KR101944031B1 - 복사열을 이용한 연소 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복사열을 이용한 연소 장치 및 방법에 관한 것으로서, 고체 연료를 공급받는 연소 타워, 고체 연료가 위치되는 제 1 공간 및 잔재물이 위치되는 제 2 공간으로 구획하고 상면 방향에서 연료의 연소가 이루어지는 연소판, 복사 열을 발산하는 가열부, 공기를 공급하는 공기 주입부, 연결관을 통해 서로 연결되어 연소 가스를 전달받고 상면에 연소 가스를 외부로 배출시키는 배출 타워 및 연소 가스에 포함되는 열 에너지와 열 교환을 수행하는 열교환부를 포함하는 연소 장칭와 가열부에서 제 1 복사 열을 발산하는 단계, 제 1 복사 열로 인해 고체 연료가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함한 연소 가스가 생성되는 단계, 탄소화 된 고체 연료가 제 1 복사 열로 인해 표면 연소되어 제 2 복사 열을 발산하는 단계, 제 2 복사 열로 인해 고체 연료가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스가 생성되는 단계를 포함하되, 제 2 복사 열이 800℃ 내지 1,000℃의 온도인 경우 가열부는 작동을 중지하고, 제 2 복사 열을 통해 고체 연료가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스가 생성되는 단계 및 탄소화 된 고체 연료가 제 2 복사 열로 인해 표면 연소되어 다시 제 2 복사 열을 발산하는 단계를 반복적으로 수행하는 복사열을 이용한 연소 방법을 제공한다.

Description

복사열을 이용한 연소 장치 및 방법{COMBUSTION DEVICE USING RADIANT HEAT AND COMBUSTION METHOD USING RADIANT HEAT}

본 발명은 연소 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는 복사열을 이용한 연소 장치 및 방법에 관한 것이다.

연소는 연료가 공기 속의 산소와 반응하여 빛과 열 에너지를 발산하며 타는 현상을 일컫는다. 연료가 연소하려면 산소, 연료 및 연료에 불이 붙을 수 있는 소정의 온도가 필요하다. 이 중 하나의 구성이라도 배제되는 경우 연소가 발생하지 않는다. 연소에는 완전 연소와 불완전 연소가 있다. 완전 연소는 석유 또는 숯과 같이 탈 수 있는 물질이 산소가 충분히 공급되는 상태에서 빛과 열 에너지를 발산하며 타는 것을 일컫는다. 완전 연소의 경우 물질은 연소 후 모두 이산화탄소 및 물로 변화된다. 불완전 연소의 경우 물질이 연소될 때 산소가 모자라거나 온도가 낮아 완전히 타지 않는 현상을 일컫는다. 따라서, 불완전 연소의 경우 완전 연소에 비해 열 에너지가 적게 발산된다. 또한, 탄소를 포함하고 있는 물질이 불완전 연소가 되는 경우 연기가 다량으로 발생하며 인체에 유해한 일산화탄소가 발생하고 연기의 주 성분은 타지 않은 탄소 알갱이(그을음)이다.

연소는 발화되는 대상 물질의 형태에 따라 기체 연소, 액체 연소 및 고체 연소로 나누어질 수 있다. 기체가 발화할 때에는 산소와 잘 섞이며 발화 온도까지 쉽게 도달한다. 알코올, 아세톤 또는 석유와 같은 액체 연료는 일반적으로 발화되기 쉬운 화학적 성질을 갖는다. 다만, 액체 연료는 액체 상태로 발화되지 않고 열을 가함으로써 액체에서 기체로 변화된 후, 변화된 기체가 발화된다. 고체 연료는 양초와 같이 고체가 기화되면서 기화된 기체가 발화되는 증발 연소와 열 에너지를 받아 고체가 열 분해된 다음 분해 연소가스가 생성되어 생성된 가스가 타는 분해 연소와 표면 연소가 있다. 표면 연소를 설명하자면, 코크스 또는 숯 등과 같이 대부분 탄소 성분으로 이루어진 고체는 탄소의 융점이 3770 ℃ 이상이기 때문에 보통의 연소 온도로는 융해, 승화하는 일이 없을 뿐만 아니라, 열 분해에 의해 타는 형태가 없이 오직 산소가 고체 표면이나 그 내부에 존재하는 기공에 확산되어 표면 반응을 일으켜 고체 자체가 타는 것이므로 탈 때에는 불꽃 등이 발생하지 않고 표면이 빨갛게 달아올라 타오른다.

연료가 발화되는 온도까지 도달되기 위해서는 열 전달이 용이해야 한다. 열 전달에는 세 가지 형태가 있다. 고체 또는 정지해 있는 액체에서의 전도에 의한 열 전달과, 움직이는 상태에 있는 액체나 기체에서의 유체의 흐름에 의한 전도 및 대류에 의한 열 전달 및 복사에 의한 열 전달 등이 있는데, 복사에 의한 열 전달의 경우 물질의 매개물 개입이 없이 발생하는 특징이 있다.

물체의 표면온도와 이에 접하는 기체, 액체 및 양자와 같은 유체의 평균 온도가 서로 다를 때, 물체와 유체 사이에 열의 흐름이 발생되어 열 전달이 일어난다. 보통 열 전달이라 함은 고체벽과 유체간을 대류와 전도가 공존하는 대류열 전달과 열방사에 의한 방사열 전달을 통틀어 말한다. 이 중, 대류열 전달은 펌프나 송풍기 등을 통해 강제적으로 유체를 고체벽 위에 공급했을 때의 강제 대류열 전달과 유체속에 온도차가 존재할 때, 밀도차가 발생해 중력의 작용으로 유체가 운동함으로써 발생하는 자연 대류열 전달과, 고온의 물체가 저온 물체 방향으로 공간을 통해 직접적으로 열 이동하는 복사열 전달이 있다. 선행문헌1 대한민국 등록특허 제10-0522354호 및 선행문헌2 대한민국 등록특허 제10-1521855호는 종래의 스토커 연소 방법을 사용한 발명으로서, 상세하게, 대류열 전달 방법으로 연료에 불이 옮겨 붙도록 발화 가능한 온도를 갖는 공기를 연료로 공급하는 구성을 갖는다. 선행문헌3 대한민국 등록특허 제10-0870758호 및 선행문헌4 대한민국 등록특허 제10-1273312호는 종래의 유동층 연소 방법을 사용한 발명으로서, 상세하게, 불이 옮겨 붙을 수 있는 공기로 연료를 공급하는 구성을 갖는다.

선행문헌1: 대한민국 등록특허 제10-0522354호(등록일자:2005.10.11.) 선행문헌2: 대한민국 등록특허 제10-1521855호(등록일자:2015.05.14.) 선행문헌3: 대한민국 등록특허 제10-0870758호(등록일자:2008.11.20.) 선행문헌4: 대한민국 등록특허 제10-1273312호(등록일자:2013.06.04.)

본 발명의 기술적 과제는 별도의 매개체 없이 고온 물체에서 저온 물체로 직접 열 이동을 수행하는 복사열 방식의 연소 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는 복사열 방식을 통해 고체 연료를 연소시키는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는 연료를 완전 연소시키는 복사열 방식의 연소 장치 및 연소 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는 대류열을 하향식으로 전달되도록 하고 복사열을 상향식으로 전달되도록 함으로써 연속적인 완전 연소가 이루어지도록 하는 연소 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

더 나아가, 연소 가스에 포함된 열 에너지를 이용해 열 교환을 수행하는 연소 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 내부에 소정의 공간이 형성되고 상면이 개구되어 고체 연료를 공급받는 연소 타워, 소정의 공간을 상측 방향의 고체 연료가 위치되는 제 1 공간 및 하측 방향의 잔재물이 위치되는 제 2 공간으로 구획하되 제 1 공간과 제 2 공간을 연결하는 복수의 타공이 형성되며 상면 방향에서 고체 연료의 연소가 이루어지는 연소판, 제 2 공간의 측벽에 설치되어 복사 열을 발산하는 가열부, 제 1 공간의 측벽에 설치되어 연소판의 상면에 공기를 공급하는 공기 주입부, 제 2 공간의 하측 방향의 측면에서 설치된 연결관을 통해 연결되어 연소 가스를 전달받고 상면에 연소 가스를 외부로 배출시키는 배출부가 형성되는 배출 타워 및 배출 타워에 구비되어 연소 가스에 포함되는 열 에너지를 이용해 열 교환을 수행하는 열교환부를 포함하는 연소 장치와 가열부에서 800℃ 내지 1,000℃의 온도의 제 1 복사 열을 발산하는 단계, 제 1 복사 열로 인해 고체 연료가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함한 연소 가스가 생성되는 단계, 탄소화 된 고체 연료가 연소판 상면에 위치되는 단계, 탄소화 된 고체 연료가 제 1 복사 열로 인해 표면 연소되어 제 2 복사 열을 발산하는 단계, 제 2 복사 열로 인해 고체 연료가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스가 생성되는 단계를 포함하는 연소 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 복사열을 통해 연료를 연소시키기 때문에 연소 효율이 뛰어나다.

또한, 본 발명에 따르면 연료의 종류 및 연료의 발열량에 관계없이 복사열을 통해 연료를 완전 연소 시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 초기 단계 이후 자체적인 표면 연소를 통해 연소가 반복 수행되기 때문에 운용 비용을 절약할 수 있다.

더 나아가, 연료가 완전 연소되기 때문에 잔재물이 거의 남지 않고, 남은 잔재물은 부피가 거의 없기 때문에 유지, 보수 및 관리가 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치의 가열부가 제 1 복사 열을 발산하는 것을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치의 탄소화 된 연료가 제 2 복사 열을 발산하는 것을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치의 타공을 통해 잔재물이 제 2 공간으로 이동되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치의 배출 타워에서 연소 가스가 열 교환되는 것을 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기 앞서 기재된 연소의 종류 및 특징을 설명하자면, 연료를 완전 연소시키기 위해서는 증발 연소, 분해 연소 및 표면 연소가 이용된다. 고체 연료의 특성에 따라 기화되어 연소되는 증발 연소와, 연료의 수분이 먼저 증발된 후 열 분해되어 고체가 분해 생성 가스로 변화되고 가스가 기화되는 증발 연소가 있다. 또한, 증발 연소와 분해 연소로 타고 남은 탄소만이 타는 표면 연소가 있다. 여기서, 분해 연소 및 증발 연소는 연소 가스 생성과 더불어 대류열을 타고 열 에너지가 이동되지만, 표면 연소의 경우 주로 공간을 매개로 열 에너지가 직접 이동되는 복사 열을 발산한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치는 연료(F1)를 공급받고 연소시키는 연소 타워(100), 연소 타워(100)에 구비되어 상면에서 연료(F1)가 연소되는 연소판(200), 복사열(R1)을 발산하는 가열부(300), 연소판(200)으로 공기(a)를 공급하는 공기 공급부(400), 연소 가스(S)를 회수해 배출시키는 배출 타워(500) 및 연소 가스(S)에 포함된 열 에너지를 이용해 열 교환을 수행하는 열교환부(600)를 포함할 수 있다.

연소 타워(100)는 기둥 형상으로 구비되고 내부에 소정의 공간이 형성될 수 있다. 연소 타워(100)는 상면이 개구되거나 소정의 투입구가 구비되어 상면 방향으로 연료(F1)를 공급받을 수 있다. 연소 타워(100)는 내벽(101)과 외벽(102)으로 구성될 수 있다. 상세하게, 연소 타워(100)는 내부에서 일어나는 연소 작용에 대응하여 내벽(101)은 내열재질로 형성될 수 있고, 외부는 단열재질로 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 연소 타워(100)의 내벽(101)은 내열 벽돌로 형성될 수 있고, 연소 타워(100)의 외벽(102)은 단열 벽돌로 형성될 수 있다. 여기서 내열재질 또는 내열 벽돌은 열 내화성이 뛰어난 재질일 수 있다. 또한, 단열재질 또는 단열 벽돌은 열 에너지를 응집시키도록 열 에너지의 이동을 차단하는 재질일 수 있다. 한편, 연소 타워(100)는 상면으로 연료(F1)를 공급받는데, 연료(F1)는 항시 채워져 있는 것이 바람직하다. 연소 타워(100)는 후술되는 연소판(200)에 의해 내부의 소정의 공간이 상측 방향의 제 1 공간(110) 및 하측 방향의 제 2 공간(120)으로 구획될 수 있다. 구체적으로, 연소 타워(100)는 연소 타워(100)의 내부를 횡단하는 연소판(200)에 의해 내부의 소정의 공간이 연소판(200)을 기준으로 상측 방향의 연료(F1)가 위치되는 제 1 공간(110)과, 하측 방향의 잔재물(v)이 위치되는 제 2 공간(120)으로 구획될 수 있다.

여기서, 연료(F1)는 표면 연소가 가능한 재질일 수 있다. 상세하게, 연료(F1)는 고체 연료(F1)일 수 있다. 보다 상세하게, 연료(F1)는 산업 또는 일반 폐기물 등 일 수 있다. 또한, 연료(F1)는 연소 타워(100)에 투입되기 전에 미리 파쇄되어 미리 지정된 크기를 갖는 연료(F1)일 수 있다. 또한, 연료(F1)와 함께 단열재 재질의 첨가물과 혼합되어 투입될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 연료(F1)는 미리 파쇄 및 선별되고 첨가물이 혼합되어 연소 타워(100)로 투입된다. 구체적으로, 고체 연료(F1)는 사용자에 의해 미리 지정된 소정의 크기로 고체 연료(F1)를 분쇄되고, 소정의 크기로 분쇄되지 않거나, 연소에 적합하지 않은 재질을 제거하는 선별 과정을 수행될 수 있다. 또한, 분쇄 및 선별된 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합한 뒤, 연소 타워에 분쇄 및 선별되고 단열재 재질의 첨가물이 첨가된 고체 연료(F1)가 투입될 수 있다. 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물이 혼합되는 경우 복사 열(R1, R2)이 연소 타워(100)의 상면 방향으로 이동되어 열 에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 상세하게, 연소 타워(100)의 제 1 공간(110)에 단열채 재질의 첨가물이 혼합된 고체 연료(F1)가 포함된 경우 복사 열(R1, R2)이 제 1 공간(110)에 위치되고 연소되지 않은 고체 연료(F1)를 따라 이동되며 열 에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 보다 상세하게, 열 복사는 공간을 매개로 높은 온도에서 낮은 온도로 열 에너지가 직접 이동하는데, 연소판(200)의 상면에서 표면 연소되는 연료(F2)로 인해 발생하는 복사 열(F2)이 아직 연소되지 않은 연료(F1)를 타고 연소 타워(100)의 상면 방향으로 이동되는 것을 방지함으로써 열 에너지의 손실을 방지할 수 있다. 즉, 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합하는 경우 연소판(200) 상면에서 유지되는 800℃ 내지 1,000℃의 온도를 유지하기 용이해진다. 따라서, 연소 타워(100)에 연료(F1)가 투입되는 경우 연소판(200) 상면의 연료(F1)는 보다 상측에 위치되어 촘촘히 쌓여있는 연료(F1)로 인해 상측 방향이 밀폐된다.

연소판(200)은 연소 타워(100)의 소정의 공간에 위치된다. 연소판(200)은 판 형상으로 구비되어 연소 타워(100)의 소정의 공간에 위치된다. 연소판(200)은 연소 타워(100)의 소정의 공간을 횡단함으로써 연소 타워(100)의 소정의 공간을 상 하로 구획한다. 연소판(200)은 소정의 공간을 상측 방향의 고체 연료(F1)가 위치되는 제 1 공간(110)과 하측 방향의 잔재물(v)이 위치되는 제 2 공간(120)으로 구획한다. 연소판(200)의 상면 또는 상면 방향에서 연료(F1)가 연소된다. 따라서, 연소판(200)의 상면에서 연소되어 발생하는 연료(F1)의 잔재물(v) 및 연소 가스(S)가 하방으로 이동될 수 있도록 타공(201)이 형성될 수 있다. 연소판(200)에 형성되는 타공(201)은 복수개로 형성하는 것이 바람직하다. 연소판(200)의 복수의 타공(201)을 통해 제 1 공간(110)과 제 2 공간(120)을 연결된다.

추가적인 일례로, 연소판(200)은 하나 이상의 유도 굴곡(210)이 형성될 수 있다. 상세하게, 연소판(200)은 단면이 호 형상으로 하방 돌출된 형상의 유도 굴곡(210)이 하나 이상 형성될 수 있다. 이때, 복수의 타공(201)은 유도 굴곡(210)의 중심에 형성될 수 있다. 상세하게, 복수의 타공(201)은 유도 굴곡(210)의 중심에 유도 굴곡(210)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 복수의 타공(201)은 유도 굴곡(210)이 갖는 돌출된 호 형상에서 호의 중점 부분에 형성될 수 있다. 한편, 증발 및 분해 연소되어 탄소화 된 연료(F2)가 연소판(200) 상면에 위치된다. 상세하게, 후술하는 가열부(300)로 인해 증발 및 분해 연소되어 탄소화 되는 연료(F2)는 연소판(200)의 유도 굴곡(210) 내에 위치된다. 유도 굴곡(210) 내에 위치된 탄소화 된 연료(F2)는 표면 연소 후 잔재물(v)로 변화된다. 잔재물(v)은 유도 굴곡(210)에 형성된 복수의 타공(201)을 통해 제 2 공간(120)으로 이동되어 제 2 공간(120)의 저면 방향에 쌓이게 된다. 추가적으로, 연소 타워(100)는 제 2 공간(120)에 위치되는 잔재물(v)을 수거할 수 있도록 제 2 공간(120)의 측면에 도어부(105)가 추가로 형성될 수 있다.

가열부(300)는 복사 열(R1)을 발산하는 구성으로서 연소 타워(100)에 구비될 수 있다. 상세하게, 가열부(300)는 연소 타워(100)의 제 2 공간(120)에 구비될 수 있다. 보다 상세하게, 가열부(300)는 제 2 공간(120)의 측벽에 설치될 수 있다. 보다 더 상세하게, 가열부(300)는 제 2 공간(120)의 측벽에 설치되어 제 2 공간(120) 및 연소판(200) 방향으로 복사 열(R1)을 발산할 수 있다. 가열부(300)는 전기, 액체, 연료 및 고체 연료를 매개로 가열되어 복사 열(R1)을 발산하는 다양한 가열 장치가 구비될 수 있다.본 발명에서는 음극 및 양극이 구비되어 외부 전력과 연결됨으로써 복사 열(R1)을 발산하는 가열 코일인 것을 일례로 설명하지만 가열 코일로 한정하는 것은 아니다. 가열부(300)가 복사 열(R1)을 발산하는 경우 연소판(200) 상면에 위치되는 연료(F1)가 증발 연소 및 분해 연소된다. 가열부(300)로 인해 증발 및 분해 연소되는 연료(F1)는 열 에너지를 포함하는 연소 가스(S)를 발산하고, 연료(F1)는 탄소화되어 연소판(200) 상면에 위치된다. 가열부(300)는 800℃ 내지 1,000℃의 복사 열(R1)을 발산한다. 구체적으로, 가열부(300)는 연소판(200) 상면의 연료(F1)에 800℃ 내지 1,000℃의 열이 가해지도록 복사 열(R1)을 발산시킨다. 보다 구체적으로, 연료(F1)의 연소 온도는 다이옥신 및 질소산화물이 생성되지 않는 800℃ 이상의 온도이되, 유해 가스(S)가 1,000℃ 이상의 온도의 연소 과정에서 발생하는 것을 감안하여 800℃ 내지 1,000℃의 온도로 연소되는 것이 가장 바람직하다. 가열부(300)가 발산하는 복사 열(R1)은 연소판(200) 상면에 800℃ 내지 1,000℃의 온도를 가하는 것이 목적이다. 또한, 후술하는 탄소화 된 연료(F2)가 발산하는 복사 열(R2)로 800℃ 내지 1,000℃의 온도가 연료(F1)에 전달되기 위해 광양자설 중 슈테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)을 이용하여 가열부(300)가 발산하는 열 에너지, 공기 공급부(400)의 공기(a) 공급 량 및 환풍기(551)나 배출부(550)의 연소 가스(S) 배출량을 가감할 수 있다. 슈테판-볼츠만 법칙은 흑체가 내는 빛의 총 복사 열(복사선 밀도)는 절대 온도(T)의 네 제곱에 비례한다는 법칙이다. 슈테판-볼츠만 법인은 다음 수학식1과 같다. 다음 수학식1에서의 시그마(σ)는 슈테판-볼츠만 상수이고, E는 물체의 단위표면에서 방출되는 복사량이고 T는 절대온도이다.

[수학식 1]

E= σT⁴

공기 공급부(400)는 연소 타워(100)에 구비되어 외부로부터 연료(F1)가 연소되는데 필요한 공기(a)를 공급한다. 상세하게, 공기 공급부(400)는 연소 타워(100)의 측면에 구비되어 연소판(200) 상면으로 공기(a)를 공급할 수 있다. 보다 상세하게, 공기 공급부(400)는 제 1 공간(110)의 측벽에 설치되어 연소판(200) 상면으로 공기(a)를 공급할 수 있다. 여기서, 공기(a)는 산소일 수 있다. 공기 공급부(400)는 지속적으로 공기(a)를 공급하되, 연소판(200) 상면 방향의 온도가 800℃ 내지 1,000℃가 유지되도록 공기(a) 공급량을 가감할 수 있다.

배출 타워(500)는 연소 타워(100)와 연결되어 연료(F1) 연소 시 발생하는 연소 가스(S)를 회수해 배출시킨다. 배출 타워(500)는 연소 타워(100)와 하측 방향에서 서로 연결될 수 있다. 상세하게, 배출 타워(500)는 연소 타워(100)의 제 2 공간(120)을 통해 연결될 수 있다. 보다 상세하게, 배출 타워(500)는 연소 타워(100)의 제 2 공간(120)의 하측 방향의 측면에서 설치된 연결관(510)을 통해 서로 연결될 수 있다. 보다 더 상세하게, 배출 타워(500)는 제 2 공간(120) 하측 방향의 측면에 설치된 연결관(510)을 통해 서로 연결되어 연소판(200)의 상면으로부터 연소 가스(S)를 전달받는다. 보다 더 상세하게, 배출 타워(500)는 연소판(200) 상면에서 연료(F1) 연소로 인해 발생하는 연소 가스(S)를 연결관(510)을 통해 전달받는다. 배출 타워(500)는 하측 방향의 연결관(510)으로부터 연소 가스(S)를 전달받고, 상면에 배출부(550)가 형성되어 연결관(510)으로부터 전달받은 연소 가스(S)를 배출부(550)로 배출할 수 있다. 추가적인 일례로, 배출부(550)에는 배출되는 연소 가스(S)의 량을 제어할 수 있는 장치가 구비될 수 있다. 구체적으로, 배출부(550)에는 배출되는 연소 가스(S)의 량을 제어할 수 있는 송풍기가 구비될 수 있다. 송풍기는 연소판(200)의 상면의 연소 온도가 800℃ 내지 1,000℃가 되도록 연소 가스(S)의 배출량을 제어할 수 있다.

열교환부(600)는 배출 타워(500)에 구비될 수 있다. 배출 타워(500)는 연결관(510)으로부터 전달받은 연소 가스(S)를 상면에 형성된 배출부(550) 방향으로 이동시킨 뒤 배출부(550)로 배출하는데, 배출되는 과정에서 연소 가스(S)와 열 교환을 수행할 수 있는 열교환부(600)가 배출 타워(500)에 구비될 수 있다. 상세하게, 열교환부(600)는 배출 타워(500)의 내부에 구비될 수 있다. 보다 상세하게, 열교환부(600)는 배출 타워(500)의 내부에 구비되고, 열교환부(600)로 연소 가스(S)가 지나갈 수 있다. 보다 더 상세하게, 연소 가스(S)에는 연소로 인해 발생한 열 에너지가 포함되어 있는데, 연소 가스(S)에 포함되어 이동되는 열 에너지를 열교환부(600)에서 열 교환을 수행함으로써 열 에너지를 회수할 수 있다. 즉, 연소 가스(S)는 제 2 공간(120)에서 연결관(510)을 통해 배출 타워(500)로 이동되고 배출 타워(500)에서 배출부(550) 방향으로 이동하는 중간에 열 에너지는 열교환부(600)에서 열 교환을 수행한 뒤 배출부(550)로 배출된다. 여기서 열교환부(600)는 일반적인 종래의 다양한 열 교환 장치일 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치는 상기한 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 장치에 온도 감지 센서(700)가 더 구비될 수 있다. 상세하게, 온도 감지 센서(700)는 연소 타워(100)에 구비될 수 있다. 온도 감지 센서(700)는 제 2 공간(120)에 구비되어 연소판(200)의 온도를 감지할 수 있다. 보다 상세하게, 온도 감지 센서(700)는 연소판(200)의 상면의 온도를 감지할 수 있다. 추가적인 제 1 일례로, 온도 감지 센서(700)는 공기 공급부(400)와 연결되어 감지된 온도에 따라 공기(a)의 공급 량을 제어할 수 있다. 이를 위해 온도 감지 센서(700)는 제어부가 더 구비될 수 있다. 다른 제 2 일례로, 온도 감지 센서(700)는 배출부(550) 또는 환풍기(551)와 연결되어 감지된 온도에 따라 배출되는 연소 가스(S)의 량을 제어할 수 있다. 이때, 이를 위해 온도 감지 센서(700)는 제어부가 더 구비 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 방법은 상기한 연소 장치를 사용할 수 있다. 상세하게, 복사열을 이용한 연소 방법은 가열부(300)에서 800℃ 내지 1,000℃의 온도의 제 1 복사 열(R1)을 발산하는 단계, 제 1 복사 열(R1)로 인해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함한 연소 가스(S)가 생성되는 단계, 탄소화 된 고체 연료(F2)가 연소판(200) 상면에 위치되는 단계, 탄소화 된 고체 연료(F2)가 제 1 복사 열(R1)로 인해 표면 연소되어 제 2 복사 열(R2)을 발산하는 단계, 제 2 복사 열(R2)로 인해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스(S)가 생성되는 단계를 포함할 수 있다. 한편, 가열부(300)에서 800℃ 내지 1,000℃의 온도의 제 1 복사 열(R1)을 발산하는 단계 이전에 고체 연료(F1)는 미리 지정된 소정의 크기로 분쇄 및 선별되고, 단열재 재질의 첨가물이 혼합된 고체 연료(F1)일 수 있다.

가열부(300)에서 800℃ 내지 1,000℃의 온도의 제 1 복사 열(R1)을 발산하는 단계는 가열부(300)를 가동시켜 연소판(200) 상면에 800℃ 내지 1,000℃의 열 에너지가 가해지도록 가열부(300)를 작동시키는 단계이다. 여기서 가열부(300)가 발산하는 복사 열(R1)은 후술하는 다른 주체가 발산하는 복사 열과 비교를 위해 제 1 복사 열(R1)로 정의한다.

제 1 복사 열(R1)로 인해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함한 연소 가스(S)가 생성되는 단계는 가열부(300)에서 발산된 제 1 복사 열(R1)로 인해 고체 연료(F1)가 증발 연소 및 분해 연소되는 과정이다. 제 1 복사 열(R1)로 인해 고체 연료(F1)는 증발 및 분해 연소과정을 거쳐 연소 가스(S)를 발생시키고 고체 연료(F1) 자체는 탄소화 된다.

그 다음, 탄소화 된 고체 연료(F2)가 연소판(200) 상면에 위치되는 단계와 같이, 탄소화 된 고체 연료(F2)는 연소판(200) 상면에 위치된다. 구체적으로, 탄소화 된 고체 연료(F2)는 연소판(200) 상면의 유도 굴곡(210) 내에 위치하게 된다.

그 다음, 탄소화 된 고체 연료(F2)가 제 1 복사 열(R1)로 인해 표면 연소되어 제 2 복사 열(R2)을 발산하는 단계는 탄소화 되어 연소판(200) 상면에 위치된 연료(F1)가 가열부(300)의 제 1 복상 열로 인해 다시 표면 연소를 수행하는 과정으로서, 탄소화 된 연료(F2)는 제 1 복사 열(R1)로 인해 표면 연소되고, 표면 연소 시 제 2 복사 열(R2)을 발산하게 되며, 표면 연소된 연료(F1)는 대부분 소멸하거나 잔재물(v)이 되어 타공(201)을 통해 제 2 공간(120)으로 이동된다.

그 다음, 제 2 복사 열(R2)로 인해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스(S)가 생성되는 단계는 고체 연료(F1)를 다시 증발 및 분해 연소 시키되, 가열부(300)의 제 1 복사 열(R1)이 아닌 탄소화 된 연료(F2)가 표면 연소되면서 발산한 제 2 복사 열(R2)로 증발 및 분해 연소된다.

한편, 가열부(300)에서 800℃ 내지 1,000℃의 온도의 제 1 복사 열(R1)을 발산하는 단계 이전에 고체 연료(F1)는 미리 지정된 소정의 크기로 분쇄 및 선별되고, 단열재 재질의 첨가물이 혼합된 고체 연료(F1)일 수 고, 이를 위해 고체 연료(F1)를 미리 지정된 소정의 크기로 분쇄 및 선별하는 단계 및 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합하고 연소 타워(100)에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.

고체 연료(F1)를 미리 지정된 소정의 크기로 분쇄 및 선별하는 단계는 사용자에 의해 미리 지정된 소정의 크기로 고체 연료(F1)를 분쇄하고, 소정의 크기로 분쇄되지 않거나, 연소에 적합하지 않은 재질을 제거하는 선별 과정을 수행하는 단계이다. 미리 지정된 소정의 크기로 고체 연료(F1)를 분쇄하는 경우 제 1 공간(110)에 고체 연료(F1)가 보다 빽빽이 차오를 수 있어 연소판의 상면에서 상측 방향으로의 밀폐가 보다 용이해진다.

고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합하고 연소 타워(100)에 투입하는 단계는 분쇄 및 선별된 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합한 뒤, 연소 타워에 분쇄 및 선별되고 단열재 재질의 첨가물이 첨가된 고체 연료(F1)를 투입하는 단계이다. 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물이 혼합되는 경우 복사 열(R1, R2)이 연소 타워(100)의 상면 방향으로 이동되어 열 에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 상세하게, 연소 타워(100)의 제 1 공간(110)에 단열채 재질의 첨가물이 혼합된 고체 연료(F1)가 포함된 경우 복사 열(R1, R2)이 제 1 공간(110)에 위치되고 연소되지 않은 고체 연료(F1)를 따라 이동되며 열 에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 보다 상세하게, 열 복사는 공간을 매개로 높은 온도에서 낮은 온도로 열 에너지가 직접 이동하는데, 연소판(200)의 상면에서 표면 연소되는 연료(F2)로 인해 발생하는 복사 열(F2)이 아직 연소되지 않은 연료(F1)를 타고 연소 타워(100)의 상면 방향으로 이동되는 것을 방지함으로써 열 에너지의 손실을 방지할 수 있다. 즉, 고체 연료(F1)에 단열재 재질의 첨가물을 혼합하는 경우 연소판(200) 상면에서 유지되는 800℃ 내지 1,000℃의 온도를 유지하기 용이해진다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 방법은 한 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 방법에서 특정 조건을 만족한 경우 수행되는 단계이다. 상세하게, 제 2 복사 열(R2)이 800℃ 내지 1,000℃의 온도인 경우 가열부(300)는 작동을 중지하고, 제 2 복사 열(R2)을 통해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스(S)가 생성되는 단계 및 탄소화 된 고체 연료(F2)가 제 2 복사 열(R2)로 인해 표면 연소되어 다시 제 2 복사 열(R2)을 발산하는 단계를 반복 수행 함으로써 제 2 복사 열(R2) 만으로 증방 및 분해 연소와 표면 연소가 수행될 수 있다.

탄소화 된 연료(F2)가 표면 연소로 인해 발산하는 제 2 복사 열(R2)이 800℃ 내지 1,000℃의 온도인 경우 가열부(300)는 작동을 중지한다. 상세하게, 제 2 복사 열(R2)이 800℃ 내지 1,000℃의 온도로 발산되는 경우 가열부(300)의 제 2 복사 열(R2)만으로 연료(F1)가 증발 및 분해 연소가 가능하기 때문에 제 1 복사 열(R1)을 발산하는 가열부(300)는 작동이 중지된다.

따라서, 제 2 복사 열(R2)을 통해 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되어 탄소화되고 열 에너지를 포함하는 연소 가스(S)가 생성되는 단계와 탄소화 된 고체 연료(F2)가 제 2 복사 열(R2)로 인해 표면 연소되어 다시 제 2 복사 열(R2)을 발산하는 단계를 반복 수행 함으로써 제 2 복사 열(R2) 만으로 증방 및 분해 연소와 표면 연소가 수행된다.

한편, 상기한 일 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 방법 및 제 1 실시예에 따른 복사열을 이용한 연소 방법 중 배출된 연소가스(S)를 처리하는 과정이 더 구비될 수 있다. 즉, 연소 가스(S)가 배출 타워(500)로 이동되어 열 교환을 수행하는 단계가 더 포함될 수 있다. 구체적으로, 고체 연료(F1)가 증발 및 분해 연소 시 발생하는 연소 가스(S)는 연소판(200)의 상측 방향은 미리 채워진 고체 연료(F1)로 인해 밀폐되기 때문에 연결관(510) 방향인 하측 방향으로 이동된다. 즉, 연소 가스(S) 및 대류열은 상측 방향의 촘촘히 채워진 고체 연료(F1)로 인해 이동되지 못하고 연결관(510)의 방향인 하측 방향으로 이동되기 때문에 고체 연료(F1)에 대류열이 전달되지 않는 특징이 있다. 이때, 대류열은 하측 방향으로 이동되기 때문에 연료(F1)로 열 에너지가 전달되지 않지만, 상술한 바와 같이 탄소화 된 연료(F2)가 표면 연소로 인해 발생하는 제 2 복사 열(R2)로 인해 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되기 때문에 반복적으로 연소 과정을 수행할 수 있다. 또한, 대류열이 고체 연료(F1)로 이동되지 않고 하측 방향으로 이동되어 열교환부(600)로 이동되기 ?문에 연소 가스(S)의 열 에너지 손실을 최소화하여 열 교환을 수행하기 때문에 효율적이다. 정리하자면, 제 1 복사 열(R1)로 인해 연료(F1)가 증발 및 분해 연소되고, 증발 및 분해 연소로 인해 생성된 연소 가스(S) 및 열 에너지는 촘촘히 매꾸어진 연료(F1)로 인해 상측 방향이 밀폐되기 때문에 자연스럽게 하측 방향의 배출 타워(500)와 연결된 연결관(510) 방향으로 이동된다. 따라서, 대류열이 지속적으로 연료(F1)를 연소하지 않고 하측 방향으로 이동되기 때문에 연료(F1)가 지속적으로 연소되지 않는다. 다만, 증발 및 분해 연소로 인해 남게된 탄소화 된 연료(F2)가 공기(a)와 접함으로써 표면 연소하게 되고, 표면 연소되는 탄소화 된 연료(F2)는 제 2 복사 열(R2) 만을 방출하기 때문에 대류열과 상관없이 공간을 매개로 이동되는 제 2 복사 열(R2)로 인해 지속적으로 연료(F1)가 연소될 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 연소 타워 101: 내벽
102: 외벽 105: 도어부
110: 제 1 공간 120: 제 2 공간
200: 연소판 201: 타공
210: 유도 굴곡 300: 가열부
400: 공기 공급부 500: 배출 타워
510: 연결관 550: 배출부
551: 환풍기 600: 열교환부
700: 온도 감지 센서
F1: 연료 F2: 탄소화 된 연료
a: 공기 S: 연소 가스
R1: 제 1 복사 열 R2: 제 2 복사 열
v: 잔재물

Claims (12)

1. 내부에 소정의 공간이 형성되고 상면이 개구되어 고체 연료(F1)를 공급받는 연소 타워(100);
   상기 소정의 공간을 상측 방향의 상기 고체 연료(F1)가 위치되는 제 1 공간(110) 및 하측 방향의 잔재물(v)이 위치되는 제 2 공간(120)으로 구획하되 상기 제 1 공간(110)과 상기 제 2 공간(120)을 연결하는 복수의 타공(201)이 형성되며 상면 방향에서 상기 고체 연료(F1)의 연소가 이루어지는 연소판(200);
   상기 제 2 공간(120)에 구비되어 복사 열(R1)을 발산하는 가열부(300);
   상기 제 1 공간(110)의 측벽에 설치되어 상기 연소판(200)의 상면에 공기(a)를 공급하는 공기 공급부(400);
   상기 제 2 공간(120)의 하측 방향의 측면에서 설치된 연결관(510)을 통해 연결되어 연소 가스(S)를 전달받고 상면에 상기 연소 가스(S)를 외부로 배출시키는 배출부(550)가 형성되는 배출 타워(500); 및
   상기 배출 타워(500)에 구비되어 상기 연소 가스(S)에 포함되는 열 에너지를 이용해 열 교환을 수행하는 열교환부(600);를 포함하고,
   상기 연소판(200)은 단면이 호 형상으로 하방 돌출된 형상의 유도 굴곡(210)이 하나 이상 형성되고, 상기 타공(201)은 상기 유도 굴곡(210)의 중심에 유도 굴곡(210)의 길이 방향을 따라 형성되고,
   상기 연소판(200)은 내주면이 상기 고체 연료(F1)를 둘러싸도록 구비됨에 따라, 상기 고체 연료(F1)는 상기 연소판과 면접촉을 이룬 상태로 연소되어 표면 연소 후 잔재물(v)로 변화한 후 상기 타공(201)을 통해 상기 제 2 공간(120)으로 이동하는 것을 특징으로 하는 복사열을 이용한 연소 장치.
   
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