KR20130118590A - 하향 희박 연소식 보일러 - Google Patents

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KR20130118590A
KR20130118590A KR1020120041572A KR20120041572A KR20130118590A KR 20130118590 A KR20130118590 A KR 20130118590A KR 1020120041572 A KR1020120041572 A KR 1020120041572A KR 20120041572 A KR20120041572 A KR 20120041572A KR 20130118590 A KR20130118590 A KR 20130118590A
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Abstract

본 발명은 하향 희박 연소식 보일러에 관한 것으로, 이를 위해 상부로는 연료투입구가 형성되고 내부로는 고체연료를 안착시킬 수 있도록 안착수단(20)이 수평배치되며, 상기 안착수단(20)에 안착된 고체연료를 열분해시켜 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성할 수 있도록 내벽면에 버너(12)가 구비되는 열분해실(10);과, 상기 열분해실(10)에서 발생되는 미연소가스와 탄소연료를 중력방향으로 유도하고, 탄소연료와 미연소가스의 반응에 의해 생성되는 가연성가스(H2, CO, CO2, CH4)를 과급 공기와 혼합시켜 희박 연소될 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 시계방향 또는 반시계방향으로 하향공급되는 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성된 1차 공기공급부(30);와, 내부 열을 회수하여 내화물벽체(41)를 보호할 수 있도록 내화물벽체(41)의 내부에 제 1스팀파이프(42)를 다수 내장시키고, 상기 1차 공기공급부(30)를 통해 유도되는 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 1차 희박 연소시키는 제 1연소실(40);과, 상기 제 1연소실(40)의 측부에 결합되어 상기 제 1연소실(40)로부터 미연소된 고온의 가연성가스와 탄소연료를 유도할 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 공급되는 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성된 2차 공기공급부(50);와, 상기 2차 공기공급부(50)를 통해 유도된 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 2차 희박 연소시키는 제 2연소실(60); 및 상기 제 2연소실(60)로부터 배출되는 배기가스를 체류시간을 증대시킬 수 있도록 지그재그 형태로 형성된 격판(71)과, 상기 격판(71)을 따라 유도되는 배기가스에 포함된 열원을 전달받을 수 있도록 상기 각 격판(71)을 관통하여 수직방향으로 다수 설치되는 제 2스팀파이프(72)로 이루어지는 보일러(70);를 포함하여 이루어지되, 상기 제 2연소실(60)은 방열되어 손실되는 열에너지를 보일러(70)의 내부 온도로 보상할 수 있도록 보일러(70)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

하향 희박 연소식 보일러{BOILER FOR DOWN LEAN BURN COMBUSTION}
본 발명은 하향 희박 연소식 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체연료(폐합성고분자폐기물, 석탄, 타르, 슬러지, 음식물쓰레기, 폐목재, petro coke, RPF, RDF, WDF, TDF 등)를 열분해하여 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성하고, 열분해실에서 생성된 미연소가스와 탄소연료는 하향 공급되는 공기를 통해 중력방향으로 유도하면서 화학반응에 의해 가연성가스(H2, CO, CO2, CH4)를 생성하고, 생성된 가연성가스와 반응하지 않은 탄소연료는 1차 연소실에서 과량의 공기 혼합비에 의해 1차 희박 연소시키고, 1차 연소실에서 연소되지 않은 가연성가스와 탄소연료는 2차 연소실에서 과량의 공기 혼합비에 의해 2차 희박 연소를 통해 완전연소시켜 배기가스를 클린화시키고, 마지막으로 클린화된 배기가스는 보일러의 내부를 지그재그 형태로 경유하여 열교환될 수 있도록 하여 열효율성 및 유해가스의 저감을 극대화시킬 수 있는 구조의 하향 희박 연소식 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 고체 연료를 사용하는 보일러는 고체 연료의 연소를 위해 공기를 공급하게 되는데, 이 때 보일러의 내부에 발생되는 미연소가스는 온도 상승에 비례하여 상승하여 확산되고, 이에 따라 대용적의 연소실이 필요하게 되며, 또한 연소되지 않는 미연소가스를 연소시키기 위한 별도의 연소실을 마련해야 하는 문제점이 있었다.
특히 플라스틱류, 고무류, 수지류와 같은 폐합성고분자폐기물은 수분함량이 적고 발열량이 높기 때문에 이를 처리하는데 있어서, 폐기물 표면에서 발생하는 가스와 공기의 혼합이 원활하지 못하기 때문에 불안전연소가 되기 쉽고, 분진의 발생이 심해지고 열효율이 저하하며 NOx등 공해물질의 발생이 많아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 고체연료(폐합성고분자폐기물, 석탄, 타르, 슬러지, 음식물쓰레기, 폐목재, petro coke, RPF, RDF, WDF, TDF 등)를 열분해하여 생성되는 가연성가스를 다단계에 걸쳐 과량의 공기와 혼합시켜 희박 연소시켜 열효율성 및 유해가스의 저감을 극대화시킬 수 있는 하향 희박 연소식 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 고온의 난방수 및 스팀을 동시에 제공할 수 있는 구조의 하향 희박 연소식 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 3목적은, 관경이 작아지는 공기혼합실 내부로 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 기류를 형성시켜 베르누이원리에 의해 열분해된 가연성가스 중력방향으로 유도할 수 있는 구조의 하향 희박 연소식 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 4목적은, 안착수단과, 1차 공기공급부 및 제 1연소실로 냉각수를 공급하여 고온에 의한 장치의 산화부식을 방지할 수 있어 장치의 수명을 증대시킬 수 있는 구조의 하향 희박 연소식 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은 하향 희박 연소식 보일러에 관한 것으로, 이를 위해 상부로는 연료투입구가 형성되고 내부로는 고체연료를 안착시킬 수 있도록 안착수단(20)이 수평배치되며, 상기 안착수단(20)에 안착된 고체연료를 열분해시켜 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성할 수 있도록 내벽면에 버너(12)가 구비되는 열분해실(10);과, 상기 열분해실(10)에서 발생되는 미연소가스와 탄소연료를 중력방향으로 유도하고, 탄소연료와 미연소가스의 반응에 의해 생성되는 가연성가스(H2, CO, CO2, CH4)를 과급 공기와 혼합시켜 희박 연소될 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 시계방향 또는 반시계방향으로 하향공급되는 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성된 1차 공기공급부(30);와, 내부 열을 회수하여 내화물벽체(41)를 보호할 수 있도록 내화물벽체(41)의 내부에 제 1스팀파이프(42)를 다수 내장시키고, 상기 1차 공기공급부(30)를 통해 유도되는 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 1차 희박 연소시키는 제 1연소실(40);과, 상기 제 1연소실(40)의 측부에 결합되어 상기 제 1연소실(40)로부터 미연소된 고온의 가연성가스와 탄소연료를 유도할 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 공급되는 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성된 2차 공기공급부(50);와, 상기 2차 공기공급부(50)를 통해 유도된 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 2차 희박 연소시키는 제 2연소실(60); 및 상기 제 2연소실(60)로부터 배출되는 배기가스를 체류시간을 증대시킬 수 있도록 지그재그 형태로 형성된 격판(71)과, 상기 격판(71)을 따라 유도되는 배기가스에 포함된 열원을 전달받을 수 있도록 상기 각 격판(71)을 관통하여 수직방향으로 다수 설치되는 제 2스팀파이프(72)로 이루어지는 보일러(70);를 포함하여 이루어지되, 상기 제 2연소실(60)은 방열되어 손실되는 열에너지를 보일러(70)의 내부 온도로 보상할 수 있도록 보일러(70)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 1차 공기공급부(30)는 제 1공기공급관(311)이 연결되고 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성되는 제 1하우징(31)과, 상기 제 1공기공급관(311)을 통해 유입되는 공기가 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 경사지게 다수 형성되는 제 1노즐공(321)과, 상기 제 1하우징(31) 및 제 1공기혼합실(32)이 고온에 의해 산화되어 부식되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 1하우징(31) 내부의 상부 및 하부에 배치되는 냉각수챔버(33)와, 상기 각 냉각수챔버(33)를 순환하고 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부를 냉각할 수 있도록 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 둘레에 배치되는 다수의 냉각관(331)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
제 3발명은, 제 1발명에서, 상기 제 1연소실(40)은 하부에 탄소연료의 회분을 유도하기 위해 호퍼 형상으로 이루어지고 하단에는 연소된 회분을 수거하기 위해 배출구(411)가 형성되는 이중 내화물벽체(41)와, 상기 내화물벽체(41)의 사이에 다수 배치되어 열을 회수하는 제 1스팀파이프(42)와, 열전달이 용이하도록 상기 각 제 1스팀파이프(42)를 연결하는 금속판재(43)와, 상기 제 1스팀파이프(42) 및 금속판재(43)의 외측에 배치되는 단열재(44)를 포함하는 것이 바람직하다.
제 4발명은, 제 2발명에서, 상기 2차 공기공급부(50)은 제 2공기공급관(511)이 연결되고 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성되는 제 2하우징(51)과, 상기 제 2공기공급관(511)을 통해 유입되는 공기가 상기 제 2공기혼합실(52)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 제 2공기혼합실(52)의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향하향 경사지게 길이방향으로 다수 형성되는 제 2노즐공(521)으로 구성되는 것이 바람직하다.
제 5발명은, 제 2발명에서, 상기 안착수단(20)은 1차 공기공급부(30)에 이격된 상태로 열분해실(10)의 내부에 거치되는 안착테(21)와, 상기 안착테(21)와 연결대(22)를 통해 연결되고 열분해되지 않은 고체연료가 1차 공기공급부(30)의 제 1공기혼합실(32)로 수직 낙하되지 않도록 제 1공기혼합실(32)에 해당하는 위치에 배치되는 막음판(23)으로 구성되는 것이 바람직하다.
제 6발명은, 제 4발명에서, 상기 1차 공기공급부(30) 및 2차 공기공급부(50)의 공기공급은 상기 1차 공기공급부(30)의 냉각수챔버(33)를 통해 유출되는 고온의 스팀을 열교환기(80)를 통해 외부공기와 열교환시켜 고온의 공기 상태로 공급되는 것이 바람직하다.
제 7발명은, 제 5발명에서, 상기 안착수단(20)은 내부로 냉각수를 순환시켜 열적 변형을 최소화시키고 고온에 의한 산화부식을 방지하며, 상기 냉각수는 스팀화되어 보일러(70)를 통해 배출되는 제 2스팀파이프(72)로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러에 따르면,고체연료(폐합성고분자폐기물, 석탄, 타르, 슬러지, 음식물쓰레기, 폐목재, petro coke, RPF, RDF, WDF, TDF 등)를 열분해하여 생성되는 가연성가스를 다단계에 걸쳐 과량의 공기와 혼합시켜 희박 연소시켜 열효율성 및 유해가스의 저감을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 1차 공기공급부를 통해 유출되는 스팀을 이용하여 외부공기와 열교환시켜 연료혼합실의 내부로 재공급함하여 연소의 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 고온의 난방수 및 스팀을 동시에 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 관경이 작아지는 공기혼합실 내부로 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 기류를 형성시켜 베르누이원리에 의해 열분해된 가연성가스 중력방향으로 유도할 수 있어 하향 희박 연소를 실현할 수 있는 장점이 있다.
또한 안착수단과, 1차 공기공급부 및 제 1연소실로 냉각수를 공급하여 고온에 의한 장치의 산화부식을 방지할 수 있어 장치의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 개념도,
도 2는 도 1에서 발췌된 안착수단의 사시도,
도 3은 도 1에서 발췌된 제 1공기공급부의 사시도 및 단면도,
도 4는 도 1에서 A-A선에 따른 제 1연소실의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 냉각수 및 스팀 경로를 도시한 작동도,
도 6은 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 고체연료의 희박 연소를 도시한 작동도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 개념도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 안착수단의 사시도이고, 도 3은 도 1에서 발췌된 제 1공기공급부의 사시도 및 단면도이며, 도 4는 도 1에서 A-A선에 따른 제 1연소실의 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고체연료(폐합성고분자폐기물, 석탄, 타르, 슬러지, 음식물쓰레기, 폐목재, petro coke, RPF, RDF, WDF, TDF 등)를 열분해하여 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성하고, 열분해실에서 생성된 미연소가스와 탄소연료는 하향 공급되는 공기를 통해 중력방향으로 유도하면서 화학반응에 의해 가연성가스(H2, CO, CO2 , CH4)를 생성하고, 생성된 가연성가스와 반응하지 않은 탄소연료는 1차 연소실에서 과량의 공기 혼합비에 의해 1차 희박 연소시키고, 1차 연소실에서 연소되지 않은 가연성가스와 탄소연료는 2차 연소실에서 과량의 공기 혼합비에 의해 2차 희박 연소시켜 완전연소시켜 배기가스를 클린화시키고, 마지막으로 클린화된 배기가스는 보일러의 내부를 지그재그 형태로 경유하여 배기될 수 있도록 하여 열효율성 및 유해가스의 저감을 극대화시킬 수 있는 하향 희박 연소식 보일러(100)에 관한 것이다.
이러한 하향 희박 연소식 보일러(100)는 1차 공기공급부(30) 및 2차 공기공급부(50)를 통해 공급되는 공기로 연료의 혼합비를 최소화하고 하향기류에 의한 내부 압력을 낮춤으로써 하향 희박 연소가 가능한 특징이 있다.
본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러(100)는 크게 6개 부분으로 구성되는데, 이는 열분해실(10)과, 1차 공기공급부(30)와, 제 1연소실(40)과, 2차 공기공급부(50)와, 제 2연소실(60) 및 보일러(70)로 구성된다.
상기 열분해실(10)은 고체연료를 열분해시켜 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성할 수 있도록 내부에 버너(12)가 구비되는 구조이다.
여기서 상기 버너(12)는 고체연료에 포함된 휘발성분만을 연소시켜 열에너지를 발생시키고, 더불어 연소된 열에너지에 의해 열분해실(10)의 내부를 고온의 분위기로 전환시켜 고체연료를 미연소가스(CO2 , H2O)와 건류된 탄소연료로 열분해시키는 기능을 한다.
이러한 열분해실(10)은 상부로는 연료투입구(11)가 형성되고 내부로는 고체연료를 안착시킬 수 있도록 안착수단(20)이 수평배치되는 구성이다.
이 때 상기 안착수단(20)은 상부로 고체연료가 안착될 수 있도록 하기 위한 것으로, 1차 공기공급부(30)에 이격된 상태로 열분해실(10)의 내부에 거치되는 안착테(21)와, 상기 안착테(21)와 연결대(22)를 통해 연결되고 열분해되지 않은 고체연료가 1차 공기공급부(30)의 제 1공기혼합실(32)로 수직 낙하되지 않도록 제 1공기혼합실(32)에 해당하는 위치에 배치되는 막음판(23)으로 구성된다.
즉, 상기 안착수단(20)은 막음판(23)을 통해 열분해되지 않은 고체연료가 1차 공기공급부(30)의 제 1공기혼합실(32)로 직접적으로 낙하되지 못하게 하는 기능을 한다.
또한 상기 안착수단(20)은 안착테(21)와, 연결대(22) 및 막음판(23)을 중공의 형태로 구성하여 내부로 냉각수를 순환시킬 수 있도록 구성하여 열적 변형을 최소화시키고, 상기 냉각수를 스팀화시켜 후술되는 보일러(70)를 통해 배출되는 제 2스팀파이프(72)로 공급될 수 있도록 한 구조이다.
아울러 상기 1차 공기공급부(30)는 제 1공기공급관(311)이 연결되고 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성되는 제 1하우징(31)과, 상기 제 1공기공급관(311)을 통해 유입되는 공기가 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 경사지게 다수 형성되는 제 1노즐공(321)으로 구성된다.
여기서 상기 각 제 1노즐공(321)은 배출되는 공기를 통해 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부 압력을 베루누이원리에 의해 낮춤으로써 버너(12)의 화염 및 열기와, 열분해된 미연소가스와 탄소연료를 중력의 반대방향으로 유도할 수 있다
따라서 열분해실(10)에서 열분해된 탄소연료와 미연소가스는 상기 각 제 1공기혼합실(32)에 형성되는 와류에 의해 체류시간이 증대되고, 이에 따라 탄소연료와 미연소가스는 반응에 의해 가연성가스(H2, CO, CO2 , CH4)가 생성되며, 생성된 가연성가스는 공기와 접촉하여 산화반응이 촉진되어 제 1연소실(40)에서 희박 연소될 수 있도록 구성된다.
상기에서 가연성가스는 수증기 개질반응(CH4 + 2H2O --> 3H2 + CO2) 및 메탄의 이산화탄소 개질반응(CH4 + CO2 --> 2H2 + 2CO)이나, 수성가스 전환반응(CO + H2O --> H2 + CO2) 등이 동반되어 일어남으로써, 가연성가스의 주성분은 H2, CO가 주성분이 되어 공기와 접촉시 연소를 촉진시킬 수 있게 된다.
또한 상기 1차 공기공급부(30)는 상기 제 1하우징(31) 및 제 1공기혼합실(32)이 고온에 의해 산화되어 부식되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 1하우징(31) 내부의 상부 및 하부에 냉각수챔버(33)가 배치된다. 이 때 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부를 냉각할 수 있도록 제 1공기혼합실(32)의 둘레에 배치되는 다수의 냉각관(331)이 상기 각 냉각수챔버(33)를 상호 연결하는 구조이다.
이러한 구조는 냉각수를 순환시켜 고온에 의해 제 1하우징(31)이 산화되어 부식되는 것을 방지하기 위한 것이다. 또한 상기 냉각수는 제 1하우징(31)의 하부에 배치된 냉각수챔버(33)로 유입되어 제 1하우징(31)의 상부에 배치된 냉각수챔버(33)를 통해 배출되어 순환되는 구조인데, 이는 열분해실(10)의 온도보다 제 1연소실(40)의 온도가 상대적으로 높기 때문이다.
한편 상기 1차 공기공급부(30)의 공기공급은 냉각수챔버(33)를 통해 유출되는 스팀을 열교환기(80)를 통해 외부공기와 열교환시켜 고온의 공기 상태로 공급되는 구조이다. 이 때 열회수된 스팀은 고온수로 변환되어 가정용 난방 또는 산업용 난방으로 사용된다.
그리고 제 1공기공급관(311)으로 공급된 고온의 공기는 제 1노즐공(321)을 통해 배출되기 때문에 제 1연소실(40)의 연소효율을 증대시킬 수 있다.
아울러 상기 제 1연소실(40)은 공기와 접촉된 가연성가스 및 미반응된 탄소연료가 희박 연소되어 1차 열에너지를 발생시키는 기능을 한다.
이러한 상기 제 1연소실(40)은 하부에 탄소연료의 회분 배출을 유도하기 위해 호퍼 형상으로 이루어지고 하단에는 연소된 회분을 수거하기 위해 배출구(411)가 형성되는 이중 내화물벽체(41)와, 상기 내화물벽체(41)의 사이에 다수 배치되어 열을 회수하는 제 1스팀파이프(42)와, 열전달이 용이하도록 상기 각 제 1스팀파이프(42)를 연결하는 금속판재(43)와, 상기 제 1스팀파이프(42) 및 금속판재(43)의 외측에 배치되는 단열재(44)를 포함하는 구성이다.
이러한 제 1연소실(40)의 구성은 제 1스팀파이프(42)를 통해 과열을 방지하여 내화물벽체(41)를 보호하여 수명을 연장시킬 수 있다. 여기서 상기 제 1스팀파이프(42)는 상호간에 연결되는 구조이며 내화물벽체(41)의 열손상을 방지하면서 제 1연소실(40)의 열원을 약 20% 정도 회수하는 구성이다.
또한 상기 제 1연소실(40)의 배출구(411)는 개폐가능하도록 구성하여 회분을 선택적으로 배출할 수 있도록 구성할 수 있다.
그리고 2차 공기공급부(50)는 상기 1차 공기공급부(30)와 동일한 구성으로 다만, 제 2하우징(51)의 내부에 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성되는 구조이다.
이러한 2차 공기공급부(50)는 상기 제 1연소실(40)의 측부에 결합되어 상기 제 1연소실(40)로부터 미연소된 고온의 가연성가스와 탄소연료를 제 2연소실(60)로 유도하여 제 2노즐공(521)으로 공급되는 공기와 혼합되도록 하며, 이를 통해 제 2연소실(60)에서 2차 희박 연소될 수 있도록 기능한다. 이 때 상기 2차 공기공급부(50)는 길이는 1차 공기공급부(30) 보다 상대적으로 짧게 구성하여 열손실을 최소화할 수 있도록 구성할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 제 2연소실(60)은 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 2차 희박 연소시켜 완전 연소를 행하여 2차 열에너지를 발생시키고, 이에 따라 배기가스를 클린가스 상태로 보일러(70)로 내부로 배출하는 기능을 한다. 이 때 상기 제 2연소실(60) 역시 제 1연소실(40)과 동일하게 하부에 탄소연료의 회분을 유도하기 위해 직경이 점차 작아지는 호퍼 형상으로 이루어지고, 하단에는 연소된 회분을 배출하기 위해 개폐가능한 배출구(61)가 형성구조이다.
또한 제 2연소실(60)은 연소되지 않은 가연성가스와 탄소연료를 연소하기 때문에 제 1연소실(40) 대비 소형화로 구성하여 가연성가스 및 탄소연료의 밀집도를 증대시켜 높은 온도로 2차 희박 연소가 될 수 있도록 구성된다. 이 때 소형화된 제 2연소실(60)은 방열되어 손실되는 열에너지를 보일러(70)의 내부 온도로 보상할 수 있도록 보일러(70)의 내부에 배치되는 구조이며, 다만 배출구(61)만이 보일러(70)의 외부에 노출될 수 있도록 구성하여 회분을 배출시킬 수 있게 구성된다.
한편 상기 보일러(70)는 상기 제 2연소실(60)로부터 배출되는 배기가스를 체류시간을 증대시킬 수 있도록 지그재그 형태로 형성된 격판(71)과, 상기 격판(71)을 따라 유도되는 배기가스의 열원을 전달받을 수 있도록 상기 각 격판(71)을 관통하여 수직방향으로 다수 설치되는 제 2스팀파이프(72)로 구성된다.
여기서 상기 각 제 2스팀파이프(72)는 상호연결되는 구조이며, 보일러(70)의 내부에 형성된 격판(71)을 통해 고정되는 구조이다. 이러한 제 2스팀파이프(72)는 제 1스팀파이프(42)와 연결되고 배기가스의 열원을 약 80% 정도 회수하는 기능을 한다. 이 때 외부로 배출되는 스팀은 전술된 안착수단(20)의 스팀과 병합되어 가정의 난방 또한 산업용 열에너지원으로 사용될 수 있게 한 구조이다.
이하에서는 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 작동에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 간단히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 냉각수 및 스팀 경로를 도시한 작동도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 최초 공급되는 냉각수는 분배기(90)를 통해 제 1스팀파이프(42)와, 안착수단(20)과, 1차 공기공급부(30)의 냉각수챔버(33)로 공급된다.
그리고 제 1스팀파이프(42)에 공급된 냉각수는 제 2스팀파이프(72)를 거쳐 스팀화되어 가정용 또는 산업용 스팀으로 사용된다. 이 때 냉각수챔버(33)에 공급된 냉각수 역시 스팀화되어 제 2스팀파이프(72)를 배출측에 연결되어 제 2스팀파이프(72)의 스팀과 함께 배출된다.
아울러 1차 공기공급부(30)의 냉각수챔버(33)로 공급된 냉각수는 스팀화되어 열교환기(80)로 공급되며, 열교환기(80)를 통해 외부공기와 열교환되어 가정용 또는 산업용 난방수로 사용된다.
그리고 열교환기(80)를 통해 열회수된 외부공기는 고온의 공기로 변환되어 1차 공기공급부(30)의 제 1공기공급관(311) 및 2차 공기공급부(50)의 제 2공기공급관(511)으로 공급되는 구조이다.
아울러 제 1공기공급관(311)으로 공급되는 고온의 공기는 제 1노즐공(321)의 통해 제 1공기혼합실(32)로 공급된다. 그리고 2차 공기공급부(50)의 제 2공기공급관(511)으로 공급되는 고온의 공기는 제 2노즐공(521)의 통해 단일의 제 2공기혼합실(52)로 공급된다.
도 6은 본 발명에 따른 하향 희박 연소식 보일러의 고체연료의 희박 연소를 도시한 작동도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 열분해실(10)에 마련된 연료투입구(11)를 통해 고체연료를 투입시킨다.
투입된 고체연료가 안착수단(20)에 안착되면, 열분해실(10)에 마련된 버너(12)를 가동시킨다.
그러면 상기 고체연료는 내부에 포함된 휘발성 성분이 연소되어 열분해되는데, 그러면 상기 고체연료는 미연소가스(CO2 , H2O)와, 탄소연료로 열분해된다.
이 후 열분해실(10)의 미연소가스는 각각의 제 1공기혼합실(32)의 내부로 유도되는데, 이는 1차 공기공급부(30)의 제 1공기혼합실(32)에서 고압의 고온 공기를 하향 분사시켜 베르누이 원리에 의한 공기속도 증가 대비 압력 저하로 인해 열분해된 미연소가스가 내경이 작아진 각각의 제 1공기혼합실(32)의 내부로 유도된다.
상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부로 유도되는 탄소연료와 미연소가스는 와류에 의해 체류시간이 증대되고, 이에 따라 탄소연료와 미연소가스는 상호반응에 의해 가연성가스(H2, CO, CO2, CH4)가 생성되며, 생성된 가연성가스와 미반응 탄소연료는 과급되는 공기의 혼합비에 의해 제 1연소실(40)에서 1차 희박 연소된다. 이 때 상기 제 1연소실(40)의 내부에 배치된 제 1스팀파이프(42)를 통해 제 1연소실(40) 내부의 열원을 약 20% 정도 회수한다.
제 1연소실(40)에서 1차 희박 연소 후, 연소되지 않은 가연성가스 및 탄소연료는 2차 공기공급부(50)의 제 2노즐공(521)으로 배출되는 고온의 공기와 혼합되도록 하여 제 2연소실(60)을 통해 2차 희박 연소될 수 있도록 하여 클린가스 상태의 배기가스를 보일러(70)의 내부로 배출시킨다.
보일러(70)의 내부는 격판(71)을 통해 내부가 지그재그로 형태로 구획되는 바, 제 2연소실(60)에서 배출되는 배기가스의 체류시간이 증대되어 격판(71)에 고정된 제 2스팀파이프(72)와의 열교환을 통해 배기가스의 열원을 약 80% 정도 회수한 후 클린가스 상태로 대기로 배출된다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
10: 열분해실 11: 연료투입구 12: 버너
20: 안착수단 21: 안착테 22: 연결대
23: 막음판
30: 1차 공기공급부 31: 제 1하우징 311: 제 1공기공급관
32: 제 1공기혼합실 321: 제 1노즐공
33: 냉각수챔버 331: 냉각관
40: 제 1연소실 41: 내화물벽체 411: 배출구
42: 제 1스팀파이프 43: 금속판재
44: 단열재
50: 2차 공기공급부 51: 제 2하우징 511: 제 2공기공급관
52: 제 2공기혼합실 521: 제 2노즐공
60: 제 2연소실 61: 배출구
70: 보일러 71: 격판 72: 제 2스팀파이프
80: 열교환기
90: 분배기

Claims (7)

  1. 상부로는 연료투입구가 형성되고 내부로는 고체연료를 안착시킬 수 있도록 안착수단(20)이 수평배치되며, 상기 안착수단(20)에 안착된 고체연료를 열분해시켜 미연소가스(CO2 , H2O)와 탄소연료를 생성할 수 있도록 내벽면에 버너(12)가 구비되는 열분해실(10);
    상기 열분해실(10)에서 발생되는 미연소가스와 탄소연료를 중력방향으로 유도하고, 탄소연료와 미연소가스의 반응에 의해 생성되는 가연성가스(H2, CO, CO2, CH4)를 과급 공기와 혼합시켜 희박 연소될 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 시계방향 또는 반시계방향으로 하향공급되는 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성된 1차 공기공급부;
    내부 열을 회수하여 내화물벽체(41)를 보호할 수 있도록 내화물벽체(41)의 내부에 제 1스팀파이프(42)를 다수 내장시키고, 상기 1차 공기공급부(30)를 통해 유도되는 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 1차 희박 연소시키는 제 1연소실(40);
    상기 제 1연소실(40)의 측부에 결합되어 상기 제 1연소실(40)로부터 미연소된 고온의 가연성가스와 탄소연료를 유도할 수 있도록 내주면을 따라 압축공기가 공급되는 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성된 2차 공기공급부(50);
    상기 2차 공기공급부(50)를 통해 유도된 가연성가스와 탄소연료를 과급되는 공기에 의해 2차 희박 연소시키는 제 2연소실(60); 및
    상기 제 2연소실(60)로부터 배출되는 배기가스를 체류시간을 증대시킬 수 있도록 지그재그 형태로 형성된 격판(71)과, 상기 격판(71)을 따라 유도되는 배기가스에 포함된 열원을 전달받을 수 있도록 상기 각 격판(71)을 관통하여 수직방향으로 다수 설치되는 제 2스팀파이프(72)로 이루어지는 보일러(70);를 포함하여 이루어지되,
    상기 제 2연소실(60)은 방열되어 손실되는 열에너지를 보일러(70)의 내부 온도로 보상할 수 있도록 보일러(70)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 공기공급부(30)는 제 1공기공급관(311)이 연결되고 다수의 제 1공기혼합실(32)이 형성되는 제 1하우징(31)과, 상기 제 1공기공급관(311)을 통해 유입되는 공기가 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 경사지게 다수 형성되는 제 1노즐공(321)과, 상기 제 1하우징(31) 및 제 1공기혼합실(32)이 고온에 의해 산화되어 부식되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제 1하우징(31) 내부의 상부 및 하부에 배치되는 냉각수챔버(33)와, 상기 각 냉각수챔버(33)를 순환하고 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 내부를 냉각할 수 있도록 상기 각 제 1공기혼합실(32)의 둘레에 배치되는 다수의 냉각관(331)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1연소실(40)은 하부에 탄소연료의 회분을 유도하기 위해 호퍼 형상으로 이루어지고 하단에는 연소된 회분을 수거하기 위해 배출구(411)가 형성되는 이중 내화물벽체(41)와, 상기 내화물벽체(41)의 사이에 다수 배치되어 열을 회수하는 제 1스팀파이프(42)와, 열전달이 용이하도록 상기 각 제 1스팀파이프(42)를 연결하는 금속판재(43)와, 상기 제 1스팀파이프(42) 및 금속판재(43)의 외측에 배치되는 단열재(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 2차 공기공급부(50)은 제 2공기공급관(511)이 연결되고 단일의 제 2공기혼합실(52)이 형성되는 제 2하우징(51)과, 상기 제 2공기공급관(511)을 통해 유입되는 공기가 상기 제 2공기혼합실(52)의 내부로 공급될 수 있도록 상기 제 2공기혼합실(52)의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 하향 경사지게 길이방향으로 다수 형성되는 제 2노즐공(521)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 안착수단(20)은 1차 공기공급부(30)에 이격된 상태로 열분해실(10)의 내부에 거치되는 안착테(21)와, 상기 안착테(21)와 연결대(22)를 통해 연결되고 열분해되지 않은 고체연료가 1차 공기공급부(30)의 제 1공기혼합실(32)로 수직 낙하되지 않도록 제 1공기혼합실(32)에 해당하는 위치에 배치되는 막음판(23)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 1차 공기공급부(30) 및 2차 공기공급부(50)의 공기공급은 상기 1차 공기공급부(30)의 냉각수챔버(33)를 통해 유출되는 고온의 스팀을 열교환기(80)를 통해 외부공기와 열교환시켜 고온의 공기 상태로 공급되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 안착수단(20)은 내부로 냉각수를 순환시켜 열적 변형을 최소화시키고 고온에 의한 산화부식을 방지하며, 상기 냉각수는 스팀화되어 보일러(70)를 통해 배출되는 제 2스팀파이프(72)로 공급되는 것을 특징으로 하는 하향 희박 연소식 보일러.
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CN107477859A (zh) * 2017-08-31 2017-12-15 北京热华能源科技有限公司 一种带断电保护的热水炉及水循环方法

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