KR101751188B1 - 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러 및 그 연소 제어 방법 - Google Patents

Abstract

버너로 공급되는 배기가스 재순환량과 투입 연소 공기량을 부하에 따라 적응 제어하여 연소실 내의 불꽃 온도를 낮추어 녹스 발생량을 극도로 낮출 수 있도록 한 초저녹스 보일러 및 그 연소 제어 방법이 제공된다. 상기 보일러는 배기가스 배출통로와, 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 연소실에 제공하는 버너 및 상기 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 토출하는 보일러 동체와; 상기 배기가스 배출통로에 연결된 FGR통로를 통한 재순환 배기가스와 연소공기를 흡입·혼합하여 상기 버너로 공급하는 송풍기와; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입제어값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도와 압력을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 보일러 부하 단위 구간별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 구비하며, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하에 대응하는 보일러 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하여 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 연산하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛을 포함한다.

Description

무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러 및 그 연소 제어 방법{Non powered FGR Super ultra low NOx Boiler and method for controlling combustion thereof}

본 발명은 질소산화물(Nitrogen Oxide: 이하 "녹스(NOx)"라 칭함)의 배출을 최대로 저감시킬 수 있는 저녹스 보일러(Low NOx boiler)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무동력으로 버너로 공급되는 배기가스 재순환량과 투입 연소 공기량을 부하에 따라 적응 제어(adaptive control)하여 연소실(furance) 내의 불꽃 온도를 낮추어 녹스 발생량을 극도로 낮출 수 있도록 한 구조를 갖는 무동력 배기가스 재순환(Flue Gas Recirculation)을 통한 초저녹스 보일러(Ultra Low NOx boiler) 및 그 연소 제어 방법에 관한 것이다.

오늘날 지구상에는 인구의 기하급수적인 증가로 인해 환경(Environment), 경제(Economy) 및 에너지(Energy)의 3자 중에 하나를 택일하여야 하는 극단의 궁지에 몰려 있어, 이러한 현상을 극복하기 위해 1992년 지구정상회담에서는 '지속 가능한 발전'이 선언되었다. 그런데 이보다 더 구체적인 방향성을 나타낸 것이 '순환형 사회의 형성'일 것이다.

한편, 인류의 경제적 및 사회적 활동에 혁명적인 변화를 가져온 것이 화석연료의 사용이지만, 화석연료에 의존하여야만 하는 시스템이어서 완전한 의미에 있어서의 '순환형 사회'라고 말할 수는 없기 때문에, 이산화탄소 문제로 상징되는 지구환경의 오염문제는 해결되지 않는다. 따라서 근본적으로 재생이 가능한 대체에너지의 사용이 바람직하지만, 아직은 효율적 이용에 대한 연구가 진행 중이기 때문에, 현재 단계에서는 제반의 대책을 강구하여 화석연료 사용에 따른 환경오염을 방지하는 것이 지구환경의 보전에 도움이 될 것이다.

보일러 등의 연소장치는 제반 동력원으로 많이 사용되고 있기 때문에, 경제활동 및 국민생활의 도구로서 사회에 공헌해 오고 있지만, 열효율, 내구성, 신뢰성, 청정성 등의 문제로, 이들의 기술개발에 많은 노력을 경주해 온 결과, 괄목할 만한 성과를 거두어 왔다. 그러나 이중에서 경제 사회의 발전과 동시에 인구 및 물량의 대도시 집중이 현저해진 오늘날, 과밀한 지역에서 보일러의 배기 배출물에 의한 심각한 환경문제는 나날이 엄격해지고 있는 규제값을 맞출 수 없기 때문에, 연소장치에 대한 청정기술의 개발이 긴급한 과제가 되고 있다.

대기 환경오염원의 주류인 배출가스 규제강화에 대응하여 연소장치의 배기 청정화를 진행시켜왔지만, 초창기에는 그 주요기술이 연료분사 시기 지연, 물분사 등에 의한 NOx 배출물 저감 이었다. 그러나 그로 인하여 악화되는 HC(hydrocarbon) · CO(carbon monoxide) 매연 배출물, 연료소비율 등을 회복시키기 위한 장치개량 및 개선에 중점을 두어 새로운 기술의 개발에 많은 노력을 해 오고 있다. 일반적으로 NOx와 기타의 배출물과는 상관(trade-off) 관계에 있기 때문에 장치 자체의 개량에 의해 이들 배출물을 동시에 저감시키는 것은 이미 한계에 다다르고 있다.

보일러, 디젤엔진, 가스 등 연소장치는 연료소비율이 낮기 때문에, CO₂ 배출량이 적은 특징을 가지고 있지만, 연소실내이 화염의 온도가 매우 높아 높은 온도에서 질소분자(N₂), 연소 공기 중에 포함된 질소분자(N₂)에서 질소원자(N)가 유리되고 산소분자(O2)에서 유리된 산소원자(O)는 질소원자와 화합하여 산화질소(NO)를 생성하며, 이 산화질소(NO)가 대기로 방출되었을 때 NOx가 된다.

로스앤젤레스형 스모그는 자동차의 배기가스 속에 함유된 올레핀계 탄화수소와 질소산화물의 혼합물에 태양광선이 작용해서 생기는 광화학반응산물에 의한 것이며, 광화학스모그라고도 한다. 로스앤젤레스형 스모그는 시정(視程)을 감소시키고, 눈·코·호흡기의 자극 증상을 일으키며, 식물성장의 장애요인이 된다. 한국의 대도시에서도 로스앤젤레스형 스모그와 같은 광화학스모그가 많아지고 있다.

NOx는 공기 중의 암모늄(NH4)과 화합하여 질산암모늄(NH₄NO₃)으로 되고, 이 물질은 다시 태양광의 자외선과 광-합성되어 인류의 생명과 동식물의 생장에 큰 영향을 미치는 공포의 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM 2.5: 지름이 2.5㎛ 이하)로 변화한다. 대기 중의 미세먼지와 초미세먼지는 지름이 10㎛(PM10) 이하이기 때문에 호흡기 깊숙이 침투해, 폐 조직에 붙어 호흡기 질환을 일으킨다. 또한 혈관으로 흡수돼 뇌졸중이나 심장질환을 일으키는 것으로 알려져 있다.

대기 중의 미세먼지·초미세먼지가 일정량 이상이면 시계(視界)가 나빠지고 인체에 악영향을 끼치는데, 이러한 현상을 스모그(smog)라 한다. 스모그의 주된 원인은 디젤자동차와 가정용·산업용 등 각종 보일러이다.

디젤자동차 및 보일러는 타연소장치에 비하여 NOx와 매연이 많이 배출되고 있다. 연소장치의 각종배기 배출물 처리기술 중에서 특히, NOx 배출물에 미치는 배기 재순환[차량용에서는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)이라 하고, 보일러 등의 연소장치에서는 FGR(Flue Gas Recirculation)이라 한다. 이하 본 발명의 명세서에서는 FGR이라 칭한다.]의 영향에 대한 연구들이 이전부터 폭 넓게 진행되어 왔다.

FGR을 이용하여 NOx의 발생을 억제하는 저질소산화물 보일러의 선행기술로서는 대열보일러에게 특허 허여된 특허 10-0838163호 "저질소산화물 인버터 보일러 및 그 연소 제어 방법'이 있다. 위 선행기술은 보일러 부하에 따라 연소공기량을 제어하는 송풍기의 회전속도를 제어하고, 연도로 배출되는 NOx를 NOx센서로 측정하여 그 측정값이 보일러 부하에 대응하여 미리 설정된 NOx 설정 값을 초과하는 경우 FGR 댐퍼(damper)를 제어하여 연소실의 불꽃 온도를 낮추어 NOx의 배출을 저감시키는 것이다.

그러나 선행기술에 개시된 종래의 보일러는 고온의 배기가스가 배출되는 연도에 매우 고가의 NOx 센서를 부착하여야 함으로써 가격 상승의 요인이 되어왔으며, 또한 고온의 온도에 노출된 NOx 센서의 수명이 짧아 지속적으로 NOx의 배출을 저감시키는데 한계가 있었다.

또한, 종래의 기술을 포함하여 배기 재순환 장치가 채택된 대다수의 보일러는 배기통로로부터의 배기가스를 버너로 재순환시키기 위하여 송풍기 등과 같은 동력장치를 사용함으로써 전력소모가 많았고, 배기가스 재순환 송풍기의 회전속도를 제어하여야 하는 그 구조 또한 복잡하여 잦은 고장의 원인이 되어왔다.

그리고 위 종래기술들은 보일러의 설치조건, 예를 들면, 건물의 구조에 따라 연도의 길이가 변경되거나 또는 설치 위치가 변화함에 따라 보일러 연소실의 온도가 변화되어 NOx의 배출량이 변화되는 것을 반영치 못함으로써 보일러의 설치 조건이 변화되었을 때 NOx 발생량을 극도로 저감시키는데 한계가 있었다.

KR 10-0838163 B1(2008. 06. 09. 등록)

따라서 본 발명의 목적은 위와 같은 제반의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 보일러의 부하 구간 단위별로 연소가스에 포함된 NOx가 최소화 되도록 배기가스 재순환통로(Flue Gas Recirculation-Pass : 이하 "FGR통로"라 칭함)에 설치된 FGR 댐퍼, 연소용 공기 흡입 댐퍼(이하 "공기 댐퍼"라 칭함)의 개도량(개폐량)(open and shut value) 및 연소용 공기를 버너로 공급하는 송풍기의 회전속도 값을 보일러의 제반 운전을 제어하는 제어부의 저장장치에 로딩하고, 보일러 운전 시 부하 량에 적응 또는 대응한 각종 댐퍼 값과 송풍기 제어 값을 상기 저장장치로부터 읽어 상기 FGR 댐퍼, 공기 댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하가 변화하더라도 연소실 내의 화염 온도를 일정하게 유지하여 NOx의 배출을 극도 저감시킨 초저녹스 보일러 및 그 연소제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 시험운전에 의해 보일러 단위 구간 부하별로 설정된 저 NOx 값이 되도록 보일러를 운전하여 부하 단위 구간에 따른 초저 NOx 값의 FGR댐퍼의 재순환개도정보, 공기댐퍼의 산소투입개도정보를 수득하고, 정상 운전시 상기 수득된 부하 단위 구간의 재순환개도정보와 산소투입개도정보와 현재의 부하량의 정보로 현재 부하량에 대응한 FGR댐퍼 개도값, 공기댐퍼 개도값을 산출하여 버너로 공급하여 NOx의 배출을 극도 저감시킨 초저녹스 보일러 및 그 연소제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기가스통로로 배출되는 배기가스를 효율적으로 포집하여 무동력으로 배기가스를 버너측으로 재순환시켜 질소산화물을 극도로 저감시킬 수 있는 초저녹스 보일러 및 그 연소제어방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 연도로 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체(boiler shell)와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어(blower)를 회전시키는 전동기와, 상기 전동기의 구동에 의하여 제1유입구로 유입되는 연소불꽃 온도조절용 배기가스와 제2유입구로 유입되는 외부의 연소용 공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 제1유입구의 사이에 설치된 FGR통로와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 FGR통로 사이에 유입개구와 배출개구가 형성된 통 형상의 가스포집 순환통이 설치되며, 상기 가스포집 순환통은 상기 FGR통로의 단부인 순환관이 그 내부로 연통되도록 설치되고 상기 순환관의 주위에는 배기가스 포집기가 설치되어 상기 배기가스의 배출통로로 배출되는 배기가스의 압력 증가에 따라 상기 배기가스를 상기 제1유입구로 이송시키는 가스순환기와; 상기 FGR통로에 설치되며 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입제어값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도, 압력 중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 보일러 부하 단위 구간별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 구비하며, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하에 대응하는 보일러 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하여 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 연산하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛을 구비함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지(aspect)에 따른 보일러는 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기를 가지며, 상기 전동기의 구동에 의하여 상기 배기가스 배출통로에 연결된 FGR통로를 통한 재순환 배기가스와 외부의 연소공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로에 형성된 측정구에 프로브가 넣어지거나 탈거되며, 상기 프로브를 통해 배출통로상으로 배출되는 배기가스에 포함된 NOx의 량을 측정하여 출력하는 NOx측정장치와; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입개도값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도, 압력 중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 시험운전모드 시, 보일러 부하 단위 구간별로 설정된 저 NOx 값이 되도록 보일러의 부하를 단위 구간으로 증가시켜가면서 운전하여 보일러 단위 구간의 부하량에 따른 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 수득하여 운전 테이블에 저장하고, 정상운전 시 상기 부하감지기에 의해 감지된 현재 부하량에 대응한 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 운전테이블로부터 읽어 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐정도 및 송풍기의 회전속도를 설정하기 위한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도를 제어하여 배기가스재순환량과 외부의 연소공기량의 혼합비를 조절하고 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하량에 따라 미리 설정된 NOx값 이하로 보일러가 운전되도록 동작하는 제어유닛을 포함함을 특징으로 한다.

상기 배기가스 배출통로와 상기 FGR통로 사이에 유입개구와 배출개구가 형성된 통 형상의 가스포집 순환통이 설치되며, 상기 가스포집 순환통은 상기 FGR통로의 단부인 순환관이 그 내부로 연통되도록 설치되고 상기 순환관의 주위에는 배기가스 포집기가 설치되어 상기 배기가스의 배출통로로 배출되는 배기가스의 압력 증가에 따라 상기 배기가스를 상기 제1유입구로 이송시키는 가스순환기(circulatory Flue Gas)가 설치됨을 특징으로 한다.

상기 배기가스 포집기는 배기가스가 배출되는 배출구 측에 포집판이 설치되며, 상기 포집판의 양측은 연도로부터 상기 순환관 방향으로 절곡되거나 만곡된 형상임을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 원리에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법은 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 연도로 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기를 가지며, 상기 전동기의 구동에 의하여 상기 배기가스 배출통로에 연결된 FGR통로를 통한 재순환 배기가스와 외부의 연소공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로에 형성된 측정구에 프로브가 넣어지거나 탈거되며, 상기 프로브를 통해 배출통로상으로 배출되는 배기가스에 포함된 NOx의 량을 측정하여 출력하는 NOx측정장치와; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입개도값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도, 압력중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 상기 댐퍼부의 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량(개도량)을 조정하는 신호를 입력하는 입출력포트와, 보일러 부하 구간 단위별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 가지며, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하의 단위 구간에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하고, 상기 액스된 정보들과 현재의 부하량으로 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출하고 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛을 구비하여, 시운전 모드 시 보일러 단위 구간 부하별로 보일러를 운전하되, 상기 NOx측정장치에서 측정된 NOx 값이 미리 설정된 값 이하로 되도록 운전하여 부하 단위 구간별에 따른 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 설정하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 수득하여 운전 테이블에 저장하는 부하 단위 구간별 운전 정보 수득 단계와; 상기 측정된 NOx의 량이 현재 보일러의 단위 구간 부하별로 설정된 값을 초과하는 경우 현재 측정된 NOx값이 단위 구간 부하별로 미리 설정된 NOx값 이하로 되도록 상기 입출력포트에 연결된 조절손잡이를 이용하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기 부하 단위 구간별 운전 정보 수득 단계는 보일러의 부하량이 40% 이하로 운전하여 상기 배기가스 배출통로부터 배출되는 NOx 측정값이 20ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도정보를 운전테이블에 저장하는 초기운전단계와; 보일러의 부하량을 단위 구간, 예를 들면 매 10%씩 증가되도록 운전하고 상기 측정된 NOx 측정값이 10ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도 값을 상기 운전테이블에 저장하는 단위 구간별 운전 정보 수득단계를 포함하여 이루어져 있다.

상기 보일러의 연소 제어 방법은 정상 운전 시, 상기 NOx측정구에 넣어진 프로브를 꺼내여 NOx측정장치를 분리하는 단계와; 보일러 부하량을 감지하여 현재 단위 구간 부하량에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 상기 운전테이블로부터 취득(access)하고, 현재 부하량에 따른 FGR댐퍼값, 공기댐퍼값 및 송풍기의 회전속도 값을 산출하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도를 제어하여 배기가스재순환량과 외부의 연소공기량의 혼합비를 조절하고 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하량에 따라 미리 설정된 NOx값 이하로 보일러가 운전하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명에 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러 및 그 연소 제어 방법은 보일러 단위 구간 부하별로 미리 설정된 저 NOx 값이 되도록 보일러를 시운전하여 단위 구간 부하량에 따른 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량 값을 수득하여 운전 테이블하고, 정상 운전 시 시험운전에 의해 수득된 보일러 단위 구간 부하량, 예를 들면, 부하량이 40%로부터 매 10%씩 증가되는 단위 구간 부하에 대응하여 배기가스에 포함된 NOx의 값이 10ppm 이하로 되도록 설정된 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량 값과 송풍기의 회전속도 정보로부터 현재 부하 변동에 따른 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량 값과 송풍기의 회전속도 정보를 산출하여 이에 기초하여 보일러를 운전함으로써 NOx값을 극도로 낮출 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러는 절탄기에 내장된 배기가스 포집기에 의해 충분한 양으로 포집된 배기가스를 재순환시킴으로써 배기가스 재순환 송풍기를 별도로 구비하지 않고서 배기가스를 재순환 시킬 수 있어 전력소비를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 정면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 측단면 등가 구성 및 회로 전개도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 송풍기의 사시도.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 배기가스 재순환용 가스순환기의 구성도로서, 도 4a는 종단면도이도, 도 4b는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초저 질소산화물(NOx) 보일러의 운전 제어 수순도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 운전 제어에 따라 운전되는 보일러의 부하별 NOx 측정 그래프.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 아래 설명되는 본 발명의 실시 예에 따른 도면은 노통 연관식 콘덴싱 보일러의 구조에 적용한 것을 나타내고 있으나, 노통 연관식 콘덴싱 보일러가 아닌 관류 보일러 및 절탄기(economizer)가 구비되어 있지 않은 일반 보일러에서도 적용 가능함을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초저NOx 보일러의 종단면 및 회로 전개도이다. 그리고 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 송풍기의 정면도이고, 도 4의 (a)와 (b)는 도 1 및 도 2의 프리히터의 배출측에 설치된 가스순환기(31)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러(10)는 원통형상으로 밀폐된 구조를 가지고 그 내부가 워터-셀(water-shell)(17)을 형성하는 보일러 동체(12)를 갖는다. 상기 보일러 동체(12)의 일부는 일측이 개구되어 버너(18)와 결합되며, 그 내부는 상기 버너(18)의 분사노즐(20)로부터 제공되는 불꽃을 연소하는 연소실(15)을 형성하는 노통(furance)(14)을 구성한다. 상기 노통(14)의 상부에는 그 내부에 채워진 배기가스(연소완결가스)를 노통(14)의 외부로 배출하기 위한 연관(Smoke tube)(16)이 설치되어 있다.

상기 버너(18)의 외부 일측에는 구동신호, 예들 들면 회전속도제어값에 대응하는 속도로 회전되어 공기댐퍼(D1 : 21)를 통한 외부의 연소용 공기와, FGR통로(FGR-P)에 연결된 FGR댐퍼(D2 : 27)를 통한 재순환 배기가스를 상기 버너(18)로 공급하기 위한 송풍기(22)가 설치된다. 이러한 송풍기(22)는 위 특허문헌에 개시된 기술적 구성을 적용하여 구현할 수 있다. 이때, 상기 송풍기(22)의 출구에는 토출댐퍼(Outing Dampper)(D3 : 23)가 설치되어 있다.

상기 보일러 동체(12)의 전면에 형성된 연관(16)의 배출측 상부에는 프리히터(24)가 설치되어 상기 연관(16)으로부터 배출되는 연소완결가스(배기가스)의 열로서 상기 송풍기(22)에 의하여 히트에어덕트(11a)로 공급되는 연소용 공기를 예열하여 에어 덕트(11b)를 통해 상기 버너(18)로 공급한다. 이러한 프리히터(24)는 배기가스의 온도를 낮추고 연소용 공기를 예열하는 히트 파이프 에어 프리히터(Heat pipe Air pre-heater)를 이용할 수 있다.

상기 프리히터(24)의 배기가스 배출통로(24a)는 절탄기(economizer)(26)를 통하여 연도(flue)(28)에 연결되어 있다. 상기 연도(28)는 주지된 바와 같이 버너(18)에서 제공되는 화염이 연소실(15)에서 연소되어 발생된 연소 완결 가스, 즉, 배기가스를 배출하는 외부로 배출하는 통로이다.

상기 프리히터(24)의 배기가스 배출통로(24a)과 상기 송풍기(22)의 FGR댐퍼(27) 사이에는 배기가스를 재순환시키기 위한 FGR통로(FGR-P)가 연결되고, 상기 프리히터(24)의 배기가스 배출통로(24a)와 상기 FGR통로(FGR-P)의 사이에는 프리히터(24)로부터 배출되는 배기가스의 일부를 포집하여 재순환시키는 가스순환기(31)가 설치되어 있다. 본 발명의 실시 예에서는 FGR통로(FGR-P)의 입력 측인 가스순환기(31)가 프리히터(24)의 배출통로(24a)에 연결된 것을 나타내고 있으나, 이에 국한되지 않음에 유의하여야 한다. 즉, 상기 가스순환기(31)는 노통(14)의 연관(16)과 연도(28) 사이의 배기가스 배출통로 중 어느 한 부분과 FGR통로(FGR-P)의 사이에 연통되도록 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예에서 가스순환기(31)는 유입개구(31a)와 배출개구(31b)가 형성된 통형상으로 가스포집 순환통(31e)을 갖는다. 상기 유입개구(31a)는 상기 프리히터(24)의 배출통로(24a)에 연결되고 배출개구(31b)는 절탄기(26)의 입력측에 연결되어 있는 것을 예시하고 있다. 또한, FGR통로(FGR-P)의 순환관(31d)은 상기 가스포집 순환통(31e)의 내부 공간으로 돌출되어 있고, 상기 배출개구(31b)의 내부 측에는 포집판(31c)이 설치되어 있다. 상기 포집판(31c)은 배출 개구(31b)의 중앙에 설치되는 것으로, 양측은 상기 FGR통로(FGR-P)의 순환관(31d), 즉, 순환관 방향으로 절곡되거나 만곡 되어 싸여진 형태로 형성되어 있다.

이때, 상기 가스순환기(31)의 유입개구(31a)의 크기는 배출기구(31b)의 크기보다 상대적으로 크게 형성되어 있다. 따라서 프리히터(24)로부터 배출되는 배기가스가 일정한 배출압력으로 배출되는 경우, 가스순환기(31)의 가스포집 순환통(31e)의 내부압력은 일정 이상으로 압력으로 높아지게 됨으로 통 형상으로 제작된 가스순환기(31)의 가스포집 순환통(31e)의 내부로 유입된 배기가스는 포집판(31c)에서 포집된 후 FGR통로(FGR-P)의 순환관을 통해 FGR통로(FGR-P)로 흘러들어간다.

위와 같은 구성에 의해, 보일러의 운전에 의해 버너(18)에서 제공되는 화염이 연소실(15)에서 연소되어 일정한 배출압력을 가지고 연관(16)을 통해 배출되면, 상기 연소된 후의 가스, 즉 배기가스는 프리히터(24)의 배출통로(24a)를 통해 가스순환기(31)의 가스포집 순환통(31e)의 내부 공간으로 지속적으로 유입된다. 따라서 보일러가 운전되어 버너(18)에서 화염을 지속적으로 연소실(15)로 공급하는 경우 상기 가스포집 순환통(31e)의 내부 압력은 높아지게 됨으로써 송풍기와 같은 동력이 없이 무동력으로 배기가스를 FGR통로(FGR-P)로 이송시킬 수 있다.

상기 프리히터(24)의 일측에는 배기가스에 함유된 또는 포함된 NOx의 양을 측정하기 위한 NOx측정기(50)의 프로브가 삽입되거나 분리될 수 있도록 한 NOx측정구(NTH)가 형성되어 있다. 상기 NOx측정구(NTH)에는 필요할 때에만, 예를 들면, 시운전 모드인 경우에만 NOx측정기(50)의 프로브가 삽입되어 결합되고, 정상운전 시에는 NOx측정기(50)의 프로브는 NOx측정구(NTH)에 분리된다. 이때, NOx측정구(NTH)의 앞부분에는 자중에 의해 회전되는 개폐판에 의해 닫혀 진다.

상기 연도(28)와 상기 송풍기(22)의 제1흡입구, 즉 FGR댐퍼(27)의 사이에는 FGR통로(FGR-P)가 연결되어 있어, 가스순환기(31)내의 배출압력에 의해 상기 가스순환기(31)내의 배기가스 포집기(31c)에서 포집된 배기가스는 무동력으로 송풍기(22)의 일측 입구에 결합된 FGR댐퍼(27)측으로 이송된다. 상기 FGR댐퍼(27)는 개폐량(damper open/close)을 결정하는 재순환개도값에 대응하여 열림/닫힘량이 조절되어 연소실(15)로 재순환되는 배기가스의 양을 조절한다.

상기 송풍기(22)의 제2흡입구, 즉 외부 연소용 산소 유입구에는 산소투입개도값에 대응하여 열림/닫힘량이 조절되는 공기댐퍼(21)가 결합되며, 송풍기(22)의 배출구 측에는 배출개도값에 따라 열림/닫힘량이 조절되는 토출댐퍼(23)가 결합되어 있다. 여기서, 재순환개도값, 산소투입개도값, 배출개도값은 각 댐퍼의 개도량 값을 나타내는 전기신호로서 디지털 신호 또는 아날로그 신호일 수 있다.

한편, 상기 보일러 동체(12)의 일 측, 예를 들면, 상부측에는 워터-쉘(17)내부에 채워진 유체, 즉, 보일러 작동수의 온도 또는 그로부터 배출되는 증기의 압력을 감지하는 보일러 부하감지센서(29)가 설치된다. 이러한 보일러 부하감지센서(29)는 보일러의 종류에 따라 온도센서, 압력센서 중 어느 하나 또는 이들 둘을 혼용한 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 초저 NOx 보일러(10)의 최종 부하의 출력이 중온수인 경우에는 온도센서가 적용되며, 최종 부하의 출력이 증기로 출력되는 경우에는 압력센서가 적용된다. 필요에 따라서는 온도센서와 압력센서를 혼용하여 사용할 수 있다.

위와 같은 구성을 갖는 초저 NOx보일러(10)는 부하에 따라 투입 연료량과 연소공기의 혼합량을 제어하는 운전 프로그램과, 보일러의 부하 단위 구간별에 대응하여 각종 댐퍼의 열림/닫힘 상태인 개도량을 제어하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 배출제어정보와 송풍기의 회전속도를 설정하기 위한 회전속도정보 등이 저장된 운전테이블, 상기 프로그램에 따라 입출력장치(I/O)를 통해 외부로부터 입력되는 댐퍼개폐 조절신호 또는 감지된 보일러 부하량에 대응한 부하 단위 구간별 재순환개도정보, 산소투입개도정보, 회전속도제어정보를 상기 운전테이블로부터 가져와 현재의 보일러 부하량에 의해 공기댐퍼(21), FGR댐퍼(27), 토출댐퍼(23)의 개도량 값을 산출하여 각 댐퍼의 개도량을 제어하고, 송풍기(22)의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛(30)을 포함한다.

도 1에서 미설명된 참조부호 32는 조작패널로서, 운전모드의 설정 및 수동으로 FGR댐퍼(27) 및 연소용 공기댐퍼(21의 개도량을 제어하는 조절손잡이가 구비된다. 또한 본 발명의 실시 예에서는 제어유닛(30)은 두 개의 중앙처리장치(CPU)로 구성된 것을 나타내었으나, 1칩 프로세서(One chip processor)로서 구현이 가능함에 유의하여야 한다. 도 1에서 미 설명된 참조부호 13은 보일러 동체(12)의 내부 워터-쉘(17)의 수위를 알기 위한 수면계이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러(10)의 운전 제어 흐름도로서, 도 2에 도시된 제어유닛(30)내의 제어부(38)내의 롬 영역에 마스크 된 프로그램이다.

이하 본 발명의 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러(10)의 동작을 첨부한 도 1 내지 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 초저 NOx 보일러(10)가 운전되면, 제어유닛(30)은 도 5의 S1단계에서 조작패널(31)의 운전모드 스위치의 상태를 체크하고, S2단계에서 현재의 운전모드가 시험운전모드인지 정상운전모드인지를 검색한다. 시험운전 또는 정상운전모드의 설정은 도 1에 도시된 제어패널(31)에 마련된 운전모드 스위치를 조작하여 설정한다. 시험운전은 공장 출하 시 또는 소비자에게 인계되어 설치된 후에 할 수 있다.

시험운전모드는 초저 NOx 보일러(10)의 부하 단위 구간별, 예를 들면 보일러의 부하가 40%에서 부하를 매 10%씩 증가한 구간별로 보일러를 운전하여 부하 단위 구간에서 측정된 NOx값이 미리 설정된 초저 NOx값으로 될 때의 FGR댐퍼, 공기 댐퍼의 개도량의 정보를 수득하여 메모리에 마련된 운전테이블에 저장하는 것이며, 정상운전모드는 보일러가 운전되었을 때 현재의 보일러 부하량에 대응한 부하 단위 구간의 FGR댐퍼(27), 공기댐퍼(21), 토출댐퍼(23)의 개도정보와 송풍기(22)의 회전속도정보를 운전테이블로부터 취득하고, 현재의 보일러 부하량에 따라 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도값을 산출하여 버너로 공급하여 NOx의 배출을 극도 저감시켜 운전하는 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 보일러 동체(12)의 워터 쉘(17)에 보일러 작동에 필요한 유체, 바람직하기론 물(water)이 적절한 레벨로 채워진 상태에서, 보일러가 운전(시험운전 또는 정상운전 모두를 포함)되면 점화장치(점화장치는 보일러 시스템에서 주지관용의 기술임)가 작동되어 버너(18)가 점화된다. 이때, 송풍기(22)의 초기 설정된 속도로 회전되고, 점화장치의 작동에 의하여 버너(18)의 노즐(20)로부터는 불꽃이 제공된다. 상기 버너(18)로부터 발생되는 불꽃이 연소 공간(15)에서 연소되면 보일러 동체(12)의 노통(14)에 채워진 연소완결가스, 즉, 배기가스는 연관(16), 프리히터(24), 절탄기(26) 및 연도(28)의 경로를 통하여 외부로 배출된다.

시험운전모드

도 5의 S2단계에서, 현재의 운전모드가 시험운전모드라고 판단되면, 제어유닛(30)은 S3과정에서 부하감지센서(29)로부터 출력되는 부하량을 감지하고, 상기 감지된 부하량이 40%을 초과하지 않도록 버너(18)로 공급되는 연료(가스)와 공기량을 조절한다. 즉, 제어유닛(30)은 연료댐퍼(D4)와 공기댐퍼(21)의 개도량 및 송풍기(22)의 회전속도를 제어하여 부하량이 40% 이내로 운전한다. 그리고 도 5의 S4과정에서 NOx측정기(50)로부터 출력되는 NOx값을 읽어 그 값이 20ppm이하인지를 판단한다.

상기 검색결과 측정된 NOx값이 20ppm를 초과하는 경우에는 버너(18)의 화염에 의해 노통(14) 내 연소실(15)의 화염 온도가 높은 것을 의미하므로, 불완전 연소일 가능성이 매우 높다. 따라서, 연도(28)로 배출되는 고온의 배기가스의 일부를 버너(18) 출구 근처에 재순환 공급하여 연료와 함께 공기가 혼합되는 과잉 연료 영역을 방지할 필요성이 있다.

상기 도 5의 S4과정에서 보일러 부하가 40%일 때 측정된 NOx값이 20ppm를 초과한다고 판단되면, 제어유닛(30)은 S5과정에서 FGR댐퍼(27) 및 공기댐퍼(21)의 개도량을 조절하고 S4과정으로 이행한다. FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)가 많이 개방되면, 프리히터(24)의 배출통로(24a)에 설치된 가스순환기(31)에 의해 포집되어 FGR통로(FGR-P)를 통해 버너(18)로 공급되는 배기가스 재순환량이 증가됨으로써 버너(18) 출구 근처에서의 과잉 연료 영역을 억제되어 화염 온도가 낮아진다. 따라서 FGR댐퍼(27)의 개도량이 조절되면 연소실(15)내의 화염온도가 낮아져 NOx의 생성이 저감된다. 이때, 상기 공기댐퍼(21)의 개도량은 연료량의 4%가 넘지 않도록 조절되어야 한다.

본 발명의 실시예에서는 제어유닛(30)이 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도량을 조절하는 예를 설명하였지만, 보일러 운전자가 조작패널(31)에 설치된 댐퍼조절기를 수동으로 조절할 수도 있다.

이와 같은 과정에 의해 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도량을 조절하여 보일러 부하가 40% 이내로 되는 운전되는 상태에서 NOx측정값이 20ppm이하라고 판단되면, 제어유닛(30)은 S6과정에서 현재 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도값을 메모리에 마련된 운전테이블에 저장한다. 이 과정에 의해 보일러의 부하 40%일 때 NOx값이 10ppm 이하로 유지되는 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도값을 수득할 수 있다.

이후, 제어유닛(30)은 부하 단위 구간 부하별 초저 NOx 값(예를 들면 10ppm)을 갖는 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도값을 수득하기 위하여 S7과정에서 부하감지센서(29)의 출력이 50%가 되도록 보일러 부하를 10% 증가 운전한다. 즉, 보일러의 부하가 50%로 되도록 연료댐퍼(D4)와 공기댐퍼(21)를 개도량을 조절하여 버너(18)의 화염의 크기가 크게 되도록 하여 보일러의 출력이 50%가 되도록 운전한다. 그리고 도 5의 S8과정에서 NOx측정기(50)의 출력을 읽어 현재(보일러 부하 단위가 50%일 때)의 NOx값이 10ppm이하인지를 검색 판단한다. 상기 S8과정의 검색 결과 보일러의 부하가 50%일 때 측정된 NOx값이 10ppm을 초과하는 경우 제어유닛(30)은 S9과정에서 FGR댐퍼(27) 및 공기댐퍼(21)의 개도량을 조절하고 S8과정으로 이행한다.

상기 S9과정에 의해 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도량이 변화되면, 앞서 기술한 바와 같이 프리히터(24)의 배출통로(24a)에 설치된 가스순환기(31)에 의해 포집되어 FGR통로(FG-P)를 통해 버너(18)로 공급되는 배기가스 재순환량이 증가됨으로써 연소실(15)내의 화염온도가 낮아져 NOx의 생성이 저감된다. 이때도 상기 공기댐퍼(21)의 개도량은 연료량의 4%가 넘지 않도록 조절되어야 한다.

위 S8 및 S9과정의 지속 반복적인 동작에 의해 보일러의 부하가 50%인 상태에서 NOx측정기(50)에 의해 측정된 NOx값이 10ppm이하로 떨어지면, 제어유닛(30)은 S10과정에서 보일러 부하 단위(50%) 구간의 FGR 댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도량 정보(재순환개도정보와 산소투입개도정보)를 메모리에 마련된 운전테이블에 저장한다. 그리고, 도 5의 S11과정에서 제어유닛(30)은 부하감지센서(296)의 출력을 읽어 현재 보일러 부하가 100%인지를 판단다.

상기 S11과정에서 보일러 부하가 100%가 아니라면, 제어유닛(30)은 보일러 부하 40%로부터 10% 단위씩 증가되었을 때 NOx값이 10ppm을 갖는 FGR댐퍼(27)의 개도량 정보와 공기댐퍼(21)의 개도량정보를 수득하기 위해 전술한 S7과정으로 이행한다. 따라서 제어유닛(30)은 도 5의 S7과정에서 보일러의 부하를 10%증가하여 현재 운전되는 보일러의 부하가 60%가 되도록 한다. 즉, S7과정에서 제어유닛(30)은 연료댐퍼(D4)와 공기댐퍼(21)를 개도량을 조절하여 버너(18)의 화염의 크기가 크게 되도록 하여 보일러의 출력이 60%가 되도록 운전한다. 그리고 도 5의 S8 내지 S11과정을 반복수행한다.

위와 같은 동작 과정에 의해 제어유닛(30)은 보일러 부하 구간 단위별, 예를 들면, 보일러 부하가 40%일 때 배기가스에 포함된 NOx가 20ppm이하의 값은 값을 갖는 재순환개도정보[FGR댐퍼(27)의 개도값], 산소투입개도값[공기댐퍼(21)의 개도값] 및 보일러 부하가 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%일 때 배기가스에 포함된 NOx가 10ppm이하의 값을 갖는 재순환개도정보(FGR댐퍼의 개도값)과 산소투입개도값[공기댐퍼(21)의 개도값]을 수득할 수 있다.

위 과정에 의해 보일러 부하 단위 구간별로 초저 NOx값을 갖는 재순환개도정보(FGR댐퍼의 개도값)과 산소투입개도값[공기댐퍼(21)의 개도값]을 구한 제어유닛(30)은 S12과정에서 메모리에 마련된 운전테이블에 저장한다. 이때 상기 제어유닛(30)의 메모리는 온보드(on board) 메모리 또는 USB(universal serial bus)와 같이 데이터 입출력 포트를 통해 연결된 외장 메모리일 수 있다.

위 보일러 단위 구간별 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보는 보일러의 운전상태에 따라 노통에서 배출되는 배기가스에 포함된 NOx가 극도로 낮은 상태로 운전하는데 유용하게 이용된다.

상기에서 송풍기(22)의 회전속도를 제어하기 위한 송풍기 회전속도정보와, 토출댐퍼(23)의 개도량을 설정하는 토출개도정보는 보일러의 부하에 비례하여 증감하는 것으로 본 발명에서는 상세하게 기술되지 않는다. 예를 들면, 보일러의 부하가 증가되면 그에 비례하여 송풍기의 회전속도를 증가하고, 토출댐퍼의 열림량(개도량)이 커진다.

정상운전모드

정상운전모드는 생산 공장에서 도 1 내지 4와 같은 구성을 갖는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러(10)를 제조하여, 앞서 기술한 시험운전모드의 운전을 행하여 구하여진 보일러 단위 구간별 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 제어유닛(30) 내의 메모리에 마련된 운전테이블에 로딩되어 저장된 상태를 의미한다. 이 경우, 프리히터(24)의 측정구에 결합된 NOx측정장치(50)의 프로브는 탈거되어 분리된 상태이다.

정상운전모드에서 NOx측정장치(50)를 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러(10)에서 분리해 내는 이유는, NOx측정장치(50)의 가격이 매우 고가인데다가 배기가스 등과 같은 고온에 지속적으로 노출되는 경우 수명단축을 가져와 지속적으로 사용할 수 없기 때문이다.

도 5의 S2과정에서 현재의 운전모드가 정상운전모드라고 판단되면, 제어유닛(30)은 연료댐퍼(D4)와 공기댐퍼(21)의 개도량 및 송풍기(22)의 회전속도를 초기 설정값으로 제어하여 보일러를 가동시킨 후, S13과정에서 부하감지센서(29)의 출력을 읽어 현재 보일러 부하를 체크한다. 여기서 초기설정모드라 함은 보일러의 부하가 39% 이하로 운전되는 경우를 의미한다.

그리고 제어유닛(30)은 S14에서 S13과정에 의해 확인된 현재의 보일러 부하에 대응한 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기회전속도정보를 운전테이블로부터 액세스한다. 예를 들어, 현재 보일러의 부하가 53%라면 제어유닛(30)은 S14과정에서 운전테이블에 저장된 보일러 부하 50% 단위 구간, 즉, 보일러 부하 단위가 50%일 때 수득된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 읽고, S15과정에서 상기 운전테이블에서 액세스한 정보와 현재 보일러 부하값을 이용하여 FGR댐퍼(27), 공기댐퍼(21)의 개폐정도 및 송풍기(22)의 회전속도를 설정하기 위한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출한다.

상기 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출은 아래와 같이 할 수 있다. 예를 들어, 보일러 부하가 50%일 때 제어유닛(30)은 그에 대응한 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 운전테이블에서 읽고, 50%에서 3%가 초과한 만큼 비례한 증가하여 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도값를 산출한다.

상기 S15과정에서 현재 보일러 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도값를 산출한 제어유닛(30)은 S16과정에서 산출된 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도값으로 FGR댐퍼(27), 공기댐퍼(21) 및 송풍기(22)를 구동한다. 따라서, 버너(18)로 공급되는 연료량 및 공기량이 증가되어 연소실(15)의 화염의 크기가 커져 보일러 부하가 증가되면 FGR댐퍼(27)와 공기댐퍼(21)의 개도량도 자동으로 조절됨으로써 연소실내의 온도는 배기가스 재순환량의 증가에 따라 일정한 온도로 유지된다.

출원인은 본 발명의 실시 예에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러를 제작하여 NOx 배출 테스트한 결과 도 6과 같은 결과를 얻었다.

도 6은 보일러 부하 용량이 5톤(ton)일 때 본 발명의 실시예에 따른 운전 제어 방법에 의해 시운전하고 정상운전하여 얻은 NOx측정 그래프이다.

보일러가 초기 운전 시, 즉 보일러의 부하가 30% 미만시에는 불완전 연소에 의해 배기가스에 포함된 NOx농도가 20.8ppm이상의 값을 나타냈으나, 보일러 부하가 40% 이상으로 증가하여 보일러 부하 단위 구간(40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%)별로 운전되었을 때 배기가스의 NOx값이 10ppm 이하의 값을 갖도록 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보에 기초하여 각종 댐퍼를 제어함으로써 보일러 부하가 50%일 때 NOx값은 4.7ppm으로 매우 낮은 것을 확인하였다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러는 보일러의 부하 구간 단위별로 연소가스에 포함된 NOx가 최소화 되도록 FGR통로에 설치된 FGR 댐퍼, 송풍기에 결합되어 외부 연소용 공기를 유입하는 공기댐퍼의 개도량(open and shut value) 및 연소용 공기를 버너로 공급하는 송풍기의 회전속도 값을 수득하고, 상기 수득된 정보에 기초하여 보일러 부하에 대응하여 FGR댐퍼, 공기댐퍼 및 송풍기를 제어함으로써 보일러의 부하가 변화하더라고 초저 NOx로 보일러를 운전할 수 있다. 또한, 배기가스 배출통로상에 배기가스 배출압력에 의해 배기가스를 포집하여 FGR통로로 순환되도록 함으로써 재순환배기가스 송풍기 등과 같은 동력원을 갖추지 않을 수 있어 전력 소모를 저감 할 수 있다.

10 : 초저 NOx 보일러, 12 : 보일러 동체, 13 : 수면계, 14 : 노통, 15 : 연소실, 16 : 연관, 17 : 워터-쉘(water shell), 18 : 버너, 20 : 노즐, 21 : 공기댐퍼, 22 : 송풍기, 23 : 배출댐퍼, 24 : 프리히터, 26 : 절탄기, 28 : 연도, 31 : 가스순환기, 27 : FGR 댐퍼, 28 : 배기가스 배출통로, 29 : 부하감지센서, 30 : 제어유닛, 50 : NOx측정장치, FGR-P : 배기가스 재순환 통로

Claims (10)

1. 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러에 있어서, 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 연도로 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기와, 상기 전동기의 구동에 의하여 제1유입구로 유입되는 연소불꽃 온도조절용 배기가스와 제2유입구로 유입되는 외부의 연소용 공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 제1유입구의 사이에 설치된 FGR통로와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 FGR통로 사이에 유입개구와 배출개구가 형성된 통 형상의 가스포집 순환통이 설치되며, 상기 FGR통로의 단부인 순환관은 상기 가스포집 순환통의 내부로 연통되도록 설치되고 상기 순환관의 주위에는 배기가스 포집기가 설치되어 상기 배기가스의 배출통로로 배출되는 배기가스의 압력 증가에 따라 상기 배기가스를 제1유입구로 이송시키도록 구성된 가스순환기와; 상기 FGR통로에 설치되며 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입제어값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도, 압력 중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 보일러 부하 단위 구간별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 구비하며, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하에 대응하는 보일러 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하여 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 연산하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛을 구비함을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러.
2. 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러에 있어서, 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기를 가지며, 상기 전동기의 구동에 의하여 상기 배기가스 배출통로에 연결된 FGR통로를 통한 재순환 배기가스와 외부의 연소공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로에 형성된 측정구에 프로브가 넣어지거나 탈거되며, 상기 프로브를 통해 배출통로상으로 배출되는 배기가스에 포함된 NOx의 량을 측정하여 출력하는 NOx측정장치와; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입개도값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도, 압력 중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 시험운전모드 시, 보일러 부하 단위 구간별로 설정된 저 NOx 값이 되도록 보일러의 부하를 단위 구간으로 증가시켜가면서 운전하여 보일러 단위 구간의 부하량에 따른 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 수득하여 운전 테이블에 저장하고, 정상운전 시 상기 부하감지기에 의해 감지된 현재 부하량에 대응한 부하 단위 구간의 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 운전테이블로부터 읽어 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐정도 및 송풍기의 회전속도를 설정하기 위한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도를 제어하여 배기가스재순환량과 외부의 연소공기량의 혼합비를 조절하고 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하량에 따라 미리 설정된 NOx값 이하로 보일러가 운전되도록 동작하는 제어유닛을 포함함을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러.
3. 제2항에 있어서, 상기 배기가스 배출통로와 상기 FGR통로 사이에 유입개구와 배출개구가 형성된 통 형상의 가스순환기가 설치되며, 상기 가스순환기는 상기 FGR통로의 단부인 순환관이 그 내부로 연통되도록 설치되고 상기 순환관의 주위에는 배기가스 포집기가 설치되어 상기 배기가스의 배출통로로 배출되는 배기가스의 압력 증가에 따라 상기 배기가스를 상기 FGR통로로 이송시키는 가스포집 순환통임을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러.
4. 제3항에 있어서, 상기 배기가스 포집기는 배기가스가 배출되는 배출구 측에 포집판이 설치되며, 상기 포집판의 양측은 연도로부터 상기 순환관 방향으로 절곡되거나 만곡된 형상임을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러.
5. 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 연도로 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기를 가지며, 상기 전동기의 구동에 의하여 상기 배기가스 배출통로에 연결된 FGR통로를 통한 재순환 배기가스와 외부의 연소공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로에 형성된 측정구에 프로브가 넣어지거나 탈거되며, 상기 프로브를 통해 배출통로상으로 배출되는 배기가스에 포함된 NOx의 량을 측정하여 출력하는 NOx측정장치와; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입개도값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도 또는 압력 중 적어도 하나 이상을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 상기 댐퍼부의 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량을 조정하는 신호를 입력하는 입출력포트와, 보일러 부하 구간 단위별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 구비하며, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하의 단위 구간에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하고, 상기 액세스된 정보들과 현재의 부하량으로 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 산출하고 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 제어유닛을 구비한 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 운전 제어 방법에 있어서, 시운전 모드 시, 보일러 단위 구간 부하별로 보일러를 운전하되, 상기 NOx측정장치에서 측정된 NOx 값이 미리 설정된 값 이하로 되도록 운전하여 부하 단위 구간별에 따른 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 설정하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 수득하여 운전 테이블에 저장하는 보일러 부하 단위 구간별 운전 정보 수득 단계와; 상기 측정된 NOx의 량이 현재 보일러의 단위 구간 부하별로 설정된 값을 초과하는 경우 현재 측정된 NOx값이 단위 구간 부하별로 미리 설정된 NOx값 이하로 되도록 상기 입출력포트에 연결된 조절손잡이를 이용하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법
6. 제5항에 있어서, 상기 보일러 부하 단위 구간별 운전 정보 수득 단계는 보일러의 부하량 40%이하로 운전하여 상기 배기가스 배출통로부터 배출되는 NOx 측정값이 20ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도정보를 운전테이블에 저장하는 초기운전단계와; 보일러의 부하량을 10% 단위 구간 씩 증가되도록 하여 보일러 부하가 100%일 때까지 운전하고, 보일러 부하 단위 구간별 상기 측정된 NOx 측정값이 10ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도 값을 상기 운전테이블에 저장하는 단위 구간별 운전 정보 수득 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 보일러의 연소 제어 방법은 정상 운전 시, NOx 측정구에 넣어진 프로브를 꺼내여 NOx측정장치를 분리하는 단계와; 보일러 부하량을 감지하여 현재 단위 구간 부하량에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 상기 운전테이블로부터 취득하고, 현재 부하량에 따른 FGR댐퍼값, 공기댐퍼값 및 송풍기의 회전속도 값을 산출하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도를 제어하여 배기가스재순환량과 외부의 연소공기량의 혼합비를 조절하고 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하량에 따라 미리 설정된 NOx값 이하로 보일러가 운전하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법.
8. 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법에 있어서, 불꽃이 연소되는 연소실과 상기 연소된 후의 가스를 연도로 배출하는 배기가스 배출통로와, 입력되는 연료와 연소용 공기의 혼합비에 대응하는 불꽃을 상기 연소실에 제공하는 버너 및 상기 연소실의 불꽃에 의해 내부에 채워진 물을 가열하여 가열된 유체를 토출하는 보일러 동체와; 회전속도제어값에 대응하는 속도로 블로어를 회전시키는 전동기와, 상기 전동기의 구동에 의하여 제1유입구로 유입되는 연소불꽃 온도조절용 배기가스와 제2유입구로 유입되는 외부의 연소용 공기를 흡입·혼합하여 상기 버너의 연소공간으로 공급하는 송풍기와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 제1유입구의 사이에 설치된 FGR통로와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 제1유입구의 사이에 설치된 FGR통로와; 상기 배기가스 배출통로와 상기 FGR통로 사이에 유입개구와 배출개구가 형성된 통 형상의 가스포집 순환통이 설치되며, 상기 FGR통로의 단부인 순환관은 상기 가스포집 순환통의 내부로 연통되도록 설치되고 상기 순환관의 주위에는 배기가스 포집기가 설치되어 상기 배기가스의 배출통로로 배출되는 배기가스의 압력 증가에 따라 상기 배기가스를 제1유입구로 이송시키도록 구성된 가스순환기와;; 상기 FGR통로에 설치되며, 재순환개도값에 따라 개폐되는 FGR댐퍼 및 상기 송풍기의 연소용 공기흡기구에 설치되어 산소투입개도값에 따라 개폐되는 공기댐퍼를 포함하는 댐퍼부와; 상기 보일러 동체 내의 유체의 온도와 압력을 체크하여 보일러 부하량을 감지하는 부하감지기와; 상기 댐퍼부의 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량를 조정하는 신호를 입력하는 입출력포트와, 보일러 부하 구간 단위별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보가 저장된 메모리를 가지는 제어유닛을 구비하며, 상기 제어유닛은 보일러 운전 시, 상기 부하감지기에서 감지된 보일러 부하 단위 구간에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 회전속도정보를 상기 메모리로부터 액세스하여 현재 부하량에 대응한 재순환개도값, 산소투입개도값 및 회전속도제어값을 연산하고 이 연산된 값에 의해 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개폐량과 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러를 운전하는 함을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러는 상기 배기가스 배출통로에 형성된 측정구에 NOx측정장치의 프로브가 넣어지거나 탈거되며, 상기 프로브를 통해 배출통로상으로 배출되는 배기가스에 포함된 NOx의 량을 측정하여 출력하는 NOx측정장치를 더 포함하며, 상기 메모리에 저장된 보일러 부하 구간 단위별로 미리 설정된 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보는 보일러의 부하량이 40% 이하로 운전하여 상기 배기가스 배출통로부터 배출되는 NOx 측정값이 20ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도정보를 운전테이블에 저장하는 초기운전단계와; 보일러의 부하량을 단위 구간, 예를 들면 매 10%씩 증가되도록 운전하고 상기 측정된 NOx 측정값이 10ppm 이하가 되도록 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도량을 조절하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도 값을 상기 운전테이블에 저장하는 단위 구간별 운전 정보 수득단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 보일러의 연소 제어 방법은 정상 운전 시, NOx 측정구에 넣어진 프로브를 꺼내여 NOx측정장치를 분리하는 단계와; 보일러 부하량을 감지하여 현재 단위 구간 부하량에 대응하는 재순환개도정보, 산소투입개도정보 및 송풍기 회전속도정보를 상기 운전테이블로부터 취득하고, 현재 부하량에 따른 FGR댐퍼값, 공기댐퍼값 및 송풍기의 회전속도 값을 산출하여 상기 FGR댐퍼, 공기댐퍼의 개도를 제어하여 배기가스재순환량과 외부의 연소공기량의 혼합비를 조절하고 송풍기의 회전속도를 제어하여 보일러 부하량에 따라 미리 설정된 NOx값 이하로 보일러를 운전하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 무동력 배기가스 재순환을 통한 초저녹스 보일러의 연소 제어 방법.
    

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