KR20230027552A - 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스토커식 소각 및 연소용 수냉화격자에 관한 것으로서, 특히 상판의 표면(등판)에 편마모가 생기지 않을 뿐만 아니라 공기토출구에 이물질이 끼여도 셀프 클리닝이 가능한 공기토출유로를 갖는 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자에 관한 것이다.

Description

스토커 소각 및 연소용 수냉화격자{Water Cooled Fire Grate Bar for Stoker Combustion Furnace}

본 발명은 스토커식 소각 및 연소용 수냉화격자에 관한 것으로서, 특히 상판의 표면(등판)에 편마모가 생기지 않을 뿐만 아니라 공기토출구에 이물질이 끼여도 후진 시 셀프 클리닝이 가능한 공기토출유로를 갖는 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자에 관한 것이다.

일반적으로 스토커(stoker)식 소각로는 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등을 화격자(Fire grate bar, 火格子) 위에 펼쳐놓고 연소하는 방식으로 건설이 용이하고 저발열량에서부터 고발열량을 가진 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등까지 폭넓게 연소할 수 있다는 장점이 있어, 연소로를 이용한 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등의 처리공정에서 널리 이용되고 있다.

이러한, 스토커식 연소로는 고온 및 고열을 이용한 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등 연소 중 과열된 화격자의 냉각을 한정된 연소 공기로 시키는 공랭식과 냉각수 순환으로 시키는 수냉식으로 이용되고 있으며, 이 중 수냉식 화격자는, 한정된 연소 공기에 의한 냉각 효율의 한계로 냉각 기능이 부족하게 되어 고발열량을 연소할 때 550℃ 전후의 내열주강 크리프(creep) 특성에 의해 화격자의 손상이 빨라 제품 내구성에 큰 영향을 미치는 문제가 발생하는 공냉식 화격자와 달리, 냉각수를 지속적으로 순환시켜 화격자의 표면(화상면)의 온도를 일정(120℃ 이하)하게 유지시킴으로써, 내구성 저하의 억제 및 이를 통한 제품의 수명연장을 도모할 수 있다는 장점이 있어, 스토커식 소각 및 연소로를 이용한 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등의 처리공정에 이용하기 적합하다.

여기서, 수냉화격자는 연소실의 바닥면을 구성하는 화상면으로서 내열, 내마모성의 금속재질로 이루어진다. 이에 따라, 수냉화격자는 투입된 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등을 연속적으로 이송, 교반시키고 화상면 전체에 균일한 연소용 공기를 공급할 수 있는 구조를 갖추어야 하며, 연소 중인 고온의 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등과 직접 접촉하고 고온에 직접 노출되기 때문에 이에 대비한 설계가 되어야 하며, 장시간 연속운전에 적합한 구조를 가져야 한다.

이러한 유형의 종래 수냉화격자로서 특허문헌 1(한국등록특허공보 제10-1277484호)에 공지된 것이 제안되어 있다.

종래 수냉화격자는 도 13 내지 도 15에 도시한 바와 같이, 전면부(120) 바닥면에 상부로 일정깊이 절개형성되도록 공기배출홈(126)을 형성하고 평판부(110)의 상부면(다른 화격자의 바닥면이 놓이는 등판)에 공기배출홈(126)과 대응되는 스크레이퍼(128)를 구비함으로써 운전 중에 스크레이퍼(128)에 의해 공기배출홈(126)에 부착된 이물질이 자체적으로 제거될 수 있도록 한다.

이와 같은 공기배출홈(126)이 전면부(120)의 바닥면에 형성됨으로써, 상부면에 스크레이퍼(128)의 구성이 추가되어야 공기배출홈(126)에 끼인 이물질을 긁어내야 한다.

또한, 수냉화격자의 전후 이송에 따라 전면부(120)의 바닥면이 마모되면서 공기배출홈(126)이 점점 좁아져 연소 불균형이 생긴다.

또한, 고정 수냉화격자의 평판부(110)의 상부면(등판)에는 도 16과 같이 공기배출홈(126)을 제외한 전면부(120)의 바닥면으로 지그재그로 편마모가 생긴다. 이러한 편마모는 교대로 움푹 파인 홈으로 쌓이는 폐기물과 고형연료, 바이오매스의 하중을 안정적으로 부담하지 못하고, 수냉화격자의 냉각 불균형으로 내구성이 현저히 저하된다.

또한, 공기배출홈(126)에 이물질이 잘 끼기 때문에, 연소 불균형으로 인해 덜 타고나오는 바닥재에 미연소탄소가 많아지게 돼서 연소불량이 심하게 된다. 또한, 연소효율 저하가 생기게 된다.

이러한 바닥면의 교대로 형성되는 공기배출홈의 문제점을 개선하기 위한 종래의 수냉화격자가 특허문헌2(한국등록특허공보 제10-1773388호)에 공지된 것이 제안되어 있다.

특허문헌2의 도 17에 도시한 바와 같이, 수냉화격자의 전면부에는 수직형 세로 형태의 장공인 공기토출구(190)가 형성되어 있다.

따라서, 특허문헌2의 수냉화격자의 전면부의 바닥면은 평평한 수평면이기 때문에 편마모가 생기지도 않고, 스크레이퍼도 불필요하다.

하지만, 공기토출구(190)는 전후로 관통한 수직형 세로 형태의 장공이기 때문에, 가동 수냉화격자가 고정 수냉화격자에 대해 전후로 이송하면서 이물질(폐기물과 고형연료, 바이오매스 또는 연소 잔재물)이 공기토출구(190)에 끼일 우려가 매우 크다.

이에 의해 이물질이 공기토출구(190)로 삽입 압착되어 꽉 막히게 되면, 토출되는 공기에 의해서도 뚫을 수 없어 연소 불균형이 생겨 덜 타고나오는 바닥재에 미연소 탄소가 많아지게 된다.

특허문헌 1 : 한국등록특허공보 제10-1277484호 특허문헌 2 : 한국등록특허공보 제10-1773388호

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상판의 표면(등판)에 편마모가 생기지 않을 뿐만 아니라 제3공기토출구에 이물질이 끼여도 후진 시 셀프 클리닝이 가능한 공기토출유로를 갖는 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자는, 이면에 수냉유로홈부가 형성되는 상판과, 상기 상판의 전측에 형성되는 전벽과, 상기 상판의 후측에 형성되는 거치홈부와, 상기 수냉유로홈부를 커버하는 커버판을 포함하되, 상기 전벽은 제1공기토출구가 형성되는 내측 전벽과, 상기 내측 전벽과 마주하여 그 사이에 제2공기토출구가 형성되는 외측 전벽을 포함하며, 상기 내측 전벽의 하면 전체가 다른 수냉화격자의 상판의 표면에 놓이는 평평한 바닥면이고, 상기 외측 전벽의 하면은 상기 내측 전벽의 바닥면보다 위쪽에 배치되어, 상기 다른 수냉화격자의 상판의 표면 사이에 제3공기토출구인 이격 공간이 형성되어 있다.

또한, 본 발명의 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자에 있어서, 상기 제1공기토출구는 상기 내측 전벽에 전후로 관통된 공기토출공이고, 상기 제2공기토출구는 상기 공기토출공을 중심으로 상기 내측 전벽과 상기 외측 전벽 사이에 수직 칸막이벽이 마주보게 형성되는 덕트형 유동 공간이고, 상기 제3공기토출구는 상기 수직 칸막이벽의 하측과 상기 외측 전벽의 하면 사이에 형성되는 수평 칸막이벽의 내면, 상기 외측 전벽의 하면 및 상기 다른 수냉화격자의 상판의 표면으로 둘러싸인 공기토출개구로 이루어진다.

게다가, 본 발명의 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자에 있어서, 상기 수평 칸막이벽의 내면은 전방으로 갈수록 넓어지는 사다리꼴 형상으로 되어 있다.

더욱이, 본 발명의 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자에 있어서, 상기 외측 전벽의 하면은 전방으로 갈수록 높이가 낮아지는 경사면을 갖는다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

Z자 형상의 공기토출유로가 전벽에 형성됨으로써, 공기토출유로 중 맨 밑의 제3공기토출구로 이물질이 들어와도 내측 전벽의 하측에 막혀 더는 들어가지 못하기 때문에, 제3공기토출구의 이물질을 연소실 쪽으로 밀어내어 막힘 없는 셀프 클리닝이 가능하다. 이것은 제1,2공기토출구의 전면이 외측 전벽이 가리고 있어 이물질의 불가능한 침투로 인해 유로가 항상 개방된 제1,2공기토출구로부터 지속적으로 제3공기토출구로 공기의 토출이 제공되기 때문이다.

더욱이, Z자 형상의 공기토출유로가 형성됨에 따라서, 내측 전벽의 하면인 바닥면 전체가 다른 수냉화격자의 상판의 표면에 평평하게 닿게 놓이기 때문에, 전후진에 따른 편마모가 생기지 않는다(즉 균일한 마모가 생긴다).

게다가, 수평 칸막이벽의 내면(제3공기토출구의 좌우 내면)은 전방으로 갈수록 넓어지는 사다리꼴 형상으로 되기 때문에, 전진할 땐 넓은 쪽에서 좁은 쪽으로 이동해서 제3공기토출구로 이물질이 끼여도, 후진할 땐 좁은 쪽에서 넓은 쪽으로 이동해서 끼인 이물질로부터 제3공기토출구만 빠져나가는 추가 셀프 클리닝이 가능하다.

더욱이, 외측 전벽의 하면이 전방으로 갈수록 높이가 낮아지는 경사면을 갖기 때문에, 제트 기류로 인한 공기 토출 속도가 빨라져서 연소가 활발하게 진행되고, 후진 시에는 화격자 공간이 확보되면서 무너지는 폐기물과 고형연료, 바이오매스 층 사이로 연소공기가 순간적으로 빠져나가는 형태의 공기토출홀을 갖춘다.

도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자를 상하측에서 본 사시도.
도 4는 도 1의 정면도.
도 5는 도 4의 5-5선을 취하여 본 단면도.
도 6은 도 1의 저면도.
도 7은 도 3에 커버가 설치된 수냉화격자를 2개 연결한 사시도.
도 8은 도 7에 수냉파이프가 연결된 사시도.
도 9 및 도 10은 가동 수냉화격자의 전후진에 따른 이물질의 셀프 클리닝을 설명하는 측단면도.
도 11 및 도 12는 가동 수냉화격자의 전후진에 따른 이물질의 추가 셀프 클리닝을 설명하는 일부 저면도.
도 13은 종래 수냉화격자를 상하에서 본 사시도.
도 14는 도 13의 수냉화격자를 연결한 수냉화격자 유닛을 도시한 저면 사시도.
도 15는 도 14의 수냉화격자 유닛이 계단식으로 적층된 상태의 개략 사시도.
도 16은 공기토출홈 방향으로 지그재그로 편마모된 사진.
도 17은 다른 종래의 수냉화격자를 연결한 수냉화격자 유닛이 계단식으로 적층된 상태의 개략 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하는데, 종래의 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 전후방향은 지면의 좌우이고, 좌우방향은 지면에 수직으로 정의한다.

도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수냉화격자를 상하측에서 본 사시도이고, 도 4는 도 1의 정면도이고, 도 5는 도 4의 5-5선을 취하여 본 단면도이고, 도 6은 도 1의 저면도이고, 도 7은 도 3에 커버가 설치된 수냉화격자를 2개 연결한 사시도이고, 도 8은 도 7에 수냉파이프가 연결된 사시도이고, 도 9 및 도 10은 가동 수냉화격자의 전후진에 따른 이물질의 셀프 클리닝을 설명하는 측단면도이고, 도 11 및 도 12는 가동 수냉화격자의 전후진에 따른 이물질의 추가 셀프 클리닝을 설명하는 일부 저면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 스토커 소각 및 연소용 수냉화격자(1)는 상판(10)과, 상판(10)의 전측에 형성되는 전벽(30)과, 전벽(30)에 형성되는 Z자형 공기토출유로(50)와, 상판(10)의 이면(밑면)에 형성되는 수냉유로홈부(70)와, 상판(10)의 후측에 형성되는 거치홈부(90)를 포함한다.

또한, 수냉화격자(1)의 이면에는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 커버(3)와 수냉파이프(5)가 설치되어 있다.

상판(10)은 좌우 폭에 비해 전후 길이가 긴 직사각형으로서, 도 9 및 도 10과 같이 가동 수냉화격자(1a)의 바닥면이 고정 수냉화격자(1b)의 표면(상면)에 놓인 채 전후 이송되고, 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등이 쌓여 연소되는 등판이다.

전벽(30)은 도 5에 도시한 바와 같이, 서로 마주보는 내측 전벽(30a)과 외측 전벽(30b)을 포함한다.

이때, 내측 전벽(30a)의 하면(31a)은 다른 상판의 표면에 놓이는 바닥면(31a이고, 외측 전벽(30b)의 하면(31b)은 바닥면(31a)보다 위쪽에 위치하고 있다.

즉, 외측 전벽(30b)의 하면(31b)은 다른 수냉화격자의 상판의 표면에서 위로 떨어져 있다.

따라서, 외측 전벽(30b)의 하면(31b)과 내측 전벽(30a)의 바닥면(31a) 사이 또는 외측 전벽(30b)의 하면(31b)과 다른 수냉화격자의 상판의 표면 사이에는 후술되는 제3공기토출구(50c)인 이격 공간이 형성된다.

한편, 내측 전벽(30a)의 두께(T)는 외측 전벽(30b)의 두께(t)보다 더 두껍게(T》t) 주조되어 있다.

이것은, 바닥면(31a)이 다른 상판에 놓였을 때 닿는 면적이 넓어 전후 미끄럼과, 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등의 하중을 안정적으로 받칠 수 있고, 후술되는 냉각수의 유출입홈(73)(75)의 깊이도 어느 정도 확보할 수 있다.

또한, 바닥면(31a)은 종래와 같은 공기토출홈이 없는 평평한 면이기 때문에, 전후진에 따른 편마모가 생기기 않는다.

본 실시예의 특징 중 핵심은 공기토출유로(50)가 Z자에 가까운 토출 유로를 배열한 것이다.

공기토출유로(50)는 폐기물과 고형연료, 바이오매스 등의 연소에 필요한 산소를 공급하여 완전 연소에 기여하기 위함이다.

즉, 공기토출유로(50)는 도 5, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 내측 전벽(30a)에 형성되는 제1공기토출구(50a)와, 내측 전벽(30a)과 외측 전벽(30b) 사이에 형성되는 제2공기토출구(50b)와, 외측 전벽(30b)의 하면(31b)과 내측 전벽(30a)의 바닥면(31a) 사이 의 이격 공간인 제3공기토출구(50c)를 포함한다.

제1공기토출구(50a)는 전후로 관통된 제1공기토출홀로서, 본 실시예에서는 수직형 세로 형태의 슬롯으로 형성되어 있다.

제1공기토출구(50a)에서 수평으로 나온 공기는 외측 전벽(30b)에 부딪혀 제2공기토출구(50b)를 통해 아래로 이동하게 된다.

제2공기토출구(50b)는 제1공기토출구(50a)를 중심으로 내측 전벽(30a)과 외측 전벽(30b) 사이의 전후에 수직 칸막이벽(40)의 형성으로 생긴 덕트형 유로 공간이다.

제3공기토출구(50c)는 수직 칸막이벽(40)의 하측과 외측 전벽(30b)의 하면(31b) 사이에 형성되는 수평 칸막이벽(60)의 내면(61), 외측 전벽(30b)의 하면(31b) 및 다른 수냉화격자의 상판의 표면으로 둘러싸인 공기토출개구이다.

이와 같은 공기토출유로(50)에 의해, 고정 수냉화격자(1')에 대해 가동 수냉화격자(1)가 전진하면 도 9와 같이 제3공기토출구(50c)로 이물질이 유입되더라도 내측 전벽(30a)의 하측에 막히게 된다.

따라서, 도 10과 같이 가동 수냉화격자(1)가 후진하면 이물질이 빠지게 되어 셀프 클리닝이 가능하다.

만약, 가동 수냉화격자(1)가 후진할 때 제3공기토출구(50c)에 이물질의 일부가 끼여 딸려가더라도, 제2공기토출구(50b)에서 토출되는 공기가 제3공기토출구(50c)로 토출되는 유로 공간의 확보로 인해 일부 끼인 이물질을 외부로 밀어내기가 쉽다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 외측 전벽(30b)의 하면(31b)은 전방으로 갈수록 높이가 낮아지는 기울기인 경사면(31b)으로 이루어진다.

이러한 경사면(31b)은 토출되는 공기에 제트 기류를 형성시켜 토출 속도를 더욱더 빠르게 해서 연소를 훨씬 더 활발하게 한다.

셀프 클리닝을 위한 또 하나의 구성은 수평 칸막이벽(60)의 내면(63)이 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 전방으로 갈수록 폭이 넓어지는(벌어지는) 사다리꼴 형상으로 되어 있다.

이것은 도 11과 같이 가동 수냉화격자(1)가 전진하면 이물질이 제3공기토출구(50c)로 들어오지만, 도 12와 같이 후진하게 되면 벌어진 형상으로 인해 들어온 이물질이 잘 빠져 나가게 된다.

한편, 수평 칸막이벽(60)의 하면(61)도 내측 전벽(30a)의 바닥면(31a)과 같이 바닥면(61)을 이루고 있다.

그런데, 수평 칸막이벽(60)의 바닥면(61)은 내측 전벽(30a)의 평평한 바닥면(31a)과 달리 부분적으로 교대로 놓여 있지만, 바닥면(31a)과 바닥면(61)이 동시에 닿고 있기 때문에, 전체와 부분이 동시에 닿을 땐 전체가 닿는 효과가 있어 편마모는 생기지 않는다.

또한, 바닥면(31a)이 도 6과 같이 바닥면(61)에 비해 그 두께가 매우 두껍기 때문에도 전체적으로 닿고 있는 것으로서 편마모가 생기지 않는 것이다.

수냉유로홈부(70)는 상판(10)의 이면에 형성되는 수냉유로홈(71)과, 내측 전벽(30a)에 형성되어 수냉유로홈(71)과 서로 통하는 유출입홈(73)(75)이 형성되어 있다.

이러한 수냉유로홈(71)과 유출입홈(73)(75)은 커버(3)에 의해 냉각수가 흐르는 수로가 형성되게 된다.

커버(3)에는 유출입홈(73)(75)과 통하는 유출입공(3a)(3b)이 형성되어 있다.

이 유출입공(3a)(3b)에는 U자용 유출입용 수냉파이프(5)가 설치된다.

거치홈부(90)는 스토커의 샤프트가 끼워지는 홈으로서, 상판(10)의 좌우에 ∩자 형태로 형성되어 있다.

따라서, 샤프트가 전후로 미도시된 유압실린더가 구동하면 수냉화격자(1)의 바닥면(31a)이 다른 수냉화격자의 표면을 따라 전후진하게 된다.

수냉화격자(1)는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 1열에 적어도 다수 개 연결된 것이 사용된다.

따라서, 상판(10)의 좌우 측면에 형성된 측판(20)에는 볼트와 너트가 체결되는 체결공(21)이 형성되어 있다.

마찬가지로 거치홈부(90)에도 서로 연결되는 체결공(91)이 형성되어 있다.

또한, 측판(20)에는 U자용 유출입용 수냉파이프(5)가 옆쪽 수냉화격자 쪽으로 넘어가게 통과홈(25)이 형성되어 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

1,1a,1b : 수냉화격자 10 : 상판
30 : 전벽 30a : 내측 전벽
31a : 내측 전벽의 바닥면 30b : 외측 전벽
31b : 경사면 40 : 수직 칸막이벽
50 : 공기토출유로 50a : 제1공기토출구(공기토출홀)
50b : 제2공기토출구(덕트형 유동 공간)
50c : 제3공기토출구(공기토출개구)
60 : 수평 칸막이벽 61 : 수평 칸막이벽의 하면
63 : 수평 칸막이벽의 내면(사다리꼴)
70 : 수냉유로홈부 90 : 거치홈부

Claims (4)

1. 이면에 수냉유로홈부가 형성되는 상판과,
   상기 상판의 전측에 형성되는 전벽과,
   상기 상판의 후측에 형성되는 거치홈부와,
   상기 수냉유로홈부를 커버하는 커버판을 포함하되,
   상기 전벽은,
   제1공기토출구가 형성되는 내측 전벽과,
   상기 내측 전벽과 마주하여 그 사이에 제2공기토출구가 형성되는 외측 전벽을 포함하며,
   상기 내측 전벽의 하면 전체가 다른 수냉화격자의 상판의 표면에 놓이는 평평한 바닥면이고,
   상기 외측 전벽의 하면은 상기 내측 전벽의 바닥면보다 위쪽에 배치되어, 상기 다른 수냉화격자의 상판의 표면 사이에 제3공기토출구인 이격 공간이 형성되는,
   스토커 소각 및 연소용 수냉화격자.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1공기토출구는, 상기 내측 전벽에 전후로 관통된 공기토출공이고,
   상기 제2공기토출구는, 상기 공기토출공을 중심으로 상기 내측 전벽과 상기 외측 전벽 사이에 수직 칸막이벽이 마주보게 형성되는 덕트형 유동 공간이고,
   상기 제3공기토출구는, 상기 수직 칸막이벽의 하측과 상기 외측 전벽의 하면 사이에 형성되는 수평 칸막이벽의 내면과, 상기 외측 전벽의 하면 및 상기 다른 수냉화격자의 상판의 표면으로 둘러싸인 공기토출개구인,
   스토커 소각 및 연소용 수냉화격자.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 수평 칸막이벽의 내면은 전방으로 갈수록 넓어지는 사다리꼴 형상인,
   스토커 소각 및 연소용 수냉화격자.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 외측 전벽의 하면은 전방으로 갈수록 높이가 낮아지는 경사면을 갖는,
   스토커 소각 및 연소용 수냉화격자.
   

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