KR101051366B1 - 건류가스를 이용한 보일러 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기물 고형화 연료(RDF, Refuse Derived Fuel)로부터 건류가스를 생성한 후 건류가스의 연소열을 이용하여 열매체를 가열하는 보일러 시스템으로서, 건류가스의 생성효율이 높고, 건류가스 연소시에 소요되는 버너 연료의 양을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 건류가스의 연소 안정성을 높여 배출가스에 분진이나 인체에 유해한 성분이 포함되는 것을 최소화할 수 있는 보일러 시스템에 관한 것이다.

RDF, 건류가스, 보일러

Description

건류가스를 이용한 보일러 시스템 {BOILER SYSTEM USING DRY DISTILLATION GAS}

본 발명은 가연성 폐기물을 이용한 보일러 시스템으로서, 보다 구체적으로는 RDF(Refuse Derived Fuel)라고 불리는 폐기물 고형화 연료를 저온에서 연소시켜 건류가스를 생성하고 건류가스의 연소를 통해 열매체를 가열하는 보일러 시스템으로서, 고형화 연료의 연소에 의한 분진과 유해 가스의 배출을 최소화하고, 건류가스의 연소시에 소요되는 버너용 중유와 같은 연료의 소모를 줄일 수 있는 보일러 시스템에 관한 것이다.

RDF(Refuse Derived Fuel)는 가연성 폐기물로부터 만들어지는 연료로서, 그 제조과정에서 다이옥신과 같은 발암물질을 발생시키는 물질인 PVD, 수분, 불에 타지 않는 철이나 알루미늄 캔 등을 제거하여 선별된 가연성 폐기물을 고형화시킨 연료이다.

RDF는 성형 형태에 따라 펠렛(pellet) 타입의 RDF와 미성형 형태의 플르푸 타입 RDF로 구분되는데, 이와 같은 고형화연료를 사용하게 되면 여러 가지의 종류가 혼합된 폐기물을 단순히 소각할 때보다 훨씬 높고 고른 발열량을 얻을 수 있고 다이옥신 등의 발암물질 배출을 줄일 수 있을 뿐 아니라 폐기물의 매립량을 줄여 폐기물 매립에 따른 여러 문제를 제거할 수 있다. 이와 같이 고형화연료는 에너지 효율성과 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 이점이 있어 최근 이를 활용하기 위한 많은 연구가 행해지고 있다.

한편, RDF를 보일러의 연료로 활용하고자 할 경우, RDF의 직접적인 연소를 통한 에너지 회수 시에는 직접 연소시에 발생하는 다량의 분진과 유해성 가스로 인해 보일러에 후속 집진 설비를 설치해야 하는 등의 설비상의 부담이 크다. 이에 따라 RDF를 밀폐된 공간에서 저온으로 가열하여 H₂, CO, H₂O 등으로 이루어진 건류가스를 형성하고 이 건류가스의 연소를 통해 보일러를 가동하는 방법이 고려된다.

그런데, 종래에 알려진 건류가스의 생성방법에 의하면, RDF의 연소에 따라 발생하는 재(ash)의 관리가 원활하게 이루어지지 못해 건류가스의 생성효율이 크게 떨어지는 문제가 있다.

또한, 건류가스 생성장치로부터 발생한 건류가스를 보일러를 가동하기 위해 연소시킬 경우, 건류가스 및 공기를 포함하는 혼합가스를 발화점 이상으로 유지하여야 하며, 이때 중유와 같은 화석연료를 사용하는 버너를 사용하게 되는데, 건류가스의 연소용 버너에 소요되는 연료의 양이 상당할 뿐 아니라, 버너를 잘 관리하지 못할 경우 실화 또는 불완전 연소가 늘어나 연소효율도 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 건류가스를 이용하는 보일러에 있어서 건류가스의 발화에 사용되는 버너의 연료를 절약할 수 있을 뿐 아니라, 건류가스를 안정적으로 연소시킬 수 있어 열효율을 높이고 미연소에 따른 유해가스의 방출을 최소화할 수 있는 보일러 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명의 다른 과제는 건류가스의 생산성을 개선할 수 있는 건류가스 생성장치를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 고형화연료로부터 건류가스를 생성시키는 건류가스 생성장치와 이에 의해 생성된 건류가스를 연료로 이용하는 보일러로 이루어진 시스템으로서, 상기 보일러는 일측이 개방된 격벽을 통해 연소실과 열교환실로 분리되어 있는 본체와, 상기 열교환실에 배치되어 상기 연소실에서 연소된 연소가스의 열을 교환하는 열교환기와, 상기 연소실에 배치되어 상기 건류가스를 발화시키는 버너을 포함하며, 상기 연소실은 내부에 가스를 통과시킬 수 있는 하나 이상의 구멍이 형성되어 있는 연소실격벽에 의해 제 1 및 제 2 연소실로 구획되어 있고, 상기 버너는 상기 제 1 연소실에 배치되어 있으며, 상기 연소실격벽은 상기 제 1 연소실에 도입된 낮은 온도의 건류가스가 급격히 제 2 연소실에 유입되는 것을 방지함과 동시에, 상기 1 이상의 구멍을 통과시 건류 가스의 온도를 높여 제 2 연소실에서 안정적으로 연소될 수 있도록 하는 것을 특징으로 건류가스를 이용한 보일러 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 보일러 시스템을 구성하는 보일러의 연소실은 가스가 통과할 수 있는 구멍이 형성되어 있는 연소실격벽을 통해 2개의 연소실로 구분되는데, 상기 연소실격벽은 상기 버너에 의해 연소가 되면 그 연소열에 의해 가열된 상태가 되어, 제 1 연소실에 도입된 낮은 온도의 건류가스가 연소실격벽의 작고 긴 구멍을 통과할 때 높은 온도가 되어 자연 발화가 되도록 함으로써, 계속적으로 버너를 가동하지 않아도 연소가 될 수 있도록 함으로써, 버너에 가동에 소요되는 연료를 줄일 수 있게 한다.

또한, 상기 연소실격벽은 제 1 연소실에 도입된 낮은 온도의 건류가스와 공기의 혼합가스가 연소실에 도입될 때 발생하는 연소실 내의 급격한 온도 저하를 막아 제 2 연소실에서 건류가스가 안정적으로 연소되도록 하여 완전연소율을 높일 수 있게 한다.

상기 연소실격벽은 연소실 내의 연소 온도에 견딜 수 있으며 가열된 후 열이 오랫동안 유지될 수 있으면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 바람직하게는 캐스트블 내화물이나, 또는 점토질 내화벽돌, 경점토질 내화벽돌, 고알루미나 내화벽돌 등의 내화벽돌을 사용한다.

또한, 본 발명은 상기 다른 과제를 달성하기 위한 수단으로, 고형화연료로부터 건류가스를 생성시키는 건류가스 생성장치와 이에 의해 생성된 건류가스를 연료로 이용하는 보일러로 이루어진 시스템으로서, 상기 건류가스 생성장치는 일 측에 고형화연료를 투입할 수 있는 투입구가 형성되어 있는 본체와, 내부에 냉각매체가 흐르며 상호 이격되게 배치되는 다수의 파이프로 이루어지며 상기 본체의 하부와 이격되게 배치되는 화상(火床)과, 상기 화상의 상부에 설치되어 고형화연료의 재를 화상의 아래로 떨어뜨리는 스크래퍼와, 상기 화상의 하부에 배치된 버너와, 상기 화상의 하부에 배치된 송풍장치와, 상기 화상의 상부에 배치되어 건류가스를 포집하여 배출하여 건류가스 배출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 건류가스를 이용한 보일러 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 보일러 시스템을 구성하는 건류가스 생성장치는, 화상의 상부에 스크래퍼를 배치하여 화상에 적층되어 연소되는 고형화연료 중에서 연소 후 재(ash)가 된 것을 긁어내어 화상의 아래로 떨어뜨림으로써, 고형화연료에 공기가 충분히 공급되어 건류가스의 생성이 촉진되도록 한다.

상기 스크래퍼는 상기 본체의 일측에 배치된 액추에이터와, 상기 액추에이터의 구동축에 설치된 다수의 긁개로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 보일러 시스템은 연소실격벽을 통해 제 1 및 제 2 연소실로 구분하고, 제 1 연소실에 도입된 건류가스가 연소실격벽에 의해 온도가 높아지 상태로 제 2 연소실에 도입되도록 함으로써, 버너의 사용시간을 크게 줄여 버너의 가동에 소요되는 연료를 크게 줄일 수 있다.

또한, 상기 연소실격벽은 낮은 온도의 건류가스 및 공기의 혼합가스가 연소실에 급격하게 유입될 때 발생하는 실화 또는 불완전 연소를 줄여 연소의 안정성을 높여 열효율을 개선하고 배기가스 중의 분진이나 유해성분을 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 보일러 시스템을 구성하는 건류가스 생성장치는 화상의 상단에 고형화 연료의 연소에 따라 잔존하는 재를 제거하기 위한 스크랩퍼를 배치함으로써, 주기적으로 재를 화상의 아래로 제거하여 건류가스의 생성효율을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 "포함한다"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 건류가스를 이용한 보일러 시스템을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템을 구성하는 건류가스 생성장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템을 구성하는 보일 러의 단면도이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템(10)은 크게 건류가스 생성장치(100)와 생성된 건류가스를 연소시켜 그 열로 온수를 생성하는 보일러(200)로 이루어져 있으며, 상기 두 장치(100,200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 측면에서 볼 때, 2점 쇄선을 경계로 2개의 장치가 병렬로 배치되어 하나의 하우징에 수용되어 일체화된 시스템으로 이루어져 있다.

상기 건류가스 생성장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(110)와, 이 본체(110)의 내부에 양 단부는 상기 본체(110)에 대해 경사지게 배치되고 중앙부는 수평이 되도록 배치된 화상(120)과, 상기 본체에 고형화연료(RDF)를 투입하는 RDF투입장치(130)와, 상기 본체(110)의 일측 하부에 배치되어 상기 화상(120)의 하부에 점화용 열을 제공하는 점화버너(140)와, 상기 화상(120)의 하부에 연소용 공기를 제공하는 송풍용배관(150)과, 상기 화상(110)의 상부에 설치되어 재를 긁어내는 스크랩퍼(160)와, 상기 본체 내부의 상부에 설치되어 생성된 건류가스를 포집하기 위한 건류가스 포집수단(170)으로 이루어진다.

상기 본체(110)는 내부에 공간이 형성되어 있는 길이가 긴 직육면체의 형상으로 이루어지며, 외벽(111)은 철강재로 이루어지고 외벽의 내면에는 캐스터블 내화재로 마감되어 있어, 본체 내부의 열이 외부로 쉽게 방출되지 않도록 되어 있다. 또한 상기 본체(110)는 바닥에서 소정 간격을 두고 이격되도록 지지각(112)에 의해 지지되며, 외벽(111)의 상면에는 본체의 내부 상황을 점검하기 위한 점검창(113)과 고형화연료를 투입하기 위한 투입구(114)가 형성되어 있다. 또한 외벽(111)의 우측 하부에는 상기 점화버너(140)를 설치하기 위한 버너설치구(115)가 형성되어 있고, 좌측 하부에는 스크랩퍼(160)를 설치하기 위한 스크랩퍼설치구(116)가 형성되어 있으며, 우측 상단부에는 생성된 건류가스를 배출하기 위한 배출구(117)가 형성되어 있다.

상기 화상(火床)(120)은 도 3에 도시된 바와 같이, 길이방향으로 길게 형성된 파이프(121)를 평행하게 병렬로 간격을 두고 배치(미도시)하여 평평한 바닥을 이루도록 한 것으로서, 상기 각각의 파이프의 내부에는 냉각수가 흐르도록 되어 있어 열에 의해 파이프가 손상되는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다. 상기 각각의 파이프(121)는 좌측단부는 하부로 경사지게 굴곡되어 외벽(111)에 고정되고 우측단부는 그 하부에 점화버너(140)가 설치되고 투입된 RDF가 화상의 중앙부로 흘러내려갈 수 있도록 상부로 경사지게 굴곡되어 외벽(111)에 고정되는 형태로 되어 있다. 병렬로 배열된 복수개의 파이프(121)는 상호 일정 간격 이격되게 되어 있어 하부로부터 연소에 필요한 공기가 공급될 수 있으며 동시에 연소된 고형화연료의 재(ash)가 화상(120)의 하부로 떨어져 제거될 수 있도록 되어 있다.

상기 RDF투입장치(130)는 펠릿(pellet)형태의 RDF를 저장할 수 있는 호퍼(131)와, 상기 호퍼(131)의 하부를 개폐시키는 개폐구(132)와, 상기 개폐구(132)를 회동시켜 개폐시키는 공지의 개폐장치(133)으로 이루어진다.

상기 점화버너(140)는 중유를 분사하고 불꽃을 발생시켜 점화하는 공지의 점화장치(141)로 이루어진다. 그리고 이 점화버너(140)는 고형화연료에 발화가 이루 어져 자연적인 연소가 될 수 있는 상황이 되면 점화를 종료하게 된다.

상기 송풍용배관(150)은 고압송풍장치(미도시)로부터 강제 송풍되는 공기를 화상(120)의 하부에 불어넣기 위한 것으로, 송풍용배관(150)의 상부에는 다수의 송풍구(151)가 형성되어 있다.

상기 스크랩퍼(160)는 상기 본체의 스크랩퍼설치구(116)의 외측에 설치된 유압실린더(161)와 상기 유압실린더(161)의 실린더 축(162)에 부착되어 수평으로 넓게 배치된 다수의 긁개(163)으로 이루어져 있다.

상기 건류가스 포집수단(170)은 다수의 포집관(171)를 수평으로 배열하고 일 단부를 하나의 통합관으로 연결한 것으로 상기 포집관(171)의 하부에는 다수의 포집구(172)가 형성되어 있어, 본체의 내부에 생성되어 압력이 높아진 건류가스가 상기 포집구(172)를 통해 포집되어 외부로 배출될 수 있도록 되어 있다.

상기 보일러(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 크게 보일러본체(210)와, 상기 보일러본체(210)의 하단부에 설치되는 연소버너(220)와, 건류가스의 연소열을 온수로 변환시키는 온수파이프(230)로 구성되어 있다.

상기 보일러본체(210)는 그 외벽은 철강제로 이루어지고 외벽의 내면에는 캐스터블 내화재로 마감되어 있으며, 보일러본체(210) 높이의 약 1/3 지점에는 내화재로 이루어진 격벽(211)이 형성되어 있어 그 하부는 연소실(212)을 이루고 그 상부는 열교환실(213)을 이루도록 되어 있다. 또한 상기 격벽(211)의 일측 단부에는 개방되어 있어, 연소실(212)의 연소가스가 상부의 열교환실(213)로 도입될 수 있도 록 되어 있고, 상기 보일러본체(210)의 상면에는 배기가스 배출구(214)가 형성되어 있다. 또한 상기 연소실(212)은 내화벽돌로 이루어지며 가스가 통과할 수 있는 구멍(215a)이 다수 개 형성되어 있는 연소실격벽(215)이 형성되어 있어, 연소실(212)을 1차 연소실(212a)과 2차 연소실(212b)로 구획한다.

상기 연소버너(220)은 상기 1차 연소실(212a)의 좌측면에 배치되며, 중유를 분사하고 불꽃을 발생시켜 점화하는 공지의 점화장치(221)와 상기 건류가스 생성장치(100)로부터 생성된 건류가스의 배관을 내부에 설치한 고압송풍장치(222)로 이루어져 있다. 상기 고압송풍장치(222)는 건류가스와 연소용 공기를 혼합한 상태로 상기 1차 연소실(212a)로 송풍한다.

상기 온수파이프(230)는 도 4에 도시된 바와 같이, 보일러본체(210)의 좌측 상단부에서 도입된 온수파이프는 지그재그 형식으로 굴곡되어 열교환실(213)의 하부를 거쳐 본체의 우측 중앙부로 배출되도록 되어 있다. 상기 온수파이프(230)의 표면에는 집열용 돌기가 형성될 수 있다.

다음으로 도 5를 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 건류가스를 이용한 보일러 시스템의 작용효과에 대해 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 RDF 펠릿을 도 2의 호퍼(130)에 투입한다. 이어서 호퍼(130)의 개폐구를 개방하여 본체의 내부로 RDF 펠릿을 투입하면, 떨어진 펠릿은 하부에 위치한 화상(120)의 경사면을 따라 중앙부로 떨어져 도 3과 같은 상태로 화상에 쌓여지게 된다.

이와 같이 RDF 펠릿이 쌓여지면, 점화버너(140)를 작동시켜 버너의 열과 공기가 상기 화상(120)에 쌓여진 RDF 펠릿에 전달되도록 한다. 점화버너(140)의 열에 의하여 화상(120)의 바닥에 쌓여진 RDF 펠릿이 연소하기 시작하면 약 800℃ 정도에서 연소가 이루어지며 이와 같은 연소에 의해 건류가스가 발생하여 본체(110)의 상층부에 모이게 된다. 그리고 일단 RDF가 연소하기 시작하면 상기 점화버너(140)의 버너작동은 중단시키고 송풍장치만 가동되도록 한다.

상기와 같이 상층부에 모여진 건류가스는 건류가스 포집관(170)에 형성되어 있는 포집구(172)를 통해 포집되어 본체의 외부로 배출된다.

한편, RDF 펠릿이 연소된 후에는 재(ash)로 잔존하게 되는데, 재(ash)는 쌓여진 상태 그대로 유지되기 쉽기 때문에, 이때 스크랩퍼(160)을 가동하게 되면, 스크랩퍼(160)의 유압실린더(161)가 작동하여 실린더축(162)이 전,후 방향으로 작동하게 되며, 상기 실린더축(162)에 부착된 다수의 긁개(163)가 화상(120)에 쌓여진 재를 유동시키면서 화상(120)을 구성하는 파이프(121) 사이의 틈으로 재가 떨어질 수 있도록 한다.

이에 따라 건류가스 생성장치(100)의 가동 중에는 주기적으로 스크랩퍼(160)의 가동에 의해, 재가 본체의 하단부에 떨어지도록 되어 있으므로, 재가 화상에 쌓임에 따른 RDF의 연소효율의 저하를 막을 수 있다.

건류가스 생성장치(100)에 의해 생성된 건류가스는 도 1에 도시된 배관(180)을 통해 보일러(200)의 연소버너(220)에 구비된 고압송풍장치(222)를 통해 공기와 함께 1차 연소실(212a)로 공급된다. 이때 연소버너(220)가 작동하여 1차 연소 실(212a)에 건류가스의 발화를 위한 열을 제공하여 발화시킨다. 연소가 시작된 건류가스 및 공기의 혼합가스는 연소실격벽(215)에 형성되어 있는 구멍(215a)을 통해 2차 연소실(212b)로 도입되며, 도입된 혼합가스는 2차 연소실에서 완전 연소가 이루어져 열교환실로 보내진다.

상기 연소실격벽(215)은 연소실(210)의 연소가 진행됨에 따라, 연소버너(220), 1차 연소실의 연소가스 및 2차 연소실의 연소가스에 의해 높은 온도를 유지하게 된다. 이때 연소버너(220)의 연소는 중단되고 고압송풍장치(222)만 가동하게 된다. 상기와 같이 가열된 연소실격벽(215)은 1차 연소실에 도입된 저온의 혼합가스가 2차 연소실로 급격하게 도입되는 것을 막아 연소실에 실화 내지 불완전연소가 발생하는 것을 막을 뿐 아니라, 상기 구멍(215a)을 통해 2차 연소실로 도입될 때 연소실격벽(215)의 온도로 혼합가스의 온도를 높여 2차 연소실에 도입시 자연발화가 이루어지도록 함으로써, 상기 연소버너(220)의 가동에 소요되는 연료를 크게 절감시키는 작용을 한다.

상기 2차 연소실(212b)에서 연소된 기체는 도 1에 도시된 바와 같이 물이 흐르는 배관을 거쳐 배출구(214)를 통해 배출된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템의 측면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템의 정면도이다.

도 3은 도 1의 A-A라인을 따른 단면도로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템을 구성하는 건류가스 생성장치의 단면도이다.

도 4는 도 1의 B-B라인을 따른 단면도로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 시스템을 구성하는 보일러의 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 보일러 시스템의 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.

Claims (4)

1. 고형화연료로부터 건류가스를 생성시키는 건류가스 생성장치와 이에 의해 생성된 건류가스를 연료로 이용하는 보일러로 이루어진 시스템으로서,

   상기 보일러는 일측이 개방된 격벽을 통해 연소실과 열교환실로 분리되어 있는 본체와, 상기 열교환실에 배치되어 상기 연소실에서 연소된 연소가스의 열을 교환하는 열교환기와, 상기 연소실에 배치되어 상기 건류가스를 발화시키는 버너을 포함하며,

   상기 연소실은 내부에 가스를 통과시킬 수 있는 하나 이상의 구멍이 형성되어 있는 연소실격벽에 의해 제 1 및 제 2 연소실로 구획되어 있고, 상기 버너는 상기 제 1 연소실에 배치되어 있으며,

   상기 연소실격벽은 상기 제 1 연소실에 도입된 낮은 온도의 건류가스가 급격히 제 2 연소실에 유입되는 것을 방지함과 동시에, 상기 1 이상의 구멍을 통과시 건류가스의 온도를 높여 제 2 연소실에서 안정적으로 연소될 수 있도록 하는 것을 특징으로 건류가스를 이용한 보일러 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실 격벽은 캐스터블 내화물, 내화벽돌 또는 이들의 혼합체로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 보일러 시스템.
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