KR102504638B1 - 바이오매스 버너 - Google Patents

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KR102504638B1
KR102504638B1 KR1020210091017A KR20210091017A KR102504638B1 KR 102504638 B1 KR102504638 B1 KR 102504638B1 KR 1020210091017 A KR1020210091017 A KR 1020210091017A KR 20210091017 A KR20210091017 A KR 20210091017A KR 102504638 B1 KR102504638 B1 KR 102504638B1
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이영재
박진제
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 바이오매스 버너에 관한 것으로, 바이오매스와 1차 공기가 반응하여 바이오매스를 조기 가스화되고, 이후 순차적으로 2차 공기와 3차 공기를 반응하여 바이오매스의 완전연소를 구현하는 버너에 관한 것이다.

Description

바이오매스 버너{Biomass burner}
본 발명은 바이오매스 버너에 관한 것이다.
최근 정부의 환경 정책으로 인해, 화력 발전소의 환경 규제가 엄격해지고 있으며, 특히 저탄소 또는 탄소중립을 위한 국민적, 국가적 관심이 높아지고 있다.
화력 발전의 경우, 가스 연료의 사용을 높이거나 신재생에너지로 전환하고 있으며, 석탄 화력 발전의 경우 바이오매스(Biomass)의 연소를 통해 탄소 중립을 실현 가능하다.
다만, 바이오매스의 낮은 미분성으로 인해, 바이오매스의 전소 시 미연연료가 다량으로 발생하는 바, 회분 내에 미연분을 다량 함유하면 에너지 효율이 저감되고 화재가 발생하는 등의 문제가 있었다. 이와 같은, 바이오매스 연료 특성으로 인해, 기존의 미분탄 발전기에 바로 적용하기는 어려움이 있다. 이를 위해, 바이오매스 전용 미분기를 설치할 경우, 큰 비용이 발생하는 문제점이 있다.
바이오매스 전용 미분기를 설치하지 않고도 에너지 효율을 증가시키는 기술에 대한 관심이 높은 실정이다.
(특허문헌 1) 일본공개특허문헌 제2011-012836호
(특허문헌 2) 일본등록특허문헌 제6056409호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
구체적으로, 본 발명은 바이오매스를 연료로 사용하여 탄소 중립을 실현하면서도, 바이오매스의 낮은 미분성으로 인해 바이오매스 전소 시 미연연료가 발생하는 문제를 해결하기 위함이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 연소실과 연통되는 가스화실(100);상기 가스화실(100)의 중심축 방향으로 삽입되며, 가스를 공급하는 가스 버너(200);상기 가스 버너(200)의 일측으로 위치되며, 상기 가스화실(100)로 바이오매스(Biomass)와 1차 공기(Primary air)를 투입하는 연료 투입부(300);상기 가스화실(100)은 상기 가스 버너(200)가 삽입되는 부분인 예연소실(110);과 상기 연소실과 연통되는 부분인 연소실 투입부(120);를 포함하고, 상기 연료 투입부(300)는 상기 예연소실(110)의 상기 중심축 방향과 편심되어 위치되고, 상기 연료 투입부(300)에서 바이오매스와 1차 공기는 편심되도록 공급되어 상기 예연소실(110)의 내측을 따라 회전 유동하고, 투입된 바이오매스는 바이오촤와 가스 성분으로 분해되는, 바이오매스 버너에 관한 것이다.
일 실시예에 있어서, 2차 공기(Secondary air)를 상기 연소실로 공급하는 2차 공기 유로(400); 및 상기 2차 공기 유로(400)의 외측으로 위치되며, 3차 공기(Tertiary air)를 상기 연소실로 공급하는 3차 공기 유로(500);를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 2차 공기 유로(400)는 2차 공기가 유입되는 통로인 유입부(410)와 상기 연소실과 연통되는 유출부(420)를 포함하고, 상기 3차 공기 유로(500)는 3차 공기가 유입되는 통로인 유입부(510)와 상기 연소실과 연통되는 유출부(520)를 포함하고, 상기 유입부(510)의 길이는 상기 유입부(410)의 길이보다 짧도록 형성되고, 상기 유출부(420)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 작아지도록 형성되고, 상기 유출부(520)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 커지도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연소실 투입부(120)의 외측으로 블러프 바디(bluff body)(600)가 위치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스성분은 CO, H2를 포함하고, 상기 바이오촤와 가스 성분은 2차 공기를 만나면서 가스 성분 중 H2가 연소되고, H2의 연소열로 CO가 연소된 이후 바이오촤가 연소되고, 잔존하는 바이오촤와 가연분은 3차 공기를 만나면서 추가 산화될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투입된 1차 공기는 미리 예열된 공기일 수 있다.
본 발명에 따라, 다음과 같은 효과가 달성된다.
본 발명은 바이오매스의 조기 가스화를 통해 바이오매스의 낮은 미분성으로 인해 바이오매스 전소 시 미연 연료가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 바이오매스의 완전연소를 구현할 수 있어 종래의 바이오매스의 미연 연료로 인해 에너지 효율 저감 및 화재 발생 등의 문제가 발생하는 것을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오매스에 산소 결핍 상태를 유도함으로서, 바이오매스의 조기 휘발분을 생성하고, 바이오매스 전소 시 발생되는 NOx 생성을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 버너를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 회전 유동이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 바이오매스 버너에서의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, "중심축 방향"이란, 가스화실(100)의 단면인 원을 기준으로 중심인 방향을 의미한다.
본 발명에 따른 버너는 가스화실(100), 가스 버너(200), 연료 투입부(300), 2차 공기 유로(400) 및 3차 공기 유로(500)를 포함한다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 바이오매스 버너의 각 구성요소에 대해 설명한다.
가스화실(100)은 연소실과 연통되며, 연소실로 유동하기 전 바이오매스(Biomass)의 조기 가스화가 일어나는 공간이다.
가스화실(100)은 예연소실(110)와 연소실 투입부(120)를 포함한다.
가스화실(100)의 방사상 외측으로는 후술하는 2차 공기 유로(400)와 3차 공기 유로(500)가 위치된다.
예연소실(110)는 가스 버너(200)가 삽입되는 부분이다.
예연소실(110) 예연소실(110)에는 후술하는 연료 투입부(300)가 예연소실(110)로 편심되어 위치됨에 따라, 가스 버너(200)에서 토출되는 가스(G)와, 연료 투입부(300)에서 토출되는 공기와 바이오매스(Biomass)는 반응하면서 함께 회전 유동하면서 연소실 투입부(120)로 이동될 수 있다. 이에, 예연소실(110)에서는 사이클론 형태에 의한 회전 유동이 발생될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
한편, 예연소실(110)로 공급된 공기는 대부분 가스 버너(200)에서 공급된 가스(G)를 연소하는데 사용되고, 바이오매스는 바이오촤(biochar)와 가스 성분으로 분해된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
연료 투입부(300)에서 토출되어, 예연소실(110)로 공급되는 공기는 1차 공기(Primary air)를 의미하며, 연료 투입부(300)로 공급되는 1차 공기는 미리 예열되어, 반응성을 더 증대시킬 수 있으며 예연소실(110)에서 무화염 연소와 같은 상태를 형성할 수 있다.
이 때, 예열된 1차 공기의 온도는 약 300~350°C일 수 있다.
이 때, 가스 성분은, H2, CO, CO2 및 N2를 포함한다.
이 때, 전술한 1차 공기는 이론공연비 보다 연료량이 적은 연료희박상태로 공급된다, 2차 공기는 이론 공연비보다 연료량이 많은 연료과잉상태가 되도록 공급된다, 3차 공기는 공지의 기술인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연소실 투입부(120)는 연소실과 연통되는 부분으로, 예연소실(110)와 연결되어 형성된다.
연소실 투입부(120)의 외측으로는 후술하는 블러프 바디(600)가 위치되어, 혼합 기류를 형성할 수 있다.
연소실 투입부(120)는 전술한 연료 투입부(300)의 전단으로 위치되어, 연소실로 바이오촤와 가스 성분을 유입시킨다.
가스 버너(200)는 가스화실(100)에 삽입되며, 가스화실(100)로 가스(G)를 공급한다.
가스 버너(200)는 예연소실(110)에 삽입되며, 후술하는 연료 투입부(300)의 일측으로 위치될 수 있다.
연료 투입부(300)는 가스 버너(200)의 일측으로 위치되며, 가스화실(100)로 바이오매스와 공기를 투입한다.
연료 투입부(300)는 가스 버너(200)와 수직이 되도록 위치될 수 있다.
또한, 연료 투입부(300)는 예연소실(110)의 중심축 방향과 편심되어 위치된다. 이에, 연료 투입부(300)에서 예연소실(110)에 공급된 바이오매스와 1차 공기는 편심되도록 공급되는 바, 바이오매스와 1차 공기는 예연소실(110)의 내측을 따라 회전 유동한다.
도 2를 참조하면, 연료 투입부(300)가 예연소실(110)에 위치되는 것을 도시한다. 도 2(b)와 같이, 연료 투입부(300)는 예연소실(110)의 중심축 방향과 편심되어 위치될 수 있다.
이에 따라, 가스 버너(200)에서 토출되는 가스(G)와, 후술하는 연료 투입부(300)에서 토출되는 공기와 바이오매스가 예연소실(110)에서 체류되는 시간을 늘릴 수 있는 바, 예연소실(110)에서 반응 시간을 더 증가시킬 수 있다.
연료 투입부(300)에서 연료를 투입하는 방식은 특정한 방식에 제한되는 것은 아니다.
2차 공기 유로(400)는 2차 공기(Secondary air)를 연소실로 공급한다.
2차 공기 유로(400)는 가스화실(100)의 외측으로 위치되며, 2차 공기 유로(400) 상에는 스월러(430)가 위치되며, 스월러(430)는 댐퍼(440)와 연결된다.
스윌러(430)는 댐퍼(440)의 이동을 통해 회전 강도가 조절될 수 있다.
스윌러(430)가 댐퍼(440)에 의해 회전 강도가 조절되는 것은 일반적인 기술인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
2차 공기 유로(400)는 후술하는 3차 공기 유로(500)의 내측으로 형성되되, 2차 공기가 유입되는 유입부(410)가 후술하는 3차 공기의 유입부(510)보다 길도록 형성될 수 있다.
또한, 2차 공기 유로(400)의 유출부(420)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 작아지도록 형성될 수 있다.
3차 공기 유로(500)는 2차 공기 유로(400)의 외측으로 위치되며, 3차 공기(Tertiary air)를 연소실로 공급한다.
3차 공기 유로(500)는 후술하는 2차 공기 유로(400)의 외측으로 형성되되, 3차 공기가 유입되는 유입부(510)가 후술하는 2차 공기의 유입부(410)보다 짧도록 형성될 수 있다.
또한, 3차 공기 유로(500)의 유출부(520)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 커지도록 형성될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 2차 공기 유로(400)와 3차 공기 유로(500)가 연소실로 연결되기 전에는 분리되도록 형성될 수 있고, 연소실로 각각 2차 공기와 3차 공기를 공급한 후에도 분리가 되도록 형성될 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이 가스 성분과 2차 공기와 3차 공기의 반응을 각각 분리할 수 있다.
3차 공기 유로(500) 상에는 스월러(530)가 위치되며, 스월러(530)는 댐퍼(540)와 연결된다.
스윌러(530)는 댐퍼(540)의 이동을 통해 회전 강도가 조절될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 버너에서의 유동을 설명한다.
예연소실(110)로 예열된 1차 공기와 바이오매스가 공급되고, 가스 버너(200)에서 예연소실(110)로 가스(G)를 공급하면, 1차 공기는 대부분 가스(G)를 연소하는데 사용되며, 이 과정에서 1차 연소가 이루어진다.
1차 공기가 주로 가스(G)를 연소하는데 사용되는 바, 예연소실(110)에서는 산소가 희박하며 고온인 상태가 발생한다. 이에, 미분된 바이오매스의 열분해가 일어나며, 바이오매스가 열분해되어 바이오촤와 가스 성분으로 분해되는 가스화 반응이 일어난다. 즉, 본 발명에서는 바이오매스의 산소 결핍 유도를 통해 조기 휘발분을 생성하여, 바이오매스의 전소 시 발생되는 NOx 생성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 가스화를 통해 발생된 가스 성분을 바탕으로 이후 바이오촤의 연소에 필요한 추가 열원 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이, 예연소실(110)에 연료 투입부(300)가 편심되어 위치되는 바, 입도가 큰 바이오매스가 투입되더라도 바이오촤가 연소가 가능한 체류시간을 확보할 수 있다.
이 때, 휘발분이란, 바이오매스의 열분해 시 발생된 바이오촤 및 가스 성분을 의미한다.
도 3의 A영역에서는, 미분된 바이오매스와 공기를 도시하며, 도 3의 B 영역에서는 미분된 바이오매스가 열분해되어 바이오촤가 생성되는 것과, CO, H20, H2 및 N2가 생성된 것을 도시한다.
바이오매스가 열분해되어 생성된 바이오촤와 가스 성분은 예연소실(110)에서 회전하면서 유동하며 연소실 투입부(120)를 따라 이동한다.
바이오매스가 열분해되어 생성된 바이오촤와 가스 성분은 예연소실(110)에서 회전하면서 유동하되, 탈휘발 및 가스화에 의해 입자 수의 감소로 회전 유동이 점차 감소되는 경향을 보인다.
예연소실(110)를 따라 유동한 바이오촤와 가스 성분은 2차 공기 유로(400)에서 공급되는 2차 공기를 만나 반응한다.
가스 성분 중 반응성이 좋은 H2가 먼저 연소된다. H2의 연소 열로 CO가 연소되며, H2 및 CO의 연소열로 의해 바이오촤가 연소된다. 즉, 바이오촤는 가스화를 통해 발생된 가스 성분을 바탕으로 바이오촤의 연소에 필요한 추가 열원에 의해 연소될 수 있다.
도 3의 C영역에서는 바이오촤와 가스 성분 중 CO, CO2, H2, N2, H20가 2차 공기 유로(400)에서 공급된 2차 공기를 만나 반응하는 것을 도시하며, 도 2의 D영역에서는 이후 남아 있는 바이오촤와 CO가 3차 공기 유로(500)에서 3차 공기를 만나 반응하는 것을 도시한다.
바이오촤와 CO는 3차 공기를 만나면서 추가적으로 산화될 수 있다.
이상, 도 3에서 표시된 바이오매스, 바이오촤, 가스 성분은 A, B, C, D영역에만 위치하는 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니고, 다른 위치에서의 해당 성분들은 생략 도시된다.
이에 따라, 본 발명에서는 바이오매스를 연료로 이용하되, 바이오매스의 특성을 고려하여 바이오매스를 조기가스화시켜 추가 열원을 확보하고, 2차 공기 및 3차 공기를 공급하여 추가적으로 산화시킬 수 있는 바, NOx배출을 저감할 수 있고 미연연료가 발생되는 문제를 해결하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 가스화실
110: 예연소실
120: 연소실 투입부
200: 가스 버너
300: 연료 투입부
400: 2차 공기 유로
410: 유입부
420: 유출부
430: 스윌러
440: 댐퍼
500: 3차 공기 유로
510: 유입부
520: 유출부
530: 스윌러
540: 댐퍼
600: 블러프 바디
PA: 1차 공기
SA: 2차 공기
TA: 3차 공기
G:가스

Claims (6)

  1. 연소실과 연통되는 가스화실(100);
    상기 가스화실(100)의 중심축 방향으로 삽입되며, 가스를 공급하는 가스 버너(200);
    상기 가스 버너(200)의 일측으로 위치되며, 상기 가스화실(100)로 바이오매스(Biomass)와 1차 공기(Primary air)를 투입하는 연료 투입부(300);
    상기 가스화실(100)은 상기 가스 버너(200)가 삽입되는 부분인 예연소실(110);과 상기 연소실과 연통되는 부분인 연소실 투입부(120);를 포함하고,
    상기 연료 투입부(300)는 상기 예연소실(110)의 상기 중심축 방향과 편심되어 위치되고, 상기 연료 투입부(300)에서 바이오매스와 1차 공기는 편심되도록 공급되어 상기 예연소실(110)의 내측을 따라 회전 유동하고, 투입된 바이오매스는 바이오촤와 가스 성분으로 분해되는,
    바이오매스 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    2차 공기(Secondary air)를 상기 연소실로 공급하는 2차 공기 유로(400); 및
    상기 2차 공기 유로(400)의 외측으로 위치되며, 3차 공기(Tertiary air)를 상기 연소실로 공급하는 3차 공기 유로(500);를 더 포함하는,
    바이오매스 버너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2차 공기 유로(400)는 2차 공기가 유입되는 통로인 유입부(410)와 상기 연소실과 연통되는 유출부(420)를 포함하고,
    상기 3차 공기 유로(500)는 3차 공기가 유입되는 통로인 유입부(510)와 상기 연소실과 연통되는 유출부(520)를 포함하고,
    상기 유입부(510)의 길이는 상기 유입부(410)의 길이보다 짧도록 형성되고, 상기 유출부(420)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 작아지도록 형성되고, 상기 유출부(520)는 그 말단으로 갈수록 직경이 점차 커지도록 형성되는,
    바이오매스 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연소실 투입부(120)의 외측으로 블러프 바디(bluff body)(600)가 위치되는,
    바이오매스 버너.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스성분은 CO, H2를 포함하고,
    상기 바이오촤와 가스 성분은 2차 공기를 만나면서 가스 성분 중 H2가 연소되고, H2의 연소열로 CO가 연소된 이후 바이오촤가 연소되고, 잔존하는 바이오촤와 가연분은 3차 공기를 만나면서 추가 산화되는,
    바이오매스 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투입된 1차 공기는 미리 예열된 공기인,
    바이오매스 버너.
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