KR100941573B1

KR100941573B1 - 연소 장치

Info

Publication number: KR100941573B1
Application number: KR1020090033320A
Authority: KR
Inventors: 이종만
Original assignee: 김정길
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-02-10

Abstract

본 발명은 연소 장치에 1차 연소가스 흡입부를 구비하여, 연소속도를 촉진시키고 일산화탄소 가스를 대량 생산하여 연소속도를 고속으로 유지시킬 수 있는 연소 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연소 장치는 공급된 연료를 수용하며, 연료를 증발시켜 1차 연소가스를 발생시키는 연료적재실; 상기 연료적재실의 일측에 설치되어 상기 1차 연소가스가 이동되는 1차 연소가스 흡입실; 상기 연료적재실과 상기 1차 연소가스 흡입실 사이에 설치되는 연료지지부; 상기 연료지지부를 관통하며, 일단에 구비된 1차 연소가스 흡입구와 타단에 구비된 연소노즐을 포함한 1차 연소가스 흡입부; 및 상기 1차 연소가스 흡입부로 외부 공기를 공급하는 고압공기 공급관;을 포함하되, 상기 1차 연소가스 흡입구는 상기 1차 연소가스 흡입실에 위치되며, 흡입된 1차 연소가스와 상기 고압공기 공급관으로 공급된 외부 공기가 함께 연소노즐을 통해 배출되어 2차 연소된 후 다시 연료적재실로 유입되어 연료를 증발시킨다. 이러한 구성에 의하여, 연소속도의 제어를 단순화할 뿐만 아니라 연소 장치의 소형화, 제조비용 절감 및 열효율 향상을 도모할 수 있다.

연소 장치, 1차 연소가스 흡입부, 2차 연소실, 연료 적재실

Description

연소 장치{Combustion apparatus}

본 발명은 연소 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소속도의 제어를 단순화하여 연소장치를 소형화할 수 있는 연소 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 미분탄 연소기를 제외한 고체연료를 사용하는 연소기에서 연소기로 공급되는 고체연료는 연소실 내에 연료를 담는 그릇 또는 화격자 위로 공급된다. 이 경우, 연료의 투입량과 연소공기의 공급량을 동시에 조절함으로써, 연소속도, 즉, 화력을 제어할 수 있다.

연료가 많이 투입되더라도 연소공기의 공급량이 증가되지 않으면, 연소가 원활하게 이루어지지 않을 뿐만 아니라 투입되는 연료가 모두 소모되지 않는다. 이에 의해 연료 공급라인에 고장이 발생하거나, 연소실 내에 연료가 가득차게 되어 문제를 일으킬 우려가 있다. 반대로, 연료의 양을 적게 공급하고 연소공기를 다량으로 공급하면, 공급된 다량의 공기로 인하여 연소실 내의 온도가 내려가게 되므로 효율적으로 열을 발생시킬 수가 없다. 이처럼 고체연료를 사용하는 연소기의 화력 을 제어하기 위해서는 공급되는 연료의 양과 연소공기의 공급량을 동시에 조절해야만 한다.

이때, 연소 중인 연료의 양을 측정하기 위해서는 측정 센서가 필요하다. 그러나, 연소실 내부가 고온이므로 일반적인 측정 센서로는 연료의 양을 측정할 수 없다. 이에 따라 연소속도의 제어를 위해 연료의 양을 조절하기 위해서는 매우 복잡하고 까다로운 제어프로그램을 개발하여 사용하여야 한다는 문제점이 있다. 특히, 최초 운전을 한다든지, 어떠한 이유로든 정전사고 발생 후에 다시 연소기를 작동시킨다든지, 기타 비상 상황을 복구하는 하는 과정에 있어서 반드시 연소기를 운전하는 작업자가 있어야 하는 문제점이 있다.

또한, 연료의 양을 조절하여야만 화력이 조절되므로, 부하변동에 따라 즉각적으로 화력을 조절하여야 하는 장치에는 급작스러운 부하변동을 흡수할 수 있는 축열 장치 등과 같은 보조 장치를 반드시 사용하여야 하는 단점이 있다. 이러한 경우, 장치의 크기나 제조비용이 상승할 뿐만 아니라 열 손실도 증가하게 된다.

도 1은 일반적인 고체연료 연소장치이다.

도 1을 참조하면, 고체연료 연소장치(4)의 연소실(1)에서 외부로부터 공급되는 고체연료(3a)는 연료이송스크류(5)에 의하여 연료그릇(3)으로 이동한다. 연료그릇(3)으로 들어와 쌓이는 고체연료(3a)는 화염의 복사열에 의하여 증발되며, 증발하지 않는 탄소는 숯으로써 연소하게 된다.

상기 연소장치에서 고체연료(3a)의 소모 속도는 화염의 온도와 크기에 의하여 결정되며, 화염의 온도와 크기는 고체연료(3a)에서 증기로 발생되는 가연성 기 체의 양과, 공기공급구(2)를 통해 유입된 공기의 양에 따라 결정된다. 즉, 연료의 소모속도는 서로 상관 관계에 있는 연료의 공급량과 공기노즐과 같은 공기공급구(2)를 통해 와류 상태로 유입되는 공기의 양에 의하여 결정되어지므로, 연소를 제어한다는 측면에서 보면 매우 까다로운 경우가 된다.

또한, 연료그릇(3)에 남아있는 연료는 숯이 되어가는 과정에 있으면서 증발되므로 갑자기 연소부하가 감소한다고 하여 즉각 연소기체 증발 속도가 줄어들 수 없다. 그리고, 연소부하가 증가하는 경우에도 연료이송스크류에 의하여 고체연료(3a)의 공급량을 늘린다고 하여도, 새로 투입되는 과량의 고체연료(3a)가 증발하기까지에는 시간지연이 생기게 된다. 이에 의해 부하 변동이 심하거나, 부하변동에 따라 즉각 반응하여야 하는 장치에는 이러한 연소장치를 쓰기가 쉽지 않다는 문제점이 있다. 여기에 더하여, 고체연료(3a)의 증발량을 늘리려면 화염으로부터 전달되는 복사열의 수열면적도 커야 하므로, 용량이 큰 연소기를 제작하여야 한다. 용량이 큰 연소기를 제작하려면 연료그릇(3)의 투영면적도 따라서 커져야만 하므로 장치가 커진다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소 장치에 1차 연소가스 흡입부를 구비하여, 숯의 연소속도를 촉진시키고 일산화탄소 가스를 대량 생산하여 연소속도를 고속으로 유지시킬 수 있는 연소 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료적재부를 증발기 겸용으로 하여 연료가스를 대량 증발시키고, 이 연료가스를 별도의 연소노즐로 연소가스 흡입부를 통해 공급하여 연소노즐에 공급되는 연료가스의 양을 조절할 수 있는 연소 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 유류 또는 가스 연소기를 대체할 수 있으므로, 보일러 및 증기보일러 등의 열기기에도 사용할 수 있는 연소 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 연소 장치는 공급된 연료를 수용하며, 연료를 증발시켜 1차 연소가스를 발생시키는 연료적재실; 상기 연료적재실의 일측에 설치되어 상기 1차 연소가스가 이동되는 1차 연소가스 흡입실; 상기 연료적재실과 상기 1차 연소가스 흡입실 사이에 설치되는 연료지지부; 상기 연료지지부를 관통하며, 일단에 구비된 1차 연소가스 흡입구와 타단에 구비된 연소노즐을 포함한 1차 연소가스 흡입부; 및 상기 1차 연소가스 흡입부로 외부 공기를 공급하는 고압공기 공급관;을 포함하되, 상기 1차 연소가스 흡입구는 상기 1차 연소가스 흡입실에 위치되며, 흡입된 1차 연소가스와 상기 고압공기 공급관으로 공급된 외부 공기가 함께 연소노즐을 통해 배출되어 2차 연소된 후 다시 연료적재실로 유입되어 연료를 증발시킨다.
또한, 상기 1차 연소가스 흡입부에는 상기 고압공기 공급관과 연결된 공기증폭기 또는 벤추리관이 설치되어, 증발된 1차 연소가스를 흡입하고, 공급받은 외부 공기를 상기 연소노즐로 공급한다.

삭제

또한, 상기 연료적재실의 상부에는 연료 공급부에 의해 이송된 연료를 공급받는 연료공급실이 설치된다.
또한, 상기 연료공급실에는 연료량 감지부재를 구비한 연료량 감지센서가 설치되어, 연료의 양을 정해진 범위로 유지한다.

삭제

또한, 상기 연료지지부는 다공성 재료로 형성되어, 발생된 1차 연소가스를 상기 1차 연소가스 흡입부로 공급한다.

또한, 상기 1차 연소가스 흡입실의 하부에는 연소 시 발생된 재를 수납하는 재 회수부를 더 포함한다.

또한, 상기 연료지지부 하부에는 1차 연소가스의 흐름을 와류로 형성하기 위한 와류생성 부재를 더 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연소 장치에 1차 연소가스 흡입부를 구비하여, 숯의 연소속도를 촉진시키고 일산화탄소 가스를 대량 생산하여 연소속도를 고속으로 유지, 즉, 연료를 연소시키는 속도는 숯의 처리속도에 의하여 제어되므로, 작은 연소기로도 더 많은 연료를 연소시킬 수 있다.

또한, 연료적재실을 증발기 겸용으로 하여 연료가스를 대량 증발시키고, 이 연료가스를 별도의 연소노즐로 연소가스 흡입부를 통해 공급하여 연소노즐에 공급되는 연료가스의 양을 조절함으로써, 연소속도의 제어를 단순화할 뿐만 아니라 부하변동이 심한 고체연료를 사용하는 연소기에도 효율적으로 사용할 수 있게 되어 연소 장치의 소형화, 제조비용 절감 및 열효율 향상을 도모할 수 있다.

또한, 기존의 유류 또는 가스 연소기를 대체하여 보일러 및 증기보일러 등의 열기기에도 사용할 수 있음으로써, 저렴하며 탄산가스의 발생이 적은 친환경 신재생 에너지로의 전환을 용이하게 할 수 있다.

또한, 배기가스 배출부에 설치된 재 회수부로 재가 떨어지므로, 재의 수거를 용이하게 할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연소 장치를 구체적으로 설명한다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 연소 장치를 나타내는 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 연소 장치에 연료가 공급되는 상태를 나타내는 단면도이다.

또한, 도 2a에는 연소공기 및 연소가스의 흐름이 화살표로 표시되어 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 연소 장치의 연료적재실(70)은 공급된 연료(81)를 수용하며, 연료(81)를 증발시켜 1차 연소가스를 발생시킨다. 발생된 1차 연소가스는 연료적재실(70)의 일측에 설치된 1차 연소가스 흡입실(40)로 이동한다. 이러한 연료적재실(70)과 1차 연소가스 흡입실(40) 사이에는 연료지지부(60)가 설치되는데, 연료지지부(60)는 1차 연소가스 및 연소 시 발생되는 재의 이동이 원활화도록 다공성 재료로 형성된다.

1차 연소가스 흡입부(50)는 일단에 구비된 1차 연소가스 흡입구(51)와 타단에 구비된 연소노즐(52)을 포함한다. 여기서, 1차 연소가스 흡입구(51)를 1차 연소가스 흡입실(40)에 위치시켜 1차 연소가스를 흡입한 후, 외부공기 공급부(10)에서 공급된 외부공기와 함께 연소노즐(52)로 배출되어 2차 연소된다. 이후, 뜨거운 가스 및 연소 중인 가스는 다시 연료적재실(70)로 역류하여 유입되고, 연료공급실(80)을 통해 일부의 외부공기가 유입되면서 연료를 증발시킨다.

본 발명에 따른 연소 장치의 연료적재실(70)에는 외부공기의 흐름이 상당히 억제되고, 공기증폭기(53)에 의하여 1차 연소가스가 흡입되어 1차 연소가스 흡입부(50)를 통하여 연소노즐(52)로 공급된다. 이에 의해 연료 적재실(70)의 내부는 대기압보다 낮게 유지됨으로써, 2차 연소실(110)에서 연소 중이거나 연소가 완료된 뜨거운 가스가 역류하여 들어오게 된다. 따라서, 연료적재실(70)에는 산소가 충분하지 않아 본격적인 연소가 일어날 수는 없다. 다시 말하면 연료적재실(70)을 고온의 산소가 희박한 분위기를 만들어줌으로써, 연료의 증발을 촉진하되 연소를 억제하며, 특히 고온에서 산소의 공급을 제한함으로써, 숯의 완전연소를 억제하고 일산화탄소의 발생을 촉진하게 된다.

공기증폭기(53)를 작동시켜 1차 연소가스를 연소노즐(52)로 보내기 위하여 고압공기공급관(83)을 통하여 공급되는 외부공기는 1차 연소가스 흡입부(50)를 통하여 연소노즐(52)에 도달한다. 외부공기와 함께 도달한 1차 연소가스와 반응하여 2차 연소실(110)에서 연소가스를 연소시키게 된다. 이러한 연료적재실(70)은 다공성의 화격자와 같은 연료지지부(60)에 의하여 1차 연소가스 흡입실(40)과 분리되어 있어서 가스가 증발되고 남은 연료는 숯으로써 연료지지부(60) 상부에 쌓여있게 되며, 일산화탄소로 전환된 후에는 재만 남아서 1차 연소가스 흡입실(40)을 통과하여 재 회수부(30)로 낙하하게 된다.

여기서, 증발가스와 일산화탄소를 효과적으로 균일하게 혼합하여 공급할 수 있도록 연료지지부(60) 하부에는 1차 연소가스의 흐름을 와류로 만들기 위한 날개와 같은 와류 생성 부재(41)를 장치할 수 있다.

연소 초기에는 일산화탄소를 포함한 연소가스의 온도가 낮아 자연상태로는 2차 연소실(110) 내에서 연소가 원활하게 이루어지지 않는 경우가 있으며, 또한 초기 점화하는 수단이 필요한 바, 도면에는 표시되어 있지 않으나, 전기적 불꽃을 일으키는 점화장치 또는 석유류 등 다른 연료를 사용하는 점화불꽃 장치를 연소노즐(52) 부근에 설치하고, 연소기 전체가 정상적인 운전온도에 도달할 때까지 연속적으로 점화 불꽃을 발생시킴으로써, 시동에서부터 안정적으로 연소가 일어날 때까지 점화장치를 가동한다. 연료적재실(70)에 수용된 연료 더미 상부에는 연료공급실(80)을 통하여 외부공기가 유입되고, 2차 연소실(110)로부터 고온의 배기가스 또는 연소 중인 가스가 유입되어 연료적재실(70)에 쌓인 연료가 증발되며 일부가 연소되면서 더욱 고온으로 연료를 가열하여 증발가스를 다량으로 발생시키고, 가스가 다 증발하고 남은 숯은 표면연소를 하지만 산소가 부족하여 완전연소가 일어나지 못하므로, 다량의 일산화탄소를 발생시키면서 재로 변한다.

이때 연소가스 발생량을 좌우하는 것은 유입된 외부공기와 2차 연소실(110)로부터 공급된 고온의 가스의 양이며, 이 양은 전적으로 고압공기공급관(83)을 통하여 공급되는 공기의 양에 의하여 결정된다. 따라서 고압공기공급관(83)을 통하여 공급되는 공기의 양을 제어함으로써 연소속도를 제어할 수 있다.

이에 따라, 작은 면적의 연료적재실(70)로도 많은 양의 1차 연소가스를 발생시킬 수 있으므로, 연소 장치를 소형으로 제작하는 것이 가능하다. 또한, 외부공기 공급수단(10)으로 공급되는 공기의 양을 조절함에 따라 즉각적으로 증발하는 1차 연소가스의 양이 조절되므로 화력 조절이 매우 간단하게 이루어진다는 장점이 있다.

연료는 연료공급스크류와 같은 연료공급장치(100)에 의하여 연료공급실(80)로 공급되며, 상기 연료공급실(80)에 공급된 연료는 연료공급실(80) 하부에 열린 개구부(82)를 통하여 연료적재실(70)로 공급된다. 연료적재실(70) 내에 연료가 가득차게 되면 상기 연료공급실(80) 개구부(82)가 막히게 되고, 연료량 감지부재(90a)가 연료(81)와 접촉하게 되어 연료량 감지센서(90)가 작동한다. 연료량 감지센서(90)가 작동되면 그 신호에 의하여 연료공급장치(100)를 멈추게 된다. 따라서 연소과정에서 연료의 양을 별도로 제어할 필요가 없다.

본 발명에 따른 연소 장치는 외부 공기를 공급받아 증발된 연소가스를 흡입하여 연소노즐(52)로 공급하는 공기증폭기(53) 또는 벤추리관 등이 수용된 1차 연소가스 흡입부(50)를 포함한다. 또한, 1차 연소가스 흡입부(50)의 출구에 구비된 연소노즐(52)을 통하여 공급되는 1차 연소가스를 연소시키는 2차 연소실(110)을 포함한다. 연소 과정을 살펴보면, 먼저 연료적재실(70)에서 연료(81)가 1차로 연소되면서 다공성의 연료지지부(60)를 통해 1차 연소가스 흡입실(40)로 연소가스를 증발시킨다. 동시에 1차 연소가스가 증발하고 남은 연료(81)는 숯으로 변하여 계속 연소하게 되는데, 이때 표면연소 중인 숯에 공기의 공급을 늘리면 표면연소가 격렬하게 일어나면서 높아진 온도로 인하여 일산화탄소가(CO)가 대량으로 발생하게 된다. 이 일산화탄소(CO)와 1차 연소가스가 1차 연소가스 흡입부(50)를 통하여 연소노즐(52)에 공급되는데, 이것은 1차 연소가스 흡입부(50)에 설치된 공기증폭기(53) 또는 벤추리관 등에 의하여 흡입되면서 공기증폭기(53) 또는 벤추리관을 작동시키는 비교적 고압의 공기와 혼합되어 연소노즐(52)에서 격렬하게 연소하여 2차 연소실(110)로 이동된다.

본 발명의 실시예에 따른 연소 장치는 연료적재부(70)의 밑면에 화격자와 같은 연료지지부(60)가 설치되어 있고, 그 화격자를 관통하여 1차 연소가스 흡입부(50)가 설치되고, 1차 연소가스 흡입부(50)의 가스 토출구 측에는 연소노즐(52)이 장치되어 있다.

또한, 연료적재실(70)의 상부에는 연료 이송부에 의해 이송된 연료(81)를 연료투입부를 통해 공급받는 연료공급실(80)이 설치되며, 연료공급실(80)에는 연료량 감지부재(90a)를 구비한 연료량 감지센서(90)가 설치되어, 연료의 양을 정해진 범위로 유지한다.

또한, 1차 연소가스 흡입부(50)를 통하여 연소가스가 빨려나가므로 연료적재실(70) 내부는 대기압보다 약간 낮은 상태로 압력이 유지되므로, 연료투입부에는 연료(81)가 공급되는 방향으로 공기의 흐름이 유도되어 일부 외부 공기가 유입되는 통로가 되며 동시에 연료적재실(70) 내부의 연소가스가 역류되지 않게 된다.

이러한 연료적재실(70) 내로는 외부공기 외에 연소노즐(52) 측의 2차 연소실(110) 내에서 연소 중인 뜨거운 가스가 연료적재실(70)로 역류하여 뜨거운 열로 연료의 증발을 촉진하는 역할을 하게 된다. 연료적재실(70)의 하부는 다공성 재료로 화격자를 형성하여 발생된 1차 연소가스를 연소가스 흡입부(50)로 공급한다. 1차 연소가스 흡입부(50)의 일단에 형성된 1차 연소가스 흡입구(51)가 연료지지부(60)의 하단에 설치되며, 1차 연소가스 흡입부(50)의 타단은 연료지지부(60)를 관통하여 연료적재실(70)을 지나 연소노즐(52)을 통하여 2차 연소실(110)로 연결된다. 또한, 상기 연료지지부(60) 하단에는 재 회수부(30)가 설치되어 연료적재실(70)에서 떨어지는 재가 재 이동통로(30a)를 지나 재 회수부(30)로 이동된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 고체연료 연소 장치를 나타내는 단면도.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 연소 장치를 나타내는 단면도.

도 2b는 도 2a의 연소 장치에 연료가 공급되는 상태를 나타내는 단면도.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

40 : 1차 연소가스 흡입실 50 : 1차 연소가스 흡입부

51 : 1차 연소가스 흡입구 52 : 연소노즐

53 : 공기증폭기 60 : 연료지지부

70 : 연료적재실 80 : 연료공급실

Claims

상부에 설치된 연료공급실(80)로부터 공급된 연료를 수용하며, 연료를 증발시켜 1차 연소가스를 발생시키는 연료적재실(70),

상기 연료적재실(70)의 일측에 설치되어 상기 1차 연소가스가 이동하는 1차 연소가스 흡입실(40),

상기 연료적재실(70)과 상기 1차 연소가스 흡입실(40) 사이에 설치되는 연료지지부(60),

일단에 구비된 1차 연소가스 흡입구(51), 타단에 구비된 연소노즐(52), 중간에 공기증폭기(53)를 구비한 1차 연소가스 흡입부(50)를 포함하되,

상기 공기증폭기(53)에는 공급되는 공기의 양을 제어하여 연소속도를 제어하는 고압공기공급관(83)을 연결하고,

상기 1차 연소가스 흡입구(51)를 상기 1차 연소가스 흡입실(40)에 위치시켜 1차 연소가스를 흡입한 후, 외부공기공급부(10)에서 공급된 외부공기에 의하여 연료를 증발시켜 상기 연소노즐(52)에서 2차로 연소시키는 것을 특징으로 하는 연소장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 연료공급실(80)에는 연료량 감지부재(90a)를 구비한 연료량 감지센서(90)가 설치되어, 연료의 양을 정해진 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 연료지지부(60)는 다공성 재료로 형성되어, 발생된 1차 연소가스를 상기 1차 연소가스 흡입부(50)로 공급하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
제1항에 있어서,

상기 1차 연소가스 흡입실(40)의 하부에는 연소 시 발생된 재를 수납하는 재 회수부(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
제1항에 있어서,

상기 연료지지부(60) 하부에는 1차 연소가스의 흐름을 와류로 형성하기 위한 와류생성 부재(41)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.