KR20040007318A - 저산화질소 연소방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배출 NOx값이 10ppm을 밑도는 저NOx화와 저CO화를 동시에 실현할 수 있는 저산화질소(NOx) 연소방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명은 버너에서 발생되는 연소 가스의 온도를 제어함으로써 저NOx 및 저CO를 실현하는 저NOx 및 저CO 연소방법으로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하여 연소 가스 온도를 억제하고 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하고, 그 후 이 저COx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시한다.

Description

저산화질소 연소방법과 그 장치{Combustion method and apparatus for reduction NOx}

본 발명은 수관 보일러나 흡수식 냉동기의 재열기 등에 적용되는 저산화질소(NOx) 연소방법과 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 산화질소(NOx) 발생의 억제원리로서, ①불꽃(연소 가스)온도의 억제,②고온 연소 가스의 체류시간 단축, ③산소 분압을 낮게 하는 것 등이 알려져 있다. 그리고 이들 원리를 응용한 여러가지 저NOx화 기술이 있다. 예를 들면, 2단 연소법, 농염 연소법, 배기가스 재순환 연소법, 물첨가 연소법, 증기분사연소법, 수관 군 등에 의한 불꽃 냉각 연소법 등이 제안되어 실용화되고 있다.

그런데, 수관 보일러 등의 비교적 용량이 작은 NOx 발생원에 대해서도 시대에 따라 배기 가스 규제가 엄격해지게 되어, 더 한층 저NOx화가 요망되게 되었다.출원인은 이들 요청에 대한 저NOx화 기술을 미국 특허 제6029614호 명세서 등에서 제안한 바 있다.

그러나 이들 선행 기술에 따른 NOx 저감은 현실적으로는 25ppm 정도에 지나지 않으며, 10ppm을 밑도는 저NOx화 기술은 아직 실용화되지 못했다. 이하, 생성 NOx값을 10ppm 이하로 하는 저NOx화를 초저(超低)NOx화라고 한다.

그 원인은 저NOx화와 저CO화가 상반되는 기술적 과제인 것에 있다. 즉, 저NOx를 추진하기 위해 연소 가스 온도를 급격히 저하시켜 900℃ 이하의 낮은 온도로 억제하면, CO가 다량 발생함과 동시에 발생된 CO가 산화되지 않은 채 배출되어 CO의 배출량이 증대되게 된다. 역으로 CO의 배출량을 적게 하기 위해 연소 가스 온도를 높게 억제하면, NOx 생성량의 억제가 불충분해진다.

상기 선행기술에서 제안한 저NOx화 기술도 저NOx화에 따라 발생되는 CO량을 가능한 적게 하도록, 또 발생된 CO가 산화되도록 연소 가스 온도를 억제하는 것이다. 그 결과, 상기 선행기술은 저NOx화를 위한 수단의 선택이 한정되며, 또한 연소 가스 온도의 억제가 불충분하여 상기 초저NOx화를 실현할 수 없었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CO의 발생을 고려하지 않고 저NOx화를 추진할 수 있고, 배출 NOx값이 10ppm을 밑도는 저NOx화를 용이하게 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 저CO화를 함께 실현할 수 있는 저NOx 연소방법과 그 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 적용한 증기 보일러를 설명하기 위한 종단면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 횡단면도.

도 4는 도 1에 나타낸 증기 보일러의 고연소시의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성 곡선을 나타내는 도면.

도 5는 도 1에 나타낸 증기 보일러의 저연소시의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성 곡선을 나타내는 도면.

도 6은 도 1에 나타낸 증기 보일러의 요부 제어회로도.

도 7은 도 1에 나타낸 증기 보일러의 CO산화 촉매체의 요부 구성을 나타내는 정면도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 4 억제수단을 구비한 증기 보일러를 설명하기 위한 종단면도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 4 억제수단을 구비한 증기 보일러를 나타낸 종단면도.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기비 제어수단을 구비한 증기 보일러의 종단면도.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기비 제어수단의 요부 제어회로도.

도 12는 본 발명의 다른 실시예의 도 2에 해당하는 단면설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 버너2 : 전열관 3 : 관체

4 : 송풍기7 : 배기 가스 통로8 : 배기가스 재순환통로

9 : 증기 첨가관27 : 산화 촉매체31 : 전열관 제거공간

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 청구항 1에 따른 발명은 버너에서 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법으로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하고, 그 후 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 2에 따른 발명은 버너에서 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법으로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 10ppm(배기 가스 0% O₂환산값)이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하며, 그 후 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 3에 따른 발명은 버너에서 발생된 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법으로서, NOx 발생의 억제를 배출하여 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스를 억제하여 NOx을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하며, 그 후에 상기 저NOx화 단계에서 얻은 배출 CO값을 소정값 이하로 저NOx화 단계를 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 4에 따른 발명은 제 1 항∼제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저NOx화 단계를 NOx 저감 목표값과 상기 저NOx화 단계의 공기비 대 NOx 특성을 통해 구할 수 있는 공기비로 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 5에 따른 발명은 제 1 항∼제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저CO화 단계를 CO 산화 촉매체에 의해 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 6에 따른 발명은 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 7에 따른 발명은 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스온도를 억제하고, NOx값을 10ppm(배기 가스 0% O2환산값) 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 8에 따른 발명은 버너에서 발생된 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, NOx 발생의 억제를 배출하여 CO값의 저감에 우선하도록, 연소 가스 온도를 억제하여 NOx을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 9에 따른 발명은 제 6 항∼제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, NOx 저감목표값과 상기 저NOx화 수단의 공기비 대 NOx특성을 통해 구할 수 있는 공기비로저NOx화를 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 10에 따른 발명은 제 6 항∼제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저CO화 수단을 CO산화 촉매체로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 11에 따른 발명은 제 6 항∼제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저NOx화 수단이 전열관 제거에 의해 형성되는 단열 공간을 갖는 전열관군으로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 청구항 12에 따른 발명은 제 6 항∼제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저NOx화 수단이 전열관 제거에 의해 형성되는 단열공간을 포함하지 않는 전열관군으로 이루어지는 것을 특징을 하고 있다.

이하, 실시 형태를 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용하는 용어에 대해 설명한다. 연소 가스는 연소 반응중(연소과정)인 연소 가스와 연소 반응이 완결된 연소 가스를 포함한다. 그리고 연소 반응중 가스는 연소 반응중인 연소 가스를 의미하며, 연소 완결 가스는 연소 반응이 완결된 연소 가스를 의미한다. 또한 연소 반응중 가스는 물질개념이지만, 일반적으로는 육안으로 확인 가능한 불꽃을 포함하며 불꽃 상태이므로 상태개념으로서 불꽃이라 칭할 수도 있다. 따라서 본 명세서에서는 연소 반응중 가스를 불꽃 또는 연소 불꽃이라 칭할 경우도 있다. 또한 배기 가스란 전열관 등에 의한 흡열 작용을 받아 온도가 저하된 연소 완결 가스를 말한다.

또한 연소 가스 온도는 특별히 언급하지 않는 한, 연소 반응중 가스의 온도를 의미하며, 연소 온도 혹은 연소 불꽃 온도와 같은 의미이다. 또한 연소 가스온도의 억제란 연소 가스(연소 불꽃) 온도의 최고값을 낮게 억제하는 것을 의미한다. 또한 통상, 연소 반응은 연소 완결 가스중에서도 초미량이지만 계속 이루어지고 있으므로 연소 완결이란 연소 반응의 100%완결을 의미하는 것은 아니다.

또한 공기비는 실제 연소 공기량/이론 연소 공기량이지만, 배기 가스 O₂(%)(배기 가스중의 산소 농도)와 소정의 관계로 대응하고 있으므로 배기 가스 O₂(%)로 표시한다. 또한 NOx값은 배기 가스 0% O₂환산값을 나타내며, CO값은 환산값이 아닌 판독값을 나타낸다.

이어, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 본 발명은 소형 관류 보일러 등의 수관 보일러, 급탕기, 흡수식 냉동기의 재열기 등과 같은 열기기(연소 기기라 칭하여도 좋다)에 적용된다. 이 열기기는 버너와 이 버너에서 발생되는 연소 가스에 의해 가열되는 흡열체군을 갖는다.

본 발명에 따른 방법의 실시형태는 버너에서 분출되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법으로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 생성 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시한 후, 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시하는 저NOx 연소방법이다. 이 저NOx 및 저CO 연소방법은 NOx가 한번 생성되면, 그 후에는 대부분 삭감하지 않는 것에 비해 CO가 생성후에 용이하게 저감될 수 있다는 특성에 주목한 것으로서, 먼저 생성 NOx값이 저감 목표 NOx값이 되도록 저NOx화 단계를 우선적으로 실행하고, 그 후에 저CO화단계를 실행한다는 유용한 신규 연소방법이며, 저NOx화 및 저CO화 방법이다.

먼저, 상기 저NOx화 단계에 있어서, 저NOx화 수단에 의해 연소 가스 온도를 억제하고 생성 NOx값을 소정값 이하로 저감시킨다. 상기 소정값은 종래 달성되었던 NOx값 이하이며, 바람직하게는 10ppm이하이다. 이 저NOx화에 있어서는 배출 CO값의 저감, 즉, CO의 생성 억제와 CO의 산화 촉진에 우선하여 저NOx화를 진행한다. 여기에서 우선이란, 연소의 계속을 조건으로 하여 가급적 연소 가스 온도를 억제하고, 먼저 NOx 저감화를 저CO화에 우선하여 실시하고, NOx 저감화 뒤에 CO의 저감화를 실시하 것을 의미하며, 또 상반되는 기술적 과제인 저NOx화와 저CO화 중 저CO화를 희생 혹은 무시하고 저NOx화를 진행하는 것을 의미한다.

상기 저NOx화 단계를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 상기 저NOx화 단계는 상기 버너의 공기비 증가에 따라 생성된 NOx값이 감소하는 공기비 대 NOx특성과 상기 공기비의 증가에 따라 배출 CO값이 증가하는 공기비 대 CO특성을 가지고 있다. 상기 저NOx화 단계에서는 동일한 단계가 갖는 공기비 대 NOx특성에서 NOx값이 저감 목표 NOx값 이하가 되는 공기비를 구해, 이 공기비로 상기 버너를 연소시켜 저NOx화를 실시한다. 이 공기비를 구할 때에는 상기 저NOx화 단계가 갖는 공기비 대 CO특성은 고려하지 않는다.

이어, 상기 저CO화 단계에 있어서, 상기 저NOx화 단계에서 생성되며 배출되는 CO값을 상기 저CO화 수단에 의해 소정값 이하로 만든다. 상기 배출 CO의 소정값은 50ppm이며, 바람직하게는 20∼30ppm이다.

이렇게 함으로써, 배출 NOx값 10ppm 이하의 저NOx화와 배출 CO값 50ppm 이하의 저CO화를 모두 실현할 수 있다.

이어, 상기 저NOx화 단계 및 상기 저CO화 단계의 구성을 설명한다.

상기 저NOx화 단계는 여러 가지 형태를 포함한다. 바람직한 형태는 완전 예혼합(豫混合)식의 버너를 고공기비(高空氣比)로 연소시킴으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단(이하, '제 1 억제수단'이라 한다)과, 흡열체군에 의해 연소 가스 온도를 억제하는 수단(이하, '제 2 억제수단'이라 한다)과, 연소 완결 가스를 연소 반응 영역으로 재순환시킴으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단(이하, '제 3 억제수단'이라 한다)과, 상기 연소 반응 영역으로 물 또는 증기를 첨가(이하, '물/증기 첨가'라 한다)함으로써 연소 가스 온도를 억제하는수단(이하, '제 4 억제수단'이라 한다)을 조합한 저NOx화 수단에 의해 실시하는 단계라 한다. 상기 연소 반응 영역이란 연소 반응중 가스가 존재하는 영역이다.

상기 제 1 억제수단은 다음과 같은 원리에 기초한다. 상기 버너를 고공기비로 연소시키면 연소 가스 온도가 억제되어 NOx값이 저감된다. 여기에서의 고공기비란 배기 가스중에 포함되는 O₂(%) : 5 이상이며, 바람직하게는 5.5 이상이다. 이 억제작용은 상기 버너에 의해 형성되는 연소 반응 영역 전체에 걸쳐 거의 균일하게 작용한다.

상기 제 2 억제수단은 다음과 같은 원리에 기초한다. 상기 버너로부터 발생되는 연소 반응중 가스 중, 즉 상기 연소 반응 영역에 흡열체를 다수 배치하여 구성한 흡열체군의 냉각작용에 의해 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 저감시킨다.이 제 2 억제수단은 상기 흡열체군을 배치하여 연소 반응중 가스를 냉각하므로 불균일 냉각이다. 그리고 상기 연소 반응 영역의 흡열체간의 틈새에는 연소가 활발하게 이루어지고 있는 부위도 있다. 특히, 상기 흡열체의 후류에서는 와류가 형성되어 연소 불꽃은 전열관에 의해 보호된다. 상기 흡열체는 수관 등의 전열관으로 구성되는데, 이에 한정되는 것은 아니다.

연소 반응중 가스의 흐름에 대해 어떻게 상기 흡열체군을 배치할 지에 대한 배치 구성으로서, 다음과 같은 2가지 형태를 포함한다. 그 하나는 상기 버너에서 배기 가스 출구까지 거의 직선형태로 연소 가스가 유통되는 연소 가스 통로를 형성하고, 상기 버너로부터 발생되는 연소 반응중 가스와 교차하도록 상기 흡열체군을 서로 연소 가스의 유통을 허용하는 틈새를 두고 배치하는 구성이다. 다른 하나는 흡열체군을 서로 연소 가스의 유통을 허용하는 틈새를 두고 환형으로 배열하고, 상기 버너로부터의 연소 가스를 상기 환형 흡열체군의 내측으로부터 상기 흡열체군을 향해 방사방향으로 유통시키도록 구성하여, 상기 버너로부터 발생되는 연소 반응중 가스속에 상기 흡열체군에 배치하는 구성이다. 후자의 구성은 상기 미국특허 제6029614호 명세서에 개시된 것과 동일하다.

상기 제 3 억제수단은 소위 배기 가스 재순환 연소법이라 칭해지는 것으로, 상기 흡열체군에 의한 흡열작용을 받아 온도가 저하된 후, 대기로 방출되는 배기 가스의 일부가 배기 가스 재순환 통로를 통해 연소용 공기에 혼입된다. 혼입된 배기 가스의 냉각효과에 의해 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 저감시킨다. 이 제 3 억제수단은 연소 가스의 균일 냉각이다.

상기 제 4 억제수단은 상기 연소 반응 영역에 물/증기를 첨가하는 것이다. 이 물/증기의 첨가에 의해 연소 반응중 가스가 냉각되어 연소 가스 온도가 억제되어 NOx값이 저감된다. 이 제 4 억제수단도 연소 가스의 균일 냉각이다. 상기 물/증기의 첨가는 실시에 따라 상기 배기 가스 순환통로에서 실시할 수 있다. 게다가 상기 버너를 완전 예혼합식 버너로 하고, 송풍기에 의해 연소용 공기와 연료 가스와의 혼합기를 상기 버너로 보내는 실시 형태에서는 상기 버너와 상기 송풍기와의 사이에서 증기 첨가를 실시할 수 있다. 또한 물 첨가는 물을 안개 형태로 해서 첨가한다.

상기 제 1 억제수단∼상기 제 4 억제수단의 조합에 따른 효과는 다음과 같다. 개개의 억제수단의 기능을 단독으로 강화시키면 각 억제수단이 갖는 결점이 문제화되게 되는데, 4개의 억제 수단을 조합함으로써 이들 결점을 문제화하는 일 없이 비교적 간단하게 초저NOx를 실현할 수 있다. 특히, 후술하는 상기 제 4 억제수단에 따른 불안정 특성을 완화시켜 안정된 저NOx화를 실현할 수 있다.

또한 상기 제 1 억제수단(예비 혼합 고(高)공기비 연소)의 기능강화는 공기비를 증가시키는 것이다. 이 기능강화로 인해 연소 반응의 정지 및 상기 연소 버너의 불안정 연소가 발생한다. 또한 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)의 기능강화는 상기 전열관을 상기 버너와 접촉하여 형성하거나, 흡열체군의 전열면 밀도를 증가시키는 것이다. 이 기능강화로 인해 압력 손실이 증대되거나, 진동 연소 등의 불안정 연소가 발생된다.

또한 상기 제 3 억제수단(배기 가스 재순환)의 기능강화는 배기가스 재순환량을 증가시키는 것이다. 이 기능강화로 인해 상기 제 3 억제수단이 갖는 불안정 특성을 증폭시킨다. 즉, 배기 가스 재순환은 연소량의 변화나 부하의 변화로 인해 배기 가스 유량이나 온도가 변화되는 특성을 가지고 있다. 배기 가스 재순환량을 증대시키면 이들 불안정 특성이 증폭되므로, 그 결과 안정된 저NOx화를 실현할 수 없다. 또한 상기 제 3 억제수단의 기능강화로 인해 연소 반응이 억제되어, CO 및 미연분(未燃分)의 배출 증가를 초래하고 열손실의 증대를 초래한다. 또한 배기가스 재순환량을 증대시키면 송풍기 부하가 증가된다.

또한 상기 제 4 억제수단(물/증기 첨가)의 기능강화는 부가할 수분량을 증가시키는 것이다. 이 기능강화로 인해 열손실이 증대되며 결로량(結露量)이 증가되고, 특히 상기 흡열체로 공급할 물을 배기 가스에 의해 예열하는 급수 예열기를 갖는 보일러에서는 상기 급수 예열기의 결로로 인한 부식이 문제가 된다.

상기 실시 형태에 따르면, 상기 제 1 억제수단∼제 4 억제수단을 조합하였으므로 상기 각 억제수단의 기능을 단독으로 강화시킴으로 인해 발생되는 문제점의 표면화를 방지할 수 있다.

또한 상기 실시 형태에서는 바람직하게는 상기 공기비를 소정의 고공기비로 제어하는 공기비 제어수단을 부가한다. 보다 구체적으로는 배기 가스중의 산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출수단을 마련하며, 이 산소농도 검출수단에 의한 검출 산소 농도가 상기 소정의 고공기비에 대응하는 설정값이 되도록, 상기 버너로 연소용 공기를 송풍하는 송풍기의 회전수를 제어한다. 상기 소정의 고공기비는 다음과 같이 하여 결정된다. NOx 저감 목표값을 10ppm이라 하면, 상기 저NOx화 단계의 공기비 대 NOx 특성에서 상기 목표값에 대응하는 공기비를 구하고, 이렇게 구한 공기비 또는 이 공기비 이상의 값을 소정의 고공기비라 한다. 결국, 소정의 고공기비는 NOx 저감 목표값에 대응한다.

여기서, 상기 실시 형태는 다음과 같은 변형예를 포함한다. 먼저, 상기 저NOx화 단계를 실현하는 저NOx화 수단은 다음과 같은 5가지 변형예를 포함한다. ① 상기 제 1 억제수단(예비 혼합 고공기비 연소)를 제외하고, 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)과 상기 제 3 억제수단(배기 가스 재순환)과 상기 제 4 억제수단(물/증기 첨가)의 3가지 억제수단을 조합한 형태. ② 상기 제 1 억제수단(예비 혼합 고공기비 연소)과 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)과 상기 제 3 억제수단(배기 가스 재순환)의 3가지 억제수단을 조합한 형태. ③ 상기 제 1 억제수단(예비 혼합 고공기비 연소)와 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)과 상기 제 4 억제수단(물/증기 첨가)의 3가지 억제수단을 조합한 형태. ④ 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)과 상기 제 3 억제수단(배기 가스 재순환)의 2가지 억제수단을 조합한 형태. ⑤ 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)과 상기 제 4 억제수단(물/증기 첨가)의 2가지 억제수단을 조합한 형태.

이들 모든 변형예는 상기 제 2 억제수단(흡열체군 냉각)을 포함하고 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 왜냐하면, 저NOx화를 CO값의 저감에 우선하여 실시하며 그 후에 저CO화를 실시하는 것으로, 바람직한 저NOx화 수단이 있다고 하더라도 저NOx화 수단을 특정의 것으로 한정하는 것은 아니다. 이 실시 형태의 상기 저NOx화 수단은 NOx 저감 목표를 달성하기 위해 저NOx화를 진행하면, 배출 CO값이 CO저감 목표값을 초과해 버리는 것을 대상으로 하고 있다. 또한, 상기 저NOx화 수단에 사용되는 버너의 종류 및 형식에 대해서도 특정의 것으로 한정하는 것은 아니다.

또한, 상기 공기비 제어수단은 다음과 같은 변형예를 포함한다. 상기 공기비 제어수단은 상기 송풍기의 회전수를 제어하는 구성인데, 이를 대신에 상기 송풍기의 하류 또는 상류에 형성한 댐퍼, 밸브 등의 연소용 공기의 유량조정수단의 개도(開度)를 제어함으로써 공기비를 일정하게 제어하도록 구성할 수 있다. 또한, 실시에 따라서는 상기 산소농도 검출수단 대신에 외기 온도를 검출하는 외기온도 검출수단을 마련하며, 이 외기온도 검출수단에 의해 상기 송풍기 또는 상기 유량조정수단을 제어하여 공기비를 일정하게 제어하도록 구성할 수 있다.

이어, 상기 저CO화 단계의 구성에 대해 설명한다. 이 저CO화 단계는 상기 저NOx화 단계에서 발생하여 배출된 CO값을 저CO화 수단에 의해 소정값 이하로 만드는 단계이다.

상기 저CO화 단계는 바람직하게는 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 실시한다. CO는 연소 가스 온도가 900℃∼1,400℃인 범위에서, 또한 필요한 체류시간을 부여하면, CO₂로 산화되는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 온도를 유지하려면, 저NOx화를 우선적으로 실시하는 것에 대한 제한이 된다. 그러나 저CO화를 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 실시함으로써 이 제한으로부터 벗어날 수 있다. 또한 상기 저CO화 수단을 선정할 때, 내열성의 조건이 완화되어 선정이 용이해진다.

상기 저CO화 수단으로서는 CO를 CO₂로 산화시키는 CO산화수단을 사용하며, 바람직하게는 CO산화 촉매체를 이용한다. 이 CO산화 촉매체는 CO의 산화뿐만 아니라 미연분을 산화시킨다. 상기 CO산화 촉매체는 보일러 등의 열기기에 용이하게 부착되는 특성, 유지보수성, 비용의 관점에 볼 때 바람직한 수단이다.

상기 CO산화 촉매체는 100℃∼1,000℃에서 산화 촉매 작용을 하는 것이 선택된다. 하한의 100℃는 상기 CO산화 촉매체의 활성화 온도, 즉 유효한 산화 촉매 작용을 발휘하는 온도이며, 상한의 1,000℃는 상기 CO산화 촉매체의 내열성에 의해 결정되는 온도이다. 결국, 상기 CO산화 촉매체는 상기 버너로부터 발생된 연소 가스가 유통하는 통로에서 연소 가스 온도가 저NOx화를 우선하는 점 때문에 900℃ 이하이고, 상기 CO산화 촉매체의 활성화 온도 때문에 100℃이상인 영역에 배치된다. 구체적인 상기 CO 산화 촉매체의 배치위치는 열기기의 통체 구조 등을 고려하여 결정된다.

상기 CO산화 촉매체는 통기성을 갖는 기재에 산화 촉매를 도포한 구성으로 한다. 상기 기재로서는 스테인레스 등의 금속, 세라믹이 사용되며, 배기 가스와의 접촉면적을 넓게 하는 표면 처리가 실시된다. 산화 촉매로서는 일반적으로 백금이 사용되는데, 실시에 따라 백금족의 귀금속 또는 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 등의 금속 산화물을 사용할 수 있다.

이어, 본 발명의 저NOx 연소장치에 관한 실시 형태에 대해 설명한다. 본 발명은 상기 방법의 실시 형태에 대응하는 다음과 같은 장치의 실시 형태(1)∼(6)을포함한다.

실시 형태(1) : 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저 NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(2) : 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저 NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, 연소 가스 온도의 억제에 의해 연소 완결 가스중의 NOx값을 10ppm 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(3) : 완전 예비 혼합식의 버너를 고공기비로 연소시킴으로 인해 연소 가스 온도를 억제하는 수단과, 흡열체군에 의해 연소 가스 온도를 억제하는 수단과, 연소 완결 가스를 연소 가스의 연소 반응 영역으로 재순환시킴으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단과, 상기 연소반응영역으로 물 또는 증기를 첨가함으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단을 조합하여 실시하는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터 배출 CO를 산화시켜 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(4) : 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제하여 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(5) : 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제하여 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, 공기비 대 NOx 특성이 상기 버너의 공기비의 증가에 따라 생성 NOx값이 감소하는 것이며, 공기비 대 CO특성이 상기 공기비의 증가에 따라 배출 CO값이 증가하는 것인 저NOx화 수단과, 상기 저NOx화 수단으로부터 배출되는 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하고, NOx 저감 목표값과 상기 공기비 대 NOx 특성을 통해 구할 수 있는 공기비로 상기 버너를 연소시킴으로써 저NOx화를 실시하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(6) : 상기 실시형태(1)∼(5) 중 어느 한 항에 있어서, 저CO화 수단이 CO산화 촉매체인 저NOx 연소장치.

또한 상기 장치에 관한 실시 형태는 다음과 같은 실시 형태(7)∼(9)를 포함한다.

실시 형태(7) : 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치로서, 공기비 대 NOx 특성은 상기 버너의 공기비의 증가에 따라 생성 NOx값이 감소하는 것이고, 공기비 대 CO특성은 상기 공기비의 증가에 따라 배출 CO값이 증가하는 것인 저NOx화 수단과, 상기 버너의 공기비를 소정의 고공기비로 제어하는 공기비 제어수단과, 상기 저NOx화 수단으로부터 배출되는 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비한 저NOx화 수단을 구비한 저NOx 연소장치.

실시 형태(8) : 상기 실시 형태(7)에 있어서, 상기 소정의 공기비를 NOx 저감 목표값과 상기 공기비 대 NOx 특성을 통해 구할 수 있는 저NOx 연소장치.

실시 형태(9) :상기 실시형태(7)∼(8) 중 어느 한 항에 있어서, 저CO화 수단이 CO산화 촉매체인 것을 특징으로 하는 저NOx 및 저CO 연소장치.

상기 실시 형태(3)에서는 상기 저NOx화 수단을 상기 제 1 억제수단∼제 4 억제수단의 조합에 의해 실현시키도록 구성하고 있는데, 실시에 따라서는 상기 저NOx화 수단을 이 조합 이외의 상기 방법의 실시 형태에서 설명한 5가지 변형예로 할 수도 있다. 상기 공기비 제어수단은 상기 방법의 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이다.

상기 실시 형태 (1)∼(9)에 따르면, 저NOx와 저CO를 양쪽 모두 실현할 수 있으며, 실시 형태(7)∼(8)에 따르면, 외기 온도가 변동되더라도 공기비의 일정한 제어에 의해 안정된 저NOx화를 실현할 수 있다.

또한 상기 실시 형태에서, 상기 저NOx화 단계에 저CO화 수단에 의한 저CO화를 포함시켜, 상기 저NOx화 수단에 저CO화 수단을 포함시킬 수 있다. 이 저CO화 수단은 흡열체군 중에 형성한 CO산화를 위한 흡열체 제거공간(즉, CO 산화공간)이다. 상기와 같이 CO는 연소 가스 온도가 900℃∼1,400℃인 온도범위에서, 또한 필요한 체류 시간을 부여하면 CO₂로 산화된다. 상기 공간은 이 원리를 응용하는 것으로 흡열체를 복수개 제거하여 형성되며, 연소 가스 온도가 어느 한 연소조건에서 상기 온도 범위가 되도록 구성한 공간이다.

[실시예]

이하, 본 발명의 저NOx 연소방법과 그 장치를 수관 보일러의 일종인 관류식 증기 보일러에 적용한 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예를 적용한 증기 보일러의 종단면 설명도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ에 따른 횡단면도, 도 4 및 도 5는 각각 도 1에 나타낸 실시예에서의 고연소시, 저연소시의 공기비 대 NOx 특성 및 공기비 대 CO특성을 나타낸 도면, 도 6은 도 1에 나타낸 실시에의 요부 제어 회로도, 도 7은 도 1에 나타낸 실시에의 CO산화 촉매체를 배기 가스의 흐름 방향에서 본 요부 구성을 나타낸 도면이다.

먼저 이 실시예에 따른 보일러의 전체 구성을 설명하며, 이어 특징 부분의 구성에 대해 설명한다. 특징 부분이란 완전 예비 혼합식의 버너를 고공기비로 연소시킴으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단(제 1 억제수단), 다수의 전열관에 의해 연소 가스 온도를 억제하는 수단(제 2 억제수단), 연소 완결 가스를 연소반응영역으로 재순환시킴으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단(제 3 억제수단) 및 상기 연소반응영역으로 증기를 첨가함으로써 연소 가스 온도를 억제하는 수단(제 4 억제수단)을 조합하여 실시하는 저NOx화 수단과, 상기 버너의 공기비를 소정의 고공기비로 유지하기 위해 제어하는 공기비 제어수단과, 상기 저NOx화 수단으로부터 배출되는 CO를 산화시켜 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단이다.

상기 증기 보일러의 전체구성에 대해 설명하면 다음과 같다. 이 증기 보일러는 고연소와 저연소를 전환하면서 운전할 수 있다. 그리고 평면 형태의 연소면(예혼합식의 분출면)을 갖는 완전 예혼합식 버너(1) 및 다수의 열흡수용 전열관(2, 2,....)를 갖는 관체(3)와, 상기 버너(1)로 연소용 공기를 보내는 송풍기(4) 및 급기 통로(5)와, 가스 연료 공급관(6)과, 상기 통체(3)로부터 배출되는 배기 가스를 배출하는 배기 가스 통로(통상 '굴뚝'이라 칭한다)(7)와, 이 배기 가스 통로(7)를 흐르는 배기가스의 일부를 연소용 공기에 혼입시켜 상기 버너(1)로 공급하는 배기 가스 재순환 통로(8)와, 연소용 공기에 증기를 첨가하는 증가 첨가관(9)(도 3 참조)를 구비하고 있다. 또한 상기 각 전열관(2)의 외경은 60.5mm이다.

상기 관체(3)는 상부 관 헤더(header)(10) 및 하부 관 헤더(11)를 구비하며, 이 양쪽 관 헤더(10)(11) 사이에 복수의 상기 각 전열관(2)을 배치하고 있다. 도 2에 있어서, 상기 통체(3)의 길이 방향의 양측부에 외측 전열관(12, 12,....)을 연결부재(13, 13,...)로 연결하여 구성한 한 쌍의 수관벽(14, 14)을 형성하고, 이 양 수관벽(14, 14)과 상기 상부 관 헤더(10) 및 하부 관 헤더(11) 사이에 상기 버너(1)로부터 발생되는 연소 반응중 가스 및 연소 완결 가스가 거의 직선적으로 흐르는 연소 가스 통로(15)를 형성하고 있다.

이어, 상기 각 요소간의 접속관계에 대해 설명한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 연소 가스 통로(5)의 일단에는 상기 버너(1)가 설치되며, 타단의 배기 가스 출구(16)에는 배기 가스 통로(7)가 접속되어 있다. 상기 버너(1)에는 상기 급기 통로(5)가 접속되며, 상기 급기 통로(5)에는 상기 가스 연료 공급관(6)이 연료 가스를 상기 급기 통로(5)내로 분출하도록 접속되어 있다. 상기 가스 연료공급관(6)에는 고연소와 저연소에 의해 연료 유량을 조정하는 연료유량 조정수단인 제 1 밸브(17)를 구비하고 있다. 또한 상기 급기 통로(5)에는 상기 연료 가스와 연소용 공기와의 혼합성을 좋게 하기 위한 벤튜리(venturi)라고 하는 스로틀부(미도시)를 형성하고 있는데, 압력 손실을 줄이기 위해 실시에 따라 생략할 수 있다.

또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 송풍기(4)의 흡입구(18)에는 흡기 통로(19)가 접속되며, 이 흡기통로(19)와 상기 배기 가스 통로(7)와의 사이에 상기 배기 가스 재순환 통로(8)가 접속되어 있다. 상기 흡기 통로(19)내에는 상기 증기 첨가관(9)이 삽입되어 있다.

이상의 구성에 기초한, 상기 증기 보일러의 개략 동작은 이하와 같다. 상기 흡기 통로(19)로부터 공급되는 연소용 공기(외기)는 상기 가스 연료 공급관(6)으로부터 공급되는 연료 가스와 상기 급기 통로(5)내에서 예비 혼합되며, 이 예비 혼합기는 상기 버너(1)로부터 상기 관체(3) 안쪽을 향해 분출된다. 예비 혼합기는 착화수단(미도시)에 의해 착화되어 연소된다. 이 연소로 인해 발생되는 연소 반응중 가스는 상류측의 전열관(2)군과 교차하여 냉각된 후, 연소 완결 가스가 되어 하류측 전열관(2)군과의 열교환에 의해 흡열되어 배기 가스가 된다. 이 배기 가스는 상기 배기 가스 통로(7)를 통해 대기중으로 배출된다. 그리고 배기 가스의 일부는 상기 배기 가스 재순환 통로(8)를 통해 상기 버너(1)로 공급되어, 연소 가스 온도의 억제에 사용된다.

또한 상기 각 전열관(2)내의 물은 연소 가스와의 열교환에 의해 가열되어 증기화된다. 이 증기는 상기 상부 관 헤더(10)에 접속되는 증기 취출 수단(미도시)으로부터 증기 사용 설비(미도시)로 공급되며, 그 일부가 상기 증기 첨가관(9)으로 공급되어 연소 반응중 가스의 냉각에 사용된다.

이어, 이 실시예의 상기 특징 부분에 대해 설명한다. 먼저, 상기 저NOx화 수단 중 상기 제 1 억제수단에 대해 설명한다. 이 제 1 억제수단은 상기 완전 예혼합식 버너(1)를 고공기비로 연소시키는 구성이다. 상기 버너(1)를 고공기비로 연소시키면 연소 가스 온도가 억제되어 NOx값이 저하된다. 상기 버너(1)는 세로 60cm, 가로 18cm 크기의 직사각형 형태의 버너이며, 다수의 예혼합기 분출구(미도시)가 거의 균등하게 형성되어 있다.

상기 제 2 억제수단은 다수의 상기 전열관(2)을 상기 버너(1)에 의해 형성되는 연소 반응 영역(연소 가스 온도가 약 900℃ 이상인 영역)(20)의 거의 전역에 서로 연소 가스가 유통되는 틈새를 두고 배설한 구성이다. 상기 버너(1)로부터 발생되는 연소 반응중 가스는 이들 전열관(2)군에 의해 냉각된다. 이 냉각에 의해, 연소 가스 온도가 억제되어 NOx값이 저하된다. 연소 가스의 냉각 정도에 영향을 미치는 상기 전열관(2)군의 배열 피치는 시간당 연소량 및 압력 손실 등을 고려하여 결정하고 있다.

상기 제 3 억제수단은 상기 배기 가스 통로(7)와 상기 배기 가스 재순환 통로(8)와 상기 급기 통로(5)와 상기 버너(1)로 구성되는 배기 가스 재순환 수단이다. 상기 배기 가스 재순환 통로(8)내의 적당한 곳에는 재순환되는 배기 가스량(배기 가스 재순환량)을 소정량으로 조정하는 배기가스 유량조정수단인 제 1 댐퍼(21)를 구비하고 있다. 상기 버너(1)로 공급되는 예혼합기에 배기 가스를 혼입시킴으로써 연소 가스 온도가 억제되어 NOx값이 저하된다. 배기 가스 재순환량과 연소용 공기량(실제 연소 공기량)과의 비율은 상기 제 1 댐퍼(21)에 의해 조정된다.

상기 제 4 제어수단은 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 증기 첨가관(9)과 상기 흡기통로(19)와 상기 송풍기(4)와 상기 급기 통로(5)와 상기 버너(1)로 구성된다. 이 증기 첨가관(9)의 상류단은 증기 첨가량을 조정하는 증기 유량 조정수단인 제 2 밸브(22)를 통해 상기 상부 관 헤더(10)에 접속되며, 상기 증기 보일러로 생성되는 증기가 그대로 이용되도록 구성되어 있다. 상기 제 2 밸브(22)와 상기 상부 관 헤더(10)와의 사이에는 오리피스 등의 감압 기구(미도시)를 형성한다. 증기는 상기 버너(1)로 공급되는 연소용 공기에 균일하게 혼입되며, 상기 버너(1)의 다수의 예혼합기 분출구(미도시)로부터 대략 균일하게 상기 통체(3)내로 분출된다. 그 결과 퍼져 형성되는 예비 혼합 연소 불꽃에 대해 효과적인 냉각이 이루어진다.

이 실시예의 증기 보일러는 상기와 같이, 고연소와 저연소를 전환하면서 실시할 수 있다. 그리고 이 증기 보일러의 상기 저NOx화 수단은 도 4 및 도 5에 나타낸 고연소시와 저연소시의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성을 갖는다. 이어, 이 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 고연소시의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성은 어느 한 운전조건에서 공기비를 변화시킴으로써 각각 도 4의 곡선 A 및 곡선 B와 같이 구할 수 있다. 상기 운전 조건은 연료가 액화석유가스(LPG)이며, 상기 버너(1)의 연소량이50Nm³/h(상기 증기 보일러의 고연소시의 연소량)이며, 배기 가스 재순환율이 4%(배기 가스 재순환량/실제 연소 공기량)이고, 증기 첨가량이 17kg/h이다. 그리고 배기 가스 재순환율인 4%에서의 실제 연소 공기량 및 배기 가스 재순환량은 예를 들면 O₂(%) : 6에서, 각각 1,669Nm³/h, 67Nm³/h가 된다.

공기비의 변화는 실제 연소 공기량을 변화시킴으로써 이루어진다. 이 실제 연소 공기량의 변화는 상기 송풍기(4)의 팬(23)을 구동하는 전동기(24)(도 3 참조)의 회전수를 제어함으로써 이루어진다.

이 고연소시 저NOx 수단의 공기비 대 NOx 특성은 곡선 A에 나타낸 바와 같이, 공기비의 증가에 따라 NOx값이 감소하는 것으로 되어 있다. 또한 공기비 대 CO특성은 곡선 B에 나타낸 바와 같이, 공기비의 증가에 따라 배출 CO값이 증가하며, 특히 O₂(%) : 5 이상에서 급격히 배출 CO값이 증가하는 것으로 되어 있다. 또한 도 4의 곡선 C 및 곡선 D는 상기 제 3 억제수단 및 제 4 억제수단에 의해 연소 가스 온도를 억제하지 않는 대비예의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성으로서, 이 실시예의 곡선 A 및 곡선 B와 대비시키기 위한 것이다.

이어, 저연소시 저NOx화 수단의 공기비 대 NOx 특성 및 공기비 대 CO특성에 대해 설명한다. 이들 특성은 고연소시의 것과 마찬가지로 각각 도 5의 곡선 E 및 곡선 F와 같이 구해진다. 저연소시의 연소 조건은 연료가 액화석유가스(LPG)이며, 상기 버너의 연소량이 25Nm³/h(상기 증기 보일러의 저연소시의 연소량)이며, 배기가스 재순환율이 4%(배기 가스 재순환량/실제 연소 공기량)이며, 증기 첨가량이 8.5kg/h이다. 그리고 배기 가스 재순환율인 4%에서의 실제 연소 공기량 및 배기 가스 재순환량은 예를 들면 O₂(%) : 6에서, 각각 834Nm³/h, 33Nm³/h가 된다.

이 저연소시 저NOx화 수단의 공기비 대 NOx특성도 곡선 E에 나타낸 바와 같이, 공기비의 증가에 따라 NOx값이 감소하는 것으로 되어 있다. 또한 공기비 대 CO값 특성은 곡선 F에 나타낸 바와 같이, 공기비의 증가에 따라 배출 CO값이 증가하며, 특히 O₂(%) : 5.5 이상에서 급격히 배출 CO값이 증가하는 것으로 되어 있다. 또한 도 5의 곡선 G 및 곡선 H는 상기 제 3 제어수단 및 제 4 제어수단에 의해 연소 가스 온도를 억제하지 않는 대비예의 공기비 대 NOx특성 및 공기비 대 CO특성으로서, 이 실시예의 곡선 E 및 곡선 F와 대비시키기 위한 것이다.

상기 공기비 제어수단은 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 배기 가스 통로(7)에 마련한 상기 산소농도 검출수단인 산소 농도 센서(25)와, 이 산소 농도 센서(25)의 출력을 입력받아 상기 전동기(24)의 회전수를 제어하는 제어회로(26)로 구성된다. 상기 전동기(24)는 인버터 제어에 따른 회전수의 제어가 가능하도록 구성된다. 상기 팬(23)의 회전수를 상기 버너(1)의 공기비가 소정의 고공기비(소정값)이 되도록 제어함으로써, 외기 온도의 변화에 대해 소정의 저NOx 효과를 유지한다.

이 실시예에서는 상기 소정값은 NOx 저감 목표값을 10ppm으로 한 경우, 고연소시는 도 4의 곡선 A와 10ppm으로부터 O₂(%) : 5.8로서 구해진다. 물론, 5.8%이상이면 저감 목표값을 클리어할 수 있으므로, 상기 소정값을, 예를 들면 6%로 할 수도 있다. 저연소시는 도 5의 곡선 E와 10ppm으로부터 O₂(%) : 6.25로 구해진다.

이어, 상기 저CO화 수단에 대해 설명한다. 이 저CO화 수단은 상기 저NOx화 수단으로부터 배출되는 CO를 산화하고, CO저감 목표값 이하로 저감시키는 것이다. 상기 저CO화 수단은 상기 전열관(2)군의 후류에 배치된다.

이 실시예에서의 저CO화 수단은 CO값을 약 1/10으로 저감하는 CO산화 촉매체(27)로 구성된다. 이 CO산화 촉매체(27)에 의한 CO저감 특성은 도 4의 곡선(M) 및 도 5의 곡선(N)으로 표시된다. 결국, 곡선(D) 및 곡선(E)으로 표시되는 배기 가스중의 CO는 곡선(M) 및 곡선(N)과 같이 저감된다.

이 CO산화 촉매체(27)는 도 7에 도시된 바와 같은 구조이므로 예를 들면, 다음과 같이 하여 형성된다. 상기 기재인 스테인리스제의 평판(28) 및 파형판(29)의 각각의 표면에 다수의 미세한 요철을 형성하고, 그 표면에 산화 촉매를 도포한다. 이어, 소정 폭의 상기 평판(28) 및 파형판(29)을 중첩시킨 후, 나선형으로 감아 롤 형태로 형성하고 있다. 이 롤 형태의 것을 측판(30)으로 포위하여 고정시키고 있다. 이로 인해 도 7에 나타낸 바와 같은 상기 CO산화 촉매체(27)가 형성된다. 상기 산화 촉매로서는 백금을 사용하고 있다. 또한 도 7에서는 상기 평판(28) 및 상기 파형판(29)의 일부만을 나타내고 있다.

상기 CO산화 촉매체(27)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 배기 가스 출구(16)부에 착탈 가능하게 장착된다. 상기 배기 가스 출구(16)부에서의 연소 가스 온도는 약 250℃∼350℃이다. 상기 CO산화 촉매체(27)의 크기 및 처리 용량은 산화 촉매의 성능과, 산화시킬 CO의 양과, 상기 CO산화 촉매체(27)를 배기 가스가 유통될 때에 발생되는 압력 손실을 고려하여 설계하였다.

또한 상기 저CO화 수단은 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 CO산화 촉매체(27)와 별도의 저CO화 수단을 포함하고 있다. 이 저CO화 수단은 전열관(2)군 중에 형성되는 단열 공간이라 칭해지는 전열관 제거공간(31)이다. 그리고 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전열관(2)군의 일부(이 실시예에서는 4개의 상기 전열관(2))를 제거하여 연소 가스 온도가 1,400℃이하 900℃이상의 온도 범위인 상기 전열관 제거공간(31)을 형성하고 있다.

상기 전열관 제거공간(31)은 고연소시에 대략 상기 온도범위가 되는데, 저연소시에는 연소 불꽃이 짧고, 즉 연소반응영역이 좁아지므로, 상기 온도범위에 들지 않게 된다. 따라서 고연소시는 상기 CO산화 촉매체(27)와 상기 전열관 제거공간(31)이 저CO화 수단으로서 기능하며, 저연소시는 상기 전열관 제거공간(31)은 저CO화 수단으로서 기능하지 않고, 상기 CO산화 촉매체(27)가 저CO화 수단으로서 기능한다.

이하, 상기 구성을 갖는 실시예의 동작 및 작용을 설명한다. 상기 버너(1)로부터 발생되는 연소 반응중 가스는 저NOx화 작용, 즉 상기의 제 1 억제수단∼제 4 억제수단에 의한 연소 가스온도 억제작용을 동시에 받고, 게다가 상기 공기비 제어수단에 의해 O₂(%)를 고연소시 5.8, 저연소시 6.25로 하는 일정한 공기비 제어를받는다. 이 실시예의 연소 가스온도 억제작용에 의해 연소 가스 온도는 상기 제 3 억제수단 및 제 4 억제수단의 작용을 받지 않는 상기 대비예에 비해, 약 100℃ 정도 평균적으로 저하된다. 그 결과, 상류측 전열관(2)군으로부터 유출되는 연소 가스중의 NOx값은 도 4 및 도 5의 곡선 A 및 곡선 E에 나타낸 바와 같이, 10ppm 정도로 억제된다.

상기의 저NOx화시에 생성되는 CO는 다음과 같이 저감화된다. 생성된 CO는 고연소시에서는 먼저 전열관 제거공간(31)에서 그 일부가 산화되며, 저연소시에는 거의 대부분 산화되지 않는다. 이 CO의 산화는 연소 가스온도가 900℃ 이하에서는 대부분 이루어지지 않으므로, 상기 배기 가스 출구(16)에서의 배기 가스내의 CO값은 도 4 및 도 5의 특성곡선 B 및 곡선 F에 나타나는 바와 같이, 고연소시에는 약 400ppm이고, 또 저연소시에는 약 100ppm 정도가 된다. 이 배기 가스내에 잔존하는 CO는 상기 CO산화 촉매체(27)에 의해 산화되어 도 4 및 도 5의 특성 곡선 M 및 곡선 N에 도시된 바와 같이, CO값이 약 1/10으로 저감된다.

이 실시예에 따르면, 다음과 같은 작용 효과를 갖는다. 저NOx화를 우선하여 실시하며, 그 후에 저CO화를 실시하므로 CO값을 고려하지 않고 저NOx화를 추진할 수 있어, 저NOx화 수단의 선택이 용이해진다. 그 결과, 생성 NOx값을 10ppm 이하로 하는 저NOx화를 용이하게 실현할 수 있으며, 게다가 저CO화를 확실하게 실현할 수 있다.

또한 상기 공기비 제어수단에 의해 공기비를 대략 일정한 고공기비로 제어하므로, 외기 온도가 변동하여도 안정된 저NOx 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 1일및 연간의 광범위한 운전점에서 NOx 저감 목표값을 클리어할 수 있다.

또한 상기 일정 공기비 제어에 의해, 상기 저NOx화 수단으로부터 배출되는 배출 CO값도 일정하게 제어된다. 그 결과, 공기비 변동으로 인해 배출 CO값이 증가하여 상기 CO산화 촉매체(27)의 처리 능력을 초월하는 일이 없어지며, 안정된 저CO화도 실현할 수 있는 효과를 갖는다. 특히, NOx 저감 목표값을 10ppm 이하로 하는 저NOx화 수단에서는 10ppm 근방에서는 배출 CO값이 급격히 증가하므로, 일정 공기비 제어는 CO저감 목표값의 달성 및 상기 CO산화 촉매체(27)의 용량 설계를 용이하게 하는 점에서 매우 효과가 크다.

상기 CO산화 촉매체(27)의 용량 설계를 용이하게 하는 점에 대해 더 설명하면 다음과 같다. 상기 CO산화 촉매체(27)는 용량을 크게 하면 압력 손실이 증가하므로, CO 저감 목표값을 간신히 클리어할 수 있도록 설계된다. 일정 공기비 제어를 실시하지 않으면, 상기 CO산화 촉매체(27)의 처리용량을 여유를 가지고 설계할 필요가 생긴다. 또한 처리용량을 크게 하면 압력 손실이 증대된다. 그 결과, 상기 증기 보일러 자체의 압력 손실이 증대되며, 상기 송풍기(4)나 상기 통체(3)를 다시 설계할 필요가 발생한다. 이 실시예와 같이, 일정 공기비 제어를 함으로써 이들 문제를 해결할 수 있는 효과를 갖는다.

또한 저연소시는 상기 전열관 제거공간(31)은 저CO화 수단으로서 유효하게 기능하지 않지만, 상기 CO산화 촉매체(27)에 의해 CO가 산화되므로 고연소시, 저연소시에 상관없이 저CO화를 실현할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 다음과 같은 실시예를포함한다. 상기 실시예에서는 상기 제 1 억제수단으로서 완전 예혼합식의 버너를 사용하고 있는데, 실시에 따라 부분 예혼합식의 버너를 사용할 수도 있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 제 2 억제수단인 상기 각 전열관(2)을 수직 수관에 의해 구성하고 있는데, 수평 혹은 경사지게 배치되는 수관에 의해 구성할 수 있다. 또한 상기 각 전열관(2)의 형상도 상기 실시예의 완전히 둥근 원으로 한정되지 않으며, 실시에 따라 타원 등의 형상으로 할 수 있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 제 2 억제수단인 상기 각 전열관(2)으로서 나관(裸管)을 사용하고 있는데, 실시에 따라 상기 전열관 제거공간(31)의 하류의 상기 각 전열관(2)에 수평의 지느러미 형태 핀이나 전체 둘레 핀(모두 도시하지 않음)을 설치하여, 열회수율을 향상시키도록 할 수 있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 제 4 억제수단인 상기 증기 첨가관(9)의 증기를 상기 흡기 통로(19)안으로 분출하도록 구성하고 있는데, 실시에 따라 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 증기 첨가관(9)을 상기 버너(1)와 상기 송풍기(4)와의 사이에 증기를 분출하도록 설치할 수 있다. 이 변형예에 따르면 상기 송풍기(4)의 하류측에서 증기를 공급하고 있으므로, 상류측에서 공급하는 상기 실시예에 비해 상기 송풍기(4)의 송풍 부하의 증대를 적게 할 수 있음과 동시에, 결로로 인한 상기 송풍기(4)의 부식을 방지할 수 있다.

또한 실시에 따라 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 증기 첨가관(9)을 상기 배기가스 재순환 통로(8)에 증기를 분출하도록 설치할 수 있다. 증기를 상기 배기가스 재순환 통로(8)에 분출시킴으로써 결로가 맺히기 어려워지져 녹 발생을 적게 할수 있으며, 증기와 연소용 공기와의 혼합 균일화가 이루어지는 등의 효과를 발휘한다.

또한 상기 실시예에서는 상기 공기비 제어수단을 상기 송풍기(4)의 회전수를 제어하도록 구성하고 있는데, 실시에 따라 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 송풍기(4)의 하류측에 형성한 연소용 공기유량 조정수단인 제 2 댐퍼(32)에 의해 공기비를 제어하도록 구성할 수 있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 공기비 제어수단을 상기 산소 농도 센서(25)의 신호에 의해 제어하는 것으로 하고 있는데, 실시에 따라 상기 송풍기(4)의 흡기 온도를 검출하는 상기 외기온도 검출수단인 외기 온도 센서(33)를 형성하고, 도 11에 나타낸 바와 같이, 이 외기 온도 센서(33)의 출력에 따라 공기비를 제어하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 소정의 연소량 및 소정의 배기가스 재순환량에 있어서, 외기 온도와 공기비와의 관계를 실험을 통해 미리 구해 외기온도 대 송풍기 회전수의 대비표(미도시)를 작성한다. 그리고 이 대비표를 제어회로(34)의 메모리(미도시)에 저장해 두고, 이 표에 기초하여 공기비가 거의 일정해지도록 상기 송풍기(4)의 상기 전동기(24)를 제어하도록 구성할 수 있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 저NOx화 수단에 상기 전열관 제거공간(31)을 포함시키고 있는데, 실시에 따라 도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 전열관 제거공간(31)을 생략하는, 즉 상기 전열관(2)을 제거하지 않도록 구성할 수 있다.

또한 상기 실시예의 증기 보일러는 연소량을 고연소와 저연소로 전환 가능하도록 구성하고 있는데, 실시에 따라 연소량의 전환이 없는 증기 보일러로 할 수도있다.

또한 상기 실시예에서는 상기 CO산화 촉매체(27)를 상기 배기 가스 출구(16)부에 설치하고 있는데, 급수 예열기(economizer)를 상기 배기 가스 통로(7)에 구비하는 것에서는 상기 급수 예열기를 수용하는 챔버에서 상기 급수 예열기의 상류측에 배치할 수 있다.

본 발명에 따르면, CO의 발생을 고려하지 않고 저NOx화를 추진할 수 있으며, 또한 배출 NOx값이 10ppm을 밑도는 저NOx화를 용이하게 실현할 수 있고, 게다가 저CO화를 함께 실현할 수 있어, 시대의 요구에 맞는 저공해형의 기술 및 상품을 제공할 수 있는 것으로, 그 산업적 가치가 매우 큰 것이다.

Claims (12)

1. 버너에서 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하고, 그 후 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소방법.
2. 버너에서 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 10ppm(배기 가스 0% O₂환산값)이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하며, 그 후 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소방법.
3. 버너에서 발생된 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소방법에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스를 억제하여NOx을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 실시하며, 그 후에 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 단계를 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 저NOx화 단계를 NOx 저감 목표값과 상기 저NOx화 단계의 공기비 대 NOx 특성을 통해 구할 수 있는 공기비로 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 저CO화 단계를 CO산화 촉매체에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소방법.
6. 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제하여 NOx값을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
7. 버너로부터 발생되는 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스온도를 억제하고, NOx값을 10ppm(배기 가스 0% O₂환산값) 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
8. 버너에서 발생된 연소 가스의 온도를 억제함으로써 저NOx화를 실현하는 저NOx 연소장치에 있어서,

   NOx 발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스온도를 억제하여 NOx을 소정값 이하로 만드는 저NOx화 수단과, 이 저NOx화 수단으로부터의 배출 CO값을 연소 가스의 온도가 900℃ 이하인 영역에서 소정값 이하로 만드는 저CO화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   NOx 저감 목표값과 상기 저NOx화 수단의 공기비 대 NOx특성을 통해 구할 수 있는 공기비로 저NOx화를 실시하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
10. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 저CO화 수단을 CO산화 촉매체로 하는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
11. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 저NOx화 수단이 전열관 제거에 의해 형성되는 단열 공간을 갖는 전열관군으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.
12. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 저NOx화 수단이 전열관 제거에 의해 형성되는 단열공간을 포함하지 않는 전열관군으로 이루어지는 것을 특징을 하는 저산화질소(NOx) 연소장치.