KR101854568B1

KR101854568B1 - 고체 연료 연소 시스템

Info

Publication number: KR101854568B1
Application number: KR1020170106227A
Authority: KR
Inventors: 김규원; 정만수; 이상세
Original assignee: (주)규원테크
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-05-04

Abstract

본 발명은 연소 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 펠릿이나 목재 칩과 같은 고체 연료를 연료로 사용하는 연소 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 화염이 유입되는 입구를 구비한 열교환기와, 화염이 배출되는 출구를 구비한 연소실과, 상기 연소실의 내부에 설치되어 고체 연료를 지지하는 화격자와, 상기 화격자의 아래로 가스를 공급하는 제1가스 공급장치와, 상기 연소실의 벽의 내부에 설치된 파이프를 구비하며 상기 파이프를 지나면서 가열된 고온의 가스를 상기 연소실의 내부로 공급하는 제2가스 공급장치를 포함하며, 고체 연료를 가스와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실의 출구를 통해서 상기 열교환기로 방사하는 버너와, 상기 버너에서 발생한 화염이 상기 열교환기에 전달되도록 상기 연소실의 출구와 상기 열교환기의 입구를 연결하는 연결 튜브를 포함하는 고체 연료 연소 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 고체 연료 연소 시스템은 고온의 공기의 공급 및 배기가스와 혼합된 가스의 공급을 통해서 CO 가스 및 NOx 가스의 발생량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

고체 연료 연소 시스템{Solid fuel combustion system}

본 발명은 연소 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 펠릿이나 목재 칩과 같은 고체 연료를 연료로 사용하는 연소 시스템에 관한 것이다.

기름, 가스, 숯, 장작, 석탄, 펠릿 등의 다양한 연료를 사용하는 연소시스템이 사용되고 있다. 이 중에서 기름, 가스 등을 사용하는 연소시스템은 사용이 편리하다는 장점이 있으나, 유지비용이 비싸다는 문제가 있다.

숯, 장작, 석탄, 펠릿의 고체 연료는 액체, 기체 연료보다 발화점이 낮은데도 불이 쉽게 붙지 않는 문제점이 있으나 발화시 항상 발화점 이상으로 유지되는 장점이 있다. 이러한 고체 연료의 장점을 이용한 열풍기는 등록특허 제10-0873034호, 제10-0917787호 등에 개시된 바와 같이, 고체 연료를 연소하기 위한 버너와 연소실, 버너에서 발생한 열을 외기와 열교환하기 위한 파이프 등의 열교환수단, 외기를 공급하기 위한 송풍기, 배기가스 처리장치, 고체 연료 연소 후 남은 재를 처리하기 위한 재처리장치 등을 구비한다. 그리고 버너는 고체 연료에 불을 붙이기 위한 수단으로 전열히터, 가스히터 등을 구비한다.

그런데 이와 같은 종래의 고체 연료 연소 시스템은 연소로에서 바로 열교환이 이루어지기 때문에 열교환수단들이 오염되기 쉬우며, 열교환수단들이 오염되면 효율이 떨어진다는 문제가 있었다.

또한, 종래의 고체 연료를 연료로 사용하는 연소 시스템은 CO 가스, NOx 가스가 발생하고, 고체 연료의 연소과정에서 발생한 재가 녹는 현상이 발생하는 등의 문제가 있었다.

한국등록특허 제10-0873034호 한국등록특허 제10-0917787호 한국등록특허 제10-1149359호 한국등록특허 제10-1448100호 한국등록특허 제10-1257994호 한국등록특허 제10-1380157호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 연소실과 열교환기가 분리된 고체 연료 연소 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 일부 실시예는 수증기를 공급하여 재가 용해되어 덩어리가 되는 클리커 현상을 개선할 수 있는 고체 연료 연소 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 화염의 온도를 낮추어, NOx의 발생량이 줄일 수 있는 고체 연료 연소 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 화염이 유입되는 입구를 구비한 열교환기와, 화염이 배출되는 출구를 구비한 연소실과, 상기 연소실의 내부에 설치되어 고체 연료를 지지하는 화격자와, 상기 화격자의 아래로 가스를 공급하는 가스 공급장치를 포함하며, 고체 연료를 가스와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실의 출구를 통해서 상기 열교환기로 방사하는 버너와, 상기 버너에서 발생한 화염이 상기 열교환기에 전달되도록 상기 연소실의 출구와 상기 열교환기의 입구를 연결하는 연결 튜브를 포함하는 고체 연료 연소 시스템을 제공한다.

또한, 상기 가스 공급장치는 가스에 수증기를 공급하도록 구성된 웨터(wetter)를 더 포함하며, 가스는 웨터를 통과한 후에 상기 연소실로 유입되는 고체 연료 연소 시스템을 제공한다.

또한, 상기 버너는, 개방된 일단이 고체 연료를 향하도록 배치되는 착화용 화염 안내관과, 상기 착화용 화염 안내관의 내부에 설치되어 고체 연료 방향으로 착화용 연료를 방사하는 노즐과, 상기 노즐에서 분사된 착화용 연료를 점화하는 점화플러그와, 상기 노즐의 하류 측 상기 착화용 화염 안내관 내부에 설치되며, 상기 노즐과 마주보는 바닥 벽과 상기 바닥 벽으로부터 상기 노즐과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽을 포함하며, 상기 바닥 벽에는 상기 노즐에서 분사된 착화용 연료가 통과하는 관통구멍과 공기의 흐름을 유도하는 안내 날개가 형성되며, 상기 측벽에는 복수의 관통 슬릿이 형성된 확산판을 포함하는 고체 연료 연소 시스템을 제공한다.

또한, 상기 관통 슬릿은 쐐기 형태인 고체 연료 연소 시스템을 제공한다.

또한, 상기 확산판의 끝단에는 사각형 관통 구멍이 형성된 고체 연료 연소 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 고체 연료 연소 시스템은 연소실과 열교환기가 분리되어 있으므로, 열교환기의 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 일부 실시예는 재가 용해되어 덩어리가 되는 클리커 현상을 개선할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 화염의 온도를 낮추어, NOx의 발생량이 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 화염의 온도를 낮출 수 있으므로, 연소실, 화격자 등의 수명을 늘릴 수 있다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연소실의 측면 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 버너의 일부를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 확산판의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소 시스템의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소 시스템(100)은 연소실(10)과, 연소실(10)의 일 측에 설치되어 고체 연료를 가스와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 연소실(10) 내부로 방사하는 버너(60)와, 버너(60)에 의해서 발생한 화염에 의한 열기를 유체에 전달하는 열교환기(20)와, 버너(60)에서 발생한 화염이 열교환기(20)에 전달되도록 연소실(10)의 출구와 열교환기(20)의 입구를 연결하는 연결 튜브(30)를 포함한다.

열교환기(20)는 고체 연료가 연소되면서 발생한 열기를 이용해서, 물 등의 유체를 가열하는 장치이다. 예를 들어, 열교환기(20)로 보일러가 사용될 수 있다. 열교환기(20)는 둘레에 물이 저장될 수 있는 저장공간이 형성된 원통형 통체(21)와, 통체(21)에 설치되며 고체 연료가 연소되면서 발생한 배기가스를 정화하여 배출하는 배기장치(22)를 포함한다. 물이 가열되면서 발생한 증기는 발전기(미도시) 등에 공급될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 연소실의 측면 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 연소실(10)은 대체로 직육면체 형태이다. 연소실(10)에서는 고체 연료가 연소된다. 고체 연료로는 펠릿이나 목재 칩과 같은 목재 바이오매스 연료가 사용될 수 있다. 연소실(10)의 벽의 일부는 내화물 벽(11)으로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 버너(60)는 연소실(10)에 설치된다. 버너(60)는 고체 연료를 가스와 섞어 연소시키는 장치이다. 연료가 연소됨으로써 발생하는 화염은 연소실(10) 내부로 방사된다. 버너(60)는 고체 연료 연소 시스템의 열원으로서 작용한다.

버너(60)는 고체 연료를 지지하는 화격자(61)와, 화격자(61) 위에 고체 연료를 공급하는 연료 공급관(62)과, 화격자(61)의 아래로 가스를 공급하는 가스 공급장치(40)를 포함한다.

화격자(61)는 연소실(10)의 내부의 하부에 설치된다. 화격자(61)는 공기가 통과할 수 있으며, 고체 연료가 연소되면서 생긴 재가 빠질 수 있는 복수의 통기공이 형성되어 있는 복수의 조각으로 이루어진다.

도 3은 도 2에 도시된 버너의 일부를 나타낸 개략도이다.

도 2와 3에 도시된 바와 같이, 연료 공급관(62)은 화격자(61)에 고체 연료를 공급하는 역할을 한다. 연료 공급관(62)에는 연료 공급구(69)가 형성된다. 연료 공급구(69)는 연료가 저장되는 사일로와 연결될 수 있다. 연료 공급관(62)의 출구는 화격자(61) 위에 배치된다. 연료 공급관(62)에는 연료 이송스크루(70)가 설치될 수 있다. 연료 공급관(62)에 유입된 고체 연료는 연료 이송스크루(70)에 의해서 출구로 이송된 후 화격자(61) 위에 떨어질 수 있다. 연료 공급관(62)의 출구 반대쪽 일단에는 역화 방지 송풍기가 설치될 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 버너(60)는 고체 연료의 착화를 위한 구성으로서, 개방된 일단이 고체 연료를 향하도록 배치되는 착화용 화염 안내관(63)과, 착화용 화염 안내관(63) 내부에 설치되어 고체 연료 방향으로 착화용 연료를 방사하는 노즐(64)과, 노즐(64)에서 분사된 착화용 연료를 점화하는 점화플러그(65)와, 착화용 화염 안내관(63) 내부 노즐(64)의 하류 측에 설치되는 확산판(65)을 포함할 수 있다.

착화용 화염 안내관(63)은 착화용 연료의 연소에 필요한 공기를 공급하고, 발생한 화염을 고체 연료 쪽으로 안내하는 역할을 한다. 착화용 화염 안내관(63)의 입구 쪽에는 공기 공급을 위한 압입 송풍기(71)가 설치된다.

노즐(64)은 착화용 화염 안내관(63)의 내부에 설치된다. 노즐(64)은 기름이나 가스와 같은 분사형 연료를 분사하는 역할을 한다. 분사되는 착화용 연료가 기름과 같은 액체일 경우에는 펌프와 필터 등의 장치가 설치된다. 가스일 경우에는 차단밸브 등의 장치가 설치될 수 있다.

점화플러그(65)는 착화용 연료를 점화하는 역할을 한다. 점화플러그(65)는 착화용 화염 안내관(63) 내부에 노즐(64)의 끝단 바로 앞에 설치될 수 있다. 착화용 연료의 점화에 의해서 발생한 화염은 화격자(61) 위에 배치된 주연료인 고체 연료를 점화하는데 사용된다.

확산판(66)은 착화용 화염 안내관(63)의 내부 노즐(64)의 하류 측에 설치된다. 본 발명에서 상류 측과 하류 측은 공기가 흐르는 방향을 기준으로 한다. 확산판(66)은 착화용 연료가 완전 연소될 수 있도록 착화용 연료와 공기가 혼합되도록 하는 역할을 한다.

도 4는 도 3에 도시된 확산판의 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 확산판(66)은 노즐(64)과 마주보는 바닥 벽(661)과 바닥 벽(661)으로부터 노즐(64)과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽(662)을 포함한다. 확산판(66)은 측벽(662)의 끝단을 착화용 화염 안내관(63)의 내면에 용접하는 방법으로 착화용 화염 안내관(63)에 결합된다.

확산판(66)의 바닥 벽(661)의 중심에는 노즐(64)에서 분사된 기름이 통과할 수 있는 원형 관통구멍(663)이 형성되어 있다. 또한, 바닥 벽(661)의 원형 관통구멍(661) 둘레에는 공기를 한쪽으로 회전시킬 수 있는 안내 날개(664)가 형성되어 있다. 안내 날개(664)는 관통구멍(663)으로부터 바닥 벽(661)의 외주방향으로 바닥 벽(661)을 절개하고, 바닥 벽(661)을 노즐(64) 방향으로 접어서 형성한다. 확산판(66)의 측벽(662)에는 쐐기 형태의 복수의 관통 구멍(665)이 형성된다. 또한, 확산판(66)의 끝단에는 사각형 관통 구멍(666)이 형성된다. 이러한 확산판(66)의 구조에 의해서 확산판(66)의 바닥 벽(661)을 통과한 공기는 회전하고, 측벽(662)을 통해서 유입된 공기와 혼합되어 와류를 형성하게 된다. 그 결과 노즐(64)에서 분사된 기름이 공기와 잘 혼합되어 완전히 연소된다.

다시 도 1을 참고하여 가스 공급장치(40)에 대해서 설명한다. 가스 공급장치(40)는 공기를 화격자(61) 아래로 공급하는 역할을 한다.

가스 공급장치(40)는 연소실의 하부 측면의 가스 공급구(41)와 연결된 가스 공급관(42)을 포함한다.

연결 튜브(30)는 버너(60)에서 발생한 화염이 열교환기(20)에 전달되도록 연소실(10)의 출구와 열교환기(20)의 입구를 연결하는 역할을 한다.

연결 튜브(30)는 제1 튜브(31)와 제1 튜브(31)의 내부에 배치되는 제2 튜브(32)를 포함한다. 제1 튜브(31)는 금속 튜브일 수 있으며, 제2 튜브(32)는 내화물 튜브일 수 있다.

또한, 가스 공급장치(40)는 웨터(wetter, 70)를 더 포함할 수 있다. 웨터(70)는 가스 공급장치(40)를 통해서 공급되는 가스에 수증기를 공급하는 역할을 한다. 가스로는 주로 공기가 사용된다. 웨터(70)는 물을 일정한 온도로 유지시키는 항온조이다. 웨터(70)로 공급된 공기가 물을 통과한 후에 배출되도록 구성된다. 예를 들어, 웨터(70)는 웨터(70)의 하부에 형성된 입구를 통해서 공급된 공기가 거품을 일으키며 물을 통과한 후 웨터(70)의 상부에 형성된 출구를 통해서 배출되도록 구성될 수 있다. 이때, 웨터(70)에 저장된 물의 온도가 높을수록 웨터(70)를 통과한 공기의 수증기량이 증가한다. 공기에 포함된 수증기는 그을음이나 재의 연소를 촉진시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 화염의 온도를 낮추어 NOx의 발생량을 줄일 수 있다는 장점도 있다. 또한, 재의 연소가 촉진되고, 화염 온도가 낮아지므로, 재가 용해되어 덩어리가 되는 클린커(clinker) 현상도 방지할 수 있다.

웨터(70)를 통과한 공기가 통과하는 가스 공급관(42)은 적어도 웨터(70)에 저장된 물의 온도에 비해서 높게 유지되어야 한다. 가스 공급관(42) 내에서 수증기가 응축되어 공기 내의 수증기 함량이 줄어드는 것을 방지하기 위함이다. 따라서 필요한 경우에는 가스 공급관(42)에 히터를 설치하여 가스 공급관(42)의 온도를 수증기를 포함한 공기의 이슬점 이상의 온도로 유지할 수 있다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 연소실 11: 내화물 벽
20: 열교환기 30: 연결튜브
31: 제1 튜브 32: 제2 튜브
40: 가스 공급장치 41: 가스 공급구
42: 가스 공급관 60: 버너
61: 화격자 62: 연료 공급관
63: 착화용 화염 안내관 64: 노즐
65: 점화플러그 66: 확산판
69: 연료 공급구 70: 연료 이송스크루
71: 압입 송풍기 80: 웨터

Claims

화염이 유입되는 입구를 구비한 열교환기와,
화염이 배출되는 출구를 구비한 연소실과,
상기 연소실의 내부에 설치되어 고체 연료를 지지하는 화격자와, 상기 화격자의 아래로 가스를 공급하는 가스 공급장치를 포함하며, 고체 연료를 가스와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실의 출구를 통해서 상기 열교환기로 방사하는 버너와,
상기 버너에서 발생한 화염이 상기 열교환기에 전달되도록 상기 연소실의 출구와 상기 열교환기의 입구를 연결하는 연결 튜브를 포함하며,
상기 가스 공급장치는 가스에 수증기를 공급하도록 구성된 웨터(wetter)를 더 포함하며, 가스는 웨터를 통과한 후에 상기 연소실로 유입되는 고체 연료 연소 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 버너는,
개방된 일단이 고체 연료를 향하도록 배치되는 착화용 화염 안내관과,
상기 착화용 화염 안내관의 내부에 설치되어 고체 연료 방향으로 착화용 연료를 방사하는 노즐과,
상기 노즐에서 분사된 착화용 연료를 점화하는 점화플러그와,
상기 노즐의 하류 측 상기 착화용 화염 안내관 내부에 설치되며, 상기 노즐과 마주보는 바닥 벽과 상기 바닥 벽으로부터 상기 노즐과 멀어지는 방향으로 경사지게 연장된 측벽을 포함하며, 상기 바닥 벽에는 상기 노즐에서 분사된 착화용 연료가 통과하는 관통구멍과 공기의 흐름을 유도하는 안내 날개가 형성되며, 상기 측벽에는 복수의 관통 슬릿이 형성된 확산판을 포함하는 고체 연료 연소 시스템.
제3항에 있어서,
상기 관통 슬릿은 쐐기 형태인 고체 연료 연소 시스템.
제3항에 있어서,
상기 확산판의 끝단에는 사각형 관통 구멍이 형성된 고체 연료 연소 시스템.