하우징,

110 : 플랜지 플레이트, 112 : 백 플레이트(back plate),

114 : 윈드 실드(wind shield), 115 : 에어챔버(air chamber),

116 : 호퍼(hoper), 120 : 매니폴드(manifold),

122 : 주-연료관, 121 : 폴드 튜브(fold tube),

124 : 밸브, 123 : 중공(hollow),

125 : 관체 내부, 126 : 가스연료 주입관,

127 : NOx 저감 촉매 주입관, 128 : 연료분기관,

129 : 가스노즐, 130 : 화염분할 확산판,

131 : 확산구멍, 132 : 브래킷 로드(bracket rod),

134 : 로드 클램프, 136 : 확산 선회 가이드,

137 : 개구부, 140, 142, 144 : 노즐구멍,

146 : 노즐-캡, WL : 물 주입구(Water Inlet),

GF : 가스연료, WG : 주-연료(HF),

Claims (14)

1. 저 NOx 부생가스버너에 있어서,

   공기 흡입구를 통하여 유입되는 공기가 채워지는 에어챔버가 일측에 형성되며 그 대향면 측에는 보일러 동체내의 연소실을 향하여 일 방향으로 개구된 윈드-실드가 형성된 버너 하우징과;

   길이 방향으로 관통된 중공의 내측의 벽에는 외부로부터 공급되는 주-연료를 입력하는 폴드 튜브가 형성되고, 상기 폴드 튜브에 유입되는 상기 주-연료를 상기 연소실의 방향으로 분사하는 다수의 연료분기관이 종단 둘레를 따라 환 형상으로 배열되어 상기 버너 하우징의 내부에 고정 설치되어진 매니폴드와;

   이중 관체로 형성되며 상기 버너 하우징의 외측으로부터 상기 매니폴드의 중공에 삽입 고정되어 외부로부터 분리되어 유입되는 가스연료와 NOx 저감촉매를 상기 연소실로 분사하는 연료·촉매 주입관과;

   다수의 화염분할구멍이 형성된 확산구멍과 비틀림 개구부가 형성된 판-형상으로 상기 매니폴드의 연료분기관들의 전면에 고정 설치되어 상기 연료분기관들과 상기 연료·촉매 주입관의 종단으로부터 제공되는 화염을 분할하고 선회시켜 상기 연소실로 확산시키는 화염분할 확산판과;

   상기 공기 흡입구에 설치되어 제1댐퍼모터의 회전에 따라 개폐되어 상기 에어챔버로 공급되는 공기량을 제어하는 제1댐퍼를 포함하여 구성함을 특징으로 저 NOx 부생가스버너.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1댐퍼는 상기 연소실에서 배출되어 연도로 배출되는 배기가스를 재순환시키는 재순환통로를 통해 유입된 공기와 외부의 공기가 혼합된 혼합 공기를 유입하는 것임을 특징으로 하는 저 NOx 부생가스버너.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 매니폴드에는 상기 버너 하우징의 외부로부터 공급되는 주-연료를 상기 폴드 튜브로 공급하는 주-연료관를 가지며, 상기 주-연료관의 입구에는 제2댐퍼모터의 회전에 따라 개폐되어 상기 주-연료관으로 유입되는 주-연료량을 제어하는 제2댐퍼가 설치됨을 특징으로 하는 저 NOx 부생가스버너.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 연료분기관들과 연료·촉매 주입관의 종단에는 다수의 분사구멍들이 정면과 측면에 형성된 분사노즐 캡이 결합됨을 특징으로 하는 저 NOx 부생가스버너.
5. 제3항에 있어서, 상기 연료·촉매 주입관은 외부로부터 입력되는 가스연료를 종단에 형성된 분사노즐를 통하여 분사하는 가스연료 주입관과 그 내부에 삽입되어 외부로부터 입력되는 NOx 저감촉매를 상기 분사노즐을 통해 상기 연소실로 분사하는 NOx 저감촉매 주입관으로 구성됨을 특징으로 하는 저 NOx 부생가스버너.
6. 청구항 3항에 있어서, 상기 NOx 저감촉매는 물(H₂O)임을 특징으로 하는 저 NOx 부생가스버너.
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