KR102384835B1 - 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저녹스 보일러의 연소 효율을 향상시키기 위한 것으로서, 상기 저녹스 보일러 주위의 대기 온도를 측정하는 외기온도 센서; 상기 저녹스 보일러의 노 내압을 측정하는 노 내압 센서; 상기 저녹스 보일러에 공급되는 연료량 및 산소량을 조절하기 위한 유량 조절 장치; 및 상기 유량 조절 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부를 통해 상기 외기온도 센서 및 노 내압 센서가 측정한 값에 기초하여 상기 유량 조절 장치의 동작을 제어함으로써, 상기 노 내부로 투입되는 연료 및 산소의 혼합비를 일정하게 유지할 수 있는 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템{Boiler control system for nitrogen oxide reduction}

본 발명은 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저녹스 보일러의 내부 및 외부 환경 정보를 반영하여 연소 효율을 최대화 할 수 있도록 하는 저녹스 보일러 제어 기술에 관한 것이다.

현재 가정 등 많은 시설에 설치되는 보일러는 일반적으로 가스 연료를 이용하는 방식으로, 가스 연료를 연소시킴에 따라 많은 양의 질소산화물(NOx)을 배출해 왔다.

질소산화물은 미세먼지를 생성하는 주요 원인 물질인 것으로 파악되어 그 배출량에 대한 문제가 제기되었으며, 이러한 사회의 요구에 따라 질소산화물 배출을 저감시킨 저녹스 보일러(친환경 보일러)가 등장하게 되었다.

한편, 현재 이용되고 있는 저녹스 보일러는 외부온도 변화, 연도의 높이 및 설치된 보일러 수 등 다양한 환경 요소를 고려하고 있지 않으므로, 특정한 환경에 따라 연소 효율이 저하되고 질소산화물 발생량이 증가할 수 있는 문제점이 있다.

이에 본 발명의 발명자는 상술한 문제점을 해결하기 위해서 오랫동안 연구하고 시행착오를 거치며 개발한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 외기 온도 및 저녹스 보일러의 노 내압 정보를 이용하여 저녹스 보일러의 연소 효율을 높이고, 질소산화물 배출량을 저감할 수 있는 보일러 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 질소산화물을 저감시키기 위해 예혼합기와 가스버너가 결합된 친환경 예혼합 가스버너 시스템을 제공한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 공기가 유입되는 유로방향의 역방향으로 연료를 배출하여, 연료의 배출압력이 낮은 상태에서도 연료 배출량을 용이하게 제어할 수 있는 예혼합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 이용하여 공기와 연료를 균일하게 혼합하여 완전연소를 통해 질소산화물을 저감시킬 수 있는 예혼합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 공기흡입부와 가스공급관이 포함된 1차예혼합관과 별개로 스월형 혼합기, 다공형 타공판과 같은 부품을 수납하는 2차예혼합관을 둠으로서 공기와 연료의 혼합율을 용이하게 조절하고 유지보수를 원할하게 할 수 있는 예혼합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 내부연소통과 외부연소통의 다중 원통구조를 이용하여 균일하고 안정적으로 혼합연료를 분출하는 친환경 메탈화이버 가스버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 내부연소통과 외부연소통의 다중 원통구조를 통해 혼합연료가 분출되는 방향을 효과적으로 제어함으로서 화염날림(lift-off)현상을 저감하고, 완전연소로 인한 저탄소 및 저녹스를 달성하는 친환경 메탈화이버 가스버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 메탈화이버로 구성된 메탈매트에서 혼합연료를 연소시킴으로서 저녹스를 달성하는 친환경 메탈화이버 가스버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 저녹스 보일러의 연소 효율을 향상시키기 위한 것으로서, 상기 저녹스 보일러 주위의 대기 온도를 측정하는 외기온도 센서; 상기 저녹스 보일러의 노 내압을 측정하는 노 내압 센서; 상기 저녹스 보일러에 공급되는 연료량 및 산소량을 조절하기 위한 유량 조절 장치; 및 상기 유량 조절 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 외기온도 센서 및 노 내압 센서가 측정한 값에 기초하여 상기 유량 조절 장치의 동작을 제어함으로써, 상기 노 내부로 투입되는 연료 및 산소의 혼합비를 일정하게 유지할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유량 조절 장치는, 상기 저녹스 보일러에 공급되는 연료량을 조절하기 위한 연료 댐퍼를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정한 노 내압 값이 기준 범위를 벗어남에 따라 변화되는 연료 공급량을 보정하기 위해 상기 연료 댐퍼의 동작을 제어함으로써, 상기 저녹스 보일러에 요구되는 연료량을 일정하게 공급할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유량 조절 장치는, 상기 저녹스 보일러에 공급되는 산소량을 조절하기 위한 송풍기를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정한 대기 온도 값에 따라 변화되는 산소 공급량을 보정하기 위해 상기 송풍기의 동작을 제어함으로써, 상기 저녹스 보일러에 요구되는 산소량을 일정하게 공급할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 저녹스 보일러에 구비되어 상기 송풍기에 전원을 공급하는 인버터의 출력 주파수 제어를 통해 상기 송풍기의 동작 속도를 제어할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 측정한 대기 온도 값의 변화량에 비례하도록 상기 인버터의 출력 주파수를 변화시켜 상기 송풍기의 동작 속도를 조절할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유량 조절 장치는, 상기 저녹스 보일러에 공급되는 산소량을 조절하기 위한 공기 댐퍼; 및 상기 저녹스 보일러에서 재순환되는 배기 가스량을 조절하기 위한 재순환 댐퍼 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명은 저녹스 보일러가 설치된 환경의 정보를 지속적으로 반영하므로, 저녹스 보일러의 동작에 요구되는 산소량 및 연료량을 일정하게 공급할 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라, 저녹스 보일러에 대해서 설정된 연소비를 일정하게 유지하고, 연소 효율 및 질소산화물 배출량 저감 효과를 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명은 예혼합기와 가스버너를 이용하여 저녹스 효과를 달성하는 효과가 있다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 공기가 유입되는 유로방향의 역방향으로 연료를 배출하는 역방향분출구를 이용하여, 가스 연료의 배출압력이 낮은 상태에서도 연료 배출량을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다. 공기유로 방향과 순방향으로 가스 연료를 분출하는 경우 가스분출구에서 발생하는 와류현상으로 인해 가스 연료의 분출압력이 낮은 상황에서 가스 연료의 분출량을 제어하기 어려운 문제가 있다. 이렇게 가스 연료 분출량을 제어하기 어렵게 되면 공기와 연료의 혼합비율 제어가 곤란해져 완전 연소가 어렵게 되고 당연히 불완전 연소로 인한 환경오염 물질 배출량이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명의 역방향분출구는 공기와 연료의 이상적인 혼합비율을 제어함으로서 질소산화물 배출량을 감소시키는 효과가 있다.

본 발명은 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 이용하여 공기와 연료를 균일하게 혼합하여 완전연소를 통해 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 흡입되는 공기의 양과 가스 연료의 양을 전체적으로 제어한다고 해도 연소가 일어나는 과정에서 공기와 연료가 매우 미세하고 균일하게 혼합되지 않으면 불완전 연소가 발생할 수 있다. 이에 본 발명은 날개를 이용해 회전하는 방식으로 공기와 연료를 혼합하는 스월형 혼합기, 미세한 홀이 형성된 다공부를 포함하는 다공형 타공판을 조합하여 공기와 연료의 혼합을 균일하게 제어함으로서 질소산화물 배출량을 감소시키는 효과가 있다.

본 발명은 공기흡입부와 가스공급관이 포함된 1차예혼합관과 별개로 스월형 혼합기, 다공형 타공판과 같은 부품을 수납하는 2차예혼합관을 포함한다. 2차예혼합관은 1차예혼합관과 분리가능하게 조립되므로 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 교체하기 용이하다. 따라서, 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 용도와 목적에 맞게 교체하면서 공기와 연료의 혼합율을 용이하게 조절하고 유지보수를 원할하게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 내부연소통과 외부연소통의 다중 원통구조를 이용하여 메탈매트를 향해 균일하고 안정적으로 혼합연료를 분출함으로서 안정적인 화염발생을 유지하여 화염날림(lift-off)현상을 저감하고, 완전연소로 인한 저탄소(10ppm 이하) 및 저녹스를 달성하는 효과가 있다.

본 발명은 메탈화이버로 구성된 메탈매트에서 혼합연료를 연소시킴으로서 저녹스를 달성하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템의 구성을 간략히 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 친환경 예혼합 가스버너 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 1차 예혼합관의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 1차 예혼합관 및 2차 예혼합관의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 메탈화이버 가스버너의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 내부연소통 및 외부연소통의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 메탈화이버 가스버너 내부에서 혼합연료의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 친환경 예혼합 가스버너 시스템을 직접 구현한 사진이다.
도 12는 본 발명의 스월형 혼합기 등을 직접 구현한 사진이다.
도 13 및 도 14은 도 11 및 도 12를 이용하여 본 발명의 실시효과를 테스트한 결과데이터이다.
도 15 및 도 16은 종래기술에 따른 가스버너를 이용하여 테스트한 비교데이터이다.
도 17는 본 발명의 가스공급관의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 18는 본 발명의 내부연소통의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템(300)(이하, 제어 시스템으로 칭함)의 구성을 간략히 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 제어 시스템(300)은 센서(310), 유량 조절 장치(320) 및 제어부(330)를 포함하여 구성된다. 여기에서, 센서(310)는 저녹스 보일러의 내부 및 외부 환경 정보를 제어부(330)에 전달하는 역할을 수행한다. 제어부(330)는 센서(310)로부터 전달된 정보에 기초하여 저녹스 보일러를 가동시키는데 요구되는 연료량 및 산소량을 조절하기 위한 유량 조절 장치(320)의 동작을 제어한다. 이 때, 제어부(330)의 유량 조절 장치(320) 동작 제어를 통한 연료량 및 산소량의 조절은 저녹스 보일러의 연소 효율을 일정하게 유지하여 최대 효율을 내기 위한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제어 시스템(300)의 구성을 더 구체적으로 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 센서(310)는 외부 환경 정보인 저녹스 보일러 주위의 대기 온도를 측정하는 외기온도 센서(311) 및 내부 환경 정보인 저녹스 보일러의 노 내압을 측정하는 노 내압 센서(312)를 포함하여 구성된다. 이에 따라, 제어부(330)는 외기온도 센서(311) 및 노 내압 센서(312)가 측정한 값에 기초하여 상기 유량 조절 장치(320)의 동작을 제어함으로써, 저녹스 보일러의 노 내부로 투입되는 연료 및 산소의 혼합비를 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 유량 조절 장치(320)는 댐퍼(320-1)를 포함하여 구성되며, 댐퍼(320-1)는 연료 댐퍼(321), 공기 댐퍼(322) 및 재순환 댐퍼(323) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열거된 댐퍼 각각은 저녹스 보일러 내에 설치된 위치에 따라 산소 또는 연료의 유량을 조절하는 등의 역할을 수행할 수 있다.

구체적으로, 연료 댐퍼(321)는 저녹스 보일러의 보의 전단과 연결되는 연료(가스) 공급관의 내부에 설치되어, 저녹스 보일러에 공급되는 연료량을 조절할 수 있다. 또한, 공기 댐퍼(322)는 저녹의 보일러의 공기 유입관 내부에 설치되어, 저녹스 보일러에 공급되는 산소량을 조절할 수 있다. 또한, 재순환 댐퍼(323)는 저녹스 보일러의 연도 및 공기 유입관 사이를 연결하는 연결로 내부에 설치되어, 저녹스 보일러 내부에서 재순환되는 배기 가스량을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 유량 조절 장치(320)는 저녹스 보일러의 보 후단에 연결되는 연도 내부에 설치되어, 노 내압이 정상적인 범위 내로 진입하는데 도움을 줄 수 있는 연도 댐퍼를 더 포함할 수 있다.

또한, 유량 조절 장치(320)는 공기 유입 장치(320-2)를 포함하여 구성되며, 공기 유입 장치(320-2)는 본 팬의 회전을 통해 공기를 저녹스 보일러 내부로 유입시키는 주체인 송풍기(326) 및 송풍기(326)에 전원을 공급하고 송풍기(326)의 동작 속도를 조절하기 위한 인버터(325)를 포함할 수 있다.

상술한 유량 조절 장치(320)의 구성과 관련하여, 제어부(330)는 센서가 측정한 노 내압 값이 기준 범위를 벗어남에 따라 변화되는 연료 공급량을 보정하기 위해 연료 댐퍼(321)의 동작을 제어함으로써, 저녹스 보일러에 요구되는 연료량을 일정하게 공급할 수 있다. 여기에서, 보일러의 노 내압 변화에 영향을 주는 요소는 다양하며, 노 내압이 증가하거나 감소함에 따라 연료 댐퍼(321)의 동작을 제어하여 연료 공급량을 보정하거나, 연도 댐퍼를 조정하여 노 내압 자체를 보정할 수 있다. 예를 들어, 보일러의 연도 높이가 상승하는 만큼 보일러의 노 내압은 감소하게 되어, 노 내부로 투입되는 연료량이 증가할 수 있다. 반대로, 노 내압이 증가하는 경우에는 노 내부로 투입되는 연료량은 감소하게 될 수 있다.

또한, 제어부(330)는 센서가 측정한 대기 온도 값에 따라 변화되는 산소 공급량을 보정하기 위해 송풍기(326)의 동작을 제어함으로써, 저녹스 보일러에 요구되는 산소량을 일정하게 공급할 수 있다. 여기에서, 제어부(330)는 저녹스 보일러에 구비되어 송풍기(326)에 전원을 공급하는 인버터(325)의 출력 주파수를 제어 하여 송풍기(326)의 동작 속도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(330)는 센서가 측정한 대기 온도 값의 변화량에 비례하도록 인버터(325)의 출력 주파수를 변화시켜 송풍기(326)의 동작 속도를 제어할 수 있다(예를 들어, 대기 온도 1℃ 상승 시 마다 송풍기(326) 회전 속도 10RPM 증가). 이 외에, 제어부(330)는 상술한 공기 댐퍼(322) 및 재순환 댐퍼(323)의 동작을 제어하여 산소 공급량을 보정하는데 이용할 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템(300)은 모니터(340)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 모니터(340)는 저녹스 보일러 또는 보일러 컨트롤러에 구비되는 디스플레이 장치로서, 보일러의 작동 상태에 대한 정보를 사용자에게 제공할 수 있으며, 특히, 제어부(330)에 의해 감지되는 송풍기(326)의 필터 이상 유무를 출력하여 사용자에게 안내할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 보일러 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 저녹스 보일러가 가동되면서 노 내부에서 연료 연소가 시작되면(S310), 보일러 제어 시스템의 외기온도 센서 및 노 내압 센서를 통해 내외부 환경 정보를 측정하게 된다(S320). 센서를 통한 측정 결과에 따라서 보일러 제어 시스템의 제어부는 외기 온도 및 노 내압 값이 변화하거나 기준 범위를 이탈하였는지 여부를 판단한다(S330). 만약, 외기 온도 및 노 내압 값의 변화 또는 기준 범위 이탈이 판단되는 경우에는 댐퍼 및 송풍기를 포함하는 유량 조절 장치를 제어함으로써, 노 내부에 투입되는 연료량과 산소량의 혼합비를 유지시키거나 노 내압을 정상 범위로 재진입시켜 저녹스 보일러의 연소 효율을 높은 상태로 유지할 수 있다(S340).

아래에서는, 산업용 보일러에 적용되며, 본 발명의 제어부(330)를 통해 제어되는 친환경 예혼합 가스버너 시스템(10)에 대해서 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 친환경 예혼합 가스버너 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 가스버너 시스템(10)은 예혼합기(100) 및 가스버너(200)를 포함한다.

본 발명의 예혼합기(100)는 1차 예혼합관(110), 가스공급관(120), 스월형혼합기(130), 다공형타공판(140), 및 2차 예혼합관(150)을 포함할 수 있다. 본 발명의 가스버너(200)는 내부연소통(210), 외부연소통(220), 메탈매트(230)를 포함할 수 있다.

도 4에서는 1차 예혼합관 및 2차 예혼합관이 동시에 연결되는 실시예를 도시하였지만 앞서 설명한 예혼합기의 다양한 실시예가 적용될 수 있음은 물론이다.

[예혼합기]

도 5 및 도 6은 본 발명의 1차 예혼합관의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 예혼합기(100)는 1차 예혼합관(110), 가스공급관(120), 스월형혼합기(130), 다공형타공판(140)을 포함할 수 있다.

본 발명의 예혼합기(100)는 공기(air)와 연료(gas)를 흡입하여 균일하게 혼합한 후 혼합연료(air+gas)를 가스버너에 공급한다.

1차 예혼합관(110)은 공기유로 내에서 공기와 연료를 1차 혼합한다.

바람직한 실시예에서 1차 예혼합관(110)은 전단에 형성되어 공기를 흡입하는 공기흡입부(111), 전단에서 후단을 향해 길이방향으로 연장되며 공기가 흐를 수 있는 내부공간이 형성되는 공기유로(112) 및 후단에 형성되어 공기유로에서 1차 혼합된 1차혼합연료를 배출하는 1차배출부(113)를 포함할 수 있다.

가스공급관(120)은 1차 예혼합관의 일측에서 공기유로에 삽입되어 연료를 1차 예혼합관 내부에 공급한다.

바람직한 실시예에서 가스공급관(120)은 연료가 주입되는 연료공급부(121), 1차 예혼합관의 일측에서 내부공간으로 삽입되어 연료를 1차 예혼합관 내부에 공급하는 삽입관(122) 및 삽입관의 일측에서 공기흡입부를 향해 형성되어 흡입된 공기가 지나가는 방향의 역방향으로 연료를 방출하는 역방향분출구(123)를 포함할 수 있다.

공기유로 방향과 순방향으로 가스 연료를 분출하는 경우 가스분출구에서 발생하는 와류현상으로 인해 가스 연료의 분출압력이 낮은 상황에서 가스 연료의 분출량을 제어하기 어려운 문제가 있다. 이렇게 가스 연료 분출량을 제어하기 어렵게 되면 공기와 연료의 혼합비율 제어가 곤란해져 완전 연소가 어렵게 되고 당연히 불완전 연소로 인한 환경오염 물질 배출량이 증가하게 된다.

본 발명의 역방향분출구(123)는 공기가 유입되는 유로방향의 역방향으로 연료를 배출하여, 가스 연료의 배출압력이 낮은 상태에서도 연료 배출량을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다. 또한, 역방향분출구(123)는 공기와 연료의 이상적인 혼합비율을 제어함으로서 질소산화물 배출량을 감소시키는 효과가 있다.

스월형혼합기(130)는 공기유로 내부공간 중 가스공급관 및 1차배출부 사이에 형성되며, 복수의 날개(131)를 이용하여 공기와 연료를 회전시키는 방법으로 혼합한다. 복수의 날개(131)는 소정의 각도로 회전되어 있는데 회전의 각도에 따라 공기와 연료를 혼합시키는 효율이 달라지게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 날개(131)의 각도는 20~25도일 수 있으며, 이 각도에서 혼합연료의 차압손실을 최소한으로 유지할 수 있다.

스월형혼합기(130)는 도 5의 실시예와 도 6의 실시예가 있을 수 있다.

도 5의 스월형혼합기(130)는 공기가 지나가는 방향을 기준으로 소정의 각도를 갖도록 형성되어 공기와 연료가 서로 회전하며 유동혼합되도록 하는 복수의 날개(131) 및 날개에 형성되는 홀이며 공기와 연료의 일부가 날개의 면을 직접 통과하도록 하는 타공부(132)를 포함한다. 바람직한 실시예에서 날개(131)는 6개일 수 있고, 타공부(132)는 날개마다 1개씩 (직경 Φ로 형성될 수 있다.

도 6의 스월형혼합기(130)는 공기가 지나가는 방향을 기준으로 소정의 각도를 갖도록 형성되어 공기와 연료가 서로 회전하며 유동혼합되도록 하는 복수의 날개(131) 및 스월형 혼합기에 균일하게 분포하는 복수의 홀이며 공기와 연료의 일부가 스월형 혼합기의 면을 직접 통과하도록 하는 다공부(133)를 포함할 수 있다. 다공부(133)에 형성된 복수의 홀은 타공부(132)의 직경보다 작으며 공기와 연료가 더욱 미세하게 혼합될 수 있도록 한다.

다공형 타공판(140)은 공기유로 내부공간 중 가스공급관 및 1차배출부 사이에 형성되어 공기와 연료를 혼합한다.

바람직한 실시예에서 다공형 타공판(140)은 공기가 지나가는 방향을 기준으로 직각으로 배치되는 타공면(141), 타공면에 균일하게 분포하는 복수의 홀이며 공기와 연료가 홀을 통과하며 서로 혼합되도록 하는 다공부(142)를 포함할 수 있다.

한편, 개별적 실시예를 모두 도시하지 않았지만 도 5의 스월형혼합기(130), 도 3의 스월형혼합기(130), 및 도 6의 다공형 타공판(140)은 1차 예혼합관 내부에 서로 단독으로 배치되거나 복수의 조합으로 배치될 수 있다.

예를들어, 도 5의 실시예에 다공형 타공판(140)이 배치될 수 있고, 도 6의 실시예에 도 5의 스월형혼합기(130)가 추가될 수도 있다. 스월형혼합기(130), 다공형 타공판(140)이 중복되어 배치되면 공기와 연료의 혼합이 더욱 균일하게 제어될 수 있다.

도 7은 본 발명의 1차 예혼합관 및 2차 예혼합관의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명의 예혼합기(100)는 1차 예혼합관(110), 가스공급관(120), 스월형혼합기(130), 다공형타공판(140) 및 2차 예혼합관(150)을 포함할 수 있다. 중복을 피하기 위해 도 5 및 도 6과의 차이점에 대해서만 상세하게 설명한다.

2차 예혼합관(150)은 1차 예혼합관 후단에 연결되며 혼합유로 내에서 1차혼합연료를 2차 혼합한다. 2차 예혼합관(150)은 1차 예혼합관 및 가스버너 사이에 분리가능하게 연결되어 공기와 연료의 혼합율 조정 및 유지보수를 용이하게 한다. 2차예혼합관(150)은 1차예혼합관(110)과 분리가능하게 조립되므로 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 교체하기 용이하다. 따라서, 스월형 혼합기, 다공형 타공판을 용도와 목적에 맞게 교체하면서 공기와 연료의 혼합율을 용이하게 조절하고 유지보수를 원할하게 할 수 있는 효과가 있다.

바람직한 실시예에서 2차 예혼합관은 전단에 형성되어 1차혼합연료를 흡입하는 2차흡입부(151), 전단에서 후단을 향해 길이방향으로 연장되며 1차혼합연료가 흐를 수 있는 내부공간이 형성되는 혼합유로(152), 후단에 형성되어 혼합유로에서 2차 혼합된 2차혼합연료를 배출하는 2차배출부(153)를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서 2차 예혼합관(150)에는 2차흡입부 및 2차배출부 사이에 형성되는 스월형 혼합기(130) 및 스월형 혼합기 및 2차배출부 사이에 형성되는 다공형 타공판(140)이 배치될 수 있다.

다만, 도시하지 않았지만 1차 예혼합관(110)에도 도 5 및 도 6과 같이 스월형혼합기(130) 및 다공형 타공판(140)이 설치되어 공기와 연료의 혼합을 도울 수 있다.

[메탈화이버 가스버너]

도 8은 본 발명의 메탈화이버 가스버너의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 가스버너(200)는 예혼합기로부터 공기와 연료가 혼합된 혼합연료를 공급받아 메탈매트에서 연소시킨다.

본 발명의 가스버너(200)는 내부연소통(210), 외부연소통(220), 메탈매트(230)를 포함한다.

내부연소통(210)은 외부연소통의 내부에 배치되며, 측면에 형성된 홀을 통해 원주방향으로 혼합연료를 배출하는 동시에 말단을 통해 축방향으로 혼합연료를 배출한다.

외부연소통(220)은 내부연소통 보다 소정의 직경만큼 크고, 소정의 길이만큼 길게 형성되며, 측면에 형성된 홀을 통해 원주방향으로 혼합연료를 배출하는 동시에 말단을 통해 축방향으로 혼합연료를 배출한다.

메탈매트(230)는 메탈화이버(metal fiber)를 이용하여 형성된 매트(mat)로서 외부연소통 말단의 측면과 말단면을 감싸며 배치되고, 메탈화이버 사이에 형성된 공극에서 외부연소통으로부터 공급된 혼합연료를 연소시킨다. 본 발명은 메탈화이버로 구성된 메탈매트에서 혼합연료를 연소시킴으로서 저녹스를 달성하는 효과가 있다.

본 발명의 가스버너(200)는 내부연소통으로 유입된 혼합연료를 내부연소통과 외부연소통을 단계별로 지나 메탈매트에 도달하도록 하여 균일하게 연소되도록 함으로서, 안정적인 화염발생을 유지하여 화염날림(lift-off)현상을 저감하고, 완전연소로 인한 저탄소(10ppm 이하) 및 저녹스를 달성하는 효과가 있다. 이하 가스버너(200)의 보다 구체적인 실시예를 도 9 및 도 10을 이용하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 내부연소통 및 외부연소통의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 9에서 알 수 있듯이, 본 발명의 가스버너(200)는 내부연소통(210), 외부연소통(220), 메탈매트(230)를 포함한다.

내부연소통(210)은 제1직경(d)을 갖고 축방향으로 제1길이(l)만큼 연장되는 속이 빈 원통형 구조이며, 외부연소통의 내부에 소정의 이격공간을 두고 이격되어 배치된다.

내부연소통(210)은 일단에 형성되어 혼합연료를 흡입하는 혼합연료흡입부(211), 내부연소통의 외주면을 따라 분포된 복수의 홀이며, 원주방향으로 혼합연료를 배출하는 원주방향배출부(212), 내부연소통의 타단에 형성되어 축방향으로 혼합연료를 배출하는 축방향배출부(213)를 포함한다.

외부연소통(220)은 제1직경(d) 보다 큰 제2직경(D)을 갖고 축방향으로 제2길이(L)만큼 연장되는 속이 빈 원통형이며 말단이 개방된 구조이다.

외부연소통(220)은 내부연소통커버부(221) 및 메탈매트지지부(222)를 포함한다.

내부연소통커버부(221)는 외부연소통에서 메탈매트지지부를 제외한 나머지 외주면에 해당된다. 내부연소통커버부(221)의 내부에는 내주면으로부터 소정의 이격공간을 두고 내부연소통(210)이 배치된다.

메탈매트지지부(222)는 외부연소통의 말단으로부터 소정의 길이만큼의 외주면에 해당되고, 메탈매트의 내면에 밀착되어 메탈매트를 지지한다. 메탈매트지지부(222)는 혼합연료가 배출되는 복수의 홀이 형성되어 메탈매트에 혼합연료를 공급한다.

바람직한 실시예에서 제1직경(d) / 제2직경(D)의 비율은 0.4~0.9일 수 있다.

제2길이(L)는 제1길이(l) 보다 길게 형성되며, 제1길이(l)는 내부연소통커버부의 길이를 기준으로 소정의 길이만큼 짧거나 길게 형성된다.

메탈매트(230)는 메탈화이버(metal fiber)를 이용하여 형성된 매트(mat)로서 메탈화이버 사이에 형성된 공극에서 혼합연료를 연소시키며, 외부연소통의 말단면 및 말단면에 인접한 외주면을 감싸며 배치된다.

본 발명은 이와 같이 다중으로 연소통을 배치하여, 내부연소통으로 유입된 혼합연료가 원주방향 및 축방향으로 동시에 배출되도록 한다. 내부연소통에서 원주방향으로 배출된 혼합연료는 외부연소통의 내주면에 부딪친 후 외부연소통과 내부연소통 사이에 형성된 이격공간을 따라 축방향으로 이동한다. 혼합연료의 흐름과 화염의 발생방향을 도 10을 이용하여 더욱 설명한다.

도 10은 본 발명의 메탈화이버 가스버너 내부에서 혼합연료의 흐름을 나타내는 도면이다.

혼합연료흡입부(211)로 혼합연료가 흡입되고, 원주방향배출부(212) 및 축방향배출부(213)로 배출된다.

원주방향배출부(212)는 혼합연료흡입부로 유입된 혼합연료를 내부연소통의 원주방향으로 배출하여, 배출된 혼합연료가 내부연소통커버부의 내주면에 도달한 후, 외부연소통과 내부연소통 사이의 이격공간을 따라 축방향으로 이동하도록 한다.

축방향배출부(213)는 혼합연료흡입부로 유입된 혼합연료 중 원주방향배출부로 배출되지 않은 나머지 혼합연료가 축방향을 따라 메탈매트지지부의 내부공간으로 배출되도록 한다.

원주방향배출부(212) 및 축방향배출부(213)로 배출된 혼합연료는 매탈매트지지부(222) 외주면에 형성된 복수의 홀을 통해 메탈매트에 공급되어 연소된다. 이때 매탈매트(230)의 화염방향은 원주방향과 축방향으로 발생된다.

[실험결과]

도 11은 본 발명의 친환경 예혼합 가스버너 시스템을 직접 구현한 사진이다. 도 11에서 알 수 있듯이 본 발명의 연소실험을 위해 1차 예혼합관(110), 2차예혼합관(150), 가스버너(200)을 차례로 연결하여 예혼합기를 구현하였다. 가스압을 측정하기 위해 그림 상의 P1 내지 P4의 위치에 압력기를 설치하였다.

도 12는 본 발명의 스월형 혼합기 등을 직접 구현한 사진이다. 도 12의 (a)는 타공부가 형성된 스월형 혼합기, (b)는 다공형 타공판, (c)는 다공부가 형성된 스월형 혼합기를 나타낸다. 그 중 본 발명의 테스트를 위해 다공부가 형성된 스월형 혼합기를 2차예혼합관(150)에 삽입하여 테스트하였다. 날개의 각도는 25도, 다공부의 직경은 Φ으로 하였다.

도 13 및 도 14는 도 11 및 도 12를 이용하여 본 발명의 실시효과를 테스트한 결과데이터이다. 도 13 내지 도 14에서 알 수 있듯이, 부하가 증가함에 따라 일산화탄소가 0ppm에서 3ppm까지 변동되었다. 질소산화물은 5.1ppm에서 9.7ppm까지 증가하였다.

도 15 및 도 16은 종래기술에 따른 가스버너를 이용하여 테스트한 비교데이터이다. 도 15 및 도 16에서 알 수 있듯이, 부하가 증가함에 따라 일산화탄소가 48ppm에서 72ppm까지 변동되었다. 질소산화물은 28ppm에서 48ppm까지 증가하였다.

이와 같은 실험예에서 알 수 있듯이, 본 발명의 가스버너 시스템은 일산화탄소의 배출량이 종래기술에 비해 크게 감소되었다. 또한 질소산화물이 10ppm 이하로 크게 억제됨을 알 수 있었다.

2020년 1월 1일부터 시행된 대기오염물질 배출규제에 따르면 질소산화물 배출량을 40ppm 이하, 40톤 이상의 보일러의 경우 20ppm 이하로 조절해야 하는데, 본 발명에 따르면 이와 같은 기준을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물 10ppm 이하의 초저녹스를 달성할 수 있다.

도 17은 본 발명의 가스공급관의 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 중복 설명을 피하기 위해 앞서 설명한 1차 예혼합관(110)과의 차이점을 중심으로 설명한다.

도 17에서 알 수 있듯이, 1차 예혼합관(110)은 전단에 형성되어 공기를 흡입하는 공기흡입부(111), 전단에서 후단을 향해 길이방향으로 연장되며 공기가 흐를 수 있는 내부공간이 형성되는 공기유로(112) 및 후단에 형성되어 공기유로에서 1차 혼합된 1차혼합연료를 배출하는 1차배출부(113)를 포함할 수 있다.

가스공급관(120)은 연료공급부(121), 가스유입관(125), 및 벤츄리혼합관(126)을 포함한다.

연료공급부(121)는 1차 예혼합관(110)의 일측에서 내부로 연료를 공급한다.

가스유입관(125)은 1차 예혼합관(110)의 전단에서 후단으로 갈 수록 좁아지는 깔때기 형상이며, 공기흡입부(111)에서 흡입된 공기를 내부로 유입하여 후단으로 배출한다.

벤츄리혼합관(126)은 두 개의 깔때기를 서로 다른 방향으로 배치하여 연결된 구조이며, 양단으로 갈수록 직경이 넓어지고 중앙으로 갈수록 직경이 좁아지는 형태이다. 벤츄리혼합관(126)은 가스유입관(125)의 후단에 삽입되는데, 이때 벤츄리혼합관(126)의 외면과 가스유입관(125)의 내면에는 소정의 유격이 형성된다.

가스유입관(125)에 공기가 유입되어 벤츄리혼합관(126)의 내부로 유도되면, 벤츄리혼합관(126)의 외면과 가스유입관(125)의 내면에 형성된 소정의 유격에 음압이 발생되므로, 이 유격으로 연료공급부(121)에서 유입된 연료가 자연스럽게 흘러들어가게 된다.

이와 같은 원리에 따라, 벤츄리혼합관(126) 내부에 공기와 연료가 유입되어 서로 혼합된다.

바람직한 실시예에서 벤츄리혼합관(126)은 전단부(127), 후단부(128), 및 연결부(129)를 포함할 수 있다. 전단부(127)는 전단에서 후단으로 갈수록 좁아지는 깔때기 형상이다. 후단부(128)는 전단에서 후단으로 갈수록 넓어지는 깔대기 형상이다. 연결부(129)는 전단부(127)와 후단부(128)를 연결하며 속이 비고 길이 방향으로 연장되어 형성된 관이다.

벤츄리혼합관(126)의 전단부(127)가 소정의 유격을 두고 가스유입관(125)의 후단에 삽입되어 배치되면, 전단부(127)와 가스유입관(125) 사이에 형성된 유격을 통해 연료가 유입되어 전단부(127) 내부로 유입된다. 유입된 연료와 공기는 연결부(129)와 후단부(128)를 차례로 지나면서 혼합된다. 후단부(128)는 후단으로 갈수록 직격이 넓어지므로 연결부(129)를 지나는 공기와 연료가 확산 혼합된다.

도 18은 본 발명의 내부연소통의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 18의 실시예는 내부연소통에 유입된 혼합연료를 균일하게 외부연소통 및 메탈매트로 유도시켜 균일하고 안정적인 화염발생을 유지하기 위한 구조이다.

도 18에서 알 수 있듯이, 내부연소통(210)은 다양한 실시예가 있을 수 있다. 내부연소통(210)은 외주면을 따라 분포된 복수의 홀이며, 원주방향으로 혼합연료를 배출하는 원주방향배출부를 포함한다.

도 18의 (a)는 원통형의 원주방향배출부의 외주면에 형성된 홀이 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 작아지는 실시예를 나타낸다.

도 18의 (b)는 내부연소통(210) 자체의 직경이 상단에서 하단으로 갈수록 작아지는 실시예를 나타낸다.

도 18의 (c)는 내부연소통 내부에 확산부(214)가 삽입되는 실시예를 나타낸다. 확산부(214)는 내부연소통(210)으로 유입된 혼합연료를 균일하게 외부연소통 및 메탈매트로 유도시켜 균일하고 안정적인 화염발생이 유지되도록 한다.

확산부(214)는 중심축(215), 제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)을 포함한다. 중심축(215)은 길이 방향으로 연장되며 속이 채워진 기둥이다.

제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)의 중심은 중심축(215)에 고정된다. 제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)은 중심축(215)을 따라 서로 소정의 간격으로 이격되어 배치된다. 제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)은 원형판이며, 원형판에는 소정의 홀이 복수개 관통되어 형성된다.

제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)은 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 것으로 도시되어 있으나, 이와 반대일 수도 있고, 동일한 직경을 갖을 수도 있다.

혼합연료는 제1확산판(216), 제2확산판(217), 제3확산판(218)의 원형판에 도달하여 일부는 흩어지고, 일부는 소정의 홀을 통해 지나가며 균일하게 배출된다.

한편 도시하지 않았지만, 도 18의 (b)의 경우에도 도 15의 (a)와 같이 원주방향배출부의 외주면에 형성된 홀이 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 작아질 수도 있다. 이와 같이 도 18에 도시된 실시예 3가지는 서로 결합될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10 가스버너 시스템
100 예혼합기 110 1차 예혼합관
111 공기흡입부 112 공기유로
113 1차 배출부 120 가스공급관
121 연료공급부 122 삽입관
123 역방향분출구 130 스월형 혼합기
131 날개 132 타공부
133 다공부 140 다공형 타공판
141 타공면 142 다공부
150 2차 예혼합관 151 2차 흡입부
152 혼합유로 153 2차 배출부
200 가스버너
210 내부연소통 211 혼합연료흡입부
212 원주방향배출부 213 축방향배출부
214 확산부 215 중심축
216 제1확산판 217 제2확산판
218 제3확산판
220 외부연소통 221 내부연소통커버부
222 메탈니트 지지부
230 메탈매트
300 질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템
310 센서 311 외기온도 센서
312 노 내압 센서
320 유량 조절 장치 321 연료 댐퍼
322 공기 댐퍼 323 재순환 댐퍼
325 인버터 326 송풍기
330 제어부
340 모니터

Claims (6)

1. 저녹스 보일러의 연소 효율을 향상시키기 위한 것으로서,
   상기 저녹스 보일러 주위의 대기 온도를 측정하는 외기온도 센서;
   상기 저녹스 보일러의 노 내압을 측정하는 노 내압 센서;
   상기 저녹스 보일러에 공급되는 연료량 및 산소량을 조절하기 위한 유량 조절 장치; 및
   상기 유량 조절 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 외기온도 센서 및 노 내압 센서가 측정한 값에 기초하여 상기 유량 조절 장치의 동작을 제어함으로써, 상기 노 내부로 투입되는 연료 및 산소의 혼합비를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유량 조절 장치는,
   상기 저녹스 보일러에 공급되는 연료량을 조절하기 위한 연료 댐퍼를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 측정한 노 내압 값이 기준 범위를 벗어남에 따라 변화되는 연료 공급량을 보정하기 위해 상기 연료 댐퍼의 동작을 제어함으로써, 상기 저녹스 보일러에 요구되는 연료량을 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 유량 조절 장치는,
   상기 저녹스 보일러에 공급되는 산소량을 조절하기 위한 송풍기를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 측정한 대기 온도 값에 따라 변화되는 산소 공급량을 보정하기 위해 상기 송풍기의 동작을 제어함으로써, 상기 저녹스 보일러에 요구되는 산소량을 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 저녹스 보일러에 구비되어 상기 송풍기에 전원을 공급하는 인버터의 출력 주파수 제어를 통해 상기 송풍기의 동작 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 측정한 대기 온도 값의 변화량에 비례하도록 상기 인버터의 출력 주파수를 변화시켜 상기 송풍기의 동작 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 유량 조절 장치는,
   상기 저녹스 보일러에 공급되는 산소량을 조절하기 위한 공기 댐퍼; 및
   상기 저녹스 보일러에서 재순환되는 배기 가스량을 조절하기 위한 재순환 댐퍼 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   질소산화물 저감을 위한 보일러 제어 시스템.
   

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