KR101845889B1 - 연소용 공기에 의한 열손실을 최소화하는 연소설비 - Google Patents

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Abstract

연소용 가스의 열손실을 감소시키는 연소설비가 개시된다. 본 발명은 버너를 포함하여 공정 폐가스를 산화시키기 위한 연소챔버, 상기 연소챔버로 공정 폐가스를 유입하기 위한 유입가스덕트 및 상기 연소챔버에서 산화된 공정 폐가스를 배출하기 위한 배출가스덕트를 포함하는 연소설비에 있어서, 상기 버너로는 연료 및 연소용 공기가 유입되며, 상기 연소용 공기로 연소챔버로부터 분기된 분기가스와 상기 배출가스덕트로부터 분기된 분기가스의 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연소설비를 제공한다. 본 발명에 따르면, 연소용 공기의 열손실을 최소화하는 연소설비를 제공할 수 있게 된다.

Description

연소용 공기에 의한 열손실을 최소화하는 연소설비{Oxidation Apparatus For Reducing Heat Loss By Combustion Gas}
본 발명은 산업 현장에서 배출되는 공정 폐가스의 연소설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소용 가스의 열손실을 감소시키는 연소설비에 관한 것이다.
산업 현장에서 공정 가스로 발생하는 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound) 등을 포함하는 유해 가스를 산화시켜 대기로 방출하는 연소 설비에는 축열식 연소설비, 축열촉매식 연소설비, 촉매 연소설비, 열산화 설비 등 다양한 연소설비가 사용되고 있다.
이와 같은 연소설비중 축열식 연소설비에서는 연소용 공기로 인한 열손실을 줄이고, 축열재에 충격을 완화하기 위하여 다양한 시도들이 있어 왔다. 한국등록특허 제10-0803764호는 팬의 전후단에 보조 연료를 투입하는 방식을 사용하고 있다. 이 설비는 유입가스 덕트로 유입 가스와 함께 보조연료가 유입되는 특징으로 하고 있다. 즉 보조연료는 유입가스와 함께 혼합되어 유입되도록 구성되어 있는 것으로서, 이에 의해 연소설비로 유입되는 가스의 농도가 높아지게 된다. 높아진 농도가 연소실에서 연소되면서 연소열이 발생하게 되고 이로 인해 연소실에 투입되는 버너의 부하가 줄어들게 된다.
그러나, 이 방식은 보조 연료를 유입가스덕트로 유입하여야 하므로, 시스템 운전상의 안전 문제가 발생하며, 보조 연료가 연소 챔버로 유입되기 이전에 연소될 가능성이 존재하여, 열교환층이 본연의 기능을 수행하지 못할 수도 있다.
그 밖에 한국등록특허 제10-1210512호는 축열장치 하부에 디퓨저를 설치하는 방식을 사용하고 있으며, 또한, 한국등록특허 제10-0836764호는 유입 가스를 연소용 공기로 사용하는 방식을 사용하고 있다.
이와 같은 종래의 연소설비는 주로 경유, LPG, NG 등의 연료를 사용하는 버너를 이용하여 열원을 공급하고 있다. 이러한 연소 설비에서 송풍팬으로 연소용 공기를 공급할 때의 외기 온도에 따라 실제 공급되는 산소의 질량은 변하게 된다. 예를 들어, CH4를 주성분으로 하는 연료의 경우 연소를 위해 CH4 1몰 당 2몰의 산소가 요구된다.
(화학식 1)
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
그러므로, 연소설비의 버너로 공급되는 연소용 공기의 정확한 공급을 위해서는 외기 온도에 따라 정확한 유량을 제어할 수 있어야 하지만, 이와 같은 송풍 설비는 과도한 투자비를 요구한다.
KR 10-0803764 B KR 10-1210512 B KR 10-0836764 B
상기 종래기술의 문제점을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소용 공기의 열손실을 최소화하는 연소설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 공급되는 버너로 유입되는 연소용 공기의 온도의 영향을 최소화하는 연소설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 버너를 포함하여 공정 폐가스를 산화시키기 위한 연소챔버, 상기 연소챔버로 공정 폐가스를 유입하기 위한 유입가스덕트 및 상기 연소챔버에서 산화된 공정 폐가스를 배출하기 위한 배출가스덕트를 포함하는 연소설비에 있어서, 상기 버너로는 연료 및 연소용 공기가 유입되며, 상기 연소용 공기로 연소챔버로부터 분기된 분기가스와 상기 배출가스덕트로부터 분기된 분기가스의 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연소설비를 제공한다.
본 발명에서 상기 연소설비는, 상기 유입가스덕트 및 배출가스덕트와 상기 연소챔버 사이에 열교환층을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 열교환층은 유입영역, 배출영역 및 퍼지영역을 포함하는 복수의 영역으로 구분되며, 상기 영역들에 공정 폐가스를 분배하기 위한 분배기구를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 연소설비는 상기 퍼지영역을 퍼징하기 위한 퍼지수단을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 퍼지수단은 상기 연소챔버로 공기를 유입하여 상기 퍼지영역을 퍼징하거나 상기 연소챔버로부터 공정 폐가스를 추출하여 상기 퍼지영역을 퍼징할 수 있다. 후자의 경우, 상기 추출된 공정 폐가스가 상기 유입가스덕트로 합류할 수 있다.
또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 버너를 포함하여 공정 폐가스를 산화시키기 위한 연소챔버, 상기 연소챔버로 공정 폐가스를 유입하기 위한 유입가스덕트, 상기 연소챔버에서 산화된 공정 폐가스를 배출하기 위한 배출가스덕트, 상기 연소챔버로부터 유출되는 공정 폐가스로부터 축열하기 위한 열교환층 및 상기 열교환층을 퍼지하기 위한 퍼지수단을 포함하는 연소설비에 있어서, 상기 버너로는 연료 및 연소용 공기가 유입되며, 상기 퍼지수단은 상기 연소챔버로부터 퍼지가스를 추출하여 상기 열교환층을 퍼지하며,상기 연소용 공기로 연소챔버로부터 분기된 분기가스와 상기 퍼지가스의 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 퍼지가스의 일부는 상기 유입가스덕트로 합류할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소용 공기의 열손실을 최소화하는 연소설비를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 외기 온도의 변화에 따라 연소용 공기의 유량 제어가 불필요한 연소설비를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 연소 설비에서 유출입되는 가스 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 연소설비에 사용되는 열교환층의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에서 설명한 연소설비로 유입 및 유출되는 가스흐름에 대한 질량 밸런스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연소설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소설비를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연소설비의 일례를 도시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 연소 설비에서 유출입되는 가스 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에서 연소설비(100)는 축열식 연소설비, 축열촉매식 연소설비, 촉매 연소설비 및 열산화 설비를 포함할 수 있다. 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 연소설비(100)는 축열식 연소설비 또는 축열촉매식 연소설비일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 연소설비는 열교환층(112), 연소챔버(114), 버너(116), 가스분배기구(120), 유입가스덕트(122) 및 배출가스덕트(124)를 포함히여 구성된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 유입가스 덕트(122)로 유입되는 공정 폐가스(①)는 분배기구(120)를 경유하여 열교환층(112)을 통과하면서 연소 온도까지 예열되고, 폐가스에 포함된 악취물질이나 휘발성유기화합물질(VOC) 등은 산화되기 시작하여, 연소챔버(114)에서 적정한 체류 시간 동안 연소된다. 연소된 폐가스(④)는 다시 열교환층(112)을 통과하면서 상기 열교환층을 축열시키고, 배출가스덕트(124)를 통하여 대기 중으로 배출된다.
이때 연소 챔버(114)의 온도를 폐가스의 산화 온도로 유지하기 위하여 버너(116)가 사용되는데, 이 때 버너(116)에는 천연가스와 같은 기상의 연료(F)와 함께 외부 공기(A)가 공급된다. 공급된 연료 및 외부 공기는 연소되어 배출되는 폐가스(④) 흐름에 합류한다.
또, 상기 연소설비(100)에는 퍼지가스(③)가 공급된다. 공급된 퍼지가스는 분배기구(120)를 경유하여 열교환층(112)을 통과하고 배출되는 폐가스(④) 흐름에 합류한다. 이를 위하여 상기 연소설비에는 송풍기와 같은 퍼지수단이 부가될 수 있다.
도 2는 본 발명의 연소설비에 사용되는 열교환층의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 열교환층(112)은 분리판(113) 등에 의해 분리된 여러 영역으로 구분된다. 열교환층의 하단 또는 적절한 위치에는 상기 열교환층의 소정의 분리된 유입영역(I1, I2)으로 폐가스를 유입하고 상기 열교환층의 다른 소정의 분리된 배출 영역(O1, O2, O3)으로부터 배출되는 공정 가스를 배출하기 위한 분배 기구(120) 예컨대 회전형 로터가 구비될 수 있다. 물론 상기 배출 영역 중 일부 예컨대 배출 영역 O1은 데드 존으로 사용될 수도 있다. 상기 회전형 로터는 축을 중심으로 회전하며, 폐가스를 열교환층(112)으로 유입하고 배출하기 위한 채널(도시하지 않음)을 구비할 수 있다. 분리판(113)은 상기 열교환층을 분리할 뿐만 아니라 상기 회전형 로터까지 연장하여 상기 회전형 로터로부터 유입되는 공정 가스가 상기 열교환층의 유입 영역으로 유입되게 하고, 상기 열교환층의 배출 영역으로부터 유출되는 공정 가스가 상기 회전형 로터를 통과하여 배출구(224)로 배출되게 한다.
또한, 상기 열교환층은 별도의 퍼지영역(P)를 구비할 수 있다. 본 발명에서 퍼징 메커니즘은 두 가지 방식으로 구현될 수 있다. 먼저, 상기 퍼지영역에서 가스 흐름은 외기 등의 퍼지가스를 열교환층을 통해 연소챔버로 유입하는 상향식(a)으로 구현될 수 있다. 이 때, 퍼지가스의 흐름(P)은 유입 폐가스 흐름(I1, I2)과 같은 방향을 갖는다. 이와 달리 연소챔버로부터 열교환층을 통해 하방으로 가스를 추출하는 하향식(b)으로 구현될 수도 있다. 이 때, 퍼지가스(P) 흐름은 배출 폐가스(O1, O2, O3) 흐름과 같은 방향을 갖는다.
도 3은 도 1에서 설명한 연소설비로 유입 및 유출되는 가스흐름에 대한 질량 밸런스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 연소설비로 유입되는 폐가스 총질량과 온도를 각각 mi, Ti, 퍼지공기의 총질량과 온도를 각각 mp, Tp, 버너로 유입되는 연료(F)의 총량과 온도를 mf, Tf, 버너로 유입되는 연소용 공기의 총량과 온도를 각각 mc, Tc, 연소되어 배출되는 배출가스의 총량 및 온도를 각각 mo, To라 하면, 유입 및 유출의 질량변화가 없는 정상상태(Steady state)에서 질량 밸런스는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
(수학식 1)
mo = mi + mf + mp + mc
이 때, 낮은 온도에서 Cc≒Co로 근사되므로, 연소용 공기에 의한 열손실은 다음의 수식에 의해 표현될 수 있다.
(수학식 2)
열손실 = mc * Co * (To-Tc)
위 수학식 1에서 To-Tc > 0 인 경우 연소용 공기에 의한 열손실이 존재하게 된다.
한편, 열손실과는 별도로, 연소용 공기가 유입되는 경우에는 외기 온도의 변화 등으로 연소용 공기의 온도 즉 Tc가 변화한다. 이 때, 수학식 1에 따른 질량 밸런스를 유지하기 위하여 연소용 공기의 유량이 제어가능하여야 하는데 이를 위해서는 연소용 공기의 온도에 따라 연료량에 비례하여 연소용공기 유량을 제어할 수 있어야 한다. 그러나, 이와 같은 유량 제어를 위한 효과적인 수단은 존재하지 않으며 따라서, 전술한 연소설비는 불완전 연소나 열손실의 발생이 불가피하다는 문제점을 갖게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연소설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 연소설비는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 상기 연소설비는 열교환층(112), 연소챔버(114), 버너(116), 가스분배기구(120), 유입가스덕트(122) 및 배출가스덕트(124)를 포함하여 구성된다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에서는 연소용 공기(⑦)로 연소설비로부터 배출되는 폐가스로부터 분기된 가스(④)와 연소챔버로부터의 분기된 가스(⑥)가 사용된다.연소챔버의 분기가스를 혼합하는 경우 연소용공기의 온도를 일정하게 유지하여 연소효율 개선에 도움이 되고 연소용공기의 온도를 높혀 연소실의 온도를 유지하기 위해 투입되는 연료량을 절감할 수 있다.
물론, 본 발명에서 외부 공기(optional air, 비상용공기) 흐름은 연소용 공기로 유입되지 않는다. 다만, 본 실시예의 연소설비는 과열과 같은 비상시에 선택적으로 외부 공기의 흐름(optional air)이 연소용 공기로 유입하도록 할 수 있으며, 이하의 실시예에서도 마찬가지이다.
이 때, 연소설비로 유입되는 폐가스 총질량과 온도를 각각 mi, Ti, 퍼지공기의 총질량과 온도를 각각 mp, Tp, 버너로 유입되는 연료(F)의 총량과 온도를 mf, Tf, 버너로 유입되는 연소용 공기의 총량과 온도를 각각 mc, Tc, 연소되어 배출되는 배출가스의 총량 및 온도를 각각 mo, To라 하면, 유입 및 유출의 질량 변화가 없는 정상상태(Steady state)에서 질량 밸런스는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
(수학식 3)
mo = mi + mf + mp
위 수식에 나타난 바와 같이, 외부 공기의 유입이 없는 경우 시스템 관점에서 유출입하는 연소용 공기의 질량(mc)은 영(zero)이다. 따라서, 본 실시예에서 연소용 공기로 인한 열손실은 발생하지 않는다. 또한, 본 실시예의 연소설비에서는 연소용 외부 공기가 사용되지 않으므로, 외부의 온도 변화에 따른 연소용 공기의 유량 제어가 불필요하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소설비를 예시적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 5의 연소설비는 연소용 공기(⑦)로 연소설비로부터 배출되는 폐가스로부터 분기된 가스(④)와 연소챔버로부터의 분기된 가스(⑥)가 사용된다는 점에서 도 4의 실시예와 마찬가지이다.
다만, 도 5의 연소설비는 연소설비로부터 퍼지공기를 추출하고 있다. 예컨대, 퍼지공기의 추출을 위해 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 퍼지 메커니즘이 사용될 수 있다.
본 실시예에서 추출된 퍼지공기(⑧)는 연소설비로 유입되는 폐가스와 합류하여 연소설비로 유입된다. 이 경우 질량 밸런스는 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
(수학식 4)
mo = mi + mf
본 실시예에서도 연소용 공기에 의한 열손실은 존재하지 않는다. 또한, 본 실시예의 연소설비에서도 연소용 외부 공기가 사용되지 않으므로, 외부의 온도 변화에 따른 연소용 공기의 유량 제어가 불필요하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연소설비의 일례를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 5와 마찬가지로 퍼지가스(⑧) 흐름이 유입 폐가스 흐름에 합류하고 있다. 그러나, 본 실시예에서는 상기 퍼지가스로부터 분기된 가스(⑨)가 연소용 공기(⑦) 흐름에 합류하고 있다.
본 실시예에서 질량 밸런스는 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
(수학식 5)
mo = mi + mf
본 실시예에서도 연소용 공기에 의한 열손실은 존재하지 않는다. 또한, 본 실시예의 연소설비에서도 연소용 외부 공기가 사용되지 않으므로, 외부의 온도 변화에 따른 연소용 공기의 유량 제어가 불필요하게 된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 위 실시예들은 본 발명을 예시하는 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
100 연소설비
112 열교환층
114 연소챔버
116 버너
120 분배기구
122 유입가스덕트
124 배출가스덕트

Claims (9)

  1. 버너를 포함하여 공정 폐가스를 산화시키기 위한 연소챔버, 상기 연소챔버로 공정 폐가스를 유입하기 위한 유입가스덕트 및 상기 연소챔버에서 산화된 공정 폐가스를 배출하기 위한 배출가스덕트를 포함하는 연소설비에 있어서,
    상기 버너로는 연료 및 연소용 공기가 유입되며,
    상기 버너로 유입되는 상기 연소용 공기로 연소챔버로부터 분기된 분기가스와 상기 배출가스덕트로부터 분기된 분기가스의 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소설비는,
    상기 유입가스덕트 및 배출가스덕트와 상기 연소챔버 사이에 열교환층을 더 포함하는 축열식 연소설비인 것을 특징으로 하는 연소설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환층은 유입영역, 배출영역 및 퍼지영역을 포함하는 복수의 영역으로 구분되며,
    상기 영역들에 공정 폐가스를 분배하기 위한 분배기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 퍼지영역을 퍼징하기 위한 퍼지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 퍼지수단은 상기 연소챔버로 공기를 유입하여 상기 퍼지영역을 퍼징하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 퍼지수단은 상기 연소챔버로부터 공정 폐가스를 추출하여 상기 퍼지영역을 퍼징하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 추출된 공정 폐가스가 상기 유입가스덕트로 합류하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  8. 버너를 포함하여 공정 폐가스를 산화시키기 위한 연소챔버, 상기 연소챔버로 공정 폐가스를 유입하기 위한 유입가스덕트, 상기 연소챔버에서 산화된 공정 폐가스를 배출하기 위한 배출가스덕트, 상기 연소챔버로부터 유출되는 공정 폐가스로부터 축열하기 위한 열교환층 및 상기 열교환층을 퍼지하기 위한 퍼지수단을 포함하는 연소설비에 있어서,
    상기 버너로는 연료 및 연소용 공기가 유입되며,
    상기 퍼지수단은 상기 연소챔버로부터 퍼지가스를 추출하여 상기 열교환층을 퍼지하며,
    상기 버너로 유입되는 상기 연소용 공기로 연소챔버로부터 분기된 분기가스와 상기 퍼지가스의 혼합 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연소설비.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 퍼지가스의 일부는 상기 유입가스덕트로 합류하는 것을 특징으로 하는 연소설비.
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