KR101485678B1 - 바이오매스 탄화 분체 연소용 버너 및 연소 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스(BIOMASS) 특히 바이오매스 탄화(반 탄화물 포함)를 분체로 가공(분쇄)하여 효과적으로 연소시킬수 있는 버너(BURNER)와 연소를 위한 시스템(SYSTEM)에 관한 것이다.
이를 위하여 분체화된 바이오매스 탄화물(고체 연료 라함)을 연소를 위하여 분사할 경우에 분체화된 고체연료의 분사되는 구역의 내면과 점화 및 연소를 유도하는 연소연료의 내부 그리고 분체화된 고체연료가 분사되는 외면에 연소공기를 샌드위치 방식으로 형성시켜 짧은 시간에 공기(산소)와 적절히 접촉하여 효율적인 연소가 되도록 유도하는 것이다

Description

바이오매스 탄화 분체 연소용 버너 및 연소 시스템{A bunner and system for biomass}

본 발명은 바이오매스(BIOMASS) 특히 바이오매스 탄화물(반 탄화물 포함)을 분체로 가공(분쇄)하여 효과적으로 연소시킬수 있는 버너(BURNER)와 연소를 위한 시스템(SYSTEM)에 관한 것이다.

현재 에너지 원으로 주로 사용되고 있는 석탄, 석유 및 천연 GAS 등 화석에너지는 매장량의 한계로 인하여 고갈되어지면서 가격급등은 물론 연소시 발생되는 온실 가스(GAS)의 증가로 인한 환경문제가 중요 과제로 대두되고 있다.

따라서 이산화탄소를 증감시키지 않고 환경에 좋은 탄소중립(이산화탄소를 배출한 만큼 이산화탄소를 흡수하는 대책을 세워 이산화탄소의 실질적인 배출량을 ‘0’으로 만든다는 개념)의 바이오매스(BIOMASS)연료가 화석 에너지를 대체하는 것 중 하나로 검토되고 있다.

바이오매스(biomass)는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생가능한 유기 물질로 현재 에너지원으로 쓰여지고 있는 목재, 식물, 농·임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성분등을 일컫는다.

따라서 주변에 산재해 있는 목질계 폐재(목재, 간벌재, 임산폐가물 건축폐재 제재잔재 등)는 물론 농업폐재(볏짚, 왕겨, 밀집 곡물 농업폐기물 등)와 식물폐기물(수산가공물찌꺼기, 부엌쓰레기 식물잔재 등)과 일반폐기물(헌종이, 펄프슬러지등)은 물론 하수오니 등 발열량이 낮아 회피하던 저품위 연료류의 활용이 점차 연구의 대상이 되고 있는 것이다.

또한 이러한 바이오매스의 활용은 직접연소, 고형연소, 가스화, 액화, 탄화, 메탄발효, 에탄올 발효등으로 그 연구 범위가 폭넓게 진행되고 있으나 각종 폐 재료를 주원료로 하는 탄화에 의한 폐기물의 연료화 방법이 활용하기 쉽고 간편한 방안으로 떠올라 각국에서 관심을 집중하고 있다.

그러나 이러한 탄화에 의한 폐기물의 연료화에 따른 연소에 대한 구체적인 제안이 없고 이들의 연소효율을 높이기 위한 어떠한 방안이 구체적으로 제안되지 못하고 있는 것이다.

따라서 본 발명은 바이오매스의 탄화물을 분체화하여 분체화된 바이오매스 탄하물을 버너로 직접 연소토록 하면서도 효과적으로 연소가 가능토록 하기 위한 것이다.

이를 위하여 분체화된 바이오매스 탄화물(이하 고체 연료 라함)의 연소를 위하여 분사할 경우에 분체화된 고체연료의 분사되는 구역의 내면과 점화 및 연소를 유도하는 연소연료의 내부 그리고 분체화된 고체연료가 분사되는 외면에 연소공기를 샌드위치 방식으로 형성시켜 짧은 시간에 공기(산소)와 적절히 접촉하여 효율적인 연소가 되도록 유도하는 것이다.

따라서 분체화된 바이오매스 탄화물(이하 고체 연료 라함)을 연소연료와 혼소토록 하여 완전연소가 가능하면서도 분체화된 바이오매스 탄화물(이하 고체 연료 라함)만으로 100%까지 전소가 가능하게 할 수 있는 것이다.

도1은 본 발명의 분체화된 바이오매스의 탄화물을 연소하기 위한 버너의 일실시예의 단면도.
도2는 본 발명의 분체화된 바이오매스의 탄화물이 분사될 경우에 회전을 유도하여 연소를 우수하게 하기 위한 버너의 일실시예의 단면도.
도3은 도2의 버너에서 분체화된 바이오매스의 탄화물이 분사될 경우에 회전을 유도하여 연소를 우수하게 하기 위한 버너의 노즐구조를 나타낸 정면도.
도4는 도3의 분체화된 바이오매스의 탄화물이 분사될 경우에 회전을 유도하기 위한 안내깃의 상세구조도.
도5는 본 발명의 분체화된 바이오매스의 탄화물이 분사될 경우에 회전을 유도하여 연소를 우수하게 하기 위한 버너의 또 다른 일실시예의 단면도.
도6은 도5의 버너에서 분체화된 바이오매스의 탄화물이 분사될 경우에 회전을 유도하여 연소를 우수하게 하기 위한 버너의 노즐구조를 나타낸 정면도.
도7은 본 발명의 분체화된 바이오매스의 탄화물을 효율적으로 연소하기 위한 시스템구성도.

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 도1에 도시된 바와 같이 분체화된 바이오매스의 탄화물(이하 고체연료라 칭함)의 연소를 위한 버너의 구성은 다음과 같다.

분체화된 바이오매스의 탄화물의 연소를 위하여는 초기점화 및 연소온도를 승온시키기 위하여 Oil 혹은 GAS가 연료투입구(11)를 통하여 투입되어 버너(10)에 착화하기 위한 점화노즐(12)이 구비되고, 상기 점화노즐에 점화시 연소유지를 위하여 1차 연소공기(최소필요공기)가 투입되어지는 점화연소공기 투입라인(13)이 구비되고, 이러한 점화노즐(12)과 점화연소공기 투입라인(13)으로 공급되는 점화연료와 1차 연소공기에 의하여 버너(10)가 착화된 후 분체화된 바이오매스의 탄화물을 공급하는 고체연료공급라인(14)과 이때 고체연료를 효과적으로 이송하면서 연소효율 향상시키기 위하여 공기와 혼합하여 이송(공기이송)공급되는 것이다.

그후 고체연료의 연소효율 향상을 위하여 점화노즐(12)의 선단에서 고체연료공급라인(14)을 통하여 분체화된 고체연료가 토출되는 토출구(14a)의 외측으로 형성된 토출구(15a)를 통하여 토출되게 연소보조공기 투입라인(15)이 형성되고, 상기 연소보조공기 투입라인(15)으로는 2차 연소공기가 투입되어져 고체연료공급라인(14)을 통하여 공급되는 고체연료와 효과적으로 혼합 연소하도록 하는 것이다.

이런 상태에서 연소에 의하여 발생되는 화염(불꽃)의 외부에서 분사되는 고체연료의 미연소분을 재 연소시키기 위하여 미연소분 연소유도공기 투입라인(16)을 통하여 3차 연소공기를 토출구(16a)로 토출토록 함으로서 고체연료의 미연소분을 재연소 시켜 완전연소를 유도하게 하는 것이다.

따라서 분사되는 분체화된 고체연료가 토출구를 통하여 분사되는 구역의 내면 즉 연료 내부(1차 연소공기 토출) 그리고 분사되는 고체연료의 외면(2차 연소공기 토출)에 1,2,3차 연소공기를 샌드위치 방식으로 토출되게 형성시켜 짧은 시간에 분사되는 분체화된 고체연료가 공기(산소)와 적절히 접촉하여 효율적인 연소가 되도록 유도하는 것이다.

또한 분체화된 고체 연료의 연소효율 향상을 위한 또 다른 버너는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 열 사용설비의 조건에 따라서 연소실 내벽 및 분위기 온도가 지나치게 내려갈 경우 고체 연료는 불안전 연소 혹은 미연소 카본이 생성될 경우가 있다.

또한 본 발명에서는 이러한 연소 환경의 변화에 효율적이고 안정적인 연소를 유도하기 위하여 상기 연료투입구(11)로 투입되는 Oil 혹은 GAS를 버너의 점화노즐(12)에서 점화토록 하여 초기 가동 후 완전 소화하지 않고 10~20% 정도의 연소상태를 유지시켜 불씨를 계속 공급하여 주는 것이다.

이럴 경우에 연소효율 향상뿐만 아니라 저급고체 연료의 연소도 가능하여 분체화된 바이오매스(BIOMASS) 탄화분 내에 포함된 저급연료 성분까지도 효과적으로 완전 연소가 가능하게 되는 것이다.

또한 극단적인 이상현상으로 분체화된 고체 연료가 순간적으로 소화(불이 꺼지는 현상)되는 경우가 발생될 경우에도 지속적으로 안정적인 연소가 바로 이루어 질수 있어 안전한 조업이 가능하게 되는 것이다.

또한 분체화된 고체연료만으로 전소를 유도할 경우에 연소효율 개선을 위하여 분체화된 고체연료를 회전분무하는 방식을 도모함으로서 가능토록 한 것으로, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 연소보조공기 투입라인(15)의 토출구(15a)에 토출구(15a)로 토출되는 공기를 회전시켜주는 회전 안내깃(15b)을 적절히 취부하여 연소보조공기 투입라인(15)에 의하여 투입되는 2차 연소공기가 토출구(15a)로 토출될 경우에 토출되는 공기의 회전력을 이용하여 분체화된 고체 연료가 고체연료공급라인(14)을 통하여 토출구(14a)로 토출될 경우에 함께 회전토록 하여 혼합토록 함으로서 연소효율을 향상시키게 되는 것이다.

이때 도4에 도시된 바와 같이 안내깃(15b)의 길이는 버너(10)의 크기에 따라 다르나 통상 100~200mm 정도로 하며 안내깃(15b)의 간격은 50~150 mm 정도로 한다.

이때 반드시 안내깃(15b)의 출발점(A)이 안내깃(15b)의 끝나는 점(B)의 중심직선 중간(c)을 넘어서야 하는 것이고, 이때 회전 안내깃(15b)의 각도는 목적하는 버너의 후레임 크기와 형상에 따라 차이가 있으나 통상 10~35°이내로 하는 것이 가장 효과적이다.

이는 안내깃(15b)을 통하여 토출되는 2차 연소공기가 분체화된 고체연료가 토출구(14a)로 토출되는 방향으로 토출토록 함으로서 분체화된 고체연료가 와류에 의하여 혼합이 우수하게 하는 것이다.

또한 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 분체화 된 고체연료와 연소보조공기 투입라인(15)으로 투입되는 2차 연소공기를 토출시 분체화된 고체연료와 2차 연소공기를 샌드위치 방식으로 분무토록 함으로서 연소효율을 더욱 향상토록 하는 것이다.

이를 위하여 분체화된 고체연료공급라인(14)과 연소보조공기 투입라인(15)을 통하여 투입되는 각각의 분체화된 고체연료와 2차 연소공기는 분체화된 고체연료 토출구(14a-1)로 동시에 토출토록 하고, 이때 도6에 도시된 바와 같이 버너선단부의 토출구(14a-1)는 구획되어 분체화된 고체연료 토출구(14a-1)와 2차 연소공기의 토출구(15a-1)가 지그재그로 연속되게 형성되어져 토출시 분체화된 고체연료와 2차 연소공기가 동일원주로 모이면서 분체화된 고체연료와 2차 연소공기를 샌드위치 방식으로 분무토록 하는 것이다.

따라서 상기와 같이 샌드위치 상태로 분무되면서 분체화된 고체연료와 2차 연소공기의 유속 차이에 의하여 토출구(14a-1)로 분무되는 순간 와류혼합에 의하여 분체화된 고체 연료와 2차 연소공기가 효과적으로 혼합되어 연소효율이 향상되는 것이다.

따라서 Oil 또는 가스에 의하여 점화 연소된 상태에서 버너의 점화노즐의 선단의 불씨에 의하여 착화 연소가 효율적으로 이루어 지게 되는 것이다.

이때에도 미연소분의 연소를 위하여 중공형의 원형 화염의 내부 1차 연소공기와 원형화염 외부의 미연소분 연소유도공기투입라인(16)을 통하여 토출되는 3차 연소공기가 함께 유동하면서 적절히 혼합되어 연소효과를 향상시켜 미연소분의 완전연소도 가능하게 되는 효과적인 연소가 일어나도록 되는 것이다.

또한 분체화된 고체연료의 효율적인 연소를 위한 시스템은 다음과 같다.

우선 분체화된 고체연료가 저장되는 저장고(20)에서 연소를 위하여 버너(10)에 공급된 상태에서 버너(10)에 공급된 분체화 된 고체연료를 연소실(30) 내부에서 1,2,3차 연소공기와 동시에 혼합시키며 연소시킬 경우 고온에서 급속연소가 이루어지며 NOx(질소산화물)발생율이 높아 환경적으로 적절하지 못하게 되는 문제점이 있고, 또한 연소시 공기와 미 접촉한 고체 연료는 미연 카본 상태로 그냥 연소실(30) 밖(열사용 기계 내부)으로 나갈 가능성이 있으며 또한 연소 공기가 효과적으로 적절히 사용되지 못할 경우 과잉공기에 의한 연소가 이루어져 열손실이 높아질수 있게 되는 것이다.

따라서 본 발명에서는 1,2,3차 연소공기를 버너(10)에 공급되는 점화연소공기 투입라인(13)과 연소보조공기 투입라인(15)과 연소유도공기 투입라인(16)과 연소실(30)로 직접 공급되는 희석공기투입라인(31)을 이용하여 단계적으로 공급 다단계 연소를 시킴으로서 효과적이고 효율적인 연소를 유도할 수 있도록 한 것이다.

즉 점화연소공기 투입라인(13)과 연소보조공기 투입라인(15)과 연소유도공기 투입라인(16)과 연소실(30)로 공급되는 희석공기투입라인(31)으로 투입되는 1,2,3차 연소공기를 시간차를 갖고 다단계로 공급하여 연소지연 및 다단계 연소를 유도함으로서 연료의 산화(연소)를 천천히 단계적이고 안정적으로 공기와 확실하게 접촉하게 함으로서 완전한 연소를 기대할 수 있도록 한 것이다

또한 상기와 같이 단계적 연소를 시킴으로서 연소실(30)내에서 저온 연소분위기를 만들 수 있어 연소중에 생성하는 질소산화물(NOx)의 발생을 억제시켜 환경개선 및 운전비 절감효과를 기대할 수 있는 것이다

본 발명에서의 연소공기량의 조정은 연료의 특성, 연소분위기, 화염의 형상등 조건에 따라 차이가 있으나 1차 연소공기는 점화연소공기 투입라인(13)을 통하여 전체 연소공기량을 100%라 할 경우에 10~20%로 투입하여 점화토록 하면서 승온토록 하는 것이다.

그후 2차 연소공기는 점화연소공기 투입라인(13)에 의하여 투입된 1차 연소공기에 의하여 점화토록 되고 승온된 상태에서 분체화된 고체연료 공급라인(14)을 통하여 토출구(14a)로 토출되어 버너(10)에서 고체연료가 연소될 경우에 분사되는 고체연료의 외측을 감싸면서 토출되는 연소보조공기 투입라인(15)으로 공급되는 것으로 이때 토출구(15a)로 토출되는 연소공기량은 전체연소공기량을 100%로 할 경우에 20~60%로 투입하여 완전연소를 유도하게 되는 것이다.

그후 완전연소가 유도되는 상황에서 미연소분의 연소를 위하여 3차 연소공기는 연소유도공기 투입라인(16)을 통하여 전체 연소공기량의 40~50%로 투입하게 되는 것이다.

그후 연소실(30)에서 완전연소가 이루어진 상태에서 4차 연소공기는 연소실(30)로 공급되는 희석공기투입라인(31)에 의하여 전체 연소공기량의 20~30%정도에서 적절히 조정 운전하게 되는 것이다..

이때 연소실(30)로 직접 공급되는 희석공기투입라인(31)은 저온 열풍을 사용하는 열설비의 경우에 사용되는 것이다.

또한 본 발명은 연료의 정량 안정 공급으로 안정된 연소상태 유지를 위하여 버너(10)에 공급하는 분체화된 고체연료를 설정된 양으로 안정적으로 공급함으로서 안정적인 연소상태를 유지하기 위한 것으로, 도7에 도시된 바와 같이 저장고(20)에서 정량공급장치(20a)를 설치하는 것이다.

이때 정량공급장치(20a)의 배출구에는 정교한 배출피더(feeder)(21)를 설치하여 연료가 배출시 일정량이 지속적으로 배출 되도록 하는 것이다.

상기 배출피더는 인버터콘드롤 방식으로 하여 사용 여건에 따라 연료 공급량을 원격조정 할 수 있도록 한것이다.

또한 정량 공급장치(20a)에서의 분체화된 고체연료의 공급량을 더욱 정확히 안정적 공급을 하기 위하여 정량공급장치(20a)의 전체를 로드쉘로 계량하여 순간순간의 배출량을 감량계량하여 계량된 정확한 량이 배출되도록 하는 것이다.

또한 이와 같이 정량공급장치(20a)에 의하여 정량으로 안정적으로 배출된 분체화된 고체연료를 안정적으로 버너(10)에 공급하기 위하여 배출피더(21) 출구에 로타리밸브(rotary value((22)와 인젝터(23)를 설치하여 분체화된 고체연료의 역류로 인한 공급량의 흔들림을 방지하는 것이다.

이때 인젝터(23)는 분체화된 고체연료가 인젝터(23)로 들어오는 연료의 공급구(23a)(들어오는 곳)의 압력조건을 부압(저진공상태)상태로 만들어 분체화된 고체연료의 역류를 방지하면서 안정적으로 연료가 공급 이송 되도록 하는 것이다.

또한 고체연료 중에 특히 저급연료의 연소효율 향상을 위하여 연소분위기 (화염의 주변온도)를 고온으로 유지시켜줌으로서 연소실(30) 연소에 의한 고온 분위기 연소로 연소효율을 상당부분 효과적이고 안정적이 연소가 이루어 지도록 하게 되는 것이다.

현재 연소실(30)의 분위기 온도는 연료의 종류와 특성에 따라 차이가 있으나 착화성이 다소 우수한 바이오매스(BIOMASS류)의 경우는 300℃~600℃이고, 연소성이 나쁜 석탄류나 석유코크스(Petro cokes)의 경우는 600℃~1200℃의 분위기를 유지시켜 거의 완전한 연소를 유도할 수 있다.

이때 연소실의 열부하율은 oil혹은 gas의 경우 보다는 다소 낮은 것으로 (시험결과)예측되며, 20만~40만kcal/m³ 정도면 적정한 것으로 판단한다.

또한 연소실의 형식은 내벽을 내화물로 하여 승온된 열을 최대한 보유하고 내부온도를 유지할 수 있도록 하고 단면의 형상은 사각형이나 원형 모두 연소효율과 연관이 크게 없는 것이다.

그러나 연소실의 직경과 길이는 연소효율과 연관이 있어 본 발명에서는 연소실의 직경과 길이의 비율을 길이가 직경에 비하여 2~4배정도로 길게 하는 것이 완전연소에 효과적인 것이다.

10:버너 11:연료투입구
12:점화노즐 13:점화연소공기 투입라인
14:고체연료 공급라인 15:연소보조공기 투입라인
16:연소유도공기 투입라인
20:저장고 21:배출피더
22:로타리밸브 23:인젝터
23a:연료의 공급구
30:연소실

Claims (10)

1. 분체화된 바이오매스의 탄화물의 연소를 위하여 초기점화 및 연소온도를 승온시키기 위하여 Oil 혹은 GAS의 연료가 투입되어지는 연료투입구(11)와;
   상기 연료투입구(11)를 통하여 투입되는 연료에 착화하기 위한 점화노즐(12)과;
   상기 점화노즐(12)에서의 점화시 연소유지를 위하여 투입되는 1차 연소공기(최소필요공기)를 공급하는 점화연소공기 투입라인(13)과;
   상기 점화연료가 공급되는 점화노즐(12)과 연소유지를 위한 점화연소공기 투입라인(13)으로 공급되는 점화연료가 착화된 후 분체화된 바이오매스의 탄화물을 공급하는 고체연료공급라인(14)과;
   상기 고체연료공급라인(14)을 통하여 공급되는 고체연료의 연소효율 향상을 위하여 점화 노즐(12)의 선단에서 고체연료공급라인(14)을 통하여 분체화된 고체연료가 토출되는 제1토출구(14a)의 외측으로 2차 연소공기가 토출되게 구비되는 연소보조공기 투입라인(15)이 구비되는 제2토출구(15a)와;
   상기 연소보조공기 투입라인(15)으로 투입되는 2차 연소공기가 고체연료공급라인(14)을 통하여 공급되는 고체연료와 효과적으로 혼합 연소하면서 연소에 의하여 발생되는 화염(불꽃)의 외부에서 분사되는 고체연료의 미연소분을 재 연소시키기 위하여 3차 연소공기가 투입되는 미연소분 연소유도공기 투입라인(16)이 구비되는 제3 토출구(16a)와;
   상기 분체화된 고체연료공급라인(14)과 연소보조공기 투입라인(15)을 통하여 각각 투입되는 분체화된 고체연료와 2차 연소공기는 분체화된 고체연료 토출구(14a-1)로 동시에 토출토록 하고,
   상기 버너선단부의 토출구(14a-1)는 구획되어 분체화된 고체연료 토출구(14a-01)와 2차 연소공기의 토출구(15a-1)가 지그재그로 연속되게 형성되어져 토출시 분체화된 고체연료와 2차 연소공기가 동일 원주로 모이면서 분체화된 고체연료와 2차 연소공기를 샌드위치 방식으로 분무토록 하는 바이오매스 탄화 분체 연소용 버너.
   
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