KR100868936B1 - 숯가마의 폐열 재활용 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백탄숯가마에서 발생된 폐열을 재활용하기 위한 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 숯을 구워내는 숯가마; 상기 숯가마 내의 열을 포집하여 저장하는 폐열저장가마; 및 상기 숯가마와 폐열저장가마의 사이에 설치되고, 상기 숯가마 내의 열을 폐열저장가마로 인입하는 폐열유입라인을 포함하여, 숯가마에서 발생된 폐열을 유용한 에너지 자원으로 재활용할 수 있는 숯가마의 폐열 재활용 설비를 제공한다.

숯가마, 폐열, 재활용, 저장, 온수

Description

숯가마의 폐열 재활용 설비 {EQUIPMENT FOR RECYCLING WASTE-HEAT OF CHARCOAL KILN}

본 발명은 백탄숯가마에서 발생된 폐열을 재활용하기 위한 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 숯가마 내에서 발생된 폐열을 포집/저장하는 폐열저장가마를 설치함으로써, 백탄숯가마의 폐열을 유용한 에너지 자원으로 재활용할 수 있는 숯가마의 폐열 재활용 설비에 관한 것이다.

나무를 탄화시켜 숯을 구워내는 데에는 숯가마가 이용되고 있다. 숯가마는 일반적으로 보온성을 위해 내화벽돌을 축조하여 구축된다. 숯가마를 이용하여 숯을 구워내는 과정(숯의 제조과정)을 대략적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 숯가마의 입구를 통하여 숯가마 내부에 나무를 적재하고, 입구를 봉입한 다음, 화구를 통하여 숯가마 내부에 화염과 열기를 공급한다. 이때, 나무는 상부에서부터 하부 방향으로 열분해탄화가 진행된다. 탄화진행시 발생되는 연기와 가스는 숯가마의 하부에 마련된 배기구(굴뚝)를 통하여 외부로 배출된다. 이와 같은 열분해 탄화 진행과정에서 숯타르, 목초액, 검탄, 백탄 등이 수득된다. 구체적으로, 대략 250 ~ 270℃(숯가마 내부 온도)에서 나무의 열분해가 진행되며 이때 숯타르가 수득되고, 그 이상의 온도에서는 목초액이 수득된다. 그리고 대략 500 ~ 600℃에서는 검탄이 수득되며, 대략 1,000 ~ 1,500℃에서는 완전 탄화된 백탄이 수득된다. 이와 같이 숯을 제조하는 데에는 대략 6일 ~ 8일 정도가 소요되며, 숯을 꺼낸 후에도 숯가마 내의 여열은 2 ~ 3일 정도 지속된다.

위와 같이, 백탄숯을 구워내는 백탄숯가마에서는 고열이 발생되고, 이러한 고열은 장기간 지속된다. 이러한 숯가마의 남아있는 고열은 재활용되고 있다. 예를 들어, 찜질의 용도로 재활용되고 있다. 구체적으로, 숯을 꺼내고 난 후, 숯가마 안으로 들어가 숯가마의 여열을 찜질의 용도로 재활용하고 있다. 이때, 숯가마의 벽은 황토 흙으로 도포되어 있으므로, 열기와 함께 황토로부터 방사되는 원적외선 등에 의해 인체에 유익할 만 하다. 그러나 이는 숯을 꺼내고 난 후의 여열을 이용하는 것으로서, 숯 정련과 출탄시 발생되는 고열은 재활용되지 않아 실질적으로 숯가마의 폐열을 효율적으로 재활용한다고 보기는 어렵다.

이에 따라, 백탄 정련과 출탄시 발생되어 버려지는 숯가마의 고열(즉 1,000℃ 이상의 고열)을 재활용하고자 하는 기술이 시도되고 있다.

예를 들어, 국내 공개특허 제10-2006-0011917호(선행 특허문헌 1)에는 숯가마의 벽체(내화벽돌과 흙벽의 사이)에 물이 순환되는 순환관을 설치하여, 난방용이나 온수의 열원으로 재활용하는 숯가마 폐열회수장치가 제시되어 있다. 또한, 국내 공개특허 10-2006-0087369호(선행 특허문헌 2)에는 다수의 숯가마들을 순차적으 로 순환하면서 숯가마에서 발생된 폐열에 의해 물이 데워지는 순환 파이프가 설치된 숯가마를 이용한 에너지 재활용 장치가 제시되어 있다. 아울러, 국내 공개특허 10-2005-0104453호(선행 특허문헌 3)에는 숯가마 내에 열 교환을 위한 흡열기(열교환기)를 설치하여 재활용하는 숯가마의 폐열을 이용한 열교환 시스템이 제시되어 있다.

그러나 상기 선행 특허문헌들에 제시된 종래 기술은, 숯가마에 순환관이나 열교환기를 설치하여 재활용하고 있는 데, 이 경우 숯가마 자체가 변형되어 숯의 성상에 악영향을 끼칠 수 있고, 폐열 재활용의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

구체적으로, 상기 선행 특허문헌들에서와 같이 숯가마의 벽체에 순환 파이프가 매입되거나, 숯가마 내부에 열교환기가 설치된 경우, 숯가마의 열이 손실되어 목초액이나 숯의 수득과정이 오래 걸리고, 숯의 성상에 악역향을 끼칠 수 있다. 또한, 상기 종래 기술은 폐열의 보온 저장이 없이 온수 등으로 곧바로 낭비하는 방법으로서, 장기 보관성이 없어 폐열 재활용의 효율성이 떨어지는 문제점이 지적된다.

[특허문헌 1] 대한민국 공개특허 제10-2006-0011917호

[특허문헌 3] 대한민국 공개특허 10-2006-0087369호

[특허문헌 3] 대한민국 공개특허 10-2005-0104453호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 숯가마에서 발생된 폐열을 유용한 에너지 자원으로 재활용할 수 있으면서 숯의 성상에 악영향을 끼치지 않고, 장기간 보관이 가능하여 다양한 열원으로 재활용이 가능한 숯가마의 폐열 재활용 설비를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

숯을 구워내는 숯가마;

상기 숯가마 내의 열을 포집하여 저장하는 폐열저장가마; 및

상기 숯가마와 폐열저장가마의 사이에 설치되고, 상기 숯가마 내의 열을 폐열저장가마로 인입하는 폐열유입라인을 포함하는 숯가마의 폐열 재활용 설비를 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 상기 폐열저장가마는 숯가마보다 높은 위치에 설치된다. 보다 바람직한 구현예에 따라서, 상기 폐열저장가마는 숯가마보다 높은 위치에 설치되어지되, 상기 폐열유입라인의 일측은 숯가마의 상부에 연통되고, 상기 폐열유입라인의 타측은 폐열저장가마의 하부에 연통된다.

또한, 1개의 숯가마에는 폐열유입라인을 통해 다수 개의 폐열저장가마가 연통, 설치될 수 있으며, 이때 상기 폐열유입라인은 숯가마에 연통된 메인관과, 상기 메인관으로부터 분기되고, 상기 다수 개의 폐열저장가마에 각각 연통된 다수의 분기관을 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 폐열저장가마는 열교환기가 설치된 것이 바람직하며, 상기 폐열유입라인은 개폐밸브가 설치된 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 백탄제탄시 숯가마에서 발생된 폐열이 보온성을 가지는 폐열저장가마에 포집(회수), 저장됨에 따라 장기간 동안 고온으로 보관이 가능하여 다양한 열원으로 재활용이 가능한 효과를 갖는다. 또한, 숯가마의 폐열은 숯가마 자체의 설계 변경 없이 폐열유입라인을 통하여 회수되어 숯의 성상에 악영향을 끼치지 않는다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기 폐열저장가마를 숯가마보다 높은 위치에 설치한 경우, 물리적인 강제 인입수단 없이 자연적으로 상승기류를 통하여 회수되어 에너지 절감에 유리한 효과를 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 보인 것으로서, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 숯가마의 폐열 재활용 설비의 정면 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 숯가마의 폐열 재활용 설비의 평면 구성도이다.

먼저, 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 폐열 재활용 설비는 숯가마(10); 상기 숯가마(10)와 연통된 폐열저장가마(20); 및 상기 숯가마(10)와 폐열저장가마(20)를 연통시키는 폐열유입라인(30);을 포함한다.

상기 숯가마(10)는 숯을 구워내는 구조물로서, 통상과 같이 구성된다. 구체적으로, 상기 숯가마(10)는 사람이 출입하여 목재를 적재하고, 제조된 숯을 꺼낼 수 있도록 하는 입구(12)와, 숯가마(10) 내부에 화염과 열기를 공급할 수 있는 화구(14)가 형성되어 있다. 이때, 상기 입구(12)는 목재의 탄화, 연소 시 봉입되며, 상기 화구(14)의 상단에는 숯가마(10) 내부와 연통되어 화염과 열기를 통과/공급하는 공급구(14a)가 형성되어 있다. 이러한 숯가마(10)의 벽체는 내화벽돌이 조적된 다음, 표면에 황토 흙이 도포, 마감되어 구성된다. 그리고 벽체 하단에는 연소 시 발생되는 연기와 가스가 배출되는 배기구(도시하지 않음)가 마련되어 있다.

상기 폐열저장가마(20)는, 본 발명에 따라서 숯가마(10)에서 발생된 고온의 폐열(연소 시 발생되는 1,000℃ 이상의 고열)을 포집(회수)하여 저장하는 것으로서, 이는 폐열유입라인(30)을 통해 숯가마(10)와 통해 연통된다. 구체적으로, 숯가마(10)에서 발생된 폐열은 폐열유입라인(30)을 통해 폐열저장가마(20)로 인입되어 회수/저장된다.

상기 폐열저장가마(20)는 숯가마(10)와 동일한 크기(내부 체적)를 갖거나, 또는 숯가마(10)보다 작거나 더 큰 크기(내부 체적)를 가질 수 있다. 상기 폐열저장가마(20)의 벽체는 보온성을 확보한 것이면 본 발명에 포함한다. 폐열저장가마(20)의 벽체는, 바람직하게는 보온성과 함께 내화성에서 유리한 내화벽돌을 포함하는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 상기 폐열저장가마(20)의 벽체는 상기 숯가마(10)와 동일한 벽체 구성으로서, 내화벽돌이 조적된 다음, 내화벽돌의 표면에 황토 흙이 도포, 마감되어 구성될 수 있다. 또한, 상기 폐열저장가마(20)의 벽체는 내화벽돌층, 콘크리트층, 세라믹층 및 석고층 등으로부터 선택된 하나 이상의 골조층을 가지되, 단열재층을 더 포함하여 보온성(단열성)을 가지면 좋다. 이때, 상기 단열재층은 합성수지 폼(예를 들어, 폴리스티렌 폼, 폴리프로필렌 폼, 폴리에틸렌 폼 등)이나, 글라스 울, 미네랄 울 등의 섬유 집합체 등으로 선택될 수 있다. 아울러, 상기 폐열저장가마(20)의 벽체는 보온성(단열성)이 도모되도록 내부에 중공 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 숯가마(10)에 발생된 폐열은 폐열저장가마(20)에 포집(회수), 저장되어 유용한 에너지원으로 재활용할 수 있다. 또한, 폐열은 보온성을 가지는 폐열저장가마(20)에 회수, 저장됨에 따라 장기간 동안 고온으로 보관이 가능하여 다양한 열원으로 재활용이 가능하다. 아울러, 본 발명에 따르면, 종래와 같이 숯가마(10)를 변경함이 없이, 즉 종래와 같이 숯가마(10)의 벽체를 개조하거나 내부에 열교환기를 설치함이 없이 폐열유입라인(30)을 통하여 폐열이 회수되어 숯의 성상에 악영향을 끼치지 않는다.

상기 폐열저장가마(20)에 포집/저장된 폐열은 다양한 열원으로 재활용될 수 있다. 예를 들어, 상기 폐열은 건조열, 난방열(찜질방용 열을 포함한다) 및 온수열 등으로 재활용될 수 있다. 이때, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 폐열저장가마(20) 내에는 폐열의 재활용이 용이하도록, 1개 이상의 열교환기(25)가 설치된 것이 바람직하다. 상기 열교환기(25)의 열 교환 유체는 공기 및 물로부터 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 열교환기(25)의 인입부(25a)에 저온의 공기나 물이 공급될 수 있다. 이와 같이, 폐열저장가마(20)에 열교환기(25)가 설치된 경우, 상기 열교환기(25)의 유출구(25b)에서는 고온의 유체(고온의 공기나 온수)가 토출되어, 이러한 고온의 유체는 다양한 용도로 이용될 수 있다. 예를 들어, 유출구(25b)에서 토출된 고온의 공기는 건조의 열원으로 이용될 수 있으며, 유출구(25b)에서 토출된 온수는 난방배관 라인이나 목욕탕 등의 온수로 이용될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 상기 폐열저장가마(20)는 숯가마(10)보다 높은 위치에 설치된 것이 좋다. 구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 폐열저장가마(20)의 바닥(21)은 숯가마(10)의 바닥(11)보다 높은 곳에 위치되어, 상기 바닥(21)(11)은 소정의 높이차(H)를 갖는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 상기 높이차(H)는 숯가마(10) 높이(H₁₀)의 0.5 내지 1.5가 좋다. 즉, 0.5 ≤ H/H₁₀ ≤ 1.5 인 것이 좋다.

아울러, 상기 폐열저장가마(20)는 숯가마(10)보다 높은 위치에 설치되고, 상기 폐열유입라인(30)의 일측(30a)은 숯가마(10)에 연통되어지되, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 폐열유입라인(30)의 타측(30b)은 폐열저장가마(20)의 하부에 연통될 수 있다. 이때, 상기 폐열유입라인(30)이 숯가마(10)에 연통, 설치됨에 있어서, 숯가마(10)의 하부, 중앙 또는 상부에 연통, 설치될 수 있다. 즉, 폐열유입라인(30)의 일측(30a)은 숯가마(10)의 하부, 중앙 또는 상부에 연통, 설치될 수 있다.

위와 같이, 상기 폐열저장가마(20)가 숯가마(10)보다 높은 위치에 설치된 경우(바람직하게는, 0.5 ≤ H/H₁₀ ≤ 1.5 인 경우), 물리적인 강제 인입수단(송풍기 등)의 설치 없이도 숯가마(10)의 폐열이 자연적인 상승기류를 통하여 폐열저장가마(20) 내에 포집(회수)된다. 이에 따라, 물리적인 강제 인입수단(송풍기 등)의 설치가 배제되어 폐열의 회수에 따른 에너지가 절감된다.

상기 폐열유입라인(30)은 숯가마(10)와 폐열저장가마(20)의 사이에 설치되어, 상기 백탄제탄시 숯가마(10)에서 발생된 고열을 폐열저장가마(20)로 인입시킨다. 이러한 폐열유입라인(30)은 사각형, 육각형 등의 다각형이나 원형 등의 단면 형상을 가지는 배관을 사용할 수 있다. 상기 폐열유입라인(30)의 재질은 금속재, 콘크리트재 및 세라믹재 등을 포함하며, 예를 들어 금속재로서 바람직하게는 SUS 등의 내식성 재질이 좋다.

아울러, 상기 폐열유입라인(30)에는 개폐밸브(35)가 설치된 것이 바람직하다. 상기 개폐밸브(35)는 폐열저장가마(20) 내로의 열의 차단과 이동을 인위적으로 조절하는 것으로서, 이는 숯가마(10) 내의 목재가 연소되기 전에는 차단되고, 목재의 연소가 진행되어 1,000℃ 이상의 고열이 발생되는 경우 개방될 수 있다.

또한, 상기 폐열저장가마(20)는 1개의 숯가마(10)에 1개 또는 2개 이상 연통, 설치될 수 있다. 도 1은 숯가마(10) 1개에 1개의 폐열저장가마(20)가 연통, 설치된 모습을 예시한 것이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 상기 폐열저장가마(20)는 1개의 숯가마(10)에 2개 이상의 다수 개가 연통, 설치될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 1개의 숯가마(10)에는 제1폐열저장장치(20-1), 제2폐열저장장치(20-2), 제3폐열저장장치(20-3)....제n폐열저장장치(20-n)가 연통, 설치되어, 1개의 숯가마(10)에는 1개 내지 n개의 폐열저장가마(20-1)(20-2)(20-3)....(20-n)가 연통, 설치될 수 있다. 도 2에는 4개의 폐열저장가마(20)가 설치된 모습을 예시한 것이다. 또한, 상기 폐열저장가마(20)들 상호간은 배관을 통하여 연통될 수 있다. 구체적으로, 제1폐열저장장치(20-1)는 제2폐열저장장치(20-2)와 연통되고, 제2폐열저장장치(20-2)는 제3폐열저장장치(20-3)와 연통될 수 있다.

이때, 숯가마(10)와 폐열저장가마(20)를 연통시키는 폐열유입라인(30)은 폐열저장가마(20)의 개수와 동일한 개수(즉, n개)로 설치될 수 있으나, 바람직하게는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 폐열유입라인(30)은 분기된 구조가 좋다. 구체적으로, 상기 폐열유입라인(30)은 숯가마(10)에 연통된 메인관(32)과, 상기 메인관(32)으로부터 분기되고, 상기 다수 개의 폐열저장가마(20-1)(20-2)(20-3)...(20-n)에 각각 연통된 다수의 분기관(34)을 포함하는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 상기 분기관(34)은 메인관(32)으로부터 분기되어 제1폐열저장장치(20-1)에 연통된 제1분기관(34-1), 제2폐열저장장치(20-2)에 연통된 제2분기관(34-2), 제3폐열저장장 치(20-3)에 연통된 제3분기관(34-3) 등의 n개의 분기관(34-n)으로 구성될 수 있다. 이때, 개폐밸브(35)는 메인관(32)에는 물론 분기관(34)에도 설치될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 폐열 재활용 설비는, 1개 이상의 숯가마(10)가 설치된 곳이면 어떠한 곳이든 유용하게 적용되며, 찜질방이나 목욕시설에 연계되어 이러한 찜질방이나 목욕시설에 포집/저장된 폐열이 재활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 숯가마의 폐열 재활용 설비의 정면 구성도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 숯가마의 폐열 재활용 설비의 평면 구성도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 숯가마 20 : 폐열저장가마

25 : 열교환기 30 : 폐열유입라인

35 : 개폐밸브

Claims (7)

1. 삭제
2. 숯을 구워내는 숯가마;

   백탄의 제조 시에 상기 숯가마 내에서 발생되는 열을 포집하여 저장하는 폐열저장가마; 및

   상기 숯가마와 폐열저장가마의 사이에 설치되고, 상기 숯가마 내에서 발생된 열을 폐열저장가마로 인입하는 폐열유입라인을 포함하고,

   상기 폐열저장가마는 숯가마보다 높은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 숯가마의 폐열 재활용 설비.
3. 제2항에 있어서,

   상기 폐열저장가마는 숯가마보다 높은 위치에 설치되고, 상기 폐열유입라인의 일측은 숯가마의 하부, 중앙 또는 상부에 연통되며, 상기 폐열유입라인의 타측은 폐열저장가마의 하부에 연통된 것을 특징으로 하는 숯가마의 폐열 재활용 설비.
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,

   상기 폐열저장가마는 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 숯가마의 폐열 재활용 설비.
6. 제2항에 있어서,

   1개의 숯가마에는 폐열유입라인을 통해 다수 개의 폐열저장가마가 연통, 설치되고,

   상기 폐열유입라인은 숯가마에 연통된 메인관과, 상기 메인관으로부터 분기되고, 상기 다수 개의 폐열저장가마에 각각 연통된 다수의 분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 숯가마의 폐열 재활용 설비.
7. 삭제

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