KR20130082322A - 고체 연료용 보일러 및 이를 이용한 고체 연료 연소 방법 - Google Patents

고체 연료용 보일러 및 이를 이용한 고체 연료 연소 방법 Download PDF

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한국에너지기술연구원
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Abstract

고체 연료용 보일러가 개시된다. 고체 연료용 보일러는 내부에 공간이 형성된 연소 챔버; 상기 연소 챔버 내부에 위치하며, 고체 연료가 연소되는 연소 공간을 제공하는 버너 용기; 상기 연소 공간에 상기 고체 연료를 공급하는 고체 연료 공급부; 상기 연소 공간에 제공된 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 센서; 상기 센서에서 측정된 상기 고체 연료의 연소 정도에 따라 상기 연소 공간에 상기 고체 연료가 추가 공급되도록 상기 고체 연료 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

고체 연료용 보일러 및 이를 이용한 고체 연료 연소 방법{BOILER FOR SOLID FEUL AND METHOD FOR BURINNG THE SOILD FEUL USING THE BOILER}
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체 연료를 연소시키는 보일러에 관한 것이다.
석유 고갈로 인한 에너지 위기와 탄소 배출로 인한 지구 온난화 등으로 친환경 에너지에 대한 관심이 날로 증가한다. 펠릿(pellet)은 자연친화적인 연료로 석유등의 대체 에너지로 각광받고 있다. 펠릿은 목재 부산물을 작은 입자로 분쇄, 건조, 압축 성형한 작은 원통 모양으로, 주로 난방 연료로 사용된다.
한국등록특허 제10-1062471호에는 펠릿을 난방 연료로 사용하는 펠릿 연소시스템이 개시된다. 연료 저장부에 저장된 펠릿은 연료 이송부를 통해 펠릿 연소부에 공급된다. 펠릿의 점화 후, 소정 시간이 경과하면 펠릿의 추가 공급이 요구된다. 기공급된 펠릿이 완전 연소 되지 않은 상태에서, 펠릿이 추가 공급될 경우 펠릿 연소부에 펠릿이 과다 공급되어 불완전 연소가 일어난다.
선행기술 1: 한국등록특허 제10-1062471호
본 발명의 실시예들은 고체 연료를 효과적으로 연소시킬 수 있는 고체 연료용 보일러를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 고체 연료의 추가 공급 시점을 용이하게 알 수 있는 고체 연료 보일러를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 연료용 보일러는 내부에 공간이 형성된 연소 챔버; 상기 연소 챔버 내부에 위치하며, 고체 연료가 연소되는 연소 공간을 제공하는 버너 용기; 상기 연소 공간에 상기 고체 연료를 공급하는 고체 연료 공급부; 상기 연소 공간에 제공된 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 센서; 상기 센서에서 측정된 상기 고체 연료의 연소 정도에 따라 상기 연소 공간에 상기 고체 연료가 추가 공급되도록 상기 고체 연료 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 센서는 상기 고체 연료의 연소에서 발생하는 빛의 밝기가 밝아짐에 따라 저항값이 작아지는 광센서를 포함하며, 상기 제어부는 상기 고체 연료의 점화 후, 상기 광센서의 저항값이 증가하는 시점에서 상기 고체 연료가 추가 공급되도록 상기 고체 연료 공급부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 버너 용기를 향해 외부 공기를 송풍하는 송풍관이 상기 연소 챔버에 설치되는 송풍부를 더 포함하며, 상기 센서는 상기 송풍관의 내부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 연료 점화 방법은 연소 공간에 고체 연료를 공급하는 단계; 상기 고체 연료를 점화하는 단계; 상기 고체 연료의 연소가 진행되는 동안, 센서가 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 단계; 및 상기 고체 연료의 연소 정도에 따라 상기 연소 공간에 상기 고체 연료를 추가 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 센서는 상기 고체 연료의 연소에서 발생하는 빛의 밝기 변화로 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 센서는 빛의 밝기가 밝아짐에 따라 저항값이 작아지며, 상기 고체 연료를 추가 공급하는 단계는 상기 센서의 저항값이 증가하는 시간에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 고체 연료가 완전 연소된 후 고체 연료의 추가 공급이 이루어지므로, 고체 연료가 효과적으로 연소된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 고체 연료의 연소 상태를 실시간으로 알 수 있으므로, 고체 연료의 추가 공급 시점을 용이하게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 연료용 보일러를 간략하게 나타내는 단면도이다.
도 2는 빛의 세기에 따른 도 1의 센서의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 펠릿의 점화 후, 광센서의 저항변화를 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체 연료용 보일러와 고체 연료 연소 방법을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 연료용 보일러를 간략하게 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고체 연료용 보일러(10)는 연소부(100)와 연료 공급부(200)를 포함한다. 연소부(100)는 고체 연료(P)를 연소시킨다. 고체 연료(P)의 연소 과정에서 발생한 열은 열 교환 유체와 열 교환된다. 고온으로 가열된 열 교환 유체는 난방 등에 사용된다. 연료 공급부(200)는 연소부(100)에 고체 연료(P)를 공급한다. 고체 연료(P)는 상온에서 고체 상태를 유지하는 연료로써, 펠릿(pellet), 석탄, 숯 그리고 코크스(cokes) 등을 포함한다. 본 실시예에서는 펠릿(P)을 고체 연료의 일 예로 설명한다. 펠릿(P)은 목재를 화학적 성분없이 분쇄 압축하여 만든 연료로, 1~2cm 정도의 크기로 제공된다. 이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
연소부(100)는 연소 챔버(110), 버너부(120), 송풍부(131, 135), 열교환부(140), 그리고 연소 측정부(150)를 포함한다.
연소 챔버(110)는 내부에 공간이 형성된다. 연소 챔버(110)는 펠릿(P)의 연소과정에서 발생하는 가스 및 열이 외부로 방출되는 것을 차단한다. 연소 챔버(110)의 상단부에는 배기구(111)가 형성된다. 배기구(111)는 펠릿(P)의 연소과정에서 발생한 가스가 기 설정된 공간으로 배출되도록 안내한다.
연소 챔버(110)의 내부에는 버너부(120)가 위치한다. 버너부(120)는 펠릿(P)이 연소되는 연소 공간(B)을 형성한다. 버너부(120)는 버너 용기(121), 받침부(122) 그리고 재받이(123)를 포함한다.
버너 용기(121)는 상면 및 하면이 개방된 공간이 내부에 형성된다. 버너 용기(121)의 측벽에는 공기 유입홀(121a)들이 형성된다. 공기 유입홀(121a)들은 버너 용기(121)의 각 영역에 균일하게 형성될 수 있다. 공기 유입홀(121a)들은 버너 용기(121)의 내부와 외부의 공기 흐름을 원활하게 한다. 버너 용기(121)의 내부로 공기 유입은 펠릿(P)의 연소를 원활하게 한다.
받침부(122)는 버너 용기(121)의 하부에 위치하며, 버너 용기(121)를 지지한다. 받침부(122)와 버너 용기(121)의 조합으로, 버너 용기(121)의 내부에는 연소 공간(B)이 형성된다. 받침부(122)는 화격자를 포함한다. 화격자(122)에는 슬릿 형상의 홀(122a)들이 형성된다. 펠릿(P)의 연소과정에서 발생한 재(ashes, A)는 홀(122a)들을 통해 낙하한다.
받침부(122)의 하부에는 재받이(123)가 제공된다. 재받이(123)는 상면이 개방된 공간이 내부에 형성된다. 재받이(123)의 개방된 상면은 홀(122a)들이 형성된 받침부(122) 영역과 마주한다. 홀(122a)들을 통해 낙하된 재(A)는 재받이(123)에 수거된다.
송풍부(131, 135)는 외부 공기를 연소 챔버(110) 내부로 공급한다. 송풍부(131, 135)는 제1송풍부(131)와 제2송풍부(135)를 포함한다.
제1송풍부(131)는 점화용 고온 공기를 연소 공간(B)으로 공급한다. 제1송풍팬(132)의 구동으로 외부 공기가 제1송풍관(133)을 통해 연소 공간(B)에 공급된다. 제1송풍관(133)은 버너 용기(121)에 직접 연결된다. 제1송풍팬(132)이 제공된 영역에는 히터(미도시)가 제공될 수 있다. 히터는 송풍되는 공기를 고온으로 가열한다. 공기는 약 500℃이상으로 가열될 수 있다. 고온 공기가 소정 시간동안 공급되면 펠릿(P)이 점화된다.
제2송풍부(135)는 연소 챔버(110) 내부로 외부 공기를 송풍한다. 제2송풍팬(136)의 구동으로, 외부 공기는 제2송풍관(137)을 통해 연소 챔버(110) 내부로 공급된다. 공기는 고압으로 공급될 수 있다. 연소 챔버(110) 내부로 유입된 공기는 공기 유입홀(121a)들을 통해 연소 공간(B)으로 유입되며, 펠릿(P)의 연소를 원활하게 한다. 그리고, 고압 공기는 강제 유동을 발생시켜 연소 챔버(110) 내부의 공기 흐름을 활발하게 한다.
열 교환부(140)는 버너 용기(121)의 상부에 위치한다. 열 교환부(140)의 내부에는 열 교환 유체가 순환하는 파이프(미도시)가 제공될 수 있다. 펠릿(P)의 연소 과정에서 발생한 열은 열 교환부(140)로 공급되며, 열 교환 유체와 열 교환된다. 가열된 열 교환 유체는 파이프를 통해 순환하며 난방 등에 제공된다. 열 교환 유체는 물과 공기를 포함한다.
연소 측정부(150)는 펠릿(P)의 연소 정도를 측정하고, 연소 공간(B)에 펠릿(P)의 추가 공급을 제어한다. 연소 측정부(150)는 센서(151)와 제어부(152)를 포함한다. 센서(151)는 펠릿(P)의 연소 정도를 측정한다. 센서(151)는 광센서를 포함한다. 광센서(151)는 펠릿(P)의 연소에서 발생하는 빛의 밝기 변화를 통해 펠릿(P)의 연소 정도를 측정한다. 광센서(151)는 도 2와 같이, 펠릿(P)의 연소에서 발생하는 빛의 세기가 커질수록 저항값이 작아지고, 빛의 세기가 작아질수록 저항값이 커지는 씨디에스 센서(CDS sensor)를 포함한다.
광센서(151)는 고체 연료의 연소에서 발생하는 빛에 노출될 수 있는 지점에 위치한다. 광센서(151)는 연소 챔버(110)의 내부에 위치할 수 있다. 광센서(151)는 연소 챔버(110)의 내측벽에 부착될 수 있다. 광센서(151)는 고체 연료의 연소로 인한 연소 챔버(110)의 내부 밝기 변화를 통해 펠릿의 연소 정도를 측정할 수 있다. 이와 달리, 버너 용기(121)의 공기 유입홀(121a)을 통해 노출되는 화염 밝기를 통해 펠릿(P)의 연소 정도를 측정할 수 있다. 이 경우, 광센서(151)는 공기 유입홀(121a)과 동일 높이에 위치할 수 있다.
광센서(151)는 열에 취약하다. 때문에, 광센서(151)에는 연소열로 인한 영향을 최소화하기 위하여, 냉각기가 구비될 수 있다. 이와 달리, 광센서(151)는 연소열의 영향이 최소화될 수 있는 지점에 위치한다. 예컨대, 광센서(151)는 제2송풍관(137) 내에 제공될 수 있다. 제2송풍관(137)을 통해 유입되는 외부 공기는 낮은 온도로 유지되므로, 연소열로 인해 광센서(151)가 고온으로 가열되는 것이 방지될 수 있다. 이와 달리, 광센서(151)는 연료 공급관(225)의 내부에 위치할 수 있다.
제어부(152)는 광센서(151)에서의 측정 결과를 토대로, 연소 공간(B)에 펠릿(P)의 추가 공급을 제어한다.
연료 공급부(200)는 연소 공간(B)에 펠릿(P)을 공급한다. 연료 공급부(200)는 연료 저장조(210), 연료 이송부(220)를 포함한다.
연료 저장조(210)는 펠릿(P)을 저장하며, 저장된 펠릿(P)을 연료 이송부(220)에 공급한다. 연료 저장조(210)의 바닥면에는 투입구(211)가 형성된다. 고체 연료는 투입구(211)을 통해 연료 이송부(220)에 제공된다.
연료 이송부(220)는 연료 저장조(210)에서 공급된 펠릿(P)을 연소 공간(B)으로 이송한다. 연료 이송부(220)는 연료 이송관(221), 이송 스크류(223), 구동기(224), 그리고 연료 공급관(225)을 포함한다.
연료 이송관(221)은 연료 저장조(210)의 하부에 위치한다. 연료 이송관(221)은 일부 영역이 개방되어 연료 저장조(210)의 투입구(211)와 연결된다. 연료 이송관(221)은 버너 용기(121)에 인접할수록 그 높이가 점차 높아지도록 상향 경사지게 배치될 수 있다.
연료 이송관(221)의 전단에는 연료 공급관(225)이 연결된다. 연료 공급관(225)은 하향 경사지게 배치되며, 토출구가 버너 용기(121)에 직접 연결된다. 연료 이송관(221)을 따라 이송된 펠릿(P)은 연료 공급관(225)을 통해 연소 공간(B)에 공급된다.
연료 이송관(221)의 내부에는 이송 스크류(223)가 제공된다. 이송 스크류(223)는 구동기(224)와 연결된다. 구동기(224)의 구동으로 이송 스크류(223)는 회전한다. 이송 스크류(223)의 회전으로 펠릿(P)은 연료 이송관(221)을 따라 이동한다. 구동기(224)는 제어부에(152) 의해 제어된다.
이하, 상술한 고체 연료용 보일러를 이용하여 고체 연료를 연소하는 방법에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 구동기(224)에 의해 이송 스크류(223)가 회전하고, 펠릿(P)이 연료 이송관(221)과 연료 공급관(225)을 통해 연소 공간(B)에 공급된다. 버너 용기(121)의 연소 공간(B)에는 소정 양의 펠릿(P)이 제공된다.
제1송풍부(131)를 통해 고온의 공기가 연소 공간(B)으로 유입된다. 고온 공기는 일정 시간 동안 공급되며, 펠릿(B)을 점화시킨다.
도 3은 펠릿(P)의 점화 후, 광센서(151)의 저항변화를 나타내는 그래프이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 고온 공기 공급 후 제1시간(t1)에서 펠릿(P)의 점화가 발생한다. 점화 후, 펠릿(P)은 점진적으로 타오르며 불꽃의 세기가 커진다. 이때, 광센서(151)의 저항값은 점차 작아진다. 실험예에 의하면, 광센서(151)의 저항값은 약 5MΩ에서 약 0.2MΩ로 작아진다. 이는 제1시간(t1)과 제2시간(t2) 사이 구간 동안, 펠릿(P)의 연소가 점점 활성화되는 것을 의미한다.
제2시간(t2)과 제3시간(t3) 사이 구간에서, 광센서(151)의 저항값은 약 0.2MΩ 내외로 유지된다. 이는 제2시간(t2)과 제3시간(t3) 사이 동안, 연소가 정상상태에서 본격적으로 진행되는 것을 의미한다.
제3시간(t3) 경과 후, 광센서(151)의 저항값은 점차 커진다. 이는 연소 공간(B)에 기 공급된 펠릿(P)이 완전 연소되어 불꽃의 세기가 점차 작아진다는 것을 의미한다.
제어부(152)는 광센서(151)의 저항값이 증가하는 시기에 펠릿(P)이 재공급되도록 구동기(224)를 제어한다. 예컨대, 펠릿(P)은 제4시점(t4)에서 공급될 수 있다. 제4시점(t4)은 광센서(151)의 저항값이 증가하는 구간 중 어느 시점에 해당할 수 있다. 실험예에 의하면, 광센서(151)이 저항값이 약 1MΩ인 경우, 펠릿(P)이 추가공급된다. 제4시점(t4)에서는 연소로 인해 연소 공간(B)에 제공된 펠릿(P)의 양이 과잉 상태가 아니므로, 펠릿(P)을 재공급하더라도 연소 공간(B)에는 펠릿(P)이 정량으로 존재할 수 있다. 재공급된 펠릿(P)은 다시 연소를 활성화한다. 이로 인해, 연소는 정상 상태로 지속될 수 있다.
상기 실시예에서 센서(151)는 광센서가 제공되는 것으로 설명하였으나, 센서(151)의 종류는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 센서(151)는 연소 공간(B) 내의 온도 변화, 또는 연소 챔버(110) 내부의 온도 변화를 측정하며, 제어부(152)는 이러한 온도 변화를 통해 펠릿(P)의 재공급 시점을 결정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 고체 연료용 보일러 100: 연소부
110: 연소 챔버 120: 버너부
131, 135: 송풍부 140: 열 교환부
150: 연소 측정부 151: 센서
152: 제어부 200: 연료 공급부
210: 연료 저장조 220: 연료 이송부
221: 연료 이송관 223: 이송 스크류
224: 구동기 225: 연료 공급관

Claims (6)

  1. 내부에 공간이 형성된 연소 챔버;
    상기 연소 챔버 내부에 위치하며, 고체 연료가 연소되는 연소 공간을 제공하는 버너 용기;
    상기 연소 공간에 상기 고체 연료를 공급하는 고체 연료 공급부;
    상기 연소 공간에 제공된 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 센서;
    상기 센서에서 측정된 상기 고체 연료의 연소 정도에 따라 상기 연소 공간에 상기 고체 연료가 추가 공급되도록 상기 고체 연료 공급부를 제어하는 제어부를 포함하는 고체 연료용 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는
    상기 고체 연료의 연소에서 발생하는 빛의 밝기가 밝아짐에 따라 저항값이 작아지는 광센서를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 고체 연료의 점화 후, 상기 광센서의 저항값이 증가하는 시점에서 상기 고체 연료가 추가 공급되도록 상기 고체 연료 공급부를 제어하는 고체 연료용 보일러.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 버너 용기를 향해 외부 공기를 송풍하는 송풍관이 상기 연소 챔버에 설치되는 송풍부를 더 포함하며,
    상기 센서는 상기 송풍관의 내부에 위치하는 고체 연료용 보일러.
  4. 연소 공간에 고체 연료를 공급하는 단계;
    상기 고체 연료를 점화하는 단계;
    상기 고체 연료의 연소가 진행되는 동안, 센서가 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 단계; 및
    상기 고체 연료의 연소 정도에 따라 상기 연소 공간에 상기 고체 연료를 추가 공급하는 단계를 포함하는 고체 연료 연소 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 고체 연료의 연소에서 발생하는 빛의 밝기 변화로 상기 고체 연료의 연소 정도를 측정하는 고체 연료 연소 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서는 빛의 밝기가 밝아짐에 따라 저항값이 작아지며,
    상기 고체 연료를 추가 공급하는 단계는 상기 센서의 저항값이 증가하는 시간에서 이루어지는 고체 연료 연소 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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IT201800002922A1 (it) * 2018-02-21 2019-08-21 Klover S R L "Metodo per il controllo del rifornimento di combustibile solido in un apparato di riscaldamento e relativo apparato di riscaldamento"
KR20220071494A (ko) * 2020-11-24 2022-05-31 (주)규원테크 고체 연료 연소장치

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