KR200454539Y1

KR200454539Y1 - 보일러용 버너장치

Info

Publication number: KR200454539Y1
Application number: KR2020100009785U
Authority: KR
Inventors: 이계선
Original assignee: 주식회사 세대이앤티
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-07-12

Abstract

액체연료와 공기의 혼합물을 연소실로 분사하도록 마련되되, 상기 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소와 물로 분해하기 위해 암모니아수와 요소수 중 어느 하나로 마련된 환원제를 공급하도록 마련된 환원제 공급장치와 연결되어 상기 혼합물에 상기 환원제를 혼합할 수 있도록 마련된 보일러용 버너장치가 개시된다.

Description

보일러용 버너장치{a burner device for boiler}

본 발명은 보일러용 버너장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 효과적으로 제거할 수 있도록 마련된 보일러용 버너장치에 관한 것이다.

석유나 석탄의 연소과정에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하는 방법 중에는 선택적 촉매 환원법과 선택적 무촉매 환원법이 있다.

이중 선택적 촉매 환원법은 연소가스에 암모니아 또는 요소(UPER) 등을 주입하고, 촉매층을 통과시키면서 촉매의 작용으로 질소산화물을 질소와 물로 환원하게 된다.

그리고 선택적 무촉매 환원법은 연소가스 중에 환원제로 암모니아나 요소를 분사하여 고온에서 질소산화물과 선택적으로 반응을 일으키게 하여 질소산화물을 질소와 물로 분해하여 처리하게 된다.

요소를 환원제로 이용한 경우 선택적 무촉매 환원법에 의한 질소산화물의 분해 반응식은 다음과 같다.

CO(NH₂)₂ + 2NO + 1/2 O₂ = 2N₂ + CO₂ +H₂O

암모니아를 환원제로 이용한 경우 선택적 무촉매 환원법에 의한 질소산화물의 분해 반응식은 다음과 같다.

4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O

NO₂ + 2NH₃ = 2N₂ + 3H₂O

그리고 이러한 선택적 무촉매 환원법에서 반응효율을 고려한 반응 적정온도는 벙커C유와 같은 중질유의 경우 950℃~1100℃ 가 된다.

그러나 전술한 선택적 무촉매 환원법의 경우 일반 소각로 등에는 적절하게 이용할 수 있었으나, 일반 공업용 보일러에는 효과적으로 이용할 수 없는 문제점이 있었다.

보다 상세히 설명하자면, 일반 공업용 보일러는 통상 중질유를 연료로써 이용하여 연소실에서 연소시키고, 이때 형성되는 연소실의 열을 이용하여 물을 가열함으로써 고온의 증기력을 얻게 된다.

이러한 종래 보일러에서는 연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 제거하기 위해 연소실의 일측으로 환원제를 공급하기 위한 유로를 연결하여 연료의 연소 과정에서 연소실 내부로 환원제를 공급하고 있다.

그러나 보일러의 연소실의 경우 상당량의 열이 물을 가열하는데 이용되기 때문에, 연소실의 온도를 선택적 무촉매 환원법의 적정 반응온도가 되는 950℃~1100℃의 범위 내로 유지하기가 어려워 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소산화물을 효과적으로 제거하는데 한계가 있었다.

본 고안은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 효과적으로 제거할 수 있도록 마련된 보일러용 버너장치를 제공하는 것이다.

이를 해결하기 위해 본 고안에 따른 보일러용 버너장치는 액체연료와 공기의 혼합물을 연소실로 분사하도록 마련되되, 상기 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소와 물로 분해하기 위해 암모니아수와 요소수 중 어느 하나로 마련된 환원제를 공급하도록 마련된 환원제 공급장치와 연결되어 상기 혼합물에 상기 환원제를 혼합할 수 있도록 마련된 것을 특징으로 한다.

상기 보일러용 버너장치는 출구가 상기 연소실을 향하도록 마련된 노즐부재와, 고압의 액체연료를 분무방식을 통해 상기 노즐부재의 입구 쪽으로 공급하도록 마련된 연료공급유로와, 고온고압의 공기를 상기 노즐부재의 입구 쪽으로 공급하도록 상기 연료공급유로의 출구 쪽 적어도 일부구간을 감싸도록 마련된 공기공급유로와, 상기 공기공급유로로 고온고압의 공기를 공급하는 공기공급관을 포함하고, 상기 환원제 공급장치는 상기 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급관을 포함하며, 상기 공기공급관으로 상기 환원제가 공급되도록 상기 공기공급관의 중도에는 상기 환원제 공급관의 출구가 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 공기공급관의 중도는 벤츄리관으로 마련되고, 상기 환원제 공급관의 출구는 상기 벤츄리관에 연결되도록 마련된 것을 특징으로 한다.

상기 보일러용 버너장치는 회전 가능한 컵 형태로 마련되고 중심축선이 상기 연소실을 향하도록 마련되어 내부로 공급된 액체연료를 원심력을 이용하여 반경방향을 따라 외부로 비산시키는 회전체와, 상기 회전체 내부로 상기 액체연료를 공급하도록 마련된 연료공급유로와, 상기 회전체를 통해 비산되는 액체연료의 비산방향과 교차하는 방향으로 공기를 공급하여 상기 액체연료를 상기 연소실로 안내하기 위해 상기 회전체 둘레에 형성되는 공기공급유로와, 상기 공기공급유로의 공기를 상기 연소실 쪽으로 송풍하는 송풍유닛을 포함하고, 상기 환원제 공급장치는 환원제를 공급하도록 마련된 환원제 공급관을 포함하며, 상기 환원제 공급관은 상기 환원제를 상기 연료공급유로 내부를 경유하여 상기 회전체 내부로 공급하도록 마련된 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 보일러용 버너장치는 질소산화물을 제거하기 위한 선택적 무촉매 환원법에서 환원제로 사용되는 암모니아수나 요소수가 화염을 형성하도록 버너를 통해 연소실로 분사되는 연료와 함께 연소실로 분사될 수 있도록 마련된다.

따라서 본 고안에 따른 보일러용 버너장치에 따르면, 질소산화물을 제거하는 선택적 무촉매 환원반응이 연소실의 평균 온도보다 온도가 높은 화염에서 직접 이루어지게 되어 선택적 무촉매 환원반응의 반응온도를 고온의 적정온도로 유지할 수 있게 되므로, 선택적 무촉매 환원법을 통해 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

도 1은 본 고안의 제1실시예에 따른 보일러의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 “A"부위를 확대 도시한 것으로, 본 고안의 제1실시예에 따른 보일러의 버너장치에서 노즐부재 쪽 구조 상세히 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 “B"부위를 확대 도시한 것으로, 본 고안의 제1실시예에 따른 보일러용 버너에서 공기공급관과 환원제 공급관의 연결부 쪽 구조를 상세히 나타낸 것이다.
도 4는 본 고안의 제2실시예에 따른 보일러의 구성을 도시한 구성도이다.

다음은 본 고안의 제1실시예에 따른 보일러의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 보일러(1)는 중질유와 같은 액체연료를 연소하여 증기력을 발생시키는 공업용으로써, 연소실(2)과, 액체연료와 공기의 혼합물을 연소실에 분사하도록 마련된 버너장치(10)와, 상기 연소실(2)로 분사되는 액체연료를 연소시켜 화염(4)을 형성하도록 하는 점화장치(3)를 구비한다.

따라서 버너장치(10)를 통해 공기와 혼합된 상태에서 연소실(2)로 분사되는 액체연료는 점화장치(3)를 통해 점화되어 연소실(2) 내부에 화염(4)을 형성하고, 전열면이 수관 등 물을 가열하기 위한 구조물(미도시)과 접촉되어 있는 연소실(2)은 화염(4)을 통해 가열된 상태에서 물을 가열하여 증기력을 발생시키게 된다.

한편, 본 실시예에 따른 보일러(1)는 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소와 물로 분해하기 위해 암모니아수로 마련된 환원제를 버너장치(10)로부터 상기 연소실(2)로 분사되는 혼합물에 혼합시키는 환원제 공급장치(20)를 구비한다. 상기 환원제로는 암모니아수 대신 요소수가 이용될 수 있다.

버너장치(10) 및 버너장치(10)에 연결되는 환원제 공급장치(20)의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 실시예에서 버너장치(10)는 액체연료를 분무상으로 연소실(2)에 공급하는 압력분무형 스팀제트 방식으로 마련된 것으로, 출구가 상기 연소실(2)을 향하도록 마련된 노즐부재(11)와, 고압의 액체연료를 분무방식을 통해 상기 노즐부재(11)의 입구 쪽으로 공급하도록 마련된 연료공급유로(12)와, 고온고압의 공기를 상기 노즐부재(11)의 입구 쪽으로 공급하도록 상기 연료공급유로(12)의 출구 쪽 적어도 일부구간을 감싸도록 마련된 공기공급유로(13)와, 공기공급유로(13)로 고온고압의 공기를 공급하는 공기공급관(14)을 포함하여 구성된다.

연료공급유로(12)의 입구 쪽은 액체연료가 저장된 연료저장통(100)과 연결되고, 도시되지 않은 연료공급유로(12)의 중도에는 연료저장통(100)의 액체연료를 고압으로 펌핑하여 노즐부재(11) 쪽으로 전달하도록 펌프가 마련될 수 있다.

그리고 공기공급관(14)의 입구는 고압의 스팀을 발생시키는 스팀발생장치(200)와 연결되고, 공기공급관(14)의 출구는 공기공급유로(13)의 후단 쪽 일측으로 연결되어 스팀 발생장치(200)를 통해 전달받은 고온고압의 스팀을 공기공급유로(13)로 전달한다.

연료공급유로(12)의 출구 쪽 연료공급유로(12)의 소정 구간 둘레를 감싸도록 마련된 공기공급유로(13)의 구조를 통해 공기공급유로(13)로 공급된 고온고압의 스팀은 연료공급유로(12)의 출구부 둘레에 충만된 상태에서 노즐부재(11) 쪽으로 공급된다.

또한 상기 노즐부재(11)는 연료공급유로(12)의 출구를 통해 공급된 액체연료와 공기공급유로(13)의 출구를 통해 공급된 고온고압의 스팀을 믹싱하여 연소실(2)로 분사하도록 마련된 것으로, 입구와 출구 사이에 직경이 축소된 벤CB리부(11a)를 구비한다. 따라서 노즐부재(11)의 입구를 통해 노즐부재(11)로 유입된 액체연료는 공기와 혼합된 상태로 벤츄리부(11a)를 통과하는 과정에서 속도가 증가하고 압력이 감소된 상태로 분출되어 분무상으로 연소실(2)에 분사될 수 있게 되고, 공기와 함께 분무상으로 연소실(2)에 분사된 연료는 상기 점화장치(3)를 통해 점화된 상태에서 연소실(2)로 화염(4)을 형성하게 되는 것이다. 액체연료와 공기가 보다 고압상태에서 노즐부재(11)로 공급될 수 있도록 연료공급유로(12)와 공기공급유로(13)는 출구 쪽 직경이 상류보다 작게 축소되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 환원제 공급장치(20)는 상기 환원제가 되는 암모니아수를 공기공급관(14)의 중도로 공급하도록 출구가 공기공급관(14)의 중도에 연결되는 환원제 공급관(12)을 포함하여 구성된다. 환원제 공급관(21)의 입구는 환원제를 수용하는 탱크(22)와 연결되고, 환원제 공급관(21)의 중도에는 환원제의 흐름을 단속하기 위한 단속밸브 및 환원제를 공기공급관(14) 쪽으로 가압하기 위함 펌프 등의 설비가 설치될 수 있다.

따라서 이러한 환원제 공급장치(20)를 통해 버너장치(10)의 구동시 상기 공기공급관(14)으로는 환원제를 형성하는 암모니아수가 유입되고, 이러한 환원제는 고온고압의 공기와 함께 공기공급관(14) 및 공기공급유로(13)를 경유하여 노즐부재(11)에서 액체연료와 혼합된 상태로 연소실(2)로 분사된다. 따라서 연소실(2)로 분사되는 혼합물에 암모니아수가 포함됨에 따라 상기 연소실(2)에서 발생하는 화염(4)의 저온영역에서 상기 혼합물은 암모니아와 탄산가스와 수분으로 산화되고, 화염(4)의 고온영역에서 암모니아는 선택적 무촉매 환원반응을 통해 진소산화물을 질소와 물로 분해하게 되는데, 화염(4)의 온도는 연소실(2)의 평균 온도보다 높아 선택적 무촉매 환원법의 적정 반응온도가 되는 950℃~1100℃ 온도범위를 만족시킬 수 있게 된다. 이에 따라 본 실시예에 따르면, 선택적 무촉매 환원법을 통해 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 되는 것이다.

그리고 선택적 무촉매 환원반응이 보다 즉각적으로 이루어질 수 있도록 용액상태의 환원제는 기화된 상태에서 화염(4)으로 공급되는 것이 바람직한데, 이를 위해 상기 공기공급관(14)의 중도는 벤츄리관(14a)으로 마련되고, 환원제 공급관(21)의 출구는 이러한 벤츄리관(14a)을 통해 공기공급관(14)으로 연결된다. 따라서 암모니아수는 벤츄리관(14a)을 지나는 과정에서 압력이 낮아져 고온의 스팀에 의해 쉽게 기화될 수 있게 되고, 이와 같이 기화된 환원제는 고온의 스팀과 함께 노즐부재(11) 쪽으로 원활하게 전달된다.

또한 도 4에는 본 발명의 제2실시예에 따른 보일러(1´)의 구조가 도시된다.

본 실시예에 따른 보일러(1´) 역시 중질유와 같은 액체연료를 연소하여 증기력을 발생시키는 공업용으로써, 연소실(2)과, 액체연료와 공기의 혼합물을 연소실(2)에 분사하도록 마련된 버너장치(30)와, 상기 연소실(2)로 분사되는 액체연료를 연소시켜 화염(4)을 형성하는 점화장치(3)를 구비한다.

따라서 버너장치(30)를 통해 공기와 혼합된 상태에서 연소실(2)로 분사되는 액체연료는 점화장치(3)를 통해 점화되어 연소실(2) 내부에 화염(4)을 형성하고, 전열면이 수관 등 물을 가열하기 위한 구조물(미도시)과 접촉되어 있는 연소실(2)은 화염(4)을 통해 가열된 상태에서 물을 가열하여 증기력을 발생시키게 된다.

또한 본 실시예에 따른 보일러(1´) 역시 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소와 물로 분해하기 위해 암모니아수로 마련된 환원제를 버너(20)로부터 상기 연소실(2)로 분사되는 혼합물에 혼합시키기 위한 환원제 공급장치(40)를 구비한다. 상기 환원제로는 암모니아수 대신 요소수가 이용될 수 있다.

상기 버너장치(30) 및 이에 연결된 환원제 공급장치(40)의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서 상기 버너장치(30)는 로터리방식으로써, 회전 가능한 컵형태로 마련되고 중심축선이 상기 연소실(2)을 향하도록 마련되어 내부로 공급된 액체연료를 원심력을 이용하여 반경방향을 따라 외부로 비산시키는 회전체(31)와, 회전체(31) 내부로 상기 액체연료를 공급하도록 마련된 연료공급유로(32)와, 회전체(31)를 통해 비산되는 액체연료의 비산방향과 교차하는 방향으로 공기를 공급하여 액체연료를 연소실(2)로 안내하기 위해 상기 회전체(31) 둘레에 형성되는 공기공급유로(33)와, 공기공급유로(33)의 공기를 상기 연소실(2) 쪽으로 송풍하는 송풍유닛(34)을 포함하여 구성된다.

회전체(31)의 후방으로는 회전체(31)와 일체로 마련된 중공의 회전관(35)이 설치되고, 연료공급유로(32)는 회전체(31) 내부로 액체연료를 공급할 수 있게 이러한 회전관(35) 내부를 관통하도록 설치되어 그 출구가 회전체(31) 내부로 연장된다. 회전체(31)와 회전관(35)의 둘레에는 케이싱(36a,36b)이 설치되고, 이러한 케이싱(36a,36b) 외부에는 구동모터(37)가 설치되는데, 구동모터(37)의 축(37a)과 회전관(35)의 후방 쪽 둘레에는 각각 풀리(38a,38b)가 설치되고, 각 풀리(38a,38b) 사이에는 벨트(39a)가 연결되어 회전체(31)와 회전관(35)은 모터(37)의 구동시 일체로 회전하게 된다. 케이싱(36b)과 회전관(35) 사이에는 회전관(35)의 원활한 회전을 위해 베어링(39b,39c)이 설치될 수 있다.

그리고 상기 송풍유닛(34)은 상기 모터(37)의 구동시 회전체(31)와 함께 회전하도록 상기 회전관(35)의 전방 쪽 둘레에 회전 가능하게 결합된 송풍팬으로 마련되며, 상기 공기공급유로(33)는 회전체(31)와 상기 하우징(36a) 사이의 회전체(31) 둘레에 형성된다. 공기공급유로(33)에 있어서 미설명 부호 33a는 공기유입구를 가리키며, 이러한 공기유입구(33a)에는 고압의 공기를 상기 공기공급유로(33)로 공급하기 위한 연결관(미도시)이 외부로 연결될 수 있다.

또 연료공급유로(32)의 입구는 액체연료가 저장된 연료저장통(100)과 연결되고, 도시되지 않은 연료공급유로(32)의 중도에는 연료저장통(100)의 액체연료를 고압으로 펌핑하여 회전체(31) 쪽으로 전달하도록 펌프가 마련될 수 있다.

이에 따라 상기 버너장치(30)가 구동됨에 따라 회전체(31)가 회전하게 되면, 연료공급유로(32)를 통해 상기 회전체(31) 내부로 공급된 액체연료는 회전체(31)의 원심력을 통해 회전체(31) 내면에 유막을 형성함과 동시에 회전체(31) 끝단에서 반경방향으로 비산된다.

또 회전체(31)의 회전 동작시에는 상기 송풍유닛(34)도 함께 회전하게 되고, 공기공급유로(33)로 공급된 공기는 이러한 송풍유닛(34)의 송풍력에 의해 연소실(2) 쪽으로 공급되는데, 회전체(31)로부터 반경방향으로 비산된 액체연료는 연소실(2)을 향해 송풍되는 공기를 통해 공기와 함께 연소실(2)로 분사되고, 상기 점화장치(3)를 통해 점화되어 연소실(2)에 화염(4)을 형성하게 된다.

그리고 상기 환원제 공급장치(40)는 상기 환원제를 상기 회전체(31) 내부로 공급하기 위해 연료공급유로(32)의 일부구간 내부를 통과하도록 마련된 환원제 공급관(41)을 포함하여 구성된다. 환원제 공급관(41)의 입구는 환원제를 수용하는 탱크(42)와 연결되고, 환원제 공급관(31)의 중도에는 환원제의 흐름을 단속하기 위한 단속밸브 및 환원제를 상기 회전체(31) 쪽으로 가압하기 위함 펌프 등의 설비가 설치될 수 있다.

따라서 이러한 환원제 공급장치(40)를 통해 상기 회전체(31)에는 액체연료와 함께 환원제가 공급되고, 이러한 환원제는 버너장치(30)의 구동에 따른 회전체(31)의 회전 동작시 액체연료와 함께 회전체(31) 외부 방경방향으로 비산된다. 계속해서 회전체 외부로 비산된 액체연료와 환원제는 공기공급유로(33)를 통해 연소실(2) 쪽으로 송풍되는 공기의 송풍력에 의해 공기와 함께 연소실(2)로 분사된다.

이에 따라 버너장치(30)를 통해 연소실(2)로 분사되는 혼합물에는 암모니아수로 된 환원제가 포함되고, 이를 통해 연소실(2)에서 발생하는 화염(4)의 저온영역에서 상기 혼합물은 암모니아와 탄산가스와 수분으로 산화되고, 화염(4)의 고온영역에서 암모니아는 선택적 무촉매 환원반응을 통해 진소산화물을 질소와 물로 분해하게 된다.

이때 화염(4)의 온도는 연소실(2)의 평균 온도보다 높아 선택적 무촉매 환원법의 적정 반응온도가 되는 950℃~1100℃ 온도범위를 만족시킬 수 있게 되므로, 본 실시예 역시 선택적 무촉매 환원법을 통해 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

1: 보일러 2: 연소실
3: 점화장치 4: 화염
10,30:버너장치 20,40: 환원제 공급장치
21,41: 환원제 공급관

Claims

액체연료와 공기의 혼합물을 연소실로 분사하도록 마련되되, 상기 액체연료의 연소과정에서 발생하는 질소산화물을 선택적 무촉매 환원법을 이용하여 질소와 물로 분해하기 위해 암모니아수와 요소수 중 어느 하나로 마련된 환원제를 공급하도록 마련된 환원제 공급장치와 연결되어 상기 혼합물에 상기 환원제를 혼합할 수 있도록 마련된 보일러용 버너장치에 있어서,
상기 보일러용 버너장치는 출구가 상기 연소실을 향하도록 마련된 노즐부재와, 고압의 액체연료를 분무방식을 통해 상기 노즐부재의 입구 쪽으로 공급하도록 마련된 연료공급유로와, 고온고압의 공기를 상기 노즐부재의 입구 쪽으로 공급하도록 상기 연료공급유로의 출구 쪽 적어도 일부구간을 감싸도록 마련된 공기공급유로와, 상기 공기공급유로로 고온고압의 공기를 공급하는 공기공급관을 포함하고,
상기 환원제 공급장치는 상기 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급관을 포함하며,
상기 공기공급관으로 상기 환원제가 공급되도록 상기 공기공급관의 중도에는 상기 환원제 공급관의 출구가 연결된 것을 특징으로 하는 보일러용 버너장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 공기공급관의 중도는 벤츄리관으로 마련되고, 상기 환원제 공급관의 출구는 상기 벤츄리관에 연결되도록 마련된 것을 특징으로 하는 보일러용 버너장치.
삭제