KR101731570B1 - 친환경 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 발전 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 유체연료와 혼합연료를 연소로에서 함께 연소시킴으로써, 유해물질 발생을 억제하고, 연소 효율을 크게 향상시킴으로써, 경제적이며 발전 효율을 극대화할 수 있는 친환경 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

친환경 발전 시스템{Eco-friendly power generation system}

본 발명은 친환경 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체연료와 혼합연료를 연소로에서 함께 연소시킴으로써, 유해물질 발생을 억제하고, 연소 효율을 크게 향상시킴으로써, 경제적이며 발전 효율을 극대화할 수 있는 친환경 발전 시스템에 관한 것이다.

전기발전 시스템 중 하나로서, 보일러에서 발생되는 증기로부터 기계적 에너지로 변환시키기 위한 증기터빈이 사용되고, 이 증기터빈의 회전력을 이용하여 발전기에서 발전이 이루어지게 된다.

보다 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이 연소장치에서 열 및 화염을 공급하고, 그 열 및 화염의 열에너지를 이용하여 보일러 내에 관입된 관 내의 물을 증기로 만든다. 생산된 증기는 터빈으로 공급되어 터빈을 회전시켜 발전기에서 전기 에너지를 생산하게 된다. 터빈을 통과한 증기는 열교환기를 통해 응축되어 펌프를 통해 다시 보일러 내로 급수되는 과정이 반복되면서 발전이 이루어진다.

이러한 증기터빈을 이용한 발전은 화력을 이용하기 때문에 발전 효율은 화력을 제공하는 연소 효율과 비례하게 된다.

한편, 알코올 수성 가스는 알코올과 수분을 일정비율로 혼합하여 가스 형태로 형성한 물질을 말한다.

이러한, 알코올 수성 가스를 연소시키는 장치가 알코올 수성 가스용 연소장치이다.

이와 같은 종래의 알코올 수성 가스용 연소장치는 연소로가 단순히 세라믹 등으로 이루어진 챔버벽으로 형성되고, 그러한 연소로 내부에서 알코올 수성 가스의 연소가 이루어짐에 따라 연소 효율이 높지 않은 단점과 함께 별도의 착화 부재를 통한 착화가 요구되었으며, 착화를 위한 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다.

이러한 문제를 일부 개선한 종래기술로 대한민국 특허 등록번호 제10-1302110호(2013.08.30.)에는 '마이크로파를 이용한 알코올 수성 가스 버너'가 개시되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 마이크로파를 이용한 알코올 수성 가스 버너는 발열체가 마이크로파에 의해 가온되어 달궈지기 때문에 자동 착화가 이루어질 수 있는 일정온도 이상으로 가열하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

한편, 종래 자화장치를 이용하여 연소 효율을 높이는 기술은 대한민국 등록특허 제10-1460983호, 대한민국 등록특허 제10-1178780호 등에 개시되어 있으나, 물을 함유하는 혼합연료에 적용한 예가 없었으며, 혼합연료에 대한 자화 처리 조건을 연구, 개발하는 것이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1302110호 대한민국 등록특허 제10-1302110호 대한민국 공개특허 제10-2013-0133341호 대한민국 등록특허 제10-1460983호 대한민국 등록특허 제10-1178780호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 유체연료와 혼합연료를 연소로에서 함께 연소시킴으로써, 유해물질 발생을 억제하고, 연소 효율을 크게 향상시킴으로써, 경제적이며 발전 효율을 극대화할 수 있는 친환경 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템은 유체연료 및 물과 알코올이 혼합된 혼합연료를 각각 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 각 연료가 연소되는 연소로를 포함하는 연소장치; 상기 혼합연료를 자화시키는 자화장치; 상기 연소장치에서 발생한 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러; 및 상기 보일러에서 생산한 증기를 공급받아 발전하는 증기 터빈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 연료 공급부에서는 별도의 노즐을 통해 유체연료와 자화된 혼합연료를 상기 연소로로 공급하며, 상기 연소로에서는 상기 유체연료만을 연소시켜 소정 온도까지 예열한 다음, 상기 유체연료와 상기 자화된 혼합연료가 동시에 연소되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 연소장치는 인입구 및 화염이 토출되는 토출구가 형성되는 연소로; 상기 인입구를 통해 상기 연소로로 유체연료를 공급하여 유체연료의 연소를 통한 가열에 의해 상기 연소로의 예열이 이루어지도록 하는 유체연료공급부; 상기 인입구를 통해 예열된 상태의 상기 연소로로 물과 알코올이 혼합된 혼합연료를 분사하여 혼합연료에 대한 자동 착화 및 연소가 이루어지도록 하는 혼합연료공급부; 및 양면이 상기 인입구 및 상기 토출구를 향하도록 상기 연소로의 내부에 구비되며, 상기 토출구와 연통되는 복수의 중공이 형성되는 완전연소 유도판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 완전연소 유도판은 상기 인입구보다 상기 토출구와 이웃하면서 액체연료 및 혼합연료의 연소시 발생되는 화염이 상기 복수의 중공을 통해 상기 토출구 방향으로 토출되도록 하는 한편, 화염이 부딪치며 방향전환되면서 액체연료 및 혼합연료에 대한 재연소를 통해 완전연소를 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 혼합연료는 알코올을 10~30중량% 포함하며, 상기 자화장치는 상기 혼합연료를 상기 연소로 내부로 공급하는 혼합연료공급관 표면에 배치되는 제1자화부와, 상기 혼합연료를 수용하는 혼합연료탱크에 설치되는 제2자화부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 제1자화부는 상기 혼합연료공급관의 표면에 서로 마주보도록 배치되는 반원 형상의 한 쌍의 영구자석으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 제2자화부는 상기 혼합연료를 수용하는 혼합연료탱크의 바닥에 수직하게 입설되는 바 형상의 영구자석으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템에 있어서, 연료 공급부는 일단부가 외부로부터 유체연료가 공급되고, 타단부가 상기 인입구를 통해 상기 연소로의 내측으로 인입되는 유체연료공급관 및 상기 유체연료공급관의 타단부에 연결되며, 유체연료가 분사되는 제1분사노즐을 포함하는 유체연료공급부와; 일단부가 외부로부터 혼합연료가 공급되며, 타단부가 상기 인입구를 통해 상기 연소로의 내측으로 인입되는 혼합연료공급관 및 상기 혼합연료공급관의 타단부에 연결되고, 혼합연료가 분사되는 제2분사노즐을 포함하는 혼합연료공급부;를 포함하되, 상기 제1분사노즐 및 제2분사노즐은 황동 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 친환경 발전 시스템에 관한 것으로써, 유체연료와 혼합연료를 연소로에서 함께 연소시킴으로써, 유해물질 발생을 억제하고, 연소 효율을 크게 향상시킴으로써, 경제적이며 발전 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템의 주요 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연소장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연소장치를 나타낸 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연소장치에서 연소로를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연소장치에서 완전연소 유도판을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연소장치에서 제어부의 제어 상태를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제1자화부가 설치된 모습을 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2자화부가 설치된 모습을 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2자화부를 도시하는 사시도이다.
도 10은 일반적인 증기터빈 방식의 발전 시스템을 도시하는 모식도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 친환경 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 유체연료 및 물과 알코올이 혼합된 혼합연료를 각각 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 각 연료가 연소되는 연소로(10)를 포함하는 연소장치(1)와, 상기 혼합연료를 자화시키는 자화장치(100)와, 상기 연소장치(1)에서 발생한 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러(200)와, 상기 보일러(200)에서 생산한 증기를 공급받아 발전하는 증기 터빈(300)을 포함할 수 있다.

상기 연료 공급부는 크게 유체연료를 연소로(10)로 공급하는 유체연료공급부(20)와, 혼합연료를 연소로(10)로 공급하는 혼합연료공급부(30)로 이루어진다.

상기 유체연료공급부(20)에서 공급된 유체연료는 직접 연소로(10)에 공급되어 연소로(10)에서 연소되나, 상기 혼합연료공급부(30)에서 공급된 유체연료는 자화장치(100)를 거쳐 자화 처리된 다음 연소로(10)로 공급된다.

상기 연소로(10)에서 발생하는 화염 및 열은 보일러(200)로 공급되고, 보일러(200)에서 생산한 증기는 증기 터빈(300)으로 분사되어 회전시키며, 증기 터빈(300)의 회전력을 이용하여 발전시킨다. 여기서, 보일러(200), 증기 터빈(300)의 구조 및 결합은 공지된 일반적인 형태를 이루므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 연소장치의 상세한 구성을 살펴보도록 한다.

본 발명에 따른 연소장치(1)는 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이 인입구(11a) 및 화염이 토출되는 토출구(11b)가 형성되는 연소로(10), 상기 인입구(11a)를 통해 상기 연소로(10)로 유체연료를 공급하여 유체연료의 연소를 통한 가열에 의해 상기 연소로(10)의 예열이 이루어지도록 하는 유체연료공급부(20) 및 상기 인입구(11a)를 통해 예열된 상태의 상기 연소로(10)로 물과 알코올이 혼합된 혼합연료를 분사하여 혼합연료에 대한 자동 착화 및 연소가 이루어지도록 하는 혼합연료공급부(30)를 포함한다.

본 발명에서 유체연료는 석유연료 즉, 등유, 경유, 휘발유 등으로 이루어질 수 있으며, 알코올은 메탄올인 것을 예시할 수 있다.

상기 연소로(10)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 일단부에 상기 인입구(11a)가 형성되고 타단부에 상기 토출구(11b)가 형성되며 내측으로 유체연료 및 혼합연료의 연소가 이루어지는 인케이싱(11), 상기 인케이싱(11)의 외측에 구비되는 아웃케이싱(14) 및 상기 인,아웃케이싱(11,14) 사이에 구비되는 단열부재(15)를 포함한다.

상기 인케이싱(11)은 금속재로 이루어지며, 양단부가 상기 인입구(11a) 및 상기 토출구(11b) 방향으로 연장 형성되는 원통 형태를 이루는 것이 가장 바람직하다.

상기 인입구(11a)로는 유체연료공급관(21) 및 혼합연료공급관(31)이 삽입되고, 상기 토출구(11b)로는 보일러(200)가 연결되는 것으로 이해될 수 있다.

상기 아웃케이싱(14)은 금속재로 이루어지며, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 인케이싱(11)의 길이방향을 중심으로 상하 한 쌍으로 분기되어 볼트, 너트 등에 의해 상호 탈착 가능하게 결합되면서 상기 인케이싱(11)의 외측으로 결합된다.

상기 인케이싱(11)은 일단부에 상기 인입구(11a)가 형성되고 타단부가 개방되는 제1케이싱(12) 및 타단부에 상기 토출구(11b)가 형성되며 일단부가 상기 제1케이싱(12)의 타단부와 연결되는 제2케이싱(13)을 포함한다.

상기 제1케이싱(12)은 타단부가 상기 인케이싱(11)의 정 중앙부보다 상기 토출구(11b) 방향으로 연장 형성되면서 상기 제2케이싱(13)보다 긴 길이를 갖는다.

상기 제1케이싱(12)의 내측으로는 상기 액체,혼합연료공급부(20,30)에서 공급되는 액체,혼합연료가 분사되는 한편, 연소가 이루어지며, 상기 제2케이싱(13)의 내측으로는 유체연료 및 혼합연료가 연소되면서 발생되는 화염이 상기 토출구(11b)로 토출되도록 유도한다.

상기 제2케이싱(13)은 일단부로부터 타단부로 갈수록 내부 폭이 좁아지면서 유체연료 및 혼합연료의 연소시 발생되는 화염이 상기 토출구(11b) 방향으로 토출되도록 유도하는 하는 한편, 내측면에 내열부재(16)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 내열부재(16)는 세라믹으로 이루어질 수 있으며, 고온에 의한 상기 제2케이싱(13)의 변형을 최대한 방지한다.

상기 제2케이싱(13)은 상기 제1케이싱(12)에 탈착 가능하게 결합되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 상기 제1,2케이싱(12,13)은 도 3에 도시된 바와 같이 상호 접하는 단부에 외측으로 연장 형성되는 제1,2플랜지(12a,13a)가 형성되면서 볼트,너트 등에 의해 탈착 가능하게 결합될 수 있다. 이러한 결합은 공지된 일반적인 형태를 이루므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이는, 상기 토출구(1b)로 토출되는 고온의 화염에 의한 상기 제2케이싱(13)의 변형에 따른 분리,교체가 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

상기 단열부재(15)는 내화성을 갖는 세라믹섬유로 이루어지는 것이 가장 바람직하며, 유체연료 및 혼합연료의 연소에 따른 상기 인케이싱(11)의 고온 상태가 유지되도록 하는 한편, 고온 상태에서의 유체연료 및 혼합연료에 대한 완전연소가 이루어질 수 있도록 유도한다.

상기 연소장치(1)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 양단부가 개방되며 일단부가 상기 토출구(11b)와 연통되도록 상기 연소로(10)에 결합되는 토출노즐(40)을 더 포함할 수 있다.

상기 토출노즐(40)은 금속으로 이루어지되 황동 등으로 이루어지는 것이 가장 바람직하고, 용접 등에 의해 상기 연소로(10)에 결합될 수 있으며, 타단부로 외부의 다른 보일러장치가 연결될 수 있다.

또는, 상기 토출노즐(40)은 상기 연소로(10)에 형성되는 상기 토출구(11b)에 탈착 가능하게 결합되는 형태를 이룰 수 있다.

예를 들면, 상기 토출구(11b)를 이루는 내주면에 나사산이 형성되고, 상기 토출노줄(40)은 일단부 외주면에 나사산이 형성되면서 상기 연소로(10)에 나사결합될 수 있다.

상기 토출노즐(40)은 도 3에 도시된 바와 같이 일단부로부터 타단부로 갈수록 내부 폭이 커지는 것이 바람직하다.

이는, 상기 토출구(11b)에서 토출되는 불꽃이나, 화염의 길이가 길어질 수 있도록 함으로 인해 열효율의 향상을 기대할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 연소장치(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1,2케이싱(12,13) 중 어느 하나의 케이싱에 구비되며, 상기 제1,2케이싱(12,13)과 상호 연통되는 복수의 중공(50a)이 형성되는 완전연소 유도판(50)을 더 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 제1케이싱(12)은 도 3에 도시된 바와 같이 내주면에 복수의 걸림돌기(12a)가 형성되고, 상기 완전연소 유도판(50)은 도 5에 도시된 바와 같이 양면을 관통하는 복수의 체결공(50b)이 형성되면서 볼트,너트 등에 의해 상기 복수의 걸림돌기(12b)에 탈착 가능하게 결합될 수 있다.

이에 따라, 상기 완전연소 유도판(50)은 상기 제1케이싱(12)의 타단부 내측에 탈착 가능하게 결합될 수 있다.

상기 완전연소 유도판(50)은 상기 복수의 중공(50a)을 통해 상기 제1케이싱(12)에서 발생되는 화염이 통과하면서 상기 토출노즐(40)을 통해 토출될 수 있도록 하는 한편, 화염이 부딪치며 상기 제1케이싱(12)으로 방향 전환되면서 상기 제1케이싱(12)에 존재하는 유체연료 및 혼합연료에 대한 재연소를 통해 완전연소가 이루어질 수 있도록 한다.

다시 말하면, 상기 완전연소 유도판(50)은 유체연료 및 혼합연료의 연소시 상기 제1케이싱(12)에서 발생되는 화염이 상기 제2케이싱(13) 방향으로 뻗어나가는 과정에서 일부 부딪치며 상기 제1케이싱(12)으로 방향 전환되도록 하여 유체연료 및 혼합연료에 대한 재연소를 통해 완전연소를 유도한다.

상기 완전연소 유도판(50)은 도 5에 도시된 바와 같이 양면이 상기 인입구(11a) 및 상기 토출구(11b)를 향하는 금속판(51) 및 상기 금속판(51)의 양면에 구비되는 한 쌍의 내열판(52)을 포함한다.

상기 내열판(52)은 세라믹으로 이루어질 수 있으며, 고온에 의한 상기 금속판(52)의 변형을 방지한다.

상기 유체연료공급부(20)는 상기 연소로(10)로 유체연료를 공급하여 유체연료의 연소를 통한 가열에 의해 상기 연소로(10)의 내부 온도가 1,100℃ 이상 되도록 하여 상기 혼합연료공급부(30)에서 공급되는 혼합연료가 자동 착화될 수 있도록 한다.

상기 연소로(10)에서의 유체연료에 대한 착화는 별도의 다른 점화장치(미도시) 등에 의해 이루어질 수 있으며, 공지된 다양한 형태를 이룰 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 유체연료공급부(20)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 일단부로 외부로부터 유체연료가 공급되며 타단부가 상기 인입구(11a)를 통해 상기 연소로(10)의 내측으로 인입되는 유체연료공급관(21) 및 상기 유체연료공급관(21)의 타단부에 연결되고 유체연료가 분사되는 제1분사노즐(22)을 포함하며, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1분사노즐(22)에서 유체연료가 분사되도록 상기 유체연료공급관(21)으로 유체연료를 공급하는 유체연료공급장치(23)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1분사노즐 및 제2분사노즐은 황동 소재로 이루어져, 부식이나 닳는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

상기 혼합연료공급부(30)는 유체연료의 연소를 통한 가열에 의해 상기 연소로(10)의 내부온도가 1,100℃ 이상 된 상태에서 상기 연소로(10)로 혼합연료를 공급하여 자동착화와 함께 완전연소가 이루어질 수 있도록 한다.

상기 혼합연료공급부(30)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 일단부로 외부로부터 혼합연료가 공급되며 타단부가 상기 인입구(11a)를 통해 상기 연소로(10)의 내측으로 인입되는 혼합연료공급관(31) 및 상기 혼합연료공급관(31)의 타단부에 연결되고 혼합연료를 분사하는 제2분사노즐(32)을 포함하며, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제2분사노즐(32)에서 혼합연료가 분사되도록 상기 혼합연료공급관(31)으로 혼합연료를 공급하는 혼합연료공급장치(33)를 더 포함할 수 있다.

상기 유체연료공급장치(23) 및 상기 혼합연료공급장치(33)는 버너장치 등 외부의 다른 구조물에 구비될 수 있으며, 펌핑 등에 의해 연료를 공급할 수 있는 공지된 다양한 형태를 이룰 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 연소장치(1)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 유체연료공급장치(23) 및 상기 혼합연료공급장치(33)의 제어를 통한 상기 유체연료공급부(20) 및 상기 혼합연료공급부(30)에서의 유체연료 및 혼합연료의 공급을 조절하는 제어부(60)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(60)는 상기 연소로(10)의 예열시, 상기 유체연료공급장치(23)를 제어하여 상기 유체연료공급부(20)를 통해 가열에 필요한 유체연료가 상기 연소로(10)로 공급되도록 한다.

그리고, 상기 제어부(60)는 상기 연소로(10)의 내부온도가 1,100℃ 이상 가열되면, 상기 유체연료공급장치(23)를 제어하여 상기 유체연료공급부(20)를 통한 유체연료의 공급이 줄어들도록 하는 한편, 상기 혼합연료공급장치(33)를 제어하여 상기 혼합연료공급부(30)를 통한 혼합연료의 공급이 이루어지도록 한다.

상기 유체연료공급부(20)는 상기 제어부(60)의 제어에 따라 상기 연소로(10)의 내부온도가 1,100℃ 이상 가열될 때까지 일정한 양의 유체연료를 공급하며, 상기 연소로(10)의 내부온도가 1,100℃ 이상 가열되면 공급량을 줄여 에너지 소모를 줄이는 한편, 고온상태가 지속적으로 유지되면서 혼합연료의 착화가 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.

상기 혼합연료공급부(30)는 상기 연소로(10)의 내부온도가 1,100℃ 이상 가열되면 상기 제어부(60)의 제어에 따라 상기 연소로(10)로 유체연료를 분사하여 1,100℃ 이상의 고온 상태 예를 들면, 1200℃ 내지 1600℃의 고온이 발생될 수 있도록 하여 완전연소와 함께 열효율이 향상될 수 있도록 한다.

이로 인해, 상기 연소장치(1)는 상기 연소로(10)의 예열을 통한 혼합연료의 자동착화와 함께 완전연소를 유도하면서 열효율의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 자화장치는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 혼합연료를 상기 연소로 내부로 공급하는 혼합연료공급관(31) 표면에 배치되는 제1자화부(110)와, 혼합연료를 수용하는 혼합연료탱크(70)에 설치되는 제2자화부(120)를 포함한다.

상기 제1자화부(110)는 상기 혼합연료공급관(31)의 표면에 서로 마주보도록 배치되는 반원 형상의 한 쌍의 영구자석(111,111a)으로 이루어질 수 있다.

각각의 영구자석은 네오디움 자석으로 이루어지고, 마주보는 면이 동일한 극성을 가지도록 배치하는 것을 예시할 수 있다.

이러한 영구자석 쌍은 소정 간격 이격된 상태로 다수 개의 쌍이 혼합연료공급관(31)에 설치된다.

제1자화부(110)는 혼합연료공급관 표면에 형성되기 때문에 혼합연료의 빠른 유속을 감안하면, 강한 자기에너지를 가진 네오디움 자석을 적용한다고 하더라도 혼합연료가 자화될 수 있는 충분한 시간을 가지기 어렵다.

특히 본 발명에서는 선행기술 3과 같이 기체에 대하여 자화 처리하는 것이 아닌, 액상의 혼합연료에 대하여 자화 처리하는 것이기 때문에 혼합연료공급관에 설치되는 제1자화부만으로는 혼합연료가 열분해 가능할 정도로 자화시키기 부족하다. 따라서 제1자화부(110)와 함께 제2자화부(120)를 추가 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제2자화부(120)는 예를 들어 수 톤의 혼합연료를 수용하는 혼합연료탱크(70)에 형성되기 때문에 혼합연료의 자화에 필요한 충분한 머무름 시간을 가지도록 제어할 수 있다.

상기 제2자화부(120)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 혼합연료를 수용하는 혼합연료탱크(70)의 바닥에 수직하게 입설되는 바 형상의 영구자석으로 이루어지거나, 또는 도시하지 않았지만 혼합연료탱크(70)의 벽면 또는 바닥에 부착되는 판 형상의 영구자석으로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 제2자화부(120)는 바 형상의 다수의 영구자석(121)을 같은 극 끼리 마주보도록 입설하는 것을 예시할 수 있다. 그리고 제2자화부(120)는 영구자석(121)을 혼합연료탱크(70) 내에 손쉽게 설치할 수 있도록 플레이트(123) 상에 영구자석을 다수 개 결합시킨 자화부 모듈 형태로 제작할 수 있다. 이러한 자화부 모듈 형태의 제2자화부(120)를 복수 개 마련하여 혼합연료탱크(70)의 상부에 형성된 개구부(71)를 통해 집어넣고 혼합연료탱크(70) 바닥에 배치시키면 설치가 완료된다.

상기 판 형상의 영구자석의 경우에는 판 형태로 제작된 영구자석 한 쌍을 맞대어 부착시킨 다음, 혼합연료탱크의 바닥이나 벽면에 고정하면 된다.

상기 제1자화부(110) 또는 제2자화부(120)를 통해 혼합연료를 자화시킨 다음 연소시키게 되면, 발열량이 증가하고 화염의 길이가 길어진다.

그리고 예열된 연소로에 혼합연료가 연소될 때 자화된 물의 일부가 열 분해되고, 분해된 수소는 연소되어 연료로 이용되고, 산소는 연소반응에 이용되는 것으로 이해할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 연소장치를 이용한 친환경 연소방법의 각 단계를 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명의 S1단계에서는 유체연료를 연소로로 공급하면서 연소시키는데, 상술한 바와 같이 연소로(10)의 내부온도가 적어도 1,100℃ 이상이 될 때까지 가열하게 된다.

그리고 상기 S1단계에서 유체연료를 연소시키는 이유는, 혼합연료가 공급될 때 자동착화할 수 있도록 예열하는 기능과, 혼합연료가 착화된 이후에는 혼합연료에 포함된 물의 일부가 열 분해될 수 있는 고온 상태를 유지하기 위함이다.

다음으로, 본 발명의 S2단계에서는 물과 알코올이 소정 중량비로 혼합된 혼합연료를 마련하게 되는데, 혼합연료는 물 70~90중량%와, 알코올 10~30중량%로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

한편, 대한민국 등록특허 제10-1302110호(선행특허 1)에서는 알코올이 55~65중량% 함유된 알코올 수성 가스가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 제10-2013-0133341호(선행특허 2)에서는 메탄올이 40~65중량% 함유된 혼합연료에 대한 기술이 개시되어 있는데, 본 발명의 알코올 함량과는 큰 차이가 있다.

그 다음으로, 본 발명의 S3단계에서는 혼합연료를 자화장치를 이용하여 자화시키는 과정을 수행하는데, 그 이유는 혼합연료의 열분해 온도를 낮추기 위함이다.

본 발명의 S3단계에서 사용되는 자화장치는 대한민국 등록특허 제10-1460983호(선행특허 3) 등에서도 개시되어 있으나, 상기 선행특허 3에서는 산소, 수소 및 기체 연료에 대하여 자화 처리하여 기체 분자들을 정렬하고 활성화시키는 역할을 하는 것으로서, 본 발명에서 혼합연료를 자화하는 목적과 대상이 다르다.

즉, 본 발명에서는 액상의 혼합연료를 기화시키기 전에 미리 자화 처리함으로써, 미리 예열된 연소로에 혼합연료가 연소될 때 자화된 물의 일부가 열 분해될 수 있도록 전처리한다는 점에서 선행특허 3의 자화와는 차이가 있다.

그 다음으로, 본 발명의 S4단계에서는 상기 연소로 내부가 미리 설정된 온도, 구체적으로 1,100℃까지 가열되면 상기 S3단계에서 자화 처리된 혼합연료를 상기 연소로에 분사하여 상기 혼합연료에 대한 자동 착화 및 연소가 이루어지도록 하는 것이다. 여기서, 상기 1,100℃의 연소로 내부 온도는 혼합연료의 자동 착화 온도라 할 수 있다.

그 다음으로, 본 발명의 S5단계에서는 유체연료와 함께, 혼합연료가 동시에 연소되기 때문에 연소로 내부의 온도는 혼합연료에 대한 자동 착화 온도보다 상승한 예를 들어, 1,200~1,500℃ 정도가 된다.

그리고 연소로 내부의 온도가 자동 착화 온도보다 상승하면 자화된 혼합연료의 일부는 열 분해가 되는데, 열분해 과정에서 발생하는 수소는 연소되어 연료로 이용되고, 산소는 유체연료의 연소 반응에 사용되어 유체연료 내지 알코올의 완전 연소를 유도하게 된다.

유체연료의 연소와 함께 자화된 혼합연료의 연소 및 열분해된 수소의 연소가 함께 이루어지게 되면, 유체연료의 공급량을 감소시킨다.

한편, 본 발명은 물론, 선행특허 1 및 선행특허 2에서는 연소시 알코올 수성 가스 또는 혼합연료에 함유된 물이 급속하게 기화되면서 수증기가 발생하는데, 이러한 수증기는 급격하게 팽창하면서 알코올과 공기의 난류 혼합을 유도하여 연소 효율을 높이기 된다.

다만, 상기 선행특허 1 및 선행특허 2에서는 본 발명과 달리 유체연료를 별도로 사용하지 않기 때문에, 혼합연료에서 알코올 함량이 대략 50중량% 함유되어 있어야 연소가 원활하게 이루어진다. 예를 들어, 알코올 함량이 40중량% 미만으로 낮아지는 경우에는 상대적으로 물의 함량이 과량이 되어 연소 효율이 급격히 저하되고, 불완전 연소가 되는 문제가 있었다.

그에 반해, 본 발명에서는 선행특허 1 및 선행특허 2에 비해 혼합연료에서 알코올 함량을 크게 줄이는 대신, 유체연료를 함께 연소시켜 연소로를 고온으로 유지하고, 혼합연료를 자화시킨 상태에서 연소시켜 함유된 물이 열 분해하여 발생하는 수소가 연소되기 때문에 알코올 함량이 감소하더라도 선행기술 1, 2에 비해 연소 효율이 우수하다.

이하에서는 본 발명에 따른 자화장치를 이용한 친환경 연소방법의 보다 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

경유를 연소로에서 연소시켜 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열한다.(S1단계) 물과 메탄올의 중량비를 7 : 3이 되도록 혼합하여 혼합연료를 마련한다.(S2단계) 자화장치로 혼합연료를 자화시킨다.(S3단계) 자화된 혼합연료를 1,100℃로 예열된 연소로에 분사하여 자동 착화되면서 연소되도록 한다.(S4단계) 혼합연료의 연소가 시작되면, 경유의 공급량을 감소시킨다.(S5단계)

자화장치는 높이가 30cm이며 자기장의 세기가 13,000가우스인 바 형상의 자석 16개를 N극이 혼합연료탱크 바닥을 향하도록 하고, 이웃하는 자석과 10cm 간격이 되도록 가로*세로가 40cm*40cm인 플레이트에 고정된 구조로 이루어진다. 자석이 설치된 플레이트 4세트를 마련하여 혼합연료탱크 바닥에 안착시킨 다음 물과 메탄올을 혼합된 혼합연료 720ℓ를 혼합연료탱크에 투입하고, 20시간 이상 방치하여 자화 처리한 다음 연소로에 분사하였다.

S1단계에서 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열할 때의 경유 공급유량은 36.4ℓ/hr이고, 소요 시간은 12분 20초이다.

S5단계에서 경유와 혼합연료를 동시에 공급하여 1시간 동안 연소시켰으며, 이때 경유의 공급유량은 18.9ℓ/hr, 혼합연료의 공급유량은 40.9ℓ/hr이며, 연소로 내부 온도는 1,230℃이다.

[비교예 1]

상기 실시예 1과 같이 혼합연료의 조성을 물과 메탄올의 중량비가 7 : 3이 되도록 혼합하되, 자화 처리를 전혀 하지 않은 것을 제외하고 동일한 방식으로 연소하였다.

즉, 경유만을 연소시켜 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열한 다음, 경유와 혼합연료를 동시에 공급하여 1시간 동안 연소시켰다.

이때 경유의 공급유량은 18.4ℓ/hr, 혼합연료의 공급유량은 40.3ℓ/hr이며, 연소로 내부 온도는 937℃이다.

[비교예 2]

상기 실시예 1에서 혼합연료의 조성을 물과 메탄올의 중량비가 7 : 3이 되도록 혼합하고, 자화 처리를 전혀 하지 않은 것을 제외하고 동일한 방식으로 연소하였다.

즉, 경유만을 연소시켜 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열한 다음, 경유와 혼합연료를 동시에 공급하여 1시간 동안 연소시켰다.

이때 경유의 공급유량은 실시예 1보다 크게 증가한 25.2ℓ/hr이며, 혼합연료의 공급유량은 실시예 1과 대응되도록 40.6ℓ/hr로 제어하였으며, 이때 연소로 내부 온도는 988℃이다.

[비교예 3]

상기 실시예 1과 같이 혼합연료의 조성을 물과 메탄올의 중량비가 7 : 3이 되도록 혼합하되, 혼합연료탱크 내에는 자화장치를 설치하지 않고, 혼합연료탱크에 연결된 혼합연료공급관 표면에 자기장의 세기가 1,000가우스인 '∩' 및 '∪'자 한 쌍의 영구자석을 10세트 설치하여 자화 처리한 것을 제외하고 동일한 방식으로 연소하였다.

실시예 1과 마찬가지로 경유만을 연소시켜 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열한 다음, 경유와 혼합연료를 동시에 공급하여 1시간 동안 연소시켰다.

이때 경유의 공급유량은 18.5ℓ/hr, 혼합연료의 공급유량은 41.9ℓ/hr이며, 연소로 내부 온도는 942℃이다.

실시예 1 및 비교예 1~3에서는 초기 단계에서는 경유만을 사용하여 연소실 내부 온도를 1,100℃ 까지 가열한다. 그 다음 혼합연료와 경유를 동시에 사용하여 1시간 동안 연소하였을 때의 연소 효율(연소실 내부 온도, 온수탱크 내 물의 온도)을 측정한 결과, ① 실시예 1과 같이 혼합연료탱크에서 혼합연료에 대하여 상당 시간 자화를 하지 않은 비교예 1, 2는 연소실 내부 온도 및 온수탱크 온도가 현저히 저하된다는 것을 확인할 수 있었다. ② 그리고 혼합연료를 자화 처리한 비교예 3의 경우에도 자화 처리 시간이 짧은 경우에는 자화 처리하지 않은 비교예 1과 거의 비슷한 연소효율을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다. ③ 특히, 경유와 혼합연료를 함께 연소시킬 때 실시예 1에 비해 경유 사용량을 크게 증가시킨 비교예 2의 경우에도 혼합연료를 자화 처리하지 않은 실시예 1에 비해 연소 효율이 크게 낮다는 것을 확인할 수 있었다.

위 결과를 검토해볼 때, 실시예 1과 같이 자화가 충분히 이루어진 혼합연료의 경우, 혼합연료에서 일부 열 분해된 수소가 연소 반응에 관여한다는 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 연소장치에서 연소 효율이 증가하게 되면 발전 시스템의 발전 효율의 증가도 기대할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 친환경 발전 시스템을 실시하기 위한 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : 연소장치 10 : 연소로
11 : 인케이싱 11a : 인입구
11b : 토출구 12 : 제1케이싱
12a : 제1플랜지 12b : 걸림돌기
13 : 제2케이싱 13a : 제2플랜지
14 : 아웃케이싱 15 : 단열부재
16 : 내열부재 20 : 유체연료공급부
21 : 유체연료공급관 22 : 제1분사노즐
23 : 유체연료공급장치 30 : 혼합연료공급부
31 : 혼합연료공급관 32 : 제2분사노즐
33 : 혼합연료공급장치 40 : 토출노즐
50 : 완전연소 유도판 50a : 중공
50b : 체결공 51 : 금속판
52 : 내열판 60 : 제어부
70 : 혼합연료탱크 71 : 개구부
80 : 유체연료탱크
100 : 자화장치 110 : 제1자화부
111, 111a : 영구자석 120 : 제2자화부
121 : 영구자석 123 : 플레이트
200 : 보일러 300 : 증기터빈

Claims (8)

1. 인입구 및 화염이 토출되는 토출구가 형성되는 연소로와, 상기 인입구를 통해 상기 연소로로 유체연료를 공급하여 유체연료의 연소를 통한 가열에 의해 상기 연소로의 예열이 이루어지도록 하는 유체연료공급부와, 상기 인입구를 통해 예열된 상태의 상기 연소로로 물과 알코올이 혼합된 혼합연료를 분사하여 혼합연료에 대한 자동 착화 및 연소가 이루어지도록 하는 혼합연료공급부와, 양면이 상기 인입구 및 상기 토출구를 향하도록 상기 연소로의 내부에 구비되며 상기 토출구와 연통되는 복수의 중공이 형성되는 완전연소 유도판을 포함하는 연소장치와;
   상기 연소장치에서 발생한 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러와;
   상기 보일러에서 생산한 증기를 공급받아 발전하는 증기 터빈과;
   상기 혼합연료를 자화시키는 자화장치;를 포함하되,
   상기 자화장치는 상기 혼합연료를 상기 연소로 내부로 공급하는 혼합연료공급관 표면에 배치되는 제1자화부와, 상기 자화장치는 혼합연료를 수용하는 자화수탱크에 설치되는 제2자화부로 구성되고,
   상기 제2자화부는 플레이트와, 상기 플레이트 상에 바 형상의 영구자석 다수 개가 수직하게 결합한 모듈 형태로 이루어지되, 다수의 영구자석은 같은 극끼리 마주보도록 인접하여 배치되는 2개의 영구자석이 한 쌍을 이루면서 다수의 영구자석 쌍을 형성하며, 다수의 영구자석 쌍은 서로 이격하여 배치되고,
   상기 연소로는,
   일단부에 상기 인입구가 형성되고 타단부에 상기 토출구가 형성되며, 내측으로 상기 완전연소 유도판이 구비되고 유체연료 및 혼합연료의 연소가 이루어지는 인케이싱과; 상기 인케이싱의 외측에 구비되며, 상하 한 쌍으로 분기되어 상호 탈착 가능하게 결합되는 아웃케이싱과; 상기 인,아웃케이싱 사이에 구비되는 단열부재를 포함하고,
   상기 인케이싱은,
   일단부에 상기 인입구가 형성되고, 타단부가 개방되는 제1케이싱과; 타단부에 상기 토출구가 형성되며, 일단부가 상기 제1케이싱의 타단부에 연결되는 제2케이싱과; 상기 제2케이싱의 내측면에 구비되어 고온에 의한 상기 제2케이싱의 변형을 방지하는 내열부재;를 포함하되,
   상기 제1,2케이싱은 상호 접하는 단부에 외측으로 연장 형성되는 제1,2플랜지가 형성되면서 볼트,너트에 의해 탈착 가능하게 결합되고, 상기 제2케이싱은 일단부로부터 타단부로 갈수록 내부 폭이 좁아지면서 유체연료 및 혼합연료의 연소시 발생되는 화염이 상기 토출구 방향으로 토출되도록 유도하되, 상기 제1케이싱에 탈착 가능하게 결합되면서 화염에 따른 변형에 따라 상기 제1케이싱으로부터 분리, 교체되며,
   상기 완전연소 유도판은,
   양면이 상기 인입구 및 상기 토출구를 향하는 금속판과; 상기 금속판의 양면에 구비되어 고온에 의한 상기 금속판의 변형을 방지하는 한 쌍의 내열판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 발전 시스템.
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