KR20150012845A - 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열효율을 크게 향상시키고, 또한 연료를 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있으며, 그리고 유해가스의 발생량을 감소시킬 수 있는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치에 관한 것이다.
본 발명은 보일러(10)의 연소실(11)로 노즐(21)을 통해 연료를 분사하여 연소시키는 버너부(20); 상기 보일러(10)의 일측에 구비되어 수소가스를 생성시키는 전해조(31) 및 상기 전해조(31)에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크(32)로 이루어지는 수소가스발생부(30); 상기 버너부(20)의 노즐(21)의 화구측으로 저장탱크(32)에 저장된 수소가스를 공급하여 연료와 혼합시키는 수소가스공급부(40); 상기 버너부(20)의 노즐(21)과 마주하도록 보일러(10)의 연소실(11)에 내장되어 전방이 개방된 화실(51)을 구비하는 가열부(50)를 포함하여 구성된다.

Description

수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치{Gas mixture of hydrogen fuel boiler combustion system}

본 발명은 기존의 연료에 수소가스를 혼합하여 제공하는 보일러의 연소장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 기존의 기름, 석탄, 가스등의 연료에 수소가스를 혼합시켜 열효율을 크게 향상시키고, 또한 연료를 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있으며, 그리고 유해가스의 발생량을 감소시킬 수 있는 환경 친화적인 연료를 제공할 수 있도록 한 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로 보일러의 연소장치는 연료통으로부터 공급되는 연료를 버너의 노즐로 분사하여 연소실 내부로 연소되도록 함으로써 열원을 얻는 구조가 일반적이다. 이러한 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG, 셰일가스, 벙커시유 등의 연료를 노즐로 공기와 함께 분사시켜 직접 버너로 공급하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 화력이 한정될 뿐만 아니라 화력을 높이기 위해서는 상대적으로 연료의 에너지를 많이 공급해야 함으로 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

즉, 현재까지 사용하고 있는 보일러의 연소장치는 경유, 등유, LNG, LPG, 셰일가스, 벙커시유 등의 연료만을 사용하여 연소시켰기 때문에 구조적으로 연소장치의 열효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었으며, 또한 열효율이 낮아서 연료가 많이 소모되는 비경제적인 문제점이 있었으며, 그리고 구조적으로 완전연소가 이루어지지 않아 유해가스의 발생량을 증가시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 보일러의 열효율을 높이고 연료의 소모를 적게 하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.

예를 들어 국내 공개특허공보 제1990-0005120호에는 연료와 공기를 혼합하여 연소를 돕기 위하여 연료 공기를 공급하기 위한 공기 레지스터에 관한 발명이 개시되어 있다. 공기 레지스터에 의해 공급된 연료를 연소시키기 위하여 연소를 내부 점화 구역과 내부 점화 구역을 동심원으로 둘러싸는 외부 보조구역으로 분할하는 버너에 관해 공지되어 있다. 이 기술에서 구역 분할의 목적은 화염의 중심에서 양호한 점화 안정성에 필요로 하는 고강도 혼합을 주변에서 더 완만한 기류와 분리시키는 것이며, 주변에서 매우 뜨겁고 격렬한 화염의 질산화물 생성을 방지하기 위한 것이다. 이러한 기술은 내부 및 외부 구역에서 연소를 제어시킬 수 있는 공기 레지스터장치, 방법 및 그의 배치를 제공하고 다중 구역 연소를 개선하는 것에 관한 것이다.

또한, 국내 공개특허공보 제2000-0050189호에는 보일러에 산소를 공급하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로 보일러 버너의 공기 공급부에 제오라이트 충진층을 통과한 양질의 산소를 공급함으로 달성하였다. 보일러 버너에 산소를 공급하는 방법은 공기를 제오라이트 충진층을 통과하여 발생된 산소를 버너에 공급하도록 이루어진다. 공급되는 공기는 제오라이트 충진층에 강압적으로 공기를 공급하거나, 송풍 팬의 흡입력에 의해 흡입되는 공기를 제오라이트 충진층을 통과하도록 하여 양질의 산소를 공급하도록 이루어진다. 보일러가 가동전에 송풍기가 회전하거나, 송풍팬이 정지시에 제어부에서 콤프레셔의 작동과 작동정지를 콘트롤하여 연소환경이 유지된다. 또한, 제오라이트 충진층을 형성한 케이스의 하단에는 층진층내에 불순물로 인하여 흡입력이 약할 때에 바이패스밸브를 열어주어 공기를 흡입하도록 하여 양질의 산소를 버너에 공급하여 완전연소가 이루어져 열효율이 높도록 구성하였다.

이와 같은 종래의 기술은 보일러의 본체 또는 연소장치의 구성에 관한 것이거나 공기 중의 질소를 일부 걸러 공기 중 산소의 함량을 증대시키는 산소공급 장치에 관한 기술로, 발열량을 증대시키거나 배기가스를 저감시키는데 일조를 하지만, 여전히 연료의 연소효율 및 발열량을 효과적으로 높이거나 유해배기가스를 저감시키는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 공개특허공보 제1990-0005120호(1990.04.13) 특허문헌 2 : 공개특허공보 제2000-0050189호(2000.08.05)

본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 물을 전기분해하여 생성된 수소가스와 연료(경유, 등유, LNG, LPG, 셰일가스, 벙커시유 등)가 혼합된 혼합연료를 사용하여 연소시 열량을 극대화시킬 수 있도록 구조를 개선하여, 구조적으로 열효율을 한층 더 크게 향상시킬 수 있도록 하는 목적과, 또한 발전소, 산업현장의 보일러, 빌딩용 보일러, 선박용 보일러 등에 적용하여 경제적으로 연료를 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있도록 하며, 그리고 혼합연료의 완전연소를 유도하여 유해가스의 발생량을 크게 감소 시킬 수 있도록 함을 목적으로 한 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 보일러의 연소실에 노즐로 연료를 분사하여 연소시키는 버너부를 설치하되, 상기 보일러의 일측에 수소가스를 생성시키는 전해조 및 상기 전해조에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크로 이루어지는 수소가스발생부를 설치하고, 상기 버너부의 노즐에 저장탱크에 저장된 수소가스를 공급하여 연료와 혼합시키는 수소가스공급부를 연결하고, 상기 버너부의 노즐과 마주하도록 보일러의 연소실에 전방이 개방된 화실을 가지는 가열부를 내장한다.

또한 상기 전해조는 생성된 수소가스를 모아 저장탱크에 보낼 수 있도록 일측에 수소가스 모음탱크를 설치한 것이다.

또한 상기 저장탱크는 저장탱크와 버너부 사이에 다수의 수소가스 보조탱크를 설치하여 버너부에 수소가스가 일정한 압력으로 공급되도록 구성한 것이다.

또한 상기 전해조와 저장탱크에는 냉각조를 연결하여 물이 순환되도록 구성한 것이다.

또한 상기 가열부의 상면부에는 불꽃을 토출시키는 다수의 토출공을 형성한 것이다.

또한 상기 가열부의 측면부와 후면부에도 다수의 토출공을 각각 형성한 것이다.

또한 상기 가열부의 화실에는 불꽃이 화실 밖으로 빠져나가는 것을 지연시키는 열확산부를 내장한 것이다.

또한 상기 열확산부는 수평으로 배치되는 파이프와, 상기 파이프의 외주연에 방사상 불규칙적으로 부착되는 다수의 차단판 또는 차단봉으로 이루어진 것이다.

또한 상기 가열부와 열확산부는 철,텅스텐,망간이 혼합된 금속재로 이루어진 것이다.

본 발명 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치에 따르면, 첫째, 전해조에 의해 생성된 수소가스와 기존의 연료가 혼합된 혼합연료를 버너로 분사시켜 강한 화력을 얻을 수 있고 완전연소를 유도할 수 있기 때문에, 구조적으로 연소장치의 열효율을 한층 더 크게 향상시킬 수 있으며,

둘째, 보일러를 가동하기 위해 연료공급시 기존의 연료량 만큼 사용하면서도 수소가스의 혼합으로 수배의 발열량을 발생시켜 보일러의 물을 단시간에 가열할 수 있는 효과가 있으며,

셋째, 수소가스와 기존의 연료를 혼합하여 발열량을 높여 열효율을 극대화시킴으로 경제적으로 화석 연료를 크게 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있는 효과가 있으며,

넷째, 보일러의 연소실에 가열부와 열확산부를 내장하여 연소시킴으로 유해가스발생를 완전히 차단하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전체구성도.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 수소가스발생부를 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 요부를 보인 단면도.
도 4a,4b는 본 발명에 따른 가열부를 보인 사시도.
도 5a,5b는 본 발명에 따른 열확산부를 보인 사시도.

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치는 도 1 내지 도 5a,5b에 도시되는 바와 같이, 보일러(10)의 연소실(11)로 노즐(21)을 통해 연료를 분사하여 연소시키는 버너부(20); 상기 보일러(10)의 일측에 구비되어 수소가스를 생성시키는 전해조(31) 및 상기 전해조(31)에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크(32)로 이루어지는 수소가스발생부(30); 상기 버너부(20)의 노즐(21)의 화구측으로 저장탱크(32)에 저장된 수소가스를 공급하여 연료와 혼합시키는 수소가스공급부(40); 상기 버너부(20)의 노즐(21)과 마주하도록 보일러(10)의 연소실(11)에 내장되어 전방이 개방된 화실(51)을 구비하는 가열부(50)를 포함하여 구성된 것을 그 기술적 구성상의 기본적인 특징으로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치는 열효율을 향상시키고 연료를 절감하면서도 고효율을 얻는 동시에 유해가스의 발생량을 감소시키는 것으로, 이러한 본 발명 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치는 버너부(20),수소가스발생부(30),수소가스공급부(40) 및 가열부(50)로 이루어진다.

상기 보일러(10)는 발전소,산업용,가정용 등 모든 보일러에 적용되는 것으로, 이러한 보일러(10)에는 연소실(11)이 형성되고, 또한 보일러(10)에는 열교환기가 내장된다.

상기 버너부(20)는 보일러(10)의 연소실(11)로 노즐(21)을 통해 연료를 분사하여 연소시키는 것으로, 이러한 버너부(20)는 연료(경유,석유,LNG,LPG,셰일가스,벙커시유,석탄 등)를 공급하는 연료탱크(22)를 포함한다.

상기 수소가스발생부(30)는 수소가스를 생성하여 저장하는 것으로, 이러한 수소가스발생부(30)는 보일러(10)의 일측에 구비되어 수소가스를 생성시키는 전해조(31)와, 상기 전해조(31)에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크(32)로 이루어진다.

상기 전해조(31)는 물을 전기분해하여 수소가스와 산소가스를 발생시키는 것으로, 이러한 전해조(31)는 주지된 바와 같이 물이 전기분해되어 얻어지는 생성물인 수소가스 및 산소가스를 생산하는 역할을 수행한다. 즉, 양전극 및 음전극이 설치된 내부에 물을 공급하고 직류전압을 인가하면 무공해 에너지원인 수소가스와 산소가스를 발생시키게 되고, 이때 발생된 수소가스는 연소효율성을 높여주는 특성을 가진다.

상기 저장탱크(32)는 전해조(31)에서 생성된 수소가스를 저장하는 것으로, 이러한 수소가스 저장탱크(32)에는 수위표시부(32a)가 설치된다.

본 발명에 따르면 상기 전해조(31)는 생성된 수소가스를 모아 저장탱크(32)에 보낼 수 있도록 일측에 수소가스 모음탱크(33)를 설치한다.

또한 본 발명에 따르면 상기 저장탱크(32)는 저장탱크(32)와 버너부(20) 사이에 다수의 수소가스 보조탱크(34)를 설치하여 버너부(20)에 수소가스가 일정한 압력으로 공급되도록 구성한다.

또한 본 발명에 따르면 상기 전해조(31)와 저장탱크(32)에는 냉각조(35)를 연결하여 물이 순환되도록 구성한다.

상기 수소가스공급부(40)는 버너부(20)의 노즐(21)에 수소가스를 공급하여 연료와 혼합시키는 것으로, 이러한 수소가스공급부(40)에서 공급되는 수소가스와 연료가 혼합된 상태에서 혼합연료의 연소가 이루어지면 열효율이 향상된다.

참고로, 연료와 수소가스를 혼합하여 연소시키면 수소가스의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 연료가 가지고 있는 한계를 훨씬 더 넓혀준다. 이러한 수소가스는 조연제 역할이 강해 연료의 연소효율성을 높여주고, 폭발력이 크고 발화점이 높으며, 오염물질이 거의 배출되지 않으며, 에너지 효율이 상당히 높다.

따라서, 이러한 본 발명에 따르면 수소가스와 연료가 혼합된 혼합연료를 사용하여 연소시킬 수 있기 때문에, 구조적으로 열효율을 한층 더 크게 향상시킬 수 있으며, 또한 이를 통해 경제적으로 연료를 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있으며, 그리고 혼합연료의 완전연소를 유도하여 유해가스의 발생량을 크게 감소시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 버너부(20)의 노즐(21)에 선택적으로 수소가스에 산소가스를 혼합하여 공급하도록 구성할 수도 있는 것임을 분명히 밝혀둔다. 이때, 상기 버너부(20)가 가동될 때 수소가스를 넣은 후, 버너부(20)의 노즐(21)에 산소가스를 추가로 혼합하여 공급하면 가열부(50)를 가열하는 시간을 단축시켜주므로 한층 더 효율을 높일 수 있다.

상기 가열부(50)는 버너부(20)의 노즐(21)과 마주하도록 보일러(10)의 연소실(11)에 내장되는 것으로, 이러한 가열부(50)는 전방이 개방된 화실(51)이 구비된다. 이때, 상기 버너부(20)의 노즐(21)에서 연소되는 불꽃은 가열부(50)의 화실(51)로 전달된다.

본 발명에 따르면 상기 가열부(50)는 열에 빨리 가열되는 철,텅스텐,망간 등이 혼합된 금속재로 이루어지고, 이와 같이 금속재로 이루어진 가열부(50)의 화실(51)을 수소가스가 혼합된 연료를 연소시켜 가열하면 수소가스가 금속에 접촉되는 순간 열이 폭발적으로 증폭된다.

본 발명에 따르면 상기 가열부(50)의 상면부에는 다수의 토출공(52)이 형성된다. 이때, 상기 버너부(20)의 노즐(21)에서 나온 불꽃은 가열부(50)의 화실(51)로 들어가서 토출공(52)을 통해서 외부로 빠져나가게 되는데, 상기 토출공(52)은 불꽃을 토출시키는 역할과 불꽃의 역화를 방지하는 역할 및 가열 시간을 단축시키는 역할을 수행한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 가열부(50)의 측면부와 후면부에도 다수의 토출공(52)이 각각 형성된다.

본 발명에 따르면 상기 가열부(50)의 화실(51)에는 불꽃이 가열부(50)의 화실(51) 밖으로 빠져나가는 것을 지연시키는 열확산부(60)가 내장된다. 이때, 상기 버너부(20)의 노즐(21)에서 나온 불꽃이 가열부(50)의 토출공(52)을 통해서 외부로 빠져나갈때, 화실(51)안에 내장된 열확산부(60)의 저항 때문에 불꽃이 외부로 빠져나가는 것을 지연시키므로 열효율이 높아지게 된다.

본 발명의 첨부도면에 도시된 가열부(50)의 형상은 일 실시예로 도시한 것으로서, 가열부(50)의 형상은 필요에 따라서 여러 가지 다양한 형태로 제조될 수 있다.

상기 열확산부(60)는 도 5a,5b에서와 같이 수평으로 배치되는 지지대(61)와, 상기 지지대(61)의 외주연에 방사상 불규칙적으로 부착되는 다수의 차단판(62) 또는 차단봉(63)으로 구성된다.

상기 열확산부(60)는 열에 빨리 가열되는 철,텅스텐,망간 등이 혼합된 금속재로 이루어지고, 이와 같이 금속재로 이루어진 열확산부(60)의 지지대(61)와 차단판(62) 또는 차단봉(63)을 수소가스가 혼합된 연료를 연소시켜 가열하면 수소가스가 금속에 접촉되는 순간 열이 폭발적으로 증폭된다.

본 발명의 첨부도면에 도시된 열확산부(60)의 형상은 일 실시예로 도시한 것으로서, 열확산부(60)의 형상은 필요에 따라서 여러 가지 다양한 형태로 제조될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전체적인 작동관계를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료탱크(22)에 저장된 연료는 버너부(20)의 노즐(21)로 공급되고, 또한 수소가스발생부(30)에서 생성된 수소가스는 수소가스공급부(40)로 배출되면서 버너부(20)의 노즐(21)로 공급되므로, 이에 의해 버너부(20)의 노즐(21)에서는 연료와 수소가스가 혼합된 혼합연료를 연소시킨다. 이때, 본 발명에 따르면 상술한 바와 같이 버너부(20)가 가동될 때 수소가스를 넣은 후, 버너부(20)의 노즐(21)에 산소가스를 혼합하여 추가로 공급할 수도 있다.

버너부(20)의 노즐(21)에서 연소된 불꽃은 가열부(50)의 화실(51)로 들어가 화실(51)을 가열하고, 이때 금속재질로 이루어진 화실(51)과 열확산부(60)에 수소가스가 접촉되는 순간 수소가스와 철이 반응하여 열이 폭발적으로 증폭된다.

또한 화실(51)로 들러간 불꽃은 열확산부(60)에 설치된 다수의 차단판(62) 또는 차단봉(63)에 접촉되면서 잠시 체류하게 되고, 이에 의해 화실(51)내에서는 열확산부(60)에 의해 열이 확산된다.

열확산부(60)에 의해 화실(51)에서 잠시 체류된 불꽃은 노즐(21)을 통해 계속적으로 들어오는 불꽃의 압력에 의해 가열부(50)의 토출공(52)을 통해 외부로 빠져나가고, 이때 가열된 가열부(50)와 토출공(52)을 통해 외부로 빠져나가는 열에 의해 보일러(10)의 열교환기는 짧은 시간에 고온으로 가열된다.

따라서 이러한 본 발명 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치는 물을 전기분해하여 생성된 수소가스와 연료(경유,석유,LNG,LPG,천연가스,셰일가스,벙커시유 등)가 혼합된 혼합연료를 사용하여 연소시킬 수 있기 때문에, 구조적으로 보일러의 열효율을 한층 더 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 수소가스를 이용하여 보일러의 열효율을 향상시킬 수 있기 때문에. 이를 통해 경제적으로 연료를 절감하면서도 고효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 발명은 수소가스가 혼합된 혼합연료의 완전연소를 유도할 수 있기 때문에, 유해가스의 발생량을 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

10 : 보일러 11 : 연소실
20 : 버너부 21 : 노즐
30 : 수소가스발생부 31 : 전해조
32 : 저장탱크 33 : 모음탱크
34 : 보조탱크 35 : 냉각조
40 : 수소가스공급부 50 : 가열부
51 : 화실 52 : 토출공
60 : 열확산부 61 : 지지대
62 : 차단판 63 : 차단봉

Claims (9)

1. 보일러(10)의 연소실(11)로 노즐(21)을 통해 연료를 분사하여 연소시키는 버너부(20);
   상기 보일러(10)의 일측에 구비되어 수소가스를 생성시키는 전해조(31) 및 상기 전해조(31)에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장탱크(32)로 이루어지는 수소가스발생부(30);
   상기 버너부(20)의 노즐(21)의 화구측으로 저장탱크(32)에 저장된 수소가스를 공급하여 연료와 혼합시키는 수소가스공급부(40);
   상기 버너부(20)의 노즐(21)과 마주하도록 보일러(10)의 연소실(11)에 내장되어 전방이 개방된 화실(51)을 구비하는 가열부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전해조(31)는 생성된 수소가스를 모아 저장탱크(32)에 보낼 수 있도록 일측에 수소가스 모음탱크(33)를 설치한 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저장탱크(32)는 저장탱크(32)와 버너부(20) 사이에 다수의 수소가스 보조탱크(34)를 설치하여 버너부(20)에 수소가스가 일정한 압력으로 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전해조(31)와 저장탱크(32)에는 냉각조(35)를 연결하여 물이 순환되도록 구성한 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부(50)의 상면부에는 다수의 토출공(52)이 형성된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 가열부(50)의 측면부와 후면부에도 다수의 토출공(52)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 가열부(50)의 화실(51)에는 열확산부(60)가 내장된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 열확산부(60)는 수평으로 배치되는 지지대(61)와, 상기 지지대(61)의 외주연에 방사상 불규칙적으로 부착되는 다수의 차단판(62) 또는 차단봉(63)으로 구성된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 가열부(50)와 열확산부(60)는 철, 텅스텐, 망간이 혼합된 금속재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 혼합 연료 보일러의 연소장치.

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