KR20180122113A - 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 및 이를 이용한 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청정 연소 보일러에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 두 개 이상의 노즐을 통하여 두 종류의 연료를 혼소하는 기술이다. 첫 번째 일차 노즐의 연료는 디젤과 같은 전통적인 화석연료나 정제유와 같은 다양한 신재생 연료를 사용한다. 두 번째 노즐의 이차 연료로는 물을 50% 이상 혼합한 알콜 연료를 사용한다.
이러한 두 개의 노즐에 특성이 전혀 다른 두 개의 연료를 사용한 단계 교차 연소방법에 의하여 많은 열량을 제공하는 일차 연료에 함유된 다양한 공해 및 독성물질을 별도의 특별한 대기오염제어장치 없이 대기오염 배출기준치 이하로 배출시키면서 기존 연소 보일러와 비교하여 실질적으로 효율이 상승된 보일러 연소기술에 관한 것이다.

Description

단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 및 이를 이용한 연소방법{A high efficiency, clean and next generation boiler by alternate staged combustion and the combustion method uisng thereof}

본 발명은 청정 연소 보일러에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 두 개 이상의 노즐을 통하여 두 종류의 연료를 혼소하는 기술이다. 첫 번째 일차 노즐의 연료는 디젤과 같은 전통적인 화석연료나 정제유와 같은 다양한 신재생 연료를 사용한다. 두 번째 노즐의 이차 연료로는 물을 50% 이상 혼합한 알콜 연료를 사용한다.

이러한 두 개의 노즐에 특성이 전혀 다른 두 개의 연료를 사용한 단계 교차 연소방법에 의하여 많은 열량을 제공하는 일차 연료에 함유된 다양한 공해 및 독성물질을 물을 다량으로 포함한 이차 알콜연료의 팽창 폭발에 의한 강력한 난류혼합 효과에 의하여 별도의 특별한 대기오염제어장치 없이 대기오염 배출기준치 이하로 배출시키면서 기존 연소 보일러와 비교하여 실질적으로 효율이 상승된 보일러 연소기술에 관한 것이다.

지구촌 문명의 양대 축은 정보통신기술과 열을 사용하는 엔진과 보일러 기술이라 할수 있다. 정보통신기술은 매년 일취월장하면서 급격한 발전을 하고 있지마는 열을 사용하는 기술의 효율은 산업 혁명이후 답보상태로서 획기적인 변화를 보여주고 있지 못하고 있다.

구체적으로 자동차 엔진기술만 하더라도 140년전 니콜라우스 오토에 의하여 사행정 엔진이 발명된 이후로 엔진의 효율은 터보차지나 직접분사방법 그리고 HCCI 등 다양한 하드웨어적인 노력에도 불구하고 엔진의 효율은 20~30% 대에 머무르고 있다. 보일러 기술은 효율면에서는 80~90% 이상의 비교적 높은 효율을 보이고 있지마는 고효율 연소가 반드시 청정 연소를 보장하지 못한다는 점에서 효율제고와 공해물질 저감을 동시에 달성하여야 한다는 점에서는 개선의 여지가 많다.

구체적으로 언급하면 연소 효율의 상승을 위해서는 잉여공기에 의한 고온의 완전연소가 요구되는데 이 경우 Thermal NOx 의 발생량은 기하급수적으로 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 연소로 제어방법으로 단계연소나 수증기등을 사용한 화염의 온도를 낮추는 방법을 사용한다. 이러한 연소로 제어가 미흡한 경우 SCR(Se lective Catalytic Reaction)이나 SNCR 과 같은 실질적인 추가 비용이 요구되는 방법이 동원된다. SOx 의 경우에는 연료에 포함된 황의 95% 이상이 연소방법에 무관하게 SO2 형태로 배출된다. 그러므로 연료에 황을 포함한 연소의 경우 FGD(Flue Gas Desulfurization) 탈황장치의 가동은 필수적이다. 잉여공기상태에서 완전 연소가 발생한다 하더라도 고온의 화염에서는 SO2 에서 SO3로의 전환율은 최대 5% 이상으로 높아지지 않는데 아황산가스의 무수황산으로 전환이 강력한 발열반응이기 때문이다. 물을 다량으로 포함한 이차 알콜연료의 팽창 폭발에 의한 강력한 난류혼합은 일반적으로 연소 효율이 상승할 경우 완전 연소에 의한 검댕이(soot)나 UHC(Unburned hydrocarbon) 발생은 감소하며 또한 효율향상정도만큼 온실가스인 이산화탄소의 발생이 감소하는 긍정적인 효과를 나타낸다. 그러나 산업폐기물이나 냉매등에 포함된 불소나 염소가 포함된 할로겐 화합물의 소각 처리 시에는 잉여공기에 의한 완전연소는 아래에 언급하는 Deacon 반응에 의하여 완전연소시에 나타나는 불산(HF)이나 염산(HCl)보다 더 독성과 부식성이 강하고 스크러빙이 어려운 불소기체(F2)나 염소기체(Cl2)가 발생한다.

2 HF + 1/2 O2 ----- F2 + H2O

2 HCl + 1/2 O2 ----- Cl2 + H2O

위에서 제시한 내용으로 볼 때 고효율 연소를 이루기 위한 잉여공기에 의한 완전 연소가 반드시 분진, SOx , NOx 등의 저감이라는 목적을 동시에 보장하여 주지 못함을 잘 알 수 있다.

최근 지구촌의 에너지 문제는 정책적인 면에서나 기술 개발차원에서나 매우 중대한 조정 국면을 맞이하고 있다. 이는 지난 50년 동안 가파르게 상승한 화석연료에 의한 지구 온난화 문제의 심각성과 함께 체르노빌과 후쿠시마 원전사고 발생으로 인한 에너지 문제 해결 부재에 따른 불안감의 증폭 등에 기인한다. 이에 대한 대책의 일환으로 화석연료의 청정 고효율연소에 의한 효율적인 활용과 함께 보다 강력한 신재생에너지에 대한 발굴이 전 세계적으로 에너지 분야의 중심 주제의 하나로 부각되어 관심이 높아지고 있다. 이러한 에너지 환경문제에서 가장 중요한 핵심 사항중의 하나는 효율제고와 공해물질 저감이라는 목표를 동시에 달성할수 있는 혁신적이면서도 독창적인 차세대 보일러 또는 엔진 기술을 개발하는 것이다

[선행기술]

등록특허 10-1316924(완전연소를 위한 터보차저 방식의 보일러)

등록특허 10-0470300(보일러 연료의 완전 연소장치)

본 발명은 상기한 선행기술을 포함한 종래 연소 기술의 문제점인 고온의 완전 연소를 달성하면서도 공해물질 저감을 동시에 달성할 수 있는 혁신적이면서도 독창적인 차세대의 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 또는 엔진 기술 및 이를 이용한 연소방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,

난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)을 포함하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러를 제공한다.

또한 물과 혼합 연료로 알콜을 사용하는 이유는 알콜이 물과 균질하게 섞이는 성질이 있기 때문에 연소시 가열 팽창 폭발에 의한 난료혼합 효과의 일관성을 기대할 수 있기 때문이다. 이러한 특성이 기타 다른 불균질한 혼합 특성을 보이는 에멀전 연료와의 중요한 특징의 차이점이라 할 수 있다.

가열용 노즐(20)은 신재생 연료, 폐유, 디젤, 미분탄 등과 같은 전통적인 화석 연료를 사용하는 것을 특징으로 하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러를 제공한다.

또한 본 발명은 가열용 노즐(20)만을 작동시켜 연소로 내 온도를 최소 1,100 ℃ 이상으로 가열하는 과정(1과정),

상기한 제 1 차 가열용 노즐(20)이 작동하고 있는 상황에서 제 2 차 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(상부 노즐, 10)을 작동시키는 과정(2과정),

을 포함하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 또는 엔진 기술 및 이를 이용한 연소방법은 선행기술을 포함한 종래기술의 문제점인 잉여공기에 의한 국부 고온 연소를 하는 경우 Thermal NOx 나 할로겐 기체(Cl2) 그리고 아황산가스 등의 공해물질의 발생을 현저히 저감하거나 또는 다른 화학물질로 전환할 수 있는 효과가 나타난다.

특히 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 또는 엔진 기술 및 이를 이용한 연소방법은 상부의 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐은 알콜과 같은 수용성 연료에 다량의 물이 혼합된 알콜 등과 같은 물 혼합 연료를 사용하고, 하부의 가열용 노즐은 신재생 연료, 폐유, 매립지 바이오 가스 또는 디젤과 같은 전통적인 화석 연료를 사용하여 상부의 노즐을 가열하는 방법을 사용함으로써 완전연소가 가능하고 국부고온 현상이 억제되므로 공해물질인 CO, NOx가 대기오염 기준에 비하여 현저히 낮게 나타나게 된다. 또한 아환산가스는 난류혼합 효과와 다량의 수증기 존재에 의한 흡열효과에 의하여 SO3 또는 황산으로 전환이 촉진 되는 효과가 나타난다.

도 1은 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러의 개념도.
도 1b는 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러의 난류혼합과 라디칼 공급용 노즐 및 가열용 노즐 및 연소 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러의 연소방법의 예열 단계를 나타내는 도면.
도 2b는 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러의 연소방법의 정상 연소 단계를 나타내는 도면.
도 3은 물의 함량과 온도에 따른 SO3의 황산으로의 전환율을 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러의 실사진.
도 5는 본 발명의 연소 방법대로 연소한 결과의 화염 사진.
도 6은 본 발명의 연소 방법대로 연소한 결과에 대한 배기가스의 오염물질의 농도를 측정한 결과.

이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 보일러에 설치되며 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)을 포함하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러를 제공한다.

도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 상기한 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)은 보일러의 연소로(1)에 부가되어 설치되어 있는 것이 바람직하다.

도 1b에서 보는 것처럼, 본 발명의 연소기술의 핵심개념은 상하 두 개의 노즐을 사용하며 하나의 노즐(10)은 난류혼합과 라디칼 공급용이고 다른 노즐(20)은 가열용이다.

이 두 개의 다른 기능을 가진 노즐이 상호 보완적인 역할을 하는 특징을 가진다.

구체적으로 언급하면 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)은 상부 노즐(10)로서 수용성 연료에 다량의 물이 혼합된 알콜 등과 같은 물 혼합 연료를 사용하고, 가열용 노즐(20)은 하부 노즐(20)로서 신재생 연료, 폐유 또는 디젤과 같은 전통적인 화석 연료를 사용하여 상부의 노즐을 가열한다.

만일 상부 노즐(10)에 수용성이 높은 알콜 연료를 사용하지 않는 경우에는 균질혼합을 위한 계면활성제를 사용할 수 있다.

도 1 내지 2에서 보는 것처럼 본 발명은 상기한 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)은 가열용 노즐(20) 보다 상부에 위치하는 것이 연소 메카니즘에서 유리하다.

상기한 상부에 위치한다는 의미는 보일러를 설치하는 바닥(즉 지면)을 기준으로 하여 더 높은 곳에 위치한다는 것을 의미한다.

또한 본 발명은 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)을 이용한 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 차세대 고효율 청정 연소 방법은 상기한 본 발명의 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)을 이용한 교차 단계연소 방법을 사용하는 점이 기술적 특징이다.

본 발명은 일 단계로 가열용 노즐(20, 하부 노즐)만을 작동시켜 연소로 내 온도를 1,100 ℃ 이상으로 가열하는 과정을 수행한다.(1과정)

도 2에서 보는 것처럼 하단에 위치한 노즐에서 디젤과 같은 연료를 연소시켜 노내의 온도를 1,100 ℃ 이상으로 상승시킨다.

이와 같은 과정을 본 발명에서는 예열 단계라고 부른다.

상기한 바처럼 가열용 노즐(20)에서 사용하는 연료는 신재생 연료, 폐유, 디젤 등과 같은 전통적인 화석 연료를 사용한다.

더불어 가열용 노즐(20)에서 사용하는 연료는 상기한 바와 같이 정제유나 디젤 또는 바이오 매스와 같은 연료, 기타 액기상 연료를 일반적으로 사용하며 괴상을 제외한 미분 석탄을 사용할 수도 있다.

1,100 도씨 이상으로 가열하는 것은 상부 노즐(10,난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐) 에서 물을 분사하였을 경우 물의 분해와 2,000 배 정도의 팽창 폭발력을 발생시키기 위한 최소한의 온도 조건을 만들기 위함이다.

본 발명은 이 단계로 상기한 가열용 노즐(하부 노즐, 20)이 작동하고 있는 상황에서 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(상부 노즐, 10)을 작동시키는 과정을 수행한다.(2과정)

상기의 2과정에서는 상부 노즐을 통하여 분출된 물과 연료가 혼합한 혼합연는 가열된 물이 팽창 폭발하고 동시에 부분적으로 물이 열분해하면서 H+, OH- 와 같은 반응 라디컬이 발생하게 된다.

본 발명의 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)에서 사용하는 연료는 알콜과 같은 수용성 연료에 물이 혼합된 물 혼합 연료를 사용할 수 있다.

상기한 물 혼합 연료는 수용성 연료와 물을 혼합한 연료를 의미한다.

상기한 수용성 연료로는 대표적으로는 알코올, 이소프로필 등을 들 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고 물에 균질하게 용해시킨 어떠한 연료도 사용할 수 있다.

상기한 수용성 연료는 물이 50%(중량 %) 이상 포함된 것이 좋으나 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 이러한 상부 노즐의 팽창효과와 반응 라디칼 발생은 하부 노즐에 영향을 준다. 이와 같이 상하부 노즐은 교차하여 가면서 단계적으로 영향을 주고받아 완전 연소 효과를 나타내게 된다.

즉, 연소로 내의 온도가 1,100 C 이상으로 상승한 다음에 상부 노즐에서는 50% 이상의 물과 연료가 혼합한 물 혼합 연료를 분사한다.

이때 하부 노즐에서 분사하는 연료의 양은 일정 양을 감소시켜 상하부 노즐의 연료량을 최적화시키는 과정을 수행할 수 있다.

이 경우 일시적으로 연소로 내의 온도가 하강하나 일정 시간이 경과 후 정상 상태(정상연소 상태)에 도달한다.

상기와 같이 본 발명은 정상단계에 도달하면 상하 두 개의 노즐을 사용하여 다량의 물에 알콜이 혼합된 물 혼합연료를 상부노즐에서 분사하고, 하부노즐에서는 화석연료를 동시에 분사하여 상호 간의 긍정적인 영향력이 극대화하게 된다.

도 2b에서 보는 바와 같이 구체적으로 물이 다량으로 포함된 상부 노즐은 강력한 폭발 팽창력과 아울러 수소(H+)나 수산기(OH-)와 같은 반응 라디컬을 발생하며 화석연료를 연소하는 하부버너는 상부버너에 필요한 열량을 공급한다.

본 발명은 이와 같이 하나의 연소기술로 효율제고와 공해물질 저감을 꾀하는 방법으로 효율제고와 공해물질 저감을 동시에 해결하는 획기적인 연소기술이다.

이러한 연구가 효과적으로 수행될 경우 예상되는 기대효과는 효율향상과 오염물질 제거를 개별적인 탈질과 같은 저감장치 없이 달성할 수 있다는 점에서 획기적이라 할 수 있다.

이러한 결과로 공해물질이 많은 화석연료나 신재생 에너지 그리고 독성 또는 유해성 폐기물를 각각의 저감 장치 없이 높은 효율로 연소시킬 수 있다는 점에서 RPS, CDM 그리고 미세먼지의 제어나 소각의 차원에서 부가가치가 획기적이라 할 수 있다고 판단된다.

일차적으로 본 기술은 기본적으로 10% 정도의 연소효율 향상이나 청정 연소방법을 통하여 실질적인 연료비용의 저감을 기대할 수 있다.

본 발명은 독창적인 연소기술로 하나의 연소기술로 고 효율 연소와 NOx 와 SOx 와같은 오염물질 저감이나 전환을 동시에 달성하는 매우 독창적이고도 통합적인 차세대 보일러 기술이다.

즉 상하 두 개의 노즐을 사용하여 다량의 물에 알콜이 혼합된 수성연료(물 혼합 연료)와 화석연료를 단계적으로 분사하여 연소시켜 상호간의 긍정적인 영향력을 극대화 시키는 방법을 사용한다.

구체적으로 물이 다량으로 포함된 상부 노즐은 강력한 폭발 팽창력과 아울러 수소나 수산기와 같은 반응라디컬을 발생하며 화석연료를 연소하는 하부버너는 상부버너에 열량을 공급한다.

이러한 OSUM(one source multi-use) 방법으로 효율제고와 공해물질 저감을 동시에 해결하는 획기적인 연소기술이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 두 개의 노즐로 이루어진 연소시스템을 사용한다.

상부에 위치한 제 1 노즐(10)에서는 물과 혼합이 잘 이루어지는 알콜과 같은 수성연료(예 물 50%와 알콜50%)를 사용하며 하단의 제 2 노즐(20)에서는 전통적인 화석연료나 신재생 연료가 사용된다.

하단의 노즐에서 상부의 물과 혼합된 연료를 가열하여 폭발 팽창시키는 역할을 하며 상부의 노즐은 하부의 노즐에 물의 분해와 팽창 효과에 의한 반응라디칼과 강력한 난류혼합효과를 제공한다.

이러한 단계 교차 연소반응에 의하여 강력한 난류혼합과 수소 라디컬 등이 풍부하여 국부고온이 배제된 강력한 화학반응을 동반한 난류 균질 확산 화염이 형성된다.

0.5톤 스팀 보일러의 장치에서 이루어진 시험 연소의 경우 이러한 연소의 결과로 독성이 강한 메틸알콜의 경우에도 메탄올뿐만 아니라 포름알데히드와 같은 중간 독성물질도 실질적으로 거의 분해된다.

또한 저유황 디젤 연소의 경우에도 SO2는 SO3 등으로 전환되어 거의 검출되지 않으며 Thermal NOx의 발생 가능성이 높은 고온 연소나 질소를 포함한 연료의 경우에도 매우 낮은 NOx 가 배출됨이 실험적인 결과가 나타내고 있다.

본 발명은 이러한 독창적인 알콜 수성연료를 이용한 단계 교차 연소기술에 대한 이론적인 정립과 함께 이 기술을 이용한 산업용/발전용 보일러에 대한 scale-up 을 목적으로 한다.

이러한 하나의 연소기술로 모든 것을 동시에 해결하는 OSMU 방법에 대한 확인과 검증 그리고 스케일업을 위해서는 1) 수성연료의 열분해 팽창 폭발에 대한 정량화 2)발생한 H+, OH- 라디컬등과 수증기가 SO2 나 포르말데히드와 같은 공해물질과의 반응기전 확인 3) 난류 확산 균질(희박)연소에서 thermal & fuel NOx 의 반응기전과 함께 4)스케일업시에 필요한 구체적인 난류혼합 및 반응에 대한 정량화가 요구된다.

이 방법에서는 NOx나 SOx 저감을 위해 사용되는 단계연소나 SCR 또는 FGD와 같은 전통적인 방법이 개별적으로 요구되지 않는다. 이 경우 실절적인 양의 SO2는 물분해에 의해 존재하는 다량의 라디칼과 수증기 존재에 의하여 높은 SO3로의 전환이 쉽게 이루어지며 온도하강에 따라 H2SO4로 응축 배출된다.

이와 같은 기술에 대한 이해를 위해서는 각 중요한 기전에 대한 충분한 설명이 요구되므로 이에 대하여 상술하기로 한다.

[물의 팽창에 따른 난류혼합효과]

<연소반응에서 난류혼합효과의 중요성>

신 재생 화석연료에 물을 70% 섞어 혼소할 경우 나타나는 장점은 연소공학적인 차원에서 두 가지로 요약할 수 있다.

첫째는 물이 기화하면서 근 2,000 배로 체 팽창하면서 극대화된 난류혼합효과를 가져온다는 것이다.

엔진이나 보일러와 같은 연소과정에서 강력한 난류혼합 효과의 지연이나 부족이 불가피하게 잉여공기사용을 요구하며 효율의 실질적인 저하를 초래함을 고려할 때 이러한 체적 팽창 효과는 강력하다고 할수 있다.

예를 들어 엑체 연료의 반응이 일어나는 전체 반응속도는 아래와 같은 조화평균으로 나타난다. 구체적으로 RR1 = 연료 기화속도, RR2 = 기화된 연료가 공기와 혼합하는 속도 그리고 RR3 = 공기와 혼합된 연료가 화학반응을 일으키는 속도이다.

전체 반응속도 (RR)~

=

=

= 4.76

위의 식에서 RR1 = 10, RR2 = 10 이고 RR3는 매우 빨라서 100 정도의 수준이다.

그러면 위의 식에서 전체 반응속도는 아래와 같이 주어진다. 그러므로 위의 식에서 보면 연료가 기화하고 혼합하는 속도가 느린 것이 연소 효율에 결정적인 문제점이라는 것을 이해할 수 있다.

즉 물의 기화에 의해 2,000 팽창 혼합이 발생하여 RR1 = RR2 = 50 으로 증가한다면 전체반응속도(RR) = 20으로 5배 정도 획기적으로 증가한다.

특히 오염물질은 미량 농도이기 때문에 연소의 속도가 지연되므로 이러한 경우 오염물질의 저감 효과가 극대화 된다고 볼 수 있다.

<50% 이상의 물 혼합시에 화염온도 평가>

우선 내용에 대한 언급으로서 물을 기존의 연료에 70%를 섞는 경우 연료로서 발열량이 절대적으로 훼손을 당하는 것이 아닌가하는 의구심이 자연스럽게 들것으로 생각한다. 이것에 대한 일차적인 이유는 이차 노즐에서의 공급되는 열량은 전체 열량의 30~ 40% 정도로서 이차 노즐의 열량 비중이 높지 않다. 또한 아래 계산에서 제시한 바와 같이 100% 연료와 비교할 때 물을 100% 혼합한 연료의 경우 단위 생성물의 몰 당 열량의 감소는 매우 높지 않음을 알 수 있다. 그 이유는 연소과정에서는 산화제로 공기를 사용할 경우 많은 양의 질소가 산화제에 포함되어 존재하게 되는데 연료양이 감소함에 따라 질소의 몰수가 실질적으로 감소하기 때문이다.

그러나 기존의 교차연소에서 이차 연료에 몰비로 70%의 물을 섞는다고 하여도 발열량 관점에서는 치명적인 손상이 가지 않는다.

이에 대한 정확한 화염 온도 계산은 추후하기로 하나 우선 아래의 연소식에 나타난 1몰의 연소가스 당 발열량을 살펴보면 그 감소열량이 18% 정도밖에 나지 않아 물을 70% 섞는다는 것이 발열량 관점에서는 실질적인 감소가 아닌 것이다.

1. 100% LNG 연소식>

CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 --- CO2 + 2 H2O + 7.52 N2 + 800,000 Joule

(총몰수 10.52몰, 총 열량 800,000 Joule, 연소 생성물 1몰당 발열량 76,046 J/mole)

2. 30% LNG + 70% H2O 연소식

0.3(CH4 + 2 O2 + 7.52 N2)+0.7 H2O--- 0.3 CO2 + 1.3 H2O +2.256 N2 + 240,000 J

(총몰수 3.856, 총 열량 240,000 Joule, 연소생성물 1몰당 발열량 62,241 J/mole)

< SOx 발생기전과 SOx 제어가설>

연료에 황산화물이 존재할 경우 이 황산화물은 100% SOx (SO2 나 SO3 )로 배출된다는 것이 정설이다.

즉 NOx 가 연소방법에 의하여 조절되는 것과는 달리 황산화물은 연소 방법에 관계없이 투입된 황산화물 양에 따라 배출된다고 한다.

그러나 본 발명을 사용한 보일러에서는 검증기관에 의뢰한 측정에도 불구하고 경유나 정제유의 연소시에 SOx 가 “불검출”로 나왔다.

따라서 이에 대한 정성적인 가설로는 보통 잉여공기 상태의 확산화염에서 발생한 SO2 는 5% 정도만이 SO3 로 전환된 후 온도가 500C 이하로 떨어질 경우 H2SO4 증기로 바뀌면 산이슬 온도 150~200C 에서 일부만이 액체 황산으로 분리되며 대부분 SO2는 배기가스에서 검출되는 것이 정석이다.

그러나 본 발명의 상황은 100% 잉여공기에 위에서 언급한 바와같이 초강력 수증기 팽창 효과에 의하여 완전 예혼합 상태를 유지하므로 SO2 가 SO3 로 전환하는데 매우 유리한 환경이 조성되어 있다고 할 수 있다.

만일 이러한 전환이 실질적으로 발생한다면 저유황 경유 연소시에 발생하는 SOx의 대부분이 SO3나 황산이슬로 배출되어 배기가스에 불검출될 가능성이 존재한다.

이에 대한 문제는 본 발명의 보일러를 사용한 혼합연료에서 물의 열적 분해가 가능한 1,100 C 이상의 온도를 가진 연소 환경에서 발생할 수 있는 기전으로서 연소화학 차원에서 향후 지속적으로 검토하여야 흥미로운 주제로 판단된다.

SO2 가 대부분 SO3로 전환될수 있는 가능성을 화학반응의 차원에서 간단히 살펴보기로 한다.

A. Chemical kinetics 관점

(1) initiation step

상기의 [표 1]에서 보는 것처럼 O, H, OH 래디컬은 연소반응상 중요한 래디컬인데 이러한 라디컬이 물의 열분해에 의하여 실질적인 양이 형성된다고 판단된다.

(2) major reaction of SO₃ formation

+ M + 347.9 kJ

(8)

※M : energy absorber third body

Major reaction of SO₃ formation은 상기의 [표 2]에와 같다.

(3) enthalpy of formation

위에서 제시한 바와 같이 SO2 가 SO3 로 전환되는 반응은 강력한 발열반응이다.

그러므로 고온의 발열반응이 일어나는 화염영역에서는 잉여공기가 존재하는 상황이라하더라도 이 반응은 매우 제한적으로 발생할 수 밖에 없어 보인다.

그러나 본 발명의 보일러 기술과 같이 다량의 물을 사용하는 경우에는 열을 빼앗아 가는 물질(energy absorber)이 존재하게 되므로 다량의 열손실이 정반응을 극대화하는 효과를 지니므로 SO3 전환이 극대화될 가능성이 존재한다.

이에 대한 보다 구체적인 토론과 SO3 존재에 따른 H2SO4의 응축에 따른 산 이슬문제는 후에 구체적으로 토론하기로 한다.

[도 3]은 물의 함량에 따른 SO3의 황산으로의 전환율을 보여주는 자료이다. 온도가 낮고 물의 함량이 높을수록 전환율이 상승함을 나타내고 있다.

<메탄올 분해기전 >

메탄올은 경제적으로 가장 싼 연료라는 점과 기화가 잘되는 액상 연료라는점에서 매력적이다.

그러나 이 연료를 보일러 등에 적용할 경우 메탄올 자체뿐만 아니라 중간 연소단계에서 발생하는 포름알데히드와 같은 다양한 중간단계의 물질은 독성이 강하다.

따라서 이러한 연료를 예혼합이 잘된 자동차 엔진이 아닌 보일러 확산 화염에 사용한다는 것은 배출되는 독극성 물질에 따른 문제를 고려할 때 거의 불가능하다고 할수 있다.

본 발명에 따른 혼합연료에 의한 연소기술은 이러한 독성이 강한 연료를 사용하여 초 청정 연료 기술을 구현할 경우 보일러 에너지 비용의 실질적인 절감이라는 획기적인 성과를 달성하게 된다.

B.메탄올 분해 기전

본 발명에 따른 실시 예를 설명한다.

본 발명은 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10) 및 가열용 노즐(20)을 통상의 보일러 연소로에 설치한다.

(도 4 본 발명의 연소시스템 참조)

<실시 1>

난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)에 메탄올 30%, 물 70%(중량부)로 혼합한 물 혼합연료를 공급하여 연소하고, 가열용 노즐(20)에는 디젤을 공급하여 연소한다.

<실시 2>

난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)에 메탄올 30%, 물 70%(중량부)로 혼합한 물 혼합연료를 공급하여 연소하고, 가열용 노즐(20)에는 정제오일(refined oil)을 공급하여 연소한다.

[도 5]는 상기한 실시 1 및 2의 연료를 이용하여 본 발명의 연소 방법대로 연소한 결과의 화염 사진을 보여준다.

<결과>

[도 6]에서 보는 바와 같이 상기한 실시에 의하여 연소한 결과를 생산기술연구원에서 배기가스의 오염물질의 농도를 측정한 결과 디젤을 사용할 경우 CO 42.49, NOx 21.29로 나타나고 refined oil을 사용할 경우 CO 15.70, NOx 20.9로 대기오염 기준에 비하여 현저히 낮게 나타나고 있으며 SOX는 0ppm으로 검출되지 않은 효과가 나타났다.

본 발명은 이와 같이 고온의 완전 연소를 함에도 공해물질 저감을 동시에 달성할 수 있는 혁신적이면서도 독창적인 차세대의 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러 및 이의 연소 방법을 제공하게 된다.

본 발명은 보일러, 엔진 등과 같은 연소기술에 관한 발전이나 제품의 생산, 제조, 유통, 연구하는 기술분야에 매우 유용한 발명이다.

특히 본 발명은 청정 연소 보일러에 관한 발전이나 제품의 생산, 제조, 유통, 연구하는 기술분야에 매우 유용한 발명이다.

보일러의 연소로(1)
난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20),

Claims (3)

1. 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10), 가열용 노즐(20)을 포함하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(10)은 물 혼합 연료를 사용하고 가열용 노즐(20)은 신재생 연료(정제유,바이오, 연료, 매립지 또는 협기성 바이오 가스 등), 폐유, 디젤, 미분탄 등과 같은 전통적인 화석 연료를 사용하는 것을 특징으로 하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 보일러.
   
3. 가열용 노즐(20)만을 작동시켜 연소로 내 온도를 1,100 ℃ 이상으로 가열하는 과정(1과정),
   상기한 가열용 노즐(20)이 작동하고 있는 상황에서 난류혼합 및 라디칼 공급용 노즐(상부 노즐, 10)을 작동시키는 과정(2과정),
   을 포함하는 단계 교차 연소 기술에 의한 차세대 고효율 청정 연소 방법.
   
   
   

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