KR102348745B1 - 마일드 연소 기술과 배가스 잠열 회수를 통한 고효율 저배출 목재 보일러 - Google Patents

마일드 연소 기술과 배가스 잠열 회수를 통한 고효율 저배출 목재 보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소공간 내측에 위치되는 연소부(100)를 포함하는 보일러로서,
상기 연소부(100)는, 마일드(MILD, Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 연소실(110);상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 가스화실(120); 및 상기 가스화실(120)가 분리되어 형성되며, 상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 공기예열유로(130); 를 포함하는 보일러를 제공한다.

Description

마일드 연소 기술과 배가스 잠열 회수를 통한 고효율 저배출 목재 보일러{High-efficiency and low-emission wood boiler combined with MILD combustion and latent heat recovery of flue gas}
본 발명은 마일드 연소 기술을 통해 NOx와 CO를 동시에 저감 하고, 배가스의 잠열 회수를 통해 배가스의 온도를 저감하여 스택에서 배출되는 배가스의 온도를 최적으로 저감할 수 있는, 마일드 연소 기술과 배가스 잠열 회수가 결합된 고효율 저배출 목재 보일러에 관한 것이다.
대기 환경 개선을 위해 발전시설뿐만 아니라 전원 주택 혹은 농가 등 다양한 곳에서 사용하고 있는 화목보일러에 대한 환경 규제에 대한 관심이 높아지고 있다.
화목보일러의 작동원리는 화목을 직접 연소하는 방법과 가스화 후 발생되는 가스를 연소하는 방법으로 나뉘어진다. 현재 수준에서의 화목보일러의 CO 배출 기준은 10%로 O2 기준 대비 1.5%로 상당히 높으며, NOx 배출에 대한 규제는 전혀 없는 상태이다. 화목 내에 포함되어 있는 질소 성분은 낮으나 가스화 후 발생되는 가스 연소 과정에서 공기 중의 질소와의 반응을 통해 NOx가 발생되는 바, NOx 배출을 저감할 수 있는 화목보일러가 필요한 실정이며, 또한 CO 발생이 높은 경우 대기 환경뿐만 아니라 국민 생활에 큰 문제가 되는 바, NOx와 더불어 CO를 동시에 저감할 수 있는 기술이 필요하다.
또한 화목보일러는 화재에 쉽게 노출되기에 안전한 화목보일러 기술을 개발하는 것이 중요하다. 특히, 배가스가 배출되는 스택에서의 배가스 온도 기준은 섭씨 250도 이하로 상당히 높아 지붕과 스택의 연결부에서의 화재 위험이 있으며, 고온의 배가스는 스택에서 백연도 발생시킨다.
종래에는 CO와 NOx를 동시에 저감하는 것과 스택에서의 온도를 낮추어 배가스의 배출온도를 저감하는 것에 대한 인식은 부족하였다.
예를 들어, 한국등록특허문헌 제10-0606438호는 SCR 반응기 후단으로부터 배출되는 배가스의 폐열을 회수하는 배가스 처리 시스템에 관한 것이나, 연소과정에서 발생하는 CO와 NOx를 동시에 저감하고자 하는 인식은 없으며, 스택에서의 냉각 수단을 고려하고 있지 않은 바, 스택에서의 온도가 매우 높으며 온도를 감소시키기 위해서는 별도의 단열재를 구비해야 되는 등 시공절차가 복잡한 문제점이 있다.
다른 예를 들어, 한국공개특허문헌 제10-2012-0085443호는 화목 보일러에 관한 것으로, 고체연료를 연소하나 연소과정에서 발생하는 CO와 NOx를 동시에 저감하고자 하는 인식은 없으며, 스택에서의 냉각 수단을 고려하고 있지는 않은 바, 스택에서의 온도가 매우 높으며 온도를 감소시키기 위해서는 별도의 단열재를 구비해야되는 등 시공절차가 복잡한 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허문헌 제10-0606438호
(특허문헌 2) 한국공개특허문헌 제10-2012-0085443호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
구체적으로, 본 발명은 배가스 내부 재순환 통한 마일드 연소 구현을 통해 CO, NOx 배출을 동시에 저감하고 연소효율 극대화하기 위함이다.
또한, 사이클론 형태의 배가스 응축기를 도입하여 배가스 내 포함되어 있는 수분의 응축을 통해 온수 열교환 효율을 높이고 배가스 온도를 낮춰 스택에서의 백연을 저감하고 비산 먼지 포집하기 위함이다.
또한, 배가스 응축기와의 열교환과 교차식 유로를 통해 배가스를 효율적으로 냉각 배출하기 위함이다.
또한, 배가스 응축기와의 열교환 연계를 통해 온수의 열교환 효율을 극대화하기 위함이다.
또한, 배가스 유로와 열교환 연계를 통해 난방수의 열교환 효율을 극대화하기 위함이다.
또한, ID 팬을 통해 배출되는 배가스의 온도를 최적으로 저감하기 위함이다.
또한, 공기 배분 댐퍼의 각도를 조절하여, 연소실로 공급되는 공기의 양으로부터 마일드 연소 시점을 조절하기 위함이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 연소공간 내측에 위치되는 연소부(100)를 포함하는 보일러로서,상 기 연소부(100)는, 마일드(MILD, Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 연소실(110); 상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 가스화실(120); 및 상기 가스화실(120)가 분리되어 형성되며, 상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 공기예열유로(130); 를 포함하는, 보일러를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 보일러는, 상기 연소공간과 연통되도록 형성되고, 상기 마일드 연소실(110)에서 배출된 배가스가 유동되는 배가스 유로(210); 상기 배가스 유로(210)와 연통되며, 상기 배가스 유로(210)의 배출 측 말단에 위치되는 싸이클론 형태의 배가스 응축기(Flue Gas Condenser)(400); 상기 배가스 응축기(400)와 연통되며, 상기 배가스 응축기(400)를 통과한 배가스가 보일러의 외측으로 배출되도록 형성되는 스택(500); 및 상기 스택(500)의 내측에 위치하는 ID(Induced Draft) 팬(600); 를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 마일드 연소실(110)은, 상기 마일드 연소실(110)의 외측인 상기 연소공간과 연통되는 연소실 배가스 배출구(111); 상기 마일드 연소실(110)로부터 연장되어 상기 가스화실(120)로 연결되는 가스화 기체 공급관(112); 및 상기 마일드 연소실(110)로부터 연장되어 상기 공기예열유로(130)로 연결되는 공기 공급관(113); 를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기연소실 배가스 배출구(111)의 직경은 상기 가스화 기체 공급관(112)의 직경 및 상기 공기 공급관(113)의 직경보다 넓도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스화 기체 공급관(112) 및 상기 공기 공급관(113)은 하나 이상으로 형성되고 상기 연소실 배가스 배출구(111)보다 개수가 많도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배가스 유로(210) 상에 위치하는 제1 열교환기(300); 및 상기 배가스 응축기(400)의 내측에 위치하는 제2 열교환기(410); 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 열교환기(410)는, 저온의 온수가 유입되는 온수 유입구(411); 및 상기 온수 유입구(411)와 이격되어 형성되며 상기 제2 열교환기(410)를 통해 열교환된 온수를 상기 제1 열교환기(300)로 공급하는 제1 열교환기 연결부(412);를 포함하고, 상기 제1 열교환기(300)는, 상기 제1 열교환기 연결부(412)와 연통되는 제2 열교환기 연결부(301); 및 상기 제2 열교환기 연결부(301)와 이격되어 형성되며 상기 제1 열교환기(300)를 통해 열교환된 고온의 온수가 유출되는 온수 유출구(302);를 포함하고, 온수는 상기 온수 유입구(411)를 통해 유입된 후 상기 온수 유출구(302)를 통해 유출되어 2단으로 열교환될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연소공간의 둘레를 따라 형성되고 상기 배가스 응축기(400)로 연결되되, 상기 배가스 유로(210) 사이로 교차식으로 형성되는 난방수 유로(220);를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공기예열유로(130) 상으로, 상기 공기 공급관(113)과 상기 가스화실(120)로 공급되는 공기관(121)사이에 형성되는 공기 배분 댐퍼(150); 를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배가스 유로(210)의 내측에서 사선으로 경사지도록 형성되는 하나 이상의 교차식 유로 형성 부재(211)가 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배가스 응축기(400)는, 상기 제2 열교환기(410)의 하측으로 형성되는 사이클론관(420); 및 상기 사이클론관(420) 하부에 위치한 트레이(430); 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공기예열유로(130)는 상기 가스화실(120)의 외측 둘레를 따라 형성될 수 있다.
본 발명에 따라, 배가스 내부 재순환 통한 마일드 연소 구현을 통해 CO, NOx 배출을 동시에 저감하고 연소효율 극대화할 수 있다.
또한, 사이클론 형태의 배가스 응축기를 도입하여 배가스 내 포함되어 있는 수분의 응축을 통해 온수 열교환 효율을 높이고 배가스 온도를 낮춰 백연을 저감하고 비산 먼지 포집할 수 있다.
또한, 배가스 응축기와의 열교환 연계를 통해 온수의 열교환 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 배가스 유로와 열교환 연계를 통해 난방수의 열교환 효율을 극대화할 수 있다.
또한, ID 팬을 통해 배출되는 배가스의 온도를 최적으로 저감할 수 있다.
또한, 공기 배분 댐퍼의 각도를 조절하여, 연소실로 공급되는 공기의 양으로부터 마일드 연소 시점을 조절할 수 있다.
또한, 마일드 연소에서의 NOx, CO 배출이 저감됨을 확인하기 위하여 검증실험을 실시하였으며, 그 결과 마일드 연소단계에서 연소실의 온도가 균일하여 NOx, CO 배출이 저감됨을 확인하였다.
도 1은 본 발명에 따른 보일러를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 보일러에서 마일드 연소실을 나타낸 도면이다.
도 3은 마일드 연소실에서 가스화 기체 공급관, 공기공급관, 배출구 등의 직경의 크기 및 개수를 비교하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명에 따른 마일드 연소실에서 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 보일러에서 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 난방수의 흐름을 설명하기 위해 일부 구성요소를 제외한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 마일드 연소의 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 7 내지 도 9에서 각 연소단계에서의 화염을 비교하기 위한 사진을 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
이하, 본 발명에 따른 보일러는 연소부(100), 유로부(200), 제1 열교환기(300), 배가스 응축기(Flue Gas Condenser)(400), 스택(500), ID(Induced Draft) 팬(600)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 보일러의 구성을 설명한다.
연소부(100)는 마일드(MILD, Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 연소실(110), 가스화실(120), 공기예열유로(130), 애쉬 박스(140), 공기 배분 댐퍼(150), 공기 유도부(160)를 포함한다.
마일드 연소실(110)은 가스화 후 발생되는 가스의 연소가 이루어지는 공간으로, 연소공간 내에 위치되며 마일드 연소실(110)에서는 마일드 연소가 이루어진다.
이 때, 연소공간은 연소부(100)가 위치되는 공간을 의미한다.
마일드 연소란 예열된 고온의 공기가 공급되어 연소실 내부의 온도가 균일한 연소로, 화염이 안정된 상태로 CO와 NOx를 함께 저감할 수 있다.
마일드 연소실(110)은 후술되는 공기예열유로(130)과 연결되어 형성되는 공기 공급관(113)로부터 예열된 공기를 공급받는다.
또한, 마일드 연소실(110)은 후술하는 가스화실(120)과 연결되어 형성되는 가스화 기체 공급관(112)로부터 가스화된 기체를 공급받는다.
가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)은 후술하는 연소실 배가스 배출구(111)의 직경보다 작도록 형성될 수 있고, 다수로 형성될 수 있다.
따라서, 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)에서 마일드 연소실(110) 내로 각각 가스와 공기가 고속으로 분사될 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
이 때, 후술하는 바와 같이 가스화실(120)의 외측 둘레를 따라 공기예열유로(130)가 형성될 수 있어, 가스화 기체 공급관(112)은 공기 공급관(113)의 내측으로 형성될 수 있다.
이 때, 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)는 도시된 위치와 개수에 제한되는 것은 아니다.
마일드 연소실(110)에 공기 공급관(113)와 가스화 기체 공급관(112)로부터 각각 공기와 가스화된 기체가 유입되면, 공기와 가스화된 기체가 만나 연소되며, 배가스가 마일드 연소실(110) 내부를 재순환하는 바, 마일드 연소가 이루어진다.
마일드 연소실(110)의 일측으로 연소실 배가스 배출구(111)가 더 형성된다. 연소실 배가스 배출구(111)가 형성되어, 마일드 연소실(110)에서 연소 후 발생되는 배가스가 배출될 수 있다.
이 때, 연소실 배가스 배출구(111)는 마일드 연소실(110)의 하측으로 공기 공급관(113)의 측면으로 형성되나 이에 제한되는 것은 아니고, 도시된 위치와 개수에 제한되는 것은 아니다.
연소실 배가스 배출구(111)는 후술하는 배가스 유로(210)와 연통되어, 연소실 배가스 배출구(111)에서 배출된 배가스는 배가스 유로(210)로 유동한다.
도 2 및 3을 참조하여, 연소실 배가스 배출구(111), 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 개수 및 직경에 대해 설명한다.
도 3은 도 2에서 A-A'단면을 나타낸 도면으로, 연소실 배가스 배출구(111)의 개수는 전술한 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 각각의 개수보다 적도록 형성된다. 즉, 연소실 배가스 배출구(111)의 개수를 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 각각의 개수보다 적도록 형성함으로서, 배가스가 충분히 마일드 연소실(110)을 유동할 수 있어 마일드 연소실(110)에서의 내부 재순환 효과와 마일드 연소를 유지할 수 있다.
또한, 연소실 배가스 배출구(111)는 후술하는 ID 팬(600)의 부하를 줄이기 위해 넓은 직경으로 형성될 수 있고, 전술한 바와 같이 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 직경보다 넓도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)에서 마일드 연소실(110) 내로 각각 가스와 공기가 고속으로 분사될 수 있어 마일드 연소실(110)의 내부 재순환을 활성화할 수 있다.
이 때, 연소실 배가스 배출구(111), 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 개수 및 직경은 도시된 바에 제한되는 것은 아니고, 연소실 배가스 배출구(111) 보다 가스화 기체 공급관(112)과 공기 공급관(113)의 각각의 노즐의 개수가 많도록 형성되고, 직경은 작도록 형성되면 제한되는 것은 아니다.
가스화실(120)은 고체 연료가 투입되어 고온의 가스가 발생되는 공간이다.
가스화실(120)은 연소공간 내에 위치된다.
가스화실(120)은 고체 연료가 투입되도록 일측으로 도어가 형성될 수 있다.
가스화실(120)은 애쉬 박스(140)와 연결되어, 가스화실(120)에서 발생하는 재가 애쉬 박스(140)를 통해 배출될 수 있다.
가스화실(120)과 애쉬 박스(140) 사이에는 다공의 매쉬를 포함하는 지지 매쉬(미도시)가 형성되어, 고체 연료를 지지할 수 있고, 고체 연료에서 발생되는 재가 애쉬 박스(140)로 배출될 수 있다.
이 때, 지지 매쉬의 매쉬의 크기는 재보다는 크고 고체 연료의 크기보다는 작다.
공기예열유로(130)은 가스화실(120)의 일측으로 형성되어 공기가 예열되는 공간으로 연소공간 내에 위치된다.
가스화실(120)에서 발생된 고온의 가스로부터 공기예열유로(130)를 유동하는 공기가 예열될 수 있다.
배가스의 열 에너지를 이용하여 마일드 연소실(110)로 공급되는 공기가 예열되어 공급되는 바, 연소를 수행하므로 연소 효율이 증가될 수 있다.
이 때, 공기예열유로(130)는 가스화실(120)의 외측 둘레를 따라 형성될 수 있어 가스화실(120)의 온도로부터 공기가 최적으로 예열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
공기예열유로(130) 상에는 공기배분댐퍼(150)가 위치할 수 있고, 이에 대해서는 후술한다.
애쉬 박스(140)는 전술한 가스화실(120)의 일측으로 형성되어 가스화실(120)에서 배출되는 재를 수용할 수 있다.
이 때, 애쉬 박스(140)는 도시된 바와 같이 가스화실(120)의 하측으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
애쉬 박스(140)는 재를 빼낼 수 있도록 일측으로 도어가 형성될 수 있다.
공기 유도부(160)는 공기예열유로(130)의 측면으로 형성되고, 공기예열유로(130)과 가스화실(120)로 공기를 공급한다.
공기 유도부(160)는 팬(161)을 포함하여, 외부의 공기를 유입하여 연소에 필요한 공기가 유입될 수 있다.
이 때, 팬(161)은 FD팬(Forced Draft Fan)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
공기 배분 댐퍼(150)는 공기예열유로(130)과 가스화실(120)로 각각 공급되는 공기의 양을 조절하기 위해 형성된다.
공기 배분 댐퍼(150)는 공기예열유로(130) 상에, 공기 공급관(113)과 가스화실(120)로 공급되는 공기관(121) 사이에 형성된다.
이 때, 공기 배분 댐퍼(150)는 팬(161)의 일측으로 형성된다.
공기 배분 댐퍼(150)는 회전하여 댐퍼의 각도를 조절함으로써, 공기 공급관(113)로부터 공급된 공기를 공기예열유로(130)과 가스화실(120)로 각각 분배할 수 있다.
공기 배분 댐퍼(150)의 각도를 조절함에 따라, 마일드 연소가 이루어지는 시점을 조절할 수 있다. 즉, 공기 배분 댐퍼(150)가 공기예열유로(130)로 공급되는 공기의 양이 많도록 조절되면 마일드 연소실(110)로 공급되는 공기의 양이 많아지는 바, 마일드 연소가 이루어지는 시점이 빨라질 수 있다.
이에 따라, NOx와 CO를 저감해야 되는 경우에는 마일드 연소실(110)로 공급되는 공기의 양이 많아지도록 공기 배분 댐퍼(150)의 각도를 조절할 수 있다.
이 때, 공기 배분 댐퍼(150)는 설정된 기준치에 맞추어 자동으로 제어될 수 있다.
유로부(200)는 배가스 유로(210)와 난방수 유로(220)를 포함한다.
배가스 유로(210)는 일측으로는 전술한 마일드 연소실(110)에 형성되는 연소실 배가스 배출구(111)와 연통되어 마일드 연소실(110)에서 배출되는 배가스가 유동하며, 다른 일측으로는 후술하는 배가스 응축기(400)와 연결된다.
배가스 유로(210)가 단일 방향으로 형성되어 배가스가 단일의 유동방향을 가질 때에 비하여, 배가스의 유동경로를 길게 할 수 있다.
이 때, 배가스 유로(210)는 도시된 구조에 제한되는 것은 아니고, 다른 구조로도 형성될 수 있으며, 도시된 구조는 후술한다.
배가스 유로(210)는 도시된 바와 같이, 후술하는 난방수 유로(220)와 인접하도록 형성되어, 배가스 유로(210)에서의 열이 난방수 유로(220)에 전달될 수 있도록 형성된다. 배가스 유로(210)는 교차식 유로 형성 부재(211)를 포함할 수 있으며, 이로 인해 배가스가 배가스 유로(210) 상에 충분히 머무르며, 난방수와의 열교환을 극대화시킬 수 있다.
이 때, 교차식 유로 형성 부재(211)는 지면을 기준으로 사선 방향으로 기울어지도록 형성될 수 있고, 교차식 유로 형성 부재(211)의 개수는 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
배가스 유로(210)상에는 제1 열교환기(300)가 형성되며, 이에 대하여는 후술한다.
난방수 유로(220)는 난방수가 유동하는 유로이다.
난방수 유로(220)는 배가스 유로(210) 상을 유동하는 배가스의 열로부터 난방수의 온도가 증가된다.
난방수 유로(220)는 저온의 상태로 난방수 유입구(221)를 통해 유입된 후, 열교환을 통해 고온의 상태로 난방수 유출구(222)를 통해 보일러의 외부로 공급된다.
난방수 유입구(221)는 애쉬 박스(140)의 하단으로 형성된다.
난방수 유출구(222)는 난방수 유로(220)의 외측으로 형성되어, 난방수 유로(220)를 유동한 난방수가 배출된다.
난방수 유출구(222)는 배가스 응축기(400)의 측면으로 형성되어, 난방수는 배가스 유로(210)를 충분히 유동하는 바, 고온으로 배출될 수 있다.
이 때, 난방수 유입구(221)와 난방수 유출구(222)의 위치는 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
난방수 유로(220)는 연소공간의 둘레를 따라 형성되며, 배가스 응축기(400)로 연결될 수 있다.
난방수 유로(220)는 배가스 유로(210) 사이로 돌출되어 교차식으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 난방수 유로(220)를 유동하는 난방수는 배가스 유로(210)의 열과 충분히 열교환할 수 있다.
난방수 유로(220)와 배가스 유로(210)의 구조는 설명 및 도시된 바에 제한되는 것은 아니고, 다른 구조로도 형성될 수 있다.
제1 열교환기(300)는 배가스 유로(210) 상에 형성된다.
배가스 유로(210)를 유동하는 배가스는 제1 열교환기(300)를 거치며 냉각될 수 있다.
제1 열교환기(300)는 제2 열교환기 연결부(301) 및 온수 유출구(302)를 포함한다.
제2 열교환기 연결부(301)는 후술하는 제1 열교환기 연결부(412)와 연결되어 온수를 공급받는다. 제2 열교환기 연결부(301)는 온수 유출구(302)보다 배가스 응축기(400)에 인접하여 위치될 수 있다.
온수 유출구(302)는 제2 열교환기 연결부(301)와 이격되어 형성되며 제1 열교환기(300)를 유동하며 열교환된 온수가 유출된다.
제1 열교환기(300)는 후술하는 바와 같이 제1 열교환기 연결부(412)로부터 유입되는 온수가 유동하며, 배가스와의 접촉으로 온수의 온도가 더욱 증가된 후, 온수 유출구(302)를 통해 보일러의 외부로 공급된다.
배가스 응축기(400)는 배가스가 배가스 응축기(400)로 유입되어 온도가 떨어지면서 응축이 이루어져 응축수를 생성한다.
배가스 응축기(400)는 제 2 열교환기(410), 사이클론관(420) 및 트레이(430)를 포함한다.
제2 열교환기(410)는 배가스 응축기(400) 내측으로 형성되어, 배가스 응축기(400)에서 추가 열교환을 통해 배가스 내 수증기 응축을 통한 잠열회수 및 스택(500)에서의 백연 저감을 유도할 수 있다.
제2 열교환기(410)로 온수가 유입되어 배가스 응축기(400) 상의 배가스의 온도를 감소시키고, 온수의 온도를 증가시킬 수 있다.
제2 열교환기(410)는 온도가 낮은 온수가 유입되는 온수 유입부(411)를 포함하고, 제1 열교환기(300)로 온수를 유동하도록 온수 유입부(411)의 상측으로 형성되는 제1 열교환기 연결부(412)를 포함한다.
제1 열교환기 연결부(412)는 제2 열교환기 연결부(301)와 연결되어 제1 열교환기(300)로 온수를 유동시킬 수 있다.
유입된 온수는 전술한 바와 같이 제1 열교환기(300)로 이동하여, 추가 열 교환 후 온수로 배출된다.
사이클론관(420)은 제2 열교환기(410)의 하측으로 형성된다.
사이클론관(420)의 내부로 유입된 배가스는 사이클론관(420)의 내측면으로 이동하면서 회전운동을 하게 된다. 이에 따라 배가스의 유속이 급격하게 떨어지게 된다.
이 때, 상대적으로 공기에 비해 비중이 큰 재나 분진은 사이클론관(420) 아래의 트레이(430) 쪽으로 떨어지게 되고, 재와 분진이 분리된 깨끗한 가스는 상부로 이동하여 외부로 배출될 수 있는 바, 비산먼지를 추가적으로 포집할 수 있다.
트레이(430)는 배가스 응축기(400)의 최하측에 형성되어, 응축이 이루어져 생성된 응축수, 목초액, 기타 회분을 수용할 수 있다.
이 때, 트레이(430)는 도시된 형태에 제한되는 것은 아니고, 도어 또는 밸브 형태로 형성되어 수용된 것을 용이하게 제거할 수 있도록 형성될 수도 있다.
스택(500)은 보일러 내부를 유동한 배가스가 보일러의 외부로 배출되는 배출구를 의미하며, 배가스 응축기(400)의 일측으로 위치한다.
이 때, 스택(500)은 배가스 응축기(400)의 상측으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
스택(500)을 통해 배출되는 배가스의 온도를 저감하지 않으면, 고온의 배가스로 스택(500)과의 연결부에서 화재 위험이 있으며 이로 인한 인명사고 등이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 스택(500)을 통해 배출되는 배가스의 온도를 낮추기 위해, 제1 열교환기(300), 배가스 응축기(400), ID 팬(600)을 이용하여 배가스의 온도를 더욱 저감할 수 있다.
ID 팬(600)은 스택(500)의 내부에 위치된다.
온도가 낮은 공기는 비중이 무겁고 온도가 높은 공기는 비중이 가벼운 바, 스택(500)을 통해 온도가 높은 공기가 온도가 낮은 공기보다 위로 상승하는 경향이 있다. ID 팬(600)은 배출되는 배가스를 흡입하여 배가스의 온도를 감소시킬 수 있으며, 온도가 높은 배가스가 위로 상승하여 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 고온의 배가스는 상대적으로 저온의 배가스보다 더 위로 상승하려는 경향이 있는 바, 스택(500)을 통해 배출되기 더 용이하다.
스택(500)의 내부에 ID 팬(600)을 구비함에 따라, 고온의 배가스가 상승하는 것을 방지하여, 고온의 배가스 배출되는 것을 방지할 수 있다
도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 보일러에서 유체의 유동에 대해 설명한다.
공기 유도부(160)를 통해 공급된 공기는 각각 공기 예열 유로(130)와 가스화실(120)로 공급된다.
가스화실(120)에서 생성된 가스화 기체와 공기 예열 유로(130)에서 가스화로 인해 예열된 공기는 마일드 연소실(110)로 유입되고, 생성된 배가스는 마일드 연소실(110)을 내부 재순환하여 마일드 연소를 구현하고 연소실 배가스 배출구(111)를 통해 마일드 연소실(110)의 외부로 배출된다.
또한, 난방수는 난방수 유입구(221)를 통해 난방수 유로(220)를 유동한다.
이 때, 배출된 배가스는 배가스 유로(210)를 통해 유동하고, 난방수 유로(220)로 열을 공급하는 바 온도가 저감된다.
또한, 온수는 제2 열 교환기(410)의 온수 유입부(411)로 유입되어, 제1 열 교환기(300)로 유동한다.
배가스는 계속하여 제1 열교환기(300)와 접하여 열교환을 수행하여, 제1 열교환기(300) 내부를 유동하는 온수의 온도를 증가시킨다.
제1 열교환기(300)를 통과한 배가스는 배가스 응축기(400)로 유입되고, 이 때 사이클론관(420)에서 회전 운동한 후, 배가스는 제2 열 교환기(410)에서 열교환을 수행하여 스택(500)을 통해 배출된다.
도 7 내지 도 10를 참조하여 마일드 연소실(110)에서 마일드 연소를 구현하여 실험한 결과를 나타낸 것으로 NOx와 CO 배출이 저감되는 효과에 대하여 설명한다.
도 7는 본 발명에 따른 보일러의 운전 시, 시간에 따라 마일드 연소실(110)에서의 온도의 변화를 실험한 결과를 나타낸 그래프로, 도 7에서는 conventional 연소 구간(A) 이후, transition 연소 구간(B)을 거쳐 마일드 연소 구간(C)으로 진입하였음을 도시한다.
도 8(a)는 도 7에서의 conventional 연소 구간(A), transition 연소 구간(B), 마일드 연소 구간(C)인 각 구간에서의 평균 온도를 나타낸 표이고, 도 8(b)는 각 구간에서의 온도의 균일율을 나타낸 도면이다.
Tuniformity = (Tmax - Tmin)/Tavg × 100%
이 때, 균일율은 온도의 최고값에서 최저값을 뺀 차이값을 평균온도로 나눈 값을 의미하며, 균일율이 작으면 온도의 최고값, 최저값, 평균온도 사이의 차이가 크지 않고 작음을 의미한 바, 온도가 균일함을 의미한다.
도 8(b)에서는 마일드 연소 구간에서 균일율의 값이 19.8%로 conventional 연소 구간(A)이 57.1%, transition 연소 구간(B)이 33.0%인 것에 비해, 가장 작은 것을 볼 수 있다. 따라서, 마일드 연소실(110)에서의 온도는 마일드 연소 구간(C)에서 가장 균일하였으며, 연소실에서의 온도가 균일할 때 CO와 NOx배출이 모두 저감되기에, 마일드 연소를 구현하는 본 발명에 따른 보일러의 운전시 CO와 NOx 배출이 크게 저감됨을 확인하였다.
도 9는 마일드 연소 구간(C)에서 CO와 NOx가 모두 저감된 것이 도시된다.
일반적으로, CO는 온도가 증가할수록 배출량이 감소되며, NOx는 온도에 비례하여 배출량이 증가되는 바, CO와 NOx배출은 반비례관계에 있다.
도 9을 참조하면, conventional 연소 구간(A)에서는 CO의 경우 초기에 증가하다가 감소되는 경향을 보이나, NOx는 온도에 비례하여 증가되는 바 NOx는 55ppm이상으로 높은 수치로 검출되어, CO와 NOx 배출이 반비례관계에 있는 것이 도시된다.
transition 연소 구간(B)에서는 CO와 NOx보다 높음과 낮음을 반복하는 것이 도시된다.
마일드 연소 구간(C)에서는 마일드 연소실(110) 내부의 온도가 균일하게 유지되어 CO와 NOx배출이 모두 저감되는 양상을 보이며, 특히 약 10000sec 경과후 NOx의 경우에는 마일드 연소 구간(C)에서 conventional 연소 구간(A)에 비해 NOx가 73%가 저감된 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마일드 연소실(110)에서는 마일드 연소가 구현되는 바, CO와 NOx가 모두 저감될 수 있다.
도 10은 실제의 화염을 나타낸 사진으로, conventional 연소 구간(A), transition 연소 구간(B), 마일드 연소 구간(C)에서의 각각의 화염을 도시하며, 마일드 연소 구간(C)에서의 화염이 가장 적게 형성되며 무화염을 형성하는 것을 알 수 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 연소부
110: 마일드 연소실
111: 연소실 배가스 배출구
112: 가스화 기체 공급관
113: 공기 공급관
120: 가스화실
121: 공기관
130: 공기예열유로
140: 애쉬 박스
150: 공기 배분 댐퍼
160: 공기 유도부
161: 팬
200: 유로부
210: 배가스 유로
211: 교차식 유로 형성 부재
220: 난방수 유로
221: 난방수 유입구
222: 난방수 유출구
300: 제1 열교환기
301: 제2 열교환기 연결부
302: 온수 유출구
400: 배가스 응축기
410: 제2 열교환기
411: 온수 유입부
412: 제1 열교환기 연결부
420: 사이클론관
430: 트레이
500: 스택
600: ID 팬
A: 공기
E: 배가스
G: 가스화 기체
W: 물

Claims (12)

  1. 연소공간 내측에 위치되는 연소부(100)를 포함하는 보일러로서,
    상기 연소부(100)는,
    마일드(MILD, Moderate and Intense Low oxygen Dilution) 연소실(110);
    상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 가스화실(120); 및
    상기 가스화실(120)가 분리되어 형성되며, 상기 마일드 연소실(110)과 연통되는 공기예열유로(130); 를 포함하고,
    상기 마일드 연소실(110)에 상기 가스화실(120)로부터 가스화된 기체가 유입되고, 상기 공기예열유로(130)로부터 예열된 공기가 유입되어 연소되며, 배가스가 마일드 연소실(110) 내부를 재순환하여 마일드 연소가 이루어지고,
    상기 보일러는,
    상기 연소공간과 연통되도록 형성되고, 상기 마일드 연소실(110)에서 배출된 배가스가 유동되는 배가스 유로(210);
    상기 배가스 유로(210)와 연통되며, 상기 배가스 유로(210)의 배출 측 말단에 위치되는 싸이클론 형태의 배가스 응축기(Flue Gas Condenser)(400);
    상기 배가스 응축기(400)와 연통되며, 상기 배가스 응축기(400)를 통과한 배가스가 보일러의 외측으로 배출되도록 형성되는 스택(500); 및
    상기 스택(500)의 내측에 위치하는 ID(Induced Draft) 팬(600); 를 더 포함하는,
    보일러.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마일드 연소실(110)은,
    상기 마일드 연소실(110)의 외측인 상기 연소공간과 연통되는 연소실 배가스 배출구(111);
    상기 마일드 연소실(110)로부터 연장되어 상기 가스화실(120)로 연결되는 가스화 기체 공급관(112); 및
    상기 마일드 연소실(110)로부터 연장되어 상기 공기예열유로(130)로 연결되는 공기 공급관(113); 를 더 포함하는,
    보일러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소실 배가스 배출구(111)의 직경은 상기 가스화 기체 공급관(112)의 직경과 상기 공기 공급관(113)의 직경보다 넓도록 형성되는,
    보일러.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스화 기체 공급관(112) 및 상기 공기 공급관(113)은 하나 이상으로 형성되고 상기 연소실 배가스 배출구(111)보다 개수가 많도록 형성되는,
    보일러.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 유로(210) 상에 위치하는 제1 열교환기(300); 및
    상기 배가스 응축기(400)의 내측에 위치하는 제2 열교환기(410); 를 포함하는,
    보일러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(410)는,
    저온의 온수가 유입되는 온수 유입구(411); 및
    상기 온수 유입구(411)와 이격되어 형성되며 상기 제2 열교환기(410)를 통해 열교환된 온수를 상기 제1 열교환기(300)로 공급하는 제1 열교환기 연결부(412);를 포함하고,
    상기 제1 열교환기(300)는,
    상기 제1 열교환기 연결부(412)와 연통되는 제2 열교환기 연결부(301); 및
    상기 제2 열교환기 연결부(301)와 이격되어 형성되며 상기 제1 열교환기(300)를 통해 열교환된 고온의 온수가 유출되는 온수 유출구(302);를 포함하고,
    온수는 상기 온수 유입구(411)를 통해 유입된 후 상기 온수 유출구(302)를 통해 유출되어 2단으로 열교환되는,
    보일러.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연소공간의 둘레를 따라 형성되고 상기 배가스 응축기(400)와 연결되되, 상기 배가스 유로(210) 사이로 교차식으로 형성되는 난방수 유로(220);를 더 포함하는,
    보일러.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 공기예열유로(130) 상으로, 상기 공기 공급관(113)과 상기 가스화실(120)로 공급되는 공기관(121)사이에 형성되는 공기 배분 댐퍼(150); 를 더 포함하는,
    보일러.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 유로(210)의 내측에서 사선으로 경사지도록 형성되는 하나 이상의 교차식 유로 형성 부재(211)가 위치되는,
    보일러.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 배가스 응축기(400)는,
    상기 제2 열교환기(410)의 하측으로 형성되는 사이클론관(420); 및
    상기 사이클론관(420) 하부에 위치한 트레이(430); 를 포함하는,
    보일러.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 공기예열유로(130)는 상기 가스화실(120)의 외측 둘레를 따라 형성되는,
    보일러.
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