KR20220006881A - 질소산화물 저감형 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질소산화물 저감형 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스 재순환방식의 질소산화물 저감형 보일러에 관한 것이다. 본 발명은 단열케이스와, 상기 단열케이스의 내부에 설치되는 화실과, 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 화실 내부로 방사하는 버너와, 상기 화실과 연통되며 고온의 배기가스가 흐르는 복수의 연관을 구비하는 열교환기를 구비하는 보일러로서, 상기 연관을 통과하여 배출된 배기가스를 공기와 혼합하여, 상기 버너로 공급하는 가스 공급장치를 더 포함하는 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다. 본 발명은 배기가스의 일부를 공기와 혼합하여 버너에 공급하여 화염의 온도를 낮출 수 있다. 화염의 온도가 낮아지면, 질소산화물의 발생량이 줄어든다. 따라서 본 발명은 화석연료의 연소시에 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물에 의한 대기 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Description

질소산화물 저감형 보일러{Boiler with reduced nitrogen oxide emissions}

본 발명은 질소산화물 저감형 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스 재순환방식의 질소산화물 저감형 보일러에 관한 것이다.

주택의 난방과 급탕을 위해, 기름, 가스, 전기, 숯, 장작, 석탄, 펠릿 등의 다양한 연료를 사용하는 보일러가 사용되고 있다. 이중에서 화석연료를 연소하는 보일러는 연소시에 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물이 대기를 오염시킬 수 있다는 문제가 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해서 질소산화물 저감형 보일러가 개발되고 있다. 예를 들어, 한국등록특허 제10-1593623호에는 보일러에 가해지는 부하에 연동하여 연료공급 및 연소용 공기의 공급을 비례제어하는 동시에, 송풍기로 재공급되는 배기가스의 재순환을 연동시켜 연소용 공기공급과 비례제어함으로써 송풍기의 진동이나 소음 없이 배기가스의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 보일러가 개시되어 있다.

한국등록특허 제10-1593623호

본 발명은 새로운 배기가스 재순환방식의 질소산화물 저감형 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 단열케이스와, 상기 단열케이스의 내부에 설치되는 화실과, 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 화실 내부로 방사하는 버너와, 상기 화실과 연통되며 고온의 배기가스가 흐르는 복수의 연관을 구비하는 열교환기를 구비하는 보일러로서, 상기 연관을 통과하여 배출된 배기가스를 공기와 혼합하여, 상기 버너로 공급하는 가스 공급장치를 더 포함하는 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다.

또한, 상기 연관을 통과하여 배출된 배기가스를 고르게 분산시키도록, 상기 연관의 상부에 배치되며, 배기가스가 통과하는 복수의 관통공들이 형성된 배기가스 분산판을 더 포함하는 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다.

또한, 각각의 상기 관통구멍은 그 최대 폭이 그 최대 길이의 3% 내지 7%인, 직사각형 또는 타원형인 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다.

또한, 상기 가스 공급장치는 상기 버너에 형성된 가스 공급구와 연결된 공기 공급관과, 상기 공기 공급관에 유입되는 공기량을 조절하도록 상기 공기 공급관에 설치되는 공기 조절 댐퍼와, 배기가스를 상기 공기 공급관에 공급하는 배기가스관과, 상기 배기가스관에 설치되는 배기가스량 조절 밸브를 포함하는 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다.

또한, 상기 버너는, 연료를 방사하는 노즐과, 상기 노즐의 하류 측에 설치되며, 상기 노즐과 마주보는 바닥 벽과 상기 바닥 벽으로부터 상기 노즐과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽을 포함하며, 상기 바닥 벽에는 상기 노즐에서 분사된 연료가 통과하는 관통구멍과 공기의 흐름을 유도하는 안내 날개가 형성되며, 상기 측벽에는 쐐기 형태의 복수의 관통 슬릿이 형성된 확산판을 포함하는 질소산화물 저감형 보일러를 제공한다.

본 발명은 배기가스의 일부를 공기와 혼합하여 버너에 공급하여 화염의 온도를 낮출 수 있다. 화염의 온도가 낮아지면, 질소산화물의 발생량이 줄어든다. 따라서 본 발명은 화석연료의 연소시에 발생하는 배기가스에 포함된 질소산화물에 의한 대기 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질소산화물 저감형 보일러의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 질소산화물 저감형 보일러의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 질소산화물 저감형 보일러의 상면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 버너의 일부를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 질소산화물 저감형 보일러의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 질소산화물 저감형 보일러의 측면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 질소산화물 저감형 보일러의 상면도이다.

도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 질소산화물 저감형 보일러(100)는 단열 케이스(10)와, 단열 케이스(10)의 하부에 설치되는 화실(20)과, 단열 케이스(10)의 내부에 설치되는 연관(30)과, 연관(30)의 상부에 배치되는 배기가스 분산판(35)과, 온수코일(40)과, 화실(10) 일 측에 설치되어 연료를 공기와 섞어 연소시키며 연료가 연소되면서 발생한 화염을 화실(10) 내부로 방사하는 버너(50)와, 버너(50)에 가스를 공급하는 가스공급장치(60)를 포함한다.

단열 케이스(10)는 대체로 원통 형태이다. 단열 케이스(100)는 질소산화물 저감형 보일러(100)의 외관을 형성한다. 단열 케이스(10)는 화실(20), 연관(30), 온수코일(40) 등이 설치되는 내부공간을 제공하는 역할을 한다. 또한, 단열 케이스(10)는 난방수가 유동하며 열을 흡수하는 공간을 제공하는 역할을 한다.

단열 케이스(10)의 상단부에는 난방수의 출수구(11)가 설치되며, 하단부에는 난방수의 환수구(12)가 설치된다. 출수구(11)를 통해서 배출된 난방수는 방이나 거실 등의 난방 공간에 설치된 난방 코일(미도시)을 통과하면서 냉각된 후 환수구(12)를 통해서 단열 케이스(10)로 유입된다. 단열 케이스(10)로 유입된 난방수는 연관(30)을 통과하는 고온의 가스와의 열교환을 통해서 다시 가열된 후 출수구(11)를 통해서 배출된다.

또한, 단열 케이스(10)에는 난방수의 온도 및 수위를 측정할 수 있는 온도 및 수위 센서(13)가 설치된다. 또한, 단열 케이스(10) 표면의 과열 여부를 확인할 수 있는 과열 센서(14)도 설치될 수 있다.

화실(20)은 대체로 원통 형태이다. 화실(20)은 단열 케이스(10)의 하부에 설치된다. 화실(20)에서는 연료와 공기가 섞여 연소하면서 화염이 형성된다. 연료로는 기름이나 가스가 사용될 수 있다.

연관(30)은 화실(10)에서 배출되는 고온의 가스가 통과하는 통로이다. 연관(30)은 단열 케이스(10)의 내부에 수직으로 배치된다. 연관(30)은 단열 케이스(10)의 반경 방향 내측과 외측에 두 겹으로 일정한 각을 이루며 방사형으로 배치된다.

배기가스 분산판(35)은 연관(30)의 상부에 연관(30)의 끝단과 일정한 간격을 두고 배치된다. 배기가스 분산판(35)은 복수의 관통구멍(36)이 형성된 얇은 판이다. 배기가스 분산판(35)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다. 배기가스 분산판(35)은 연관(30)으로부터 배출되는 배기가스를 고르게 분산시키는 역할을 한다. 관통구멍(36)들은 원형일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 관통구멍(36)은 그 최대 폭이(Y)가 그 최대 길이(X)의 3% 내지 7%인, 긴 형태일 수 있다. 예를 들어, 관통구멍(36)은 직사각형 또는 타원형일 수 있다. 직사각형인 경우에는 장변의 길이가 최대 길이(X)가 되며, 타원형인 경우에는 장축의 길이가 최대 길이(X)가 된다.

온수 코일(40)은 단열 케이스(10)의 내부에 배치된다. 온수 코일(40)은 단열 케이스(10)의 반경 방향 외측에 설치된 연관(30)을 나선형으로 감싼다. 온수 코일(40)은 구리, 스테인리스 스틸 등 열전도도가 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 온수 코일(40)의 상부에는 차가운 수돗물이 유입되는 직수 입구(41)가 형성되며, 온수 코일(40)의 하부에는 가열된 수돗물인 온수가 배출되는 온수 출구(42)가 형성된다. 온수 코일(40)로 유입된 수돗물은 단열 케이스(10)의 난방수나 연관(30)의 고온의 가스와의 열교환을 통해서 가열된 후 배출된다.

버너(50)는 화실(20)의 측면에 설치된다. 버너(50)는 기름이나 가스와 같은 연료를 공기와 섞어 연소시키는 장치이다. 연료가 연소함으로써 발생하는 화염은 화실(20) 내부로 방사된다. 버너(50)는 질소산화물 저감형 보일러(100)의 열원으로서 작용한다. 버너(50)는 오일 펌프나 가스 공급장치와 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급관(51)과, 연료를 방사하는 노즐(52)과, 노즐(52)에서 분사된 연료를 점화하는 점화플러그(53)와, 노즐(52)의 하류 측에 설치되는 확산판(54)과, 배기가스와 혼합된 공기를 노즐(52) 측에 공급하는 송풍기(55)를 포함한다.

도 4는 도 1에 도시된 버너의 일부를 나타낸 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 확산판(54)은 노즐(52)과 마주보는 바닥 벽(541)과 바닥 벽(541)으로부터 노즐(52)과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽(542)을 포함한다.

확산판(54)의 바닥 벽(541)의 중심에는 노즐(52)에서 분사된 기름이 통과할 수 있는 원형 관통구멍(543)이 형성된다. 또한, 바닥 벽(541)의 원형 관통구멍(543) 둘레에는 공기를 한쪽으로 회전시킬 수 있는 안내 날개(544)가 형성되어 있다. 안내 날개(544)는 원형 관통구멍(543)으로부터 바닥 벽(541)의 외주방향으로 바닥 벽(541)을 절개하고, 바닥 벽(541)을 노즐(52) 방향으로 접어서 형성한다. 확산판(54)의 측벽(542)에는 쐐기 형태의 복수의 관통 구멍(545)이 형성된다. 또한, 확산판(54)의 끝단에는 사각형 관통 구멍(546)이 형성된다. 이러한 확산판(54)의 구조에 의해서 확산판(54)의 바닥 벽(541)을 통과한 공기는 회전하고, 측벽(542)을 통해서 유입된 공기와 혼합되어 와류를 형성하게 된다. 그 결과 노즐(52)에서 분사된 기름이 공기와 잘 혼합되어 완전히 연소된다.

배기 후드(18)는 단열 케이스(10)의 상단부에 설치된다. 배기 후드(18)는 연관(30)들의 상단과 연통된다. 배기 후드(18)의 상단에는 배기구(19)가 형성된다. 연관(30)을 통과한 배기가스는 배기구(19)를 통해서 외부로 배출된다. 또한, 일부는 배기 후드(18)의 측면과 연결된 배기가스관(61)을 통해서 버너(50)로 공급된다.

계속, 도 1을 참고하여 가스 공급장치(60)에 대해서 설명한다. 가스 공급장치(60)는 배기가스(flue gas)와 공기가 혼합된 가스를 버너(50) 측으로 공급하는 역할을 한다. 배기가스를 혼합하면, 화염의 온도가 낮아져서, NOx의 발생량이 줄어든다는 장점이 있다.

가스 공급장치(60)는 버너(50)의 송풍기(55)가 설치된 케이스 상부에 형성된 가스 공급구(56)와 연결된 공기 공급관(62)과, 공기 공급관(62)에 설치되는 공기 조절 댐퍼(63)와, 공기 공급관(62)의 측면과 배기 후드(18)의 측면을 연결하는 배기가스관(61)과, 배기가스관(61)에 설치되는 배기가스량 조절 밸브(65)를 포함한다. 일반적으로, 공기와 배기가스는 약 9:1의 비율로 혼합된다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 질소산화물 저감형 보일러
10: 단열 케이스
11: 출수구
12: 환수구
13: 온도 및 수위 센서
14: 과열 센서
18: 배기 후드
20: 화실
30: 연관
40: 온수코일
41: 직수 입구
42: 온수 출구
50: 버너
51: 연료 공급관
52: 노즐
53: 점화플러그
54: 확산판
55: 송풍기
60: 가스공급장치
61: 배기가스관
62: 공기 공급관
63: 공기 조절 댐퍼
65: 배기가스량 조절 밸브

Claims (5)

1. 단열케이스와, 상기 단열케이스의 내부에 설치되는 화실과, 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 화실 내부로 방사하는 버너와, 상기 화실과 연통되며 고온의 배기가스가 흐르는 복수의 연관을 구비하는 열교환기를 구비하는 보일러로서,
   상기 연관을 통과하여 배출된 배기가스를 공기와 혼합하여, 상기 버너로 공급하는 가스 공급장치를 더 포함하는 질소산화물 저감형 보일러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연관을 통과하여 배출된 배기가스를 고르게 분산시키도록, 상기 연관의 상부에 배치되며, 배기가스가 통과하는 복수의 관통구멍들이 형성된 배기가스 분산판을 더 포함하는 질소산화물 저감형 보일러.
3. 제2항에 있어서,
   각각의 상기 관통구멍은 그 최대 폭이 그 최대 길이의 3% 내지 7%인, 직사각형 또는 타원형이며, 방사형으로 배치되는 질소산화물 저감형 보일러.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가스 공급장치는 상기 버너에 형성된 가스 공급구와 연결된 공기 공급관과,
   상기 공기 공급관에 유입되는 공기량을 조절하도록 상기 공기 공급관에 설치되는 공기 조절 댐퍼와,
   배기가스를 상기 공기 공급관에 공급하는 배기가스관과,
   상기 배기가스관에 설치되는 배기가스량 조절 밸브를 포함하는 질소산화물 저감형 보일러.
5. 제1항에 있어서,
   상기 버너는,
   연료를 방사하는 노즐과,
   상기 노즐의 하류 측에 설치되며, 상기 노즐과 마주보는 바닥 벽과 상기 바닥 벽으로부터 상기 노즐과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽을 포함하며, 상기 바닥 벽에는 상기 노즐에서 분사된 연료가 통과하는 관통구멍과 공기의 흐름을 유도하는 안내 날개가 형성되며, 상기 측벽에는 쐐기 형태의 복수의 관통 슬릿이 형성된 확산판을 포함하는 질소산화물 저감형 보일러.
   

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