KR101480858B1 - 바이오매스 고체연료 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고체연료 공급장치(100)는 고체연료가 수용되는 호퍼(10), 상기 호퍼(10)에 회전구동 가능하게 배치되는 교반 모듈(20), 상기 호퍼(10) 내에 배치되는 가스 분산부(30), 상기 호퍼(30)의 하단부로부터 상부 방향으로 경사지게 배치되며, 그 내부에 스크류 피더(41)가 회전 가능하게 배치되는 이송 모듈(40), 상기 이송 모듈(40)을 둘러싸는 형태로 구성되는 가스 유동부(50), 상기 이송 모듈(40)에서 배출되는 고체연료를 반응기(1)로 공급하는 고체연료 주입부(60), 및 상기 교반 모듈(20)에 연결되어 상기 스크류 피더(41)의 회전 방향 및 회전 속도를 조절하는 제어부(70)를 포함한다.
본 발명은 호퍼(10)에 연결되는 이송 모듈(40)을 상부 방향으로 경사지게 배치하여 고체연료의 이송 중에 하강 및 역류를 방지하게 하여 안정적으로 바이오매스를 정량 공급하게 한다.

Description

바이오매스 고체연료 공급장치{Biomass Solid Fuel Supplying Apparatus}

본 발명은 바이오매스와 같은 고체연료를 공급하기 위한 이송장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오매스 상에 포함된 우드칩 등의 형상이 불규칙하여 상호 브릿지 현상이 발생함으로써 이송 흐름이 정체되기 쉬운 문제를 해소하여 안정적으로 바이오매스를 정량 공급할 수 있게 할 뿐만 아니라 이송 중인 바이오매스의 역류에 의한 역화를 방지하는 스크류 공급 방식의 고체연료 공급장치에 관한 것이다.

최근에 국내외 국가들이 다양한 바이오매스(예를 들어, 우드칩, 우드 팰렛, EFB 등)를 이용하고 연소, 가스화 및 열분해 등의 처리 방법을 이용한 에너지화 기술개발이 활발히 수행되고 있다.

한편, 바이오매스 연료를 연소로, 가스화 및 열분해 장치 등과 같은 에너지화 장치에 투입하는 경우에 바이오매스 연료의 독특한 구조 및 물성 때문에 일정량을 투입하는 것이 상당히 어렵다는 문제가 있다.

특히, 바이오매스와 같은 고체 연료를 저장 공급하는 호퍼에 수용되는 침상구조의 바이오매스가 서로 브릿지(bridge) 현상에 의해 이동이 곤란하게 되거나, 또는 스크류 피더의 틈새에 바이오매스들이 끼어 피더의 동작이 멈추는 현상이 자주 발생한다.

상기와 같이, 기존의 스크류피더를 가진 원료공급 이송장치에 있어서, 응집성이 있거나 비중이 낮고 압축성이 가진 고체원료를 공급하는 경우에, 원료공급 이송장치 내의 원료가 제대로 교반이 되지 않고 응집되거나 자체 하중이 작아지게 되는데, 즉 원료가 원료공급 이송장치 내에 정체되어 원료의 유동이 저하되는 현상인 브릿지 현상이 발생하여 원료가 스크류피더의 날개로 원활하게 유입되지 않아 스크류피더가 공회전을 하게 되어, 원료를 공급하기 어려울 뿐만 아니라 정량공급이 어려운 문제점이 있다.

종래의 고체연료 공급장치를 제시하는 장치로서 등록특허 제10-0708997호( 2007.4.11.등록)이 제안된 바 있다. 상기 종래 기술은 에어챔버를 구비하여 고체연료의 원활한 공급이 이루어지게 하므로써 고체연료의 공급 후 이송과정에서 발생할 수 있는 뭉침현상을 미연에 방지하여 스크류에 의한 원활한 이송이 이루어지게 하는 고체연료의 이송장치에 대한 기재가 있지만, 고체연료를 저장하는 호퍼 내부의 구체적 구조 및 스크류 피더를 통한 역류 방지 구조 등의 내용에 대해서는 기재가 없다는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오매스 고체연료가 저장되는 호퍼에 교반기 및 가스분산기를 설치하여 바이오매스의 브릿지 현상을 제거하는 동시에 스크류 피더의 배치 및 가스 공급 구조를 개선함에 의해서 이송되는 바이오매스의 역화를 방지할 수 있는 고체연료 공급장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 고체연료 공급장치(100)는 고체연료가 수용되는 호퍼(10), 상기 호퍼(10)에 회전구동 가능하게 배치되는 교반 모듈(20), 상기 호퍼(10) 내에 배치되는 가스 분산부(30), 상기 호퍼(30)의 하단부로부터 상부 방향으로 경사지게 배치되며, 그 내부에 스크류 피더(41)가 회전 가능하게 배치되는 이송 모듈(40), 상기 이송 모듈(40)을 둘러싸는 형태로 구성되는 가스 유동부(50), 상기 이송 모듈(40)에서 배출되는 고체연료를 반응기(1)로 공급하는 고체연료 주입부(60), 및 상기 교반 모듈(20)에 연결되어 상기 스크류 피더(41)의 회전 방향 및 회전 속도를 조절하는 제어부(70)를 포함한다.

상기 교반 모듈(20)은, 상기 호퍼(10) 내부에 회전 가능하게 설치되는 교반축(21), 상기 교반축(21)에 분리가능하게 고정되는 결합구(22), 및 상기 결합구(22)에 분리 가능하게 고정되는 교반체(25)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 교반체(25)는 머리빗 또는 갈퀴 형상으로 이루어진 것이 바람직할 수 있다.

상기 호퍼(10)는 하부로 갈수록 점점 좁아지는 구조인 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스 분산부(30)는 상기 호퍼(10)의 하단 측벽에 배치되는 분산관 또는 분산판의 형태로서 공기 또는 가스를 상기 호퍼(10)의 교반 모듈(20) 측으로 분산하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스 유동부(50)는 상기 이송 모듈(40)의 외부면을 소정 거리 이격된 상태로 감싸며, 상기 가스 유동부(50) 내에는 다수의 가스 공급핀(52)이 상기 이송 모듈(40)에 연통하도록 설치되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스 공급핀(52)은 굴곡진 형상으로 제작되어 상기 이송 모듈(40)의 외부면에 소정의 각을 이루도록 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 제어부(70)는 상기 스크류 피더(41)의 회전수를 감지하는 회전수 측정기(47)에 전기적으로 연결되고, 상기 회전수 측정기(47)를 통해 전달받은 상기 스크류 피더(41)의 회전수에 따라 상기 스크류 피더(41)의 회전방향을 반대방향으로 전환하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 고체연료는 바이오매스인 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 고체연료 공급장치는 바이오매스 상에 포함된 우드칩 등의 형상이 불규칙하여 상호 브릿지 현상이 발생함으로써 이송 흐름이 정체되기 쉬운 문제를 해소함으로써 안정적으로 바이오매스를 정량 공급할 수 있게 한다.

본 발명은 호퍼에서 반응기의 고체연료 주입부까지 연결되는 이송 모듈을 상부 방향으로 경사지게 배치하여 고체연료의 이송 중에 하강 및 역류를 방지하게 한다.

또한, 이송 모듈을 가스 유동부가 둘러싸는 이중관 형상으로 구성함으로써 스크류 피더를 통하여 이송 중인 바이오매스의 역류에 의한 역화를 방지할 수 있다.

본 발명은 호퍼 내에 배치되는 머리빗 또는 갈퀴 형상의 교반기를 통하여 수용되는 바이오매스 원료를 상하 방향으로 연속적으로 교반하게 하는 것과 동시에 하부에서 상부로 경사진 스크류 피더를 이용하여 바이오매스가 장치 내부의 압력에 의해 유출되어 역화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고체연료 공급장치의 전체적인 개념도,
도 2는 도 1의 고체연료 공급장치 중 호퍼 및 스크류 피더에 대해 상부에서 바라본 평면도, 및
도 3은 도 1의 고체연료 공급장치를 이루는 분산판의 구조를 나타내는 도면이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

본 발명인 고체연료 공급장치는 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 고체연료 공급장치를 상세히 설명하기로 한다.

고체연료 공급장치(100)의 구조 설명

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 고체연료 공급장치(100)를 설명한다.

고체연료 공급장치(100)는 바이오매스와 같은 고체연료가 수용되는 호퍼(10), 호퍼(10)에 회전구동 가능하게 배치되는 교반 모듈(20), 호퍼(10) 내의 하단부에 배치되는 가스 분산부(30), 호퍼(30)의 하단부를 기점으로 하여 상부 방향으로 경사지게 배치되는 이송 모듈(40), 이송 모듈(40)을 둘러싸는 형태로 구성되는 가스 유동부(50), 이송 모듈(40)과 연결된 상태에서 이송되는 고체연료를 반응기(1)로 공급하는 고체연료 주입부(60), 이송 모듈(40)과 교반 모듈(20)에 연결되어 그 회전 방향 및 속도를 조절하는 제어부(70)를 포함한다.

호퍼(10)는 상부가 개방된 중공 형태로서 내부를 들여다 볼 수 있도록 그 상부에 배치되는 투명한 재질의 호퍼 덮개(15) 및 상기 호퍼 덮개(15)에 배치되는 높이 측정기(17)를 포함한다. 호퍼 덮개(15)는 호퍼(10) 내의 고체연료의 흐름 상태를 모니터링하게 한다. 높이 측정기(17)는 호퍼(10) 내에 잔존하는 고체연료를 자동으로 측정함으로써 고체연료 잔존량을 용이하게 모니터링함으로써 고체연료의 보충 시점 및 흐름 정체의 문제점을 즉각적으로 해결하게 한다.

상기 호퍼(10)는 일 예로서 중공의 4각 기둥 형태로 제작할 수 있다. 이러한 경우에 제1면에 해당하는 호퍼 전면(11)은 별도의 경사를 가하지 않은 상태의 수직상태로 유지하고, 제2면에 해당하는 호퍼 후면(12) 및 제3,4면에 해당하는 호퍼 좌우측면(13,14)은 경사를 이루도록 구성한다.

즉, 호퍼 전면(11)을 제외한 나머지 면들(12,13,14)이 상부에서 하부로 갈수록 호퍼(10)의 내측으로 경사지게 이루어짐으로써 호퍼(10)의 하부가 상부보다 점점 좁아지는 형상일 수 있다. 상기 형상으로 인해서, 호퍼(10) 내부에 투입된 고체연료가 중력에 의해 원활하게 흘러내려갈 수 있게 한다.

교반 모듈(20)은 호퍼(10) 내부에 회전 가능하게 설치되는 교반축(21), 교반축(21)에 분리가능하게 고정되는 결합구(22), 결합구(22)에 분리 가능하게 고정되는 교반체(25)를 포함한다. 상기 교반체(25)는 머리빗 또는 갈퀴 형상으로서 원통, 삼각뿔 등의 다양한 형상으로 구성할 수 있고, 호퍼(10)의 용량이나 교반 방법에 따라 단일의 교반축(21)에 교반체(25)의 개수, 길이 및 방향을 변경함에 의해서 다양한 형태로 구성할 수 있다. 더불어, 교반체(25)는 그 중앙을 기준으로 하여 형성되는 블레이드의 각도를 서로 다르게 설치할 수 있다.

상기와 같이, 교반 모듈(20)은 호퍼(10) 내부의 저면 근처에 설치될 수 있으며 교반 구동모터(23)에 의해서 호퍼(10) 내부에서 상하 방향으로 회전하면서 호퍼(10) 내부에 저장된 고체연료들의 브릿지(bridge) 상태를 깨주는 머리빗(hair combs) 형태의 교반체(25) 구조를 통해서 지속적으로 고체연료를 교반하게 하여 브릿지 현상이 발생되지 않도록 한다.

가스 분산부(30)는 호퍼(10) 내의 하부, 구체적으로는 교반 모듈(20)의 하부에 호퍼 전면(11)에서 호퍼 후면(12)을 향하는 방향을 따라 하단부 측벽에 배치되는 분산관의 형태로서 공기 또는 가스를 호퍼(10) 내로 분산한다.

가스 분산부(30)는 호퍼(10) 하부의 측벽에서 공기나 가스와 같은 분산 가스를 주입하기 위하여 사방으로 다수의 홀을 갖는 스파지 파이프(sparge pipe)의 분산관 형태일 수 있다. 상기와 같이, 가스 분산부(30)를 호퍼(10) 내부에 설치하여 호퍼(10) 상부에서 고체연료의 낙하 및 교반시에 고르게 가스를 공급되도록 하여 고체연료들이 서로 엉킴 없이 잘 분산되게 한다. 이를 통해 교반 모듈(20)에 의해서만 작동하는 경우보다 고체연료의 분산 효과를 더욱 향상할 수 있다. 한편, 가스 분산부(30)의 다른 실시예로서, 파이프 형상 대신에 다공의 분산판 형태로도 구성 가능하다.

이송 모듈(40)은 호퍼(10) 저면에 형성된 배출구로부터 전달되는 고체연료를 스크류 피더(41)를 이용하여 반응기(1) 측으로 이송하는 기능을 수행한다. 스크류 피더(41)는 이송 모듈(40) 내에 길이 방향으로 관통하여 회전가능하게 설치되는 스크류 축(42) 및 스크류 축(42)에 나선 형상으로 배치되는 회전 날개(43)를 포함한다. 이송 모듈(40)의 일측은 호퍼(10) 저면의 중심부에 설치되고 타측은 고체연료 주입부(60)에 연결된다. 여기에서, 이송 모듈(40)의 일측에서 타측으로 갈수록 상부로 경사지게 배치되는 구조일 수 있다.

구체적으로, 이송 모듈(40)은 호퍼(10) 하단으로부터 반응기(1)에 연결되는 고체연료 주입부(60)까지 연결되고 스크류 구동모터(45)에 의하여 회전하는 스크류 형태의 스크류 피더(41)를 경사지게 하여 호퍼(10)의 설치 높이가 고체연료 주입부(60) 설치 위치보다 하부에 위치하게 한다. 이를 통해, 이송 모듈(40)에 공급되는 고체연료가 스크류 피더(41)의 경사를 따라 하부에서 상부로 이송됨으로써 이송 공정 중에 발생가능한 고체연료의 역류를 방지한다. 즉, 반응기(1) 내부 가스가 고체연료 주입부(60)를 통해 유출되는 경우에 이송 모듈(40)에서는 고체연료의 하강을 방해하거나 반응에 의한 역화를 방지할 수 있다.

가스 유동부(50)는 이송 모듈(40)의 외부면을 소정 거리 이격된 상태로 감싸도록 구성되고, 가스 유동부(50) 내에는 다수의 가스 공급핀(52)이 이송 모듈(40)의 외부면을 통해 이송 모듈(40) 내부에 연통하도록 설치된다. 이를 통해 이송 모듈(40)과 가스 유동부(50)는 이중관 형태를 이루게 된다.

가스 공급핀(52)은 굴곡진 형상으로 제작되어 이송 모듈(40)의 외부면에 일정한 각을 이루도록 배치된다. 예를 들어, 직각 형태의 "ㄴ" 형상으로 제작되어 이송 모듈(40)의 외부면에 수직하게 배치될 수 있다.

이송 모듈(40)의 외부면에 길이 및 반경 방향으로 소정 간격으로 형성되어 있는 홀들을 통하여 공기나 가스를 간헐적으로 주입하여 고체연료들이 스크류 피더(41)와 이송 모듈(40) 내부면 사이에 끼이는 현상을 방지하게 한다. 즉, 이중관 형태의 가스 유동부(50)에 가스 공급원(55)으로부터 공기나 가스를 간헐적으로 주입하여 가스 공급핀(52)을 통해 이송 모듈(40) 내부에 직접적으로 공급하는 과정을 통해 스크류 피더(41)의 회전 날개(43)와 스크류 피더(41)를 둘러싸고 있는 이송 모듈(40)의 내벽 사이의 틈새에 고체연료가 끼어 스크류 피더(41)의 손상이나 스크류 구동모터(45)에 무리가 가서 정지되는 현상을 방지하게 한다.

고체연료 주입부(60)는 그 일측이 이송 모듈(40)의 출구 측에 연결되고 그 타측이 반응기(1)에 연결된다. 고체연료 주입부(60)는 하부로 경사진 상태로 반응기(1)에 연결되는 구조를 유지한다. 상기 구조를 통해서, 이송 모듈(40)을 통해 상부 방향으로 이송된 고체연료가 고체연료 주입부(60)를 따라 하부로 이송되어져 반응기(1)에 공급되고, 결과적으로 경사진 배치 형태를 통해 중력에 의하여 고체연료가 원활하게 주입된다.

한편, 도 3을 참조하면 고체연료 주입부(60)의 하부에는 다수의 분산홀(66)이 형성된 분산판(65)이 배치된다. 상기 분산판(65)은 분산홀(66)을 통해 공기나 가스를 고체연료 주입부(60) 내로 간헐적으로 분산하여 고체연료가 정체됨이 없이 일정한 속도로 반응기(1)에 주입되게 한다.

제어부(70)는 이송 모듈(40)의 스크류 구동모터(45), 스크류 축(42)에 배치되는 회전수 측정기(47), 교반 모듈(20)의 교반 구동모터(23), 및 가스 유동부(50)에 전기적으로 연결된다.

제어부(70)는 고체연료 공급장치(100)의 작동 중에 있어서 회전수 측정기(47)를 통해 스크류 피더(41)의 회전수(RPM)를 전달받게 되고, 적정 회전수 범위로 기 설정된 제1기준회전수와 비교하여 현저히 저하된 제2기준회전수 범위로 스크류 축(42)이 회전한다고 판단되는 경우에는 스크류 피더(41)의 회전방향을 반대방향으로 전환하여 구동하게 한다. 즉, 제2기준회전수는 제1기준회전수 대비 5 내지10% 정도의 비율로 회전수가 감소하는 것으로 설정할 수 있는데, 이러한 경우에 제어부(70)는 스크류 피더(41)의 회전이 어려울 정도로 고체연료가 이송 모듈(40)에 뭉쳐 있다고 판단하여 스크류 피더(41)의 회전방향을 반대방향으로 전환하거나 가스 유동부(50)로 공급되는 가스의 유동량 및 속도를 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체연료 공급장치(100)는 바이오매스 상에 포함된 우드칩 등의 형상이 불규칙하여 상호 브릿지 현상이 발생함으로써 이송 흐름이 정체되기 쉬운 문제를 해소함으로써 안정적으로 바이오매스를 정량 공급할 수 있게 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : 호퍼
20 : 교반 모듈
30 : 가스 분산부
40 : 이송 모듈
50 : 가스 유동부
60 : 고체연료 주입부
70 : 제어부
100 : 고체연료 공급장치

Claims (10)

1. 고체연료가 수용되는 호퍼(10);
   상기 호퍼(10)에 회전구동 가능하게 배치되는 교반 모듈(20);
   상기 호퍼(10) 내에 배치되는 가스 분산부(30);
   상기 호퍼(10)의 하단부로부터 상부 방향으로 경사지게 배치되며, 그 내부에 스크류 피더(41)가 회전 가능하게 배치되는 이송 모듈(40);
   상기 이송 모듈(40)을 둘러싸는 형태로 구성되는 가스 유동부(50);
   상기 이송 모듈(40)에서 배출되는 고체연료를 반응기(1)로 공급하는 고체연료 주입부(60); 및
   상기 교반 모듈(20)에 연결되어 상기 스크류 피더(41)의 회전 방향 및 회전 속도를 조절하는 제어부(70);를 포함하며,
   상기 가스 분산부(30)는 상기 호퍼(10)의 하단 측벽에 배치되는 분산관 또는 분산판의 형태로서 공기 또는 가스를 상기 호퍼(10)의 교반 모듈(20) 측으로 분산하는 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
2. 고체연료가 수용되는 호퍼(10);
   상기 호퍼(10)에 회전구동 가능하게 배치되는 교반 모듈(20);
   상기 호퍼(10) 내에 배치되는 가스 분산부(30);
   상기 호퍼(10)의 하단부로부터 상부 방향으로 경사지게 배치되며, 그 내부에 스크류 피더(41)가 회전 가능하게 배치되는 이송 모듈(40);
   상기 이송 모듈(40)을 둘러싸는 형태로 구성되는 가스 유동부(50);
   상기 이송 모듈(40)에서 배출되는 고체연료를 반응기(1)로 공급하는 고체연료 주입부(60); 및
   상기 교반 모듈(20)에 연결되어 상기 스크류 피더(41)의 회전 방향 및 회전 속도를 조절하는 제어부(70);를 포함하며
   상기 가스 유동부(50)는 상기 이송 모듈(40)의 외부면을 소정 거리 이격된 상태로 감싸며, 상기 가스 유동부(50) 내에는 다수의 가스 공급핀(52)이 상기 이송 모듈(40)에 연통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 교반 모듈(20)은,
   상기 호퍼(10) 내부에 회전 가능하게 설치되는 교반축(21);
   상기 교반축(21)에 분리가능하게 고정되는 결합구(22); 및
   상기 결합구(22)에 분리 가능하게 고정되는 교반체(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 호퍼(10)는 하부로 갈수록 점점 좁아지는 구조인 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 가스 공급핀(52)은 굴곡진 형상으로 제작되어 상기 이송 모듈(40)의 외부면에 소정의 각을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부(70)는 상기 스크류 피더(41)의 회전수를 감지하는 회전수 측정기(47)에 전기적으로 연결되고,
   상기 회전수 측정기(47)를 통해 전달받은 상기 스크류 피더(41)의 회전수에 따라 상기 스크류 피더(41)의 회전방향을 반대방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 고체연료는 바이오매스인 것을 특징으로 하는,
   고체연료 공급장치.
   
10. 제 3 항에 있어서,
    상기 교반체(25)는 머리빗 또는 갈퀴 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    고체연료 공급장치.
    

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