KR101224628B1 - 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러에 관한 것으로, 연소 가스의 온도를 무리하게 높게 하지 않으면서도 CO가 산화되도록 하여 CO와 NOx의 농도를 함께 저감함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러는, 버너에 의해 연료를 연소시키는 연소기(10)와; 일측이 상기 연소기와 연통하는 중공의 케이스(21), 상기 케이스의 내부에 형성되며, 내부에 상기 연소기의 가스로부터 열을 회수하는 물이 순환하는 다수의 전열관의 조합으로 이루어진 전열부로 구성된 본체부(20)를 포함하며, 상기 본체부는, 상기 연소기에 의한 연소 과정에서 발생되는 일산화탄소를 산화시키는 산화존(25)이 포함된다.

Description

일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러{NON FURNACE WATER TUBE BOILER HAVING CO OXIDATION ZONE}

본 발명은 관군 연소 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관군 연소(전열관 사이 연소)시 발생되는 일산화탄소의 산화를 유도하여 일산화탄소에 의한 대기 오염을 저감할 수 있는 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러에 관한 것이다.

보일러는 화석연료의 연소과정에서 발생되는 열을 물 또는 열매체에 전달하여 증기 또는 보다 높은 온도의 열매체를 만들어서 사용처의 열사용 조건에 맞도록 공급하는 장치로서, 보일러 본체, 연소장치, 폐열회수장치, 제어장치 등으로 구성된다.

보일러 본체는 연소장치에서 발생한 열을 흡수하여 증기나 온수를 만드는 부분으로 그 내부에 연소실을 포함하고 있다. 따라서, 보일러 본체의 내부에 설치된 연소실에서 연소반응에 의해 화학에너지가 열에너지로 변환되고, 이 열에너지를 보일러 본체에서 흡수하여 증기나 온수를 만들고 배기가스가 보일러 본체에서 배출되며, 열교환기(공기예열기나 절탄기 등)에서 배기가스의 열을 추가로 흡수한다. 이 경우에 보일러의 안전하고 효율적인 운전을 위하여 안전장치와 제어장치가 적용된다.

보일러는 열매에 따라서 온수보일러, 증기보일러, 열매체보일러 등으로 분류하고, 온수나 증기를 만들기 위하여 사용하는 열원에 의해 유류보일러, 가스보일러, 석탄보일러, 전기보일러, 폐열보일러 등으로도 분류하며, 용도에 따라서 가정용보일러, 산업용보일러, 발전용보일러 등으로 분류하기도 하고, 구조에 따라서 분류하기도 한다.

산업용보일러(난방용보일러 포함)로서 사용되고 있는 것 중에는 노통연관식 보일러, 수관식 보일러, 소형 관류보일러 등의 3종류로 구분할 수 있다.

노통연관식 보일러는 지름이 큰 동체를 몸체로 하여 그 내부에 노통과 연관을 동체축에 평행하게 설치하고, 노통에서 연소과정을 거쳐 나온 연소가스가 연관을 통해 연도로 빠져 나가도록 되어 있는 구조의 보일러이다. 버너에서 연소실로 분출된 연료와 공기는 연소실인 노통 내부에서 반응하여 화염을 형성하고, 연소가스는 연관군에 들어가 동체내부에 있는 보일러수로 열전달을 한 후 연도로 배출된다. 이 노통 연관식 보일러는 보일러수와 증기로 채워지는 큰 동체를 갖고 있기 때문에 강도면에서 최고사용압력이 제한된다. 그러나 노통 연관식 보일러는 가격이 저렴하고, 유지관리가 용이하기 때문에 중소형 보일러에 많이 이용되고 있다. 이 중소형 용량의 노통 연관식 보일러의 최고사용압력은 20 kg/cm2정도이지만, 일반적으로 10kg/cm2이하의 보일러에 널리 이용되고 있다. 노통 연관식 보일러의 생산용량은 1.0∼30ton/h 정도이다. 난방용 보일러나 소형온수보일러는 대부분 노통 연관식 보일러가 사용되고 있으며, 증발량 10 ton/h 이하의 중소형 보일러에 가장 보편적으로 사용되고 있다.

수관식 보일러는 지름이 작은 다수의 관(전열관)을 배열하고, 그 속을 물이 지나게 하여 전열관 외측에서 가스, 기름 등을 이용하는 버너 등의 연소수단으로 가열하는 보일러이다. 이러한 수관 보일러의 전열관은 지름이 작아 고온, 고압에 내구성이 뛰어나다. 또한, 전열관의 수를 다수 형성함으로써, 전열면적을 크게 할 수 있어 보일러의 열효율을 극대화 할 수 있다. 따라서, 수관 보일러는 증기터빈의 발전과 함께 발달하였으며, 각종 산업용, 화력발전이나 선박의 증기터빈용, 규모가 큰 난방용, 가정용, 사무실 등 광범위한 용도에 사용되고 있다.

관군 연소 보일러는 수관 보일러의 개량 보일러로서, 연소실에 의한 연소 개념을 탈피한 것으로 연소실이 없는, 수관(전열관)군내 연소 개념에 의한 보일러이다.

도 1은 종래 관군 연소 보일러의 개념을 보인 구성도로서, 관군 연소 보일러는, 버너를 이용하여 연료를 연소하는 연소기(1), 연소기(1)의 연소에 의해 발생된 열을 회수하는 본체(2)를 기본 구성으로 하며, 본체(2)의 후단에 적용된 폐열회수장치, 제어장치 등이 갖추어진다.

본체(2)는 다수의 전열관(3)(내부에 물이 순환하는 관)이 배열되어 구성되며, 연소기(1)에 의한 연소를 시작으로 하여 전열관(3) 사이에서 연소가 이루어지도록 하고, 전열관(3) 내부를 흐르는 물이 전열관(3) 주변의 고온 연소가스로부터 열을 회수하는 방식이다. 즉, 전열관(3)들 사이의 공간은 가스의 연소가 이루어지는 연소실의 기능을 하는 것이다.

보일러의 연소시 연료의 불완전연소(뿐만 아니라 완전연소) 등의 이유로 인하여 배기가스에는 고농도의 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등이 포함되어 있으며, 특히, 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)를 연료로 사용하는 보일러는 LNG가 메탄을 주원료로 하기 때문에 상당량의 CO가 발생된다.

CO와 NOx에 의한 대기오염을 막기 위하여 CO와 NOx의 저농도 기술이 제안되고 있다.

일반적으로, NOx의 발생의 억제 원리로서, 화염(연소 가스) 온도의 억제, 고온 연소 가스의 체류 시간의 단축 등이 알려져 있다. 그리고, 이러한 원리를 응용한 여러 가지의 저NOx화 기술이 있다. 예를 들면, 2단 연소법, 농담(濃淡) 연소법, 배기 가스 재순환 연소법, 수첨가 연소법, 증기 분사 연소법, 수관군에 의한 화염 냉각 연소법 등이 제안되고 실용화되어 있다.

그러나, CO와 NOx는 상반관계를 갖고 있으며, 즉, NOx의 생성을 저감하면 CO의 배출량이 증가되고 NOx와 CO를 동시에 삭감하는 것은 어렵다. 그 원인은, 저NOx화와 저CO화가 서로 상반되는 기술적 과제인 점에 있다. 즉, 저NOx를 추진하기 위해서 연소가스 온도를 급격하게 저하시켜, 900℃ 이하의 낮은 온도로 억제하면, CO가 다량으로 발생함과 아울러 발생된 CO가 산화되지 않은 채 배출되어, CO 배출량이 증대된다. 반대로, C0의 배출량을 적게 하기 위해서, 연소 가스 온도를 높은 쪽으로 억제하면, NOx의 생성량의 억제가 불충분해진다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 해결하기 위한 선행기술들이 있으나, 장비가 복잡하여 경제성이 떨어지고 결국 현실적이지 못한 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-1991-7000433호 대한민국 공개특허 제10-1999-0034881호 대한민국 등록특허 제10-0691257호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연소 가스의 온도를 무리하게 높게 하지 않으면서도 CO가 산화되도록 하여 CO와 NOx의 농도를 함께 낮출 수 있는 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러는, 버너에 의해 연료를 연소하는 연소기와; 일측이 상기 연소기와 연통하는 중공의 케이스, 상기 케이스의 내부에 형성되며, 내부에 상기 연소기의 가스로부터 열을 회수하는 물이 순환하는 다수의 전열관의 조합으로 이루어진 전열부로 구성된 본체부를 포함하며, 상기 본체부는, 상기 연소기에 의한 연소 과정에서 발생되는 일산화탄소를 산화시키는 산화존이 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러에 의하면, 전열관 주변의 연소 온도를 무리하게 높이기 않고 약 1000℃ 수준으로 연소 분위기를 조성하여 질소산화물의 발생을 억제할 수 있으며, 전열이 이루어지지 않는 산화존을 통해 일산화탄소가 산화되어 일산화탄소의 농도를 대폭 저감할 수 있고, 따라서 일산화탄소와 질소산화물에 의한 대기오염을 줄이고, 배기가스 정화장치의 구성을 단순화할 수 있으며 일산화탄소와 질소산화물의 저감을 위한 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 종래 관군 연소 보일러의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러의 구성도.
도 3은 도 2는 본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러의 다른 예시도.

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러는, 연소기(10), 연소기(10)에서 연소에 의해 발생되는 열을 회수하는 본체부(20) 및 미도시된 배기부로 구성된다.

연소기(10)는 예를 들어 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)를 연료로 하며 버너를 통해 가스(연료)를 연소시켜 고온의 열을 발생한다.

본체부(20)는 중공의 케이스(21), 케이스(21) 내부에 형성되며 물 등을 통해 가스의 열을 회수하는 전열부(22,23,24) 및 가스에 포함된 일산화탄소의 산화를 유도하는 산화존(25)으로 구성된다.

케이스(21)는 연소기(10)의 화염과 가스가 내부에 유입되어 전열부(22,23,24)와 산화존(25)을 통과하면서 전열과 산화가 일어날 수 있는 공간을 제공하며, 일측이 연소기(10)와 대응되도록 개방되고 도면에 도시되지는 않았지만, 연소기(10)의 반대쪽은 폐열회수기 등이 연결되고, 외부의 열손실 방지를 위하여 단열재로 라이닝될 수 있다.

전열부는 제1 내지 제3전열부(22,23,24)로 구분될 수 있고, 각각 물이 순환하는 전열관의 조합으로 구성된다.

제1전열부(22)는 연소기(10)와 대응되는 1차 전열부이고, 제2전열부(23)는 산화존(25)을 제공하는 2차 전열부이며, 제3전열부(24)는 산화존(25)을 통과한 가스의 열을 회수하는 3차 전열부이다.

제1전열부(22)는 다수(도면에는 9개로 도시됨)의 제1전열관(22a)이 연소기(10)를 향해 개방되도록 예를 들어 상부에 3개, 하부에 3개, 우측(도면 기준)에 4개씩 배열되어 구성되며, 전열 면적을 극대화하기 위하여 사각형으로 배열된다.

제2전열부(23)는 다수의 제2전열관(23a)으로 구성되며, 전열면적을 증대하기 위하여 제1전열부(22)의 제1전열관(22a)에 근접되는 첫 번째 열의 제2전열관(23a)은 제1전열관(22a)과 지그재그 형태로 배열된다.

제2전열부(23)는 내부에 산화존(25)이 형성되도록 사각 틀의 형태로 형성되며, 즉, 산화존(25)의 공간에 제2전열관(23a)이 없는 형태인 것이다. 제2전열관(23a)이 사각틀의 형태로 배열된 것은 산화존(25)을 형성함과 아울러 산화존(25)의 가장자리를 흐르는 가스의 열이 외부로 손실되지 않도록 하기 위함이다.

제3전열부(24)는 다수의 제3전열관(24a)으로 이루어지며, 전열부의 마지막 단계이므로 열 회수율을 높이기 위하여 제3전열관(24a) 사이의 간격을 제1,2전열관(22a,23a) 사이의 간격보다 좁게 형성함으로써 가스의 유속을 느리게 함으로써 전열효과를 높이고, 또한, 외주면에 다수의 전열핀(24b)이 형성될 수도 있다. 제3전열부(24)는 다수의 제3전열관(24a)이 제2전열부(23)를 기준으로 할 때 다수열로 배열되며, 이때, 전열핀(24b)은 앞쪽(제2전열부(23)쪽)의 제3전열관(24a)에서부터 뒤쪽의 제3전열관(24a)으로 갈수록 단면적이 크게 형성된다. 왜냐하면, 앞쪽이 뒤쪽보다 가스의 온도가 높아 너무 높은 열을 회수하면 전열핀(24b)이 손상될 수 있기 때문이다.

산화존(25)은 가스에 포함된 일산화탄소의 산화가 이루어지도록 공간을 제공하는 것이며, 가스의 열을 회수하는 전열반응이 일어나지 않도록 한다. 왜냐하면, 가스와 전열매체인 물의 전열반응이 일어나면 일산화탄소의 산화온도 이하로 떨어지기 때문에 산화존(25)에는 전열관이 장착되지 않는다. 이와 같은 구성으로 인하여 산화존(25) 내부는 일산화탄소의 산화 조건인 약 1000℃가 유지될 수 있다. 즉, 산화존(25)을 통과하는 가스는 열교환없이 일산화탄소와 질소산화물만이 제거되는 것이다.

본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러의 작용은 다음과 같다.

연소기(10)를 가동하면 연소기(10)에서 연료 가스와 공기가 혼합되어 분사됨과 아울러 버너에 의해 화염이 발생되어 연소가 일어난다. 가스의 연소는 본체부(20)의 제1전열부(22)에서 일어나며, 연소에 의해 발생되는 고온의 열은 제1전열부(22)의 제1전열관(22a)을 따라 흐르는 물에 흡수된다.

제1전열부(22)를 통과한 가스는 제2전열부(23)로 진행하며, 제2전열관(23a)이 제1전열관(22a)과 지그재그 형태로 배열되어 가스의 체류시간이 길어지고 제2전열관(23a)과의 전열 면적이 커짐에 따라 전열효과가 증대된다.

제2전열부(23)를 통과하는 산화존(25)을 흐르게 되며, 산화존(25)에는 전열관이 없기 때문에 가스는 열교환 반응을 일으키지 않고 산화존(25)을 흐르게 되며, 산화존(25)의 온도가 일산화탄소의 산화 온도인 예를 들어 1000℃이기 때문에 가스에 포함된 일산화탄소는 산화존(25)을 통과하면서 산화된다. 이때, 산화존(25)은 질소산화물의 억제 조건을 만족하므로 질소산화물의 농도도 저감된다.

가스가 산화존(25)을 통과할 때 산화존(25)의 가장자리에서는 제2전열관(23a)을 흐르는 물과 가스의 열교환이 일어나게 되어 가스가 열손실없이 산화존(25)을 통과한다.

산화존(25)을 통과한 가스는 제3전열부(24)를 통과하며, 이 과정에서 제3전열관(24a)을 흐르는 물과 열교환한 후 배기된다. 보일러에서 배기되는 배기가스는 일산화탄소의 농도가 매우 낮은 수준으로 하기의 표 1은 보일러(1톤 용량)의 부하율에 따른 일산화탄소의 농도를 보인 것이다.

비교군은 산화존이 없는 것으로, 본 발명의 산화존에 전열관이 설치된 것이다.

표 1에서 보이듯이 본 발명에 따르면, 산화존이 없는 비교군과 비교할 때 일산화탄소의 농도가 대폭으로 저감되었음을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러의 다른 예시도로서, 산화존(25)을 통해 일산화탄소가 저감된 배기가스는 질소산화물이 증가될 수 있으며, 이를 감안하여 배기가스를 재연소시켜 질소산화물을 억제하는 재연소 안내관(26)이 적용될 수 있다.

재연소 안내관(26)은 유입측이 폐열회수장치(본체부(20)에서 배출된 가스에서 열을 회수함)의 토출단에 연결되는 배기덕트와 연통하고 토출측이 연소기(10)에 연통하여, 폐열회수장치를 통과한 배기가스를 연소기(10)에 복귀시킴으로써 재연소가 일어나도록 한다.

재연소 안내관(26)은 필요에 따라 사용될 수 있도록 유입측(또는 유입측과 토출측 모두)을 개폐하는 댐퍼(27)가 적용될 수 있다. 댐퍼(27)는 수동/자동에 의해 동작하여 재연소 안내관(26)의 유입측을 개폐한다.

10 : 연소기, 20 : 본체부
21 : 케이스, 22,23,24 : 전열부
25 : 산화존, 26 : 재연소 안내관
27 : 댐퍼,

Claims (6)

1. 버너에 의해 연료를 연소시키는 연소기(10)와;
   일측이 상기 연소기와 연통하는 중공의 케이스(21), 상기 케이스의 내부에 형성되며, 내부에 상기 연소기의 가스로부터 열을 회수하는 물이 순환하는 다수의 전열관의 조합으로 이루어진 전열부, 상기 연소기에 의한 연소 과정에서 발생되는 일산화탄소를 산화시키는 산화존(25)으로 구성된 본체부(20)와;
   폐열회수장치를 통과한 배기가스를 상기 연소기로 복귀시켜 재연소를 통해 질소산화물의 억제를 유도하는 재연소 안내관(26)을 포함하며,
   상기 산화존은 상기 본체부의 내부에 상기 전열관이 배열되지 않는 공간의 형태이면서 둘레부에 상기 전열관이 상호 간에 일정 간격으로 이격되도록 배열되어 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시킴과 아울러 가장자리를 따라 흐르는 가스의 열 손실을 방지하고,
   상기 전열부는 상기 연소기와 함께 연소공간을 형성함과 아울러 연소가스의 열을 1차로 회수하는 제1전열부(22), 상기 제1전열부의 하류에 형성되면서 상기 산화존을 형성하는 제2전열부(23), 상기 제2전열부의 하류에 형성되어 상기 산화존을 통과한 배기가스의 열을 흡수하는 제3전열부로 구성되며,
   상기 제2전열부의 제2전열관은 상기 제1전열부의 제1전열관과 지그재그 형태로 배열되며,
   상기 제3전열부의 제3전열관(24a)은 둘레부에 다수의 전열핀(24b)이 구비되면서 상기 제1,2전열부의 제1,2전열관(22a,23a)들간의 간격보다 좁게 배치되고, 상기 전열핀은 앞쪽에 배치되는 것에서부터 뒤쪽에 배치되는 것으로 가면서 단면적이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 관군 연소 보일러.
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