KR20220071494A - 고체 연료 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 연료 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 분뇨와 같이 함수량이 높고, 열량이 낮으며, 순도가 낮은 저품질의 바이오매스(biomass) 연료를 주연료로 사용하는 고체 연료 연소장치에 관한 것이다. 본 발명은 단열케이스와; 상기 단열케이스 내부에 설치되는 연소실과; 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 고체 연료를 지지하는 화격자를 구비하며, 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실 내부로 방사하는 버너와; 상기 화격자의 아래쪽으로 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하는 고체 연료 연소장치로서; 상기 연소실에 설치되는 온도센서와; 상기 화격자 위에 제1 고체 연료를 공급하는 제1 연료 공급장치와; 상기 화격자 위에 상기 제1 고체 연료에 비해서 발열량이 높은 제2 고체 연료를 공급하는 제2 연료 공급장치와; 상기 온도센서에서 측정된 상기 연소실의 온도에 기초하여, 상기 연소실의 온도가 제1 기준 온도에 도달할 때까지 상기 제2 고체 연료가 공급되고, 상기 제1 기준 온도에 도달하면 상기 제2 고체 연료의 공급이 중단되고 상기 제1 고체 연료가 공급되며, 상기 연소실의 온도가 제2 기준 온도 미만으로 낮아지면 상기 제2 고체 연료와 상기 제1 고체 연료가 함께 공급되도록 상기 제1 연료 공급장치와 상기 제2 연료 공급장치를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치를 제공한다.

Description

고체 연료 연소장치{Combustion Apparatus for Solid Fuel}

본 발명은 고체 연료 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 분뇨와 같이 함수량이 높고, 열량이 낮으며, 순도가 낮은 저품질의 바이오매스(biomass) 연료를 주연료로 사용하는 고체 연료 연소장치에 관한 것이다.

숯, 장작, 석탄, 펠릿과 같은 고체 연료는 액체, 기체 연료보다 발화점이 낮은데도 불이 쉽게 붙지 않는 문제점이 있으나 발화시 항상 발화점 이상으로 유지되는 장점이 있다.

이러한 고체 연료의 장점을 이용한 고체 연료 보일러나 열풍기와 같은 고체 연료 연소장치는 등록특허 제10-0873034호, 제10-0917787호, 제10-1149359호 등에 개시된 바와 같이, 고체 연료를 연소하기 위한 버너와 연소실, 연소실에서 발생한 열을 외기나 물과 열교환하기 위한 연관 등의 열교환수단, 배기가스 처리장치, 고체 연료 연소 후 남은 재를 처리하기 위한 재처리장치 등을 구비한다. 그리고 버너는 고체 연료에 불을 붙이기 위한 수단으로 전열히터, 가스히터 등을 구비한다.

최근에는 이러한 고체 연료, 특히, 축산 분뇨를 연료로 하는 고체 연료 연소장치를 이용한 열병합 발전 시스템의 개발에 대해 요구가 증가하고 있다. 사육되는 소, 돼지, 닭, 오리 등의 수가 증가하여, 축산 분뇨가 대량으로 발생하고 있으며, 축산 분뇨를 수집하여 이송하는 인프라가 이미 존재하므로, 축산 분뇨를 에너지화할 수 있다면, 축산 분뇨에 의한 환경오염 문제를 해결하는 동시에 에너지를 확보할 수 있다.

그런데 이러한 축산 분뇨는 녹는 온도가 낮기 때문에 검댕(soot) 상태에서 재와 함께 엉겨서 다량의 슬래그(slag)와 클린커(clinker)를 발생시킨다. 고체 연료 연소장치에서 이러한 슬래그(slag)와 클린커(clinker)가 지속적으로 제거되지 않을 경우에는 축산 분뇨의 연소가 방해되어 불완전 연소가 발생한다는 문제가 있다.

등록특허 제10-0873034호 등록특허 제10-0917787호 등록특허 제10-1149359호 등록특허 제10-1507956호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 슬래그 및 클린커의 발생을 최소화할 수 있는 고체 연료 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 발생한 슬래그 및 클린커를 용이하게 제거할 수 있는 고체 연료 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 단열케이스와; 상기 단열케이스 내부에 설치되는 연소실과; 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 고체 연료를 지지하는 화격자를 구비하며, 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실 내부로 방사하는 버너와; 상기 화격자의 아래쪽으로 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하는 고체 연료 연소장치로서; 상기 연소실에 설치되는 온도센서와; 상기 화격자 위에 제1 고체 연료를 공급하는 제1 연료 공급장치와; 상기 화격자 위에 상기 제1 고체 연료에 비해서 발열량이 높은 제2 고체 연료를 공급하는 제2 연료 공급장치와; 상기 온도센서에서 측정된 상기 연소실의 온도에 기초하여, 상기 연소실의 온도가 제1 기준 온도에 도달할 때까지 상기 제2 고체 연료가 공급되고, 상기 제1 기준 온도에 도달하면 상기 제2 고체 연료의 공급이 중단되고 상기 제1 고체 연료가 공급되며, 상기 연소실의 온도가 제2 기준 온도 미만으로 낮아지면 상기 제2 고체 연료와 상기 제1 고체 연료가 함께 공급되도록 상기 제1 연료 공급장치와 상기 제2 연료 공급장치를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치를 제공한다.

또한, 상기 화격자에서 떨어지는 재를 분쇄하는 파쇄기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치를 제공한다.

또한, 상기 파쇄기는 서로 나란하게 설치되는 한 쌍의 드럼과 각각의 드럼에 상기 드럼의 길이 방향을 따라서 일정한 간격으로 설치되는 파쇄 편들을 포함하며, 각각의 파쇄 편에는 두 개의 파쇄 날들이 180도 간격으로 각을 이루며 형성되며, 드럼의 길이 방향을 따라서 서로 인접하게 배치된 파쇄 편들의 파쇄 날들은 120도 각도를 이루며, 하나의 드럼의 파쇄 날들은 다른 하나의 드럼의 파쇄 날들과 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치를 제공한다.

또한, 각각의 파쇄 편에는 120도 간격으로 배치된 3개의 관통 구멍들이 형성되며, 상기 관통 구멍들에 끼워지는 3개의 고정봉들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치를 제공한다.

또한, 상기 화격자는 복수의 통기공이 형성되어 있는 복수의 단으로 이루어진 계단식 화격자이며, 아래의 단으로 내려갈수록 통기량이 줄어들도록 통기공이 형성된 고체 연료 연소장치를 제공한다.

본 발명에 따른 고체 연료 연소장치는 연소실의 상태에 따라서 고품질의 고체 연료를 보조적으로 사용함으로써 슬래그 및 클린커의 발생을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 분쇄기를 구비하는 일부 실시예는 슬래그 및 클린커를 용이하게 제거할 수 있다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파쇄기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 파쇄기의 일부를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체 연료 연소장치(1)는 단열케이스(10)와, 단열케이스(10) 내부에 설치되는 연소실(20)과, 단열케이스(10) 내부에 설치되며 연소실(20)과 연통된 연관(30)과, 단열케이스(10) 일 측에 설치되어 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 연료가 연소되면서 발생한 화염을 연소실(20) 내부로 방사하는 버너(40)와, 파쇄기(50)와, 제어기(미도시)와, 온도센서(29)를 포함한다.

단열케이스(10)는 연소실(20), 연관(30), 버너(40) 등이 설치되는 내부공간을 제공하는 역할과, 열교환이 일어나는 공간을 제공하는 역할을 한다.

본 실시예와 같이, 보일러용 고체 연료 연소장치(1)로 사용되는 경우에는 단열케이스(10)의 측벽들은 중공의 벽으로 이루어지며, 그 내부공간은 물이 순환하는 수실로서의 역할을 할 수 있다.

또한, 열풍기용 고체 연료 연소장치로 사용되는 경우에는 단열케이스(10)에 송풍기와 열풍 토출구가 형성될 수 있다. 이때, 송풍기를 통해서 단열케이스(10)로 유입된 외기는 연관(30)과의 열교환 및 연소실(20)과의 열교환을 통해서 가열된 후 단열케이스(10)에 형성된 열풍 토출구를 통해서 배출될 수 있다.

연소실(20)은 단열케이스(10)의 하부에 배치된다. 연소실(20)은 대체로 직육면체 형태이다. 연소실(20)에서는 고체 연료가 연소한다.

연소실(20)의 화격자(41) 아래에는 공기 공급구(25)가 형성된다. 공기 공급구(25)는 공기 또는 배기가스와 혼합된 공기를 제공하는 공기 공급장치(미도시)와 연결된다.

고체 연료로는 저품질의 제1 고체 연료와 제1 고체 연료에 비해서 발열량이 높은 고품질의 제2 고체 연료가 사용된다. 예를 들어, 제1 고체 연료로는 축산 분뇨 연료 등이 사용될 수 있으며, 제2 고체 연료로는 목재 펠릿과 목재 칩 등과 같은 연료들이 사용될 수 있다.

연소실(20)의 상면 일 측에는 고체 연료의 연소에 따른 고온의 가스가 모이는 제1연실(35)이 결합되어 있다. 도시된 바와 같이, 제1연실(35)은 버너(40)가 설치된 연소실(20) 우측의 상면에 설치되는 것이 바람직하다. 고온의 가스가 이동하는 경로가 길어져서 열효율이 향상되기 때문이다.

연관(30)은 단열케이스(10)의 상부에 배치된다. 연관(30)은 연소실(20)에서 배출되는 고온의 가스가 통과하는 통로이다. 본 실시예에서는 연관(30)이 2열로 배치되며, 각 열에는 복수의 연관(30)이 일정한 간격으로 지그재그로 배치된다.

본 실시예에 있어서, 아래 열의 연관인 제1연관(31)들은 제1연실(35)로부터 수평으로 연장된다. 그리고 제1연관(31)들의 타단은 단열케이스(10)의 좌측 내벽에결합된 제2연실(36)과 연통된다. 제1연관(31)들을 통과한 배기가스는 제2연실(36)에 유입된다. 그리고 제2연실(36)에 유입된 배기가스는 윗열의 연관인 제2연관(32)들을 통해서 단열케이스(10)의 우측에 설치된 제3연실(37)로 이동한다.

버너(40)는 단열케이스(10)의 측면에 설치된다. 버너(40)는 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키는 장치이다. 연료가 연소함으로써 발생하는 화염은 연소실(20) 내부로 방사된다. 버너(40)는 고체 연료 연소장치(1)의 열원으로서 작용한다.

버너(40)는 고체 연료를 지지하는 화격자(41)와, 화격자(41) 위에 제1 고체 연료를 공급하는 제1 연료 공급 장치(42)와, 화격자(41) 위에 제2 고체 연료를 공급하는 제2 연료 공급 장치(45)를 포함한다.

또한, 도시하지 않았으나, 고체 연료의 착화를 위해 착화용 연료를 분사하는 노즐과, 노즐에서 분사된 착화용 연료를 점화하는 점화플러그를 더 포함한다.

화격자(41)는 공기가 통과할 수 있으며, 고체 연료가 연소되면서 생긴 재가 빠질 수 있는 복수의 통기공이 형성되어 있는 복수의 조각으로 이루어진다. 본 실시예에서 화격자(41)는 계단식 화격자이며, 또한, 일부 화격자가 좌우로 이동하면서 재를 떨어뜨리는 이동식 화격자이다.

제1 연료 공급 장치(42)는 화격자(41)에 제1 고체 연료를 공급하는 역할을 한다. 제1 연료 공급 장치(42)에는 연료 공급구(43)가 형성된다. 연료 공급구(43)는 연료가 저장되는 사일로와 연결될 수 있다. 제1 연료 공급 장치(42)의 출구는 화격자(41) 위에 배치된다. 제1 연료 공급 장치(42)에는 연료 이송스크루(44)가 설치된다. 제1 연료 공급 장치(42)의 연료 공급구(43)를 통해서 유입된 제1 고체 연료는 연료 이송스크루(44)에 의해서 출구로 이송된 후 화격자(41) 위에 떨어진다. 제1 연료 공급 장치(42)의 출구 반대쪽 일단에는 역화 방지 송풍기가 설치될 수 있다.

제2 연료 공급 장치(45)는 화격자(41)에 제2 고체 연료를 공급하는 역할을 한다. 제2 연료 공급 장치(45)는 제1 연료 공급 장치(42)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 또한, 제1 연료 공급 장치(45)의 일부 구성들을 공유할 수도 있다. 즉, 제2 연료 공급 장치(45)는 제1 연료 공급 장치(42)에 형성된 제2 연료 공급구일 수 있다. 제2 연료 공급구를 통해서 공급된 제2 연료는 제1 연료 공급 장치(42)의 연료 이송스크루(44)에 의해서 이송될 수 있다.

또한, 고체 연료 연소장치는 배기구(27)를 더 포함한다. 배기구(27)는 제3연실(37)과 연결되어, 가스를 외부로 배출시킨다. 배기구(27)에는 분진 및 재를 제거하기 위한 집진기와 제거된 분진 및 재를 모으는 포집통 등이 연결될 수 있다.

또한, 고체 연료 연소장치는 파쇄기(50)를 더 포함한다.

파쇄기(50)는 화격자(41) 끝단의 우측 하부에 설치된다. 파쇄기(50)는 화격자(41)에서 떨어지는 재를 분쇄하는 역할을 한다. 고체 연료, 특히, 축산 분뇨 연료와 같은 저품질의 제1 고체 연료가 타고 남은 재에는 다량의 슬래그(slag)와 클린커(clinker)가 포함된다. 파쇄기(50)는 이러한 재를 분쇄하는 역할을 한다.

도 2는 도 1에 도시된 파쇄기를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 파쇄기의 일부를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 파쇄기(50)는 서로 나란하게 설치되는 한 쌍의 드럼(51), 각각의 드럼에 설치된 복수의 파쇄 편(53)들과 세 개의 고정봉(55)들을 포함한다.

한 쌍의 드럼(51)은 된 재가 유입될 수 있도록 서로 다른 방향으로 회전한다. 즉, 도 1에서의 좌측 드럼(51)은 시계방향으로 회전하고, 우측 드럼(51)은 반시계방향으로 회전한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 파쇄 편(53)들은 드럼(51)의 길이 방향을 따라서 일정한 간격으로 설치된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 파쇄 편(53)에는 두 개의 파쇄 날(54)들 형성되며, 이 파쇄 날(54)들은 180도 간격으로 각을 이루며 형성된다. 즉, 서로 반대 방향에 형성된다. 또한, 드럼(51)의 길이 방향을 따라서 서로 인접하게 배치된 파쇄 날(54)들은 120도 각도를 이룬다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 드럼(51)의 파쇄 날(53)들은 다른 하나의 드럼(51)의 파쇄 날(53)들 사이사이에 배치되지 않고 서로 마주보도록 배치된다.

또한, 고체 연료 연소장치(1)는 온도센서(29)와 제어기를 더 포함한다.

온도센서(29)는 연소실(20)의 내부에 설치되어 연소실(20)의 온도에 따른 전기신호를 발생시킨다.

제어기는 온도센서(29)로부터 연소실(20)의 온도에 따른 전기신호를 수신한다. 그리고 이에 기초하여, 제1 고체 연료가 완전히 연소될 수 있도록 제1 연료 공급장치(42)와 제2 연료 공급장치(45)를 제어한다.

좀 더 상세히 설명하면, 제어기는 연소실(20)의 온도가 제1 기준 온도에 도달할 때까지 제2 고체 연료가 공급되도록 제1 연료 공급장치(42)와 제2 연료 공급장치(45)를 제어한다. 즉, 제2 연료 공급장치(45)는 가동되고, 제1 연료 공급장치(42)는 정지시켜서 제2 고체 연료가 연소실(20)로 공급되도록 한다. 본 실시예에서는 제2 연료 공급장치(45)와 제1 연료 공급장치(42)가 대부분의 구성을 공유하므로, 본 실시예에서 제1 연료 공급장치(42)의 정지는 제1 연료 공급장치(42)의 연료 공급구(43)를 통해서 제1 고체 연료의 공급이 차단되는 것을 의미한다.

예를 들어, 축산 분뇨 연료와 같은 저품질의 제1 고체 연료는 연소실 온도가 800℃ 이상의 고온일 때 투입되어야 완전히 연소될 수 있다.

그리고 제어기는 연소실(20)의 온도가 제1 기준 온도에 도달하면 제2 고체 연료의 공급이 중단되고 제1 고체 연료가 공급되도록 제1 연료 공급장치(42)와 제2 연료 공급장치(45)를 제어한다. 즉, 제2 연료 공급장치(45)는 정지되고, 제1 연료 공급장치(42)는 가동시켜서 제1 고체 연료가 연소실(20)로 공급되도록 한다.

또한, 제어기는 연소실(20)의 온도가 제2 기준 온도 미만으로 낮아지면 상기 제2 고체 연료와 제1 고체 연료가 함께 공급되어 연소실(20)의 온도가 유지될 수 있도록 제1 연료 공급장치(42)와 상기 제2 연료 공급장치(45)를 제어한다.

이러한 방법으로 슬래그 및 클린커의 발생을 최소화할 수 있다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 고체 연료 연소장치
10: 단열케이스
20: 연소실
29: 온도센서
30: 연관
40: 버너
41: 화격자
42: 제1 연료 공급장치
45: 제2 연료 공급장치
50: 파쇄기
51: 드럼
53: 파쇄 편
54: 파쇄 날

Claims (5)

1. 단열케이스와; 상기 단열케이스 내부에 설치되는 연소실과; 상기 단열케이스 일 측에 설치되고, 고체 연료를 지지하는 화격자를 구비하며, 고체 연료를 공기와 섞어 연소시키며, 고체 연료가 연소되면서 발생한 화염을 상기 연소실 내부로 방사하는 버너와; 상기 화격자의 아래쪽으로 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하는 고체 연료 연소장치로서,
   상기 연소실에 설치되는 온도센서와,
   상기 화격자 위에 제1 고체 연료를 공급하는 제1 연료 공급장치와,
   상기 화격자 위에 상기 제1 고체 연료에 비해서 발열량이 높은 제2 고체 연료를 공급하는 제2 연료 공급장치와,
   상기 온도센서에서 측정된 상기 연소실의 온도에 기초하여, 상기 연소실의 온도가 제1 기준 온도에 도달할 때까지 상기 제2 고체 연료가 공급되고, 상기 제1 기준 온도에 도달하면 상기 제2 고체 연료의 공급이 중단되고 상기 제1 고체 연료가 공급되며, 상기 연소실의 온도가 제2 기준 온도 미만으로 낮아지면 상기 제2 고체 연료와 상기 제1 고체 연료가 함께 공급되도록 상기 제1 연료 공급장치와 상기 제2 연료 공급장치를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 화격자에서 떨어지는 재를 분쇄하는 파쇄기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 파쇄기는 서로 나란하게 설치되는 한 쌍의 드럼과 각각의 드럼에 상기 드럼의 길이 방향을 따라서 일정한 간격으로 설치되는 파쇄 편들을 포함하며,
   각각의 파쇄 편에는 두 개의 파쇄 날들이 180도 간격으로 각을 이루며 형성되며,
   드럼의 길이 방향을 따라서 서로 인접하게 배치된 파쇄 편들의 파쇄 날들은 120도 각도를 이루며,
   하나의 드럼의 파쇄 날들은 다른 하나의 드럼의 파쇄 날들과 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치.
4. 제3항에 있어서,
   각각의 파쇄 편에는 120도 간격으로 배치된 3개의 관통 구멍들이 형성되며,
   상기 관통 구멍들에 끼워지는 3개의 고정봉들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 연소장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 화격자는 복수의 통기공이 형성되어 있는 복수의 단으로 이루어진 계단식 화격자이며, 아래의 단으로 내려갈수록 통기량이 줄어들도록 통기공이 형성된 고체 연료 연소장치.
   

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