KR101221335B1 - 무화염 연소 혼합장치 및 이 장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템 - Google Patents

무화염 연소 혼합장치 및 이 장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 무화염 연소 혼합장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템은 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45)가 구비된 축열식 연소산화 시스템에 있어서, 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 각각 무화염 연소 혼합장치(402, 401)를 설치하여 연소효율을 높인 것을 특징으로 한다. 상기 강제통풍팬(43)과 연소블로어(45) 후단에 각각 설치되는 무화염 연소 혼합장치(402, 401)는 외부관(430)과 내부관(440)으로 이루어지고, 내부관(440)의 외벽에는 나선부재(445)가 고정되도록 설치되고, 내부관에는 일정한 간격으로 복수개의 구멍(441)이 형성된다.

Description

무화염 연소 혼합장치 및 이 장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템 {Mixer for Flameless Combustion and Regenerative Thermal Oxidizer System Equipped with the Mixer}
본 발명은 산업현장에서 발생하는 각종 유해가스를 연소시켜 처리하는 축열식 연소산화 시스템(RTO: Regenerative Thermal Oxidizer)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOCs)을 주입하는 강제통풍팬 후단에 무화염 연소 혼합장치를 설치하고, 연소가스를 주입하는 연소블로어 후단에도 무화염 연소 혼합장치를 설치하여 VOCs가 완전연소될 수 있도록 개선한 축열식 연소산화 시스템에 관한 것이다.
산업현장에서는 휘발성 유기 화합물(VOCs: Volatile Organic Compounds)과 같은 다양한 종류의 유해한 오염가스가 생성되고 있고, 이들 오염가스는 각종 환경 문제를 일으키는 원인이 된다. 따라서 정부에서는 규제를 통하여 가스에서 유해 성분을 제거하여 대기 중으로 배출하도록 강제하고 있다.
오염가스를 처리하기 위한 가장 대표적인 방법은 오염가스를 연소시켜 유해한 성분을 연소시키는 연소산화 시스템에 의한 방법이다. 이러한 연소산화 시스템은 연소챔버 내에 오염가스를 유입시키고 연소챔버 내로 연료를 분사시켜 연료와 함께 오염가스를 연소시키는 장치이다.
연소산화 시스템 중에서도 특히 염소챔버 내부에 축열구조물을 설치하여 연소가스가 포함하는 높은 열에너지를 축열구조물에 저장하여 유입되는 오염가스를 예열함으로써 오염가스의 연소효율을 높이도록 한 축열식 연소산화 시스템이 주류를 이루고 있다.
일반적으로 축열식 연소산화 시스템은 내부에 축열구조물이 설치되고 연료와 함께 유해한 오염가스를 연소시키기 위한 연소챔버가 구비되고, 그 연소챔버 내부로 오염가스를 공급하고 동시에 연소챔버에서 연소된 가스를 배출하는 기능을 담당하는 분배기를 포함한다.
분배기에 대한 종래의 기술을 보면, 주로 드럼 타입 분배기와 디스크 타입 분배기로 구분되어 개발되어 왔다. 드럼 타입 분배기는 연소열에 의한 고온 때문에 드럼이 열팽창하여 시스템 운전시 장애를 일으켜 화재를 초래할 수 있다. 또한 디스크 타입 분배기는 부피가 클 뿐만 아니라 연소열에 의한 고온에 견딜 수 있도록 주물로 제작되므로 중량 또한 커지게 되는 단점이 있다. 그리고 대형의 분배기는 회전 과정에서 많은 문제가 초래되고 있다.
이와 같은 분배기의 중량에 기인하는 문제를 해결하기 위하여 특허출원 제2010-41723호에서는 분배기 구조를 3중 디스크 타입으로 구성하여 소형화를 시도하고 있다. 그러나 3중 디스크 타입 분배기는 구조가 복잡하여 제작 비용이 높아져 실용화를 저해하는 문제가 있다. 따라서 분배기를 소형화함과 동시에 구조를 단순화 시킨 연소산화 시스템을 개발해야 할 필요가 있고, 특허 제918880호에서는 단일 디스크 구조를 가진 로터리식 축열연소 및 산화장치를 제시하여 구조의 단순화를 꾀하고 있으나, 디스크 구조에 있어서 서로 이웃하여 배치된 유입라인과 배출라인, 및 퍼지라인을 그 주위에 두고 있어 유입라인을 통과하는 오염가스가 배출라인으로 넘어갈 수 있고, 유입라인의 오염가스가 배출라인의 연소가스와 섞여 전체적인 연소효율을 떨어뜨리고, 연소가스에 섞여있는 오염가스는 화재를 초래할 수도 있다.
이처럼 종래의 축열식 연소산화 시스템에서는 오염가스를 어떻게 완전연소시켜 연소효율을 높일 것인지가 가장 큰 관건이었고, 나아가 연소시에 화재나 폭발없이 안전하게 연소시켜야 한다는 안전성이 또한 중요한 관건이었다. 본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위한 한 방법으로 연소가스의 일부를 오염가스와 함께 다시 유입될 수 있도록 개선된 시스템을 개발하여 특허 제1029867호로 이미 특허받은 바 있다. 이 특허에서는 연소효율을 어느 정도 향상시키고 화재나 폭발의 위험성을 어느 정도 감소시키는 효과가 있지만, 이 두 문제를 완벽하게 해결하지는 못하였다.
분배기를 사용하는 축열식 연소산화 시스템에서는 오염가스가 연소챔버 내로 주입되고("IN"), 연소챔버에서 연소된 연소가스가 외부로 배출되며("OUT"), 주입되는 오염가스와 배출되는 연소가스가 서로 혼합되지 않도록 차단하는 역학을 하는("PURGE") 인-퍼지-아웃(IN-PURGE-OUT)의 원리로 실행된다. 분배기의 구조는 모두 다르지만 기본적으로 인-퍼지-아웃의 원리가 실행되도록 하는 구조로 이루어져 있고, 상기 인용된 특허들에도 각각의 구조가 상세히 설명되어 있다.
축열식 연소산화 시스템이 인-퍼지-아웃의 원리로 실행되기 위해서는 분배기가 항상 일정한 속도로 회전하여야 한다. 그런데 분배기를 사용하는 축열식 연소산화 시스템이 완전연소가 되지 않고 또한 때때로 화재나 폭발이 발생하는 원인은 회전하는 분배기 부근에서 오염가스와 연소가스가 완전히 차단되지 않기 때문이다. 다시 말해서, 일정한 속도로 계속해서 회전하는 분배기 부근에서는 인-퍼지-아웃의 원리에 의해 유입되는 오염가스와 배출되는 연소가스가 완전히 차단되지 않고, 분배기와 시스템 본체 사이의 공간을 통해 오염가스의 일부가 연소가스와 함께 배출된다. 오염가스가 모두 연소되지 않고 일부가 그대로 배출되면 연소효율은 그만큼 낮아지게 되고, 나아가 화재나 폭발의 원인이 되는 것이다.
본 발명자는 회전하는 분배기 부근에서 인-퍼지-아웃의 원리에 의해 유입되는 오염가스와 배출되는 연소가스가 완전히 차단되지 않고, 분배기와 시스템 본체 사이의 공간을 통해 오염가스의 일부가 연소가스와 함께 배출되는 문제를 해결할 수 있다면, 완전연소에 가까운 연소효율을 높이고 나아가 화재나 폭발도 사전에 방지할 수 있다는 점에 착안하여 분배기와 분배기 상부에 위치한 상부분배부에 에어-락을 걸어줄 수 있는 새로운 시스템을 개발하여 특허출원 제2011-141008호로 특허출원한 바 있다.
본 발명은 상기 같은 모든 축열식 연소산화 시스템에서 VOCs와 같은 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬과 연소가스를 주입하는 연소블로어 후단에 각각 무화염 연소 혼합장치를 설치하여 연소효율을 높인 본 발명의 축열식 연소산화 시스템을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬과 연소가스를 주입하는 연소블로어 후단에 각각 무화염 연소 혼합장치를 설치하여 연소효율을 높인 축열식 연소산화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬과 연소가스를 주입하는 연소블로어 후단에 각각 설치하여 연소효율을 높일 수 있는 무화염 연소 혼합장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 다른 목적들이 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 무화염 연소 혼합장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템은 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45)가 구비된 축열식 연소산화 시스템에 있어서, 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 각각 무화염 연소 혼합장치(402, 401)를 설치하여 연소효율을 높인 것을 그 특징으로 한다.
상기 강제통풍팬(43)과 연소블로어(45) 앞에 각각 설치되는 무화염 연소 혼합장치(402, 401)는 외부관(430)과 내부관(440)으로 이루어지고, 내부관(440)의 외벽에는 나선부재(445)가 고정되도록 설치되고, 내부관에는 일정한 간격으로 복수개의 구멍(441)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
내부관(440)으로는 연료가스가 주입되고, 외부관(430)으로는 VOCs 또는 공기가 주입되며, 내부관을 흐르는 연료가스가 구멍(441)을 통하여 배출되면서 나선부재(445)에 의해서 와류를 형성하여 연료가스와 VOCs(또는 연료가스와 공기)가 균일하게 혼합되어 완전연소를 하게 한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.
본 발명은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬과 연소가스를 주입하는 연소블로어 후단에 각각 설치하여 연소효율을 높일 수 있는 무화염 연소 혼합장치를 제공하고, 이 장치를 강제통풍팬과 연소블로어 앞에 설치함으로써 연소효율을 높인 축열식 연소산화 시스템을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
제1도는 분배기를 이용한 종래의 한 축열식 연소산화 시스템의 구성을 도시하기 위한 개략적인 단면도이다.
제2도는 제1도의 축열식 연소산화 시스템에서 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43) 후단에 무화염 연소 혼합장치(402)를 설치하고, 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 무화염 연소 혼합장치(401)를 각각 설치하여 연소효율을 높일 수 있는 본 발명의 축열식 연소산화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
제3도는 본 발명의 무화염 연소 혼합장치(401, 402)의 내부구조를 알 수 있도록 도시한 개략적인 단면도이다.
제4도는 제3도의 내부관(440)을 사시도로 나타낸 도면이다.
제5도는 제3도의 무화염 연소 혼합장치의 개략적인 횡단면도이다.
본 발명은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOCs)을 주입하는 강제통풍팬(43) 후단에 무화염 연소 혼합장치(402)를 설치하고, 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에도 무화염 연소 혼합장치(401)를 설치하여 VOCs가 완전연소될 수 있도록 개선한 축열식 연소산화 시스템에 관한 것이다.
우선 축열식 연소산화 시스템의 구성을 이해하기 위하여 종래의 한 시스템을 살펴본다. 제1도는 분배기를 이용한 종래의 한 축열식 연소산화 시스템의 구성을 도시하기 위한 개략적인 단면도로서, 특허 제1029867호에 개시된 도면이다. 물론 특허 제1029867호는 연소가스의 일부를 오염가스와 함께 다시 유입될 수 있도록 개선된 시스템이지만, 분배기를 사용하는 축열식 연소산화 시스템에서의 인-퍼지-아웃(IN-PURGE-OUT) 구조를 이해하기에는 충분하다. 분배기는 일명 로터리(rotary) 또는 디스크(disc)라고도 하는데, 분배기는 축을 중심으로 일정한 속도로 회전하면서 주입되는(IN) 오염가스가 배출되는(OUT) 연소가스와 혼합되지 않도록 차단 역할을 하는 퍼지(PURGE) 가스가 서로 다른 방향으로 흐를 수 있도록 구획되어져 있다. 분배기의 이러한 구조는 특허 제1029867호를 비롯한 다른 특허들에서도 상세히 개시되어 있고, 이 또한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.
제1도에 도시된 바와 같이, 일반적인 연소산화 시스템은 연소시키고자 하는 오염가스가 연료주입팬 또는 강제주입팬(forward fan)(43)에 의하여 시스템 본체 하부로 주입되고, 주입된 오염가스는 하부분배부(23), 분배기(200), 및 상부분배부(25)를 통하여 연소챔버(100) 하부에 적층된 축열구조물(11)을 통과하여 연소실(101)까지 이동한다. 연소블로어(45)에 의하여 연료를 연소실(101) 내로 분사시켜 오염가스를 연소시킨다.
연소실(101)에서 연소된 연소가스는 축열구조물(11)을 통과하여 상부분배부(25), 분배기(200), 및 하부분배부(23)를 거쳐 배출관(33)을 통하여 외부로 배출된다. 이때 오염가스와 연소가스가 서로 혼합되지 않도록 퍼지팬(purge fan)(41)에 의하여 퍼지관(35)을 통해 퍼지가스가 도입된다.
분배기(200)는 축(55)에 조립되어 축을 중심으로 하부에 설치된 모터(50)로써 일정한 속도로 회전한다. 분배기(200)는 축(55)을 중심으로 일정한 속도로 회전하면서 퍼지가스가 배리어(barrier) 역할을 하여 오염가스와 연소가스가 서로 혼합되지 않도록 차단 역할을 한다.
그런데, 일정한 속도로 계속해서 회전하는 분배기(200) 부근에서는 인-퍼지-아웃의 원리에 의해 유입되는 오염가스와 배출되는 연소가스가 완전히 차단되지 않고, 분배기와 시스템 본체 사이의 공간을 통해 오염가스의 일부가 연소가스와 함께 배출된다. 오염가스가 모두 연소되지 않고 일부가 그대로 배출되면 연소효율은 그만큼 낮아지게 되고, 나아가 화재나 폭발의 원인이 되기도 한다.
본 발명은 연소시키고자 하는 오염가스를 주입하는 연료주입팬 또는 강제주입팬(forward fan)(43)이 설치되고, 연료가스를 주입하는 연소블로어(45)가 설치된 축열식 연소산화 시스템에는 모두 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 무화염 연소 혼합장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템은 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45)가 구비된 축열식 연소산화 시스템에 있어서, 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 각각 무화염 연소 혼합장치(402, 401)를 설치하여 연소효율을 높인 것을 그 특징으로 한다.
제2도는 제1도의 축열식 연소산화 시스템에서 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43) 후단에 무화염 연소 혼합장치(402)를 설치하고, 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 무화염 연소 혼합장치(401)를 각각 설치하여 연소효율을 높일 수 있는 본 발명의 축열식 연소산화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
제2도에 도시된 바와 같이, 강제통풍팬(43)을 통해서는 오염가스만이 주입되고 송풍팬(43)을 지나서 무화염 연소 혼합장치(402)가 설치되기 때문에 연료가스로 인한 발화가능성을 사전에 제거할 수 있다. 연료가스는 주입관(421)을 통하여 무화염 연소 혼합장치(402)에 주입된다. 주입관(421)에는 밸브(422)가 설치되어 콘트롤러(도시되지 않음)에 의하여 주입되는 연료가스의 양을 자동 조절한다. 주입관(421)에는 필요시 연소가스 공급을 차단할 수 있도록 유입방지판(도시되지 않음)이 더 설치될 수 있다.
연소블로어(45)를 통해서는 공기만이 주입되고 연소블로어(45)를 지나서 무화염 연소 혼합장치(401)가 설치되기 때문에 연료가스로 인한 발화가능성을 사전에 제거할 수 있다. 연료가스는 주입관(411)을 통하여 무화염 연소 혼합장치(401)에 주입된다. 주입관(411)에는 밸브(412)가 설치되어 콘트롤러(도시되지 않음)에 의하여 주입되는 연료가스의 양을 자동 조절한다. 주입관(411)에는 필요시 연소가스 공급을 차단할 수 있도록 유입방지판(도시되지 않음)이 더 설치될 수 있다.
밸브(422)와 밸브(412)는 동일한 콘트롤러에 의해 연동되어 전체적으로 주입되는 연료가스의 양을 자동 조절할 수 있으며, 이러한 기술은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.
제3도는 본 발명의 무화염 연소 혼합장치(401, 402)의 내부구조를 알 수 있도록 도시한 개략적인 단면도이고, 제4도는 제3도의 내부관(440)을 사시도로 나타낸 도면이며, 제5도는 제3도의 무화염 연소 혼합장치의 개략적인 횡단면도이다.
상기 강제통풍팬(43)과 연소블로어(45) 앞에 각각 설치되는 무화염 연소 혼합장치(402, 401)는 외부관(430)과 내부관(440)으로 이루어지고, 내부관(440)의 외벽에는 나선부재(445)가 고정되도록 설치되고, 내부관에는 일정한 간격으로 복수개의 구멍(441)이 형성된다. 나선부재(445)는 스프링과 같은 부재를 적절히 설치할 수도 있고, 나선형 돌출부를 내부관 외주에 일체로 형성할 수도 있다.
내부관(440)으로는 연료가스가 주입되고, 외부관(430)으로는 VOCs 또는 공기가 주입되며, 내부관을 흐르는 연료가스가 구멍(441)을 통하여 배출되면서 나선부재(445)에 의해서 와류를 형성하여 연료가스와 VOCs(또는 연료가스와 공기)가 균일하게 혼합되어 완전연소를 하게 한다. 구멍(441)은 일종의 노즐 역할을 하게 된다.
외부관(430)과 내부관(440)은 850℃ 이상의 고온에서 내구성을 갖는 내열성 금속재질로 제작되어야 하며 텅스텐이나 텅스텐 합금과 같은 재질이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명은 종래의 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOCs)을 주입하는 강제통풍팬(43) 후단에 무화염 연소 혼합장치(402)를 설치하거나, 또는 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 무화염 연소 혼합장치(401)를 설치하여 VOCs가 완전연소될 수 있도록 개선한 축열식 연소산화 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하고 첨부된 도면으로부터 쉽게 파악될 수 있는 사항은 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 연소챔버 200: 분배기
11: 축열구조물 23: 하부 분배부
25: 상부 분배부 31: 유입관
33: 배출관 35: 퍼지관
41: 퍼지팬 43: 강제통풍팬(FDFAN)
45: 연소불로어(Combustion Blower) 50: 모터
55: 축 401, 402: 무화염 연소 혼합장치
411, 421: 연료가스 주입관 412, 422: 밸브
430: 외부관 440: 내부관
441: 구멍(노즐) 445: 나선부재

Claims (6)

  1. 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45)가 구비된 축열식 연소산화 시스템에 있어서, 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43) 후단에 무화염 연소 혼합장치(402)를 설치하고, 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 무화염 연소 혼합장치(401)를 설치하며,
    상기 무화염 연소 혼합장치(401, 402)는 외부관(430)과 내부관(440)으로 이루어지고, 내부관(440)의 외벽에는 나선부재(445)가 고정되도록 설치되고, 내부관에는 일정한 간격으로 복수개의 구멍(441)이 형성되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 혼합장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무화염 연소 혼합장치(402)는 연료가스가 주입되는 주입관(421) 및 콘트롤러에 의하여 주입되는 연료가스의 양을 자동 조절하도록 주입관(421)에 설치된 밸브(422)를 더 포함하고,
    상기 무화염 연소 혼합장치(401)는 연료가스가 주입되는 주입관(411) 및 콘트롤러에 의하여 주입되는 연료가스의 양을 자동 조절하도록 주입관(411)에 설치된 밸브(412)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 혼합장치가 구비된 축열식 연소산화 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 축열식 연소산화 시스템에서 처리하고자 하는 오염가스를 완전연소시킬 수 있도록 오염가스를 주입하는 강제통풍팬(43)과 연소가스를 주입하는 연소블로어(45) 후단에 각각 설치하기 위한 것으로, 외부관(430)과 내부관(440)으로 이루어지고, 내부관(440)의 외벽에는 나선부재(445)가 고정되도록 설치되고, 내부관에는 일정한 간격으로 복수개의 구멍(441)이 형성되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 혼합장치.

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