KR20040053793A

KR20040053793A - 저산화질소 연소방법과 그 장치

Info

Publication number: KR20040053793A
Application number: KR1020030088187A
Authority: KR
Inventors: 카야하라토시히로; 타치노카즈히로; 타쿠보노보루; 마쯔나리켄지; 오쿠보쿄우스케
Original assignee: 미우라고교 가부시키카이샤
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2004-06-24
Also published as: CN1508473A; US20040115575A1; CA2453084A1; JP2004197970A; TW200419104A; US6823821B2

Abstract

본 발명은 배출 NOx값이 30ppm을 밑도는 저NOx화를 용이하게 실현하기 위한 저NOx 연소방법과 그 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 저NOx 연소방법은 저NOx 버너(2)에 의해 생성 NOx값을 60ppm(0%의 O₂환산)이하로 하는 제 1 저NOx화와, 상기 저NOx 버너(2)의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역(6)으로 재순환시킴으로써 이루어지는 제 2 저NOx화와, 상기 연소반응영역(6)으로 물 또는 증기를 첨가함으로써 이루어지는 제 3 저NOx화를 조합하여 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

저산화질소 연소방법과 그 장치{Combustion Method and Apparatus for NOx Reduction}

본 발명은 수관 보일러나 흡수식 냉동기의 재열기 등에 적용되는 저산화질소의 발생을 저감시키는 연소방법(이하, 저NOx연소방법이라 한다.)과 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 산화질소(NOx) 발생의 억제원리로서는 ①화염(연소 가스)온도의 억제, ②고온 연소 가스의 체류시간의 단축, ③산소분압을 낮추는 것 등이 알려져 있다. 그리고, 이들 원리를 응용한 여러가지 저NOx화 기술이 있다. 예를 들면 2단 연소법, 농담(濃淡) 연소법, 배기가스 재순환 연소법, 물첨가 연소법, 증기분사 연소법, 수관군(水管群) 등에 의한 화염 냉각 연소법(수관군 냉각 연소법) 등이 제안되어 실용화되고 있다.

그런데 소형 관류 보일러 등에 대해서는 현재, 일본 도쿄 등에서 가스 보일러의 배출 NOx값을 60ppm(0%의 O₂환산 : 이하의 설명에서 ppm은 따로 언급하지 않는 한 0%의 O₂환산을 의미하는 것으로 한다.)이하, 기름 보일러의 배출 NOx값을 A중유에서 80ppm, 등유에서 60ppm이하로 하는 규제가 널리 시행되고 있다. 출원인을 포함해 대부분의 메이커는 이들 규제값을 준수하고 있다. 그러나 미국 캘리포니아주에서는 이미 12ppm(3% O₂환산)이하로 하는 규제가 널리 시행되고 있으며, 출원인은 가까운 장래 일본에서도 더 엄격한 규제, 예를 들면 30ppm이하의 규제가 시행되게될 것이라 믿고, 더 한단계 높은 저NOx화를 위한 연구개발을 계속하고 있다.

종래의 저NOx화 기술은 상기 여러가지 억제원리를 조합한 형태로 제안되고 있다(예를 들면, 일본 특허공개 평7-103411호 공보의 3페이지, 도 1을 참조). 이 선행기술은 배기가스 재순환기술과 증기 분무를 조합한 것이다. 그러나 이 저NOx화 기술에 따르면, 배출 NOx값을 30ppm이하(이하, '목표 배출 NOx값'이라 한다)로 하는 것은 용이하지 않다.

즉, 본 출원의 발명자들은 여러가지 실험과 검토 결과 상기 선행기술에 있어서 목표 배출 NOx값 이하를 달성하기 위해서는 이하의 과제가 존재함을 발견하였다.

먼저 선행 기술에 있어서, 배기 가스 재순환에 따른 연소가스 온도제어의 기능 강화에 의해 NOx값을 저감시킬 경우, 기능 강화란 배기 가스 순환량을 증가시키는 것이다. 그러나 이 기능 강화를 실시하면, 배기 가스 재순환이 갖는 불안정 특성이 증폭된다. 즉, 배기 가스 재순환은 연소량의 변화나 부하의 변화에 의해 배기 가스 유량이나 온도가 변화되는 특성을 가지고 있다. 배기 가스 재순환량을 증대시키면 이들 불안정 특성이 증폭되므로, 안정된 저NOx화를 실현할 수 없다. 또한, 배기 가스 재순환량을 증대시키면 연소용 공기중의 산소 농도가 저하됨으로 인해 산소가 부족한 연소 상태가 되어 불완전 연소나 미연분의 배출로 인해 연소를 계속할 수 없게 되어 버린다. 또한, 배기 가스 순환량분의 체적 증가로 인해, 송풍로내에서의 압력 손실이 증대되고 상기 송풍기 용량의 증가에 따라 어쩔 수 없이 비용이 상승된다.

또한, 증기 첨가에 따른 저NOx화의 기능 강화는 부가할 수분량을 증가시키는 것이다. 이 기능 강화로 인해, 열손실이 증대되게 됨과 아울러 결로량(結露量)이 증가되고 결로로 인한 구성 기기의 부식이라는 문제가 발생된다.

본 발명은 이들 과제를 해결하여, 배출 NOx값이 30ppm을 밑도는 저NOx화를 용이하게 실현할 수 있는 저NOx 연소방법과 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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

도 2는 도 1의 요부를 확대하여 나타낸 단면 설명도.

도 3은 도 2의 요부 저면을 나타낸 설명도.

도 4는 본 발명의 실시예에서 물 분무량에 따른 NOx 저감특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에서 물 분무량에 따른 NOx 저감율 특성을 나타낸 그래프.

도 6은 물 분무량에 따른 윈드 박스의 압력 특성을 나타낸 그래프.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

2 : 저NOx 버너 3 : 송풍기

4 : 관체(罐體) 5 : 배기가스 재순환수단

6 : 연소반응영역 7 : 물 분무수단

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 청구항 1에 따른 발명은 저NOx 버너에 의해 생성 NOx값을 60ppm(0%의 O₂환산)이하로 하는 제 1 저NOx화와, 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시킴으로써 이루어지는 제 2 저NOx화와, 상기 연소반응영역으로 물 또는 증기를 첨가함으로써 이루어지는 제 3 저NOx화를 조합하여 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 2에 따른 발명은 청구항 1에 있어서, 목표 배출 NOx값을 30ppm(0% O₂환산)이하로 하고, 배기 가스의 재순환량을 상기 저NOx 버너의 안정 연소 범위로 하여 상기 제 2 저NOx화를 실시하며, 상기 목표 배출 NOx값을 초과하는 NOx값을 상기 제 3 저NOx화에 의해 저감시키는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 3에 따른 발명은 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제 3 저NOx화를 물을 상기 연소반응영역으로 직접 분무함으로써 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 4에 따른 발명은 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너와 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시키는 배기 가스 재순환수단과, 상기 연소반응영역으로의 물 또는 증기첨가수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 청구항 5에 따른 발명은 청구항 4에 있어서 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너와 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시키는 배기 가스 재순환수단과 상기 연소반응영역으로 물을 직접 분무하는 물 분무수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 실시 형태를 설명하기 전에 본 명세서에서 사용하는 용어에 대해 설명한다. 연소 가스는 연소반응중(연소과정)인 연소 가스와 연소 반응이 완결된 연소 가스를 포함한다. 그리고 연소반응중 가스는 연소반응중인 연소 가스를 의미하며, 연소완결가스는 연소 반응이 완결된 연소 가스를 의미한다. 또한, 연소반응중 가스는 물질 개념이지만 일반적으로는 육안으로 볼 수 있는 화염을 포함하며 화염 상태이므로, 상태 개념으로서 화염이라 칭할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 있어서는 연소 반응 가스를 화염 또는 연소 화염이라 칭하는 경우도 있다. 또한,연소반응영역이란 연소반응중 가스가 존재하는 영역을 말하며, 배기 가스란 전열관 등에 의한 흡열작용을 받아 온도가 저하된 연소완결가스를 말한다.

또한, 연소 가스 온도는 특별히 언급하지 않으면 연소반응중 가스의 온도를 의미하며, 연소 온도 혹은 연소 화염 온도와 같은 의미이다. 게다가, 연소 가스 온도의 억제란 연소 가스(연소 화염) 온도의 최고치를 낮게 억제하는 것을 의미한다. 또한, 일반적으로 연소 반응은 연소완결가스내에서도 극미량이지만 계속되고 있으므로, 연소 완결이란 연소 반응의 100% 완결을 의미하는 것은 아니다. 또한, 목표 배출 저NOx값이란 저NOx 연소장치로부터 배출되는 NOx값의 목표값을 의미한다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 본 발명은 소형 관류 보일러 등의 수관 보일러, 급유기, 흡수식 냉동기의 재열기 등과 같은 열 기기(연소기기라 칭하여도 좋다.)에 적용된다. 이 열 기기는 버너와 이 버너로부터 발생된 연소 가스에 의해 가열되는 흡열체군을 갖는다.

본 발명의 방법에 따른 실시 형태는 저NOx 버너에 의해 생성 NOx값을 60ppm, 바람직하게는 50ppm이하로 하는 제 1 저NOx화와 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx화 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시킴으로써 이루어지는 제 2 저NOx화와 상기 연소반응영역으로 물 또는 증기를 첨가함으로써 이루어지는 제 3 저NOx화를 조합하여 실시하는 것을 특징으로 한다. 상기 제 1 저NOx화를 이루는 수단, 상기 제 2 저NOx화를 이루는 수단, 상기 제 3 저NOx화를 이루는 수단을 각각 제 1 저NOx화 수단, 제 2 저NOx화 수단, 제 3 저NOx화 수단이라 한다.

상기 제 1 저NOx화 수단은 상기 저NOx 버너이다. 상기 저NOx 버너는 분할화염연소법, 자기 재순환법, 단계 연소법, 농담 연소법 등의 기술을 1개 또는 복수개 조합함으로써 생성 NOx값을 60ppm이하로 하는 버너이면 된다. 또한, 상기 저NOx 버너는 바람직하게는 가스 버너를 사용하지만, 실시에 따라 기름 버너를 사용할 수도 있다.

그리고 상기 저NOx 버너의 앞면에서 연소 반응이 이루어져 연소반응영역이 형성된다.

상기 제 2 저NOx화 수단은 소위 배기 가스 재순환법이라 불리우는 것으로, 상기 흡열체군에 따른 흡열 작용을 받아 온도가 저하된 후 대기로 방출되는 배기 가스의 일부를 외부 통로인 배기 가스 재순환 통로를 통해 외부 재순환에 의해 연소용 공기에 혼입시킨다. 이 혼입된 배기 가스에 따른 연소 가스 온도의 억제 효과나 산소 온도의 저하 등에 의해 NOx값을 저감시키는 것이다.

상기 제 2 저NOx화 수단에 따른 배기 가스 재순환량은 상기 저NOx 버너의 안정연소범위로 한다. 상기 안정연소범위란 배출 일산화탄소(CO)량이 100ppm이하, 바람직하게는 50ppm이하를 의미한다.

상기 제 3 저NOx화 수단은 상기 연소반응영역으로의 물/증기 첨가이다. 이 물/증기 첨가에 의해 연소반응중 가스가 냉각되며 연소 가스 온도가 억제되고 NOx값이 저감된다.

상기 물/증기 첨가는 바람직하게는 상기 연소반응영역을 향해 물을 직접 분무함으로써 이루어진다. 이렇게 함으로써, 연소용 공기와 배기 가스와의 혼합기를송풍기를 이용해 상기 저 NOx 버너로 송풍하는 실시 형태에 있어서, 상기 송풍기의 부식을 방지할 수 있음과 아울러, 상기 송풍기의 용량 증대를 최소한으로 억제하면서 저NOx화를 도모할 수 있다.

그러나 상기 제 3 저NOx화 수단에 따른 물/증기 첨가는 실시에 따라 상기 배기 가스 순환통로에서 실시할 수 있다. 또한, 송풍기에 의해 연소용 공기와 배기 가스와의 혼합기를 상기 저NOx 버너로 송풍하는 실시 형태에 있어서는 상기 저NOx 버너와 상기 송풍기와의 사이에서 증기 첨가를 행하도록 구성할 수 있다.

이 실시 형태의 저NOx 연소방법에 있어서는 목표 배출 NOx값을 30ppm 이하, 바람직하게는 20ppm 이하로 한다. 그리고 상기 제 1 저NOx화 수단에 따른 생성 NOx값을 60ppm 이하, 바람직하게는 50ppm 이하로 하고, 이어 상기 제 2 저NOx화 수단에 의해 저NOx화를 실시한다.

그리고 상기 제 1 저NOx화 수단에 따른 생성 NOx값을 A, 상기 제 2 저NOx화 수단에 따른 NOx 저감치를 B, 상기 목표 배출 NOx값을 X라 할 때, A-B-X=C가 되는 NOx값을 상기 제 3 저NOx화 수단에 의해 달성하는 것으로 한다. 즉, 상기 제 3 저NOx화 수단에 따른 NOx 저감치를 C이상으로 함으로써, 목표 배출 NOx값 이하로 할 수 있다.

이러한 방법에 따르면, 배기 가스 재순환에 따른 상기 과제를 표면화시키지 않고, 목표 배출 NOx값 이하를 달성할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 기기 부식 등의 문제도 피할 수 있고, 상기 송풍기 용량의 증가도 최소한으로 억제할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서, 바람직하게는 상기 저NOx 버너의 앞면에는 상기 전열관군이 존재하지 않는 즉 상기 전열관군을 제거한 연소 공간이 형성되며, 그 연소 공간에서 연소 반응이 이루어지고, 연소반응영역이 형성되도록 구성한다. 상기 연소 공간은 그 영역내에서 상기 저NOx 버너로부터 분출되는 연료의 연소 반응이 완결되는 넓이를 갖는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 저NOx 버너의 앞면에 전열관군이 존재하지 않는 연소 공간이 형성된다는 것은 상기 수관군 냉각연소법을 적극적으로 실시하지 않는 것을 의미한다. 이로 인해 상기 수관군 냉각연소법에 따른 과제, 즉 수관군에 따른 연소반응의 억제에 의해 다량의 CO나 미연분이 배출되는 것에 대한 대책이 필요없게 된다. 특히, 상기 수관군 냉각연소법에 따른 저NOx화 기술은 기름 버너를 사용한 연소장치에 적용할 경우, 연소 그 자체를 계속할 수 없다는 과제가 있으며, 상기 저NOx 버너의 앞면에 전열관군이 존재하지 않는 연소 공간을 형성하는 것은 바람직한 것이다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서, 바람직하게는 상기 물/증기 첨가가 상기 연소 공간내의 연소반응영역을 향해 물을 직접 분무함으로써 이루어지도록 구성한다. 이렇게 함으로써, 안정된 연소가스온도의 억제가 이루어진다. 또한, 연소용 공기와 배기 가스와의 혼합기를 송풍기를 이용하여 상기 저NOx 버너로 송풍하는 실시 형태에 있어서, 상기 송풍기의 부식을 방지할 수 있으며, 또한 상기 송풍기의 부하 증대를 방지할 수 있다.

이어, 본 발명의 장치에 관한 실시 형태에 대해 설명한다. 본 발명은 상기 방법의 실시 형태에 대응하는 다음와 같은 장치의 실시 형태(1)∼(5)를 포함한다.

실시 형태(1) : 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너와, 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시키는 배기가스 재순환수단과 상기 연소반응영역으로의 물 또는 증기첨가수단을 구비한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(2) : 실시 형태(1)에 있어서, 목표 배출 NOx값을 30ppm으로 하여, 상기 배기 가스 재순환수단 및 상기 물 또는 증기첨가수단에 따른 NOx 저감작용에 의해 상기 목표 배출 NOx값으로 한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(3) : 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너와, 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시키는 배기 가스 재순환수단과 상기 연소반응영역으로 물을 직접 분무하는 물 분무수단을 구비한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(4) : 상기 저NOx 버너의 앞면에 상기 전열관군을 제거한 연소 공간을 형성한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.

실시 형태(5) : 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저연소와 고연소로 전환할 수 있는 저NOx 버너와 상기 저NOx 버너의 저연소시 및 고연소시에 상기 저NOx 버너의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시키는 배기 가스 재순환수단과 상기 저NOx 버너의 고연소시에만 상기 연소반응영역으로 물 또는 증기를 첨가하는 물 또는 증기 첨가수단을 구비한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.

(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 보일러를 설명하기 위한 종단면도, 도 2는 도 1의 요부를 확대하여 나타낸 단면 설명도, 도 3은 도 2의 요부 저면을 나타낸 설명도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 분무량에 대한 NOx 저감특성을 나타낸 그래프, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 물 분무량에 대한 NOx 저감율 특성을 나타낸 그래프, 도 6은 물 분무량에 대한 윈드 박스의 압력 특성을 나타낸 그래프이다.

도 1에 있어서, 이 실시예의 저NOx 연소장치인 증기 보일러(1)는 목표 배출 NOx값을 20ppm으로 하는 보일러로서, 저NOx 버너(2)와 이 버너(2)로 연소용 공기를 송풍하는 송풍기(3)와 이 저NOx 버너(2)가 상면 개구부에 장착되는 환형의 관체(4)와 상기 관체(4)로부터 배출되는 배기 가스의 일부를 상기 저NOx 버너(2)의 연소용 공기에 혼입시켜 공급하는 배기 가스 재순환수단(5)과 상기 저NOx 버너(2)에 의해 형성되는 연소반응영역(6)으로 물을 분무하는 물 분무수단(7)을 구비하고 있다.

상기 저NOx 버너(2)는 농담 연소법, 자기 재순환법 및 2단 연소법을 조합하여 실시함으로써, 배기 가스 재순환 및 물 분무를 하지 않는 상태에서의 생성 NOx값을 약 50ppm으로 하고 있다. 이 저NOx 버너(2)는 버너 본체부(8)와 버너 본체부(8)측으로 연소용 공기를 도입하기 위한 윈드 박스(9)로 구성된다.

상기 버너 본체부(8)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 내부를 기체 연료유통로(10)로 하고 단면이 거의 환형인 연료유통부재(11)와 이 연료유통부재(11)의외측에 동축상으로 배치한 원통형의 에어 레지스터(12)를 구비하고 있다. 그리고 상기 연료유통부재(11)의 내측을 1차 공기가 유통되는 1차 공기유통로(13)로 하고, 상기 연료유통부재(11) 및 상기 에어 레지스터(12) 사이를 2차 공기유통로(14)로 하고 있다.

그리고 상기 1차 공기유통로(13) 및 상기 2차 공기유통로(14)로 유통되는 연소용 공기는 상기 송풍기(3)에 의해 공급한다. 이 실시예에서는 1차 공기와 2차 공기의 비율은 1차 공기를 10∼20%, 2차 공기를 90∼80%로 설정하고 있다.

또한, 상기 1차 공기유통로(13)의 하단으로부터 약간 들어간 위치에 하단 개구를 덮도록 제 1 배플판(15)을 형성하고, 상기 1차 공기유통로(13)의 상단에 상단 개구를 덮도록 제 2 배플판(16)을 형성하고 있다. 상기 제 1 배플판(15)은 중앙에 제 1 개구부(17)를 구비하며, 상기 제 2 배플판(16)은 1차 공기가 유통되는 복수의 작은 직경을 갖는 제 2 개구부(18, 18, ....)를 구비하고 있다.

또한, 상기 2차 공기유통로(14)에는 환형의 제 3 배플판(19)을 형성하고 있다. 이 제 3 배플판(19)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 둘레방향으로 거의 등간격으로 6개의 절결부(20, 20, ....)를 구비하고 있다. 이 각 절결부(20)에 의해 2차 공기를 분할하여 공급하게 함으로써(유속은 30∼50m/s), 분할 화염이 형성된다.

또한, 상기 연료유통부재(11)에는 바깥쪽으로 기체 연료를 분출하는 외측 분출구(21, 21, ....)와, 그 하단부에 내측으로 기체 연료를 분출하는 내측 분출구(22, 22, ....)가 형성되어 있다. 이들 외측 분출구(21) 및 내측 분출구(22)는 도시한 바와 같이 둘레 방향으로 복수개 형성되어 있으며, 상기 외측분출구(21, 21, ....)의 총 개구면적을 내측 분출구(22, 22, ....)의 총 개구면적보다 크게 하고 있다. 상기 각 내측 분출구(22)는 상기 제 1 배플판(15)의 하류측에 형성되어 있다.

이어, 상기 윈드 박스(9)에 대해 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 윈드 박스(9)는 상기 송풍기(3)에 의해 송풍되는 연소용 공기를 상기 저NOx 버너(2)로 안내하는 기능을 하는 것으로, 상하단부가 막힌 외측 통상체(23)와 이와 동축상으로 배치되며 하단이 개구된 내측 통상체(24)로 구성된다.

이어, 상기 관체(4)에 대해 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 관체(4)는 일본 특허공개 2001-41401호 공보에 나타낸 바와 같은 소위 ω플로우 관체라 불리우는 관체이다. 상기 관체(4)는 소정의 거리를 두고 배치한 상부 관 헤더(pipe header)(25) 및 하부 관 헤더(26)를 가지고 있다. 이 상부 관 헤더(25) 및 하부 관 헤더(26)의 외주 사이에는 외벽(27)을 배치하고 있다.

상기 상부 관 헤더(25)와 상기 하부 관 헤더(26)와의 사이에는 복수의 수관(28, 28, ....)을 이중 환형의 형태으로 배치하고 있다. 이들 수관(28, 28, ....)에 의해, 환형의 내측 제 1 수관벽(29)과 외측 제 2 수관벽(30)을 구성하며, 이들 수관벽(29, 30) 사이를 환형의 배기 가스 통로(31)로 사용하고 있다. 그리고 상기 제 1 수관벽(29)의 일부에는 연소반응이 거의 완결된 연소 가스의 제 1 출구(미도시)가 형성되며, 상기 제 2 수관벽(30)에는 상기 제 1 출구와 반대측(거의 점대칭의 위치)에 상기 수관을 형성하지 않음으로 인한 배기 가스의 제 2 출구(미도시)가 형성되어 있다. 32, 33은 내화(耐火)부재이다.

그리고 상기 상부 관 헤더(25) 및 상기 하부 관 헤더(26)와 상기 제 1 수관벽(29) 등에 의해 둘러싸이며 상기 수관(28)군이 존재하지 않는 공간을 상기 저NOx 버너(2)로부터 분출되는 연료와 연소용 공기의 혼합기가 연소하여 연소반응영역(6)을 형성하는 연소 공간(34)으로 사용하고 있다. 상기 상부 관 헤더(25)에는 상기 저NOx 버너(2)가 설치되어 있으며, 이 버너(2)의 앞면에 상기 연소 공간(6)이 형성되어 있게 된다. 상기 저NOx 버너(2)는 상기 상부 관 헤더(25)의 내측(중앙부)로부터 상기 연소 공간(34)을 향해 삽입되어 있으며, 상기 저NOx 버너(2)의 연소 가스 분출방향과 상기 제 1 수관벽(29)의 각 수관(28)과는 거의 평행을 이루고 있다.

또한, 상기 제 2 수관벽(30)의 외측에 형성한 환형의 외벽(27)에는 상기 배기 가스 통로(32)와 연통하도록, 상기 제 2 출구에 대향하는 위치에 배기 가스 출구(35)를 형성하고 있다. 이 배기 가스 출구(35)에는 굴뚝(36)이 연결된다.

이어, 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 대해 설명한다. 이 배기 가스 재순환수단(5)은 상기 관체(4)로부터 배출되는 배출 가스의 일부를 상기 저NOx 버너(2)의 연소 공기에 혼입시켜 연소 가스 온도를 억제함으로써 NOx를 저감시키는 것이다.

상기 배기 가스 재순환수단(5)은 상기 굴뚝(36)으로부터 갈라져 나와 상기 송풍기(3)의 흡입구(미도시)로 연결되는 제 1 닥트(37), 상기 송풍기(3), 상기 송풍기(3)의 토출구(미도시) 및 상기 윈드 박스(9)간을 연결하는 제 2 닥트(38)로 구성된다. 상기 제 1 덕트(37)내에는 배기 가스 재순환율을 조정할 수 있는 조정 댐퍼(39)를 형성하고 있다. 40은 상기 제 1 덕트(37)가 연결되며 상기 흡입구에 이를 덮도록 장착되는 통형의 덮개체로서, 둘레면에는 다수의 작은 구멍으로 이루어진 외기 유입구(미도시)를 형성하고 있다. 이 외기 유입구는 상기 덮개체(4)의 상기 제 1 덕트(37)가 연결되는 면(도 1에 있어서 부호 40이 가리키는 면)에 형성할 수도 있다.

이 실시예에서는 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 따른 배기 가스의 순환율을 6%로 하고 있다. 이 값은 상기 송풍기(3)의 송풍능력을 넘지 않고 안전 연소가 확보되는 범위(상기 안정연소범위)를 고려하여 설정된다.

마지막으로, 상기 물 분무수단(7)에 대해 설명한다. 이 물 분무수단(7)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 1차 공기유통로(13)의 거의 중앙에 그 선단이 상기 제 1 배플판(15)의 제 1 개구부(17)를 향하도록 배설된 물 분무관(41)으로 이루어지며, 상기 물 분무관(41)의 선단에 형성된 노즐(42)로부터 안개 형태의 물이 상기 제 1 개구부(17)틀 통해 상기 연소 공간(34)에 형성되는 연소반응영역(6)을 향해 분출하도록 구성되어 있다.

상기 물 분무수단(7)에 의한 물 첨가량은 다음과 같이 구할 수 있다. 상기와 같이, 상기 저NOx 버너(2)의 생성 NOx값은 50ppm이며, 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 따른 저감 NOx값은 17∼18ppm이다. 상기 증기 보일러(1)의 목표 배출 NOx값을 20ppm으로 하고 있으므로, 상기 물 분무수단(7)에 의해 저감해야 하는 NOx값은 12∼13ppm이 된다. 이 저감 NOx값에 대응하는 분무량은 도 4에 나타낸 그래프로부터 구할 수 있으며, 0.4kg/10⁴kcal가 된다. 또한, 도 4에서의 기체 연료는 천연가스이다.

여기서, 이상과 같은 구성의 실시예의 동작을 설명한다. 상기 저NOx 버너(2) 등을 작동시키면, 상기 각 외측 분출구(21) 및 상기 각 내측 분출구(22)로부터 기체 연료가 분출된다. 상기 각 내측 분출구(22)로부터 분출된 기체 연료는 상기 1차 공기유통로(13)를 유통하는 1차 공기와 혼합하여, 상기 제 1 배플판(15)의 하류위치에 제 1 연소반응영역(43)인 작은 화염이 형성된다. 이 작은 화염은 불씨로서 작용하여 보염성(保炎性)이 향상된다.

상기 각 외측 분출구(21)로부터 분출된 기체연료는 상기 2차 공기유통로(14)를 유통하는 2차 공기와 혼합하여, 상기 제 3 배플판(19)의 하류 위치에 제 2 연소반응영역(44)인 큰 화염이 형성된다. 2차 공기는 상기 제 3 배플판(19)에 의해 분할되어 공급되므로 분할 화염이 형성된다. 또한, 상기 작은 화염을 공기비 0.7정도의 연료 과농(過濃) 연소로 하고, 상기 큰 화염을 공기비 1.6정도의 연료 희박 연소로 하여 농담 연소가 이루어진다. 이렇게 하여, 이 실시예의 상기 저NOx 버너(2)는 화염 분할법과 농담 연소에 의해, 배기 가스 재순환 및 물 분사를 하지 않는 상태에서 그 생성 NOx가 50ppm으로 억제된다.

또한, 저NOx 버너(2)는 상기 연소반응영역(6)을 형성한다. 상기 연소반응영역(6)은 과농(연료 풍부(rich)의) 혼합기가 연소되는 상기 제 1 연소반응영역(43)과 희박(공기 풍부의) 혼합기가 연소되는 상기 제 2 연소반응영역(44)으로 구성된다. 상기 제 1 연소반응영역(43)은 상기와 같이 보염 영역으로서 기능하고 있다.

그리고, 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 따른 배기 가스 재순환률을 6%으로함으로써, 상기 제 2 연소반응영역(45)의 연소가스 온도 억제 등에 의해 NOx가 약 17∼18ppm 정도 저감된다(도 4 참조).

또한, 상기 물 분무관(41)으로부터 분출되는 분무가 상기 제 2 연소반응영역(44)에 도달하여 상기 제 2 연소반응영역(44)의 연소 가스 온도를 억제함으로써, NOx값이 약 12∼13ppm정도 더 저감되어, 배출 NOx값은 상기 목표 배출 NOx 이하가 된다(도 4 참조).

상기와 같이, 이 실시예에서의 NOx 저감 효과는 도 4에 나타낸 대로이지만, NOx 저감율로 환산하여 나타내면, 도 5에 나타낸 특성이 된다. 이들 그래프는 분무량을 변화시키면 그 양에 비례하여 저감 NOx값이 증가됨을 나타내고 있다. 또한, 도 6은 물 분무량의 증감에 따라 상기 윈드 박스(9)내의 압력 변동이 거의 없는 것을 나타내고 있다. 이는 이 실시예의 물 분무가 연소성에 악영향을 미치지 않음을 의미하고 있다.

여기서, 연소 가스의 흐름을 설명하자면, 상기 연소 공간(34)에 있어서, 복사 전열에 의해 상기 제 1 수관벽(29)으로 열을 전달하고, 연소 반응을 거의 완결한 연소 가스는 상기 제 1 출구를 거쳐 상기 배기 가스 통로(31)에 유입되며, 여기서 상기 제 1 수관벽(29) 및 상기 제 2 수관벽(30)과 대류 전열(對流傳熱)을 실시한다. 그리고 배기 가스는 상기 제 2 출구, 상기 배기 가스 출구(35), 상기 굴뚝(36)을 통해 대기중에 방출되며, 또한 그 일부가 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 의해 이용된다. 상기 배기 가스의 일부는 상기 송풍기(3)에 의해 상기 저NOx 버너(2)로 공급되는 연소용 공기와 혼합된다.

이 실시예에 따르면, 다음과 같은 작용 효과를 갖는다. 상기 저NOx 버너(2)에 따른 저NOx화와, 상기 배기 가스 재순환수단(5)에 따른 저NOx화와, 상기 물 분무수단(7)에 따른 저NOx화를 조합 실시하고 있으므로, 상기 수관군 냉각에 의하지 않고, 상기 송풍기(3)의 송풍 능력 범위에서, 상기 저NOx 버너(2)의 불안정 연소를 일으키는 일 없이 목표 배출 NOx값인 20ppm을 달성할 수 있는 것이다.

또한, 상기 물 분무수단(7)에 의해 상기 연소반응영역(6)으로 직접 분무하도록 구성하고 있으므로, 상기 송풍기(3)의 부하를 증대시키지 않고 목표 배출 NOx값 이하로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배출 NOx값이 30ppm을 밑도는 저NOx화를 용이하게 실현할 수 있는 등 산업적 가치가 매우 크다.

Claims

저NOx 버너(2)에 의해 생성되는 NOx값을 60ppm(0%의 O₂환산)이하로 하는 제 1 저NOx공정과 상기 저NOx 버너(2)의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역으로 재순환시킴으로써 이루는 제 2 저NOx공정과 상기 연소반응영역으로 물 또는 증기를 첨가함으로써 이루는 제 3 저NOx공정을 조합하여 실시하는 것을 특징으로 하는 저NOx 연소방법.
제 1 항에 있어서, 목표 배출 NOx값을 30ppm(0% O₂환산)이하로 하고, 배기 가스의 재순환량을 상기 저NOx 버너(2)의 안정 연소 범위로 하여 상기 제 2 저NOx공정을 실시하고, 상기 목표 배출 NOx값을 초과하는 NOx값을 상기 제 3 저NOx공정에 의해 저감시키는 것을 특징으로 하는 저NOx 연소방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 저NOx화공정을, 물을 상기 연소반응영역으로 직접 분무함으로써 실시하는 것을 특징으로 하는 저NOx 연소방법.
생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너(2)와 상기 저NOx 버너(2)의 배기 가스를 상기 저NOx 버너에 의해 형성되는 연소반응영역(6)으로 재순환시키는 배기 가스 재순환수단(5)과 상기 연소반응영역(6)으로의 물 또는 증기첨가수단(7)을 구비한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.
제 4 항에 있어서, 생성 NOx값을 60ppm(0% O₂환산)이하로 하는 저NOx 버너(2)와 상기 저NOx 버너(2)의 배기 가스를 상기 저NOx 버너(2)에 의해 형성되는 연소반응영역(6)으로 재순환시키는 배기가스 재순환수단(5)과 상기 연소반응영역(6)으로 물을 직접 분무하는 물 분무수단(7)을 구비한 것을 특징으로 하는 저NOx 연소장치.