KR101335621B1 - 분체연료연소장치 - Google Patents

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KR101335621B1
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최상철
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한국에너지기술연구원
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Abstract

분체연료 연소장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료연소장치는 분체연료공급장치, 제1연소실, 제2연소실이 순차로 연결된 분체연로 연소장치에 있어서,상기분체연료공급장치는 분체연료를 제1연소실로 공급하며, 상기 제1연소실은 상기 분체연료공급장치로부터의 분체연료를 공급받는 내통과 상기 내통과 연결된 화염안정기 및 상기 내통과 상기 화염안정기를 둘러싸는 외통으로 구분되되, 상기 내통 및 화염안정기를 거치면서 분체연료가 1차로 연소되고, 상기 제 2 연소실에서 2차로 연소된다.

Description

분체연료연소장치 {COMBUSTOR FOR THE PULVERIZED SOLID FUEL}
본 발명은 연료의 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분체연료의 연소장치에 관한 것이다.
한국등록특허 제10-0766137호는 연소장치가 연소공기주입수단, 분무장치, 가열수단, 연소수단으로 구성되는데, 분무장치는 분무기의 구성에 의해 분체연료공급관의 후방에 위치한 분무공기주입관에서 공급되는 공기의 빠른 유속에 의하여 분체연료공급관의 출구 압력이 저하되어 분체연료가 전방의 공기 흐름방향으로 흘러가게 되어있다. 그러나 분체연료공급관은 수직관의 길이가 길고 끝부분이 수평방향으로 전환되면서 분체가 적체되어 분무장치내 형성된 압력차가 관내에 채워져 있는 분체를 공기흐름 방향으로 흘러보내기에는 곤란한 문제점이 있다.
또한 한국등록특허 제10-0867337호는 분체연료 연소용 버너에 있어서 버너는 내부에 유로가 형성된 중공관 형상의 분체연료이송관과 이송관 외부면에 배치되는 가열수단과 상기 분체연료이송관 내측 일단부에 구비된 콘형상의 인젝터 및 상기 분체연료이송관의 상부에 구비된 분체연료공급부를 포함하고 상기 인젝터에서 고속으로 배출되는 공기에 의하여 분체연료 투입구를 통하여 연소기에 들어온 분체연료는 압력이 낮으므로 버너 본체로 빨려 들어가게 되는데 상기 버너는 제트버너로 분체가 버너 내부 유로를 통하여 빠르게 이동하므로 버너 외부면에 구비된 가열수단에 의하여 분체의 가열시간이 매우 짧고 분체가 버너 내부유로에 균일하게 분포되지 아니하고 주로 벽면을 통하여 이동하기 때문에 연소효율이 저하되고 분체연료 이송관 벽면에서 일부가 탄화되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 분체연료공급장치(1), 제1연소실(20), 제2연소실(40)이 순차로 연결된 분체연료 연소장치에 있어서, 상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료를 제1연소실(20)로 공급하며, 상기 제1연소실(20)은 상기 분체연료공급장치(1)로부터의 분체연료를 공급받는 내통(23)과 상기 내통(23)과 연결된 화염안정기(24) 및 상기 내통(23)과 상기 화염안정기(24)를 둘러싸는 외통(30)으로 구분되되, 상기 내통(23) 및 화염안정기(24)를 거치면서 분체연료가 1차로 연소되고, 상기 제 2 연소실(40)에서 2차로 연소가 일어나도록 하여 분체연료가 완전연소 되도록 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 분체연료공급장치(1), 제1연소실(20), 제2연소실(40)이 순차로 연결된 분체연료 연소장치에 있어서,
상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료를 제1연소실(20)로 공급하며,
상기 제1연소실(20)은 상기 분체연료공급장치(1)로부터의 분체연료를 공급받는 내통(23)과 상기 내통(23)과 연결된 화염안정기(24) 및 상기 내통(23)과 상기 화염안정기(24)를 둘러싸는 외통(30)으로 구분되되, 상기 내통(23) 및 화염안정기(24)를 거치면서 분체연료가 1차로 연소되고, 상기 제 2 연소실(40)에서 2차로 연소되며,
상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료가 저장된 호퍼(4), 상기 호퍼(4)로부터 분체연료를 상기 제1연소실(20)로 공급하는 피더(5), 상기 피더(5)를 둘러싸며, 제1송풍기(6)로부터 공급된 제1공기를 제1연소실(20)로 공급하는 제1공기유로(8), 상기 제1공기유로(8)를 둘러싸며 제2송풍기(9)로부터 공급된 제2공기를 제1스월베인(12)을 거쳐 제1연소실(20)로 공급하는 제2공기유로(11) 및 상기 제1연소실(20)로 공급되는 분체연료의 양을 조절하는 인버터(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치가 제공될 수 있다.
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또한, 상기 화염안정기(24)는 입구에서 출구방향으로 갈수록 그 직경이 증가하는 형태이며, 상기 화염안정기(24)의 외부면에는 공기방산구(25)가 형성되되 상기 공기방산구(25)의 크기는 입구에서 출구로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1연소실(20)의 상기 외통(30)과 내통(23) 사이에는 제3송풍기(26)로부터 제3공기가 공급되는 제3공기유로(28)가 형성되며, 상기 제3공기의 일부는 상기 제3공기유로(28)를 따라 상기 화염안정기(24)의 공기방산구(25)를 통하여 상기 화염안정기(24)로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3공기의 일부는 상기 외통(30)과 상기 화염안정기(24)의 출구측 양단 사이에 설치된 제2스월베인(29)를 거쳐 상기 제2연소실(40)로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 내통(23)에는 버너(21)가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 내통(23)의 하부에 축적되는 바닥재는 상기 내통(23)의 하부에 설치되어 외부의 공기압축기(13)에 의하여 생성된 압축공기를 압축공기유로(15)를 통하여 제 1연소실(20)하부로 분사하여 바닥재를 날려보내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2연소실(40)의 하부에 축적되는 바닥재는 제2연소실 하부에 형성된 바닥재배출구(42)를 통하여 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 분체연료공급장치(1), 제1연소실(20), 제2연소실(40)이 순차로 연결된 분체연료 연소장치에 있어서, 상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료를 제1연소실(20)로 공급하며, 상기 제1연소실(20)은 상기 분체연료공급장치(1)로부터의 분체연료를 공급받는 내통(23)과 상기 내통(23)과 연결된 화염안정기(24) 및 상기 내통(23)과 상기 화염안정기(24)를 둘러싸는 외통(30)으로 구분되되, 상기 내통(23) 및 화염안정기(24)를 거치면서 분체연료가 1차로 연소되고, 상기 제 2 연소실(40)에서 2차로 연소가 일어나도록 하여 분체연료가 완전연소가 될 수 있다.
분체연료가 완전연소를 하면, 연소효율을 증가시킬 수 있고, 연소효율이 증가하면 미연분이 감소하여 더 많은 에너지를 회수할 수 있으며, 불완전연소에 의하여 생성되는 유해한 물질이 주성분으로 하는 연소중간생성물의 발생을 억제할 수 있어 대기질 개선에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 내부구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 분체연료공급장치의내부구조도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제1연소실의 내부구조도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제1연소실 내부의 버너 설치도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제2연소실의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제2연소실의 평면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
고형분의 연소는 크게 덩어리형태로 연소하는 연소장치와 분말형태로 가공하여 연소하는 장치로 구분되는데 고형분을 분말화하면 단위중량 대 피연소물의 표면적이 급격히 증가하게 된다. 연소의 단계는 수분의 증발, 휘발분의 휘발에 따른 착화, 촤의 연소로 이루어진다. 이때, 고형분을 분말화하면 휘발분의 휘발이 원활하여 착화가 매우 잘 되고 연소에 필요한 산소의 공급이 매우 원활하기 때문에 연소효율이 높아 거의 완전한 연소가 가능하다. 본 발명은 분말화된 고형분 즉 분체연료의 최적화된 연소조건을 만족하기 위한 연소장치에 관한 것이다.
분체연료의 원료는 다양하며 유기성폐기물, 하.폐수슬러지, 목질계등이있다. 종래에는 이들 물질이 단순한 폐기물이었지만 효과적인 연소수단을 사용하면 에너지를 생성하는 자원으로 변화되어 에너지원으로 사용할 수 있게 된다. 상기 유기성폐기물 등은 단독으로 사용되거나 또는 2종 이상의 물질이 혼합하여 혼소를 할 수 있으며 혼소대상은 상기 물질외 석탄등 기존의 가연성물질이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 내부구조도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 분체연료공급장치의 내부구조도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분체연료연소장치는 호퍼(4)에 저장된 분체연료를 모타와감속기(2)의 구동에 따라 작동하는 피더(5)에 의하여 제1연소실(1)로 공급한다. 분체연료 공급량은 인버터(3)에 의하여 모타의 회전수를 조절함으로 제어할 수 있다. 피더(5)에 의하여 공급되는 분체연료의 공급량을 일정하게 유지하기 위해서는 정량 스크류피더가 이용되는데, 정량 스크류피더의스크류 구조는 single 스크류 또는 twin 스크류 방식 등을 선택하여 사용할 수 있다.
분체연료공급장치(1)는 분체연료를 제1연소실(20)내 균일하게 분산시키면서 연소에 필요한 공기의 일부를 공급하여 분체연료로부터 휘발분이 휘발하여 착화될 수 있도록 분체연료와 연소공기를 공급하는 수단을 갖는다.
제1 송풍기(6)에 의하여 생성된 제1공기는 제1공기조절밸브(7)를 통하여 공기량이 조절되고 제1공기유로(8)를 통하여 제1연소실(20)에 공급된다.
제1공기의 특징은 풍압이 높으므로 유속이 빠르지만 풍량 자체는 작은 특징이 있다. 제1공기는 분체연료가 밑으로 떨어지지 않도록 하는 역할을 한다. 제2송풍기(9)에 의하여 생성된 제2공기는 제2공기조절밸브(10)에 의하여 풍량이 조절되고 제2공기유로(11)를 통하여 제1연소실(20)에 공급된다.
제2공기는 제1스월베인(12)의 날개를 지나면서 회전하여 분체를제1연소실(20)내 분산시키는 역할을 한다.
제1공기유로(8)와 특히 제2공기유로(11)의 단부가피더(5)의 단부에 비하여 제1연소실 입구로부터 후방으로 떨어져 있게 하여 제2공기가 회전력을 갖춘 후에 분체가 공기와 혼합되도록 하였다. 이는 제1공기유로(8)와 특히 제2공기유로(11)의 단부가 피더(5)의 단부와 동일선상에 있을 때 연소장치 운전상의 문제점으로 인하여 제1공기유로(8) 특히 제2공기유로(11)의 입구에 분체가 들어와 오염되지 않도록 하기 위함이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제1연소실의 내부구조도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제1연소실 내부의 버너 설치도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 원통모양의 제1연소실(20)내에는 열을 축척할 수 있도록 내화재 혹은 고열에 견딜 수 있는 특수재로 제조된 내통(23)과 외통(30)이 있으며 버너(21)가 설치된다. 버너(21)에서 공급되는 화염은 좁고 길게 형성되어 내통(23)의 내측면을 휘감으면서 제1연소실(20) 출구방면으로 진행하여 내통(23)을 가열하고, 연료의 착화 및 연소의 효율성을 높이는 역할을 한다.
제1연소실(20)의 길이에 따라 1개의 버너(21)로 내통(23)을 가열하기에 역부족일 경우 연소의 효율을 높이기 위해 복수개의 버너(21)를 설치할 수 있다.
버너(21)에 의하여 내통(23)이 예열된 후 피더(5)에 의하여 분체연료가제1연소실(20)로 공급되며 내통(23)에서 공급되는 복사에너지에 의하여 분체연료로부터 수분이 증발되고 휘발분이 휘발하면서 분체연료를 착화한다.
분체연료가 착화되면 분체연료가 연소하면서 발생하는 연소열에 의하여 내통(23)이 가열되기 때문에 버너(21)는 운전을 중단하게 되며 내통(23)의 온도를 감지하는 온도센서(22)에서 감지되는 온도가 일정온도 이하로 떨어질 때만 버너(21)가 운전을 재개한다.
제1연소실(20)에 공급되는 제1공기와 제2공기는 이론연소공기량보다 적게 공급하기 때문에 분체연료로부터 가스화반응이 일어나 가연성가스가 발생한다. 제1연소실(20)의내통(23)과 연결되며 제1연소실(20)의 출구에 위치하는 화염안정기(24)의 벽면에는 수많은 공기방산구(25)가 형성되어 있다.
제3송풍기(26)에 의하여 생성된 제3공기는 제3공기조절밸브(27)에 의하여 풍량이 조절되고 제3공기유로(28)를 통하여 제1연소실로 공급되는데 공급되는 제3공기의 일부는 공기방산구(25)을 통하여 화염안정기(24)안으로 공급된다. 제3공기는 내통(23)과 외통(30)사이를 흐르면서 공기가 데워지므로 예열된 공기를 화염안정기(24)의 공기방산구(25)을 통하여 공급하며 또한 제1연소실(20)내가 과열되는 것을 방지하는 냉각효과를 갖는다.
제1연소실에서 발생한 가연성가스가 화염안정기(24)를 지나면서 공기방산구(25)을 통하여 공급되는 제3공기에 의하여 연소가 일어나며 이때 화염이 화염안정기(24)벽면 근처에서 형성되어 결과적으로 화염을 화염안정기(24)벽면에 붙이는 결과를 가져와 화염의 안정성을 향상시키는 역할을 화염안정기(24)가 한다.
화염안정기(24) 벽면에 형성된 공기방산구(25)의 크기는 화염안정기(24)입구측에서는 크기가 작으나 화염안정기(24)출구측으로 갈수록 공기방산구(25)의 크기가 증가한다. 이는 화염안정기(24) 입구측에서 출구측으로 갈수록 화염안정기(24) 직경이 증가하기 때문에 화염안정기(24) 입구측에서는 제1연소실(20)에서 배출되는 공기의 유속이 빨라 압력차에 의하여 제3공기를 빨아들이는 유속이 빠르지만 화염안정기(24) 출구측으로 갈수록 화염안정기(24) 직경이 증가하여 제1연소실에서 배출되는 공기의 유속이 감소하므로 압력차도 감소하여 제3공기를 빨아들이는 힘이 약해지기 때문이다.
제1공기 및 제2공기의 량은 이론공기량보다 적기 때문에 공기의 유속이 빠르지 않아 화염이 날리는 현상이 발생하지 않는다.
공기방산구(25)를 통하여 공급되는 공기는 연소시 부족한 공기를 화염 깊숙이 공급하는 효과를 갖는다. 결과적으로 제1연소실(20)을 메운 화염은 선회하면서 화염안정기(25)에서 안정화되어 제2연소실(40)로 진행된다.
제3공기의 일부는 제2스월베인(29)을 지나면서 제3공기가 회전력을 갖게 된 상태에서 원통모양의 제2연소실(40)로 공급된다. 제2연소실(40)은 순간적으로 분체연료가 과하게 투입되거나 1차 화실에서 연소가 이루어지지 않은 미연소가스와분체를 완전히 연소시킬 수 있도록 연소에 필요한 공간을 제공한다.
제2연소실(40)에 공급된 제3공기는 회전력을 가져 제2연소실(40)내에서 체류시간의 증가와 아울러 분체와 공기와의 혼합효과를 좋게 하여 미연소된분체와 가연성가스를 완전연소하게 하게 한다.
연소과정 또는 연소 후에는 바닥재(또는 회재)의 일부가 제1연소실(20) 하부에 떨어져 쌓일 수 있다. 바닥재를 제거하기 위하여 공기압축기(13)를 이용할 수 있는데, 공기압축기(13)에 의하여 생성된 고압의 압축공기를 압축공기 밸브(14)를 거쳐 압축공기 유로(15)를 통하여 제1연소실 하부로 분사하여 바닥재를 날려 보내어 제1연소실(20)내부의 바닥재를 제거할 수 있다. 바닥재는 비중이 낮기 때문에 압축공기의 분사에 의하여 효과적으로 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제2연소실의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분체연료 연소장치의 제2연소실의 평면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제2연소실(40) 바닥에 쌓인 바닥재는 제2연소실(40) 하부에 바닥재배출구(42)를 구비하여 제거할 수 있도록 하였다.
본 발명의 실시예에 따른 분체연료연소장치는 분체연료공급장치(1), 제1연소실(20), 제2연소실(40)를 포함하는데, 분체연료공급장치(1)와 제1연소실(20), 제2연소실(40)이 순차로 연결된다. 도 1을 참조하면, 제1플랜지(50)에 의하여 분체연료공급장치(1)와 제1연소실(20)이 결합되고 제2플랜지(51)에 의하여 제1연소실(20)과 제2연소실(40)이 결합되나, 결합방식은 이에 한정되지 아니하고 다양한 방식으로 결합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분체연료연소장치는 보일러화실과 같은 열에너지회수장치내에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 제2연소실에서 배출되는 뜨거운 연소배가스로부터 열에너지를 회수한 후 바닥재는 보일러화실 하부에서 배출하고 ,비산재는 집진설비에서 제거한 후 배가스는 외부로 배출한다.
1 :분체연료공급장치 2 : 모터와 감속기
3 : 인버터 4 : 호퍼
5 : 피더 6 : 제1송풍기
7 : 제1 공기 조절 밸브 8 : 제1공기 유로
9 : 제2송풍기 10 : 제2 공기 조절 밸브
11 : 제2 공기 유로 12 : 제1스월베인
13 : 공기 압축기 14 : 압축공기밸브
15 : 압축공기유로 20 : 제1연소실
21 : 버너 22 : 온도센서
23 : 내통 24 : 화염안정기(flame stabilizer)
25 : 공기방산구 26 : 제3 송풍기
27 : 제3 공기 조절 밸브 28 : 제3 공기 유로
29 : 제2스월베인 30 : 외통
31 : 버너 화염 40 : 제2연소실
41 : 제2연소실 원통 42 : 바닥재 배출구
50 :제1플랜지 51 : 제2플랜지

Claims (8)

  1. 분체연료공급장치(1), 제1연소실(20), 제2연소실(40)이 순차로 연결된 분체연료 연소장치에 있어서,
    상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료를 제1연소실(20)로 공급하며,
    상기 제1연소실(20)은 상기 분체연료공급장치(1)로부터의 분체연료를 공급받는 내통(23)과 상기 내통(23)과 연결된 화염안정기(24) 및 상기 내통(23)과 상기 화염안정기(24)를 둘러싸는 외통(30)으로 구분되되, 상기 내통(23) 및 화염안정기(24)를 거치면서 분체연료가 1차로 연소되고, 상기 제 2 연소실(40)에서 2차로 연소되며,
    상기 분체연료공급장치(1)는 분체연료가 저장된 호퍼(4), 상기 호퍼(4)로부터 분체연료를 상기 제1연소실(20)로 공급하는 피더(5), 상기 피더(5)를 둘러싸며, 제1송풍기(6)로부터 공급된 제1공기를 제1연소실(20)로 공급하는 제1공기유로(8), 상기 제1공기유로(8)를 둘러싸며 제2송풍기(9)로부터 공급된 제2공기를 제1스월베인(12)을 거쳐 제1연소실(20)로 공급하는 제2공기유로(11) 및 상기 제1연소실(20)로 공급되는 분체연료의 양을 조절하는 인버터(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화염안정기(24)는 입구에서 출구방향으로 갈수록 그 직경이 증가하는 형태이며, 상기 화염안정기(24)의 외부면에는공기방산구(25)가 형성되되 상기 공기방산구(25)의 크기는 입구에서 출구로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1연소실(20)의 상기 외통(30)과 내통(23) 사이에는 제3송풍기(26)로부터 제3공기가 공급되는 제3공기유로(28)가 형성되며, 상기 제3공기의 일부는 상기 제3공기유로(28)를 따라 상기 화염안정기(24)의 공기방산구(25)를 통하여 상기 화염안정기(24)로 공급되는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3공기의 일부는 상기 외통(30)과 상기 화염안정기(24)의 출구측 양단 사이에 설치된 제2스월베인(29)를 거쳐 상기 제2연소실(40)로 공급되는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내통(23)에는 버너(21)가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내통(23)의 하부에 축적되는 바닥재는 상기 내통(23)의 하부에 설치되어 외부의 공기압축기(13)에 의하여 생성된 압축공기를 압축공기유로(15)를 통하여 제 1연소실(20)하부로 분사하여 바닥재를 날려보내는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2연소실(40)의 하부에 축적되는 바닥재는 제2연소실 하부에 형성된 바닥재배출구(42)를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 분체연료 연소장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2633969B2 (ja) * 1990-02-21 1997-07-23 株式会社日立製作所 希薄燃焼用燃焼器
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