KR101298717B1 - 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너 - Google Patents

고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고열로 인한 부품의 손상을 방지할 수 있도록 할 뿐만 아니라 연소실로 유입되는 공기와 연료가스를 서로 반대 방향으로 강제 선회토출시켜 연소실 내에서의 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 연소효율을 극대화할 수 있도록 하는 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너에 관한 것이다.
본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)는,
일측 상단에 공기유입구(11)가 형성된 사이클론형 본체(10)가 마련되고,
상기 사이클론형 본체(10)의 출구 선단에 전방으로 돌출된 토출구(30)가 마련되며,
상기 사이클론형 본체(10)의 내부에 사이클론형 본체(10)의 내부 중앙을 가로지르되 사이클론형 본체(10)의 출구에 인접하는 선단이 토출구(30) 선단과 동일선상에 위치하는 연료가스유입관(20)이 마련되고,
상기 연료가스유입관(20)의 선단부 외면과 토출구(30) 내면 사이에 사이클론형 본체(10) 내의 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 방사상의 공기안내베인(40)이 마련되며,
상기 연료가스유입관(20)의 선단부 내측 중앙에 원추형 확산판(50)이 마련되고,
상기 확산판(50) 외면과 연료가스유입관(20)의 선단부 내면 사이에 공기안내베인(40)과 역방향으로 경사를 이루는 연료가스안내베인(60)이 마련되는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너{cyclone burner for fuelgas obtained from high carbonaceous waste }
본 발명은 사이클론 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고열로 인한 부품의 손상을 방지할 수 있도록 할 뿐만 아니라 연소실로 유입되는 공기와 연료가스를 서로 반대 방향으로 강제 선회토출시켜 연소실 내에서의 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 연소효율을 극대화할 수 있도록 하는 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너에 관한 것이다.
석유 또는 석탄 등의 에너지 자원이 고갈되어감에 따라 최근 폐기물로부터 가스 등의 연료를 얻는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같은 연구 결과의 하나로 최근 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 가스를 얻는 방법이 제안된바 있으며, 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 얻어지는 가스의 연소장치로서 사이클론 버너가 제안된바 있다.
한편, 종래 제안된 사이클론 버너(A')는, 도 8에 도시된 바와 같이 일측 상단에 공기유입구(11')가 마련된 사이클론형 본체(10)와, 상기 본체(10')의 내부 중앙을 가로지르는 연료가스유입관(20')과, 상기 본체(10') 하부로 이어지되 내벽의 둘레에 안내베인(31)이 마련된 토출구(30')와, 상기 토출구(30') 하부로 연장된 연료가스유입관(20')의 단부에 마련되는 확산판(50')으로 이루어지는 것으로, 사이클론형 본체(10') 내부로 유입된 공기가 사이클론형 본체(10') 내에서 1차 선회유동된 이후에 토출구(30')의 안내베인(31)을 거치며 2차 선회유동되며 연소실(100)로 투입되는 것이고, 연료가스유입관(20')을 거친 연료가스가 확산판(50')과 접하여 확산되며 연소실(100)의 내벽(110)면으로 유도되면서 연소실(100) 내에서 공기와 연료가스의 혼합이 이루어지는 것이었다.
이와 같은 종래의 사이클론 버너(A')는 연소실(100) 내에서 공기가 선회유동되는 과정에서 확산판(50')에 의해 연소실(100)의 내벽(110)면으로 유도되는 연료가스와의 혼합이 원활히 이루어질 수 있어 일반 버너에 비해 연소효율을 높일 수 있는 것이었으나, 확산판(50')이 연소실(100) 내에 위치하는 것이어서 연소실(100) 내에서 연료가스의 연소가 이루어질 때 확산판(50')이 화염에 직접 접하게 되어 고열로 인해 확산판(50')이 손상되는 경우가 발생하는 문제가 있었고, 공기와 연료가스 혼합과정에서 공기만 선회유동되는 것이어서 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
이러한 이유로 해당 분야에서는 고열로 인한 부품의 손상을 방지할 수 있도록 하는 것은 물론 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 연소효율을 극대화할 수 있도록 하는 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너를 개발하고 있으나, 현재까지에는 만족할만한 결과물을 제시하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 고열로 인한 부품의 손상을 방지할 수 있도록 하는 것은 물론 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있어 연소효율을 극대화할 수 있도록 하는 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너는,
일측 상단에 공기유입구가 형성된 사이클론형 본체가 마련되고,
상기 사이클론형 본체의 출구 선단에 전방으로 돌출된 토출구가 마련되며,
상기 사이클론형 본체의 내부에 사이클론형 본체의 내부 중앙을 가로지르되 사이클론형 본체의 출구에 인접하는 선단이 토출구 선단과 동일선상에 위치하는 연료가스유입관이 마련되고,
상기 연료가스유입관의 선단부 외면과 토출구 내면 사이에 사이클론형 본체 내의 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 방사상의 공기안내베인이 마련되며,
상기 연료가스유입관의 선단부 내측 중앙에 원추형 확산판이 마련되고,
상기 확산판 외면과 연료가스유입관의 선단부 내면 사이에 공기안내베인과 역방향으로 경사를 이루는 연료가스안내베인이 마련되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너는, 사이클론형 본체 내부로 강제 유입된 공기가 사이클론형 본체 내에서 1차 강선회유동된 후에 토출구와 연료가스유입관 사이의 공기안내베인을 거치면서 2차 강선회유동되어 연소실로 투입되고, 연료가스유입관으로 유입된 연료가스가 연료가스유입관과 확산판 사이의 연료가스안내베인을 거치며 공기 선회방향과 역방향으로 선회유동되어 연소실로 투입되므로 연소실 내에서 공기와 연소가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있어 연소효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너는, 확산판을 연료가스유입관의 선단부 내측에 고정시켜 연소실 내에서 연료가스가 연소될 때 확산판과 화염이 직접 접하는 것이 차단되므로 화염과의 직접 접촉에 따른 고열로 인한 확산판의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너의 구조를 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너에서 공기안내베인 및 연료가스안내베인의 구조를 설명하기 위한 부분단면도
도 3은 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너에서 공기와 연료가스의 혼합을 설명하기 위한 개략도
도 4는 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너를 통한 연소시의 연소실 온도 분포도
도 5는 공기 및 연료가스의 비선회유동식 버너를 통한 연소시의 연소실 온도 분포도
도 6은 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너를 통한 연소시의 연소실 CO 농도 분포도
도 7은 공기 및 연료가스의 비선회유동식 버너를 통한 연소시의 연소실 CO 농도 분포도
도 8은 종래 사이클론 버너의 구조를 보인 단면도
이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)는 사이클론형 본체(10)와, 연료가스유입관(20)과, 토출구(30)와, 공기안내베인(40)과, 확산판(50)과, 연료가스안내베인(60)으로 이루어진다.
상기 사이클론형 본체(10)는 일측 상단에 공기유입구(11)가 마련된 것이다.
이와 같은 사이클론형 본체(10)는 출구를 향하면서 점차로 직경이 작아지는 형태로 되는 것이 바람직하다.
사이클론형 본체(10)가 출구를 향하면서 점차로 직경이 작아지는 형태로 됨으로써 사이클론형 본체(10) 내부로 유입된 공기가 출구를 향하면서 선회유동이 활성화될 수 있게 된다.
한편, 사이클론형 본체(10)에서 공기유입구(11)를 통한 공기 유입은 송풍팬(도면상 미도시)에 의한 것이다.
사이클론형 본체(10)에서 공기유입구(11)를 통한 공기 유입이 송풍팬에 의한 것임으로써 사이클론형 본체(10) 내부로 유입되는 공기는 비교적 빠른 유속을 갖게 되므로 사이클론형 본체(10) 내부에서 강제 선회유동될 수 있게 된다.
상기 토출구(30)는 사이클론형 본체(10)의 출구 선단으로부터 전방으로 돌출된 것이다.
이와 같은 토출구(30)는 그 내경이 사이클론형 본체(10)에 마련되는 연료가스유입관(20)의 외경에 비해 큰 것이다.
토출구(30)의 내경이 사이클론형 본체(10)에 마련되는 연료가스유입관(20)의 외경에 비해 큰 것임으로써 토출구(30) 내면과 연료가스유입관(20) 외면 사이에 간격이 확보되므로 토출구(30) 내면과 연료가스유입관(20) 외면 사이에 공기안내베인(40)이 마련될 수 있게 된다.
상기 연료가스유입관(20)은 사이클론형 본체(10)의 내부 중앙을 가로지르되 사이클론형 본체(10)의 출구에 인접하는 선단이 토출구(30) 선단과 동일선상에 위치하는 것이다.
이와 같은 연료가스유입관(20)은 사이클론형 본체(10)의 출구에 인접하는 선단이 토출구(30) 선단과 동일선상에 위치함으로써 연료가스유입관(20)의 선단부가 토출구(30) 외부로 노출되어 연소실(100) 내에서 연료가스 연소중에 연료가스유입관(20) 선단부에 화염이 직접 미치는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 연료가스유입관(20)을 통해 유입되는 연료가스는 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 얻어지는 가스이다.
연료가스유입관(20)을 통해 유입되는 연료가스가 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 얻어지는 가스임으로써 연소실(100)에서 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 얻어지는 가스를 연소시킬 수 있게 된다.
이때, 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물을 열분해하여 가스를 얻는 방법은 기존에 제안된 방법을 따르는 것이므로 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스에 관한 상세한 설명은 생략하는 바이다.
상기 공기안내베인(40)은 연료가스유입관(20)의 선단부 외면과 토출구(30) 내면 사이에 방사상으로 위치하는 것이다.
이와 같은 공기안내베인(40)은 사이클론형 본체(10) 내의 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 것임이 바람직하다.
공기안내베인(40)이 사이클론형 본체(10) 내의 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 것임으로써 공기가 공기안내베인(40)을 거치는 과정에서 선회유동이 활성화될 수 있게 된다.
상기 확산판(50)은 연료가스유입관(20)의 선단부 내측 중앙에 위치하는 것이다.
이와 같은 확산판(50)은 원추형으로 된 것이고, 그 하단의 외경이 연료가스유입관(20)의 내경에 비해 작은 것이다.
확산판(50)이 원추형으로 됨으로써 연료가스유입관(20)으로 유입된 연료가스가 확산판(50)과 접하면서 확산되므로 토출구(30)를 통해 토출되는 공기와의 혼합이 원활히 이루어질 수 있게 되고, 하단의 외경이 연료가스유입관(20)의 내경에 비해 작은 것임으로써 확산판(50)과 연료가스유입관(20) 사이에 간격이 확보될 수 있어 확산판(50) 외면과 연료가스유입관(20) 내면 사이에 연료가스안내베인(60)이 마련될 수 있게 된다.
상기 연료가스안내베인(60)은 확산판(50) 외면과 연료가스유입관(20) 선단부 내면 사이에 방사상으로 위치하는 것이다.
이와 같은 연료가스안내베인(60)은 공기안내베인(40)과 역방향으로 경사를 이루는 것임이 바람직하다.
연료가스안내베인(60)이 공기안내베인(40)과 역방향으로 경사를 이루는 것임으로써 공기 선회유동방향과 연료가스 선회유동방향이 반대가 되므로 연소실(100) 내에서 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)를 통한 연소에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사이클론형 본체(10) 내부로 공기가 강제 유입된다.
본 발명에서 공기는 사이클론형 본체(10)에 마련된 공기유입구(11)를 향하는 송풍팬으로부터의 강제 송풍에 의해 비교적 빠른 유속으로 사이클론형 본체(10) 내부로 강제 유입되는데, 사이클론형 본체(10)(이하 '본체')는 내면이 라운드를 이루는 것이어서 본체(10) 내부로 유입된 공기는 본체(10) 내면의 라운드를 따라 회전하게 되므로 본체(10) 내부로 유입된 공기의 선회유동이 이루어질 수 있게 된다.
이때, 본체(10)의 출구 선단으로부터 돌출된 토출구(30) 내면과 연료가스유입관(20)의 선단부 외면 사이에는 도 2에 도시된 바와 같이 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 방사상의 공기안내베인(40)이 마련되어 있으므로 본체(10) 내부에서 선회유동이 시작된 공기는 공기안내베인(40)을 거치는 과정에서 선회유동이 더욱 심화되므로 토출구(30)를 통해서 선회수 1.0 이상(선회수 0.67이상인 경우 강선회라 할 수 있음)의 강선회유동 공기의 토출이 이루어질 수 있게 된다.
다음으로, 연료가스유입관(20) 내부로 연료가스가 유입된다.
본 발명에서 연료가스 즉, 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스는 연료가스유입관(20) 후단을 통해 비교적 빠른 유속으로 유입되어 연료가스유입관(20) 선단을 통해 토출되는데, 연료가스유입관(20)의 선단부 내측에는 원추형으로 된 확산판(50)이 마련되어 있고, 확산판(50) 외면과 연료가스유입관(20)의 선단부 내면 사이에는 연료가스안내베인(60)이 마련되어 있으므로, 연료가스유입관(20)의 선단부를 통과하는 연료가스는 확산판(50)과 접하여 확산되면서 연료가스안내베인(60)을 거치게 된다.
이때, 연료가스안내베인(60)은 도 2에 도시된 바와 같이 공기안내베인(40)과 반대의 경사를 이루는 것이어서 확산판(50)과 접하면서 확산되는 연료가스는 연료가스안내베인(60)을 거치는 과정에서 공기 선회유동방향과 역방향으로 선회유동되며 확산판(50) 외면과 연료가스유입관(20)의 선단부 내면 사이의 간격을 통해 토출이 이루어질 수 있게 된다.
다음으로, 연소실(100) 내에서 공기와 연료가스가 혼합된다.
본 발명에서 토출구(30)는 연소실(100)로 이어지는 것이므로 선회유동되며 토출되는 공기와 연료가스는 연소실(100) 내로 유입되는데, 연소실(100) 내로 유입되는 공기와 연료가스는 선회유동 상태를 유지하는 것이어서 선회유동에 따른 원심력에 의해 연소실(100)의 내벽(110)을 향하게 된다.
이때, 공기 선회유동방향과 연료가스 선회유동방향은 서로 반대 즉, 공기가 시계방향으로 선회유동하는 경우 연료가스는 반시계반향으로 선회유동하는 것이므로 도 3에 도시된 바와 같이 공기와 연료가스가 선회유동하며 연소실(100)의 내벽(110)을 향하는 과정에서 공기와 연료가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있게 된다.
다음으로, 연소실(100) 내에서 연료가스가 연소된다.
공기와 연료가스가 혼합되는 연소실(100) 내부는 공기 및 연료가스가 유입되기 이전에 별도 가열수단(도면상 미도시)에 의해 연료가스 점화온도(550-600℃) 이상으로 사전 가열된 상태에 있는 것이어서 연소실(100) 내에서 공기와 혼합된 연료가스는 점화되어 연소가 이루어질 수 있게 된다.
이때, 연소실(100) 내부에서 공기와 연료가스는 선회유동되며 연소실(100)의 내벽(110)을 향하는 것이어서 토출구(30) 하부의 연소실(100) 중앙부에 상대적으로 압력이 낮은 영역이 형성되므로 연소실(100) 내에서 연소가 진행될 때 화염이 안정을 유지할 수 있게 되고, 연료가스의 순환이 이루어질 수 있게 된다.
이때, 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)가 적용된 연소실(100) 내부 온도 분포 및 CO 농도를 비선회유동 버너가 적용된 연소실 내부 온도 분포 및 CO 농도와 대비하게 되면, 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)가 적용된 연소실(100)은 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 연소실(100) 입구로부터 하부와 중앙부로부터 가장자리에 이르기까지에 온도 및 CO 농도가 전체적으로 비교적 균일한 반면, 비선회유동 버너가 적용된 연소실(100)은 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이 연소실(100) 입구로부터 하부와 중앙부로부터 가장자리에 이르기까지에 온도 및 CO 농도가 비교적 큰 편차를 보이는 것이어서 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)가 연료가스와 공기가 선회유동하는 특징에 의해 연소효율이 극대화됨을 확인할 수 있다.
상기와 같은 연료가스 연소 과정에서 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)는 연소중에 고열로 인한 확산판(50)의 손상을 방지할 수 있는 것이다.
본 발명에서 확산판(50)은 연료가스유입관(20)의 선단부 내측 중앙에 위치하는 것이어서 연소실(100) 내에서 연소가 진행되더라도 화염이 확산판(50)에 직접 미치지 않게 되므로 연소가 진행될 때 화염이 확산판(50)에 직접 미쳐 고열로 인해 확산판(50)이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기에서와 같이 본 발명에 의한 폐타이어 등의 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너(A)는, 사이클론형 본체(10) 내부로 유입된 공기가 사이클론형 본체(10) 내에서 1차 강선회유동된 후에 토출구(30)와 연료가스유입관(20) 사이의 공기안내베인(40)을 거치면서 2차 강선회유동되어 연소실(100)로 투입되는 것이고, 연료가스유입관(20)으로 유입된 연료가스가 연료가스유입관(20)과 확산판(50) 사이의 연료가스안내베인(60)을 거치며 공기 선회유동방향과 역방향으로 선회유동되어 연소실(100)로 투입되는 것이므로 연소실(100) 내에서 공기와 연소가스의 혼합이 이상적으로 이루어질 수 있어 연소효율을 극대화시킬 수 있게 되는 것이고, 확산판(50)이 연료가스유입관(20)의 선단부 내측에 위치하는 것이므로 연소실(100) 내에서 연료가스가 연소될 때 확산판(50)에 화염이 직접 미치는 것이 차단되므로 화염과의 직접 접촉에 따른 고열로 인한 확산판(50)의 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기의 설명에서는 공기 유입과 연료가스 유입과 공기 및 연료가스 혼합과 연료가스 연소를 구분하였으나 이는 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 공기 유입과 연료가스 유입과 공기 및 연료가스 혼합과 연료가스 연소는 동시에 연속적으로 진행되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 안에서 변경 가능한 것이며, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
10, 10' : 본체 11, 11' : 공기유입구
20, 20' : 연료가스유입관 30, 30' : 토출구
31 : 안내베인 40 : 공기안내베인
50, 50' : 확산판 60 : 연료가스안내베인
100 : 연소실 110 : 내벽
A, A' : 사이클론 버너

Claims (1)

  1. 일측 상단에 공기유입구(11)가 형성된 사이클론형 본체(10)가 마련되고,
    상기 사이클론형 본체(10)의 출구 선단에 전방으로 돌출된 토출구(30)가 마련되며, 상기 사이클론형 본체(10)의 내부에 사이클론형 본체(10)의 내부 중앙을 가로지르되 사이클론형 본체(10)의 출구에 인접하는 선단이 토출구(30) 선단과 동일선상에 위치하는 연료가스유입관(20)이 마련되고, 상기 연료가스유입관(20)의 선단부 내측 중앙에 원추형 확산판(50)이 마련된 사이클론 버너에 있어서,
    상기 연료가스유입관(20)의 선단부 외면과 토출구(30) 내면 사이에 사이클론형 본체(10) 내의 공기 선회유동방향으로 경사를 이루는 방사형의 공기안내베인(40)이 형성되고,
    상기 공기안내베인(40)과 역방향으로 경사를 이루는 연료가스안내베인(60)이 마련되는 것을 특징으로 하는 고탄소성 폐기물 열분해 가스를 연소시키는 사이클론 버너.
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