KR101659403B1 - 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄 보일러와 같이 연소시스템이 구비된 설비에서 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 분진을 효과적으로 제거할 수 있는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조에 관한 것으로서, 연소장치에서 발생된 배기가스가 흐르는 배출로가 수평방향으로 연장된 제1 도관과, 상기 제1 도관으로부터 상방으로 연장되고 상기 제1 도관보다 그 내경이 더 큰 제2 도관과, 상기 제2 도관으로부터 수평방향으로 연장되고 상기 제2 도관보다 그 내경이 작은 제3 도관 및 상기 제2 도관의 내부에서 상기 배기가스의 유동방향을 가로지르는 방향으로 설치되는 다공판을 포함하는 구조를 가진다.

Description

연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조{Duct structure of a combustion system for preventing particle ashes from being accumulated}

본 발명은 석탄 보일러와 같이 연소시스템이 구비된 설비에서 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 분진이 탈질 설비인 선택적 환원촉매 장치(SCR)로 유입되고 집적됨으로써 선택적 환원촉매 장치의 운전을 저해시키는 문제를 해결할 수 있는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조에 관한 것이다.

일반적으로 석탄이나 등유, 가스와 같은 화석연료 또는 가연물을 연소시켜 열 에너지를 생산하는 산업용 보일러 또는 소각로 등에서는 연료를 연소시킬 때 배기가스가 발생되는데, 이러한 배기가스에는 인체에 유해할 뿐만 아니라 대기를 오염시키고 산성비나 광 스모그 현상 등의 원인이 되는 질소산화물(NOx), 황산화물 등이 동반된다.

그 중에서 질소산화물은 탈질 설비인 선택적 환원촉매 장치(Selective Catalytic Reduction, SCR)를 거치면서 무해한 물(H₂O)과 질소(N₂)로 전환됨으로써 제거되는데, 선택적 환원촉매 장치는 다른 방식의 탈질 장치에 비해 가동이 편리할 뿐만 아니라 설치 및 운용이 용이하다는 장점이 있어 산업용 보일러 등의 대형 보일러 설비에 널리 적용되고 있다.

선택적 환원촉매 장치의 운용에 있어서 석탄 보일러는 등유나 가스와는 달리 고체 연료여서 연소시 많은 분진이 발생하기 때문에 이를 적절히 제거해줄 필요가 있다. 즉, 선택적 환원촉매 장치로 대량의 분진이 유입되어 집적되면 배기가스의 유동에 대한 저항으로 작용하게 되어 기계적 부하가 증가하고 더 나아가 촉매와 배기가스의 접촉면적을 감소시켜 공기 정화효율을 떨어뜨리게 되고, 결국 보일러 설비를 정상적으로 운전하기 위해서는 빈번하게 가동을 중단하고 정비를 해야되기 때문이다.

석탄 보일러(또는 가연물을 연소시키는 소각로)에서 분진을 걸러내기 위해 다양한 장치가 적용되고 있는데, 그물망(스크린)을 인용하여 분진을 걸러내거나 또는 고온 전기집진기를 설치하여 분진을 잡아내는 기술이 대표적이다.

그러나, 그물망은 구조가 단순하고 설치비용이 저렴하다는 장점이 있지만 그물눈의 크기에 의존하여 제거할 수 있는 분진의 크기가 제한적이고, 특히 최근에 저열량탄을 사용할 수 있는 연소시스템이 개발되면서 부피가 큰 팝콘 애쉬(popcorn ash)가 많이 발생하기 때문에 그물눈이 막히는 주기가 짧아져 정비가 자주 필요하게 되는 문제가 있다.

그리고, 고온 전기집진기는 다양한 크기의 분진을 제거할 수 있다는 장점이 있지만, 그물망에 비해 상대적으로 설치비와 운영비가 많이 들고 고장이 날 가능성도 높아 널리 보급되기 어렵다는 단점이 있다.

등록특허공보 제10-1180699호 (2012.09.07 공고)

본 발명은 구조가 단순하여 고장의 염려가 낮고 설치비가 저렴한 다공판을 사용하면서 분진을 포함한 연소가스 유동과 이에 따른 다공판의 설치 구조를 적절하게 설계함으로써 분진 제거 효율을 향상시키는 가운데 다공판의 정비 주기를 연장시킬 수 있는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조는, 연소장치에서 발생된 배기가스가 흐르는 배출로서, 상기 배출로는 수평방향으로 연장된 제1 도관과, 상기 제1 도관으로부터 상방으로 연장되고 상기 제1 도관보다 그 내경이 더 큰 제2 도관과, 상기 제2 도관으로부터 수평방향으로 연장되고 상기 제2 도관보다 그 내경이 작은 제3 도관 및 상기 제2 도관의 내부에서 상기 배기가스의 유동방향을 가로지르는 방향으로 설치되는 다공판을 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 다공판은 이격된 한 쌍의 플레이트 각각에 복수 개의 통공이 형성된 것으로서, 상기 각 플레이트에 형성된 통공의 적어도 일부는 이격된 방향으로 그 중심이 일치하지 않는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 다공판은 복수 개의 와이어나 복수 개의 스트립이 격자 형태를 이루는 스크린일 수 있다.

그리고, 상기 다공판은 상기 제2 도관과 제3 도관이 연결되는 횡단면을 따라 설치될 수 있다.

아울러 상기 다공판에 적어도 하나 이상의 가이드 베인이 구비되는 것도 가능하다.

한편, 상기 제1 도관과 제2 도관의 연결부의 하방으로 구비되는 제1 호퍼를 더 포함할 수 있으며, 더 나아가 상기 제1 도관의 입구측 하방으로 구비되는 제2 호퍼를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조는 다공판 이외에 별도의 분진 제거용 장치나 수단을 추가할 필요 없이 배기가스의 유동 형태를 다공판에 이르기 전에 미리 분진을 제거할 수 있도록 설계함으로써 효율성과 관리성을 향상시켰다는 것에 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대 도시한 도면.
도 3은 다공판의 일 실시예를 도시한 도면.
도 4는 다공판의 다른 실시예를 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)의 전체적인 구조를 도시한 것이다. 여기서 본 발명은 연소장치(100)에서 연료를 연소시킨 후 배출되는 배기가스가 이코노마이저(200)를 통과한 다음 선택적 환원촉매 장치(300)로 도입되는 과정 중에서 배기가스에 포함된 분진을 걸러내는 덕트 구조에 기술적 특징이 있는 것이므로, 이하의 상세한 설명에서는 본 발명의 요지와 크게 관계가 없는 연소장치(100)와 이코노마이저(200), 선택적 환원촉매 장치(300) 자체의 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하의 설명은 본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)가 이코노마이저(200)와 선택적 환원촉매 장치(300)를 연결하는 배출로(400)에 적용되는 것으로 도시 및 설명되어 있지만, 이 외에 배기가스의 분진을 제거할 필요가 있는 도관에 본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)가 적용될 수 있음은 자명하게 이해될 수 있으며, 이러한 점에서 본 발명이 적용될 구조적 위치가 도시 및 설명된 내용으로만 한정적으로 해석되어서는 안될 것임에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)가 적용되는 산업용 보일러 또는 소각로의 전체적인 구조를 도시한 도면으로서, 연소장치(100)에서 발생된 배기가스에 포함된 에너지를 회수하는 이코노마이저(200)와, 상기 이코노마이저(200)를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감하는 선택적 환원촉매 장치(300), 그리고 이코노마이저(200)와 선택적 환원촉매 장치(300)를 연결하는 도관인 배출로(400)를 포함한다.

본 발명에 따른 분진집적 방지용 덕트 구조(10)는 이코노마이저(200)와 선택적 환원촉매 장치(300)를 연결하는 도관인 배출로(400)에 적용되는 것인데, 상기 배출로(400)는 크게 나누어 제1 도관(410) 내지 제3 도관(430)의 세 가지의 도관이 상호 연결된 구조를 가지는데, 그 상세한 구조는 도 2의 확대도에 도시되어 있다.

제1 도관(410)은 이코노마이저(200)로부터 수평방향으로 연장된 도관이며, 제2 도관(420)은 수평방향으로 연장된 제1 도관(410)으로부터 상방으로 꺾여서 연장되는 도관이다.

여기서 제2 도관(420)의 내경은 제1 도관(410)의 내경보다 더 크도록 확관되어 있으며, 제2 도관(420)의 말단에서 수평방향으로 꺾여서 연장되는 제3 도관(430)은 다시 제2 도관(420)보다 그 내경이 작도록 축관되어 선택적 환원촉매 장치(300)의 입구로 연결된다.

이와 같이 배출로(400)는 그 내경이 확관된 후 다시 축관되는 제1 도관(410) 내지 제3 도관(430)이 상호 연결된 구조를 가지는데, 연소장치(100)에서 배출되는 배기가스에 포함된 분진을 걸러내는 다공판(440)은 제2 도관(420)의 내부에서 제2 도관(420)의 횡방향, 즉 배기가스의 유동방향을 가로지르도록 설치된다.

이러한 배출로(400) 및 다공판(440)의 설치 구조에 의하면, 제1 도관(410)에서 제2 도관(420)으로 배기가스가 이동할 때 수평방향에서 상방으로 유동방향이 급격히 변동하는 동시에 내경이 확장되기 때문에 유속이 감소하는 두 가지 현상이 동시에 발생하게 되고, 이로 인해 배기가스에 포함된 분진, 특히 크기가 커서 상대적으로 질량이 높고 이에 따라 관성이 큰 팝콘 애쉬(popcorn ash)와 같은 조대분진(粗大粉塵)은 더 이상 유동을 따라가지 못하고 제2 도관(420)의 바닥에 모이게 됨으로써 1차적인 분진 제거가 이루어지게 된다.

그리고, 상방으로 연장된 제2 도관(420)을 따라 위로 유동하는 배기가스에 포함된 나머지 분진 중의 일부는 일단 유동을 따라 움직이기는 하였지만 제2 도관(420) 내부에서의 유속이 떨어졌기 때문에 충분한 추진력이 작용하지 않게 되어 결국 중력에 의해 낙하하여 역시 제2 도관(420)의 바닥에 모이게 되며, 이를 통해 2차적인 분진 제거가 이루어진다.

이러한 1차, 2차의 분진제거 과정에서도 남겨진 분진들의 대부분은 제2 도관(420)의 내부에 횡방향으로 설치된 다공판(440)을 통과하지 못하고 걸러지게 되며, 일부 작은 크기의 분진은 다공판(440)을 통과할 수 있지만 그 크기가 충분히 작고 분진의 절대량이 많이 감소하였기 때문에 선택적 환원촉매 장치(300)에 미치는 악영향은 대폭 감소된 상태로 배출되는 것이다.

다공판(440)은 제2 도관(420) 내부의 적절한 위치에 설치되는데, 2차적인 분진 제거 효과를 극대화시킴으로써 다공판(440)의 점검 내지는 청소 주기를 늘리기 위한다는 측면에서 다공판(440)은 상기 제2 도관(420)과 제3 도관(430)이 연결되는 횡단면을 따라 설치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)는 다공판(440) 이외에 별도의 분진 제거용 장치나 수단을 추가할 필요 없이 배기가스의 유동 형태를 다공판(440)에 이르기 전에 미리 분진을 제거할 수 있도록 설계함으로써 효율성과 관리성을 향상시켰다는 것에 장점이 있는 것이다.

도 3 및 도 4는 각각 다공판(440)의 일 실시예를 도시한 것인데, 도 3의 다공판(440)은 플레이트(442)에 복수 개의 통공(443)이 형성된 구조를 가진 것이며, 도 4의 다공판(440)은 복수 개의 와이어나 복수 개의 스트립이 격자 형태를 이루어 그물눈을 형성하는 일종의 스크린(445)인 경우를 도시한 것이다.

아울러 도 1 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다공판(440)에는 배기가스의 유동방향을 원하는 방향으로 유도하기 위한 가이드 베인(450)이 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 도면에는 다공판(440)의 양면으로 각각 2개의 가이드 베인(450)이 구비된 구조를 도시한 것이지만, 가이드 베인(450)의 개수와 설치 위치는 이에 한정되지 않는다.

특히 상기 가이드 베인(450)은 배기가스의 유동방향을 기준으로 할 때 상류 측에 해당하는 다공판(440)의 하면에 역간 경사지게 구비되는 것이 바람직하다. 이는 다공판(440)이 제2 도관(420)과 제3 도관(430)이 연결되는 횡단면을 따라 설치될 경우, 배출로(400)가 제2 도관(420)에서 제3 도관(430)으로 연결될 때 축관이 되는 형상 변화로 인해 이 영역에서 배기가스의 유동이 원활하지 않고 난류가 발생할 수 있고, 이런 난류 발생을 방지하도록 가이드 베인(450)을 축관 방향을 따라 경사지게 설치하는 것이 바람직한 것이다.

특히 제2 도관(420)과 연결되는 제3 도관(430)은 선택적 환원촉매 장치(300)로 연결되므로, 제3 도관(430) 안으로 유입되는 배기가스의 유동을 가이드 베인(450)을 통해 균일하게 만들게 되면 선택적 환원촉매 장치(300) 내부의 전체 촉매에 균일하게 배기가스가 흘러들어감으로써 충분한 정화 효율을 발휘할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 분진집적 방지용 덕트 구조(10)에서, 제1 도관(410)과 제2 도관(420)의 연결부의 하방으로 구비되는 제1 호퍼(510)를 더 포함할 수 있으며, 또한 이코노마이저(200)와 제1 도관(410)의 연결부의 하방으로 구비되는 제2 호퍼(520)를 더 포함할 수도 있다.

제1 호퍼(510)는, 전술한 것처럼, 제1 도관(410)에서 제2 도관(420)으로 배기가스가 이동할 때 수평방향에서 상방으로 유동방향이 급격히 변동하는 동시에 내경이 확장되어 유속이 감소함으로써 제2 도관(420)의 바닥에 모이게 되는 분진과, 상방으로 연장된 제2 도관(420)을 따라 위로 유동하는 배기가스에 포함된 나머지 분진 중의 일부가 중력에 의해 낙하하여 제2 도관(420)의 바닥에 모인 분진을 제거하기 의한 구성이다.

그리고, 제2 호퍼(520)는 제2 도관(420)에서 1차적인 낙진(落塵)이 발생하는 것과 유사하게 이코노마이저(200) 내부에서 하방을 향해 흐르던 배기가스가 수평방향으로 꺾인 제1 도관(410)으로 유입되는 과정에서 관성에 의해 아래로 떨어져 쌓인 분진을 제거하기 위한 것이다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

10: 분진집적 방지용 덕트 100: 연소장치
200: 이코노마이저 300: 선택적 환원촉매 장치
400: 배출로 410: 제1 도관
420: 제2 도관 430: 제3 도관
440: 다공판 442: 플레이트
443: 통공 445: 스크린
450: 가이드 베인 510: 제1 호퍼
520: 제2 호퍼

Claims (7)

1. 연소장치에서 발생된 배기가스가 흐르는 배출로이며, 상기 배출로는
   수평방향으로 연장된 제1 도관;
   상기 제1 도관으로부터 상방으로 연장되고 상기 제1 도관보다 그 내경이 더 큰 제2 도관;
   상기 제2 도관으로부터 수평방향으로 연장되고 상기 제2 도관보다 그 내경이 작은 제3 도관; 및
   상기 제2 도관의 내부에서 상기 제2 도관과 제3 도관이 연결되는 횡단면을 따라 상기 배기가스의 유동방향을 가로지르도록 설치되는 다공판을 포함하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공판은 이격된 한 쌍의 플레이트 각각에 복수 개의 통공이 형성된 것으로서, 상기 각 플레이트에 형성된 통공의 적어도 일부는 이격된 방향으로 그 중심이 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다공판은 복수 개의 와이어 또는 복수 개의 스트립이 격자 형태를 이루는 스크린인 것임을 특징으로 하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 다공판에는 적어도 하나 이상의 가이드 베인이 구비되는 것을 특징으로 하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 도관과 제2 도관의 연결부의 하방으로 구비되는 제1 호퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
   상기 제1 도관의 입구측 하방으로 구비되는 제2 호퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소시스템의 분진집적 방지용 덕트 구조.
   

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