KR20210123026A - 소각로용 수냉식 화격자 - Google Patents

소각로용 수냉식 화격자 Download PDF

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KR20210123026A
KR20210123026A KR1020200040191A KR20200040191A KR20210123026A KR 20210123026 A KR20210123026 A KR 20210123026A KR 1020200040191 A KR1020200040191 A KR 1020200040191A KR 20200040191 A KR20200040191 A KR 20200040191A KR 20210123026 A KR20210123026 A KR 20210123026A
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cooling water
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장태준
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주식회사 진화메탈
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Abstract

본 발명에 따른 수냉식 화격자는 공동이 구비된 내열강 재질의 본체; 상기 공동 내부에 수용되어 냉각유로로 제공되는 냉각수관; 및 상기 공동에 장입되어 상기 냉각수관과 상기 내열강 본체 사이를 충진하는 열전달재;를 포함한다. 이러한 열전달재는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화된 형태일 수 있고, 또한 그 노출된 부위는 별도로 제공되는 커버 부재를 이용해 차폐될 수 있다. 본 발명에 따른 수냉식 화격자 및 그 제조방법에 의하면, 냉각수 누수 위험이 현저히 개선되어 제품 내구성 및 수명이 우수하고, 복잡한 냉각유로를 용이하게 구현하여 냉각효율을 극대화할 수 있으며, 또한 제조공정을 단순화시켜 제조원가를 절감하면서도 제품 수율이 향상될 수 있다.

Description

소각로용 수냉식 화격자{WATER COOLING TYPE FIRE GRATE FOR INCINERATIOR}
본 발명은 소각로용 화격자에 관한 것으로, 특히 냉각수에 의해 강제 냉각되는 수냉식 화격자에 관한 것이다.
일반적으로 생활 또는 산업 쓰레기 등의 폐기물은 재활용이 바람직하지만, 재활용 또는 위생적인 처리가 어려운 경우 소각로를 이용해 소각 처리되고 있다. 이러한 소각 처리 방식은 소각 폐열을 이용해 증기, 전기 에너지 등의 재생 에너지를 얻을 수 있기 때문에 최근 친환경 자원 순환의 중요한 방식으로 대두되고 있다.
종래 이러한 소각로를 이용한 폐기물 처리 방식 중에는, 건설이 용이하고 저발열량에서부터 고발열량의 폐기물까지 폭넓은 범위에서 소각이 가능한 스토커식 소각로가 널리 이용되고 있다. 소토커식 소각로는 고정단 및 가동단으로 이루어진 계단 형태의 복수의 화격자(fire grate, 火格子) 위에서 폐기물을 연소하면서 이에 수반하여 화격자 열에 대한 반송 과정을 통해 연소된 폐기물 순차적으로 배출구 쪽으로 이동시키는 방식으로 동작한다.
상기 스토커식 소각로에 구비되는 화격자는 냉각방식에 따라 공냉식 화격자와 수냉식 화격자로 구분된다. 공냉식 화격자는 단일구조의 내열강으로 이루어지며 외부로부터 공급되는 공기에 의해 자연냉각되기 때문에 냉각효율이 낮고, 이에 따라 폐기물 연소시 불균일한 연소로 인해 다이옥신 등 유해물질이 발생하기 쉽고 또한 과도한 온도 상승시 고온 부식 등에 의한 손상으로 인해 제품 수명이 짧아지는 단점이 있다. 이에 대해 수냉식 화격자는 그 내부에 형성된 냉각수로(冷却水路)로 지속적으로 공급되는 외부 냉각수에 의해 냉각되기 때문에 냉각효율이 높고, 이에 따라 화격자 표면이 일정한 온도로 유지될 수 있어 제품 내구성 및 수명 측면에서 공냉식 화격자 대비 2~3배 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 수냉식 화격자는 우수한 냉각효율을 갖기 때문에 특히 고열량의 폐기물 소각시 공냉식 화격자보다 유리하게 적용될 수 있다.
한편 상기 수냉식 화격자에서 냉각수로를 형성하는 방법에는 단일 주조 공정에 의해 폐쇄된 형태의 냉각수로를 화격자 본체 내부에 일체로 직접 형성하는 방법이 알려져 있다. 그러나 이러한 방법의 경우, 복잡한 냉각유로를 단일 주조 공정으로 제조하는 작업과 밀폐된 냉각수로로부터 주물사(molding sand)를 탈리하는 작업으로 인해 작업성 및 수율이 현저히 떨어지고, 화격자 전체가 고가의 내열마모강으로 제작됨으로써 제품 단가가 지나치게 상승하는 문제가 있다. 또한 화격자 내부 냉각유로와 외부 수냉각 관로의 연결을 위한 피팅부에 대한 평행도 및 직진도가 정밀하게 제어되지 않으면 해당 피팅부에서 냉각수가 쉽게 누수되는 문제와, 사용시간 경과에 따라 화격자 상면의 마모 손상시 냉각유로 균열 또는 개방됨으로써 냉각수가 외부로 누수되는 문제가 있다. 냉각수가 누설될 경우, 폐기물의 불균일 연소로 인한 다이옥신 등 유해가스 배출가능성이 높고 또한 소각로 보수를 위한 운영 중단의 심각한 문제점이 야기될 수 있다.
이러한 일체 주조 방식이 갖는 문제를 개선하기 위해 대한민국 특허 제10-1701720호는 베이스바디 및 크로스커버로 화격자 부품 분할 제작하되 베이스바디 내부에 냉각유로용 개방된 공간을 형성하고 상기 크로스커버를 베이스바디 하부에 연계 접합함으로써 상기 개방된 공간을 밀폐함으로 냉각유로를 형성하는 방식으로 제작되는 수냉식 화격자에 대해 개시하면서, 이러한 방식에 따를 때 화격자를 구성하는 베이스바디와 크로스커버를 서로 다른 재질로 하여 재료비를 절감하면서도 제품의 기능성 및 내구성이 향상되는 것에 대해 개시하고 있다. 그러나 대한민국 특허 제10-1701720호에 따른 수냉식 화격자의 경우, 베이스바디 및 크로스 커버의 별도 부품 제작 후 양자의 연계 접합 과정을 추가적으로 해야 하기 때문에 전체 제작공정이 증가될 수 있고, 또한 베이스바디와 크로스커버 간 연계 접합부에 제조 불량이 있거나 소각로 내부에서 고온의 취약한 작업환경에 직접적으로 반복 노출됨에 따라 후발적으로 마모 및 소손되는 경우 냉각수 누수가 쉽게 발생할 수 있는 위험이 상존하는 문제가 있다.
나아가 상기한 일체 주조방식 또는 대한민국 특허 제10-1701720호에 따른 방식 모두 화격자 상하 방향으로 절곡된 구조의 냉각유로 형성이 어려워 소각로의 연소실 내부로 노출되는 화격자 면 전체에 대한 균일한 냉각을 기대하기 어렵다.
대한민국 특허 제10-1701720호
본 발명의 목적은 냉각수 누수 위험이 현저히 개선되어 제품 내구성 및 수명이 우수하고, 복잡한 냉각유로를 구현하기 용이하며, 또한 제조 공정을 단순화시켜 제조 원가를 절감하면서도 제품 수율이 향상된 수냉식 화격자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 해결과제와 관련된 본 발명의 요지는 청구범위에 기재된 것과 동일한 아래의 내용이다.
본 발명에 따른 소각로용 수냉식 화격자는 내부에 냉각유로가 구비되며, 공동이 구비된 내열강 재질의 본체; 상기 공동 내부에 수용되어 냉각유로로 제공되는 냉각수관; 및 상기 공동에 장입되어 상기 냉각수관과 상기 내열강 본체 사이를 충진하는 열전달재;를 포함한다.
상기 열전달재는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화된 형태일 수 있다.
상기 필러 분말은 세라믹 및 금속으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 금속은 800℃ 이상에서 사용가능한 내열강일 수 있다.
상기 세라믹은 1W/mK이상의 열전도를 갖는 금속화합물 또는 탄소계 물질로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 금속화합물은 단일 또는 혼합 조성의 금속질화물, 단일 또는 혼합 조성의 금속산화물, 또는 칼코겐 원소(Chalcogen element)와 금속 간에 형성되는 단일 또는 혼합 조성의 금속 칼코겐화물(metal chalcogenide compounds)로부터 선택될 수 있다.
상기 탄소계물질은 그래파이트, CNT, 그래핀 또는 SiC로부터 선택될 수 있다.
상기 필러 분말은 10nm ~ 500um 범위에서 동일 또는 서로 다른 직경 크기를 갖질 수 있다.
상기 시멘트는 30wt% 이상의 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 소각로용 수냉식 화격자는 상기 공동 내부에 충진된 열전달재의 외부 노출을 차폐하기 위한 커버부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 소각로용 수냉식 화격자 제조방법은 공동이 구비된 내열강 재질의 본체를 주조하는 단계; 상기 공동 내부에 냉각수관을 내부에 배치하는 단계; 및 상기 공동 내부에서 본체와 냉각수관 사이에 열전달재를 충진하는 단계;를 포함한다.
이 경우, 상기 열전달재를 충진하는 단계는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화되는 단계를 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 소각로용 수냉식 화격자 제조방법은 상기 공동 내부에 충진된 열전달재의 노출된 외부를 차폐하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수냉식 화격자 및 그 제조방법에 의하면, 냉각수 누수 위험이 현저히 개선되어 제품 내구성 및 수명이 우수하고, 복잡한 냉각유로를 용이하게 구현하여 냉각효율을 극대화할 수 있으며, 또한 제조공정을 단순화시켜 제조원가를 절감하면서도 제품 수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 화격자의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수관 및 피팅부의 조립사시도.
도 3은 도 1의 A-A 단면도.
도 4은 도 1의 B-B 단면도.
도 5는 도 1에 따른 수냉식 화격자에서 냉각수관의 배치 형태에 관한 평면 레이아웃.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 화격자의 설치 상태 저면도.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉식 화격자의 측단면 구조도.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일반적으로 스토커식 소각로는 건조단, 연소단 및 후연소단 등의 소각단으로 분리 구획되며 각각의 소각단은 복수의 화격자 열이 고정단 및 이동단으로 구분되어 계단식으로 교대 배치되는 형태이다. 소각단 구성시, 화격자는 그 후방 각부에 구비된 장착봉(또는 지지봉) 결합부에 소각로 반송장치의 장착봉이 삽입되어 지지된다. 스토커식 소각로의 가동과정에서 반송장치 이동프레임의 전후 왕복 동작에 의해, 후방 화격자의 전방 각부는 전방 화격자의 상벽 위로 상대적으로 슬라이딩된다. 이에 따라 화격자 열에 재치된 쓰레기 또는 그 연소물은 화격자의 전방벽에 의해 가압되어 후방에서 전방으로 순차적으로 계단을 따라 하강 이동하게 된다. 공기 및 연소가스는 소각로의 아래에서 공급되며, 열을 형성해 계단식으로 배치되어 소각단을 이루고 있는 화격자들 상호간에 형성되는 간극 형태의 유로를 통해 소각로 내부로 공급된다. 본 발명의 실시예에 따른 화격자는 이러한 스토커식 소각로에 사용되는 것을 예정하며, 그 냉각방식에 있어서는 수냉식이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 화격자(10)의 사시도, 도 2는 냉각수관(200) 및 피팅부(400)의 조립도, 도 3은 도 1의 A-A 단면도를 각각 나타낸다. 도 4는 도 1의 B-B 단면도, 도 5는 도 1에 따른 수냉식 화격자(10)에서 냉각수관(200)의 배치 형태에 관한 평면 레이아웃을 각각 나타낸다.
이하에서는 설명의 편의상 수냉식 화격자(10)(이하, '화격자(10)'로 약칭) 및 그 각부의 형상 내지 설치 방위와 관련해서는 폐기물(도면 미도시)이 화격자(10) 열 계단을 따라 이동하는 방향을 기준으로 계단 아래쪽은 전방으로, 위쪽은 후방으로 하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 5을 참조할 때, 본 발명의 실시예에 따른 화격자(10)는 그 냉각방식에 있어서는 그 내부에 냉각유로가 구비되는 수냉식 화격자(10)로서, 외부에 노출되는 본체(100)와 본체(100) 내부에 매립되어 냉각수로로 제공되는 냉각수관(200)을 포함한다. 이 경우 본 발명은, 종래 밀폐형 냉각수로를 단일 주조 방식에 따라 일체 형성하거나 또는 대한민국 특허 제10-1701720호에서와 같이 개방형 유로를 형성한 후 별도 부재를 이용해 밀봉하는 방식과는 달리, 상기 냉각수로 용도의 냉각수관(200)이 별도로 제공되고 해당 냉각수관(200)을 공동(170)이 구비된 내열강 재질의 본체(100) 내부에 수용시킨 후 열전달재(300)를 공동(170) 내 장입하여 충진하여 매립시키는 것을 기본적인 특징으로 한다.
상기 본체(100)는 외부로 노출되어 사용시 소각로의 연소열에 직접 노출되기 때문에 예컨대 JIS-SCH의 Ni-Cr 기반의 내열강 또는 Cr 함량이15% 이상인 Ni-Cr기반의 내열강으로 구성되는 것이 바람직하며, 상벽(110), 좌우 측벽(120), 전방벽(130), 후방벽(140)을 포함한다. 전방 및 후방 각각에 전방 각부(150) 및 후방 각부(160)가 구비된다. 화격자(10)는 상기한 스토커식 소각로에 적용되는 것으로 예시하였으며, 이를 위해 홈부(162)가 화격자(10) 후방 각부(160)에 마련되어 소각로 반송장치의 장착봉에 끼워져 설치된다. 홈부(162)의 내주연은 각진 형상, 원형 기타 고리형일 수 있다.
상기 냉각수관(200)은 그 재질이 특별히 제한되지 않으며 JIS-SCH의 Ni-Cr기반의 내열강의 적용이 바람직하다. 다만 냉각수관(200)은 대부분이 열전달재(300)를 이용해 본체(100)의 공동(170)에 매립되어 외부로 직접 노출되지 않기 때문에 800 °C 이상에서 사용 가능한 내열강으로서 Cr 함량이 상기 본체(100) 보다 작은 3%~15%인 Ni-Cr기반의 내열강이 적용될 수 있다.
본 발명에서와 같이 냉각수관(200)을 매립하여 냉각수로를 형성하는 형태의 화격자(10)의 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본체(100) 외 냉각수관(200)이 별도의 부품요소로 제공되기 때문에, 화격자(10) 본체(100)에 미세 균열이 발생하거나 그 상면 일부가 마모 및 소손되더라도 냉각수관(200)을 통해 순환되는 냉각수가 바로 외부로 누수될 위험이 현저히 감소된다. 이에 따라 화격자(10)의 내구성 및 제품 수명이 개선될 수 있고, 냉각수 누수시 불완전 연소에 따른 문제나 소각로 운영 중단에 따른 경제적 손실 또한 효과적으로 저감될 수 있다.
또한 각 화격자(10) 단위에서 냉각수관(200)의 단부 일부는 실시예에서와 같이 본체(100)에 매립되지 않고 외부로 노출될 수 있으며, 노출된 냉각수관(200)의 단부에는 관체 연결을 위한 엘보우와 같은 피팅부(400)가 결합된다. 이 경우, 본체(100) 밖으로 일부 노출된 냉각수관(200) 단부에 피팅부(400)를 체결하고 후술하는 바와 같이 외부 냉각수 공급용 연결관(500)을 용이하게 연결시킬 수 있기 때문에, 종래 단일 주조 공정에 의해 밀폐형 냉각수로를 형성하는 방식에서 피팅부(400)와의 연결 지점에서 누수가 일어나지 않도록 냉각수로에 대한 직진도 및 평행도를 양호하도록 주조과정을 정밀하게 제어할 필요성 내지 공정 난이도가 현저히 감소될 수 있다.
상기 열전달재(300)는 본체(100)의 공동(170) 내에서 냉각수관(200) 주위로 충진되어 냉각수관(200)을 고정함과 동시에 본체(100)와 냉각수관(200) 사이의 열교환 내지 열전달을 기능을 수행하는 역할을 한다. 이 경우, 열전달재(300)는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화된 형태인 것일 수 있다.
상기 필러 분말은 세라믹 및 금속으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 필러 분말은 10nm ~ 500um 범위에서 동일 또는 서로 다른 직경 크기를 갖도록 구성될 수 있고, 다양한 사이즈의 필러 분말을 혼합하는 경우 필러 분말 간 공극을 메꾸어 충진밀도 및 필러 간 접촉면적이 증가됨으로써 본체(100)와 내열강 사이의 열교환이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 서로 다른 직경 크기를 갖도록 필러 분말을 구성한다는 것은, 예컨대 50nm와 200um의 분말을 중량비로 1: 25로 혼합하는 것일 수 있다.
한편, 금속은 자유전자에 의해서, 세라믹은 포논에 의해서 각각 열전달이 이루어지므로, 금속의 경우는 접촉 면적이 작아지더라도 세라믹에 비해서 열전달 손실이 적다. 따라서 세라믹 분말과 금속 분말을 혼합하여 경화시킨 경우 경화시 기포 등이 내부 결함이 발생하더라도 열전달 손실을 줄일 수 있어 유리하다. 또한 세라믹에 비해 높은 열팽창계수의 금속을 혼입함으로써 필러 분말 간 계면 접합성 및 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 또한 화격자(10)가 소각로에 설치되어 사용되는 동안에 있어서도 이러한 금속을 포함하는 열전달재(300)는 경화된 상태에서 냉각수관(200)과 본체(100) 사이가 확실히 접합 및 밀착되게 함으로써 사용과정에서 진동이나 열응력으로 인해 본체(100) 중공 내에 매립 고정된 냉각수관(200)이 유동 내지 탈리되는 것을 방지함과 동시에 냉각수관(200) 내부를 순환하는 냉각수와 가열된 화격자(10) 본체(100) 간 열교환 특성이 극대화될 수 있다.
상기 필러 분말로서 사용시 화격자(10) 본체(100)와 냉각수관(200) 사이의 열전달 과정을 방해하지 않고 소망하는 냉각 또는 방열 등의 열교환 기능을 수행할 수 있도록 적어도 1W/mK 이상의 열전도를 갖는 물질이 바람직하며, 1W/mK 미만이면 단열효과로 열교환 기능이 떨어질 수 있어 바람직하지 않다. 이러한 물질에는 금속화합물 또는 탄소계 물질로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
이 경우 상기 세라믹으로 구성될 수 있는 금속화합물은 단일 또는 혼합 조성의 금속질화물, 단일 또는 혼합 조성의 금속산화물, 또는 칼코겐 원소(Chalcogen element)와 금속 간에 형성되는 단일 또는 혼합 조성의 금속 칼코겐화물(metal chalcogenide compounds)로부터 선택될 수 있다. 이 경우 상기 금속질화물은 예컨대 AlN, BN, GaN 등이 선택될 수 있고, 상기 금속산화물은 예컨대 Al2O3, SiO2, BeO, ZnO 등이 선택될 수 있고, 상기 금속 칼코겐화물로는 예컨대 ZnTe, ZnS, ZnSe 등이 선택될 수 있다. 또한 상기 세라믹으로 구성될 수 있는 또 다른 물질로서 탄소계 물질로는 예컨대, 그래파이트, CNT, 그래핀 또는 SiC 등이 선택될 수 있다.
상기 필러 분말로 구성되는 금속 재질로는 JIS-SCH의 Ni-Cr기반의 내열강의 적용될 수 있다. 다만 본체(100)의 공동에 매립되어 상기 냉각수관(200)과 마찬가지로 외부로 직접 노출되지 않기 때문에 800 °C 이상에서 사용 가능한 내열강으로서 Cr 함량이 상기 본체(100) 보다 작은 3%~15%인 Ni-Cr기반의 내열강이 적용될 수 있다.
이러한 금속은 세라믹과 혼합하여 필러 분말로 사용시, 상술한 바와 같이 필러 분말 간 계면 접합성 및 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 또한 화격자(10)가 소각로에 설치되어 사용되는 동안에 있어서도 이러한 금속을 포함하는 열전달재(300)는 경화된 상태에서 냉각수관(200)과 본체(100) 사이가 확실히 접합 및 밀착되게 함으로써 사용과정에서 진동이나 열응력으로 인해 본체(100) 중공 내에 매립 고정된 냉각수관(200)이 유동 내지 탈리되는 것을 방지함과 동시에 냉각수관(200) 내부를 순환하는 냉각수와 가열된 화격자(10) 본체(100) 간 열교환 특성이 극대화될 수 있다.
상기 시멘트는 필러 분말을 접착 고정하며(cementixation), 필러 분말 간 그리고 본체(100) 및 냉각수관(200)과의 열전달 효과를 증진시키기 위해서 이용된다. 시멘트의 주요 성분은 Al2O3, SiO2 및 CaO 등을 포함하고, 이 경우 Al2O3의 함량은 소정의 열전도성이 유지될 수 있도록 30 wt% 이상이 바람직하다. 이러한 알루미나(Al2O3)는 열전달계수가 30W/mK으로 세라믹 소재 중에서 높은 편이고, 또한 SiO2 및 CaO 와 함께 용제를 투입하면 경화시키기 용이하다. 시멘트는 소량의 물과 혼합되어 유동성 슬러리 형태로 제공되기 때문에 복잡한 냉각수관(200)에 밀착성이 우수하고 경화 후 1W/mK이상의 열전도도를 가진다. 시멘트를 이용한 경화 공정은, 본체(100)의 공동(170) 내부에 냉각 수관을 위치시킨 상태에서 필러 분말과 함께 충진 및 경화하는 방식으로 수행된다. 한편 특정 세라믹 분말이 필러 분말로 포함되는 경우 별도의 시멘트 공급없이 물만 공급되면 바로 경화될 수 있지만, 금속 분말이 필러 분말로 포함되는 경우 자체적으로 경화되지 않기 때문에 경화를 위해서는 별도 시멘트와 함께 물을 이용해 경화시킬 수 있다.
선택적으로 본 발명에 따른 화격자(10)는 커버 부재(600)를 더 포함할 수 있다. 커버 부재(600)는 본체(100) 공동(170) 내부에 충진된 열전달재(300)의 외부 노출을 차폐함으로써 열전달재(300)의 소손을 억제 내지 지연시키고 사용시 열전달재(300)의 이탈을 방지하게 된다. 커버 부재(600)의 결합은 열전달재(300)의 충진 후 본체(100)에 용접 또는 볼팅 등의 방식으로 이루어질 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 화격자(10)의 설치상태 저면도를 나타낸다. 본체(100)에 매립된 냉각수관(200)의 단부 일부가 본체(100) 하부에 일부 노출되며, 노출된 단부의 일방은 입구로 반대쪽 타방은 외부로 공급되어 순환되는 냉각수의 입구 및 출구로 각각 제공된다. 노출된 냉각수관(200)의 단부에는 엘보우와 같은 피팅부(400)가 결합되고, 연결관(500)은 피팅부(400)를 매개로 냉각수관(200)에 고정된다. 상기 'U'형 연결관(500)은 복수로 제공되며, 복수의 화격자(10)가 소각로의 소각단을 이루도록 설치된 상태에서, 각각의 연결관(500)은 인접하는 화격자(10) 사이에 하나씩 배치되어 냉각수관(200) 입구 및 출구 각각에 연결된다. 이에 따라 하나의 소각단을 구성하는 복수의 화격자(10) 전체에 대해 냉각수관(200)을 연속적으로 연통시키게 된다. 이 경우 연결관(500)은 금속과 같은 경질재질로 구성할 수도 있으나, 피팅부(400)와의 연결지점을 제외하고는 굴절될 수 있는 내열성의 유연재로 구성함으로써, 노출된 냉각수관(200)의 단부 또는 피팅부(400)와 연결관(500) 사이의 평행도 내지 직진도가 정밀하게 제어되지 않아도 그 연결지점에서 냉각수가 누수될 위험을 감소시키는 것이 바람직하다.
이상의 본 발명에 따른 화격자(10)는 상술한 바와 같이 냉각수관(200)을 열전달재(300)를 이용해 미리 주조된 본체(100)의 공동(170) 내에 매립하는 방식으로 제조된다. 구체적으로, 공동(170)이 구비된 내열강 재질의 본체(100)를 주조하는 단계; 상기 공동(170) 내부에 냉각수관(200)을 내부에 배치하는 단계; 및 상기 공동(170) 내부에서 본체(100)와 냉각수관(200) 사이에 열전달재(300)를 충진하는 단계;를 포함한다. 이 경우, 열전달재(300)를 충진하는 단계는 본체(100)와 냉각수관(200) 간 열교환 효과를 증진시키기 위해, 필러 분말과 시멘트를 이용해 경화(cementization)시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 또한 열전달재(300)의 충진 후, 열전달재(300)의 소손을 억제 내지 지연시키고 사용시 열전달재(300)의 이탈을 효과적으로 방지하기 위해 커버 부재(600)를 본체(100)에 결합시키는 방식으로 열전달재(300)의 외부 노출을 차폐하는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이러한 일련의 제조 공정은, 냉각수관(200)이 본체(100)의 공동(170) 내부에 열전달재(300)에 의해 일체 매립되어 냉각수로로 형성되는 방식이기 때문에, 종래 단일 주조공정이나 대한민국 특허 제10-1701720호에 따른 방식 대비 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 제품 수율 대한 부분도 훨씬 우수해질 수 있다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉식 화격자(10)의 측단면 구조도를 나타낸다. 소각로에 설치된 상태에서, 화격자(10)의 상벽(110)과 함께 전방벽(130) 소각로 내부로 직접 노출됨으로써 소각열에 의한 소손이나 기계적 마모에 있어 가장 취약한 것이 일반적이다. 종래 수냉식 화격자(10)에서 상벽(110)에만 냉각유로가 형성됨으로써 전방벽(130)은 그 냉각효율이 떨어져 상대적으로 빠르게 소손 내지 손상이 집중되어 전체적인 제품 수명을 단축시키는 결과를 초해하고 있다. 도 7의 실시예에 따른 화격자(10)는 이러한 점으로 고려하여 냉각수관(200)을 간단히 절곡시켜 매립함으로써 화격자(10)의 상벽(110) 외에도 전방벽(130) 내측으로 냉각유로를 형성한 예를 나타내고 있다. 즉, 본 발명에 따른 화격자(10)는 별도의 냉각수관(200)이 본체(100)의 공동(170) 내부에 열전달재(300)를 이용해 일체로 매립되어 냉각수로로 제공되기 때문에, 특히 복잡한 냉각수로를 형성하는 경우라도 화격자(10) 본체(100)의 다양한 형상에 맞춰 수평방향은 물론 수직방향으로도 절곡되는 등의 최적 형태의 냉각수로를 간단하고 저비용으로 우수한 수율을 가지고 용이하게 구현할 수 있고 이에 따라 상면뿐만 아니라 전방면과 같이 연소실에 노출되는 본체(100)의 다른 면에 대해서도 우수한 냉각 효율을 가지고 더욱 균일하게 냉각시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 수냉식 화격자(10) 및 그 제조방법에 의하면, 냉각수 누수 위험이 현저히 개선되어 제품 내구성 및 수명이 우수하고, 복잡한 냉각유로를 용이하게 구현하여 냉각효율을 극대화할 수 있으며, 또한 제조공정을 단순화시켜 제조원가를 절감하면서도 제품 수율이 향상될 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 하며, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10: 수냉식 화격자
100: 본체
110: 상벽
120: 측벽
130: 전방벽
140: 후방벽
150: 전방 각부
160: 후방 각부
162: 홈부(장착봉 결합부)
170: 공동
200: 냉각수관
300: 열전달재
400: 피팅부 (입구 및 출구)
500: 연결관 (U형 관)
600: 커버 부재

Claims (13)

  1. 내부에 냉각유로가 구비되는 소각로용 수냉식 화격자에 있어서, 공동이 구비된 내열강 재질의 본체; 상기 공동 내부에 수용되어 냉각유로로 제공되는 냉각수관; 및 상기 공동에 장입되어 상기 냉각수관과 상기 내열강 본체 사이를 충진하는 열전달재;를 포함하는 소각로용 수냉식 화격자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전달재는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화된 형태인 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 필러 분말은 세라믹 및 금속으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속은 800℃ 이상에서 사용가능한 내열강인 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  5. 제3항에 있어서, 상기 세라믹은 1W/mK 이상의 열전도를 갖는 금속화합물 또는 탄소계 물질로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속화합물은 단일 또는 혼합 조성의 금속질화물, 단일 또는 혼합 조성의 금속산화물, 또는 칼코겐 원소(Chalcogen element)와 금속 간에 형성되는 단일 또는 혼합 조성의 금속 칼코겐화물(metal chalcogenide compounds)로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  7. 제5항에 있어서, 상기 탄소계물질은 그래파이트, CNT, 그래핀 또는 SiC로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  8. 제2항에 있어서, 상기 필러 분말은 10nm ~ 500um 범위에서 동일 또는 서로 다른 직경 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  9. 제2항에 있어서, 상기 시멘트는 30wt% 이상의 알루미나(Al2O3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소각로용 수냉식 화격자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공동 내부에 충진된 열전달재의 외부 노출을 차폐하기 위한 커버부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 화격자.
  11. 공동이 구비된 내열강 재질의 본체를 주조하는 단계; 상기 공동 내부에 냉각수관을 내부에 배치하는 단계; 및 상기 공동 내부에서 본체와 냉각수관 사이에 열전달재를 충진하는 단계;를 포함하는 수냉식 화격자 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열전달재를 충진하는 단계는 필러 분말이 시멘트를 이용해 경화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 화격자 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 공동 내부에 충진된 열전달재의 노출된 외부를 차폐하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 화격자 제조방법.
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