KR20040013810A - 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브라운가스 플랜트에서 대량으로 생산되는 브라운가스를 산업용 보일러, 용융로, 가열로 등에 안정적으로 공급하기 위한 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템에 관한 것이다.

본 발명은 브라운가스의 연소속도를 지연시키기 위하여 브라운가스에 헥산을 증기형태로 혼입시키는 제1시스템과 브라운가스 에어믹서에 의해 공기를 혼합시키는 제2시스템으로 구성하여 사용목적에 따라 선택적으로 사용할 수 있고 특히 후렛쉬백 아레스터의 상부에 응폭압력을 배출할 수 있도록 안전판 발브를 장착하였고 연속조업이 가능하도록 후레임 모디파이어에 헥산자동공급장치를 구성하였다.

이러한 역화방지장치를 구비한 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량 공급시스템은 브라운가스가 대체에너지로써 그 이용범위가 확대됨에 따라 대량의 브라운가스를 산업용 로, 보일러 등에 안정적으로 공급하기 위한 필수조건을 만족하게 한 것이다.

Description

다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템{Multipurpose backfire prevention apparatus and system for supplying brown gas largely}

본 발명은 브라운가스 플랜트에서 대량으로 생산되는 브라운가스를 산업용 보일러, 용융로, 가열로 등에 안정적으로 공급하기 위한 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템에 관한 것이다.

브라운가스란 물의 전기분해방식에 의해 생성되는 수소와 산소가 화학당량비 2:1로 혼합된 가스를 말한다.

브라운가스는 자체산소에 의해 완전연소되는 특성이 있어 연소실에 공기를 넣어 줄 필요가 없으므로 연소용 공기공급장치와 굴뚝이 필요 없는 장점이 있는 반면 역화가 잘 일어나는 단점이 있다.

이러한 브라운가스의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 브라운가스 역화방지장치(실용신안등록 제185304호, 특허출원 제1999-0044793호)(이하 인용특허라 함.)를 이미 출원한 바 있다.

상기 인용특허의 요약서에 의하면 「본 발명의 전체적인 구성은 수 개의 브라운가스 발생기에서 생성되는 브라운가스를 포집하는 가스커플러와; 상기 가스커플러에 포집된 브라운가스를 통과시키기 위한 후렛시백 아레스터와; 후렛시백 아레스터에서 이송되는 가스 중에 함유되어 있는 수분을 제거하기 위한 드레인 케취와; 상기 드레인 케취를 통과한 가스를 선택적으로 공급받아 버너에 공급하기 위한 2대의 프레임 모디파이어 및 프레임 모디파이어에서 공급되는 가스를 연소시키는 버너와 상기의 각 구성에 의한 가스의 공급과 브라운가스발생기의 가동과 중단을 프레셔 콘트롤 루프에 의해 통합제어하기 위한 시스템으로 구성된 브라운가스 역화방지장치이다.」라고 기술하고 있다.

그러나 제강공장의 가열로 또는 시멘트 공장의 킬른 등에 브라운가스를 대량 공급하여 브라운가스 연소촉진시스템에 사용하는 경우, 브라운가스 플랜트로부터 공급되는 가스량은 60,000ℓ/h∼200,000ℓ/h에 달하므로 상기 인용특허에 의한 역화방지장치로는 역화방지 용액으로 사용하는 헥산용액이 다량 소모되고 만약의 경우 헥산용액을 보충하지 않아 역화가 일어났다고 가정하면 임프로젼에 의해 후렛시백 아레스터 또는 프레임 모디파이어가 파손되는 위험을 초래할 수 있어 문제점으로 지적되고 있다.

그 이유는 브라운가스 사용량이 소량일 때는 임플로젼 현상에 의해 파괴력이 크지 않으므로 문제가 없더라도 그 양이 많아지면 에너지량이 많아지기 때문에 파괴력 역시 커지기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 브라운가스 공급량이 대량인 경우에도 안전하게 브라운가스를 공급할 수 있는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템을 제안하기 위한 것이다.

브라운가스 대량공급시스템을 제안하기 위한 본 발명은 무엇보다 브라운가스만의 임플로젼 특성을 고려하지 않으면 안된다. 브라운가스발생장치는 1리터의 물로 약 1860리터의 브라운가스를 생산한다. 반대로 1860리터의 브라운가스를 밀폐된 압력용기 내에서 스파크에 의해 연소시켜 보면, 도8에서 보이는 바와 같이 폭발지속시간 백만분의 44초 동안에 압력 최고치 0.5MPa에 이르자마자 즉시 압력강하를 일으키는 순간 저압의 내폭과 동시에 1860분의 1로 체적감소가 일어나면서 진공도를 형성시킨다. 즉, 다시 물 1리터가 생성되고 나머지 체적은 진공상태가 된다. 이것은 Explosion(폭발)과는 전혀 다른 개념인 Implosion(응폭)이라고 설명된다.

상기 임플로젼 현상을 보면 폭발이 일어나는 순간의 최고압력(0.5MPa)을 견딜 수 있는 내구성만 갖추면 비교적 안전함을 알 수 있다. 그 이유는 너무나 짧은 순간(44㎲)에 크지 않는 응폭압력이 생기자마자 없어지면서 진공상태가 되기 때문에 파괴력이 크지 않기 때문이다.

실제로 브라운가스발생기 모델 중 2000ℓ/h를 생산하는 BS-2000 모델로 임플로젼 실험을 했을 경우 역화방지장치 등이 파손되는 일은 없었다.

그러나 임플로젼시 피크압력(0.5MPa)가 낮다 하더라도 대용량의 경우 가스량이 많아지면 많아진 만큼 에너지량이 많아지므로 큰 파괴력을 나타낸다. 따라서 본 발명은 후렛쉬백 아레스터 상부에 상기 순간 압력을 배출할 수 있는 압력스프링식 안전판 밸브를 장착하여 안전을 보장하기 위한 것이다.

다음으로 역화를 방지하기 위하여 고려하여야 할 점은 역화는 연소속도가 빠른 연료일수록 잘 일어난다는 점이다.

기체연료에 연소용 공기를 혼합하여 연소시킬 때 연소속도를 보면 수소는 297cm/s, 아세틸렌은 154cm/s, 프로판 43cm/s, 헥산은 39cm/s이다.

상기 연소속도의 크기는 가연한계 내에서 혼합기체의 농도에 의해 크게 영향을 받는다. 또 혼합기체 중 불활성기체의 종류나 양에도 크게 영향을 받는다. 산화제로써 순수한 산소를 사용하였을 때 최대가 된다. 예를 들면 수소/산소 혼합기체는 1,400cm/s, 아세틸렌/산소 혼합기체는 1,140cm/s로서 상기 공기혼합기체에 비하여 5∼7배 정도 연소속도가 증가한다.

상기 산화제 중의 산소분율을 바꾸었을 때 연소속도는 산소농도에 따라 연소속도가 달라지게 되는데 산소농도가 0.21일 때의 속도를 비교하여 당량비 농도 근처에서 최고가 되고 그보다 희박하면 작아진다.

따라서 순수 수소와 산소의 혼합기체인 브라운가스에 공기를 혼합하면 연소속도가 지연되고 역화를 방지할 수 있게 됨을 알 수 있다.

한편 상기 인용특허 역시 이러한 기술적 측면을 고려한 것으로 브라운가스를 헥산(Hexane)용액 속을 통과시켜 증기형태로 소량의 헥산이 브라운가스에 혼입됨으로써 연소속도를 지연시키는 방법으로 역화문제를 해결한 것이다.

그러나 브라운가스 사용량에 비례하여 헥산용액이 많이 소모되므로 대용량의 경우 헥산의 소모량을 무시할 수 없게 된다. 따라서 본 발명은 헥산을 소모시키는 후레임 모디파이어를 통과하지 않고도 역화를 방지할 수 있도록 하기 위해서 압축공기를 브라운가스에 혼합하여 연소속도를 지연시키고 동시에 브라운가스를 연소실에 고속으로 불어넣음으로써 역화를 원천적으로 방지하기 위한 것이다.

본 발명은 브라운가스의 역화문제를 완벽하게 해결함으로써 대체에너지 브라운가스를 산업용 보일러, 가열로 등의 연료로 사용하기 위한 것이며 또한 벙커-C유, 석탄(미분탄) 등 값싼 저질연료를 사용하는 대형보일러, 가열로 등의 연소실에 브라운가스를 주입하여 연소촉진을 시켜 불완전연소 부분을 완전연소로 유도함으로써 막대한 연료비용을 절감하기 위한 것이다.

따라서 본 발명은 브라운가스를 이용하는 목적에 따라 두 시스템으로 운용될 수 있도록 구성한 것으로,

제1시스템은 브라운가스 플랜트로부터 공급되는 브라운가스를 후렛쉬백 아레스터를 통과시키고, 후레임 모디파이어를 통과시켜 소량의 헥산이 증기상태로 혼입되도록 한 후, 압축공기를 차단한 상태로 브라운가스 에어믹서를 통과하도록 하여 브라운가스버너에 의해 연소시키는 브라운가스 공급라인이고,

제2시스템은 후렛쉬백 아레스터를 통과한 브라운가스를 후레임 모디파이어로 보내지 않고 곧바로 압축공기를 이용한 브라운가스 에어믹서로 보내 분출압력을 높임으로써 역화를 방지하고 동시에 일정량의 공기가 혼합되면서 연소속도를 지연시켜 원천적으로 역화가 일어나지 않도록 구성한 시스템이다.

상기 제2시스템은 브라운가스발생장치의 운전압력이 1kg/cm²이하로 저압인 점을 고려하여 압축공기에 의해 분사압력을 높인 것이며 브라운가스에 소정의 공기를 혼합함으로써 2중으로 역화를 방지한 것이다.

또한, 상기 후렛쉬백 아레스터는 최종적으로 역화를 차단하기 위한 것이므로 본체상부에 후랜지를 붙여 브라인드 후랜지로 상판을 형성하여 밀봉하되 후랜지 볼트에 스프링을 장착하여 스프링 압력에 의해 밀봉되도록 구성하여 유사시 안전변 역할을 하도록 한 것이다.

또한, 본 발명에 의한 다목적 역화방지장치는 산업용 보일러, 가열로 등 다양하게 사용하기 위한 것으로 연속 조업이 가능하도록 24시간 자동운전 될 수 있는 시스템을 갖출 필요가 있다. 이와 관련 상기 후레임 모디파이어의 본체탱크 내부의 상한 수위와 하한 수위가 일정수준을 유지할 수 있도록 헥산을 공급하되 내부압력을 고려한 서비스탱크와 가압탱크에 의한 자동공급장치를 구비하도록 하여야 한다.

또한, 브라운가스를 연료로 사용하는 가열로, 용융로, 킬른 등에 본 브라운가스공급시스템을 사용하는 경우 로를 처음 가동하기 위하여 예열할 때는 상기 제1시스템라인을 가동하여 버너에 불을 붙여 사용하고, 로 내부의 온도가 일정온도 이상으로 올라가면 제1시스템라인을 차단하고 제2시스템라인을 가동하여 브라운가스에 의한 가열의 목적을 달성하면서도 헥산을 소모시키지 않고 완벽하게 역화를 방지할 수 있게 한다.

도1은 본 발명의 전체시스템을 나타내는 시스템도.

도2는 본 발명의 역화방지장치의 구성상태를 예시한 사시도.

도3은 본 발명의 안전판 밸브를 장착한 후렛쉬백 아레스터의 전체사시도.

도4는 본 발명의 안전판 밸브를 나타낸 상세 단면도.

도5는 본 발명의 헥산자동공급장치를 구비한 후레임 모디파이어의 구성을 보여주는 전체사시도.

도6은 본 발명의 브라운가스 에어믹서의 전체구성을 나타내는 조립단면도.

도7은 본 발명의 브라운가스버너의 전체구성을 나타내는 조립단면도.

도8은 브라운가스의 임플로젼 특성을 도시한 설명도.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 브라운가스 플랜트 15, 16: 솔레노이드 밸브

20: 후렛쉬백 아레스터 21, 22: 인렛트, 아웃렛 밸브

23: 주수구 24: 압력게이지

25: 액면게이지 26: 침지관

27: 기체분산관30: 안전판 밸브 31: 하부후랜지 32: 상판 33: 후랜지 볼트낫트 34: 패킹 35: 압력스프링 40: 후레임 모디파이어 41: 수위센서 42: 침지관 43: 기체분산관44: 액면게이지 45: 헥산주입구50: 헥산자동공급장치 51: 헥산공급펌프52: 가압탱크 53: 상한압력스위치54: 하한압력스위치 55, 56: 솔레노이드 밸브60: 브라운가스 에어믹서 61: 브라운가스 인입실62: 브라운가스 인입구 63, 64: 후랜지65: 디퓨셔

70: 콤프레셔 71: 압축공기노즐

80: 브라운가스버너 81: 버너하우징

82: 분사노즐 83: 쿨링에어인입구

84: 고정후랜지 90: 연소실

이하, 본 발명에 따른 다목적 브라운가스 대량공급시스템에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1 내지 도7에서 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시 예에 따른 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템은 솔레노이드 밸브(15, 16)에 의해 두 시스템을 사용할 수 있는 것으로서, 제1시스템은 브라운가스플랜트(10)로부터 공급되는 대량의 브라운가스를 후렛시백 아레스터(20)을 통과시키고 역화방지액으로 헥산이 들어있는 후레임 모디파이어(40)를 통과시키면서 소량의 헥산이 증기형태로 브라운가스에 혼입 되도록하고 솔레노이드 밸브(67)에 의해 압축공기라인을 차단한채 브라운가스 에어믹서(60)을 통과하여 브라운가스버너(80)에 보내도록 구성된 시스템이다.

또한 제2시스템은 브라운가스를 상기 후렛쉬백 아레스터(20)을 통과시킨 후 후레임 모디파이어(40)으로 보내지 않고 곧바로 브라운가스 에어믹서(60)으로 보내 콤프레셔(70)으로부터 공급되는 압축공기에 의해 브라운가스 인입실(61)에 충만된 브라운가스가 디퓨셔(65)에 의해 고속으로 이송되면서 공기와 혼합된 상태로 브라운가스버너(80)에 의해 연소실 안으로 분출시키는 시스템이다.

상기 후렛쉬백 아레스터(20)은 몸체내부에 물을 채워 일정한 양이 유지되도록 관리하기 위한 액면게이지(25)가 부착되어 있고 몸체상부에 장착한 상판(32)에는 주수구(23)과 압력게이지(24)가 부설되어 있으며 인렛트 밸브(21)을 열어 브라운가스가 공급되면 침지관(26)을 따라 하면에 위치한 기체분산관(27)에 이르고 이곳에서 다수개의 작은 구멍을 통해 작은 기포를 이루면서 수면위로 떠오른다. 수면상부에 모아진 브라운가스는 아웃렛 밸브(22)를 통하여 다음 부속장치로 공급된다.

본 발명의 상기 후렛쉬백 아레스터(20)은 만약 역화가 일어났을 경우에 본체 상부에 포집된 브라운가스가 한꺼번에 연소하면서 발산하는 응폭 에너지를 배출할 수 있도록 안전판 밸브(30)을 장착한 것이 특징이다.

상기 안전판 밸브(30)은 후렛쉬백 아레스터(20)의 상부에 하부 후랜지(31)을 부착하고 이와 맞대응하는 브라인더 후랜지로 상판(32)을 형성하여 하부 후랜지와 상판 사이에 패킹(34)를 넣고 별도로 준비한 압력스프링(35)이 장착된 후랜지 볼트넛트(33)로 체결하여 평소에는 스프링(35)압력에 의해 완전 밀봉되도록 한 것이다.

상기 후레임 모디파이어(40)는 역화방지용액으로 헥산을 채울 수 있도록 몸체의 측면에 액면게이지(43), 상부에 헥산주입구(45)를 구비하고 특별히 수위센서(41)이 작동하도록 되어 있고 인렛트로부터 공급된 브라운가스가 침지관(42)와 기체분산관(43)을 통해 헥산용액을 통과한 후 증기형태로 소량의 헥산이 혼입되어 본체 상부에 포집된 후 아웃렛 관로로 공급하도록 구성된 것이다.

상기 후레임 모디파이어(40)은 본 발명의 목적을 달성할 수 있도록 특별히 헥산자동공급장치(50)을 구성한 것으로 헥산자동공급장치(50)은 헥산서비스탱크로부터 공급되는 헥산을 헥산공급펌프(51)에 의해 일정압력(약 2kg/cm²)이상으로 압축되어 가압탱크(52)에 저장되도록 하고 후레임 모디파이어(40)의 내부에 입설된 수위센서(41)에 의해 작동하는 솔레노이드 밸브(55)의 "ON", "OFF" 개폐에 의해 자동으로 헥산을 공급하는 장치이다.

상기 가압탱크(52)에는 상한압력스위치(53)과 하한압력스위치(54)가 부착되어 있어 일정압력(약 2kg/cm²)의 압력에서 하한압력스윗치(54)의 작동에 의해 솔레노이드 밸브(56)가 열리면서 헥산공급펌프(51)이 가동하고 일정압력(약 2.5kg/cm²)에 이르면 상한압력스위치(53)에 의해 솔레노이드 밸브(56)가 닫히면서 펌프가 정지하도록 구성한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 브라운가스 에어믹서(60)은 브라운가스 인입실(61)을 몸체로 하여 일측에는 브라운가스 인입구(62)가 형성되고 인입구(62)와 90°를 이루는 센터라인상의 일측에 압축공기노즐(71)이 풀렌지(63)에 의해 조립되고 또한 연결관(72)이 조립되며 센터라인상의 또다른 일측에는 인렛트 디퓨셔(65a), 스롯트(65b) 및 아웃렛 디퓨셔(65c)로 형성된 디퓨셔(65)가 플랜지(64)에 의해 일체형으로 조립구성된 것이다.

상기 브라운가스 에어믹서(60)은 콤프레셔(70)으로부터 공급되는 압축공기가 노즐(71)에 의해 분출되면서, 분사운동에너지에 의해 브라운가스 인입실(61)에 충만된 브라운가스를 흡입하여 디퓨셔(65)에 의해 높은 에너지로 연소실 쪽으로 이송시키는 장치이다.

상기 브라운가스 에어믹서(60)에 접속되는 브라운가스버너(80)는 브라운가스를 연소실(90)에 깊숙이 불어 넣어주기 위한 장치로 연소실 외벽에 고정 설치되는 버너하우징(81)과 버너하우징(81)에 조립 고정되는 분사노즐(82)로 구성되고 분사노즐(82)과 하우징(81) 사이에 일정한 간극을 형성하여 쿨링에어 인입구(83)에 공급되는 압축공기 쿨링에어에 의해 분사노즐(82)이 과열되지 않도록 구성한 것이다. 이때, 브라운가스버너(80)의 기능은 공기와 일정비율로 혼합된 브라운가스가 고속으로 분출하므로 버너 팁(86)에 불이 붙지 않고 또한 역화도 일어나지 않도록 구성한 것이다.

본 발명은 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템에 관한 것으로 브라운가스의 연소속도를 지연시키기 위하여 브라운가스에 헥산을 증기형태로 혼입시키는 제1시스템과 브라운가스 에어믹서에 의해 공기를 혼합시키는 제2시스템으로 구성하였고, 특히 본 발명은 브라운가스만의 임플로젼 특성을 응용하여 만약 역화가 일어났을 경우도 안전하게 응폭압력을 배출할 수 있도록 안전판 밸브를 구성하여 2중, 3중으로 역화방지의 목적을 달성하였다.

이러한 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템은 브라운가스가 대체에너지로서 그 이용범위가 확대됨에 따라 산업용 로, 보일러 등에도 안정적으로 브라운가스를 공급할 수 있게 하였고, 시멘트공장의 킬른이나 제강공장의 가열로 등 거대한 시설에서 브라운가스 연소촉진시스템을 적용하여 벙커-C유, 석탄 등의 저질연료를 그대로 쓰면서도 연소를 촉진시킴으로써 막대한 에너지 비용을 절감할 수 있게 하였다.

특히 산업현장의 가열로, 용융로 등의 로의 예열이 필요할 경우, 본 발명의 제1시스템을 이용하여 충분히 예열하고 일정온도로 상승하면 제2시스템으로 교체 사용하여 연속 조업함으로서 헥산용액을 소모시키지 않고 경제적으로 운용할 수 있는 아주 유용한 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 브라운가스플렌트(10)으로부터 공급되는 브라운가스를 후렛쉬백 아레스터(20)을 통과시키고, 이후 후레임 모디파이어(40)을 통과시켜 소량의 헥산이 증기형태로 브라운가스에 혼입되도록 하여 브라운가스버너(80)으로 보낼 수 있도록 구성한 제1시스템과, 상기 후렛쉬백 아레스터(20)을 통과한 브라운가스를 후레임 모디파이어(40)으로 보내지 않고 곧바로 브라운가스 에어믹서(60)으로 보내 공기와 혼합시키면서 고속으로 브라운가스버너(80)에 보낼 수 있도록 구성한 제2시스템과, 상기 제1시스템과 제2시스템을 사용목적에 따라 선택적으로 운용할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템.
2. 역화방지용 후렛쉬백 아레스터(20)에 있어서, 본체 상부에 하부후랜지(31)와 상판(32)을 구성하여 하부후랜지(31)과 상판(32) 사이에 패킹을 넣고 압력스프링(35)이 장착된 후랜지 볼트낫트(33)으로 체결하여 유사시 응폭압력을 배출 할 수 있도록 안전판 밸브(30)을 장착한 것을 특징으로 하는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템.
3. 역화방지용 후레임 모디파이어(40)에 있어서, 헥산공급펌프(51)와 펌프(51)에 의해 일정압력 이상으로 압축되도록 구성한 가압탱크(52)와 가압탱크(52)에 부착된 상한압력스위치(53)과 하한압력스위치(54)와 상기 압력스위치에 의해 작동하는 솔래노이드 밸브(56)과 후레임 모디파이어(40)의 본체 내부에 입설한 수위센서(41)과 수위센서(41)에 의해 작동하는 솔레노이드 밸브(55)의 개폐에 의해 자동으로 헥산이 공급될 수 있도록 구성한 헥산자동공급장치(50)을 구비한 것을 특징으로 하는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템.
4. 역화방지용 브라운가스 에어믹서(60)에 있어서, 브라운가스 인입실(61)을 몸체로 하여 일측에는 브라운가스 인입구(62)가 형성되고 인입구(62)와 90도 각을 이루는 센터라인상의 일측에 압축공기노즐(71)이 플랜지(63)에 의해 조립되고 또한 연결관(72)가 조립되며 센터라인상의 또 다른 일측에는 인렛트 디퓨셔(65a), 스롯트(65b) 및 아웃렛 디퓨셔(65c)로 형성된 디퓨셔(65)가 연결후랜지(64)에 의해 일체형으로 조립된 것을 특징으로 하는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템.
5. 역화방지용 브라운가스버너(80)에 있어서, 연소실(90)의 외벽에 고정되는 버너하우징(81)과 버너하우징(81)에 조립되는 분사노즐(82)와 상기 버너하우징의 내부의 분사노즐(82) 외측에 일정 간극이 생성되도록 하여 쿨링에어를 불어주기 위한 쿨링에어 인입구(83)를 구비하고 이를 일체로 조립하여 버너 팁(86)의 과열을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연결후랜지(85)에 의해 상기 브라운가스에어믹서(60)와 조립구성되어 분사기능과 버너기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 다목적 역화방지장치 및 브라운가스 대량공급시스템.