KR101102062B1 - 고압 기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 등으로부터 배출되는 연소가스중 배기열을 회수하기 위하여 연소용 공기를 공기예열기(air pre-heater)에 의해 예열시킨 후 버너에 공급하는 연소시스템에 있어서, 송풍기로부터 버너에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하되, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 직접 공급하고, 동시에 연소용 공기 일부를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급하여, 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제하고, 에너지 절감을 달성할 수 있도록 한 것으로,

본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템은,

보일러 등으로부터 배출되는 배기열을 회수하도록 송풍기로부터 공급되는 연소용 공기를 공기 예열기에 의해 예열시킨 후 버너에 공급하는 질소산화물 저감시스템에 있어서,

송풍기로부터 버너에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하여 공급하되, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 공급하고, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급하여,

버너의 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제하는 것이다.

질소산화물, 저감 시스템, 버너, 고압기류, 연소용 공기, 배기열 회수, 보일러

Description

고압 기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템{a NOx reducing system of using burner with a high pressure and an air current}

본 발명은 산업용 보일러, 발전용 보일러, 소각장치 등의 연소과정에서 발생되는 질소산화물(NOx)의 생성을 억제시킴에 있어서, 고압기류 방식(증기 분무식 또는 압축공기 분무식을 말함) 버너(액체 버너 및 가스 버너를 말함)에 공급되는 연소용 공기의 온도를 부분적으로만 저하하여 연료소실을 최소화할 수 있도록 한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 보일러 등으로부터 배출되는 연소가스중 배기열을 회수하기 위하여 연소용 공기를 공기예열기(air pre-heater)에 의해 예열시킨 후 버너에 공급하는 연소시스템에 있어서, 송풍기로부터 버너에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하되, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 직접 공급하고, 동시에 연소용 공기 일부를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급하여, 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제할 수 있도록 한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 대기 오염물질중 질소산화물은 광화학 스모그, 온실효과, 산성비에 의한 토양의 산성화 등을 초래 하므로, 국내에서도 2010년부터 환경오염 방지와 관련된 관련법규가 더욱 강화 시행되며, 질소산화물(NOx)은 열적 질소산화물(thermal NOx)과, 즉발 질소산화물(prompt NOx)과, 연료 질소산화물(fuel NOx)으로 분류된다.

전술한 열적 질소산화물(thermal NOx)은, 고온의 분위기하에서 연소공기 중의 질소분자가 산소와 반응하여 생성되는 것으로, 연소 온도가 높은 연소영역에서 산소의 농도가 높거나, 동 영역에서 연소가스의 체류시간이 길 경우 많이 발생된다. 이로 인해 화염의 온도를 낮추고, 낮은 과잉공기비에서 연소 조건을 유지하는 것이 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.

전술한 즉발 질소산화물(prompt NOx)은, 탄화수소계 연료에서 화염면 및 그 주변에서 급격한 연소로 생성되는 것으로, 질소산화물 발생량 중 열적 질소산화물 및 연료 질소산화물에 비하여 무시할 정도이다.

전술한 연료 질소산화물(fuel NOx)은, 연료의 탈질화가 되어 있지 않은 중유 등의 저질유 연소시 연료 중의 질소 성분이 공기 중의 산소와 결합하여 생성되는 것으로, 연소 장치를 변환하여 질소(N) 성분이 NO로 전환되는 것을 최소화 하는 것이 요구된다.

한편, 저 NOx를 얻기 위한 방법으로는 운전 조건의 변경에 의한 방법, 연소 방식을 변경하는 방법, N성분이 적은 연료를 사용하는 방법 등이 있다. 이때 NOx의 생성과 미연가스의 발생은 서로 상반 되므로 저 NOx 연소는 연소 효율, CO 및 매연(soot) 발생의 억제와 함께 이루어져야 한다.

도 1(a)에 도시된 종래 기술에 의한 질소산화물 저감시스템은, 보일러(1)와,

보일러(1)의 배기열에 의하여 급수를 가열하는 버너(2)와,

보일러(1)의 배기가스 배출통로(1a)에 설치되고, 송풍팬(5)으로부터 공급되는 연소용 외부공기를 보일러(1)의 배기열(300℃)을 이용하여 예열(178℃) 시킨후, 공기통로(3a)를 통해 버너(2)에 공급하는 공기예열기(3)와,

공기예열기(3)를 통과시켜 배기열이 회수된 배기가스(150℃)를 대기중으로 배출시키는 연통(4)을 포함한다.

종래 기술의 질소산화물 저감시스템은, 전술한 공기예열기(3)에 의해 예열된 고온(178℃)의 연소용 공기 모두가 버너(2)에 직접 공급되므로, 열적 질소산화물의 생성을 촉진시키게 된다. 또한 공기예열기(3)에 의해 예열되는 연소용 공기의 온도를 낮출 경우, 배기열 회수량이 그 만큼 감소되므로 보일러(1)의 열효율이 떨어지는 문제점을 갖는다.

도 1(b)에 도시된 종래 기술에 의한 질소산화물 저감시스템은, 보일러(1)와,

보일러(1)의 배기열에 의하여 급수를 가열하는 버너(2)와,

보일러(1)의 배기가스 배출통로(1a)에 설치되고, 보일러(1)로부터 배출되는 고온의 배기가스와, 급수통로(6a)를 통해 보일러(1)에 공급되는 급수의 상호 열교 환으로 인해 급수를 배기열에 의해 예열시키는 절탄기(6)와,

송풍팬(5)으로부터 공기통로(5a)를 통해 공급되는 연소용 외부공기를 스팀통로(7b)를 통해 공급되는 스팀의 열에 의해 예열시킨 후, 버너(2)에 공급하는 증기식 에어히터(7)와,

보일러(1)로부터의 배기가스를 배출통로(1a)를 통해 대기중으로 배출시키는 연통(4)과,

물 분무통로(8a)를 통해 공급되는 물을 버너(2)의 화염에 분무상태로 분사시켜 화염의 온도를 낮추는 물 분사장치(8)를 포함한다.

종래 기술의 질소산화물 저감시스템은, 전술한 보일러(1)로부터 배출되는 배기열에 의해 보일러(1)의 급수를 예열시키는 절탄기(6)와, 스팀의 열에 의해 버너(2)에 공급되는 연소용 공기를 예열시키는 증기식 에어히터(7)와, 분무상태의 물을 버너(2)의 화염에 분사시켜 온도를 낮추는 물 분사장치(8)를 구비하게 되어 구조적으로 복잡하므로, 이들의 제작,설치로 인한 초기설치비용 및 사후관리비용이 증가되는 문제점을 갖는다.

본 발명의 실시예는, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 상온 공기로써 직접 공급하고, 동시에 연소용 공기 일부를 배기열을 이용한 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급함에 따라, 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제할 수 있도록 한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템과 관련된다.

본 발명의 실시예는, 공기예열기가 설치된 연소시스템에 적용시 배기열 회수로 인한 에너지를 절감하고, 질소산화물 생성 억제로 인해 추가로 질소산화물을 처리하기 위한 부대설비(일 예로서, 촉매 장치를 말함)가 불필요하므로, 설비투자비용을 최소화할 수 있도록 한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템과 관련된다.

본 발명의 실시예는, 연소가스중 질소산화물 생성을 줄임에 따라, 친환경 조성에 기여하고, 환경오염 방지와 관련된 관련법규에 능등적으로 대처할 수 있도록 한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템과 관련된다.

본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템은,

보일러 등으로부터 배출되는 연소가스중 배기열을 회수하기 위하여 송풍기로부터 공급되는 연소용 공기를 공기 예열기에 의해 예열시킨 후 버너에 공급하는 질 소산화물 저감시스템에 있어서,

송풍기로부터 버너에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하여 공급하되, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 공급하고, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급하여,

버너의 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제하는 것이다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 송풍기로부터 버너의 화염 중심부에 공급되는 비예열 연소용 공기와, 송풍기로부터 버너의 화염 외곽부에 예열후 공급되는 연소용 공기는 2:8비율을 이루게 된다.

전술한 버너는,

송풍기와 공기예열기사이의 연소용 공기 공급통로에서 분기된 분기관과 연결되고, 분기관을 통해 공급되는 비예열 연소용 공기를 버너의 내측케이스에 형성되는 화염 중심부에 공급하는 제1 공기 주입관과,

공기예열기에 의해 예열된 연소용 공기를 버너의 외측케이스에 형성되는 화염 외곽부에 공급하는 제2 공기 주입관과,

제2 공기 주입관의 입구측에 개폐가능하게 설치되고, 예열된 연소용 공기의 공급 유무를 제어하는 댐퍼와,

버너의 화염 중심부에 스팀오일을 공급하는 노즐의 토출구측에 설치되는 제1와류발생기와,

버너의 화염 중심부에 비예열 연소용 공기를 공급하는 내측케이스 내부에 설 치되고, 버너의 화염 중심부에 공급되는 비예열 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제2와류발생기와,

제2 공기 주입관과 외측케이스사이의 경계부에 설치되고, 버너의 화염 외곽부에 공급되는 예열된 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제3와류발생기와,

가스 유입구가 형성된 매니폴더에 입구측이 등간격으로 연통되고, 노즐의 토출구에 출구측이 환형으로 배치되는 가스 노즐을 포함한다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템은 아래와 같은 이점을 갖는다.

보일러 등으로부터 배출되는 연소가스중 배기열을 회수하기 위하여 연소용 공기를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너에 공급하는 연소시스템에 있어서, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 상온 공기로써 직접 공급함에 따라, 버너의 고온분위기를 형성하는 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제할 수 있다.

또한, 공지의 공기예열기가 설치된 연소시스템에 적용시 새로운 폐열회수장치의 설치가 불필요하고, 신규 연소시스템에 적용시에도 배기열 회수가 가능하므로 에너지를 절감할 수 있으며, 질소산화물 생성 억제로 인해 추가로 질소산화물을 처리하기 위한 부대설비(일 예로서, 촉매장치를 말함)가 불필요하므로 초기 설비투자비용을 줄일 수 있다.

또한, 연소가스중 질소산화물 생성을 줄임에 따라 친환경 조성에 기여하고, 환경오염 방지와 관련된 관련법규에 능등적으로 대처할 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 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템은,

산업용 보일러, 발전용 보일러, 소각장치 등의 연소과정에서 발생되는 연소가스중 배기열을 회수하기 위하여 송풍기로부터 공급되는 연소용 공기를 공기 예열기에 의해 예열시킨 후, 고압기류 방식(증기 분무식 또는 압축공기 분무식을 말함) 버너(액체 버너 및 가스 버너를 말함)에 공급하는 질소산화물 저감시스템에 있어서,

송풍기(100)로부터 버너(110)에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하여 공급하되, 송풍기(100)로부터의 연소용 공기 일부를 버너(110)의 화염 중심부에 공급하고, 송풍기(100)로부터의 연소용 공기 일부를 공기예열기(120)에 의해 예열시킨 후 버너(110)의 화염 외곽부에 공급하여,

버너(110)의 화염 중심부의 온도를 낮추어(1350℃ 이상에서는 질소 성분의 NOx 전환율이 증가되므로 1350℃이하가 요구됨) 질소산화물 생성을 억제하는 것이다.

바람직하게는, 전술한 송풍기(100)로부터 버너(110)의 화염 중심부( 1350℃ )에 공급되는 비예열 연소용 공기(상온 공기를 말함)와, 송풍기(100)로부터 버너(110)의 화염 외곽부에 예열후 공급되는 연소용 공기( 178℃ )는 2:8비율(상온을 기준으로 할 경우를 말함)을 이루게 된다. 이때 버너(110)에 공급되는 비예열 연소용 공기와 예열된 연소용 고기의 혼합 비율은 유량조절밸브(A,B)에 의해 조정된다.

전술한 버너(110)는,

송풍기(100)와 공기예열기(120)사이의 연소용 공기 공급통로(130)에서 분기된 분기관(140)과 연결되고, 분기관(140)을 통해 공급되는 비예열 연소용 공기를 버너(110)의 내측케이스(110a)에 형성되는 화염 중심부에 공급하는 제1 공기 주입관(150)(primary air inlet)과,

공기예열기(120)에 의해 예열된 연소용 공기를 버너(110)의 외측케이스(110b)(내측케이스(110a)에 대해 동심원을 이루어 형성됨)에 형성되는 화염 외곽부에 공급하는 제2 공기 주입관(160)(secondary air inlet)(wind box를 말함)과,

제2 공기 주입관(160)의 입구측에 개폐가능하게 설치되고, 예열된 연소용 공기의 공급 유무를 제어하는 댐퍼(170)와,

버너(110)의 화염 중심부에 스팀오일(stem-oil)을 공급하는 액체 노즐(180)의 토출구측에 설치되는 제1와류발생기(190)와,

버너(110)의 화염 중심부에 비예열 연소용 공기를 공급하는 내측케이스(110a) 내부에 설치되고, 버너(110)의 화염 중심부에 공급되는 비예열 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제2와류발생기(200)와,

제2 공기 주입관(160)과 외측케이스(110b)사이의 경계부에 설치되고, 버너(110)의 화염 외곽부에 공급되는 예열된 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제3와류발생기(210)와,

가스 유입구(220)가 형성된 튜브형 매니폴더(230)에 입구측이 등간격으로 연통되고, 액체 노즐(180)의 토출구에 출구측이 환형으로 배치되는 가스 노즐(240)(도면상 6개가 도시됨)을 포함한다.

도면중 미 설명부호 250은 파일럿 버너(pilot burner)이고, 260은 화염스캐너(flame scanner)이며, 270은 버너(110)의 내부를 확인할 수 있는 확인공(peef hole)이며, 280은 스팀-오일 블록(steam-oil block)이고, 290은 버너(110)로부터 배출되는 배기가스를 대기중으로 방출시키는 연통(stack)이다.

이하에서, 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템의 사용예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 액체 노즐(180)에 공급되는 스팀오일의 연소로 인한 버너(110)의 점화시 생성되는 화염 중심부의 온도를 낮춤에 따라 질소산화물의 생성을 최대한 억제할 수 있다.

전술한 송풍기(100)로부터 강제적으로 공급되는 연소용 공기(상온 공기를 말 함) 일부(80%)는 연소용 공기 공급통로(130)를 경유하여 공기예열기(120)에 공급된다. 이로 인해 보일러(300)로부터 배출되는 배기열( 300℃ )과 연소용 공기의 상호 열교환으로 인해 승온된 연소용 공기( 178℃ )는 버너(110)에 공급된다. 이와 동시에 송풍기(100)로부터 공급되는 연소용 공기 일부(20%)는 연소용 공기 공급통로(130)에서 분기접속된 분기관(140)을 통해 버너(110)에 직접 공급된다.

즉 전술한 송풍기(100)로부터 토출되어 공기예열기(120)를 통과해 예열된 연소공기는, 버너(110)의 제2 공기 주입관(160)을 통과한다. 제2 공기 주입관(160)에 유입되는 연소용 공기는 제2 공기 주입관(160)의 입구측에 설치된 댐퍼(170)에 의해 조절될 수 있다. 댐퍼(170)를 통과한 연소용 공기는 버너(110)의 외측케이스(110b)에 형성되는 화염 외곽부에 공급된다(도 4에 무색의 화살표로 이동방향이표시됨).

이때 제2 공기 주입관(160)과 외측케이스(110b)사이에 설치된 제3와류발생기(210)에 의해 버너(110)의 화염 외곽부에 공급되는 연소용 공기에 와류를 발생시킨다.

한편, 전술한 송풍기(100)로부터 토출되어 분기관(140)을 통과하는 비예열 연소공기는, 버너(110)의 제1 공기 주입관(150)을 통과한다. 제1 공기 주입관(150)에 유입되는 연소용 공기는 버너(110)의 내측케이스(110a)에 형성되는 화염 중심부에 공급된다(도 4에 검정색의 화살표로 이동방향이 표시됨).

이로 인해 고온 분위기를 유지하는 버너(110)의 화염 중심부의 온도를 낮출 수 있다(( 1350℃ 이하 ). 이때 버너(110)의 내측케이스(110a)에 설치된 제2와류발생 기(200)에 의해 버너(110)의 화염 중심부에 공급되는 연소용 공기에 와류를 발생시킨다.

전술한 바와 같이, 송풍기(100)로부터 버너(110)에 공급되는 연소용 공기중 일부는, 공기예열기(120)에서 보일러(300)로부터 배출되는 고온의 배기열( 300℃ )을 이용하여 예열( 178℃ )시킨 후 버너(110)의 상대적으로 온도가 낮은 화염 외곽부에 공급된다. 동시에 송풍기(100)로부터의 연소용 공기중 일부는, 공기예열기(120)를 경유하지않고, 직접 버너(110)의 상대적으로 온도가 높은 화염 중심부에 공급된다. 즉 버너(110)의 고온분위기를 유지하는 화염 중심부의 온도를 예열되지않은 연소용 외부공기(상온의 공기를 말함)에 의해 낮추어 질소산화물 생성을 억제할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 질소산화물 저감시스템의 개략도,

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템의 개략적인 구성도,

도 3(a)은 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산환물 저감시스템에서, 액체 버너 및 가스 버너의 측단면도,

도 3(b)은 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산환물 저감시스템에서, 액체 버너 및 가스 버너의 측면도,

도 4(a)는 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템에서, 액체 버너의 측단면도,

도 4(b)는 본 발명의 실시예에 의한 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템에서, 액체 버너의 측면도이다.

*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명

100; 송풍기(combustion air fan)

110; 버너(burner)

120; 공기예열기(air preheater)

130; 연소용 공기 공급통로

140; 분기관

150; 제1 공기 주입관

160; 제2 공기 주입관(wind box)

170; 댐퍼(damper)

180; 액체 노즐(liquid nozzle)

190; 제1와류 발생기(primary swirler)

200; 제2와류 발생기(secondary swirler)

210; 제3와류 발생기(tangential swirler)

220; 가스 유입구(gas inlet)

230; 매니폴더(manifolder)

240; 가스 노즐(gas nozzle)

250; 파일럿 버너

260; 화염 스캐너

270; 확인공

280; 스팀-오일 블록

Claims (3)

1. 보일러 등으로부터 배출되는 연소가스중 배기열을 회수하도록 송풍기로부터 버너에 공급되는 연소용 공기를 2단계로 분리하여 공급하되, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 버너의 화염 중심부에 공급하고, 송풍기로부터의 연소용 공기 일부를 공기예열기에 의해 예열시킨 후 버너의 화염 외곽부에 공급하여, 버너의 화염 중심부의 온도를 낮추어 질소산화물 생성을 억제하는 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템에 있어서:

   상기 버너는,

   상기 송풍기와 상기 공기예열기사이의 연소용 공기 공급통로에서 분기된 분기관과 연결되고, 상기 분기관을 통해 공급되는 비예열 연소용 공기를 상기 버너의 내측케이스에 형성되는 화염 중심부에 공급하는 제1 공기 주입관과,

   상기 공기예열기에 의해 예열된 연소용 공기를 상기 버너의 외측케이스에 형성되는 화염 외곽부에 공급하는 제2 공기 주입관과,

   상기 제2 공기 주입관의 입구측에 개폐가능하게 설치되고, 예열된 연소용 공기의 공급 유무를 제어하는 댐퍼와,

   상기 버너의 화염 중심부에 스팀오일을 공급하는 노즐의 토출구측에 설치되는 제1와류발생기와,

   상기 버너의 화염 중심부에 비예열 연소용 공기를 공급하는 내측케이스 내부에 설치되고, 상기 버너의 화염 중심부에 공급되는 비예열 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제2와류발생기와,

   상기 제2 공기 주입관과 상기 외측케이스사이의 경계부에 설치되고, 상기 버너의 화염 외곽부에 공급되는 예열된 연소용 공기에 와류를 발생시키는 제3와류발생기와,

   가스 유입구가 형성된 매니폴더에 입구측이 등간격으로 연통되고, 상기 노즐의 토출구에 출구측이 환형으로 배치되는 가스 노즐을 포함하여 이뤄지는 것을 특징으로 하는 고압기류 버너를 이용한 질소산화물 저감시스템.
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