KR102672958B1 - 고체 연료 보일러 - Google Patents

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KR102672958B1
KR102672958B1 KR1020230143478A KR20230143478A KR102672958B1 KR 102672958 B1 KR102672958 B1 KR 102672958B1 KR 1020230143478 A KR1020230143478 A KR 1020230143478A KR 20230143478 A KR20230143478 A KR 20230143478A KR 102672958 B1 KR102672958 B1 KR 102672958B1
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김규원
정만수
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(주)규원테크
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Abstract

본 발명은 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펠릿, 목재 칩, 축산 분뇨와 같이 고체 연료를 주 연료로 사용하는 고체 연료 보일러에 관한 것이다. 본 발명은 고체 연료가 연소되는 연소실과; 상기 연소실과 연통되며 상기 연소실에서 배출된 고온의 연소가스가 흐르는 복수의 연관을 구비하며, 상기 연소가스와 내부에 저장된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 연소실의 하부 측면에 배치되는 하부 드럼과, 상기 연소실의 상부 측면에 배치되는 상부 드럼과, 상기 연소실의 측면을 따라서 상기 하부 드럼과 상기 상부 드럼을 연결하는 복수의 연결관들과, 상기 하부 드럼에 외부 공기를 공급하는 외기 공급 관과, 상기 상부 드럼과 상기 연소실을 연결하여 가열된 공기를 상기 연소실에 공급하는 가열 공기 공급관을 구비하는 공기공급장치를 포함하는 고체 연료 보일러를 제공한다.

Description

고체 연료 보일러{Solid fuel boiler}
본 발명은 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펠릿, 목재 칩, 축산 분뇨와 같이 고체 연료를 주 연료로 사용하는 고체 연료 보일러에 관한 것이다.
기름, 가스, 전기, 숯, 장작, 석탄, 펠릿 등의 다양한 연료를 사용하는 보일러가 사용되고 있다. 이 중에서 기름, 가스, 전기 등을 사용하는 보일러는 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 고체 연료 보일러(또는 열풍기)는 등록특허 제10-0873034호, 제10-0917787호, 제10-1149359호, 제10-2078139호, 제10-2418332호 등에 개시된 바와 같이, 고체 연료를 연소하기 위한 버너와 연소실, 연소실에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치, 연소실에서 발생한 열을 외기나 물과 열교환하기 위한 연관 등의 열교환수단, 배기가스 처리장치, 고체 연료 연소 후 남은 재를 처리하기 위한 재 처리장치 등을 구비한다. 그리고 버너는 고체 연료에 불을 붙이기 위한 수단으로 전열히터, 가스히터 등을 구비한다.
이때, 공기공급장치에 의해서 연소실에 공급되는 공기의 온도가 낮다면, 연소가 원활하게 이루어지지 않아 열효율이 저하될 수 있다. 그리고 이로 인해 연료 사용량이 증가할 수 있다. 또한, 연소가 완전히 이루어지지 않아서 배기가스 발생량이 증가하고, 연소실에 그을음과 타르가 쌓일 수 있다. 또한, 연소 온도가 낮아져서 NOx나 SOx와 같은 대기오염 물질이 더 많이 발생할 수도 있다.
한국등록특허 제10-0873034호(2008.12.03) 한국등록특허 제10-0917787호(2009.09.10) 한국등록특허 제10-1149359호(2012.05.17) 한국등록특허 제10-2078139호(2020.02.11) 한국등록특허 제10-2418332호(2022.07.04)
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 연소실에 공급되는 공기를 연소실에서 발생한 열을 이용하여 미리 가열시킬 수 있는 새로운 구조의 고체 연료 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 고체 연료가 연소되는 연소실과; 상기 연소실과 연통되며 상기 연소실에서 배출된 고온의 연소가스가 흐르는 복수의 연관을 구비하며, 상기 연소가스와 내부에 저장된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 연소실의 하부 측면에 배치되는 하부 드럼과, 상기 연소실의 상부 측면에 배치되는 상부 드럼과, 상기 연소실의 측면을 따라서 상기 하부 드럼과 상기 상부 드럼을 연결하는 복수의 연결관들과, 상기 하부 드럼에 외부 공기를 공급하는 외기 공급 관과, 상기 상부 드럼과 상기 연소실을 연결하여 가열된 공기를 상기 연소실에 공급하는 가열 공기 공급관을 구비하는 공기공급장치를 포함하는 고체 연료 보일러를 제공한다.
또한, 상기 연소실의 내부 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 연소실의 내부로 요소수를 분사하도록, 상기 연결관들 사이에 설치된 분사 노즐을 더 포함하며, 상기 온도센서에서 측정된 상기 연소실의 내부 온도가 850℃ 이상이면, 상기 분사 노즐을 통해서 상기 연소실 내부에 요소수를 분사하도록 구성된 고체 연료 보일러를 제공한다.
또한, 상기 연소실에서 배출된 연소가스를 상기 연관에 공급하는 이중 관 구조의 연소가스 덕트와, 상기 열교환기에 물을 공급하는 물탱크와, 상기 물탱크에 저장된 물을 상기 연소가스 덕트의 내측 관과 외측 관 사이의 공간에 통과시켜 가열할 수 있도록, 상기 연소가스 덕트의 이중 관 사이의 공간과 연통된 순환 배관과 이 순환 배관에 설치된 순환 펌프를 더 포함하는 고체 연료 보일러를 제공한다.
또한, 상기 연소실에서 배출된 연소가스를 상기 연관에 공급하는 연소가스 덕트와, 상기 열교환기에 공급되는 물이 저장된 물탱크와, 상기 연소가스에서 낙하한 재를 제거하도록 상기 연소가스 덕트의 바닥면에 설치된 중공 축을 구비하는 재 이송 스크루와, 상기 물탱크에 저장된 물을 상기 재 이송 스크루의 중공에 통과시켜 가열할 수 있도록, 상기 중공과 연통된 순환 배관과 이 순환 배관에 설치된 순환 펌프를 더 포함하는 고체 연료 보일러를 제공한다.
또한, 상기 연관들과 연결된 연실과, 상기 열교환기에 공급되는 물이 저장된 물탱크와, 상기 연소가스에서 낙하한 재를 제거하도록 상기 연실의 바닥면에 설치된 중공 축을 구비하는 재 이송 스크루와, 상기 물탱크에 저장된 물을 상기 재 이송 스크루의 중공에 통과시켜 가열할 수 있도록, 상기 중공과 연통된 순환 배관과 이 순환 배관에 설치된 순환 펌프를 더 포함하는 고체 연료 보일러를 제공한다.
본 발명에 따른 고체 연료 보일러는 연소실에 공급되는 공기가 미리 가열되기 때문에 열효율이 향상되고, 연료 사용량이 줄어든다는 장점이 있다. 또한, 연소 온도가 높아서 배기가스의 발생량이 감소하고, 연소실에 그을음이나 타르가 쌓이지 않으며, NOx나 SOx와 같은 대기오염 물질의 발생량도 감소한다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 보일러의 개략도이다.
도 2는 도 1의 고체 연료 보일러를 좌측에 바라본 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 연료 보일러의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체 연료 보일러의 개략도이다.
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 보일러의 개략도이며, 도 2는 도 1의 고체 연료 보일러를 좌측에 바라본 개략도이다. 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 보일러(100)는 연소실(10)과, 연소실(10)과 연통된 열교환기(20)와, 공기공급장치(30)를 포함한다.
연소실(10)은 고체 연료와 공기가 섞여 연소되는 공간이다. 연소실(10)은 대체로 직육면체 형태이다. 고체 연료는 연소실(10)의 측면에 형성된 연료 공급부(12)를 통해서 공급될 수 있다. 고체 연료는 외부 사일로에 저장될 수 있으며, 연료 공급부(12)와 사일로를 연결하는 이송 스크루나 컨베이어 벨트 등을 통해서 고체 연료 보일러(100)에 공급될 수 있다. 고체 연료로는 버섯 폐 배지, 펠릿, 목재 칩, 축산 분뇨 등을 사용할 수 있다. 축산 분뇨는 회분 함량이 상대적으로 높아서 재의 발생량이 더 많다.
도시하지 않았으나, 연소실(10)에는 고체 연료를 지지하는 화격자와 버너의 일부가 설치될 수 있다.
화격자는 공기가 통과할 수 있으며, 고체 연료가 연소되면서 생긴 재가 빠질 수 있는 복수의 통기공이 형성되어 있는 복수의 화격자 조각으로 이루어질 수 있다. 화격자는 계단식 화격자일 수 있으며, 일부 화격자 조각들이 좌우로 이동하면서 재를 떨어뜨리는 이동식 화격자일 수 있다. 화격자 조각들에 쌓인 재는 통기공을 통해서 아래로 떨어지고, 화격자 아래에 배치된 재받이에 쌓인다.
버너는 연소실(10)의 일 측에 설치되어 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 연료가 연소되면서 발생한 화염을 연소실(10) 내부로 방사하는 역할을 한다.
연소실(10)의 하부에는 재받이에 쌓인 재를 배출하기 위한 스크류가 설치될 수 있다.
연소실(10)의 상부에는 열교환기(20)가 배치된다. 열교환기(20)는 물이 저장되는 탱크(25)와 탱크(25)의 내부에 배치되는 연관(28)을 포함한다.
탱크(25)는 물과, 스팀이 저장되는 내부공간을 제공한다. 탱크(25)는 대체로 원통형이다. 탱크(25)는 높은 압력에 견딜 수 있는 소재로 제작된다. 탱크(25)의 하부에는 물이 채워지며, 상부에는 스팀이 채워진다. 탱크(25)의 상부에는 스팀이 배출되는 스팀 배출구(29)가 형성된다. 또한, 탱크(25)의 상부에는 물이 공급되는 급수구(21)가 형성된다. 급수구(21)는 순환 배관(41)을 통해서 외부 물탱크(40)와 연결된다. 순환 배관(41)에는 순환 펌프(43)가 설치된다. 도시하지 않았으나, 외부 물탱크(40)는 외부의 물 공급장치로부터 물을 공급받도록 구성된다.
연관(28)은 연소실(10)에서 배출되는 고온의 가스가 통과하는 통로이다. 연관(28)은 탱크(25)의 하부에 배치되는 복수의 제1 연관(28a)들과 상부에 배치되는 복수의 제2 연관(28b)들을 포함한다.
연소실(10)과 열교환기(20)는 연소가스 덕트(13)와 제1 연실(15)을 통해서 연결된다. 연소가스 덕트(13)의 일단은 연소실(10)의 출구와 연결되며 타단은 제1 연실(15)과 연결된다. 제1 연실(15)은 탱크(25)의 우측 단부에 결합한다. 제1 연실(15)은 제1 연관(28a)들과 연통된다. 제1 연관(28a)들은 제1 연실(15)로부터 수평으로 연장된다. 연소실(10)에서 배출된 연소가스는 연소가스 덕트(13)와 제1 연실(15)을 통과한 후 제1 연관(28a)을 통해서 흐른다. 이 과정에서 연소가스와 탱크(25)에 채워진 물 사이에 열교환이 이루어진다.
탱크(25)의 좌측 단부에는 제2 연실(26)이 형성된다. 제2 연실(26)은 제1 연관(28a)과 제2 연관(28b)을 연결하는 역할을 한다. 제2 연관(28b)들은 제2 연실(26)로부터 수평으로 연장된다. 제1 연관(28a)을 통해서 제2 연실(26)에 도달한 연소가스는 제2 연관(28b)을 통해서 흐른다. 이 과정에서 연소가스와 탱크(25)에 채워진 물 사이에 다시 한 번 열교환이 이루어진다.
제2 연관(28b)을 통과한 연소가스는 탱크(25)의 우측 단부에 결합된 제3 연실(16)을 통과한 후에 도시하지 않은 배기가스 처리장치들을 거친 후 외부로 배출된다. 배기가스 처리장치는 배기가스에 포함된 분진과 재를 제거하여 정화된 가스를 외부로 배출시킨다. 배기가스 처리장치로는 사이클론 필터, 백 필터 등이 사용될 수 있다.
제2 연실(26)에는 횡으로 배치된 연관(28)에 쌓이는 분진을 압축 공기를 이용하여 자동으로 제거하는 역할을 하는 연관 청소장치가 설치될 수도 있다. 제1 연관(28a)들에서 밀려난 분진은 연소실(10)의 아래로 떨어진 후 스크루와 같은 재처리장치에 의해서 제거된다. 그리고 제2 연관(28b)들에서 밀려난 분진은 배기가스 처리장치에서 수집된다.
공기공급장치(30)는 고온의 공기를 연소실(10)에 공급하는 역할을 한다. 공기공급장치(30)는 하부 드럼(31), 상부 드럼(32), 연결관(33)들을 포함한다.
하부 드럼(31)은 연소실(10)의 하부 양 측면에 쌍으로 배치된다. 하부 드럼(31)은 대체로 원통형이다. 하부 드럼(31)은 외기 공급 관(35)과 연결된다. 외기 공급 관(35)은 인입 송풍기와 연결된다.
상부 드럼(32)은 연소실(10)의 상부 양 측면에 쌍으로 배치된다. 상부 드럼(32)은 대체로 원통형이다.
연결관(33)들은 연소실(10)의 측면을 따라서 하부 드럼(31)과 상부 드럼(32)을 연결한다. 연결관(33)들 사이의 공간은 철판으로 막힐 수 있다. 연결관(33)들은 하부 드럼(31)에 공급된 외기를 상부 드럼(32)으로 전달하는 역할을 한다. 그리고 이 과정에서 연소실(10)의 열기에 의해서 외기가 가열된다. 즉, 외기는 하부 드럼(31), 연결과(33), 상부 드럼(32)을 거치면서 가열된다.
가열된 외기는 상부 드럼(32)과 연소실(10) 측면의 가스 공급구(18)들을 연결하는 가열 공기 공급관(36)을 통해서 연소실(10) 내부로 공급된다. 충분히 가열된 고온의 외기가 연소실(10)로 공급되므로, 연소 효율이 상승한다. 도 1과 2에서는 가스 공급구(18)가 연소실(10)의 하부에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 연소실(10)의 상부에도 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 연료 보일러의 개략도이다.
도 3에 도시된 실시예는 연소가스 덕트(113)가 이중 관으로 되어있으며, 연소가스 덕트(113)의 내측 관과 외측 관 사이의 공간(114)에는 물이 채워진다는 점에서, 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있다. 또한, 연소가스 덕트(113)의 내측 관과 외측 관 사이의 공간(114)과 연통된 순환 배관(45)과 이 순환 배관(45)에 설치된 순환 펌프(47)를 더 포함한다. 본 실시예에서는 물탱크(40)에 저장된 물을 연소가스 덕트(113)의 내측 관과 외측 관 사이의 공간(114)에 통과시켜 미리 가열할 수 있다. 따라서 물탱크(40)에 저장되는 물을 열교환기(20)의 탱크(25)에 공급하기 전에 미리 가열할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 고체 연료 보일러(200)는 요소수 분사 노즐(19)을 구비한다는 점에서도 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있다. 요소수 분사 노즐(19)은 연소실(10)의 상부에 요소수를 분사하는 역할을 한다. 요소수 분사 노즐(19)은 연결관(33)들 사이에 배치된다. 요소수 분사 노즐(19)은 연결관(33)들 사이의 금속판을 관통한 후 연소실(10)의 외벽을 관통한다. 요소수는 질소산화물을 저감하는 역할을 한다.
연소실(10)에는 온도센서가 설치될 수 있다. 온도센서는 연소실(10) 내의 화염의 온도를 직접 측정하는 역할을 한다. 온도센서로는 K나 J 타입 열전대를 사용할 수 있으며, 보호관의 재질로는 세라믹이나 인코넬을 사용할 수 있다.
고체 연료 보일러(200)의 제어기는 온도센서로부터 신호를 받아서, 연소실(10)의 내부 온도가 850℃ 이상이면, 요소수 분사 노즐(19)이 작동하여 연소실(10) 내부에 요소수가 분사되도록 요소수 분사 노즐(19)을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체 연료 보일러의 개략도이다.
도 4에 도시된 실시예는 연소가스 덕트(13)의 바닥면에는 설치된 중공 축을 구비하는 재 이송 스크루(50)를 더 포함한다는 점에서, 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있다. 재 이송 스크루(50)는 연소가스에서 낙하하여 연소가스 덕트(13)의 바닥면에 쌓인 재를 제거하는 역할을 한다. 또한, 재 이송 스크루(50)의 중공(51)과 연통된 순환 배관(145)과 이 순환 배관(145)에 설치된 순환 펌프(147)를 더 포함한다. 본 실시예에서는 물탱크(40)에 저장된 물을 재 이송 스크루(50)의 중공(51)에 통과시켜 미리 가열할 수 있다. 따라서 물탱크(40)에 저장되는 물을 열교환기(20)의 탱크(25)에 공급하기 전에 미리 가열할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 동시에 재 이송 스크루(50)가 고온의 연소가스에 의해서 부식되는 것을 방지할 수 있다는 장점도 있다.
중공 축을 가지는 재 이송 스크루는 연소가스 덕트(13) 뿐 아니라, 제1 연실(15), 제2 연실(26) 및 제3 연실(16)에도 설치될 수 있다. 그리고 이들 재 이송 스크루들에도 재 이송 스크루의 부식을 방지하고, 물탱크(40)의 물을 미리 가열하기 위해서 물탱크(40)의 물이 순환될 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.
100, 200, 300: 고체 연료 보일러
10: 연소실
20: 열교환기
30: 공기공급장치
31: 하부 드럼
32: 상부 드럼
33: 연결관

Claims (5)

  1. 고체 연료가 연소되는 연소실과,
    상기 연소실과 연통되며 상기 연소실에서 배출된 고온의 연소가스가 흐르는 복수의 연관들을 구비하며, 상기 연소가스와 내부에 저장된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기와,
    상기 연소실의 하부 측면에 배치되는 하부 드럼과, 상기 연소실의 상부 측면에 배치되는 상부 드럼과, 상기 연소실의 측면을 따라서 상기 하부 드럼과 상기 상부 드럼을 연결하는 복수의 연결관들과, 상기 하부 드럼에 외부 공기를 공급하는 외기 공급 관과, 상기 상부 드럼과 상기 연소실을 연결하여 가열된 공기를 상기 연소실에 공급하는 가열 공기 공급관을 구비하는 공기공급장치와,
    상기 연소실에서 배출된 연소가스를 상기 연관에 공급하는 연소가스 덕트와,
    상기 열교환기에 공급되는 물이 저장된 물탱크와,
    상기 연소가스에서 낙하한 재를 제거하도록 상기 연소가스 덕트의 바닥면에 설치된 중공 축을 구비하는 재 이송 스크루와,
    상기 물탱크에 저장된 물을 상기 재 이송 스크루의 중공에 통과시켜 가열할 수 있도록, 상기 중공과 연통된 순환 배관과 이 순환 배관에 설치된 순환 펌프를 포함하는 고체 연료 보일러.
  2. 고체 연료가 연소되는 연소실과,
    상기 연소실과 연통되며 상기 연소실에서 배출된 고온의 연소가스가 흐르는 복수의 연관들을 구비하며, 상기 연소가스와 내부에 저장된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기와,
    상기 연소실의 하부 측면에 배치되는 하부 드럼과, 상기 연소실의 상부 측면에 배치되는 상부 드럼과, 상기 연소실의 측면을 따라서 상기 하부 드럼과 상기 상부 드럼을 연결하는 복수의 연결관들과, 상기 하부 드럼에 외부 공기를 공급하는 외기 공급 관과, 상기 상부 드럼과 상기 연소실을 연결하여 가열된 공기를 상기 연소실에 공급하는 가열 공기 공급관을 구비하는 공기공급장치와,
    상기 연관들과 연결된 연실과,
    상기 열교환기에 공급되는 물이 저장된 물탱크와,
    상기 연소가스에서 낙하한 재를 제거하도록 상기 연실의 바닥면에 설치된 중공 축을 구비하는 재 이송 스크루와,
    상기 물탱크에 저장된 물을 상기 재 이송 스크루의 중공에 통과시켜 가열할 수 있도록, 상기 중공과 연통된 순환 배관과 이 순환 배관에 설치된 순환 펌프를 포함하는 고체 연료 보일러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연소실의 내부 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 연소실의 내부로 요소수를 분사하도록, 상기 연결관들 사이에 설치된 분사 노즐을 더 포함하며,
    상기 온도센서에서 측정된 상기 연소실의 내부 온도가 850℃ 이상이면, 상기 분사 노즐을 통해서 상기 연소실 내부에 요소수를 분사하도록 구성된 고체 연료 보일러.
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