KR101560713B1 - 연소실 삽입식 fgr 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러 - Google Patents

연소실 삽입식 fgr 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러 Download PDF

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Abstract

연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러가 개시된다. 본 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러는, 이송되는 폐기물이 연소되는 1차 연소실; 상기 1차 연소실과 연결되어 상기 1차 연소에 의한 미연분이 2차 연소되는 2차 연소실; 상기 2차 연소실 내화벽에 마련되어 배기 경로의 중심방향으로 연소 공기가 주입되도록 하는 연소공기 공급부; 및 로내 가스의 유량증가를 통해 상기 2차 연소실 출구의 로내 온도를 낮추고 연소영역의 산소와 질소농도를 낮춰 NOX 생성을 억제하기 위해, 상기 연소공기 공급부 주변의 상기 배기 경로 상에 마련되어, 상기 연소 공기와 함께 상기 배기 가스가 재순환되도록 하는 삽입식 덕트;를 포함한다. 이에 의해, 재순환되는 배기 가스가 로내 중심에서 분사되도록 함으로써, 미연분의 연소 효율의 증대와 함께, 재공급되는 배기 가스의 증대 및 증기 증산율을 높일 수 있으며, 재순환 배기 가스 중 O2 와 N2 농도가 낮아지므로 Thermal NOX의 생성을 억제시킬 수 있다. 또한, 재연소 노즐이 마련된 2차 연소실의 온도 제어를 통해 내화벽에 발생하는 클링커를 억제할 수 있다.

Description

연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러{The combustion chamber equipped with a drop-in FGR duct boiler furnace stoker}
본 발명은 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로내에 FGR용 덕트가 삽입식으로 마련되어 배기 가스를 2차 연소실 입구에 재공급하여 연소되도록 함으로써, 혼합된 연소용 순환배기가스 중의 질소 비율이 낮아진 상태로 연소되어 Thermal NOX 을 저감할 수 있는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 발전소, 공장, 소각장 등에서 운영되는 보일러에는 연소과정을 통해 유해 가스인 질소 산화물이 생성되어 배출된다. 이와 같은 질소산화물은 광화학작용에 의해 2차 오염물질을 생성하므로 주요 대기오염물질 중 하나로 취급된다.
질소산화물을 처리하는 시스템으로는 연료 개선을 통한 배출물 억제를 목표로 하는 전처리 시스템과 이미 배출된 가스를 정화하는 후처리 시스템으로 구분이 가능하다.
이중, 전처리 시스템의 배기 재순환 방식은 연소로 내의 2차 연소 영역에 배기를 재순환시킴으로써, 로내 가스의 유량증가를 통해 연소 효율을 높이고 로내 온도를 낮추며, 2차 연소영역의 산소와 더불어 공급되는 질소 농도를 희석시켜 Thermal NOX 생성을 제어하는 방법이다. 배기 재순환 방식은 사용하는 연료에 따라 15% ~ 50% 정도의 NOX 저감률을 얻을 수 있으며 고형 및 고체연로 연소 설비에 적용하는 것이 가장 효과적이다.
연소 안정성의 관점에서 보면, 2차 연소실로 공급되는 연소용 공기는 2차 연소실의 목부분(2nd Combustion chamber throat)에서의 유속이 증가되기 때문에 1차 연소가스와 2차 연소용 공기의 혼합이 촉진됨으로써, 연소의 안정성에 많은 영향을 미치는 요인이며 이곳에서의 충분한 2차 연소용 공기의 침투가 연소효율에 영향을 미치는 가장 큰 요소이다.
또한, 1차 미연소가스에 재순환된 배기가스 중의 산소를 로내에 일정하게 공급하기 위해 로의 측면인 내화벽에서 고압의 제트기류 형태로 노즐을 통해 배기 가스 중의 산소를 주입하는 방안들이 제안되었으나, 고온 고속의 1차 미연소가스와 재순환 배기 가스 중의 산소를 공급하기 위해 필요한 순환배기가스 중의 산소가 적절하게 공급되지 않음으로써, 미연분, 일산화탄소, 질소산화물 등의 유해물질들의 저감 효과가 낮아지는 문제가 있다.
대한민국등록특허 제10-1133434호(등록일자 : 2012. 03. 29.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차 연소실 입구의 배기 가스의 배기 경로 상에 재순환되는 배기 가스가 직접적으로 분사되도록 할 수 있는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러는, 이송되는 폐기물이 연소되는 1차 연소실; 상기 1차 연소실과 연결되어 상기 1차 연소에 의한 미연분이 2차 연소되는 2차 연소실; 상기 2차 연소실 내화벽에 마련되어 배기 경로의 중심방향으로 연소 공기가 주입되도록 하는 연소공기 공급부; 및 로내 가스의 유량증가를 통해 상기 2차 연소실 출구의 로내 온도를 낮추고 연소영역의 산소와 질소농도를 낮춰 NOX 생성을 억제하기 위해, 상기 연소공기 공급부 주변의 상기 배기 경로 상에 마련되어, 상기 연소 공기와 함께 상기 배기 가스가 재순환되도록 하는 삽입식 덕트;를 포함한다.
그리고, 상기 삽입식 덕트는, 상기 재순환되는 배기 가스가 연소에 의해 발생하는 상기 배기 가스와 혼합되어 연소되도록, 상기 배기 경로 방향 또는 내화벽 방향을 향하는 분사노즐;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차 연소실은, 상기 배기 가스의 연소열이 흡수되도록 하는 측벽수관;을 포함하고, 상기 삽입식 덕트는, 상기 측벽수관의 수관이 연장될 수 있도록 수관형태로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 측벽수관은, 길이방향을 따라 굴절되어 상기 삽입식 덕트가 수용될 수 있는 공간을 형성함으로써, 상기 삽입식 덕트가 상기 측벽수관과 결합되지 않고 삽입되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 2차 연소실은, 상기 연소공기 공급부 주변의 내화벽에 생성되는 클링커가 억제되도록, 상기 재순환되는 배기 가스가 포함한 O2와 N2의 공급량을 낮춰, 상기 2차 연소실 출구의 로내 온도가 950℃이하로 유지되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 2차 연소실은, 상기 연소실에서 생성되는 배기 가스와 상기 재순환되는 배기 가스가 혼합된 연소에 의해 생성되는 배기 가스는 1차 연소실에서 생성되는 배기 가스에 비해 O2와 N2의 농도가 낮게 유지됨으로써, Thermal NOX의 생성이 억제될 수 있다.
또한, 상기 2차 연소실은, 상기 재순환되는 배기 가스의 온도가 150℃ 이상으로 재공급됨으로써, 2차 연소를 위해 혼합된 배기 가스의 유량이 증대되고, 증기 증산율이 2 ~ 5 % 획득될 수 있다.
이에 의해, 재순환되는 배기 가스가 로내 중심에서 분사되도록 함으로써, 미연분의 연소 효율의 증대와 함께, 재공급되는 배기 가스의 증대 및 증기 증산율을 높일 수 있으며, 재순환 배기 가스 중 O2 와 N2 농도가 낮아지므로 Thermal NOX의 생성을 억제시킬 수 있다.
또한, 재연소 노즐이 마련된 2차 연소실의 온도 제어를 통해 내화벽에 발생하는 클링커를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소각로의 전체 구성을 보여주기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 재순환 과정을 보여주기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입식 덕트의 구성을 보여주기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 연소실 내의 배기 가스의 흐름을 보여주기 위한 모식도, 및
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입식 덕트가 마련된 2차 연소실 내의 배기 가스의 흐름을 보여주기 위한 모식도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며, 도면들에 있어서 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 실시예에 따른 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러(이하 연소실 보일러)는, 재연소 구간인 2차 연소실에 재순환용 배기 가스를 공급할 수 있는 삽입식 덕트를 배기 경로를 가로지르는 방향으로 마련하여, 로내 중심에 재순환용 배기 가스를 직접적으로 분사함으로써, 재순환용 배기 가스에 의한 연소 효율을 높여 증기 증산율의 증대와 Thermal NOX의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 2차 연소실의 로내 온도를 제어하여 내화벽에 발생하는 클링커를 억제함으로써, 소각로의 사용 효율 및 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소각로의 전체 구성을 보여주기 위한 도면, 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 재순환 과정을 보여주기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 연소실 보일러는 연소로 내에 배기 가스를 재순환 시켜 연소 효율을 높임으로써, 증기 증산율의 증대와 유해물질의 저감을 실현하기 위한 것으로, 화격자(110), 1차 연소실(120), 연소공기 공급부(130), 삽입식 덕트(140), 2차 연소실(150), 보일러(160), 반응탑(170), 백필터(180) 및 연돌(190)을 포함한다.
화격자(110)는 폐기물의 연소를 위해 폐기물의 투입, 건조, 이송, 배출 기능을 포함하는 것으로, 상부에 투입호퍼가 마련되고 내부에는 연소실 내부의 폐기물을 연소와 함께 이송되도록 하는 스토커 및 연소된 폐기물의 잔량을 배출하는 배출구 등으로 구성된다.
화격자(110)의 구성은 본 발명의 기술적 사상과는 거리가 있어 상세한 설명은 생략하도록 하며, 익히 알려진 공지된 구성 중 폐기물의 소각을 위한 적절한 구성이라면 어떠한 구성이 사용되어도 무방함은 물론이다.
1차 연소실(120)은 전술한 스토커의 하부면에서 분사되는 연소용 1차 공기에 의해 연소되는 공간을 의미하며, 일반적으로 폐기물의 이송방향을 따라 형성되는 화격자(110)의 연소 공간으로, 2차 연소실(150)로 이어진다.
연소공기 공급부(130)는 2차 연소실(150)의 입구, 즉, 1차 연소실(120)과 2차 연소실(150)의 경계 부근에 위치하여 화염 또는 미연분을 포함한 배기 가스에 2차 연소를 위한 공기를 공급한다.
삽입식 덕트(140)는 1차 연소를 통해 생성되는 1차 연소실(120) 미연소 배기 가스를 2차 연소공기와 함께 화염에 재분사하기 위한 것으로, 배기 경로의 중심을 따라 마련되어 재순환용 배기 가스가 배기 경로 또는 로의 중심에 직접적으로 분사되도록 함으로써, 배기 유량의 증가를 통해 증기 증산율을 높이고, 낮은 O2 농도의 2차 공기를 공급함으로써 로의 온도를 낮춰 클링커의 생성을 억제하며, 연소 효율의 증가를 통해 질소산화물을 포함한 유해물질의 제거를 도모할 수 있다.
재순환용 배기 가스의 역할과 삽입식 덕트(140)에 대한 상세한 설명은 도 3 내지 도 5에서 다시 상세히 설명하기로 한다.
2차 연소실(150)은 1차 연소에 따라 발생하는 화염 또는 배기 가스에 포함된 미연분의 연소 공기를 재차 분사함으로써 연소효율을 도모하기 위한, 2차 연소공기가 공급되는 연소 공간을 의미함과 동시에 상기 1차 연소실(120)에 연결된 배기 경로를 의미한다. 소각 과정에서 1차 연소실(120)과 2차 연소실(150)의 구분은 큰 의미를 두지는 않으나 본 실시예에서는 2차 연소공기와 함께 재순환 공기가 공급되는 공간으로, 연소실을 1차 연소실(120)와 2차 연소실(150)로 구분지어 설명하기로 한다.
보일러(160)는 상기 연소실에서 배출되는 고온의 배기 가스를 열원으로 이용하여 증기를 생산하는 것으로, 배기 경로를 따라 형성되거나 경로를 가로지르는 방향으로 형성되어 보일러(160)에서 생산된 증기는 증기탱크(미도시)로 보내어 터빈발전기(미도시)를 가동함으로써, 전기 생산 등의 에너지로 사용하게 된다.
상기 보일러(160)에서 약 230℃ 이하로 냉각된 재순환 가스는 먼지 및 여러 형태의 유해물질을 포함하고 있으므로 환경보전을 위해 배출허용 기준 이내로 유해물질을 감소시켜 대기로 배출하여야 한다. 배기 가스 처리설비는 먼지, 염화수소(HCl), 황산화물(SOX) 및 다이옥신 제거설비로 구분된다.
반응탑(170)은 보일러(160)의 일측에 설치되어 보일러(160)에서 나오는 230℃ 온도를 갖는 재순환가스를 160℃ 정도로 감온하고 아울러 재순환가스 내에 포함된 유해가스를 제거한다.
상기 반응탑(170)을 반건식 알칼리흡수 반응탑(170)으로 상정한다면, 재순환가스는 약 230℃의 온도로 반응탑(170)으로 유입되어 염화수소, 황산화물이 소석회(Ca(OH)2)슬러리와 반응한다. 또한 재순환가스 중에 포함된 유해산성가스를 무해한 중화염(CaCl2, CaSO3)을 생성시킴으로써 제거할 수 있다. 소석회슬러리 중의 수분은 재순환가스와 접촉하여 기화되므로 반응탑(170) 하부에는 수분이 발생하지 않게 된다.
전술한 반응탑(170)의 반응과정에서 재순환가스 온도를 저감시킴으로서 다이옥신 재생성 방지 및 액적화하고 후단방지시설인 상기 백필터(180)의 운전온도에 적합하게 함으로써, 유해산성가스 제거효율을 높이게 된다. 한편 비산재 및 중화염은 반응탑(170)의 하부에 포집된 후 재처리 설비로 이송된다.
백필터(180)는 반응탑(170)과 연결되어 재순환가스 상에 포함된 분진 등의 유해물질을 제거한다.
연돌(190)은 배기 경로의 끝에 연결되어 통풍, 배연 및 배기 가스의 확산 또는 희석을 목적으로 마련된다.
전술한 보일러(160), 반응탑(170), 백필터(180) 및 연돌(190) 등은 공지된 기술로 본 발명의 설명을 돕기 위해 설명하였으나 공지된 기술로 상세한 설명은 생략하며, 여타의 공지된 구성이 적용되어도 무방함은 물론이다.
앞서 서술한 상기 삽입식 덕트(140)에 공급되는 재순환 배기 가스는 백필터(180)를 통해 필터링된 배기 가스가 공급된다.
전술된 구성을 통한 본 실시예의 보일러의 소각, 증기 생산, 감온 및 유해가스 제거, 유해물질 제거, 배기 가스 재순환 등의 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
폐기물이 화격자(110) 상으로 이송되어 연소되기 시작하면, 스토커 하부에서 연소를 위한 1차 공기가 공급되어 연소되며, 상기 연소에 의해 발생하는 배기 가스 및 미연분은 상층으로 비산되게 된다. 이때, 재연소를 위해 2차 연소실(150)에 마련된 연소공기 공급부(130)에서 연소용 2차 공기가 분사됨과 동시에 2차 연소실(150) 입구의 배기 경로 중심에 마련된 삽입식 덕트(140)에서 백필터(180)를 거친 재순환 배기 가스가 분사된다. 이에 의해, 유량이 증가함으로써 증기 증산율이 높아지며, 낮은 O2와 N2의 공급으로 로내 온도가 낮아져 Thermal NOX와 Fuel NOX가 저하됨과 함께 내화벽에 발생하는 클링커가 억제되게 된다. 상기 과정을 거친 배기 가스는 배기 경로를 따라 보일러(160)로 공급되어 보일러(160)에 열에너지를 공급하며, 반응탑(170) 및 백필터(180)를 거쳐 공기중으로 배출되거나 일부 상기 삽입식 덕트(140)에 재공급되어 2차 연소실(150)의 연소 과정의 효율이 증대되도록 한다. 전술한 재순환용 배기 가스는 고온의 재순환 배기 가스를 공급하기 위해 보일러(160)를 거친 후 바로 삽입식 덕트(140)에 공급될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입식 덕트의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 삽입식 덕트(140)는 2차 연소용 공기를 분사하는 연소공기 공급부(130) 주변의 로내 중심에 삽입되도록 마련되어 2차 연소용 공기와 함께 미연분 또는 배기 가스상으로 재순환용 배기 가스를 공급한다.
삽입식 덕트(140)의 구조는 도시된 바와 같이, 길이방향의 단면이 육각형 구조로 마련되되 하단에 비해 상단의 길이가 긴 형상으로 마련되며, 모서리가 유선형으로 형성된다.
이는 상부로 상승하는 배기 가스에 의한 삽입식 덕트(140)의 부식 또는 마모의 방지와 클링커 생성 경감을 위해, 삽입식 덕트(140) 상의 배기 가스 체류 시간을 저감하며 삽입식 덕트(140) 상부의 배기 가스 유동이 층류 형상으로 용이하게 배기되도록 하기 위한 것이다.
한편, 육각형 구조로 마련된 삽입식 덕트(140)의 하부에는 각 단면 방향에 재순환 배기 가스를 분사하기 위한 분사 노즐(141)이 마련된다.
상기 분사 노즐(141)은 일반적인 직관형태로 마련되며, 완전 발달된 유동이 형성될 수 있도록 충분한 거리를 적용하도록 마련된다. 분사 노즐(141)의 끝단부(Nozzle tip)의 형상은 소염(Flame quenching)을 고려하여 분사 노즐(141)의 벽면(Nozzle rim) 두께를 최대한 얇게 하였다. 화염의 소염은 연료와 산화제의 화학반응에 의하여 발생하는 열 발생율(Heat release rate)이 노즐 벽면의 열 전도에 의한 열 손실(Heat loss)보다 작을 때 발생한다. 따라서 노즐의 벽면 두께를 최소화하여 열전도에 의한 열 손실을 최소화하도록 마련된다.
분사 노즐(141)은 분사 거리 및 간격 등을 고려하여 삽입식 덕트(140)에서 돌출된 형상으로 마련되거나 화염 또는 배기 가스에 의한 변형 및 파손을 고려하여 인입된 형상으로 마련될 수 있다.
또한, 삽입식 덕트(140)는 일체화된 덕트로 마련될 수 있으나, 상승되는 배기 가스의 유동을 거스르지 않도록 내부에 배기 가스 관로가 형성된 형상으로 마련될 수 있다. 그러나, 화염의 열기 또는 고온의 배기 가스에 직접적으로 접촉될 수 있음을 고려하여 일체화된 유선 형상으로 마련되는 것이 바람직하다.
그리고, 2차 연소실(150) 내부에는 다수의 수관들이 구비될 수 있으며, 상기 삽입식 덕트(140)는 수관 형태로 마련되어 상기 수관들과 결합됨으로써, 상기 수관의 유체 유동을 거스르지 않는 형태로 2차 연소실(150) 내부에 마련될 수 있다.
또한, 삽입식 덕트(140)는 상기 수관과 결합됨 없이 2차 연소실(150) 내부로 인입될 수 있도록, 상기 수관은 굴절된 형상으로 마련되어 삽입식 덕트(140)의 수용 공간을 제공할 수 있는 형태로 마련될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상기 삽입식 덕트(140) 내부에는 덕트의 냉각을 위한 구성이 마련된다. 로내 중심에 위치하는 삽입식 덕트(140)는 고온에 견딜 수 있는 구조 및 재질로 마련되며, 과열을 방지하기 위해 수냉식의 냉각 장치가 마련된다.
상기 냉각 장치가 자연 순환식으로 마련될 경우, 삽입식 덕트(140)는 보일러의 상부 증기 드럼과 연결되며, 강제 순환식으로 마련될 경우 삽입식 덕트(140)는 위터펌프에 의해 구동되어 상부 증기 드럼과 연결됨으로써, 냉매를 통한 삽입식 덕트(140)의 냉각 및 냉각을 위해 흡수된 열이 재활용되도록 한다.
상기 구성으로 마련되는 본 발명의 일 실시예의 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러의 작용 및 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 연소실 내의 배기 가스의 흐름을 보여주기 위한 모식도, 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입식 덕트가 마련된 2차 연소실 내의 배기 가스의 흐름을 보여주기 위한 모식도이다.
도 4을 참조하면, 배기 가스 재순환이 없는 2차 연소실(150)의 배기 가스 흐름은 양방향에서 마주보며 분사하는 형태를 이루고 있으며, 제트의 거리가 길어지게 되면 제트끼리 충돌하게 된다. 이 충돌은 강한 난류를 형성하여 혼합을 증진시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 배기 가스 재순환을 위한 삽입식 덕트(140)가 마련된 2차 연소실(150) 내의 배기 가스의 흐름은 연소공기 공급부(130)에서 분사되는 2차 연소용 공기가 양방향에서 마주보며 분사되는 형태이나, 삽입식 덕트(140)가 마련된 본 스토커 연소실 보일러에서는 길이방향의 단면이 육각형태인 삽입식 덕트(140)가 배기 경로의 중심에 위치하여 재순환 배기 가스를 분사함으로써, 양방향에서 마주보는 분사를 탈피한 분사형태를 구현할 수 있다. 이는 마주보는 노즐들이 엇갈려 있기 때문에 분사시 충돌을 피할 수 있으며, 엇갈리는 부분에서 강한 전단력이 발생하여 난류를 발생시켜 혼합을 증진시키는 장점이 있다.
또한, 삽입식 덕트(140)에서 분사되는 재순환용 배기 가스는 배기 경로의 역방향으로 분사되는 것으로, 연소 가스가 체류하는 시간을 늘려 연소의 효율을 높일 수 있다.
연소실 보일러의 배기 가스 재순환장치(Flue Gas Recirculation)는 배기 가스의 일부를 2차 연소실(150)의 연소 영역으로 재순환 시키는 장치로, 연소 배기가스와 혼합된 공기는 보통공기에 비하여 산소농도가 낮고 불활성가스의 농도가 증가한다. 이 경우 배기 가스 재순환량이 증가될수록 산소농도는 더욱 저하되고 불활성 가스의 농도는 증대된다. 따라서, 배기가스 재순환은 배기가스의 일부를 연소용공기에 혼합시킴으로써, 연료와 산소의 급격한 혼합을 억제시켜 완만한 연소를 시킴과 동시에 가스유량의 증대로 인하여 불활성가스의 흡수열량도 증가하기 때문에 전체적으로 화염의 국부최고온도와 화염의 평균온도를 저하시켜 Thermal NOX 저감에 큰 효과가 있다.
배기가스를 재순환시키는 방법으로 독립된 순환송풍기(Flue Gas Recirculation Fan)를 설치하여 2차 연소실(150)로 배기가스를 도입하는 방식이 사용될 수 있다.
또한, 연소실 보일러는 보일러의 효율 증대를 위하여 공기예열기(미도시)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 이 경우 공기예열 온도가 약 100℃ 상승되면 화염온도가 약 26℃ 상승하게 되어 NOX 발생량이 급격히 많아지게 된다. NOX 규제치 초과로 인하여 공기예열기를 사용할 수 없는 연소시스템에서 배기가스 재순환장치에 의하여 NOX를 저감시킴으로써, 공기예열온도를 약 100℃ 상승시킨다면 보일러의 폐열 회수효과에 의해 보일러 효율이 약 3.5% ~ 4% 향상된다. 이와 같이 예열공기를 사용하는 보일러에서 화염온도를 저하시키기 위하여 배기가스 재순환장치를 동시에 사용하면 NOX를 크게 저감할 수 있다.
더불어, FGR 방식은 재순환용 배기 가스의 유량을 증가시킴으로써, 로내 온도를 낮출 수 있으며, 이에 재순환용 배기 가스의 유량을 제어하여 로내 온도를 950℃ 이하로 낮춰 2차 연소실(150)의 내화벽에 생성되는 클링커를 억제할 수 있다.
또한, 전술한 연소 가스가 체류하는 시간이 늘어남과 동시에 재순환용 배기 가스가 재공급되어 배기 유량이 늘어남에 따라 연소 효율이 증진됨으로써, 배기 가스의 증대 및 증기 증산율이 2 ~ 5% 증가된다.
그리고, 열적(Thermal) NOX는 연소용 공기중에 함유되어 있는 N2가 고온에서 산화되어 발생되는 질소산화물로 NOX의 생성속도는 온도에 매우 민감하여 1,000℃ 이상에서 발생되며 온도가 증가할수록 생성속도는 급격히 증가한다. 따라서, 충분한 산소와 질소가 존재하고, 연료가 연소할 때 발생되는 열에 의하여 기체의 온도가 상승하면서 NO의 생성량도 점차 증가하게 된다. 이러한 원리가 연소용 공기 중 N2와 O2를 소량으로 공급하여 화염온도를 낮춤으로써, NOX의 발생을 제어하는 기본이 된다. Thermal NOX 증가는 화염온도의 증가와 보일러에서 이용할 수 있는 연소 공기 중 산소 및 농도에 영향을 받는다.
배기 가스 재순환(FGR) 방식은 보통 연료의 질소유입 농도 증가에 영향을 받는 Fuel NOX 보다는 Thermal NOx의 저감 효과가 더 크다. 따라서, 본 발명의 일 실시예의 삽입식 덕트(140)가 제공하는 재순환용 배기 가스에 의해 O2 농도가 낮게 제어되어 Thermal NOx의 생성을 억제할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
110 : 화격자 120 : 1차 연소실
130 : 연소공기 공급부 140 : 삽입식 덕트
141 : 분사 노즐 150 : 2차 연소실
160 : 보일러 170 : 반응탑
180 : 백필터 190 : 연돌

Claims (7)

  1. 이송되는 폐기물이 연소되는 1차 연소실; 상기 1차 연소실과 연결되어 상기 1차 연소에 의한 미연분이 2차 연소되는 2차 연소실; 상기 2차 연소실 내화벽에 마련되어 배기 경로의 중심방향으로 연소 공기가 주입되도록 하는 연소공기 공급부; 및, 로내 가스의 유량증가를 통해 상기 2차 연소실 출구의 로내 온도를 낮추고 연소영역의 산소와 질소농도를 낮춰 NOX 생성을 억제하기 위해, 상기 연소공기 공급부 주변의 상기 배기 경로 상에 마련되어, 상기 연소 공기와 함께 상기 배기 가스가 재순환되도록 하는 삽입식 덕트;를 포함하고,
    상기 삽입식 덕트에는, 상기 재순환되는 배기 가스가 연소에 의해 발생하는 상기 배기 가스와 혼합되어 연소되도록 상기 배기 경로 방향 또는 내화벽 방향을 향하는 분사노즐;을 포함하며,
    상기 삽입식 덕트는, 길이방향의 단면구조가 하단에 비해 상단의 길이가 길고 상부 모서리부위가 유선형인 "
    Figure 112015079451613-pat00006
    "형 구조를 이룸으로써, 부식 또는 마모의 방지와 클링커 생성 경감과 더불어 배기 가스 체류 시간의 저감 및 배기 가스 유동이 층류 형상으로 원활히 배기되도록 하고,
    상기 분사 노즐 끝단부의 두께는, 소염(Flame quenching)을 고려하여 얇게 형성함으로써, 열 전도에 의한 열 손실이 최소화되도록 하는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 연소실은,
    상기 배기 가스의 연소열이 흡수되도록 하는 측벽수관;을 포함하고,
    상기 삽입식 덕트는,
    상기 측벽수관의 수관이 연장될 수 있도록 수관형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 측벽수관은,
    길이방향을 따라 굴절되어 상기 삽입식 덕트가 수용될 수 있는 공간을 형성함으로써, 상기 삽입식 덕트가 상기 측벽수관과 결합되지 않고 삽입되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 연소실은,
    상기 연소공기 공급부 주변의 내화벽에 생성되는 클링커가 억제되도록, 상기 재순환되는 배기 가스가 포함한 O2와 N2의 공급량을 낮춰, 상기 2차 연소실 출구의 로내 온도가 950℃이하로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 연소실은,
    상기 연소실에서 생성되는 배기 가스와 상기 재순환되는 배기 가스가 혼합된 연소에 의해 생성되는 배기 가스는 1차 연소실에서 생성되는 배기 가스에 비해 O2와 N2의 농도가 낮게 유지됨으로써, Thermal NOX의 생성이 억제되는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 연소실은,
    상기 재순환되는 배기 가스의 온도가 150℃ 이상으로 재공급됨으로써, 2차 연소를 위해 혼합된 배기 가스의 유량이 증대되고, 증기 증산율이 2 ~ 5 % 획득되는 것을 특징으로 하는 연소실 삽입식 FGR 덕트가 구비된 스토커 연소실 보일러.
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