KR102039586B1

KR102039586B1 - 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템

Info

Publication number: KR102039586B1
Application number: KR1020190069106A
Authority: KR
Inventors: 이교순
Original assignee: 이교순
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2019-11-01

Abstract

본 발명은 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러의 용적 내에서 설치공간을 크게 요구하지도 않으면서 배기되는 가스와 도입되는 공기를 적절히 믹싱하여 배기가스를 재사용토록 함으로써 배기가스의 배출량은 줄이면서 보일러의 연소실로 들어가는 연료와 도입공기의 혼합가스 양도 줄이고, 온도를 낮추는 동시에 열효율을 높여 질소산화물 발생을 억제하여 환경오염 방지 기능을 강화시키도록 개선된 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템에 관한 것이다.

Description

질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템{Boiler system with improved nitrogen oxides emission suppression efficiency}

일반적으로 보일러는 물을 데워 사용하기 위한 장치로서, 화석연료를 사용하여 물을 데워 온수를 이용하기 위해 설치된다.

이러한 보일러는 화석연료를 연소하기 때문에 배기가스를 그대로 배출할 경우에는 배기가스에 포함된 질소산화물이 대기를 오염시켜 환경오염의 주범이 되어 근래에는 세계적으로 질소산화물의 배출을 제한하고 있다.

이에 따라, 보일러에도 질소산화물을 감소시키기 위해 국내등록특허 제10-1593623호, "배기가스 재순환 댐퍼와 연계된 연동감응식 비례제어 보일러"가 개시된 바 있다.

이와 같은 비례제어 보일러는 보일러에 가해지는 부하에 연동하여 연료공급 및 연소용 공기의 공급을 비례 제어하는 동시에 송풍기로 재공급되는 배기가스의 재순환을 연동시켜 연소용 공기공급과 비례제어함으로써 송풍기의 진동이나 소음 없이 배기가스의 질소산화물을 저감시킬 수 있다.

하지만, 종래의 비례제어 보일러는 연소용 공기와 배기가스의 재순환을 시키기 위해 여러가지 밸브와 댐퍼들이 설치되기 때문에 제어가 용이하지 않고, 제작이 어려우며, 제작비용이 비싼 문제점이 있다.

또한, 일정시간이 지난 후에는 배기가스의 공급량의 조절만으로 질소산화물의 배출을 억제하기에는 다소 역부족한 문제점이 있다.

이를 개선하기 위해 하기한 [선행기술문헌]이 개시되어 설치비용을 줄이고, 공기와 배기가스의 혼합비율을 정확하고 용이하게 설정하여 공급하는 장점을 구현한 바 있다.

그럼에도 불구하고, [선행기술문헌]의 경우, 배기가스와 공기의 혼합을 위한 믹싱밸브부가 배기가스밸브, 공기밸브, 제1기어, 제2기어, 구동기어 및 기어이동부재 등과 같이 복잡한 기어결합과, 이들 기어들의 구동 제어를 위한 또다른 구동기어의 제어 조합 등이 구조적으로 어렵게 하고, 그 만큼 설치공간을 크게 확보해야 하는데 보일러의 구조상 큰 설치공간(볼륨)을 확보하기가 쉽지 않아 통상적인 규격보다 더 커져야 하는 단점이 파생되었다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1929028호(2018.12.07.) 보일러의 배기가스 재순환장치

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 보일러의 용적 내에서 설치공간을 크게 요구하지도 않으면서 배기되는 가스와 도입되는 공기를 적절히 믹싱하여 배기가스를 재사용토록 함으로써 배기가스의 배출량은 줄이면서 보일러의 연소실로 들어가는 연료와 도입공기의 혼합가스 양도 줄이고, 온도를 낮추는 동시에 열효율을 높여 질소산화물 발생을 억제하여 환경오염 방지 기능을 강화시키도록 개선된 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 버너(100); 상기 버너(100)에 의해 물을 가열하는 가열탱크(110); 상기 버너(100)에 연료를 공급하는 연료공급관(120); 상기 버너(100)로 공기를 공급하는 급기관(130); 상기 급기관(130)에 설치되어 버너(100)로 급기하는 급기팬(132); 외기를 도입하여 상기 급기팬(132)으로 공급하도록 상기 급기팬(132)의 흡입단과 연결된 외기도입관(134); 상기 버너(100)에 연결되어 연소된 배기가스를 배출하는 배기관(140); 상기 가열탱크(110)로 물을 공급하는 급수관(160); 상기 배기관(140)에 설치되고 상기 급수관(160)이 열교환되게 배관되는 열교환챔버(150);를 포함하고, 연료 공급과 외기 공급이 분리된 구조의 보일러 시스템에 있어서;
상기 배기관(140)은 분기되어 제1분기관(142)과 제2분기관(144)으로 이루어지고; 상기 제1분기관(142)의 단부에는 릴리프밸브(RV)가 설치되며; 상기 릴리프밸브(RV)에는 연결관(CV)이 연결되고; 상기 연결관(CV)의 단부는 벤츄리관(VV)에 연결되며; 상기 벤츄리관(VV)은 상기 외기도입관(134)의 길이 일부에 설치되고; 상기 열교환챔버(150)는 상기 제2분기관(144)의 길이 일부에 설치되며;
상기 제2분기관(144)의 길이 일부에는 리무빙챔버(CH)가 더 구비되고, 상기 리무빙챔버(CH)는 구형상의 아미노실리콘 10중량%와, 아염소산나트륨 15중량%와, 메탈실리콘 나노분말과 규산나트륨 및 물을 4:1:5의 중량비로 혼합하여 구형상으로 성형한 성형볼 20중량%와, 귀양석 분말 5중량% 및 나머지 규조토 분말로 성형된 규조토볼로 이루어진 혼합물이 메쉬망에 갇힌 상태로 충전되어 공극을 갖도록 구성되고;
상기 열교환챔버(150)는 내부 공간을 급수관(160)이 다수회 나선상으로 감아나가는 방식으로 배치되되어 가열탱크(110)로 급수시 급수관(160)이 예열되도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템을 제공한다.

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본 발명에 따르면, 보일러의 용적 내에서 설치공간을 크게 요구하지도 않으면서 배기되는 가스와 도입되는 공기를 적절히 믹싱하여 배기가스를 재사용토록 함으로써 배기가스의 배출량은 줄이면서 보일러의 연소실로 들어가는 연료와 도입공기의 혼합가스 양도 줄이고, 온도를 낮추는 동시에 열효율을 높여 질소산화물 발생을 억제하여 환경오염 방지 기능을 강화시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템을 구성하는 릴리프밸브의 예시적인 단면도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템은 통상적인 보일러 구조를 그대로 갖는다.

예컨대, 버너(100)를 포함하며, 상기 버너(100)에 의해 물을 가열하는 가열탱크(110)가 마련된다.

이때, 상기 버너(100)에는 연료를 공급하는 연료공급관(120)과, 외기를 도입하여 공급하는 급기관(130)이 연결되어 연소되면서 가열탱크(110)에 저장된 물을 가열할 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 급기관(130)에는 급기팬(132)이 설치되어 원활한 급기가 이루어지도록 구성된다.

또한, 상기 버너(100)에는 연소된 배기가스를 배출하는 배기관(140)이 연결되는데, 상기 배기관(140)은 분기되어 제1분기관(142)과 제2분기관(144)으로 이루어진다.

아울러, 상기 제1분기관(142)의 단부에는 릴리프밸브(RV)가 설치되고, 상기 제2분기관(144)의 길이 일부에는 리무빙챔버(CH)가 구비되며 열교환챔버(150)를 거쳐 대기중에 노출되게 배관되어 배기가스를 대기로 배출하도록 구성된다.

뿐만 아니라, 상기 릴리프밸브(RV)에는 연결관(CV)이 연결되고, 연결관(CV)의 단부는 벤츄리관(VV)에 연결되며, 벤츄리관(VV)은 외기도입관(134)의 길이 일부에 설치되고, 외기도입관(134)은 외기를 급기팬(132)으로 공급하기 위해 급기팬(132)의 흡입단과 연결된 배관이다.

따라서, 급기팬(132)의 가동으로 흡입압이 생기면 벤츄리관(VV)에 연결된 릴피프밸브(RV)가 열리면서 배기가스 중의 일부가 급기되는 외기와 함께 자동으로 섞이면서 급기관(130)을 통해 버너(100)로 공급된다.

이것은 급기되는 외기가 고열을 지닌 배기가스와 혼합된 상태로 공급되는 것이기 때문에 버너(100)의 연소효율을 향상시키며, 연소 과정에서 생성되는 질소산화물을 저감시키는데 기연하는데 이는 자동차 등에서 사용되는 EGR(Exhaust gas recirculation) 시스템과 유사한 개념이라고 생각하면 이해하기 쉽다.

본 발명은 이러한 EGR 시스템적인 구조 자체를 특징으로 하는 것이 아니라, 배기가스를 재사용할 수 있는 구조를 갖추되 별도의 믹싱챔버나 개도 조절을 위한 다수의 기어들 및 구동수단의 조합과 같이 공간을 많이 차지하는 장치나 설비를 갖추지 않고도 이를 구현한 것에 특징이 있다.

이를 위해 사용되는 릴리프밸브(RV)는 도 2의 예시와 같이, 밸브본체(210)와, 상기 밸브본체(210) 내부에서 연통되고 서로 직교되는 방향으로 돌출된 제1분기관접속단(212) 및 연결관접속단(224)과, 상기 제1분기관(142)에서 유입되는 배기가스량을 조절하는 스플(214)과, 스플(214)에 고정된 스플로드(216)와, 스플로드(216)에 끼워져 상기 스플(214)에 장력을 제공하는 스프링(218)과, 상기 스프링(218)을 탄압하는 피스톤(220)과, 상기 제1분기관접속단(212) 반대측 밸브본체(210)를 관통하여 나사체결되고 상기 피스톤(220)을 유동시켜 스프링(218)의 장력을 조절하는 장력조절바(222)를 포함한다.

이에 따라, 스프링(218)의 장력 조절에 따라 배기가스의 혼합할 배기량을 조절할 수 있게 된다.

특히, 릴리프밸브(RV)는 제1분기관(142)의 단부에 마감처리되므로 벤츄리관(VV)과의 연계 호환성이 좋고, 별도의 믹싱챔버를 구비하지 않아도 벤츄리 효과때문에 빨려감과 동시에 배관 내부에서 1차 혼합이 이루어지고, 급기팬(132)을 거치는 과정에서 2차 최종 혼합이 이루어지므로 외기와의 균일한 믹싱이 자동적으로 이루어지는 효과도 갖는다.

한편, 상기 리무빙챔버(CH)는 배기가스의 주된 배출통로를 구성하며, 배기가스에 함유된 유해성분을 분해, 제거하여 유해성분의 배출이 최소화되도록 하는 수단이다.

이러한 리무빙챔버(CH)는 구형상의 아미노실리콘 10중량%와, 아염소산나트륨 15중량%와, 메탈실리콘 나노분말과 규산나트륨 및 물을 4:1:5의 중량비로 혼합하여 구형상으로 성형한 성형볼 20중량%와, 귀양석 분말 5중량% 및 나머지 규조토 분말로 성형된 규조토볼로 이루어진 혼합물이 메쉬망에 갇힌 상태로 충전되어 공극을 갖도록 구성된다.

이때, 아미노실리콘은 이산화탄소 제거효율이 90% 이상임이 알려져 있는 물질로서, 질소산화물의 제거에 기여하도록 첨가되며, 상기 아염소산나트륨은 질소산화물 분해 제거를 위해 첨가된다.

또한, 메탈실리콘 나노분말은 규소를 나노분말화시키는 환원과정에서 질소와 결합하여 실리지움이라는 물질을 만들기 쉬운 상태로 바뀌게 되며, 특히 규소와 탄소는 두 원자각이 같지만 규소의 공유결합 반경이 더 커 배기가스에 함유된 질소와 결합하여 제거시키는 효과가 크므로 이를 활용하기 위해 첨가된다.

그리고, 규산나트륨은 그 자체로 정화기능이 있으며, 물과 잘 섞이기 때문에 물과 잘 섞이지 않는 메탈실리콘 나노분말을 겔화시키는데 매우 적합하기 때문에 사용된다.

아울러, 귀양석 분말은 상온에서도 원적외선을 96% 방출하는 천연석이며, 미세한 3차원 망목구조를 갖기 때문에 혼합시 미세 공극을 유지함으로써 유해가스 포집 능력을 높여 그 제거기능 및 탈취 기능을 더욱 강화시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 규조토 분말은 공극유지 및 이물질 흡착 제거를 위해 첨가된다.

덧붙여, 이들의 흡착성, 특히 질소 제거능력을 확인하기 위해 20cm × 20cm × 15cm 크기의 투명한 박스를 제작한 다음, 박스 내부를 질소가스로 가득채우고 밀폐한 다음 질소농도측정기(MaxN2-AE, MAXTEC-미국)를 이용하여 질소가스의 농도를 측정한 후 1시간 동안 방치하였다.

방치 결과, 초기 측정시 94%였던 질소가스 농도가 1시간 후 56%로 확연하게 줄어들었다.

이를 통해, 배기가스내 함유된 질소성분을 분해 제거함으로써 질소산화물 생성을 억제하는데 기여함을 확인할 수 있었다.

그리고, 상기 열교환챔버(150)는 내부 공간을 급수관(160)이 다수회 나선상으로 감아나가는 방식으로 배치되고, 고열의 배기가스가 열교환챔버(150)에 채워졌다가 빠져나가도록 구성함으로써 가열탱크(110)로 급수할 때 어느 정도 승온된 상태로 급수할 수 있어 가열 효율이 그만큼 상승하게 되는 장점이 있다.

100: 버너
110: 가열탱크
120: 연료공급관
130: 외기급기관
140: 배기관
150: 열교환챔버
160: 급수관

Claims

버너(100); 상기 버너(100)에 의해 물을 가열하는 가열탱크(110); 상기 버너(100)에 연료를 공급하는 연료공급관(120); 상기 버너(100)로 공기를 공급하는 급기관(130); 상기 급기관(130)에 설치되어 버너(100)로 급기하는 급기팬(132); 외기를 도입하여 상기 급기팬(132)으로 공급하도록 상기 급기팬(132)의 흡입단과 연결된 외기도입관(134); 상기 버너(100)에 연결되어 연소된 배기가스를 배출하는 배기관(140); 상기 가열탱크(110)로 물을 공급하는 급수관(160); 상기 배기관(140)에 설치되고 상기 급수관(160)이 열교환되게 배관되는 열교환챔버(150);를 포함하고, 연료 공급과 외기 공급이 분리된 구조의 보일러 시스템에 있어서;
상기 배기관(140)은 분기되어 제1분기관(142)과 제2분기관(144)으로 이루어지고; 상기 제1분기관(142)의 단부에는 릴리프밸브(RV)가 설치되며; 상기 릴리프밸브(RV)에는 연결관(CV)이 연결되고; 상기 연결관(CV)의 단부는 벤츄리관(VV)에 연결되며; 상기 벤츄리관(VV)은 상기 외기도입관(134)의 길이 일부에 설치되고; 상기 열교환챔버(150)는 상기 제2분기관(144)의 길이 일부에 설치되며;
상기 제2분기관(144)의 길이 일부에는 리무빙챔버(CH)가 더 구비되고, 상기 리무빙챔버(CH)는 구형상의 아미노실리콘 10중량%와, 아염소산나트륨 15중량%와, 메탈실리콘 나노분말과 규산나트륨 및 물을 4:1:5의 중량비로 혼합하여 구형상으로 성형한 성형볼 20중량%와, 귀양석 분말 5중량% 및 나머지 규조토 분말로 성형된 규조토볼로 이루어진 혼합물이 메쉬망에 갇힌 상태로 충전되어 공극을 갖도록 구성되고;
상기 열교환챔버(150)는 내부 공간을 급수관(160)이 다수회 나선상으로 감아나가는 방식으로 배치되되어 가열탱크(110)로 급수시 급수관(160)이 예열되도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 배출 억제 효율을 향상시킨 보일러 시스템.
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