KR20230066764A - 고온 증기 발생 장치 - Google Patents

Abstract

실시예의 고온 증기 발생 장치는, 일측에서 기체가 투입되고, 타측으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 장치로서, 고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통과, 상기 내통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통과, 상기 내통과 외통 사이에 형성된 메인 선회 유로와, 상기 일측에 배치되어, 상기 내통으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되도록 하는 수소 주입관과, 상기 내통 내부로 산소를 공급하는 산소 선회통과, 상기 내통 내부로 증기를 공급하는 증기 선회통과, 상기 수소 주입관을 통해 공급되는 수소와, 상기 산소 선회통을 통해 공급되는 산소의 연소를 위해 점화를 일으키는 점화 플러그와, 상기 타측에 구성되어, 상기 수소의 연소 후 고온의 증기를 배출시키는 배출부를 포함한다.

Description

고온 증기 발생 장치{Apparatus for generating steam}

본 발명은 고온의 순수증기를 발생시킬 수 있는 선회식 연소장치에 관한 것이며, 특히, 배출되는 순수증기를 이용하여 화석연료, 가연성 폐기물 등의 다양한 물질을 개질시키거나 발전효율을 높이기 위해 사용되며 공해 저감용으로 사용할 수 있도록 순수증기의 온도, 압력 및 양을 적절히 공급할 수 있는 고온 증기 발생 장치에 관한 것이다.

스팀의온도는 발전 효율, 화석 연료의 개질 그리고 공해 저감 등에 매우 중요한 요소가 되었다.

일반적으로 증기를 만들기 위해서는 버너의 열원이 열관을 통하여 물로부터 증기가 만들어지는데, 고온 고압의 증기를 얻기 위해 특수강으로 만든 과열기를 설치하여 만들었으나, 시설비의 증가 뿐만 아니라 500℃ 이상의 증기를 만드는데 한계가 있어 고효율의 발전이나 필요 고온의 증기를 만드는데는 문제점이 있었다.

그리고, 발전 효율을 올리기 위해 1,500℃ 까지 스팀의 온도를 올리거나 탄소계에서 수소 추출을 위한 개질에는 700℃ 이상의 고온 스팀이 필요하며, 공해를 일으키는 질소산화물, 황산화물 등을 저감시키기 위한 스팀 공급에도 700℃ 이상의 고온 스팀이 필요하여 위 조건들을 충족할 수 있는 고온 증기 발생 장치의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 고온의 수증기를 발생시킬 수 있는 선회식 연소장치를 제안하고자 한다.

실시예의 고온 증기 발생 장치는, 일측에서 기체가 투입되고, 타측으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 장치로서, 고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통과, 상기 내통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통과, 상기 내통과 외통 사이에 형성된 메인 선회 유로와, 상기 일측에 배치되어, 상기 내통으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되도록 하는 수소 주입관과, 상기 내통 내부로 산소를 공급하는 산소 선회통과, 상기 내통 내부로 증기를 공급하는 증기 선회통과, 상기 수소 주입관을 통해 공급되는 수소와, 상기 산소 선회통을 통해 공급되는 산소의 연소를 위해 점화를 일으키는 점화 플러그와, 상기 타측에 구성되어, 상기 수소의 연소 후 고온의 증기를 배출시키는 배출부를 포함한다.

그리고, 상기 메인 선회 유로로 증기를 공급하기 위한 제 2 증기 주입관이 더 구성되고, 상기 제 2 증기 주입관은 상기 내통의 외주면과 접선 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 이동하는 증기가 상기 내통의 내주면을 따라 이동하도록 상기 내통과 외통 단부에 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 산소 선회통은 상기 수소 주입관을 감싸는 형상으로 이루어지고, 상기 산소 선회통으로 산소를 이동시키기 위한 산소 주입관은 상기 수소 주입관 외주면의 접선 방향으로 상기 산소 선회통에 결합되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 증기 선회통은 상기 산소 선회통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지고, 상기 증기 선회통으로 증기를 이동시키기 위한 제 1 증기 주입관은 상기 산소 선회통 외주면의 접선 방향으로 상기 증기 선회통에 결합되는 것을 특징으로 한다.

제안되는 바와 같은 본 발명의 장치에 의해서, 질소나 이산화탄소의 발생 없이 목적하는 바에 따른 고온의 증기를 생산해낼 수 있으며, 이를 이용해 화석 연료로부터 수소를 추출하고 폐기물의 연소나 개질화를 시켜 환경 오염으로부터 자유로우면서 효과적인 폐기물 처리가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 고온 증기 발생 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 고온 증기 발생 장치 내에서의 기체들의 이동 경로를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 고온 증기 발생 장치에서 기체들이 선회하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 고온 증기 발생 장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 고온 증기 발생 장치 내에서의 기체들의 이동 경로를 보여주는 도면이다.

그리고, 도 3은 본 발명의 고온 증기 발생 장치에서 기체들이 선회하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 실시예의 고온 증기 발생 장치(1)는 대략 300℃ 내지 1,500℃ 범위로 고온 증기를 생성하여 배출할 수 있는 장치로서, 이러한 고온의 배출 증기의 온도, 압력 및 양은 투입되는 수소 및 산소 기체의 온도, 압력 및 양을 이용해 조절이 가능하도록 한다.

상세히, 본 실시예의 고온 증기 발생 장치(1)는, 일측(도면에서 좌측)으로 연료 기체가 투입되고, 타측(도면에서 우측)으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 구조로 이루어지며, 고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통(20)와, 상기 내통(20)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통(10)과, 상기 내통(20)과 외통(10) 사이에 형성된 메인 선회 유로(30)와, 상기 내통(20)으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되는 수소 주입관(21)과, 상기 수소 주입관(21)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 산소 기체가 선회하면서 상기 수소 주입관(21) 외주면을 따라 이동하도록 하는 산소 선회통(22)과, 상기 산소 선회통(22)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지면서 증기가 선회하면서 상기 산소 선회통(22) 외주면을 따라 이동하도록 하는 증기 선회통(23)과, 상기 내통(20) 내부에 설치되어 상기 수소 주입관(21)을 통해 투입되는 수소 기체의 점화가 이루어지도록 하는 점화 플러그(24)와, 상기 내통(20)에서 수소와 산소의 연소 후 발생된 고온의 증기가 배출되는 배출부(3)를 포함한다.

그리고, 상기 산소 선회통(22)과 증기 선회통(23) 내에서 선회하면서 상기 내통(20)측으로 이동하는 산소와 증기를 각각 이동시키는 산소 주입관(220)과 제 1 증기 주입관(230)이 산소 선회통(22)과 증기 선회통(23)에 연결된다.

또한, 상기 외통(10)과 내통(20) 사이에 형성된 메인 선회 유로(30)로 증기를 공급하는 제 2 증기 주입관(110)을 포함한다.

상기 수소 주입관(21)을 통해 연소 대상의 수소 가스가 내통(20) 내부로 유입되고, 산소 선회통(22)을 통해 주입되는 산소를 이용하여 연소가 수행되는데, 120℃ 정도의 수증기를 이용하여 연소실 내부의 온도를 낮출 수 있다. 수소의 연소를 통해 매우 높은 고온으로 유지될 경우에 장치의 파손이 발생할 수 있기 때문에, 선회하여 연소실로 공급되는 증기들을 이용하여 장치의 소재가 견딜 수 있는 정도의 온도로 연소가 이루어지도록 한다.

상기 산소 선회통(22), 증기 선회통(23) 및 메인 선회 유로(30) 내에서의 각 기체들이 선회하여 이동하는 구성에 대해서는, 도 3에 도시되어 있다.

각 주입관들(220,230,110)은 각 산소 선회통(22), 증기 선회통(23) 및 내통(20)/외통(10) 외벽의 접선 방향과 일치하는 방향으로 기체 유입 방향이 형성되도록 설치되어, 각 기체는 통 내부에서 원심력을 가지면서 이동하게 되고, 그 원심력이 보존된 상태로 점차 상승(도면에서는 우측방향)하게 된다.

예를 들면, 산소 주입관(220)은 수소 주입관(21)의 외벽(외주면)에 대해 접선 방향으로 상기 산소 선회통(22)에 결합된다. 그리고, 상기 산소 주입관(220)은 상기 산소 선회통(22)의 외벽(외주면)에 대해서 접선 방향으로 결합된다고도 할 수 있다. 주입관들의 결합 위치, 즉, 기체를 공급하는 방향은 내부에서 선회하면서 이동할 수 있도록 설치되는 것은 모두 동일하다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 각 기체들의 이동 경로를 중심으로 설명하여 본다.

먼저, 산소 선회통(22) 및 증기 선회통(23) 내부를 따라 선회하면서 점차 점화플러그(24)가 위치한 내통(20)측으로 이동하는 산소와 증기는 수소 주입관(21)을 통해 공급되는 수소 기체와 함께 점화되어, 연소가 시작된다.

그리고, 제 2 증기 주입관(110)을 통해 공급되는 대략 120℃ 정도의 증기는 내통(20) 외벽의 접선 방향으로 공급되고, 상기 내통(20)과 외통(10) 사이의 메인 선회 유로(30)를 따라 선회하면서 점차 배출부(3)으로 이동하게 된다. 여기서, 상기 메인 선회 유로(30)를 따라 선회하면서 점차 배출부(3)측으로 이동하는 제 1 상승 증기(a)는 외통(10) 단부측에서 이동경로가 변경되고, 상기 내통(20) 내벽을 따라 선회하면서 점차 점화플러그(24)가 위치한 입구측으로 이동하는 하강 증기(b)가 된다.

즉, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 이동하는 증기가 상기 내통의 내주면을 따라 이동하도록 상기 내통과 외통 단부에 공간이 형성되어, 외통 단부에 부딪힌 증기가 내통 내주면을 따라 선회하도록 구성된다.

그리고, 하강 증기(b)는 연소가 이루어지는 공간, 즉, 내통(20) 중심부에서 다시 배출부(3)측으로 상승하는 제 2 상승 증기(c)가 된다. 즉, 점화플러그(24)에 의해 연소가 개시되면서 발생되는 수소 연소불 주위를 선회하면서 제 2 상승 증기가(c)가 배출부(3)측으로 이동된다.

제 1 상승 증기(a)가 내통(20) 외주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 하강 증기(b)가 내통(20) 내주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 제 2 상승 증기(c)가 내통(20) 중심부의 연소공간 내에서 선회하면서 점차 상승하는 이동 등의 과정을 통해, 연소실을 구성하는 내통(20) 내부에서의 연소 공기와의 접촉시간이 크게 증가되고, 이로 인해 매우 높은 온도의 증기를 만들어낼 수 있다.

특히, 내통(20)의 입구측에 수소와, 산소 및 증기가 혼합된 기체의 점화 및 연소가 이루어지기 때문에, 질소의 사용으로 인한 환경 오염을 문제가 없으며, 앞서 설명한 바와 같이 필요에 따라 공급되는 수소와 산소의 양, 압력 및 온도를 조절함으로써 배출부(3)를 통해 배출되는 고온의 증기의 양, 압력 및 온도를 조절할 수 있다. 이와 함께, 제 1 증기 주입관(230)과 제 2 증기 주입관(110)을 통해 공급되는 증기의 양을 조절함으로써 배출되는 증기의 온도와 양을 조절할 수 있다.

제 1 증기 주입관(230)과 제 2 증기 주입관(110)을 통해 공급되는 고온의 증기는, 수소를 연소시켜 연소실 내부의 증기 온도를 300℃~1,500℃ 이상으로 조절하는 역할을 한다.

일반적으로, 증기를 700℃ 이상 올려야 개질이 되는데, 과열기를 이용하여 300~400℃까지는 높은 압력(30bar ~ 40bar)으로 올라가지만, 더 높은 온도로 가열시키고자 하는 경우에는 추가적인 가열기를 사용한 경우가 있었다. 만약, 탄소가 연소에 사용된다면 CO₂가 발생하게 되고, 공기를 연소에 사용하게 되면 질소산화물이 생기는 등의 가열 후에 배출 가스가 문제된다.

본 실시예에서는, 이와 같은 연소시 개질화가 이루어지도록 하면서 배출 가스에 의한 환경 오염을 방지할 수 있도록 수소를 연소시켜 1,000℃ 내지 1,500℃의 높은 온도의 증기를 발생시킬 수 있다.

이렇게 배출되는 고온의 증기는 폐기물을 연소시키거나 개질화시키는데 사용될 수 있으며, 특히, 많은 쓰레기, 폐기물이 발생하는 국가나 지역에 본 실시예의 장치를 사용하게 되면, 환경 오염 없이 많은 양의 폐기물을 연소시키거나 개질화할 수 있다.

Claims (5)

1. 일측에서 기체가 투입되고, 타측으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 장치로서,
   고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통과,
   상기 내통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통과,
   상기 내통과 외통 사이에 형성된 메인 선회 유로와,
   상기 일측에 배치되어, 상기 내통으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되도록 하는 수소 주입관과,
   상기 내통 내부로 산소를 공급하는 산소 선회통과,
   상기 내통 내부로 증기를 공급하는 증기 선회통과,
   상기 수소 주입관을 통해 공급되는 수소와, 상기 산소 선회통을 통해 공급되는 산소의 연소를 위해 점화를 일으키는 점화 플러그와,
   상기 타측에 구성되어, 상기 수소의 연소 후 고온의 증기를 배출시키는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 증기 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 선회 유로로 증기를 공급하기 위한 제 2 증기 주입관이 더 구성되고,
   상기 제 2 증기 주입관은 상기 내통의 외주면과 접선 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 증기 발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 이동하는 증기가 상기 내통의 내주면을 따라 이동하도록 상기 내통과 외통 단부에 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 증기 발생 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 산소 선회통은 상기 수소 주입관을 감싸는 형상으로 이루어지고,
   상기 산소 선회통으로 산소를 이동시키기 위한 산소 주입관은 상기 수소 주입관 외주면의 접선 방향으로 상기 산소 선회통에 결합되는 것을 특징으로 하는 고온 증기 발생 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 증기 선회통은 상기 산소 선회통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지고,
   상기 증기 선회통으로 증기를 이동시키기 위한 제 1 증기 주입관은 상기 산소 선회통 외주면의 접선 방향으로 상기 증기 선회통에 결합되는 것을 특징으로 하는 고온 증기 발생 장치.
   

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