KR101667676B1 - 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치 - Google Patents

플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐플라스틱을 포함하는 연료를 투입하여 화염을 발생시키는 연소기; 외부로부터 공급받은 물을 상기 연소기로 가열시켜 상기 물에 비하여 고온고압인 스팀을 발생시키는 보일러; 상기 보일러의 출구와 연결되며, 상기 보일러로부터 배출되는 상기 고온고압의 스팀의 배출 유량 및 배출 압력에 의하여 전기를 생산하는 적어도 하나 이상의 발전기; 상기 발전기로부터 배출되는 스팀을 회수하여 응축시켜 상기 보일러측으로 되돌리는 응축 어셈블리; 상기 보일러에 구비되어 상기 보일러의 효율을 증대시키는 제1 가변부; 및 상기 적어도 하나 이상의 발전기 및 상기 응축 어셈블리와 연결되어 상기 발전기의 효율을 증대시키는 제2 가변부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 비교적 간단한 구성으로 자원의 재활용이 가능함은 물론 발전 효율을 극대화하여 지역 단위의 원활한 전력 공급이 가능하도록 한 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치에 관한 것이다.

Description

플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치{COMBINED HEAT AND POWER GENERATING APPARATUS USING PLASTIC BURNER}
본 발명은 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비교적 간단한 구성으로 자원의 재활용이 가능함은 물론 발전 효율을 극대화하여 지역 단위의 원활한 전력 공급이 가능하도록 한 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치에 관한 것이다.
언젠가는 고갈되는 화석 연료인 석탄과 석유는 연소시 CO₂를 포함하여 휘발성 유기 화합물, 질소 화합물, 황 화합물 등 대기 오염 유발 물질을 다수 배출하게 되는 문제점이 있으므로, 이러한 화석 연료의 대체 에너지 개발에 각국은 총력을 기울여 왔다.
이러한 대체 에너지는 풍력과 수력, 조력, 파력, 태양광 발전 등이 있지만, 전술한 대체 에너지는 초기 시공 및 건설 비용이 막대하며, 지형적인 요건이 맞아야 하며, 화석 연료에 비하여 발전 효율이 아직까지 낮은 문제가 있는 것이다.
따라서, 기존에 산업 사회의 부산물로서 발생되는 각종 폐자재를 연료로 활용하기 위한 방안이 대체 에너지의 차선책으로 강구되어 왔다.
그러나, 이러한 각종 폐자재 및 폐기물 등은 지금까지는 에너지 재활용의 측면에서 접근하기 보다는 연소 소각 또는 매립 처리를 위한 목적 및 용도에 치중한 장치에 의하여 처리되어 온 것이 사실이다.
따라서, 각종 폐자재 중에서 고열량 폐플라스틱을 활용하여 발전 및 냉난방을 하기 위한 것으로, 등록특허 제10-1209022호의 "열회수율이 향상된 열회수시스템 및 이를 이용한 열병합 발전시스템"과, 등록특허 제10-1372948호의 "가연성 폐기물 전용 가열로를 연계한 친환경 다중 에너지 자원 회수장치" 등과 같은 것을 들 수 있다.
그러나, 이러한 선행기술들은 모두 대규모 건설 부지가 필요함은 물론 교외나 도시로부터 멀리 떨어진 소규모 부락 등과 같은 곳의 에너지 및 전력 공급에는 부적합하였다.
특히, 이러한 선행기술들은 모두 일단 시공 및 건설이 완료되면 발전 효율이나 온도 압력 조건 등의 변경 및 조절이 자유롭지 못한 문제점 또한 있었던 것이다.
등록특허 제10-1209022호 등록특허 제10-1372948호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 비교적 간단한 구성으로 자원의 재활용이 가능함은 물론 발생하는 열원을 동시에 이용함으로써 발전 효율을 극대화하여 지역 단위의 원활한 전력과 열원의 공급이 가능하도록 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐플라스틱을 포함하는 연료를 투입하여 화염을 발생시키는 연소기; 외부로부터 공급받은 물을 상기 연소기로 가열시켜 상기 물에 비하여 고온고압인 스팀을 발생시키는 보일러; 상기 보일러의 출구와 연결되며, 상기 보일러로부터 배출되는 상기 고온고압의 스팀의 배출 유량 및 배출 압력에 의하여 전기를 생산하는 적어도 하나 이상의 발전기; 상기 발전기로부터 배출되는 스팀을 회수하여 응축시켜 상기 보일러측으로 되돌리는 응축 어셈블리; 상기 보일러에 구비되어 상기 보일러의 효율을 증대시키는 제1 가변부; 및 상기 적어도 하나 이상의 발전기 및 상기 응축 어셈블리와 연결되어 상기 발전기의 효율을 증대시키는 제2 가변부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 제1 가변부는, 상기 급수 탱크로부터 연결되는 연결 배관과 일단부가 연결되어 상기 보일러의 상기 내부 공간 하부측에 형성되며 상기 연소기의 배출측과 연통하는 화염 챔버의 하부에 배치되는 이코노마이저(economizer) 어셈블리와, 일단부가 상기 이코노마이저 어셈블리의 타단부와 연결되어 상기 보일러의 내부 공간 상측에 나선 형상으로 복수회 권취되며 내부에 유체가 흐르는 내부 유로를 형성하고, 타단부가 상기 발전기측과 연결되는 튜브 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 이코노마이저 어셈블리는 최대의 열흡수를 위하여 제공될 수 있다.
그리고, 상기 이코노마이저 어셈블리는, 상기 화염 챔버의 하부에 복수회 권취되어 나선 형상으로 배열되는 열흡수 튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 튜브 어셈블리는, 상기 이코노마이저 어셈블리의 타단부와 연결되어 상기 보일러의 상기 내부 공간 외곽으로부터 복수회 권취되게 배열되는 스팀 생성부와, 상기 스팀 생성부의 단부로부터 연장되어 상기 스팀 생성부의 내측에 배치되도록 복수회 권취되게 배열되는 과열 증기 생성부를 포함하며, 상기 과열 증기 생성부의 단부와 상기 발전기측이 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스팀 생성부는, 상기 이코노마이저 어셈블리의 단부로부터 연장되어 제1 직경을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 외곽 나선 튜브와, 상기 제1 외곽 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제2 직경을 가지며 상기 제1 외곽 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 외곽 나선 튜브와, 상기 제2 외곽 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제3 직경을 가지며 상기 제2 외곽 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제3 외곽 나선 튜브를 포함하며, 상기 제1 직경은 상기 제2 직경보다 크고, 상기 제2 직경은 상기 제3 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 과열 증기 생성부는, 상기 스팀 생성부의 단부와 연결되어 제4 직경을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 중심 나선 튜브와, 상기 제1 중심 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제5 직경을 가지며 상기 제1 중심 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 중심 나선 튜브를 포함하며, 상기 제4 직경은 상기 제5 직경보다 크고, 상기 스팀 생성부가 형성하는 직경은 상기 제4 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제2 가변부는, 상기 적어도 하나 이상의 발전기와 연결되어 상기 발전기의 터빈 블레이드의 회전 속도를 조절하는 스팀 유량 조절 밸브와, 상기 응축 어셈블리와 연결되어 상기 발전기의 터빈 본체 내부 압력을 대기압보다 훨씬 낮게 유지시키는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 연소기는, 상기 폐플라스틱이 가열되어 열분해되고 가스화되는데 필요한 일정 정도의 온도에 도달하기까지 상기 연료 탱크로부터 공급되는 상기 화석 연료를 상기 연소기의 버너 본체에 공급하여 일정 시간동안 연소시키는 승온 모드와, 상기 화석 연료와 상기 폐플라스틱을 상기 버너 본체에 일정 시간동안 공급하여 상기 화석 연료와 상기 폐플라스틱을 동시에 연소시켜 상기 승온 모드에서의 가열 온도를 더욱 높이는 안정화 모드와, 상기 안정화 모드의 지속에 따른 가열 온도의 상승에 의하여 상기 화석 연료의 공급을 중단하고 상기 폐플라스틱만 공급하여 연소를 지속시키되, 상기 폐플라스틱의 공급량을 조절하는 정상 운전 모드와, 상기 버너 본체의 가동을 정지하기 위하여, 상기 폐플라스틱의 공급을 중단하고 상기 화석 연료만 다시 상기 버너 본체에 공급하여 상기 버너 본체의 내부에 잔존하는 플라스틱 고형물과 연소 가스를 완전 연소시키고, 상기 송풍기를 가동시켜 상기 버너 본체의 내부 공간을 냉각시키는 냉각 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열흡수 튜브가 형성하는 나선 형상의 원호들은 동일 평면상에 배치되며, 상기 열흡수 튜브는 상기 화염 챔버의 바닥면에 접촉되거나 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열흡수 튜브가 형성하는 나선 형상의 원호들은 서로 다른 평면상에 배치되며, 상기 나선 형상의 원호들 중 일부는 상기 화염 챔버의 바닥면과 접촉 또는 근접하게 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 본 발명은 연소기와 보일러와 발전기와 응축 어셈블리와 함께 제1 가변부 및 제2 가변부를 포함한 비교적 간단한 구조로부터, 제1, 2 가변부에 의하여 보일러 및 발전기의 효율 증대를 도모할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명은 연소기의 가동 연료로서 경유나 등유 또는 액화가스 등과 같은 기존의 화석 연료를 사용할 수 있음은 물론, 폐플라스틱을 주된 가동 연료로 활용함으로써 자원의 재활용을 통한 친환경적인 발전 설비의 구현이 가능하게 된다.
예를들어, 본 발명은 폐플라스틱이 열분해되어 가스화되기 위한 조건을 충족하는 온도 범위인 섭씨 350~500도까지 초기 승온 시간인 15분간만 경유 등과 같은 기존의 화석 연료를 연소하고, 정상 운전시에는 폐플라스틱을 주된 가동 연료로 활용함으로써 자원 재활용을 통한 생산원가의 절감을 도모할 수 있게 되는 것이다.
특히, 본 발명은 전술한 바와 같이 비교적 간단한 구성에 장치 전체의 컴팩트화 구현이 가능하게 되므로, 교외나 도시로부터 멀리 떨어진 소규모 부락과 같은 지역 사회의 에너지 및 전력 공급을 원활하게 수행할 수 있다는 점에서 매우 유용하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치의 전체적인 구조를 나타낸 블록 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치의 주요부인 연소기의 전체적인 구조를 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치의 주요부인 제1 가변부와 제2 가변부가 보일러에 배치된 구조를 나타낸 개념도
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치의 주요부인 제2 가변부가 보일레 배치된 구조를 나타낸 개념도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
참고로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치의 전체적인 구조를 나타낸 블록 개념도이다.
본 발명은 도시된 바와 같이 연소기(100)와 보일러(200)와 발전기(300)와 응축 어셈블리(400)와 제1 가변부(500)와 제2 가변부(600)를 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.
연소기(100)는 폐플라스틱을 포함하는 연료를 투입하여 화염을 발생시키는 것이며, 보일러(200)는 외부로부터 공급받은 물을 연소기(100)로 가열시켜 물에 비하여 고온고압인 스팀을 발생시키는 것이다.
발전기(300)는 보일러(200)의 출구와 연결되며, 보일러(200)로부터 배출되는 고온고압의 스팀의 배출 유량 및 배출 압력에 의하여 전기를 생산하는 적어도 하나 이상 구비된 것이다.
응축 어셈블리(400)는 발전기(300)로부터 배출되는 스팀을 회수하여 응축시켜 보일러(200)측으로 되돌리는 것이다.
제1 가변부(500)는 보일러(200)에 구비되어 보일러(200)의 효율을 증대시키기 위하여 제공되는 것이다.
제2 가변부(600)는 적어도 하나 이상의 발전기(300) 및 응축 어셈블리(400)와 연결되어 발전기(300)의 효율을 증대시키기 위하여 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 연소기(100)와 보일러(200)와 발전기(300)와 응축 어셈블리(400)와 함께 제1 가변부(500) 및 제2 가변부(600)를 포함한 비교적 간단한 구조로부터, 제1, 2 가변부(500, 600)에 의하여 보일러(200) 및 발전기(300)의 효율 증대를 도모할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명은 연소기(100)의 가동 연료로서 경유나 등유 또는 액화가스 등과 같은 기존의 화석 연료를 사용할 수 있음은 물론, 폐플라스틱을 주된 가동 연료로 활용함으로써 자원의 재활용을 통한 친환경적인 발전 설비의 구현이 가능하게 된다.
특히, 본 발명은 전술한 바와 같이 비교적 간단한 구성에 장치 전체의 컴팩트화 구현이 가능하게 되므로, 교외나 도시로부터 멀리 떨어진 소규모 부락과 같은 지역 사회의 에너지 및 전력 공급을 원활하게 수행할 수 있게 된다.
본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.
본 발명은, 연소기(100)와 보일러(200)와 발전기(300)와 응축 어셈블리(400)와 제1 가변부(500) 및 제2 가변부(600)의 가동을 제어하기 위하여, 제어시스템(이하 미도시)를 더 구비할 수도 있다.
여기서, 제어시스템은 연소기(100)의 모터 가동을 위한 차단, 보호, 기동 회로 등을 포함하는 모터제어 회로, 모터 속도의 가변 회로, 연소기(100) 등을 포함한 각 구성요소의 수동 및 자동 운전 제어 기능을 가지는 PLC(Programmable Logic Controller) 하드웨어 및 소프트웨어, 운전자가 전술한 PLC 소프트웨어 등을 직접 조작할 수 있도록 한 HMI(Human Machine Interface) 터치 패널, 그리고 전술한 PLC 소프트웨어와 연계하여 연소기(100)의 가동 개시 및 정지를 제어하는 버너 제어기 등으로 구성될 수 있다.
한편, 연소기(100)는, 도 2를 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 출구는 보일러(200)의 내부 공간(201)과 연통되어 화염을 내부 공간(201)으로 분사하는 버너 본체(110)를 포함한다.
그리고, 연소기(100)는, 폐플라스틱의 연소에 필요한 연소용의 공기를 공급하기 위한 송풍기(120)를 포함한다.
그리고, 연소기(100)는, 폐플라스틱을 저장하기 위한 호퍼(130)를 포함한다.
여기서, 연소기(100)의 가동 연료로서 사용되는 폐플라스틱은, 폐기되는 폐플라스틱을 저렴한 고열량의 칩 형태로 재생시킨 폐플라스틱 재생연료의 형태로 제공되는 것이다.
이때, 연소기(100)는, 가동 과정 및 정지에 따라 다음과 같은 몇가지 모드를 포함할 수 있다.
즉, 연소기(100)는, 폐플라스틱이 가열되어 열분해되고 가스화되는데 필요한 일정 정도의 온도에 도달하기까지 연료 탱크(170)로부터 공급되는 화석 연료를 버너 본체(110)에 공급하여 일정 시간동안 연소시키는 승온 모드를 포함할 수 있다.
그리고, 연소기(100)는, 화석 연료와 폐플라스틱을 버너 본체(110)에 일정 시간동안 공급하여 화석 연료와 폐플라스틱을 동시에 연소시켜 승온 모드에서의 가열 온도를 더욱 높이는 안정화 모드를 포함할 수 있다.
그리고, 연소기(100)는, 안정화 모드의 지속에 따른 가열 온도의 상승에 의하여 화석 연료의 공급을 중단하고 폐플라스틱만 공급하여 연소를 지속시키되, 폐플라스틱의 공급량을 조절하는 정상 운전 모드를 포함할 수 있다.
또한, 연소기(100)는, 버너 본체(110)의 가동을 정지하기 위하여, 폐플라스틱의 공급을 중단하고 화석 연료만 다시 버너 본체(110)에 공급하여 버너 본체(110)의 내부에 잔존하는 플라스틱 고형물과 연소 가스를 완전 연소시키고, 송풍기(120)를 가동시켜 버너 본체(110)의 내부 공간(201)을 냉각시키는 냉각 모드를 포함할 수 있다.
이러한 각종 모드는 전술한 제어시스템에 의하여 조작될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명은 다시 도 1을 참조하여 살펴보면, 보일러(200)측으로 공급되는 물이 수용되는 급수 탱크(210)와, 급수 탱크(210)와 보일러(200) 사이의 연결 배관(CP) 상에 장착되어 보일러(200)측으로 물을 공급하는 급수 펌프(220)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명은 급수 펌프(220)와 보일러(200) 사이의 연결 배관(CP) 상에 장착되어 보일러(200)측으로 공급되는 물의 공급량을 측정하는 급수 유량계(230)와, 급수 유량계(230)와 보일러(200) 사이의 연결 배관(CP) 상에 장착되어 보일러(200)측으로 공급되는 물의 공급량을 조절하는 급수 유량 제어밸브(240)를 더 구비할 수도 있다.
또한, 본 발명은 급수 펌프(220)에 구비되어 급수 펌프(220)의 회전 속도를 조절하는 펌프 인버터(이하 미도시)와, 급수 펌프(220)에 내장되어 스팀의 압력보다 높은 압력으로 보일러(200)측으로 물이 공급되도록 급수 펌프(220)의 토출 압력을 조절하는 펌프 릴리프 밸브(이하 미도시)를 더 구비할 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 보일러(200)와 발전기(300) 사이를 연결하는 연결 배관(CP) 상에 장착되어 보일러(200)로부터 배출되는 스팀의 배출 압력을 측정하는 압력 측정기(250)와, 보일러(200)와 발전기(300) 사이를 연결하는 연결 배관(CP) 상에 장착되어 보일러(200)로부터 배출되는 스팀의 배출 온도를 측정하는 온도 측정기(260)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명은 보일러(200)의 일측에 구비되어 압력 측정기(250)로 측정된 배출 압력이 설정값을 초과하면 개방되어 대기중으로 스팀을 방출시키는 안전 밸브(이하 미도시)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명은 연결 배관(CP)과 별도로 보일러(200)로부터 배출되는 스팀을 스팀 사용처로 공급하기 위한 스팀 공급 배관(SP) 상에 장착되어 스팀의 압력을 조절하는 스팀 압력 조절 밸브(280)를 더 구비할 수도 있다.
또한, 본 발명은 스팀 공급 배관(SP)으로부터 분기되어 응축 어셈블리(400)와 상호 연통되어 스팀을 바이패스시키는 바이패스 배관(BP)을 더 구비할 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 급수 탱크(210) 내부에 수용되는 물의 수질 관리를 위하여, 급수 탱크(210)와 배관 연결되는 약품 탱크(290)를 더 구비할 수 있으며, 약품 탱크(290)와 급수 탱크(210)를 연결하는 연결 배관(CP) 상에는 약품 펌프(291)가 구비되어 일정량만큼의 약품을 급수 탱크(210)로 공급할 수 있다.
여기서, 약품 탱크(290)에 수용되는 약품은 발전기(300)의 터빈 블레이드(이하 미도시)를 회전시키는데 적합한 수질의 물이 공급되도록 하기 위하여 각 배관(BP, CP, SP) 내부를 청소할 수 있는 청관제와 같은 것이 사용될 수 있다.
한편, 발전기(300)는, 보일러(200)측과 연결되는 입구 포트(311)와 응축 어셈블리(400)와 연결되는 출구 포트(312)를 구비하는 터빈 본체(310)와, 터빈 본체(310)에 내장되어 보일러(200)로부터 터빈 본체(310)로 공급되는 고온고압인 스팀에 의하여 충격을 받아 회전하는 터빈 블레이드(이하 미도시)를 포함한다.
여기서, 스팀은 입구 포트(311)에 구비된 노즐(이하 미도시)로부터 단열 팽창되면서 터빈 블레이드에 부딪혀 열 에너지를 속도 에너지로 변환시키게 된다.
이때, 스팀은 통상 시간당 150kg 정도 터빈 본체(310)로 공급되어 터빈 블레이드가 장착된 터빈축(이하 미도시)을 회전시키며, 발전기(300)는 특별히 도시하지 않았으나 상호 반대 방향으로 회전하는 2단 터빈의 구조로 되어 있다.
한편, 응축 어셈블리(400)는, 보일러(200)로부터 배출되는 스팀의 일부를 바이패스시키거나, 적어도 하나 이상의 발전기(300)로부터 배출되는 스팀을 회수하여 응축시키는 응축기(410)를 포함할 수 있다.
그리고, 응축 어셈블리(400)는, 응축기(410)와 연결되어 응축기(410)로부터 응축된 응축수를 저장하는 응축수 탱크(420)와, 응축수 탱크(420)와 급수 탱크(210)를 상호 연결하는 연결 배관(CP)상에 장착되어 급수 탱크(210)축으로 응축수를 리턴시키는 응축수 펌프(430)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 가변부(500)는, 도 1과 함께 도 3 및 도 4를 참조하여 살펴보면, 크게 이코노마이저(economizer) 어셈블리(510)와 튜브 어셈블리(520)를 포함하는 것을 알 수 있다.
이코노마이저 어셈블리(510)는 급수 탱크(210)로부터 연결되는 연결 배관(CP)과 일단부가 연결되어 상기 보일러(200)의 상기 내부 공간(201) 하부측에 형성되며 상기 연소기(100)의 배출측과 연통하는 화염 챔버(202)의 하부에 배치되는 것으로, 연소기(100)로부터 생성되는 화염을 통한 열흡수를 극대화하여 보일러의 효율을 더욱 높이기 위하여 제공되는 것이다.
튜브 어셈블리(520)는 일단부가 상기 이코노마이저 어셈블리(510)의 타단부와 연결되어 상기 보일러(200)의 내부 공간(201) 상측에 나선 형상으로 복수회 권취되며 내부에 유체가 흐르는 내부 유로를 형성하고, 타단부가 상기 발전기(300)측과 연결되는 것으로, 스팀 발생량을 높여 보일러의 효율을 높이기 위하여 제공되는 것이다.
튜브 어셈블리(520)는, 더욱 구체적으로 살펴보면, 이코노마이저 어셈블리(510)의 타단부와 연결되어 상기 보일러(200)의 내부 공간(201) 외곽으로부터 복수회 권취되게 배열되는 스팀 생성부(521)를 포함한다.
그리고, 튜브 어셈블리(520)는, 스팀 생성부(521)의 단부로부터 연장되어 스팀 생성부(521)의 내측에 배치되도록 복수회 권취되게 배열되는 과열 증기 생성부(522)를 포함한다.
여기서, 과열 증기 생성부(522)의 단부와 발전기(300)측이 상호 연결되는 것이다.
이때, 스팀 생성부(521)는, 도 3을 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 이코노마이저 어셈블리(510)의 단부로부터 연장되어 제1 직경(D1)을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 외곽 나선 튜브(521a)를 포함한다.
그리고, 스팀 생성부(521)는, 제1 외곽 나선 튜브(521a)의 단부로부터 연장되어 제2 직경(D2)을 가지며 제1 외곽 나선 튜브(521a)의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 외곽 나선 튜브(521b)를 포함한다.
또한, 스팀 생성부(521)는, 제2 외곽 나선 튜브(521b)의 단부로부터 연장되어 제3 직경(D3)을 가지며 제2 외곽 나선 튜브(521b)의 내측과 대면하도록 나선형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제3 외곽 나선 튜브(521c)를 포함한다.
제1 직경(D1)은 제2 직경(D2)보다 크고, 제2 직경(D2)은 제3 직경(D3)보다 큰 것을 알 수 있다.
한편, 과열 증기 생성부(522)는, 스팀 생성부(521)의 단부와 연결되어 제4 직경(D4)을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 중심 나선 튜브(522a)를 포함한다.
그리고, 과열 증기 생성부(522)는, 제1 중심 나선 튜브(522a)의 단부로부터 연장되어 제5 직경(D5)을 가지며 제1 중심 나선 튜브(522a)의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 중심 나선 튜브(522b)를 포함한다.
여기서, 제4 직경(D4)은 제5 직경(D5)보다 크고, 스팀 생성부(521)가 형성하는 직경은 제4 직경(D4)보다 큰 것을 알 수 있다.
한편, 이코노마이저 어셈블리(510)는, 도 3 및 도 4를 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 화염 챔버(202)의 하부에 복수회 권취되어 나선 형상으로 배열되는 열흡수 튜브(510)를 포함하는 것을 파악할 수 있다.
여기서, 열흡수 튜브(510)가 형성하는 나선 형상의 원호들은 같은 중심을 가질 수 있다.
이때, 열흡수 튜브(510)가 형성하는 나선 형상의 원호들은 도 4(a)와 같이 동일 평면상에 배치되며, 열흡수 튜브(510)는 화염 챔버(202)의 바닥면에 접촉되거나 이격 배치될 수 있다.
그리고, 열흡수 튜브(510)가 형성하는 나선 형상의 원호들은 도 4(b) 내지 도 4(d)와 같이 서로 다른 평면상에 배치되며, 나선 형상의 원호들 중 일부는 화염 챔버(202)의 바닥면과 접촉 또는 근접하게 배치될 수도 있다.
그리고, 나선 형상의 원호들 중 화염 챔버(202)의 가장자리측에 배치된 원호들은도 4(b)와 같이 화염 챔버(202)의 바닥면과 접촉 또는 근접하게 배치될 수도 있다.
또한, 나선 형상의 원호들 중 화염 챔버(202)의 중심부측에 배치된 원호들은 도 4(d)와 같이 화염 챔버(202)의 바닥면과 접촉 또는 근접하게 배치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 제2 가변부(600)는, 다시 도 1을 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 적어도 하나 이상의 발전기(300)와 연결되어 발전기(300)의 터빈 블레이드의 회전 속도를 조절하는 스팀 유량 조절 밸브(610)와, 응축 어셈블리(400)와 연결되어 발전기(300)의 터빈 본체(310) 내부 압력을 대기압보다 훨씬 낮게 유지시키는 진공 펌프(620)를 포함하는 것을 파악할 수 있다.
진공 펌프(620)의 경우, 터빈 본체(310) 내부에서 고온의 스팀이 대기압보다 낮은 진공압의 분위기에서 급속히 팽창할 때, 스팀이 팽창하기 전, 후의 열낙차(heat drop)가 증대되므로, 발전기(300)의 효율이 증대될 수 있는 것이다.
따라서, 발전기(300)의 터빈 본체(310)로부터 회수된 스팀은 응축 어셈블리(400)의 응축기(410)에서 냉각수에 의하여 물로 환원(응축)되어 보일러(200)의 용수로 재사용될 수 있으므로, 물처리 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 냉각수, 즉 급수 탱크(210)에 공급되는 물은 솔레노이드 밸브(700)를 개방하여 응축기(410)의 2차측(411, 튜브 외측)에 냉각수로 공급될 수 있다.
그리고, 제2 가변부(600)의 진공 펌프(620)의 진공압력은 진공 펌프(620) 입구측에 설치된 수동밸브(이하 미도시)를 적절히 개폐하여 조절할 수 있게 된다.
그리고, 터빈 본체(310)의 내부 진공압 측정을 위하여 응축수 탱크(420)에 연결된 진공 펌프(620)에 의해 응축기(410) 및 터빈 본체(310)의 진공압이 유지될 수 있다.
또한, 응축수 탱크(420)와 터빈 본체(310) 내부의 진공압 측정을 위하여 응축수 탱크(420)와 터빈 본체(310)에 각각 직독식 진공압계(이하 미도시)를 추가적으로 설치할 수 있다.
이렇게 발전기(300)로부터 생산된 전력은 제어시스템의 인버터를 통하여 전력회사 전력망(Grid)의 자가 전기 배전반(이하 미도시)에 공급되고, 자가 전기 배전반에 모터나 전등, 전열기 등의 전기 장치를 연결하여 전력을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합 발전 장치에 의하여 발전 및 스팀공급이 동시에 이루어지는 상태에서, 발전량을 우선시할 경우에는, 스팀 유량 조절 밸브(610)의 개방 정도(%)를 조절하여 원하는 발전량을 생산하고, 남은 스팀은 스팀 압력 조절 밸브(280)의 후단에 설치된 수동밸브(이하 미도시) 개방을 통해 외부로 공급하게 된다.
또한, 스팀 공급량을 우선시할 경우에는, 스팀 압력 조절 밸브(280)의 후단에 설치된 수동밸브의 개방 정도(%)를 조절하여 원하는 스팀량을 외부 사용처로 공급하고, 남은 스팀은 발전기(300)의 터빈 본체(310)로 공급할 수도 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비교적 간단한 구성으로 자원의 재활용이 가능함은 물론 발전 효율을 극대화하여 지역 단위의 원활한 전력 공급이 가능하도록 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
100...연소기
110...버너 본체
120...송풍기
130...호퍼
200...보일러
201...내부 공간
202...화염 챔버
210...급수 탱크
220...급수 펌프
230...급수 유량계
240...급수 유량 제어밸브
250...압력 측정기
260...온도 측정기
280...스팀 압력 조절 밸브
290...약품 탱크
291...약품 펌프
300...발전기
310...터빈 본체
311...입구 포트
312...출구 포트
400...응축 어셈블리
410...응축기
411...응축기(410)의 2차측
420...응축수 탱크
430...응축수 펌프
500...제1 가변부
510...이코노마이저 어셈블리(열흡수 튜브)
520...튜브 어셈블리
521...스팀 생성부
521a...제1 외곽 나선 튜브
521b...제2 외곽 나선 튜브
521c...제3 외곽 나선 튜브
522...과열 증기 생성부
522a...제1 중심 나선 튜브
522b...제2 중심 나선 튜브
600...제2 가변부
610...스팀 유량 조절 밸브
620...진공 펌프
BP...바이패스 배관
CP...연결 배관
D1...제1 직경
D2...제2 직경
D3...제3 직경
D4...제4 직경
D5...제5 직경
SP...스팀 공급 배관

Claims (9)

  1. 폐플라스틱을 포함하는 연료를 투입하여 화염을 발생시키는 연소기;
    외부로부터 공급받은 물을 상기 연소기로 가열시켜 상기 물에 비하여 고온고압인 스팀을 발생시키는 보일러;
    상기 보일러의 출구와 연결되며, 상기 보일러로부터 배출되는 상기 고온고압의 스팀의 배출 유량 및 배출 압력에 의하여 전기를 생산하는 적어도 하나 이상의 발전기;
    상기 발전기로부터 배출되는 스팀을 회수하여 응축시켜 상기 보일러측으로 되돌리는 응축 어셈블리;
    상기 보일러에 구비되어 상기 보일러의 효율을 증대시키기 위한 것으로, 급수 탱크로부터 연결되는 연결 배관과 일단부가 연결되어 상기 보일러의 내부 공간 하부측에 형성되며 상기 연소기의 배출측과 연통하는 화염 챔버의 하부에 배치되는 이코노마이저(economizer) 어셈블리와, 상기 화염 챔버의 하부에 복수회 권취되어 나선 형상으로 배열되는 열흡수 튜브를 포함하는 제1 가변부; 및
    상기 적어도 하나 이상의 발전기 및 상기 응축 어셈블리와 연결되어 상기 발전기의 효율을 증대시키기 위한 것으로, 상기 적어도 하나 이상의 발전기와 연결되어 상기 발전기의 터빈 블레이드의 회전속도를 조절하는 스팀 유량 조절 밸브를 포함하는 제2 가변부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가변부는,
    상기 이코노마이저 어셈블리의 타단부와 연결되어 상기 보일러의 내부 공간 상측에 나선 형상으로 복수회 권취되며 내부에 유체가 흐르는 내부 유로를 형성하는 일단부와, 상기 발전기측과 연결되는 타단부를 구비한 튜브 어셈블리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 튜브 어셈블리는,
    상기 이코노마이저 어셈블리의 타단부와 연결되어 상기 보일러의 상기 내부 공간 외곽으로부터 복수회 권취되게 배열되는 스팀 생성부와,
    상기 스팀 생성부의 단부로부터 연장되어 상기 스팀 생성부의 내측에 배치되도록 복수회 권취되게 배열되는 과열 증기 생성부를 포함하며,
    상기 과열 증기 생성부의 단부와 상기 발전기측이 연결되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스팀 생성부는,
    상기 이코노마이저 어셈블리의 단부로부터 연장되어 제1 직경을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 외곽 나선 튜브와,
    상기 제1 외곽 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제2 직경을 가지며 상기 제1 외곽 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 외곽 나선 튜브와,
    상기 제2 외곽 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제3 직경을 가지며 상기 제2 외곽 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제3 외곽 나선 튜브를 포함하며,
    상기 제1 직경은 상기 제2 직경보다 크고, 상기 제2 직경은 상기 제3 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 과열 증기 생성부는,
    상기 스팀 생성부의 단부와 연결되어 제4 직경을 가지며 나선 형상으로 권취되게 배열되는 제1 중심 나선 튜브와,
    상기 제1 중심 나선 튜브의 단부로부터 연장되어 제5 직경을 가지며 상기 제1 중심 나선 튜브의 내측과 대면하도록 나선 형상으로 복수회 권취되게 배열되는 제2 중심 나선 튜브를 포함하며,
    상기 제4 직경은 상기 제5 직경보다 크고,
    상기 스팀 생성부가 형성하는 직경은 상기 제4 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가변부는,
    상기 응축 어셈블리와 연결되어 상기 발전기의 터빈 본체 내부 압력을 대기압보다 낮게 유지시키는 진공 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 연소기를 이용한 열병합 발전 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소기는,
    상기 폐플라스틱이 가열되어 열분해되고 가스화되는데 필요한 일정 정도의 온도에 도달하기까지 연료 탱크로부터 공급되는 화석 연료를 상기 연소기의 버너 본체에 공급하여 일정 시간동안 연소시키는 승온 모드와,
    상기 화석 연료와 상기 폐플라스틱을 상기 버너 본체에 일정 시간동안 공급하여 상기 화석 연료와 상기 폐플라스틱을 동시에 연소시켜 상기 승온 모드에서의 가열 온도를 더욱 높이는 안정화 모드와,
    상기 안정화 모드의 지속에 따른 가열 온도의 상승에 의하여 상기 화석 연료의 공급을 중단하고 상기 폐플라스틱만 공급하여 연소를 지속시키되, 상기 폐플라스틱의 공급량을 조절하는 정상 운전 모드와,
    상기 버너 본체의 가동을 정지하기 위하여, 상기 폐플라스틱의 공급을 중단하고 상기 화석 연료만 다시 상기 버너 본체에 공급하여 상기 버너 본체의 내부에 잔존하는 플라스틱 고형물과 연소 가스를 완전 연소시키고, 송풍기를 가동시켜 상기 버너 본체의 내부 공간을 냉각시키는 냉각 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열흡수 튜브가 형성하는 나선 형상의 원호들은 동일 평면상에 배치되며,
    상기 열흡수 튜브는 상기 화염 챔버의 바닥면에 접촉되거나 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 장치.
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