KR101394254B1

KR101394254B1 - 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법

Info

Publication number: KR101394254B1
Application number: KR1020120068284A
Authority: KR
Inventors: 강새별; 김종진; 최규성; 박재운; 오홍영
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-05-13
Also published as: KR20140001317A

Abstract

본 발명은 연소중 숯과 재가 부양되더라도 다시 연소기로 떨어질 수 있는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법에 관한 것이다. 이를 위해, 내부에 목재펠릿이 연소하고 측면에는 적어도 하나의 측면통기공(116)이 형성된 중공의 본체(114), 본체(114)의 하부에 형성되고 바닥통기공(125)이 형성된 바닥면(120), 본체(114)의 상부에 위치하고 유동단면적을 좁히는 방향으로 경사지게 형성된 테이퍼부(112), 테이퍼부(112)의 상부에 위치하고 유동단면적을 넓히는 방향으로 경사지게 형성되어 목재펠릿(150)의 투입을 유도하는 연료투입부(110)를 포함하는 연소기(100); 본체(114)와 이격된 채 연소기(100)를 둘러싸는 하우징(130); 및 바닥면(120)을 둘러싸는 바닥하우징(140)이 제공된다.

Description

테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법{wood pellet boiler with Taper type burner and operating method thereof}

본 발명은 목재 펠릿 보일러의 연소기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소중 숯과 재가 부양되더라도 다시 연소기로 떨어질 수 있는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법에 관한 것이다.

일반적으로 고체 연료로는 플라스틱, 쓰레기, 목재, 목분, 석탄, 폐기물 등이 사용되며, 이들을 가루, 작은 조각 또는 펠릿 형태로 가공하여 연료로 사용하곤 한다. 이들중, 펠릿 보일러의 연소로는 도가니형, 언더피더형, 건타입형, 접시형, 건버너형 등이 있다. 이들중 도가니형은 비교적 간단한 구조로서 널리 사용되었다. 도 1은 종래 목재 펠릿 보일러중 도가니형 연소기 측면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니형 연소로(10)의 상부에는 환형의 플렌지(12)가 위치하고 플렌지(12) 아래에는 본체(14)가 형성된다.

본체(14)의 중간영역에는 다수의 측면통기공(16)이 여러중 관통 형성되어 있고, 바닥영역에는 다수의 바닥통기공(18)이 관통형성되어 있다. 따라서, 플렌지(12)를 통해 투입된 펠릿은 바닥에 쌓인 채로 연소하게 되고, 바닥통기공(18)과 측면통기공(16)을 통해 주입되는 공기에 의해 연소하게 된다.

그런데 도 1과 같은 종래의 도가니형 연소기는 통기공(16,18)에 의해 주입되는 공기로 인해 연소된 재와 연소중인 숯이 부양하거나 비산되는 문제점이 있었다. 특히 바닥통기공(18)으로는 공기의 공급방향과 재의 떨어지는 방향이 서로 반대이기 때문에 바닥통기공(18)을 통해 재가 모아지거나 배출되는 것이 원활하지 못했다. 더욱이, 바닥통기공(18)으로 공기를 과도하게 공급할 경우 연소성능이 다소 향상되는 반면 재와 숯형태의 펠릿이 너무 많이 날라가는 단점이 있었다. 그리고, 측면통기공(16)의 갯수와 공기량이 증가하면 CO 등 배기성능이 다소 향상되지만 펠릿의 연소가 지연되고, 목재 펠릿이 연소기 하부에 쌓이면서 클링커가 발생할 확률이 높아지는 단점이 있었다.

그 밖에 종래의 도가니형 연소기의 경우 플렌지(12) 상에 불완전 연소한 숯이 쌓이면서 많은 양의 일산화탄소를 발생시켰다.

특허공개 제 10-2009-0115617 호 특허공개 제 10-2010-0121270 호

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연소중 숯과 재가 부양되더라도 다시 연소기로 떨어질 수 있는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 배기가스 배출 농도가 양호하고, 연소특성이나 연소효율이 높은 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부에 목재펠릿이 연소하고 측면에는 적어도 하나의 측면통기공(116)이 형성된 중공의 본체(114), 본체(114)의 하부에 형성되고 바닥통기공(125)이 형성된 바닥면(120), 본체(114)의 상부에 위치하고 유동단면적을 좁히는 방향으로 경사지게 형성된 테이퍼부(112), 테이퍼부(112)의 상부에 위치하고 유동단면적을 넓히는 방향으로 경사지게 형성되어 목재펠릿(150)의 투입을 유도하는 연료투입부(110)를 포함하는 연소기(100);

본체(114)와 이격된 채 연소기(100)를 둘러싸는 하우징(130); 및

바닥면(120)을 둘러싸는 바닥하우징(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 하우징(130)의 측면에는 측면통기공(116)으로 공급할 2차공기가 유입되는 2차공기흡입구(135)가 더 형성될 수 있다.

아울러, 바닥하우징(140)의 측면에는 바닥통기공(125)으로 공급할 1차공기가 유입되는 1차공기흡입구(145)가 더 형성될 수 있다.

또한, 바닥하우징(140)의 내부에는 바닥통기공(125)을 통해 낙하하는 재(158)가 수용되는 구조인 것이 바람직하다.

1차공기흡입구(145)와 2차공기흡입구(135)는 본체(114)에 독립적으로 공기를 공급하는 구조이다.

그리고, 본체(114)의 하부에 형성되고, 점화용 고온공기가 유입될 수 있는 점화구(118); 및 점화구(118)가 하우징(130)까지 연장되어 노출된 외곽점화구(132)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 연소기(100)는 캐스터블 재질이나 스테인레스 재질을 포함할 수 있다.

하우징(130)의 상단은 연료투입부(110)의 자유단 가장자리와 형상맞춤되는 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로서, 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법에 있어서,

연료투입부(110)를 통해 펠릿(150)을 투입하여 점화하는 단계(S100);

펠릿(150)이 투입되어 연소가 일어날 때, 1차공기흡입구(145)와 2차공기흡입구(135)에 독립적으로 공기를 공급하는 단계(S200);

1차공기흡입구(145)에 의해 공급되는 1차공기가 바닥통기공(125)을 지나 하부에서 본체(114) 내부로 진입하고, 2차공기흡입구(135)에 의해 공급되는 2차공기가 측면통기공(116)을 통해 측면에서 본체(114) 내부로 진입하는 단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법에 의해서도 달성될 수 있다.

그리고, 1차공기의 유량이 2차공기의 유량 보다 상대적으로 많을 수 있다.

또한, 1차공기 및 2차공기중 적어도 하나는 본체(114) 내에 사선 방향으로 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 연소중 숯과 재가 부양되더라도 다시 연소기로 떨어져 재연소시킬 수 있다. 이로 인해, 배기가스 배출 농도가 양호하고, 연소특성이나 연소효율이 높은 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 목재 펠릿 보일러의 연소기 측면도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 목재 펠릿 보일러의 테이퍼형 연소기 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 테이퍼형 연소기의 측단면도이고,
도 4는 도 3에 도시된 테이퍼형 연소기의 보일러내 설치 및 사용상태도이고,
도 5는 본 발명에 따른 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러가 동작될 때 배기가스의 시간대별 농도 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

( 실시예의 구성)

본 발명의 명세서에서 목재란 좁은 의미의 목재 뿐만 아니라 폐목, 잡목, 또는 그 부산물이나 혼합물을 통칭하는 용어이며, 펠릿은 바이오매스 또는 우드칩 등을 통칭하는 용어로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 목재 펠릿 보일러의 테이퍼형 연소기 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 테이퍼형 연소기의 측단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연소기(100)는 대략 연료투입부(110), 테이퍼부(112), 본체(114)로 이루어지고, 전체적인 형상은 중공의 원통형상이다.

연료투입부(110)는 상부에 위치하며, 유동단면적을 넓히는 방향으로 경사지게 형성된 테이퍼 형상이기 때문에 투입된 펠릿이 용이하게 진입할 수 있다. 이러한 연료투입부(110)의 최대직경은 최소직경의 2배 ~ 2.5배 정도가 되는 비율을 갖도록 구성할 수 있다. 비율이 너무 크면 숯이나 재가 쌓이기 쉽고, 펠릿의 투입이 방해받을 수 있으며, 비율이 너무 작으면, 유동단면적의 크기변화가 없어 배기가스의 배출이 방해받는다.

테이퍼부(112)는 본체(114)의 상부와 연료투입부(110)의 하부 사이에 위치하고, 유동단면적을 좁히는 방향으로 경사지게 형성된다. 즉, 테이퍼부(112)는 연료투입부(110)와 반대 경사방향으로 형성된다. 테이퍼부(112)의 최소직경은 연료투입부(110)의 최소직경과 같으며, 테이퍼부(112)의 최대직경은 테이퍼부(112)의 최소직경보다 30% ~ 40% 정도 크게 형성된다. 최소직경이 지나치게 좁을 경우 배기가스의 배출이 방해받고, 너무 넓을 경우 재나 숯이 낙하하기 보다 비산될 가능성이 높기 때문이다.

본체(114)는 테이퍼부(112)의 하부에 위치하며, 원통형상이다. 측면에는 측면통기공(116)이 형성되어 있고, 바닥면(120)에는 바닥통기공(125)이 형성되어 있으며, 하부 일측에는 점화용 고온공기가 유입될 수 있는 점화구(118)가 형성되어 있다.

측면통기공(116)은 2차공기가 공급되는 곳으로 본체(114)의 둘레를 따라 2줄로 형성된다. 첫번째 줄은 본체(114)의 중간높이에 위치하고, 측면통기공(116)의 두번째 줄은 첫번째 줄 보다 높은 곳에 위치한다. 측면통기공(116)의 갯수(예 : 2열 및 각열 8개 통기공)와 크기는 줄간격은 연소기(100)의 크기와 용량(예 : 가정용, 산업용)에 따라 조정될 수 있다.

바닥통기공(125)은 1차공기가 공급되고, 재(158)가 낙하하는 곳으로 바닥면(120)상에 형성된다.

점화구(118)와 외곽점화구(132)는 초기 점화시 펠릿에 고온의 열기를 공급하는 장치이다. 이를 위해 별도의 히터와 송풍기가 구비되나 본 명세서에서는 미도시하였다.

하우징(130)은 연료투입부(110), 테이퍼부(112), 본체(114)를 일체로 둘러싸는 원통 형상이다. 하우징(130)의 상단은 연료투입부(110)의 상단과 형상맞춤으로 연결되어 상부에는 평면이 없도록 한다. 이는 재나 숯이 쌓이는 것을 방지하기 위함이다. 하우징(130)의 하단 일측에는 외곽점화구(132)가 형성되고, 하단 타측에는 2차공기흡입구(135)가 구비된다. 이러한 2차공기흡입구(135)는 측면통기공(116)에 공기를 공급하기 위한 것으로 추후 설명하는 1차공기흡입구(145)와 독립적으로 제어된다.

바닥하우징(140)은 하우징(130)의 하부에 위치하며, 중앙영역에는 낙하하는 재가 모여지고, 일측에는 1차공기흡입구(145)가 형성되어 있다. 1차공기흡입구(145)는 바닥통기공(125)으로 공급될 공기를 공급하기 위한 것으로 2차공기흡입구(135)와는 독립적으로 동작한다. 바닥하우징(140)중 쌓인 재를 배출하기 위한 자동 재처리 장치는 미도시하였다.

( 실시예의 동작)

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 목재 펠릿 보일러의 테이퍼형 연소기 동작에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 도 3에 도시된 테이퍼형 연소기의 보일러내 설치 및 사용상태도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연소기(100)의 상부에서 펠릿공급장치(미도시)를 통해 펠릿(150)이 투입된다. 투입된 펠릿(150)은 연료투입부(110)와 테이퍼부(112)를 통해 본체(114)내의 연소펠릿(152)위로 떨어진다.

아울러, 1차공기흡입구(145)를 통해 공급된 공기는 바닥하우징(140)을 통과한 후 바닥면(120)의 바닥통기공(125)을 통해 본체(114) 내부로 들어간다. 또한, 이와 동시에 2차공기흡입구(135)를 통해 공급된 공기는 하우징(130)을 통과한 후 측면통기공(116)을 통해 본체(114) 내부로 들어간다. 1차공기만으로 연소시킬 경우 충분한 공기를 공급해야 함으로 공기의 속도가 빠르고 이로 인해 재와 숯형태의 펠릿이 과다하게 비산하여 날아가는 단점이 있을 수 있다. 따라서, 1차공기와 2차공기의 적절한 공급량 조절이 필요하다. 예를 들어, 1차공기의 유량은 2차공기의 유량 보다 상대적으로 많은 것(예 1.5 배 ~ 2.5배)이 바람직하다. 만약 2차공기의 유량이 더 많다면 클링커가 발생될 가능성이 더 높아지기 때문이다.

이와 같은 조건으로 연소가 일어나는 과정에서 연소펠릿(152)은 지속적으로 연소되고 화염(154)과 배기가스(156)가 발생하게 된다. 본체(114)가 긴 원통형상이므로 화염(154)의 길이를 길게 형성할 수 있는 잇점이 있고, 화염속의 재와 숯은 부상하더라도 테이퍼부(112)에 의해 다시 아래로 떨어지게 된다. 배기가스(156)는 테이퍼부(112)를 통과한 후 연료투입부(110)에 의해 쉽게 배출될 수 있다. 이때, 화염이 좁은 단면의 테이퍼부(112)를 통과하면서 미연의 물질이 다시 연소될 수 있다. 그리고, 배기가스(156)중에 섞여 있는 일부 소량의 재도 연료투입부(110)의 테이퍼 형상으로 인해 연료투입부(110)상에 쌓이지 않는다.

연소펠릿(152)중 연소가 완료된 재(158)는 하중과 연소펠릿(152)의 무게에 의하여 아래로 떨어지고, 바닥하우징(140)에 모이게 된다. 모여진 재(158)는 별도의 자동 재제거장치(미도시)에 의해 외부로 배출된다.

이와 같은 과정이 지속적으로 반복되면서 보일러의 연속 가동이 이루어지게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러가 동작될 때 배기가스의 시간대별 농도 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 수평축은 시간(Hour)을 나타내고, 왼쪽 수직축은 산소에 대한 농도(%)를 나타내며, 오른쪽 수직축은 CO와 NOx의 농도(ppm)를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같은 배기가스(156)중 산소는 8 ~ 8.5%, CO는 37 ppm, NOx는 16 ppm을 나타냈으며 이를 통해 환경기준을 만족시키는 우수한 성능임을 확인할 수 있었다.

( 변형예 )

바닥통기공(125)은 수직방향이 아닌 사선 방향으로 형성할 수 있다. 이때 1차공기는 수직방향으로 공급되지 않고 스월을 일으키면서 사선방향으로 공급된다. 이렇게 사선방향으로 공급되는 1차공기로 인해 본체(114) 중앙부의 펠릿이 외곽으로 밀려나면서 외곽에는 숯형태의 연소가 주로 일어난다. 외곽에 숯이 연소되면서 재가 많이 발생하게 되는데 이러한 재는 외곽에서 1차공기의 속도를 높게 하여 본체(114) 외부로 재를 밀어내게 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 연소로,
12 : 플렌지,
14 : 본체,
16 : 측면통기공,
18 : 바닥통기공,
100 : 연소기,
110 : 연료투입구,
112 : 테이퍼부,
114 : 본체,
116 : 측면통기공,
118 : 점화구,
120 : 바닥면,
125 : 바닥통기공,
130 : 하우징,
132 : 외곽점화구,
135 : 2차공기흡입구,
140 : 바닥하우징,
145 : 1차공기흡입구,
150 : 펠릿,
152 : 연소펠릿,
154 : 화염,
156 : 배기가스,
158 : 재.

Claims

내부에 목재펠릿이 연소하고 측면에는 적어도 하나의 측면통기공(116)이 형성된 중공의 본체(114), 상기 본체(114)의 하부에 형성되고 바닥통기공(125)이 형성된 바닥면(120), 상기 본체(114)의 상부에 위치하고 유동단면적을 좁히는 방향으로 경사지게 형성된 테이퍼부(112), 상기 테이퍼부(112)의 상부에 위치하고 상기 유동단면적을 넓히는 방향으로 경사지게 형성되어 상기 목재펠릿(150)의 투입을 유도하는 연료투입부(110)를 포함하는 연소기(100);
상기 본체(114)와 이격된 채 상기 연소기(100)를 둘러싸는 하우징(130);
상기 바닥면(120)을 둘러싸는 바닥하우징(140);
상기 본체(114)의 하부에 형성되고, 점화용 고온공기가 유입될 수 있는 점화구(118); 및
상기 점화구(118)가 상기 하우징(130)까지 연장되어 노출된 외곽점화구(132);를 포함하되,
상기 연료투입부(110)의 상단 직경은 상기 본체(114)의 직경보다 크고,
상기 테이퍼부(112)의 최대 직경은 상기 테이퍼부(112)의 최소 직경보다 30% 내지 40% 범위만큼 크게 형성되며,
상기 하우징(130)의 측면에는 상기 측면통기공(116)으로 공급할 2차공기가 유입되는 2차공기흡입구(135)가 더 형성되어 있고,
상기 바닥하우징(140)의 측면에는 상기 바닥통기공(125)으로 공급할 1차공기가 유입되는 1차공기흡입구(145)가 더 형성되어 있으며,
상기 1차공기흡입구(145)와 상기 2차공기흡입구(135)는 상기 본체(114)에 독립적으로 공기를 공급하는 구조이고,
상기 하우징(130)의 상단은 상기 연료투입부(110)의 자유단 가장자리와 형상맞춤되는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러.
제 1항에 있어서,
상기 연료투입부(110)의 최대 직경은 상기 연료투입부(110)의 최소 직경의 2배 내지 2.5배 사이의 범위 내인 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 바닥하우징(140)의 내부에는 상기 바닥통기공(125)을 통해 낙하하는 재(158)가 수용되는 구조인 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 연소기(100)는 캐스터블 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러.
삭제
제 1 항에 따른 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법에 있어서,
연료투입부(110)를 통해 펠릿(150)을 투입하여 점화하는 단계(S100);
상기 펠릿(150)이 투입되어 연소가 일어날 때, 1차공기흡입구(145)와 2차공기흡입구(135)에 독립적으로 공기를 공급하는 단계(S200);
상기 1차공기흡입구(145)에 의해 공급되는 1차공기가 바닥통기공(125)을 지나 하부에서 본체(114) 내부로 진입하고, 상기 2차공기흡입구(135)에 의해 공급되는 2차공기가 측면통기공(116)을 통해 측면에서 상기 본체(114) 내부로 진입하는 단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법.
제 9 항에 있어서,
상기 1차공기의 유량이 상기 2차공기의 유량 보다 상대적으로 많은 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법.
제 9 항에 있어서,
상기 1차공기는 상기 본체(114) 내에 사선 방향으로 공급되는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 연소기를 갖는 목재 펠릿 보일러의 동작방법.