KR101496299B1

KR101496299B1 - 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러

Info

Publication number: KR101496299B1
Application number: KR20140008844A
Authority: KR
Inventors: 김광수
Original assignee: 금남비앤이 주식회사
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-03-02

Abstract

본 발명에서는 연소로와, 이 연소로의 상부 화기 전파경로 상에 연결 설치하되, 상부에 제1배기구가 형성되고, 내벽에 전열관이 형성된 제1상향열회수부와, 이 제1상향열회수부의 상부에 연결 설치하되, 하부 일측에 제1배기구와 통하는 제1흡기구가 형성되고 하부 타측에 제2배기구가 형성되며 내벽에 전열관이 형성된 회류열회수부와, 이 회류열회수부와 통하도록 연결 설치하되, 상부에 제2배기구와 통하는 제2흡기구가 형성되고 하부에 제3배기구와 제1분진배출구가 형성되고, 내벽에 전열관이 형성된 하향열회수부와, 이 하향열회수부와 나란히 설치하되, 상부에 제4배기구가 형성되고 하부에 제3배기구와 통하는 제3흡기구 및 제2분진배출구가 형성되며, 내벽에 회류열회수부의 전열관 및 하향열회수부의 전열관과 연결되는 전열관이 형성된 제2상향열회수부와, 이 제2상향열회수부와 나란히 설치하되, 상부에 제4배기구와 통하는 제4흡기구가 형성되고 하부에 제5배기구와 제3분진배출구가 형성되며, 내벽에 전열관이 형성된 이코노마이저와, 이 이코노마이저의 전열관에 급수를 위한 급수 펌프 및 제1상향열회수부의 전열관 및 이코노마이저의 전열관에서 가열된 급수가 순환하면서 스팀을 생성하는 스팀 드럼을 포함하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러를 개시한다.

Description

열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러{Boiler for refuse derived fuel coupled with thermal oil boiler and steam boiler}

본 발명은 폐기물 고형연료로 열매체 보일러와 스팀 보일러를 혼용하는 산업용 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 연소 및 열 흡수조건을 구현하여 폐기물 고형연료의 연소과정에서 발생하는 분진(dust)이 전열관 벽체에 쌓이는 것을 방지하면서 높은 효율로 열을 회수하여 열손실을 최소화하고, 아울러 열매에 의한 열기 또는 온수와 동시에 스팀을 생산할 수 있는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러에 관한 것이다.

최근 들어 각종 사업장 및 생활시설에서 발생하는 폐기물의 배출량 억제와 재활용 촉진이 에너지 자원의 부족 및 환경문제 해결에 있어 최우선 과제로 인식되고 있고, 부족한 에너지자원 확보를 위한 이른바 신재생에너지 개발이 다각적으로 이루어지면서 에너지 함량이 높은 가연성 폐기물을 산업생산 활동이나 가정 생활에서 필요한 에너지 자원으로 유효하게 이용하는 다양한 기술이 알려져 있다.

이를테면 사업장이나 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 고형화 처리를 통해 폐기물 고형연료(RDF, RPF, TDF, WCF)로 가공한 후 적합한 열회수 이용시설에 사용하는 기술은 폐기물에 잠재한 에너지를 가장 효율적이고 경제적으로 회수할 수 있다.

즉, 폐기물 고형연료는 생활쓰레기나 음식물쓰레기, 폐플라스틱, 폐타이어, 폐목재 따위의 각종 폐기물에 함유된 수분과 금속류, 토사, 유리 등의 불연성 성분은 제거하고, 종이, 플라스틱, 고무, 섬유 등의 가연성 물질만을 선별하여 건조, 파쇄 및 압축 성형 등의 공정을 통해 제조하며 발열량이 약 4,000kcal/kg 이상으로 고열량의 에너지원이고, 펠릿(pellet) 형태로 제조되므로 수송성, 저장성 등이 우수하여 취급이 용이한 장점이 있다.

또한, 폐기물 고형연료는 연소가 안정적이면서 불순물이 적어서 다이옥신과 같은 유해가스의 발생률이 현저히 적기 때문에 폐기물의 청정한 처리 및 자원 재활용 효과가 우수할 뿐만 아니라 석탄대용으로 산업용 또는 발전용 연료로 활용할 수 있어 다양한 산업분야에서 각광받고 있다.

한편, 이러한 폐기물 고형연료의 연소과정에서 발생하는 연소가스와 화기를 이용하여 건물의 난방용 스팀이나 온수를 생산하는 고형연료 전용 보일러 시스템이 개발된 바 있다.

예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제10-0650383호에 '폐열 보일러'가, 대한민국 등록실용신안공보 제20-0390958호에 '고형연료를 이용한 보일러' 등이 개시되어 있다.

그런데 이러한 종래의 보일러 장치는 연소에 필요한 공기량이 연소로 내에 충분하고 폭넓게 공급되지 못하므로 고형연료가 불완전연소되면서 열손실은 물론 연소 효율이 현저히 떨어지고, 이로 인해 이산화황, 질소산화물, 다이옥신(Dioxin)을 비롯한 각종 대기오염물질이 대기중으로 방출되어 대기환경 오염을 초래하는 문제점이 있다.

또한, 폐기물 고형연료는 구성성분의 40~60% 이상이 플라스틱인 특성상 연소 시 발생하는 이물질이나 연사 등의 각종 분진이 응집 및 연소로 내화벽에 응착되며, 이러한 분진의 응집 및 응착 현상은 연소 효율을 현저히 저하시키는 데다 심한 경우 내벽에 부식 변형을 유발함과 동시에 클링커(clinker) 형성 혹은 크랙(crack)이 발생하여 보일러의 잦은 고장 및 오염물질 배출 등을 야기하는 원인이 되기 때문에 주기적으로 제거해야 하는 번거로움과 불편함이 있음은 물론 연소로 내벽에 응착된 분진을 제거하기 위해서는 보일러의 가동을 정지해야 하므로 가동률 및 생산성이 떨어질 수밖에 없다.

아울러 폐기물 고형연료의 연소 화염은 복사 열량의 비율이 매우 높은 특성이 있어 내화벽으로 형성된 연소로의 경우 복사열의 손실이 많아 열의 낭비가 심할 뿐만 아니라 장기간 사용 시 고온의 복사열로 인해 압착현상 등이 일어나고 응력에 대한 지지력 상실로 쉽게 조각이 되어 떨어지는 현상이 발생하는 문제점도 있다.

더욱이, 종래의 폐기물 고형연료용 보일러 장치는 고온의 연소가스가 전열관과 접촉되면서 그 내부에 흐르는 유체(물)를 가열하는 관계상 연소가스가 전열관과 접촉할 때 온도가 떨어지면서 그에 불완전연소 상태로 함유된 분진은 전열관의 표면에 대부분 고착이나 응착되어 열전달(열전도)을 방해하고 연소가스의 흐름 저항을 증가시키기 때문에 이를 제거하기 위해서는 보일러의 동체를 분해한 후 브러시 등으로 작업자가 일일이 전열관의 표면을 긁어내야 하므로 보일러의 가동률이 떨어지고 청소 및 유지 보수에 막대한 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0131909호에 개시된 고온 폐가스를 이용한 보일러 장치는 연소가스를 소정 온도 범위 이하로 냉각함과 동시에 음파식 슈트 브로워로 공기진동을 발생함으로써 연소가스 속의 분진이 전열관이나 열교환기에 부착되는 것을 미연에 방지하도록 구성되어 있으나, 이는 연소가스를 냉각하기 위한 별도의 냉각실을 구비해야 하므로 구조 및 배치 설계상의 제약이 따를 뿐만 아니라 음파에 의한 진동을 이용해 전열관이나 열교환기에 부착된 분진을 물리적으로 제거하는 방식이 갖는 특성으로 인해 분진 포집률이 20% 이하로 매우 낮아 효용성 및 실효성이 떨어지는 한계가 있다.

또한, 1000~1300℃의 연소가스가 덕트를 통해 열교환기로 전달되는 구조이므로 전열면적이 넓을 수밖에 없고, 이로 인해 보일러의 크기가 불필요하게 커서 설치공간을 지나치게 많이 차지 및 점유하는 등 공간 효율성이 상당히 떨어지는 문제점도 있다.

그뿐만 아니라 연소로에서부터 전열관 영역까지의 거리가 멀어서 열손실이 매우 높고, 특히 연소가스 배출구 쪽의 온도가 상대적으로 낮아 열 회수효율이 현저히 떨어지는 데다 연소가스의 온도가 높을 경우 분진의 발생량과 응착량이 많고 전열관 벽체에 다량으로 쌓이면서 보일러의 가동률이 떨어지고 청소 및 유지 보수 주기가 짧은 문제점이 있다.

이에 더하여 종래의 폐기물 고형연료용 보일러 장치는 전열관 내의 열매를 화기와 연소가스로 가열하여 소정의 압력을 갖는 열기 또는 온수를 생산하는 이른바 열매체 보일러나 혹은 대기압을 넘는 증기(steam)를 발생시켜 사용처로 공급하는 이른바 스팀 보일러로 그 용도가 지극히 한정적인 특성상 이를 동시에 얻거나 사용하기 위해서는 각각 설치해야 하는 비효율이 발생하는 문제점이 있다.

한편, 보일러의 열손실 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 출구의 배기가스에 의한 열손실이다. 이러한 배기가스에 의한 열손실을 최소화하기 위해서는 배기가스가 가지고 나가는 열을 최대한으로 회수하여 열효율을 높여야 한다.

하지만, 보일러 출구의 배기가스 온도는 보일러 운전압력의 제한을 받는다. 즉, 보일러에서는 출구 배기가스의 온도가 보일러 운전압력에 상응하는 물의 포화온도 이하로 낮아질 수 없으므로 최대로 얻을 수 있는 효율은 운전압력에 제한을 받으며, 포화수와 출구 배기가스의 온도차를 작게 할수록 필요 전열면적은 증가하게 된다. 따라서 보일러의 크기를 최소화하고 효율을 향상시키는 가장 좋은 방법은 배기가스의 온도를 낮추는 것이라 할 수 있다. 일반적으로 보일러 출구 배기가스 온도를 20℃ 떨어뜨릴 때마다 보일러 효율은 약 1%씩 상승하는 것으로 보고되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1211035호(2012.12.11) 대한민국 등록특허공보 제10-1224267호(2013.01.22) 대한민국 등록특허공보 제10-1204756호(2012.11.27) 대한민국 등록특허공보 제10-0650383호(2006.11.29) 대한민국 등록특허공보 제10-0762077호(2007.10.01) 대한민국 등록특허공보 제10-0814447호(2008.03.18) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0090174호(2009.08.25) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0131909호(2009.12.30) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0002775호(2011.01.10)

폐기물 고형연료(RDF)의 고효율 연소보일러 개발에 관한 연구, 산업통상자원부(2002). 이하백. 폐기물 고형연료(RDF) 전용보일러 기술개발에 관한 연구, 고려자동화(2002).

이에, 본 발명자는 상술한 제반 사항을 감안 및 문제점의 해결에 역점을 두어 폐기물 고형연료의 연소 효율을 촉진하여 연소과정에서 발생하는 분진이 전열관에 응착 및 쌓이는 것을 최소화하면서 최적의 연소 조건으로 열손실을 막아 열효율을 극대화할 수 있고, 아울러 급탕이나 난방용 열기 또는 온수와 스팀을 병행하여 생산할 수 있는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러를 개발하고자 부단한 노력을 기울여 다년간 연구하던 중 그 결과로서 본 발명을 창안하게 되었다.

따라서 본 발명의 기술적 해결 과제 및 목적은 열매체 보일러와 스팀 보일러를 혼용할 수 있도록 하는 고형연료 보일러를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 해결 과제 및 목적은 폐기물 고형연료의 연소과정에서 발생하는 분진이 전열관에 응착되거나 쌓이는 것을 최소화할 수 있도록 하는 고형연료 보일러를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 해결 과제 및 목적은 열 회수효율을 극대화할 수 있도록 하는 고형연료 보일러를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 해결 과제 및 목적은 크기 및 설치공간을 줄일 수 있도록 하는 고형연료 보일러를 제공하는 데 있는 것이다.

상술한 바와 같은 기술적 해결 과제 및 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 양태는, 버너에 의해 폐기물 고형연료가 연소되는 연소로와, 상기 연소로의 상부 화기 전파경로 상에 연결 설치하되, 상부에 제1배기구가 형성되고, 내벽에 전열관이 형성되며 그 전열관의 표면에 내화물이 부착된 제1상향열회수부와, 상기 제1상향열회수부의 상부에 연결 설치하되, 하부 일측에 상기 제1배기구와 통하는 제1흡기구가 형성되고 하부 타측에 제2배기구가 형성되며, 내벽에 전열관이 형성된 회류열회수부와, 상기 제1상향열회수부와 나란한 위치에 상기 회류열회수부와 통하도록 연결 설치하되, 상부에 상기 제2배기구와 통하는 제2흡기구가 형성되고 하부에 제3배기구와 제1분진배출구가 형성되고, 내벽에 전열관이 형성되며 그 전열관의 표면에 내화물이 부착된 하향열회수부와, 상기 하향열회수부와 나란히 설치하되, 상부에 제4배기구가 형성되고 하부에 상기 제3배기구와 통하는 제3흡기구 및 제2분진배출구가 형성되며, 내벽에 상기 회류열회수부의 전열관 및 상기 하향열회수부의 전열관과 연결되는 전열관이 형성된 제2상향열회수부와, 상기 제2상향열회수부와 나란히 설치하되, 상부에 상기 제4배기구와 통하는 제4흡기구가 형성되고 하부에 제5배기구와 제3분진배출구가 형성되며, 내벽에 전열관이 형성된 이코노마이저와, 상기 이코노마이저의 전열관에 급수를 압송하는 급수 펌프 및 상기 제1상향열회수부의 전열관 및 상기 이코노마이저의 전열관에서 가열된 급수가 순환하면서 스팀을 생성하는 스팀 드럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 고형연료 보일러를 제시한다.

이로써 본 발명은 각 전열관 내의 열매체유 및 급수를 화기와 연소가스로 동시에 가열해서 소정의 압력을 갖는 열기 또는 온수 그리고 증기(steam)를 발생시키는 하나의 시스템으로 통합한 구조로 이루어짐으로써 에너지 활용도를 극대화할 수 있고, 설치공간의 축소함은 물론 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시 양태로, 상기 이코노마이저의 상부에 설치되고 상기 제1상향열회수부의 전열관과 상기 스팀 드럼을 순환하는 급수를 가열하여 스팀을 생성하는 이배퍼레이터가 더 구비됨으로써 연소가스 및 배기가스의 여열을 회수하여 급수를 가열하기 때문에 보일러 효율을 향상시키고 연료를 절약할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 양태로, 상기 제1상향열회수부의 전열관 및 상기 하향열회수부의 전열관에 내화물을 지지 및 고정하면서 내화물의 열기를 그 각각의 전열관으로 전달하는 앵커핀이 다수 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 양태로, 상기 제2상향열회수부의 전열관에 분진이 부착되는 것을 막는 다수의 수트 블로워와, 상기 하향열회수부의 전열관과 연결되고 열매체유가 공급되는 주입 헤드와, 상기 회류열회수부의 전열관과 연결되고 열매체유가 배출되는 배출 헤드 및 상기 스팀 드럼과 연결되고 스팀이 배출되는 스팀 헤드를 더 포함하여 구성되며, 상기 주입 헤드를 통해 공급되는 열매체유는 상기 하향열회수부의 전열관을 1차로 거치고, 상기 제2상향열회수부의 전열관을 2차로 거치고, 상기 회류열회수부의 전열관을 3차로 거쳐 상기 배출 헤드를 통해 사용처로 배출 공급됨으로써 열매체유의 온도를 더욱 증대시켜 열 회수율을 극대화할 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제의 해결 수단 및 구성을 갖춘 본 발명은, 하향열회수부와 제2상향열회수부 및 회류열회수부 그 각각의 전열관 내로 흐르는 열매체유를 화기와 연소가스로 가열해서 소정의 압력을 갖는 열기 또는 온수를 발생시키고, 아울러 제1상향열회수부와 이코노마이저 및 이배퍼레이터 그 각각의 전열관 내로 흐르는 급수를 화기와 연소가스 및 배기가스 등의 폐열로 가열해서 증기(steam)를 발생시키는 하나의 시스템으로 통합하여 구현함으로써 에너지 활용도 및 열효율을 극대화하여 운전비용을 절감할 수 있고, 설치공간의 축소는 물론 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 폐기물 고형연료의 연소 시 발생하는 연소가스와 화기가 지면에 대하여 수직 방향으로 오르내리면서 그에 함유된 분진 입자들이 서로 충돌 등으로 인해 덩어리 형태로 뭉쳐지면 자중에 의해 제1 내지 제3분진배출구로 자연스럽게 낙하하여 배출되므로 분진의 포집 효율을 크게 향상시킴은 물론 분진이 전열관에 응착되거나 보일러 내부에 쌓이는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 연소로에서부터 열을 회수하는 각기 전열관 영역까지의 거리, 즉 제1 및 제2상향열회수부와 회류열회수부, 하향열회수부 그리고 이코노마이저가 콤팩트하게 직접적으로 연결되어 화기와 연소가스 및 배기가스가 상승 및 하강을 반복하면서 이동하는 버티컬 타입으로 이루어져 있기 때문에 열 회수율을 극대화 및 열손실을 최소화함은 물론 전열면적 및 부피가 작아져 설치 시 차지 및 점유하는 공간을 대폭 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고형연료 보일러의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고형연료 보일러를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고형연료 보일러를 개략적으로 나타낸 국부 평면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고형연료 보일러를 개략적으로 나타낸 국부 평단면 구성도이다.
도 5는 도 4의 "A" 부분을 개략적으로 나타낸 국부 확대도이다.
도 6은 도 4의 "A" 부분을 정면에서 바라본 상태를 개략적으로 나타낸 국부 확대도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로서, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝혀둔다.

그리고 이하의 설명에서 화기, 연소가스 또는 배기가스가 지면에 대해 좌우 수평으로 이동하는 방향을 수평방향으로, 그 수평방향과 직교하며 지면에 대해 상하 수직으로 이동하는 방향을 수직방향으로 정의한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러는 크게 연소로(10), 제1상향열회수부(20), 회류열회수부(30), 하향열회수부(40), 제2상향열회수부(50), 이코노마이저(60), 급수 펌프(70) 및 스팀 드럼(80)을 포함하여 구성된다.

연소로(10)는 폐기물 고형연료가 버너에 의해 연소되어 고열의 연소가스와 화기 및 화염을 생성하면서 원활하게 상승하도록 하부의 직경이 넓은 원뿔대통 형상으로 형성되어 있다.

여기서, 연소로(10)의 안쪽 면 둘레에는 버너에 의해 상승하는 화기를 고압의 공기로 와류시켜 발화된 폐기물 고형연료의 화염에 산소를 공급하여 원활한 연소와 고열 발생을 유도하고, 이와 동시에 발화된 화염을 선회류에 의한 원심 회전력으로 상방으로 밀어 올려 완전 연소가 이루어지도록 유도하기 위해 컴프레서 등과 같은 별도의 공기공급수단에 의해 고압의 압축공기를 공급받아 폐기물 고형연료의 투입량과 연소시간에 따라 공기를 분사하는 에어분사노즐(미도시)이 일정 간격을 두고 방사상으로 다수 형성될 수 있다.

아울러 폐기물 고형연료를 연소로(10)의 버너로 자동공급 및 연료감지센서 등에 의해 자동 점화로 착화하는 매커니즘 및 그에 따른 연소로의 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 기술이므로 이에 대한 세부적인 설명은 생략한다.

제1상향열회수부(20)는 연소로(10) 상부의 화기 전파경로 상에 연결 설치되어 연소로(10)에서 상승하여 그 내부를 지면에 대하여 수직으로 통과하는 연소가스와 화기로부터 열을 흡수해서 전열관(T) 내의 급수를 가열하는 것으로, 상부에는 연소로(10)에서 폐기물 고형연료의 연소 시 발생하는 연소가스와 화기 및 화염이 지면에 대하여 상방으로 이동하도록 제1배기구(21)가 형성되어 있고, 그 내벽은 연소가스와 화기 및 화염의 열기를 내부에 흐르는 급수로 전달받아 가열하는 다수의 전열관(T)(heat-transfer tube)으로 형성되어 있다.

그리고 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 상측 단부는 스팀 드럼(80)으로 가열된 급수를 공급하도록 스팀 드럼(80)의 상부와 연결되어 있고, 전열관(T)의 하측 단부는 스팀 드럼(80)으로부터 급수를 공급받도록 스팀 드럼(80)의 하부와 연결되어 있고, 그 전열관(T)의 표면에는 마모, 부식, 침식, 열화로 인한 손상 등을 방지하기 위한 내화물(R)이 부착되어 있다.

즉, 제1상향열회수부(20)는 그 내벽의 둘레를 따라 화염, 화기, 연소가스에 의한 약 1100℃의 열기를 흡수하도록 다수의 전열관(T)이 일정 간격을 두고 울타리 모양으로 연결 배치되어 있고, 그 전열관(T)의 표면에는 화염, 화기, 연소가스가 접촉되는 내화물(R)이 부착되어 있고, 바깥쪽 벽 둘레에는 방열손실을 최소화하도록 단열재(미도시) 등이 설치되어 있다.

여기서, 전열관(T)은 액밀성을 갖도록 멤브레인 웰딩(membrane welding) 처리함으로써 연소가스, 화기 및 화염의 열전도율이 우수하면서도 고온에서 열변형이나 손상이 발생하지 않고 연소가스의 누출을 방지 및 열 흡수가 극대화될 수 있다.

이러한 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 내에서 순환하던 급수는 연소가스, 화기, 화염 등의 고온의 열원에 의해 순간적으로 포화된 상태로 스팀 드럼(80)과 열교환을 반복하면서 스팀을 생성하는 데, 이때 급수의 순환은 별도의 펌프를 이용하여 스팀 드럼(80) 내부에 고압으로 급수를 공급함으로써 자연스럽게 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지 않고 이와 유사한 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.

회류열회수부(30)는 제1상향열회수부(20)의 상부에 연결 설치되어 제1상향열회수부(20)를 경유하여 그 내부를 돌아서 통과하는 연소가스와 화기로부터 열을 흡수해서 전열관(T) 내의 열매체유를 가열하는 것으로, 하부 일측에는 제1배기구(21)와 통하는 제1흡기구(31)가 형성되어 있고, 하부 타측에는 제2배기구(32)가 형성되어 있으며, 그 내벽은 연소가스와 화기 및 화염에 의한 약 860℃의 열기를 내부에 흐르는 열매체유로 전달받아 가열하는 전열관(T)으로 형성되어 있다.

그리고 회류열회수부(30)의 전열관(T) 한쪽 단부는 열매체유가 배출되는 배출 헤드(120)와 연결되어 있고, 다른 쪽 단부는 제2상향열회수부(50)와 연결되어 있고, 제1흡기구(31)와 제2배기구(32)는 지면에 대하여 서로 수평하도록 배치되어 있다.

여기서, 하향열회수부(40)의 전열관(T)과 연결되는 주입 헤드(110)를 통해 열매체유가 공급되어 제2상향열회수부(50)와 회류열회수부(30) 각각의 전열관(T)을 경유한 후 배출 헤드(120)를 통해 배출되는 순환과정은 별도의 열매체유탱크 내에 저장된 열매체유를 순환펌프가 압송하는 작동 및 작용에 의해 이루어질 수 있음은 물론이다.

또한, 주입 헤드(110)로 공급되는 열매체유의 온도는 약 260℃ 정도이며, 제2상향열회수부(50)와 회류열회수부(30) 그리고 하향열회수부(40) 각각의 전열관(T)을 경유한 다음 배출 헤드(120)를 통해 배출될 때 열매체유의 온도는 약 280℃ 정도이다.

하향열회수부(40)는 제1상향열회수부(20)와 나란한 위치에 회류열회수부(30)와 통하도록 연결 설치되어 회류열회수부(30)를 경유하여 그 내부를 지면에 대하여 수직 하방으로 통과하는 연소가스와 화기로부터 열을 흡수해서 전열관(T) 내의 열매체유를 가열하는 것으로, 상부에는 연소가스와 화기가 지면에 대하여 하방으로 이동하도록 제2배기구(32)와 통하여 연소가스와 화기가 통과하는 제2흡기구(41)가 형성되어 있고, 하부에는 제3배기구(42)와 하향열회수부(40) 내의 분진을 포집하여 배출하기 위한 제1분진배출구(43)가 형성되어 있고, 그 내벽은 연소가스, 화기 및 화염의 열기를 내부에 흐르는 열매체유로 전달받아 가열하는 전열관(T)으로 형성되어 있으며, 그 전열관(T)의 한쪽 단부는 열매체유가 공급되는 주입 헤드(110)와 연결되어 있고, 다른 쪽 단부는 제2상향열회수부(50)의 전열관(T)과 연결되어 있다.

즉, 하향열회수부(40)는 제1상향열회수부(20)와 마찬가지로 그 내벽의 둘레를 따라 화기, 연소가스에 의한 약 620℃의 열기를 흡수하도록 다수의 전열관(T)이 일정 간격을 두고 울타리 모양으로 연결 배치되어 있고, 그 전열관(T)의 표면에는 화염, 화기 및 연소가스가 접촉되는 내화물(R)이 부착되어 있고, 바깥쪽 벽 둘레에는 방열손실을 최소화하도록 하는 단열재(미도시) 등이 구비되어 있다.

그리고 하향열회수부(40)의 하부는 분진을 원활하게 배출하기 위해 하방으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 마치 호퍼와 같은 형상으로 형성되어 있고, 그 호퍼 형상의 최하단부에 제1분진배출구(43)가 형성되어 있으며, 제1분진배출구(43)의 하부에는 그 개폐조작을 위한 로터리 밸브(V)가 장착되어 있다.

여기서, 하향열회수부(40)의 제3배기구(42)와 제1분진배출구(43)가 형성된 하부, 즉 호퍼 형상을 갖는 부분의 내벽은 화기 및 연소가스의 열기에 견디는 내화물(R)이 부착되어 있다.

아울러 전열관(T)은 액밀성을 갖도록 멤브레인 웰딩(membrane welding) 처리되어 있다.

제2상향열회수부(50)는 하향열회수부(40)와 나란히 설치되어 하향열회수부(40)를 경유하여 그 내부를 지면에 대하여 수직 상방으로 통과하는 연소가스와 화기로부터 열을 흡수해서 전열관(T) 내의 열매체유를 가열하는 것으로, 상부에는 연소가스와 화기가 지면에 대하여 상방으로 이동하도록 제4배기구(51)가 형성되어 있고, 하부에는 제3배기구(42)와 통하여 연소가스가 통과하는 제3흡기구(52) 및 제2상향열회수부(50) 내의 분진을 포집하여 배출하기 위한 제2분진배출구(53)가 형성되어 있고, 그 내벽은 연소가스, 화기의 열기를 내부에 흐르는 열매체유로 전달받아 가열하는 전열관(T)으로 형성되어 있으며, 그 전열관(T)의 한쪽 단부는 하향열회수부(40)의 전열관(T)과 연결되어 있고, 다른 쪽 단부는 회류열회수부(30)의 전열관(T)과 연결되어 있다.

즉, 제2상향열회수부(50)는 그 내벽의 둘레를 따라 화기, 연소가스에 의한 약 600℃의 열기를 흡수하도록 다수의 전열관(T)이 일정 간격을 두고 울타리 모양으로 연결 배치되어 있고, 바깥쪽 벽 둘레에는 방열손실을 최소화하도록 하는 단열재(미도시) 등이 구비되어 있다.

그리고 제2상향열회수부(50)에는 증기 또는 공기의 분류를 내뿜어 그 내벽 및 전열관(T)에 분진이 부착되는 것을 막거나 부착된 분진을 청소 및 제거하기 위한 수트 블로워(100)(soot blower)가 상하 수직방향으로 다수 설치되어 있다.

또한, 제2상향열회수부(50)의 하부는 분진을 원활하게 배출하기 위해 하방으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 마치 호퍼와 같은 형상으로 형성되어 있고, 그 호퍼 형상의 최하단부에 제2분진배출구(53)가 형성되어 있으며, 제2분진배출구(53)의 하부에는 그 개폐조작을 위한 로터리 밸브(V)가 장착되어 있다.

여기서, 제2상향열회수부(50)의 제3흡기구(52)와 제2분진배출구(53)가 형성된 하부, 즉 호퍼 형상을 갖는 부분의 내벽은 화기 및 연소가스의 열기를 견디는 내화물(R)이 부착되어 있고, 제3흡기구(52)는 하향열회수부(40)의 제3배기구(42)와 덕트와 같은 배기통로에 의해 연결되어 있다.

이코노마이저(60)(economizer)는 제2상향열회수부(50)와 나란히 설치되어 제2상향열회수부(50)를 경유하여 그 내부를 지면에 대하여 수직 하방으로 통과하는 연소가스와 화기로부터 열을 흡수해서 전열관(T) 내의 급수를 가열하여 포화수는 만드는 것으로, 상부에는 제4배기구(51)와 통하는 제4흡기구(61)가 형성되어 있고, 하부에는 배기가스가 배출되는 연도(64)와 통하도록 연결된 제5배기구(62) 및 이코노마이저(60) 내의 분진을 포집하여 배출하기 위한 제3분진배출구(63)가 형성되어 있으며, 그 내벽은 연소가스, 화기 및 화염의 열기를 내부에 흐르는 급수로 전달받아 가열하는 전열관(T)으로 형성되어 있으며, 그 전열관(T)의 상측 단부는 스팀 드럼(80)과 연결되어 있고, 하측 단부는 외부의 급수 탱크로부터 급수를 압송하는 급수 펌프(70)와 연결되어 있다.

즉, 이코노마이저(60)는 그 내벽의 둘레를 따라 화기, 연소가스에 의한 약 340℃의 열기를 흡수하도록 다수의 전열관(T)이 일정 간격을 두고 울타리 모양으로 연결 배치되어 있고, 바깥쪽 벽 둘레에는 방열손실을 최소화하도록 하는 단열재(미도시) 등이 구비되어 있다.

또한, 이코노마이저(60)의 하부는 분진을 원활하게 배출하기 위해 하방으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 마치 호퍼와 같은 형상으로 형성되어 있고, 그 호퍼 형상의 최하단부에 제3분진배출구(63)가 형성되어 있으며, 제3분진배출구(63)의 하부에는 그 개폐조작을 위한 로터리 밸브(V)가 장착되어 있다.

여기서, 이코노마이저(60)의 제5배기구(62)와 제3분진배출구(63)가 형성된 하부, 즉 호퍼 형상을 갖는 부분의 내벽은 화기 및 연소가스의 열기를 견디는 내화물(R)이 부착되어 있다.

또한, 이코노마이저(60)의 상부에는 통풍의 저항을 해소하기 위해 강제통풍기(미도시)를 구비하는 것이 바람직하다.

이러한 이코노마이저(60)는 제1 및 제2상향열회수부(20)(50)와 회류열회수부(30) 그리고 하향열회수부(40)를 경유한 연소가스 및 배기가스의 여열을 이용하여 급수를 가열함으로써 열 이용률 및 회수율의 증가로 인한 연료 소비량을 감소와 열효율을 향상 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 급수 펌프(70)에 의해 가압 공급되는 급수를 예열하여 스팀 드럼(80)으로 공급하기 때문에 스팀 드럼(80)으로 들어오는 급수온도와 과포화 증기온도 사이의 큰 온도차에 의한 열응력을 경감시킬 수 있다.

급수 펌프(70)는 이코노마이저(60)의 전열관(T)에 급수를 압송하기 위한 것으로, 이코노마이저(60)와 급수 탱크 사이에 설치되어 있다.

여기서, 급수 펌프(70)를 통해 이코노마이저(60)의 전열관(T)으로 공급되는 급수의 온도는 약 40℃ 정도이고, 스팀 드럼(80)에서 이코노마이저(60)의 전열관(T)으로 공급되는 급수의 온도는 약 60℃ 정도이다.

스팀 드럼(80)은 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)에서 가열된 급수와 이코노마이저(60)의 전열관(T)에서 예열된 급수가 순환하면서 모여 기수 분리에 의한 스팀을 생성하는 것으로, 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)과 이코노마이저(60)의 전열관(T)에서 증발된 급수가 기수 분리작용에 의해 물과 스팀으로 분리되고, 분리된 스팀은 스팀 헤드(130)를 통해 사용처로 배출 공급한다.

이러한 스팀 드럼(80)은 증기는 과열기로 이동하고 증기가 되지 못한 온도가 낮은 급수는 다운 컴머(down commer)를 통해 하부 헤더로 내려가는 유체의 순환 및 열교환 작용으로 스팀을 발생시키는 통상의 구조를 채용할 수 있다.

여기서, 스팀 드럼(80)에서 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)으로 공급되는 급수의 온도는 약 60℃ 정도이고, 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)에서 스팀 드럼(80)으로 공급되는 급수의 온도는 약 200℃ 정도이며, 스팀 드럼(80)에서 스팀 헤드(130)를 통해 배출되는 스팀의 온도는 약 200℃ 정도이다.

이배퍼레이터(90)(evaporator)는 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)과 스팀 드럼(80)을 순환하는 급수를 가열하여 포화증기를 생성하도록 이코노마이저(60)의 상부에 설치되어 있다.

즉, 이배퍼레이터(90)는 제1 및 제2상향열회수부(20)(50)와 회류열회수부(30) 그리고 하향열회수부(40)를 경유한 연소가스 및 배기가스의 여열을 이용하여 그 속을 순환하는 저온상태의 급수를 가열하고 이에 따른 열교환으로 증기 상태로 변환시킴으로써 스팀 발생효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 및 상기 하향열회수부(40)의 전열관(T)에는 내화물(R)을 지지 및 고정하면서 내화물(R)의 열기를 그 각각의 전열관(T)으로 전달하기 위한 앵커핀(P)이 다수 형성되어 있다.

여기서, 앵커핀(P)은 평면상에서 볼 때 "Y"자, "V"자, "T"자 등과 같은 형상으로 형성될 수도 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 앵커핀(P)은 평면상에서 볼 때 내화물(R) 속에 파묻혀 설치되는 제1앵커핀(P1)과, 이 제1앵커핀(P1)의 양측에 대칭적으로 경사져 내화물(R) 속에 파묻혀 설치되는 제2 및 제3앵커핀(P2)(P3)이 그 각기 전열관(T)의 길이 방향을 따라 서로 번갈아가면서 형성될 수 있다. 이로써 앵커핀(P)은 내화물(R)의 지지력 및 고정력을 한층 강화하면서 내화물(R)의 열기를 그 각각의 전열관(T)으로 더욱 효과적으로 전달할 수 있다.

여기서, 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 및 하향열회수부(40)의 전열관(T)에 부착되는 내화물(R)은 알루미나 시멘트, 알루미나 크로미나 또는 인산염 화합물을 배합한 캐스터블(castable refractory) 혹은 산화마그네슘, 산화마그네슘과 탄소를 일정 비율로 배합한 캐스터블 등과 같은 부정형 내화물로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러는 연소로(10)에서 발생된 화염과 화기 및 고온의 연소가스 등의 열원이 제1 및 제2상향열회수부(20)(50)와 회류열회수부(30), 하향열회수부(40) 그리고 이코노마이저(60)와 이배퍼레이터(90)를 경유하면서 그 각각의 전열관(T) 등과 열교환이 이루어지고, 연소가스에 함유된 분진은 덩어리처럼 뭉쳐진 상태로 이동하다가 자중에 의해 하향열회수부(40), 제2상향열회수부(50) 및 이코노마이저(60)의 하방으로 자연스럽게 낙하되어 제1 내지 제3분진배출구(43)(53)(63)를 통해 외부로 배출된다.

이 과정에서 하향열회수부(40)와 제2상향열회수부(50) 및 회류열회수부(30) 그 각각의 전열관(T) 내로 흐르는 열매체유는 가열된 상태로 회류열회수부(30)의 전열관(T)과 연결된 배출 헤드(120)를 통해 배출됨으로써 사용처에서 소정의 압력을 갖는 열기 또는 온수를 원활하게 공급받을 수 있게 되고, 이와 더불어 제1상향열회수부(20) 및 이코노마이저(60) 그 각각의 전열관(T)과 이배퍼레이터(90) 내로 흐르는 급수는 제2상향열회수부(50)를 경유하여 나온 배기가스의 열에 의해 가열되어 물과 증기로 분리된 상태로 고온/고압의 증기를 발생시키도록 스팀 드럼(80)으로 공급됨으로써 스팀 헤드(130)를 통해 사용처에서 증기(steam)를 원활하게 공급받을 수 있게 된다.

따라서 열매체 보일러의 기능과 스팀 보일러의 기능을 동시에 얻을 수 있어 에너지 활용도와 열효율을 극대화할 수 있고, 설치공간의 축소는 물론 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.

아울러 폐기물 고형연료의 연소 시 발생하는 연소가스와 화기가 지면에 대하여 수직 방향으로 오르내리면서 가열 및 배기되는 구조이기 때문에 보일러 내부에 분진이 응착되거나 쌓이는 것을 최소화하여 열효율을 극대화시킬 수 있음은 물론 보일러를 자주 청소할 필요가 없어 가동률을 높이고 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

게다가 전열관(T) 내에서 열전달을 위해 순환하는 열매체유가 하향열회수부(40)의 전열관(T)을 1차로 거치고, 제2상향열회수부(50)의 전열관(T)을 2차로 거친 후 상대적으로 열효율이 높은 회류열회수부(30)의 전열관(T)을 마지막으로 경유하여 배출 헤드(80)를 통해 사용처로 공급되므로 열매체유의 온도를 증대시켜 열 회수율을 극대화할 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 명백하다.

그러므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.

10: 연소로 20: 제1상향열회수부
21: 제1배기구 30: 회류열회수부
31: 제1흡기구 32: 제2배기구
40: 하향열회수부 41: 제2흡기구
42: 제3배기구 43: 제1분진배출구
50: 제2상향열회수부 51: 제4배기구
52: 제3흡기구 53: 제2분진배출구
60: 이코노마이저 70: 급수 펌프
80: 스팀 드럼 90: 이배퍼레이터
100: 수트 블로워
110: 주입 헤드 120: 배출 헤드
130: 스팀 헤드 T: 전열관
R: 내화물 P: 앵커핀
V: 로터리 밸브

Claims

버너에 의해 폐기물 고형연료가 연소되는 연소로(10);
상기 연소로(10)의 상부 화기 전파경로 상에 연결 설치하되, 상부에 제1배기구(21)가 형성되고, 내벽에 다수의 전열관(T)이 형성되며 그 전열관(T)의 표면에 내화물(R)이 부착된 제1상향열회수부(20);
상기 제1상향열회수부(20)의 상부에 연결 설치하되, 하부 일측에 상기 제1배기구(21)와 통하는 제1흡기구(31)가 형성되고 하부 타측에 제2배기구(32)가 형성되며, 내벽에 다수의 전열관(T)이 형성된 회류열회수부(30);
상기 제1상향열회수부(20)와 나란한 위치에 상기 회류열회수부(30)와 통하도록 연결 설치하되, 상부에 상기 제2배기구(32)와 통하는 제2흡기구(41)가 형성되고 하부에 제3배기구(42)와 제1분진배출구(43)가 형성되고, 내벽에 다수의 전열관(T)이 형성되며 그 전열관(T)의 표면에 내화물(R)이 부착된 하향열회수부(40);
상기 하향열회수부(40)와 나란히 설치하되, 상부에 제4배기구(51)가 형성되고 하부에 상기 제3배기구(42)와 통하는 제3흡기구(52) 및 제2분진배출구(53)가 형성되며, 내벽에 상기 회류열회수부(30)의 전열관(T) 및 상기 하향열회수부(40)의 전열관(T)과 연결되는 다수의 전열관(T)이 형성된 제2상향열회수부(50);
상기 제2상향열회수부(50)와 나란히 설치하되, 상부에 상기 제4배기구(51)와 통하는 제4흡기구(61)가 형성되고 하부에 제5배기구(62)와 제3분진배출구(63)가 형성되며, 내벽에 다수의 전열관(T)이 형성된 이코노마이저(60);
상기 이코노마이저(60)의 전열관(T)에 급수를 압송하는 급수 펌프(70); 및
상기 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 및 상기 이코노마이저(60)의 전열관(T)에서 가열된 급수가 순환하면서 스팀을 생성하는 스팀 드럼(80);
을 포함하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러.
제1항에 있어서,
상기 이코노마이저(60)의 상부에 설치되고 상기 제1상향열회수부(20)의 전열관(T)과 상기 스팀 드럼(80)을 순환하는 급수를 가열하여 스팀을 생성하는 이배퍼레이터(90)를 더 포함하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1상향열회수부(20)의 전열관(T) 및 상기 하향열회수부(40)의 전열관(T)에 내화물(R)을 지지 및 고정하면서 내화물(R)의 열기를 그 각각의 전열관(T)으로 전달하는 앵커핀(P)이 다수 형성된 것을 특징으로 하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러.
제3항에 있어서,
상기 앵커핀(P)은 평면상에서 볼 때 내화물(R) 속에 파묻혀 설치되는 제1앵커핀(P1)과, 상기 제1앵커핀(P1)의 양측에 대칭적으로 경사져 내화물(R) 속에 파묻혀 설치되는 제2 및 제3앵커핀(P2)(P3)이 그 각기 전열관(T)의 길이 방향을 따라 서로 번갈아가면서 형성된 것을 특징으로 하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2상향열회수부(50)의 전열관(T)에 분진이 부착되는 것을 막는 다수의 수트 블로워(100);
상기 하향열회수부(40)의 전열관(T)과 연결되고 열매체유가 공급되는 주입 헤드(110);
상기 회류열회수부(30)의 전열관(T)과 연결되고 열매체유가 배출되는 배출 헤드(120); 및
상기 스팀 드럼(80)과 연결되고 스팀이 배출되는 스팀 헤드(130);
를 더 포함하며, 상기 주입 헤드(110)를 통해 공급되는 열매체유는 상기 하향열회수부(40)의 전열관(T)과, 상기 제2상향열회수부(50)의 전열관(T) 및 상기 회류열회수부(30)의 전열관(T)을 순차적으로 거쳐 상기 배출 헤드(120)를 통해 사용처로 공급되는 것을 특징으로 하는 열매체 보일러와 스팀 보일러 복합형 고형연료 보일러.