KR101029046B1 - 가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치 - Google Patents

가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스발생장치에서 바이오매스 연료를 건류하여 발생되는 가스를 완전 연소시킬 수 있는 가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치에 관한 것으로서, 가스버너에 있어서, 가스 유입관으로부터 유입된 가스는 상기 연소공간 내에서 상기 제1의 원통형 연소관의 타측 방향으로 분사되고, 상기 공기 공급부는 상기 제1의 원통형 연소관을 감싸도록 마련되어 있으며, 상기 공기 공급부와 상기 제1의 원통형 연소관 사이에는 산소를 공급하기 위한 통기공이 마련되어 있고, 상기 통기공은 상기 가스가 흐르는 방향의 분력과 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 상기 일정 두께를 갖는 제1의 원통형 연소관의 동일 원주상에 등간격으로 2개 이상이 뚫려 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스버너는 오염물질배출을 최소화하면서 연소효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
바이오매스, 가스발생장치, 가스버너, 통기공, 공기공급실

Description

가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치{Gas burner and dry distillation system for biomass fuel using thereof}
본 발명은 미래의 대체에너지 중의 하나인 바이오매스 연료를 이용한 바이오매스 연료 처리장치의 가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스발생장치에서 바이오매스 연료를 건류하여 발생되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 결합한 합성가스(synthesis gas) 혹은 바이오 합성가스(bio-synthesis gas)를 완전 연소시킬 수 있는 가스버너 및 그 가스버너를 사용한 바이오매스 연료 처리장치에 관한 것이다.
지구환경에 대한 오염이 증가하면서 지구온난화, 각종 유해물질의 증가 등과 같은 환경문제가 국가적인 차원을 넘어 중요한 국제적 현안으로 대두되었다.
2000년대에 들어오면서 지구온난화 방지를 위한 화석연료, 대체, 재생가능 에너지와 제품의 개발이라는 측면에서 바이오매스(Biomass)의 개발과 이용이 중시되어오고 있다. 즉 자연 순환식인 시스템의 구축을 통해 각종 폐기물과 잔유물질 등을 처리하고 이를 통해 순환사회의 구축, 나아가 환경적으로 건전한 농업과 농촌 구현이라는 목표의 실현 등을 위해 나무, 곡물, 식물, 가축분뇨, 농작물과 각종 음 식물쓰레기 등을 의미하는 바이오매스에 대한 관심이 고조되고 있다.
우리나라의 경우에도 에너지의 안정적 확보, 지구온난화 대응 등의 문제에 심각하게 당면하고 있으며, 이의 대처수단으로서 바이오매스를 중시하지 않을 수 없는 상황이다. 그럼에도 불구하고 우리나라는 여전히 바이오매스를 연료로의 전환이 활성화되지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명자는 바이오매스를 열화학적으로 전환하여 열분해 가스화(gasification)하는 가스발생장치를 발명한 바 있다.
이 가스발생장치는 원판형 밸브가 마련된 상방 연료투입구를 통해 보온층과 내화층이 마련된 가스 발생로(爐)에 바이오매스를 투입하고, 가스 발생로 내에 투입된 바이오매스는 하방측 공기유입구에 부착된 송풍기를 통해 산소가 소량 공급되는 상태 또는 완전히 차단한 상태에서 위쪽 문을 통해 별도의 점화수단에 의하여 점화시키고, 상당히 고온으로 열 분해하여 일차적으로 생성된 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 결합한 합성가스(synthesis gas) 혹은 바이오 합성가스가 가스 배출관을 통해 배출되고, 이 가스는 버너를 통해 전기와 열을 생산하는데 이용된다.
그러나 상기와 같이 종래의 바이오매스 에너지 전환시설에 사용중인 가스버너는 천연가스나 다른 연료의 연소에 맞게 설계된 버너를 사용하고 있다.
이와 같은 버너는 바이오매스 연료로부터 건류된 수소와 일산화탄소가 결합된 합성가스를 사용할 경우 불완전한 연소가 이루어지게 되므로 호흡기 계통의 장해를 유발하는 이산화질소를 배출하게 된다.
이와 같이 바이오매스 연료를 사용하여 발생되는 가스를 사용하기 위해서는 대기 오염물질을 최소화하면서 연소효율을 극대화시킬 수 있는 가스버너의 보급이 절실이 요구되고 있으나 현재로서는 대단히 미흡한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오매스 연료의 가스화공정에서 만들어지는 가연성 가스 혹은 바이오 가스를 완전 연소시킬 수 있는 최적의 버너를 제공하여 오염물질의 배출을 최소화하면서 연소효율을 극대화시킬 수 있는 가스버너를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오매스 연료 처리장치용 가스버너는 가스발생장치에서 바이오매스 연료를 건류하여 발생되는 가스를 연소시키는 가스버너에 있어서, 일정 두께를 가지며, 내부에서 상기 가스를 연소시키기 위한 연소공간을 제공하는 제1의 원통형 연소관과, 상기 가스발생장치에서 발생된 상기 가스를 공급받기 위해 상기 제1의 원통형 연소관의 일측에 마련된 가스 유입관과, 상기 가스 유입관으로부터 유입되는 가스를 연소시키기 위해 산소를 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 가스 유입관으로부터 유입된 가스는 상기 연소공간 내에서 상기 제1의 원통형 연소관의 타측 방향으로 분사되고, 상기 공기 공급부는 상기 제1의 원통형 연소관을 감싸도록 마련되어 있으며, 상기 공기 공급부와 상기 제1의 원통형 연소관 사이에는 산소를 공급하기 위한 통기공이 마련되어 있고, 상기 통기공은 상기 가스가 흐르는 방향의 분력과 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 상기 일정 두께를 갖는 제1의 원통형 연소관의 동일 원주상에 등간격으로 2개 이상이 뚫려 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 상기 동일 원주와 인접한 원주상에 상기 가스가 흐르는 방향의 분력과 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력과는 반대 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 등간격으로 뚫려진 2개 이상의 통기공을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 상기 가스가 흐르는 방향의 분력은 45∼75°의 방향이고, 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력은 상기 제1의 원통형 연소관의 중심선으로부터 10∼20° 기울어진 방향인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 상기 통기공은 2∼60개인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 상기 제1의 원통형 연소관의 재질은 캐스터블인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 상기 연소공간을 이루는 상기 제1의 원통형 연소관의 선단에 제2의 원통형 연소관이 결합된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 있어서, 제2의 원통형 연소관의 재질은 캐스터블인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스버너를 사용한 바이오매 스 연료 처리장치는 보온층과 내화층이 구비된 가스발생로와, 상기 가스발생로의 상방에 마련된 연료투입구와, 상기 연료투입구를 통해 상기 가스발생로에 투입된 바이오매스를 점화시키고 연소된 재를 처리하기 위한 재처리 문과, 상기 가스발생로내의 하부측에 마련된 공기유입구에 연결되어 산소를 공급하기 위한 송풍기와, 상기 가스발생로 내에 투입된 바이오매스 연료를 고온으로 열 분해하여 일차적으로 생성된 합성가스를 배출하는 가스배출관과, 상기 가스배출관에 연결된 상기 특허청구범위 제3항 기재의 가스버너를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바이오매스 연료 처리장치에 있어서, 상기 가스버너에 공급되는 공기는 상기 송풍기에서 동시에 공급하는 것을 특징으로 한다.
바이오매스 연료를 건류하여 발생한 가스를 사용하는 본 발명에 따른 가스버너는 바이오매스 연료로부터 발생되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 결합한 합성가스 혹은 바이오 합성가스를 완전 연소시킬 수 있어 대기 오염물질의 배출을 최소화할 수 있고, 호흡기계통의 질병을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 의하면, 연소효율이 좋아져 지구 온난화의 영향을 줄일 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스버너에 의하면, 바이오매스 연료 이용을 촉진시킬 수 있으며, 미래형 바이오 에너지 시스템의 구축과 발전에 기여할 수 있는 등의 효과도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 바이오매스 연료 처리장치에 사용되는 가스발생장치(10)에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 바이오매스 연료 처리장치에 사용되는 가스발생장치(10)는 도 1에 도시한 바와 같이 원판형 밸브가 마련된 상방 연료투입구(11)를 통해 도시되지 않은 보온층과 내화층이 마련된 가스발생로(爐)(12)에 연료투입구(11)를 통하여 바이오매스 연료를 투입하고, 가스 발생로 내에 투입된 바이오매스 연료는 하부에 마련된 공기유입관에 부착된 송풍기(13)를 통해 산소를 소량 공급하거나 완전히 차단한 상태에서 위쪽 문(14)을 통해 도시되지 않은 점화수단에 의하여 점화시키면, 고온에서 열 분해하여 일차적으로 생성된 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 결합한 합성가스(synthesis gas)를 가스 배출관(15)을 통해 배출한다.
그리고 상기 가스배출관(15) 선단에는 가스발생로(12)에서 열분해하여 발생된 연기와 합성가스를 배출하기 위한 3방향으로 트인 "ㅓ"자형 가스도관(20)이 연결되어 있고, 가스배출관(15)보다 상부의 가스도관(20)에는 바이오매스 연료의 초기 점화시 가스발생로(12)에서 발생된 연기를 배출하고, 정상 건류시 발생되는 합성가스의 유출을 막기 위한 전동식의 제1 개폐기(21)가 설치되어 있고, 상기 가스배출관(15)보다 하부의 가스도관(20)에는 바이오매스 연료의 초기 점화시 가스발생로(12)에서 발생된 연기의 유입은 막고 정상 건류시 발생되는 합성가스의 유출을 허용하는 전동식의 제2 개폐기(22)가 설치되어 있다.
바이오매스 연료의 초기 점화시에는 제1 개폐기(21)는 열고 제2 개폐기(22) 는 닫아서 연기를 외부로 배출하고, 정상 건류시에는 초기 점화시와 반대로 제1 개폐기(21)는 닫고 제2 개폐기(22)는 열어서 가스발생로(12)에서 발생된 합성가스를 가스버너(30)쪽으로 공급하도록 한다.
상기 가스도관(20)의 수직 하단에는 상기 가스가 공급되는 가스버너(30)가 연결되어 있다.
가스버너(30)의 하부에는 공기가 가스버너(30)의 내부로 유입시키는 공기공급관(16)이 마련되어 있고, 가스발생로(12)에 공기를 공급하는 송풍기(13)에 연결되어 있다. 여기서 사용되는 송풍기는 고압 다단 송풍기(50 또는 60㎐, 220 또는 380V, 0.75Kw)를 사용하고, 최대 풍량은 510∼600㎥/h이고, 최대 정압은 260∼352㎜Ag인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 바이오매스 연료 처리장치의 가스발생장치(10)에서 발생된 합성가스를 연소시키는 가스버너(30)의 제1 실시예에 대해 도 2 내지 도 5에 따라 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스버너의 단면도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 가스버너의 통기공 부분을 확대한 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 가스버너의 통기공 부분에 따라 절단한 단면도로서, 도 5(a)는 도 4의 B-B선 단면도이고, 도 5(b)는 도 4의 C-C선 단면도이다.
가스버너(30)는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 원통형의 형상을 갖는 제1의 원통형 연소관(33)을 가지고 있으며, 제1의 원통형 연소관(33)의 내부는 가스발 생장치(10)로부터 공급되는 합성가스를 연소시키기 위한 연소공간을 이루게 된다.
가스버너(30)의 일측 상부에는 가스발생장치(10)로부터 가스도관(20)을 통하여 공급되는 가스를 공급받기 위해 가스도관(20)에 연결되는 가스유입관(31)이 제1의 원통형 연소관(33)에 마련되어 있고, 제1의 원통형 연소관(33)의 타측의 둘레에는 제1의 원통형 연소관(33)의 내부에 산소를 공급하기 위한 공기공급실(37)이 마련되어 있으며, 또한 공기공급실(37)에 공기를 공급하기 위한 공기유입관(34)이 마련되어 있다.
그리고 제1의 원통형 연소관(33)의 일측 끝 부분에는 가스버너(30)를 고정구조물에 고정시키기 위한 고정관(35)이 마련되어 있다.
이하에서는 공기공급실(37)에서 제1의 원통형 연소관(33)의 내부 즉, 연소공간으로 공기를 불어넣기 위한 통기공(32)에 대해 상세히 설명한다.
제1의 원통형 연소관(33)은 도 4에서 보는 바와 같이 그 내부가 일정 두께의 제1의 캐스터블 내화재(36)로 되어 있다.
제1의 원통형 연소관(33)의 내부 즉, 연소공간에 공기를 불어넣기 위해 공기공급실(37)과 연소공간 사이의 제1의 캐스터블 내화재(36)에 통기공(32)이 뚫려 있다.
이 통기공(32)의 뚫린 방향은 도 4에서 보는 바와 같이 가스가 흐르는 방향(D)으로 기울어져 있으며, 제1의 원통형 연소관(33)의 중심축(O)과 45∼75°의 각을 갖고, 또한 도 4에서 보는 바와 같이 제1의 원통형 연소관(33)의 접선 방향으로 기울어져 있으며, 제1의 원통형 연소관(33)의 원주와 중심축(O) 사이를 이루는 직선(원의 지름)과 10∼20°의 각을 갖고 있다. 통기공(32)의 뚫린 방향과 제1의 원통형 연소관(33)의 중심축(O)이 이루는 각은 60°가 더욱 바람직하고, 통기공(32)의 뚫린 방향과 제1의 원통형 연소관(33)의 원주와 중심축(O) 사이를 이루는 직선이 이루는 각은 15°가 더욱 바람직하다.
즉, 통기공은 가스가 흐르는 방향의 분력과 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 일정 두께를 갖는 제1의 원통형 연소관의 동일 원주상에 등간격으로 다수개가 뚫려져 있다.
이와 같은 통기공(32A1∼32An)은 제1의 원통형 연소관(33)의 동일 원주상에 2개 이상이 동일간격으로 뚫리고, 60개 정도까지 뚫는 것이 가능하며, 가스버너(30)의 크기가 초대형인 경우에는 이를 초과하여 뚫는다.
이와 같이 공기공급실(37)에서 제1의 원통형 연소관(33)의 내부로 불어넣는 공기를 가스가 흐르는 방향과 제1의 원통형 연소관(33)의 원주방향의 벡터적인 방향으로 불어넣음으로써, 공기가 가스의 흐름방향(D)과 같은 방향을 이루면서 잘 혼합되도록 한다.
또한, 통기공(32B1∼32Bn)은 통기공(32A1∼32An)이 제1의 원통형 연소관(33)의 접선 방향으로 기울어져 뚫린 방향과는 반대 방향으로 뚫린다.
이와 같은 통기공(32B1∼32Bn)을 마련함으로써, 통기공(32A1∼32An)을 통해 불어넣어진 공기와 가스가 1차 회오리를 일으키도록 혼합된 상태에서 통기공(32B1∼32Bn)을 통해 불어넣어진 공기가 반대 방향으로 회오리를 일으키도록 혼합되므로 가스와 공기는 완전하게 잘 혼합된다.
가스유입관(31)으로부터 유입된 가스와 제1의 원통형 연소관(33)의 둘레방향으로 등 간격을 유지하여 2열로 형성된 다수의 통기공(32)을 통해 유입된 공기와 혼합된 가스에 도시하지 않는 점화기로 점화시킴으로써, 공기가 잘 혼합된 가스는 산소 부족으로 미연소되는 가스가 발생되지 않게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 가스버너(40)의 제2 실시예에 대해 도 6에 따라 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가스버너의 제2 실시예는 도 6에서 보는 바와 같이 제1 실시예에 의한 가스버너(30)의 선단에 원통형의 제2 캐스터블 내화재로서 제2의 원통형 연소관(38)을 마련하고 있다.
이와 같이 제2의 원통형 연소관(38)을 갖는 제2 실시예에 의한 가스버너(40)는 제1의 원통형 연소관(33) 내부의 연소공간에서 가스가 연소될 때보다 연소열을 높일 수 있게 된다.
연소열이 높아짐으로써, 가스발생장치(10)에서 발생된 가스에 포함된 타르 등의 물질을 완전 연소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미연소 가스의 발생을 더욱 줄일 수 있게 되어 공해발생을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 바이오매스 연료의 가스화공정에서 만들어지는 가연성 가스 혹은 바이오 가스를 완전 연소시킬 수 있는 최적의 버너를 제공하여 대기 오염물질배출을 최소화하면서 연소효율을 극대화시킬 수 있는 가스버너로서 사용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 연료를 건류시키는 가스발생장치 및 가스버너를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스버너의 단면도
도 3은 도 2의 A-A 선의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 가스버너의 통기공 부분을 확대한 단면도
도 5는 본 발명에 따른 가스버너의 통기공 부분에 따라 절단한 단면도로서, 도 5(a)는 도 4의 B-B선 단면도이고, 도 5(b)는 도 4의 C-C선 단면도
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스버너의 단면도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 가스발생장치 12 : 가스발생로
13 : 송풍기 15 : 가스배출관
20 : 가스도관 30 : 가스버너
31 : 가스유입관 32 : 통기공
33 : 제1의 원통형 연소관 34 : 공기유입관
36 : 제1 캐스터블 37 : 공기공급실
38 : 제2의 원통형 연소관

Claims (9)

  1. 가스발생장치에서 바이오매스 연료를 건류하여 발생되는 가스를 연소시키는 가스버너에 있어서,
    일정 두께를 가지며, 내부에서 상기 가스를 연소시키기 위한 연소공간을 제공하는 제1의 원통형 연소관과,
    상기 가스발생장치에서 발생된 상기 가스를 공급받기 위해 상기 제1의 원통형 연소관의 일측에 마련된 가스 유입관과,
    상기 가스 유입관으로부터 유입되는 가스를 연소시키기 위해 산소를 공급하는 공기 공급부를 포함하고,
    상기 가스 유입관으로부터 유입된 가스는 상기 연소공간 내에서 상기 제1의 원통형 연소관의 타측 방향으로 분사되고,
    상기 공기 공급부는 상기 제1의 원통형 연소관을 감싸도록 마련되어 있으며, 상기 공기 공급부와 상기 제1의 원통형 연소관 사이에는 산소를 공급하기 위한 통기공이 마련되어 있고, 상기 통기공은 상기 가스가 흐르는 방향의 분력과 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 상기 일정 두께를 갖는 제1의 원통형 연소관의 동일 원주상에 등간격으로 2개 이상이 뚫려 있는 것을 특징으로 하는 가스버너.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동일 원주와 인접한 원주상에 상기 가스가 흐르는 방향의 분력과 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력과는 반대 방향의 분력이 벡터적으로 합해지는 방향으로 공기가 분사되도록 등간격으로 뚫려진 2개 이상의 통기공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스버너.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가스가 흐르는 방향의 분력은 45∼75°의 방향이고, 상기 제1의 원통형 연소관의 접선 방향의 분력은 상기 제1의 원통형 연소관의 중심선으로부터 10∼20° 기울어진 방향인 것을 특징으로 하는 가스버너.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 통기공은 2∼60개인 것을 특징으로 하는 가스버너.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1의 원통형 연소관의 재질은 캐스터블인 것을 특징으로 하는 가스버너.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연소공간을 이루는 상기 제1의 원통형 연소관의 선단에 제2의 원통형 연소관이 결합된 것을 특징으로 가스버너.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2의 원통형 연소관의 재질은 캐스터블인 것을 특징으로 하는 가스버너.
  8. 보온층과 내화층이 구비된 가스발생로와,
    상기 가스발생로의 상방에 마련된 연료투입구와,
    상기 연료투입구를 통해 상기 가스발생로에 투입된 바이오매스를 점화시키고 연소된 재를 처리하기 위한 재처리 문과,
    상기 가스발생로내의 하부측에 마련된 공기유입구에 연결되어 산소를 공급하기 위한 송풍기와,
    상기 가스발생로 내에 투입된 바이오매스 연료를 고온으로 열 분해하여 일차적으로 생성된 합성가스를 배출하는 가스배출관과,
    상기 가스배출관에 연결된 상기 특허청구범위 제3항 기재의 가스버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 처리장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가스버너에 공급되는 공기는 상기 송풍기에서 동시에 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 처리장치.
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