KR102435403B1 - 고체연료용 보일러의 연소장치 - Google Patents

고체연료용 보일러의 연소장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체연료용 보일러의 연소장치에 관한 것이다. 본 발명은 보일러의 연소실 내부를 관통하여 설치되고, 구동원으로부터 동력을 전달받아 회전되는 회전축; 상기 회전축의 외면에서 외측을 향하여 곡면으로 형성되고, 상기 회전축과 함께 회전되면서 고체연료를 이송시키며, 상기 고체연료의 이송경로 중 전반부에 구비되는 연료 이송부재; 상기 회전축과 연료 이송부재를 연결하여 지지하는 지지부재; 상기 연료 이송부재의 외면에 적어도 하나 이상이 구비되어 상기 회전축과 함께 회전되면서 상기 고체연료를 믹싱하는 연료 믹싱돌기; 및 상기 회전축의 외면에서 외측을 나선형 형태로 감싸도록 구비되고, 상기 고체연료의 이송경로 중 후반부에 구비되어 상기 고체연료의 연소시에 발생하는 슬러지 및 재를 배출시키는 재 이송부재를 포함할 수 있다.

Description

고체연료용 보일러의 연소장치{COMBUSTION APPARATUS OF BOILER FOR SOLID FUEL}
본 발명은 고체연료용 보일러의 연소장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우드펠릿과 같은 고체연료를 사용하여 슬러지를 효과적으로 배출시키고 연소효율을 향상시킬 수 있는 고체연료용 보일러의 연소장치에 관한 것이다.
최근 들어 지구 온난화에 따른 기후변화 문제가 인류의 생존에 심각한 위협으로 대두되면서 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고, 기존 화석연료를 대체하기 위한 투자가 급격하게 증가하고 있다. 이에 따라 국가적으로도 녹색기술 사업을 장려하고 이를 위한 지원도 늘어가고 있는 실정이다.
이와 관련하여 기존의 석탄을 이용하는 보일러와는 달리 바이오매스 고체연료를 이용하는 보일러에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 바이오매스란 식물이나 미생물 등을 에너지원으로 이용하는 생물체이며 지구상에서 1년간 생산되는 바이오매스는 석유의 전체 매장량과 맞먹어 적정하게 이용하면 고갈될 염려가 없는 이점이 있다.
이러한 바이오매스 고체연료는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농장 폐기물과 찌꺼기 등의 폐기물에서 추출된 재생 가능한 에너지로 사용된다.
바이오매스 고체연료를 이용하기 위한 현재의 보일러 연소 방식에는 석탄을 연료로 하기 위해 사용되고 있는 컨베이어 벨트나 체인 구동식의 이동화격자 방식, 우드펠릿을 주로 연소시키기 위해 사용되고 있는 버너 타입, 도가니 타입, 접시 타입 등이 있다.
본 출원인은 저품질의 우드펠릿을 연소시킬 때 많이 발생하는 슬러지, 재의 처리를 위해 고체연료용 보일러의 연소장치(등록번호 제10-1026191호)를 출원한 바 있다. 상기 특허에 개시된 연소장치에서는 연료 이송수단(14)이 페달 형태로 형성되고 한 쌍의 지지부(17)에 의해 회전축(12)에 연결되는 구조를 가진다.
하지만, 이와 같이 연료 이송수단(14)이 한 쌍의 지지부(17)에 의해 연결되다 보니 내부로 공급되는 물이 보다 원활하게 순환하지 못하는 문제가 있었다. 물의 순환이 원활하지 못하면 회전축(12)이 고열에 의해 휨 현상이 자주 발생하게 된다. 또한, 지지부(17)의 개수가 많아져 용접 부위가 늘어나다 보니 회전축(12)의 내구성에 좋지 않은 영향을 끼치는 문제도 있었다. 또한, 고체연료의 이송경로의 후반부에 배치된 연료 이송수단(14)이 슬러지 및 재를 원활하게 배출하지 못하는 문제도 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1026191호(2011.03.24)
본 발명은 보일러 내부에서 고체연료의 연소시에 발생하는 슬러지, 재를 효과적으로 배출하면서 고온에서도 잘 견딜 수 있는 내구성을 가진 고체연료용 보일러의 연소장치를 제공하는 것이다.
또한, 고체연료의 이송경로의 후반부에 배치된 재 이송부재의 형상을 나선형으로 하고 연료 믹싱돌기를 구비하지 않도록 함으로써 후반부의 슬러지 및 재를 효과적으로 배출시킬 수 있는 고체연료용 보일러의 연소장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 보일러의 연소실 내부를 관통하여 설치되고, 구동원으로부터 동력을 전달받아 회전되는 회전축; 상기 회전축의 외면에서 외측을 향하여 곡면으로 형성되고, 상기 회전축과 함께 회전되면서 고체연료를 이송시키며, 상기 고체연료의 이송경로 중 전반부에 구비되는 연료 이송부재; 상기 회전축과 연료 이송부재를 연결하여 지지하는 지지부재; 상기 연료 이송부재의 외면에 적어도 하나 이상이 구비되어 상기 회전축과 함께 회전되면서 상기 고체연료를 믹싱하는 연료 믹싱돌기; 및 상기 회전축의 외면에서 외측을 나선형 형태로 감싸도록 구비되고, 상기 고체연료의 이송경로 중 후반부에 구비되어 상기 고체연료의 연소시에 발생하는 슬러지 및 재를 배출시키는 재 이송부재를 포함하고, 상기 회전축, 연료 믹싱부재 및 지지부재는 중공형상으로 형성되어 서로 연통되고, 상기 재 이송부재는 중공형상으로 형성되어 상기 회전축과 연통되며, 연통된 내부를 따라 냉각을 위한 물이 공급되어 순환할 수 있다.
상기 회전축의 내부에는 상기 지지부재의 사이에 위치하도록 차단벽이 설치될 수 있다.
상기 회전축의 내부에는 상기 재 이송부재의 사이에 위치하도록 차단벽이 설치될 수 있다.
상기 회전축의 내부는 상기 회전축보다 직경이 작은 중공부가 형성되어 상기 물은 상기 회전축의 내면과 중공부의 외면 사이에서 순환될 수 있다.
상기 연료 이송부재는 상기 회전축의 외면에서 후방으로 포물선을 그리도록 형성되고, 상기 연료 이송부재의 후단에서 상기 회전축의 외면으로 수직하게 지지부재가 연장될 수 있다.
상기 재 이송부재는 복수개가 상기 회전축의 외면에 구비되는데, 상기 재 이송부재는 일정한 피치를 가지는 나선형 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고체연료를 고르게 펴주고 뒤집어 줄 수 있어 고체연료의 이송이 활발해지므로 보일러의 연소효율이 향상될 수 있다.
또한, 회전축의 내부로 공급되는 물의 순환이 원활한 구조로 만들어져 회전축이 고열에 의해 휘는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고체연료의 이송경로의 후반부에 배치된 재 이송부재의 형상을 나선형으로 하고 연료 믹싱돌기를 구비하지 않도록 함으로써 후반부의 슬러지 및 재를 효과적으로 배출시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치에 공급된 물의 유로를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치의 전반부를 보인 종단면도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 고체연료용 보일러의 연소장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치에 공급된 물의 유로를 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치의 전반부를 보인 종단면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 고체연료용 보일러의 연소장치는 보일러의 연소실(6) 내부를 관통하여 설치되고, 구동원(2)으로부터 동력을 전달받아 회전되는 회전축(12); 상기 회전축(12)의 외면에서 외측을 향하여 곡면으로 형성되고, 상기 회전축(12)과 함께 회전되면서 고체연료를 이송시키며, 상기 고체연료의 이송경로 중 전반부에 구비되는 연료 이송부재(14); 상기 회전축(12)과 연료 이송부재(14)를 연결하여 지지하는 지지부재(16); 상기 연료 이송부재(14)의 외면에 적어도 하나 이상이 구비되어 상기 회전축(12)과 함께 회전되면서 상기 고체연료를 믹싱하는 연료 믹싱돌기(20); 및 상기 회전축(12)의 외면에서 외측을 나선형 형태로 감싸도록 구비되고, 상기 고체연료의 이송경로 중 후반부에 구비되어 상기 고체연료의 연소시에 발생하는 슬러지 및 재를 배출시키는 재 이송부재(30)를 포함할 수 있다.
상기 연소장치가 설치되는 고체연료용 보일러의 외관은 본체(미도시)가 형성한다. 본체는 바이오매스 고체연료를 연소시켜 발생한 연소열을 이용하여 내부 배관에 통과하는 물을 가열하고 열교환이 이루어지도록 한다. 이를 위해 본체의 내부에는 소정의 공간을 가진 연소실(6)이 형성된다. 도 3을 참조하면, 본체의 저면에는 연소실(6)의 전후방을 따라 복수개의 공기 주입홀(4)이 형성된다. 공기 주입홀(4)은 고체연료의 연소를 가속화하기 위한 공기가 주입되는 부분이다. 공기 주입홀(4)은 연소가 시작되는 지점에 촘촘한 간격으로 복수개가 형성될 수 있고, 연소가 끝나는 지점으로 갈수록 넓은 간격으로 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본체의 하부의 연소실(6)에는 고체연료를 연소시키기 위한 연소장치(10)가 설치된다. 연소장치(10)는 본체의 하부에 전후방으로 길게 설치되어 공급된 고체연료를 연소시키는 역할을 한다.
연소장치(10)의 내부에는 전후방으로 길게 회전축(12)이 설치된다. 회전축(12)은 본체에 설치된 구동원(2)으로부터 동력을 전달받아 회전된다.
회전축(12)의 외면에는 외측을 향하여 곡면으로 형성되는 연료 이송부재(14)가 구비된다. 연료 이송부재(14)는 실질적으로 회전축(12)의 외면에 일체로 구비되는 것으로서, 회전축(12)과 함께 회전되면서 고체연료를 전방으로 이송시킴과 동시에 고체연료를 비롯한 슬러지 및 재를 전방으로 밀어내어 배출시키는 역할을 한다. 즉, 연료 이송부재(14)는 투입된 고체연료를 고르게 펴주고 뒤집어 줌으로써 연소 시에 불이 길게 붙을 수 있도록 하여 연소효율을 향상시키게 된다.
연료 이송부재(14)는 도면에 잘 도시된 바와 같이 회전축(12)의 외면에서 외측을 향하여 포물선을 그리도록 형성된다. 이는 연료 이송부재(14)가 외측으로 갈수록 고체연료와 접촉하는 면적을 증대시키기 위한 것으로서, 연료 이송부재(14)가 외측으로 갈수록 평평해지기 때문에 보다 효율적으로 고체연료를 고르게 펴줄 수 있게 된다.
그리고, 연료 이송부재(14)의 후단은 지지부재(16)에 의해 회전축(12)과 연결된다. 지지부재(16)는 회전축(12)의 외면에 수직하게 연결되어 연료 이송부재(14)를 지지하게 된다. 지지부재(16)는 회전축(12)에 대하여 반대편에 위치한 지지부재(16) 또는 연료 이송부재(12)와 서로 연통될 수 있다.
이상에서 설명한 회전축(12), 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)는 중공 형상의 파이프로 만들어지는 것이 바람직하고 서로 연통되게 형성된다. 그리고, 연통된 내부에는 유로가 형성되어 있고 유로에 물이 공급된다. 물의 공급은 예를 들어, 보일러 수관 내의 물이 공급될 수 있다. 이와 같이 회전축, 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)의 내부로 물이 공급되도록 한 것은 연소시에 발생하는 고열로 인해 부품이 녹거나 변형이 생기는 현상을 방지하기 위함이다.
종래에는 상술한 연료 이송부재(14)가 지지부재(16)의 의해서만 연결이 되고 연료 이송부재(14)가 회전축(12)의 외측에 위치하도록 연결되어 있었지만, 본 실시예에서는 연료 이송부재(14)가 회전축(12)의 외면에서 직접 연장되어 형성되도록 구성하였다. 이는 연료 이송부재(14)를 지지부재(16)에 의해서만 연결이 되고 내부로 물이 흐르게 되면 물의 흐름이 좋지 않아 회전축(12)의 변형이 오는 문제가 있었기 때문이다. 또한, 지지부재(16)가 일일이 용접된 부위에서 변형이 오는 문제도 있어 연료 이송부재(14)가 직접 회전축(12)에 연결되도록 구현한 것이다.
다음으로, 회전축(12)에는 소정의 간격으로 차단벽(18)이 설치된다. 차단벽(18)은 중공의 회전축(12) 내부에 설치되는 것으로서, 회전축(12)으로 공급되는 물의 유로를 형성하는 역할을 한다. 특히, 차단벽(18)은 지지부재(16)의 사이에 위치하도록 설치되거나 후술할 재 이송부재(30)의 사이에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 차단벽(18)이 회전축(12) 내부에 설치되면 내부로 공급된 물이 일정한 피치 내에서만 순환하게 되기 때문에 보다 원활한 유동이 가능하며 이로 인하여 회전축(12)이 고열에 의해 휘는 것을 방지할 수 있다.
한편, 연료 이송부재(14)의 외면에는 적어도 하나 이상의 연료 믹싱돌기(20)가 구비된다. 연료 믹싱돌기(20)는 회전축(12)과 함께 회전되면서 고체연료를 고르게 펴주고 뒤집어 주는 믹싱 역할을 하게 된다. 실제 보일러에서 고체연료는 미세한 속도로 이송되는데, 이때 바닥에 쌓여 있는 고체연료는 연료 이송부재(14)에 의해서만 정상적으로 이송되지 못할 수 있다. 따라서 연료 믹싱돌기(20)가 직접 바닥에 깔린 고체연료를 미세 이송시키는 역할을 하는 것이다. 연료 믹싱돌기(20)는 연료 이송부재(14)의 연장방향에 대하여 소정의 각도로 경사지게 형성되어 고체연료의 이송을 담당할 수 있다.
회전축(12)의 내부에는 회전축(12)보다 직경이 작은 중공부(19)가 형성될 수 있다. 중공부(19)는 회전축(12)의 전단에서 후단에 이르기까지 길게 형성될 수 있으며 실질적으로 물이 공급되어 순환되는 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 이와 같이 회전축(12)의 내부에 중공부(19)를 형성한 것은 실질적으로 물이 회전축(12)의 내면과 중공부(19)의 외면 사이에서 순환할 수 있도록 하기 위함이다. 물이 이와 같이 순환되면 보다 작은 유동공간에서 순환되기 때문에 회전축(12)에 대한 냉각 효과가 커져 회전축(12)이 고열로 인해 휘어지는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 회전축(12), 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)는 보일러의 크기 및 용량에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 가정용과 같은 소형 보일러에서는 단일의 회전축(12), 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)가 배치될 수 있고, 산업용과 같은 대형 보일러에서는 대형 또는 다수열로 회전축(12), 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)가 병렬로 배치될 수도 있다.
상기 연료 이송부재(14) 및 지지부재(16)는 주로 고체연료의 이송경로의 전반부에 설치되는데, 여기에서 전반부라 함은 고체연료의 이송경로 중 상류를 말하는 것이고 하류로 갈수록 후반부라 할 것이다. 고체연료의 이송경로의 후반부에는 재 이송부재(30)가 구비된다.
재 이송부재(30)는 회전축(12)의 외면에서 연장되어 외측을 나선형 형태로 감싸도록 구비되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 재 이송부재(30)는 고체연료의 연소 시에 발생하는 슬러지 및 재를 배출시키는 역할 뿐만 아니라 연료 이송부재(14)와 같이 고체연료를 이송하는 역할도 수행한다.
재 이송부재(30)를 고체연료의 이송경로의 후반부에 구비토록 한 이유는 다음과 같다. 고체연료는 연료 이송부재(14)에 의해 전방으로 이송되는 과정에서 연소가 되고 전반부에 상대적으로 많았던 고체연료는 연소를 거치면서 재로 바뀌게 된다. 따라서 고체연료의 이송경로 중 중반부를 넘어 후반부로 가게 되면 고체연료를 이송시키는 것보다 발생한 재 및 슬러지를 배출시켜 연소 효율을 증대시키는 작업이 요구된다.
따라서, 본 실시예에서는 주료 고체연료의 이송 역할을 하는 연료 믹싱돌기(20)를 재 이송부재(30)에는 구비하지 않도록 하였다. 그리고, 재 이송부재(30)는 연소실(6)의 내면에 밀착되게 구비되고 나선형 형상을 가짐으로써 보다 효과적으로 재 및 슬러지를 배출시킬 수 있도록 구성한 것이다.
재 이송부재(30)는 재 및 슬러지를 효과적으로 배출시킬 수 있도록 파이프 형상으로 형성되고 회전축(12)과 연통되며, 전체가 하나로 형성될 수도 있다. 다만, 파이프의 길이가 길어지면 처짐이 발생할 수 있기 때문에 재 이송부재(30)는 일정한 피치를 가지도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 회전축(12)의 후반부에 배치된 재 이송부재(30)가 1.5피치, 1.5피치, 0.5피치를 각각 가지도록 배치하였다. 물론, 이는 일 예를 제시한 것에 불과하고 재 이송부재(30)는 연소실(6)의 크기, 파이프 직경 등에 따라 다양한 피치를 가지도록 배치될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2: 구동원 4: 공기 주입홀
6: 연소실 10: 연소장치
12: 회전축 14: 연료 이송부재
16: 지지부재 18: 차단벽
19: 중공부 20: 연료 믹싱돌기
30: 재 이송부재

Claims (6)

  1. 보일러의 연소실 내부를 관통하여 설치되고, 구동원으로부터 동력을 전달받아 회전되는 회전축;
    상기 회전축의 외면에서 외측을 향하여 곡면으로 형성되고, 상기 회전축과 함께 회전되면서 고체연료를 이송시키며, 상기 고체연료의 이송경로 중 전반부에 구비되는 연료 이송부재;
    상기 회전축과 연료 이송부재를 연결하여 지지하는 지지부재;
    상기 연료 이송부재의 외면에 적어도 하나 이상이 구비되어 상기 회전축과 함께 회전되면서 상기 고체연료를 믹싱하는 연료 믹싱돌기; 및
    상기 회전축의 외면에서 외측을 나선형 형태로 감싸도록 구비되고, 상기 고체연료의 이송경로 중 후반부에 구비되어 상기 고체연료의 연소시에 발생하는 슬러지 및 재를 배출시키는 재 이송부재를 포함하고,
    상기 회전축, 연료 믹싱부재 및 지지부재는 중공형상으로 형성되어 서로 연통되고, 상기 재 이송부재는 중공형상으로 형성되어 상기 회전축과 연통되며, 연통된 내부를 따라 냉각을 위한 물이 공급되어 순환하는 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전축의 내부에는 상기 지지부재의 사이에 위치하도록 차단벽이 설치되는 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전축의 내부에는 상기 재 이송부재의 사이에 위치하도록 차단벽이 설치되는 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전축의 내부는 상기 회전축보다 직경이 작은 중공부가 형성되어 상기 물은 상기 회전축의 내면과 중공부의 외면 사이에서 순환되는 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 이송부재는 상기 회전축의 외면에서 후방으로 포물선을 그리도록 형성되고, 상기 연료 이송부재의 후단에서 상기 회전축의 외면으로 수직하게 지지부재가 연장되는 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재 이송부재는 복수개가 상기 회전축의 외면에 구비되는데, 상기 재 이송부재는 일정한 피치를 가지는 나선형 형태인 것을 특징으로 하는 고체연료용 보일러의 연소장치.
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