KR102650467B1 - 바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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주식회사 성진엠텍
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Abstract

본 발명은 하수처리장에서 발생하는 저열량의 바이오가스를 액화 가스와 혼합하여 바이오가스와 액화 가스를 병행하여 사용할 수 있는 바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 바이오가스 혼소용 버너 시스템은, 바이오가스가 저장되는 바이오가스 저장부; 액화 가스가 저장되는 가스 공급관;상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스의 혼합 가스가 저장되는 믹싱 탱크부; 상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 혼합 가스가 연소되는 연소부; 상기 연소부에 외부 공기를 공급하는 송풍부; 상기 연소부에서 연소된 혼합 가스의 배기 가스가 다른 열전달 매체와 열교환되는 열교환부; 상기 열교환부에서 열교환된 배기 가스를 가속시키는 배출팬부; 및 상기 배출팬부에 의하여 가속된 배기 가스가 외부로 배출되는 굴뚝부;를 포함한다.

Description

바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법{Biogas Mixing Burner System And Control Method Thereof}
본 발명은 바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수처리장에서 발생하는 저열량의 바이오가스를 액화 가스와 혼합하여 바이오가스와 액화 가스를 병행하여 사용할 수 있는 바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
하수처리장의 하수, 음식물 쓰레기, 분뇨 등을 밀폐 저장탱크 소화조에 두면, 부패 및 분해가 일어나면서 가스가 발생한다. 이 가스는 유기성 폐기물이 분해되면서 발생하므로 바이오가스(biogas)로 불린다. 바이오가스는 메탄 50~65%, 이산화탄소 25~40%, 소량의 수소, 황화수소 등으로 구성된다.
또한, 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지는 수분이 많고 점착성이 있기 때문에 건조하여 처리해야 하는데 이를 위하여 다량의 LNG 또는 LPG가 하수슬러지 건조를 위해 사용되고 있다. 하수처리장에서 발생하는 메탄을 포함하는 바이오가스를 하수슬러지 건조를 위한 건조설비에 사용한다면 재생 에너지의 사용 및 에너지 비용의 절감 등 여러 이점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1737235호 대한민국 등록특허공보 제10-2029573호 대한민국 등록특허공보 제10-2318108호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0143153호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하수처리장에서 발생하는 저열량의 바이오가스를 액화 가스를 혼합하여 바이오가스와 액화 가스를 병행하여 사용할 수 있는 바이오가스 혼소용 버너 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템은, 바이오가스가 저장되는 바이오가스 저장부; 액화 가스가 저장되는 가스 공급관; 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스의 혼합 가스가 저장되는 믹싱 탱크부; 상기 바이오가스 저장부 및 가스 공급관와 상기 믹싱 탱크부 사이에 위치하며, 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스를 혼합하는 혼합 모듈; 상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 혼합 가스가 연소되는 연소부; 상기 연소부에 외부 공기를 공급하는 송풍부; 상기 연소부에서 연소된 혼합 가스의 배기 가스가 다른 열전달 매체와 열교환되는 열교환부; 상기 열교환부에서 열교환된 배기 가스를 가속시키는 배출팬부; 상기 배출팬부에 의하여 가속된 배기 가스가 외부로 배출되는 굴뚝부; 및 상기 송풍부, 배출팬부, 제1 밸브 모듈, 제2 밸브 모듈 및 바이오가스 탱크 레벨부에 전기적으로 연결되어 제어하는 컨트롤 패널부;를 포함하며, 상기 액화 가스는 LNG 및 LPG의 어느 하나이며, 상기 열교환부의 열전달 매체는 하수처리장의 하수물, 슬러지, 가스 및 물 중의 어느 하나인 것인 것을 특징으로 한다.
상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 제1 혼합 가스 및 상기 가스 공급관에서 이동하는 제2 액화 가스가 유입되는 제1 밸브 모듈; 및 상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 제2 혼합 가스 및 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제2 바이오가스가 유입되는 제2 밸브 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 혼소용 버너 시스템.
상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스가 저장된 양을 체크하는 바이오가스 탱크 레벨부;를 더욱 포함하며, 상기 바이오가스 탱크 레벨부에 의해 상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스가 제1 일정량 이하인 것으로 체크되면 상기 제2 밸브 모듈을 오프 상태가 되며, 상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스가 제1 일정량보다 낮은 제2 일정량 이하인 것으로 체크되면 상기 바이오가스 저장부에서 바이오 가스가 유출되는 것이 차단되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 바이오 가스 저장부에 저장된 바이오가스의 양을 제1 일정량 및 제2 일정량으로 나누어 관리하여 바이오가스 저장부를 차단할지 아니면 밸브 모듈을 제어할지 결정한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법이며, 바이오가스 저장부에 저장된 제1 바이오가스가 믹싱 탱크부로 이동되는 제1 단계; 가스 공급관에 저장된 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부로 이동되는 제2 단계; 상기 제1 단계의 제1 바이오가스 및 상기 제2 단계의 제1 액화 가스가 상기 믹싱 탱크부로 이동되기 전에, 상기 바이오가스 저장부 및 가스 공급관와 상기 믹싱 탱크부 사이에 위치한 혼합 모듈에서 상기 바이오가스 저장부에서 이동되는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동되는 제1 액화 가스가 혼합되는 제3 단계; 상기 믹싱 탱크부에서 이동되는 제1 혼합 가스 및 상기 가스 공급관에서 이동되는 제2 액화 가스가 제1 밸브 모듈로 유입되는 제4 단계; 상기 믹싱 탱크부에서 이동되는 제2 혼합 가스 및 상기 바이오가스 저장부에서 이동되는 제2 바이오가스가 제2 밸브 모듈로 유입되는 제5 단계; 상기 제4 단계의 제1 혼합 가스 및 제2 액화 가스의 어느 하나가 연소부에서 연소되거나 상기 제5 단계의 제2 혼합 가스 및 제2 바이오가스의 어느 하나가 연소부에서 연소되는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 연소 후의 배기 가스가 열교환부에서 열교환되는 제7 단계; 및 상기 제7 단계에서 열교환된 배기 가스가 배출팬부에 의하여 가속되어 굴뚝부를 통해 외부로 배출되는 제8 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급관에 저장된 액화 가스는 가스 분기점을 통하여 상기 혼합 모듈로 이동하는 제1 액화 가스 및 상기 제1 밸브 모듈로 이동하는 제2 액화 가스로 나뉘며, 싱기 바이오가스 저장부에 저장된 바이오가스는 바이오가스 분기점을 통하여 상기 혼합 모듈로 이동하는 제1 바이오 가스 및 상기 제2 밸브 모듈로 이동하는 제2 바이오 가스로 나뉘며, 상기 제1 밸브 모듈은 제1 혼합 가스가 상기 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제1 자동 밸브 및 제2 액화 가스가 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제2 자동 밸브를 구비하며, 상기 제2 밸브 모듈은 제2 혼합 가스가 상기 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제3 자동 밸브, 제2 바이오가스가 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제4 자동 밸브를 구비하며, 화력의 세기가 제1 화력은 제2 화력보다 크며, 상기 제2 화력은 제3 화력보다 큰 것으로 정의하면, 상기 컨트롤 패널부는 상기 제1 화력이 필요할 때 상기 제1 자동 밸브는 닫고 상기 제2 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 액화 가스가 상기 연소부로 공급되게 하며, 상기 제2 화력이 필요할 때 상기 제2 자동 밸브는 닫고 상기 제1 자동 밸브를 작동시켜 상기 제1 혼합 가스를 상기 연소부로 공급하거나 상기 제4 자동 밸브를 닫고 상기 제3 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 혼합 가스가 상기 연소부로 공급되게 하며, 상기 제3 화력이 필요할 때 상기 제3 자동 밸브를 닫고 상기 제4 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 바이오가스가 상기 연소부로 공급되게 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 하수처리장에서 발생하는 바이오가스를 연소시켜 종래의 LNG 및 LPG의 어느 하나를 사용하는 경우보다 비용을 절감하고 바이오가스를 재생 에너지로 사용하는 장점이 있다.
도 1(a)은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 개략도를 나타내며, 도 1(b)은 본 발명의 액화 가스와 바이오 가스의 흐름의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 혼합 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템은 바이오가스 저장부(10), 가스 공급관(20), 혼합 모듈(30), 믹스 탱크부(40), 제1 밸브 모듈(50), 제2 밸브 모듈(60), 연소부(70), 송풍부(80), 열교환부(90), 배출팬부(100), 굴뚝부(110) 바이오가스 탱크 레벨부(120) 및 컨트롤 패널부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 바이오가스 저장부(10), 가스 공급관(20), 혼합 모듈(30), 믹싱 탱크부(40), 제1 밸브 모듈(50) 제2 밸브 모듈(60) 및 연소부(70)는 가스가 이동할 수 있는 관로로 연결되고 각각의 관로에는 밸브가 구비되어 가스의 이동을 제어할 수 있다
바이오가스 저장부(10)는 바이오가스를 공급한다. 바이오가스는 음식물류 폐기물, 가축분뇨, 하수 찌꺼기 등 유기성 폐자원이 공기가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해되는 과정에서 생성되는 가스로 메탄 50~65%, 이산화탄소 25~40%, 소량의 수소, 황화수소 등으로 구성된다. 본 발명은 하수처리장의 하수 찌꺼기, 슬러지 등에서 발생하는 바이오가스에서 이산화탄소와 기타 불순물을 정제하여 바이오가스 저장부(10)에 저장하여 사용한다. 밀폐 저장탱크 소화조에서 발생한 바이오가스는 정제설비를 거쳐 바이오가스 저장부(10)에 저장된다. 또한, 본 발명의 바이오가스는 매립가스를 포함한다.
가스 공급관(20)는 액화 가스를 저장하거나 공급한다. 액화 가스는 액화 가스 공급시설로부터 공급 받는다. 본 발명의 액화 가스는 LNG 가스 또는 LPG 가스를 의미한다. 예를 들어, 제1 액화 가스는 제1 LNG 가스 또는 제1 LPG 가스를 의미하며, 제2 액화 가스는 제2 LNG 가스 또는 제2 LPG 가스를 의미한다.
상기 가스 공급관(20)에 공급된 액화 가스(①)는 액화 가스 분기점(r)을 통하여 상기 혼합 모듈(30)로 이동하는 제1 액화 가스(②) 및 상기 제1 밸브 모듈(50)로 이동하는 제2 액화 가스(③)로 나뉘며, 상기 바이오가스 저장부(10)에 저장된 바이오가스(④)는 바이오가스 분기점(s)을 통하여 상기 혼합 모듈(30)로 이동하는 제1 바이오 가스(⑤) 및 상기 제2 밸브 모듈(60)로 이동하는 제2 바이오 가스(⑥)로 나뉘며, 상기 혼합 모듈(30)에서 유출되는 혼합 가스(⑦)는 믹싱 탱크부(40)를 지나 상기 제1 밸브 모듈(50)은 제1 혼합 가스(⑧)가 상기 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제1 자동 밸브 및 제2 액화 가스(③)가 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제2 자동 밸브를 구비하며, 상기 제2 밸브 모듈(60)은 제2 혼합 가스(⑨)가 상기 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제3 자동 밸브, 제2 바이오가스(⑥)가 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제4 자동 밸브를 구비한다.
혼합 모듈(30)은 바이오가스 저장부(10) 및 가스 공급관(20)와 믹싱 탱크부(40) 사이에 위치하며, 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제1 바이오가스와 가스 공급관(20)에서 이동하는 제1 액화 가스를 혼합한다. 바이오가스는 메탄을 주성분으로 하고, 발열량이 약 4,600 kcal/Nm3이고 발열량이 9,530 kcal/Nm3인 LNG/LPG보다 발열량이 떨어진다. 따라서, 본 발명에서는 발열량이 높은 LNG/LPG와 발열량이 이보다 떨어지는 바이오가스를 적정 비율로 혼합하여 연소시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 혼합 모듈(30)의 단면도이다. 도 2(a)를 참조하면, 상기 혼합 모듈(30)은 상기 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제1 바이오가스가 진입하는 바이오가스 진입부(31), 상기 가스 공급관(20)에서 이동하는 제1 액화 가스가 진입하는 가스 진입부(32), 상기 제1 바이오가스 및 제1 액화 가스가 혼합되는 가스 혼합부(33) 및 상기 가스 혼합부(33)에서 혼합된 혼합 가스가 믹싱 탱크부(40)로 배출되는 혼합 가스 배출부(34)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2(b)를 참조하면, 상기 가스 혼합부(33)의 A지점에서 내부의 단면을 관찰하면 제1 영역은 나선의 형태의 배리어(barrier)를 형성하며, 제2 영역은 혼합 가스가 이동하는 통로(path)를 형성하여, 혼합 가스는 가스 혼합부(33)의 내부를 통과하면서 혼합된다. 상기 나선의 형태의 배리어(barrier)는 일정 주기의 반복되게 형성되며, 혼합 가스 배출부(35)로 갈수록 상기 주기는 짧게 형성될 수 있어 같은 간격의 피치로 형성되는 것보다 혼합 가스가 배리어에 접촉하여 혼합되는 비율을 높일 수 있다. 도 2(c)를 참조하면, 상기 배리어는 복수의 홀을 구비할 수 있으며, 가스 혼합부(33)의 중심에서 가스 혼합부(33)의 내측면을 향하는 방향으로 갈수록 홀의 크기가 큰 것을 사용하여 중심에서 강한 혼합 가스의 흐름에 따라 작은 홀을 강한 압력을 통과하게 되고 중심에서 벗어날수록 약한 혼합 가스의 흐름에 따라 넓은 홀을 약한 압력으로 통과하게 되어 가스의 혼합 효율을 높일 수 있다.
가스 혼합부(33)의 내부의 형태가 나선이면, 혼합 모듈(30)로 유입된 바이오가스 및 LNG 가스 또는 LPG 가스가 나선 형태을 따라 회전하면서 균일하게 섞일 수 있는 장점이 있다.
믹싱 탱크부(40)는 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제1 바이오가스와 가스 공급관(20)에서 이동하는 제1 액화 가스의 혼합 가스가 저장된다. 혼합 모듈(30)에서 제1 바이오가스와 제1 액화 가스가 혼합되면 혼합 가스는 관로를 따라 믹싱 탱크부(40)로 이동하여 믹싱 탱크부(40)에 저장된다. 믹싱 탱크부(40)에 저장 중인 혼합 가스는 2개의 관로를 통해 이동하게 되는데, 제1 혼합 가스 및 제2 혼합 가스가 각각의 관로로 이동한다.
제1 밸브 모듈(50)에는 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제1 혼합 가스 및 가스 공급관(20)에서 이동하는 제2 액화 가스가 유입된다. 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제1 혼합 가스와 가스 공급관(20)에서 이동하는 제2 액화 가스는 제1 밸브 모듈(50)을 통해 연소부(70)에서 연소된다. 제1 밸브 모듈(50)은 제1 혼합 가스 또는 제2 액화 가스를 연소부(70)에 공급한다. 제1 혼합가스의 발열량은 바이오가스의 발열량보다 높고, 액화 가스의 발열량보다 낮다. 제1 밸브 모듈(50)은 제1 혼합 가스와 제2 액화 가스 중 선택하여 연소부(70)로 공급할 수 있다. 상기 제1 밸브 모듈(50)은 제1 혼합 가스가 상기 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제1 자동 밸브, 제2 액화 가스가 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제2 자동 밸브를 구비한다.
제2 밸브 모듈(60)에는 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제2 혼합 가스 및 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제2 바이오가스가 유입된다. 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제2 혼합 가스와 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제2 바이오가스는 제2 밸브 모듈(60)을 통해 연소부(70)에서 연소된다. 제2 밸브 모듈(60)은 제2 혼합 가스 또는 제2 바이오가스를 연소부(70)에 공급한다. 제2 혼합가스의 발열량은 바이오가스의 발열량보다 높고, 액화 가스의 발열량보다 낮다. 제2 바이오가스의 발열량은 제2 혼합가스의 발열량보다 낮다. 제2 밸브 모듈(60)은 제2 혼합 가스와 제2 바이오가스 중 선택하여 연소부(70)로 공급할 수 있다. 상기 제2 밸브 모듈(60)은 제2 혼합 가스가 상기 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제3 자동 밸브, 제2 바이오가스가 연소부(70)로 공급될 수 있도록 개폐되는 제4 자동 밸브를 구비한다.
연소부(70)에서는 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 혼합 가스가 연소된다. 믹싱 탱크부에서 저장 중인 혼합 가스는 제1 밸브 모듈(50) 또는 제2 밸브 모듈(60)로 공급되고 연소부(70)로 이동되어 연소가 이루어진다. 또한, 가스 공급관에서 공급된 액화 가스는 제1 밸브 모듈(50)을 통해 연소부(70)로 공급되고, 바이오가스 저장부(10)에 저장 중인 바이오가스는 제2 밸브 모듈(60)을 통해 연소부(70)로 공급된다. 연소부(70)는 혼합 가스, 액화 가스, 바이오가스를 혼용하여 연소할 수 있는 혼소용 버너를 구비한다. 혼소용 버너는 외부혼합식으로 연료를 혼합하고, 연료분사 방식은 multi spud type을 사용할 수 있다. 혼소용 버너의 재질은 특수 합금, 고급 주철, 스테인레스 내열강을 중에 하나 또는 복수를 선택하여 제작할 수 있다. 연소부(70)의 혼소용 버너는 제1 밸브 모듈(50) 또는 제2 밸브 모듈(60)에서 공급되는 혼합 가스, 액화 가스, 바이오가스를 송풍부(80)에서 공급되는 외기로 연소시킨다. 연소부(70)에서 발생되는 열에 의해 하수처리장의 슬러지 건조 작업을 진행할 수 있다.
송풍부(80)는 연소부(70)에 외부 공기를 공급한다. 송퐁부는 구동모터에 의해 팬을 회전시켜 외부 공기를 연소부(70)로 공급한다. 송풍부(80)는 외부 공기를 공급하여 외부 공기에 포함된 산소에 의해 연소부(70)에서 혼합 가스가 원활히 연소되도록 한다.
열교환부(90)는 연소부(70)에서 연소된 혼합 가스의 배기 가스와 다른 열전달 매체를 열교환한다. 연소부(70)에서 발생한 고온의 배기 가스는 외부로 배출되기 전에 열교환부(90)를 통해 저온으로 냉각된 상태로 배출되게 된다. 고온의 배기 가스는 열교환부(90)의 상하부를 관통하고, 열교환부(90) 내부에 나선형으로 형성된 관로를 따라 열전달 매체가 이동하면서 고온의 배기 가스의 열 에너지를 흡수한다. 열교환부(90)의 열전달 매체는 하수처리장의 하수물, 슬러지, 가스 및 물 중의 어느 하나일 수 있다. 열교환부(90)를 사용하면 액체 또는 기체의 열전달 매체가 열교환부(90) 내부에 나선형으로 형성된 관로를 이동하면서 고온의 배기 가스의 열 에너지를 흡수하여, 연소부(70)에서 발생한 배기 가스를 다시 한번 이용하여 열전달 매체를 가열할 수 있는 장점이 있다.
배출팬부(100)는 열교환부(90)에서 열교환된 배기 가스를 가속시킨다. 열교환부(90)를 통과한 배기 가스는 열 에너지를 잃어 운동성이 떨어지기 때문에 배출팬부(100)의 구동 모터와 팬을 가동시켜 배기 가스를 가속시켜 굴뚝부(110)를 통해 배출시킨다.
굴뚝부(110)는 배출팬부(100)에 의하여 가속된 배기 가스를 외부로 배출시킨다. 굴뚝부(110)는 길다란 구조물로서 배기 가스가 용이하게 배출될 수 있도록 상부로 갈수록 내경이 줄어드는 구조를 가질 수 있다.
바이오가스 탱크 레벨부(120)는 바이오가스 저장부(10) 내부의 바이오가스가 저장된 양을 체크한다. 바이오가스 탱크 레벨부(120)는 바이오가스 저장부(10)의 내부의 압력을 체크하는 압력계를 구비하여 바이오가스의 양을 측정하게 된다. 바이오가스 탱크 레벨부(120)에 의해 바이오가스 저장부(10) 내부의 바이오가스가 일정량 이하인 것으로 체크되면 제2 밸브 모듈(60)을 오프 상태로 한다. 바이오가스 탱크 레벨부(120)와 제2 밸브 모듈(60)은 컨트롤 패널(130)에 의해 전기적으로 연결되고, 컨트롤 패널(130)의 제어 명령에 의해 작동한다. 본 발명의 바이오가스 혼소용 버너 시스템은 재생 에너지인 바이오가스를 이용하는 것이 목적이기 때문에 바이오가스의 저장량이 일정치 이하로 떨어지게 되면 제2 밸브 모듈(60)의 작동을 정지시키고 바이오가스의 충전할 필요가 있다. 제1 밸브 모듈(50)은 액화 가스의 비중이 높기 때문에 연소부(70)에 액화 가스 또는 혼합 가스를 계속 공급하여 연소부(70)의 연소 작업이 중단되지 않도록 하고 제2 밸브 모듈(60)의 작동을 정지시킨다.
컨트롤 패널부(130)는 송풍부(80), 배출팬부(100), 제1 밸브 모듈(50), 제2 밸브 모듈(60) 및 바이오가스 탱크 레벨부(120)를 전기적으로 연결하여 제어한다. 컨트롤 패널(130)부는 송풍부(80)의 구동 모터의 작동, 배출팬부(100)의 구동 모터의 작동, 제1 밸브 모듈(50)의 제1 자동 밸브 및 제2 자동 밸브의 작동, 제2 밸브 모듈(60)의 제3 자동 밸브 및 제4 자동 밸브의 작동 및 바이오가스 탱크 레벨부(120)의 수치 측정을 제어한다. 컨트롤 패널부(130)는 PLC(Programmable Logic Controller) 프로그램이 입력된 회로기판을 구비하며, PLC 프로그램에 의해 상기 송풍부(80), 배출팬부(100), 제1 밸브 모듈(50), 제2 밸브 모듈(60) 및 바이오가스 탱크 레벨부(120)의 작동을 제어한다. 컨트롤 패널부(130)는 제1 밸브 모듈(50)의 제1 혼합 가스, 제2 액화 가스, 제2 밸브 모듈(60)의 제2 혼합 가스, 제2 바이오가스가 연소부(70)에 선택적으로 공급되도록 제1 자동 밸브 내지 제4 자동 밸브를 제어한다. 화력의 세기가 제1 화력 > 제2 화력 > 제3 화력을 갖는다고 정의하면, 연소부(70)의 턴다운비는 3:1일 수 있는데, 컨트롤 패널부(130)는 제1 화력이 필요할 때는 제1 밸브 모듈(50)의 제2 자동 밸브를 작동시켜 제2 액화 가스가 연소부(70)로 공급되게 할 수 있고, 제2 화력이 필요할 때는 제1 밸브 모듈(50)의 제1 자동 밸브를 작동시켜 제1 혼합 가스를 연소부(70)로 공급하거나 또는 제2 밸브 모듈(60)의 제3 자동 밸브를 작동시켜 제2 혼합 가스가 연소부(70)로 공급되게 할 수 있으며, 제3 화력이 필요할 때는 제2 밸브 모듈(60)의 제4 자동 밸브를 작동시켜 제2 바이오가스가 연소부(70)로 공급되게 할 수 있다. 따라서, 적절하게 제1 자동 밸브 내지 제4 자동 밸브를 제어하여 특정 화력을 얻을 수 있다. 또한, 컨트롤 패널부(130)는 바이오가스 탱크 레벨부(120) 의해 바이오가스 저장부(10) 내부의 바이오가스가 일정량 이하인 것으로 확인되면. 제2 밸브 모듈(60)의 제4 자동 밸브를 오프시켜 제2 바이오가스가 연소부(70)로 이동되지 않게 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법은 하기의 8 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 단계(S10) : 바이오가스 저장부(10)에 저장된 제1 바이오가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되는 단계
제2 단계(S20) : 가스 공급관(20)에 공급된 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되는 단계
제3 단계(S30) : 제1 단계(S10)의 제1 바이오가스 및 제2 단계(S20)의 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되기 전에, 바이오가스 저장부(10) 및 가스 공급관(20)와 믹싱 탱크부(40) 사이에 위치한 혼합 모듈(30)에서 바이오가스 저장부(10)에서 이동되는 제1 바이오가스와 가스 공급관(20)에서 이동되는 제1 액화 가스가 혼합되는 단계
제4 단계(S40) : 믹싱 탱크부(40)에서 이동되는 제1 혼합 가스 및 가스 공급관(20)에서 이동되는 제2 액화 가스가 제1 밸브 모듈(50)로 유입되는 단계
제5 단계(S50) : 믹싱 탱크부(50)에서 이동되는 제2 혼합 가스 및 바이오가스 저장부(10)에서 이동되는 제2 바이오가스가 제2 밸브 모듈(60)로 유입되는 단계
제6 단계(S60) : 제4 단계(S40)의 제1 혼합 가스 또는 제2 액화 가스 또는 제5 단계(S50)의 제2 혼합 가스 또는 제2 바이오가스가 연소부(70)에서 연소되는 단계
제7 단계(S70) : 제6 단계(S60)에서 연소 후의 배기 가스가 열교환부(90)에서 열교환되는 단계
제8 단계(S80) : 제7 단계(S70)에서 열교환된 배기 가스가 배출팬부(100)에 의하여 가속되어 굴뚝부(110)를 통해 외부로 배출되는 단계
제1 단계(S10)는 바이오가스 저장부(10)에 저장된 제1 바이오가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되는 단계이다. 바이오가스 저장부(10)에서는 제1 바이오가스 및 제2 바이오가스가 이동되는데, 제1 바이오가스는 혼합 모듈(30)에서 제1 액화 가스와 혼합되어 혼합 가스로 혼합되어 사용되고, 제2 바이오가스는 액화 가스와 혼합되지 않은 상태로 제2 밸브 모듈(60)을 거쳐 연소부(70)로 공급된다. 제1 바이오가스는 혼합 모듈(30)을 거쳐 믹싱 탱크부(40)로 이동되어 혼합된 상태로 저장된다.
제2 단계(S20)는 가스 공급관(20)에 저장된 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되는 단계이다. 가스 공급관(20)에서는 제1 액화 가스 및 제2 액화 가스가 이동되는데, 제1 액화 가스는 혼합 모듈(30)에서 제1 바이오가스와 혼합되어 혼합 가스로 혼합되어 사용되고, 제2 액화 가스는 바이오가스와 혼합되지 않은 상태로 제1 밸브 모듈(50)을 거쳐 연소부(70)로 공급된다. 제1 액화 가스는 혼합 모듈(30)을 거쳐 믹싱 탱크부(40)로 이동되어 혼합된 상태로 저장된다. 믹싱 탱크부(40)는 바이오가스와 액화 가스가 혼합된 혼합 가스를 저장한다.
여기서, 바이오가스 저장부(10)에 저장된 바이오가스는 바이오가스 분기점을 통하여 제1 바이오 가스 및 제2 바이오 가스로 나뉘며, 가스 공급관(20)에 저장된 액화 가스는 액화 가스 분기점을 통하여 제1 액화 가스 및 제2 바이오 가스로 나뉜다.
제3 단계(S30)는 제1 단계(S10)의 제1 바이오가스 및 제2 단계(S10)의 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부(40)로 이동되기 전에, 바이오가스 저장부(10) 및 가스 공급관(20)와 믹싱 탱크부(40) 사이에 위치한 혼합 모듈(30)에서 바이오가스 저장부(10)에서 이동되는 제1 바이오가스와 가스 공급관(20)에서 이동되는 제1 액화 가스가 혼합되는 단계이다. 혼합 모듈(30)의 가스 혼합부(33)는 나선의 형태로 혼합 모듈(30)에 진입한 제1 바이오가스 및 제1 액화 가스는 가스 혼합부(33)를 통과하면서 균일하게 혼합된다. 혼합된 혼합 가스는 관로를 통해 믹싱 탱크부(40)로 이동한다.
제4 단계(S40)는 믹싱 탱크부(40)에서 이동되는 제1 혼합 가스 및 가스 공급관(20)에서 이동되는 제2 액화 가스가 제1 밸브 모듈(50)로 유입되는 단계이다. 믹싱 탱크부(40)에서 저장된 혼합 가스는 제1 혼합 가스 또는 제2 혼합 가스로 공급된다. 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제1 혼합가스와 가스 공급관(20)에서 이동하는 제2 액화 가스는 제1 밸브 모듈(50)로 유입되고, 제1 밸브 모듈(50)에 의해 선택적으로 연소부(70)에 공급된다. 제1 밸브 모듈(50)은 연소부(70)에서 강한 화력인 제1 화력이 필요한 경우는 발열량이 높은 제2 액화 가스를 연소부(70)로 공급하고, 연소부(70)에서 중간 화력인 제2 화력이 필요한 경우는 액화 가스보다는 발열량이 낮지만 바이오가스보다는 발열량이 높은 제1 혼합 가스를 연소부(70)로 공급한다. 제1 밸브 모듈(50)에서 선택적으로 가스를 공급하는 것은 제1 자동 밸브 및 제2 자동 밸브의 작동에 의해서인데, 제1 자동 밸브 및 제2 자동 밸브의 작동은 컨트롤 패널부(130)에 의해 제어된다.
제5 단계(S50)는 믹싱 탱크부(40)에서 이동되는 제2 혼합 가스 및 바이오가스 저장부(10)에서 이동되는 제2 바이오가스가 제2 밸브 모듈(60)로 유입되는 단계이다. 믹싱 탱크부(40)에서 이동하는 제2 혼합가스와 바이오가스 저장부(10)에서 이동하는 제2 바이오가스는 제2 밸브 모듈(60)로 유입되고, 제2 밸브 모듈(60)에 의해 선택적으로 연소부(70)에 공급된다. 제2 밸브 모듈(60)은 연소부(70)에서 중간 화력인 제2 화력이 필요한 경우는 액화 가스보다는 발열량이 낮지만 바이오가스보다는 발열량이 높은 제2 혼합 가스를 연소부(70)로 공급하고, 연소부(70)에서 약한 화력인 제3 화력이 필요한 경우는 혼합 가스보다 발열량이 낮은 제2 바이오가스를 연소부(70)로 공급한다. 제2 밸브 모듈(60)에서 선택적으로 가스를 공급하는 것은 제3 자동 밸브 및 제4 자동 밸브의 작동에 의해서인데, 제3 자동 밸브 및 제4 자동 밸브의 작동은 컨트롤 패널부(130)에 의해 제어된다.
제6 단계(S60)는 제4 단계(S40)의 제1 혼합 가스 또는 제2 액화 가스 또는 제5 단계(S50)의 제2 혼합 가스 또는 제2 바이오가스가 연소부(70)에서 연소되는 단계이다. 제1 밸브 모듈(50) 및 제2 밸브 모듈(60)에서 선택적으로 가스를 공급하면 연소부(70)에서는 송풍부(80)에 의해 산소를 공급받아 가스를 연소시킨다. 가스의 연소에 의해 하수슬러지 등을 건조시킬 수 있다.
제7 단계(S70)는 제6 단계(S60)에서 연소 후의 배기 가스가 열교환부(90)에서 열교환되는 단계이다. 혼합 가스, 액화 가스, 바이오가스는 연소부(70)에서 연소된 후 고온의 배기 가스가 생성되는데, 고온의 배기 가스는 열교환부(90)를 통해 열전달 매체와의 열교환을 통해 열에너지를 열전달 매체에 전달한다. 열전달 매체로는 하수처리장의 하수물, 슬러지, 가스 및 물 등을 사용할 수 있다.
제8 단계(S80)는 제7 단계(S70)에서 열교환된 배기 가스가 배출팬부(100)에 의하여 가속되어 굴뚝부(110)를 통해 외부로 배출되는 단계이다. 열교환부(90)에 의해 열교환이 끝난 배기 가스는 배출팬부(100)의 구동 모터와 팬을 작동시켜 가속을 시켜 굴뚝부(110)로 이동시키고 굴뚝부(110)를 통해 외부로 배출된다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 바이오가스 저장부
20 : 가스 공급관
30 : 혼합 모듈
31 : 바이오가스 진입부
32 : 가스 진입부
33 : 가스 혼합부
34 : 혼합 가스 배출부
40 : 믹싱 탱크부
50 : 제1 밸브 모듈
60 : 제2 밸브 모듈
70 : 연소부
80 : 송풍부
90 : 열교환부
100 : 배출팬부
110 : 굴뚝부
120 : 바이오가스 탱크 레벨부
130 : 컨트롤 패널부

Claims (6)

  1. 바이오가스가 저장되는 바이오가스 저장부;
    액화 가스가 공급되는 가스 공급관;
    상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스의 혼합 가스가 저장되는 믹싱 탱크부;
    상기 바이오가스 저장부 및 가스 공급관와 상기 믹싱 탱크부 사이에 위치하며, 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스를 혼합하는 혼합 모듈;
    상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 혼합 가스가 연소되는 연소부;
    상기 연소부에 외부 공기를 공급하는 송풍부;
    상기 연소부에서 연소된 배기 가스가 다른 열전달 매체와 열교환되는 열교환부;
    상기 열교환부에서 열교환된 배기 가스를 가속시키는 배출팬부; 및
    상기 배출팬부에 의하여 가속된 배기 가스가 외부로 배출되는 굴뚝부;를 포함하며,
    상기 액화 가스는 LNG 및 LPG의 어느 하나이며,
    상기 열교환부의 열전달 매체는 하수처리장의 하수물, 슬러지, 가스 및 물 중의 어느 하나이며,
    상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 제1 혼합 가스 및 상기 가스 공급관에서 이동하는 제2 액화 가스가 유입되는 제1 밸브 모듈; 및 상기 믹싱 탱크부에서 이동하는 제2 혼합 가스 및 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제2 바이오가스가 유입되는 제2 밸브 모듈;을 포함하며,
    상기 혼합 모듈은 상기 바이오가스 저장부에서 이동하는 제1 바이오가스가 진입하는 바이오가스 진입부, 상기 가스 공급관에서 이동하는 제1 액화 가스가 진입하는 가스 진입부, 상기 제1 바이오가스 및 제1 액화 가스가 혼합되는 가스 혼합부 및 상기 가스 혼합부에서 혼합된 혼합 가스가 상기 믹싱 탱크부로 배출되는 혼합 가스 배출부를 포함하며,
    상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스의 저장된 양을 체크하는 바이오가스 탱크 레벨부; 및
    상기 송풍부, 배출팬부, 제1 밸브 모듈, 제2 밸브 모듈 및 바이오가스 탱크 레벨부에 전기적으로 연결되어 제어하는 컨트롤 패널부;를 더욱 포함하며,
    상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스의 저장량을 제1 일정량 및 상기 제1 일정량보다 낮은 저장량을 제2 일정량으로 정의할 때, 상기 바이오가스 탱크 레벨부에 의해 상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스가 제1 일정량 이하 제2 일정량 초과의 범위인 것으로 체크되면 상기 제2 밸브 모듈을 오프 상태가 되어 상기 제2 밸브 모듈에 제2 혼합가스 및 제2 바이오가스의 흐름을 차단하며, 상기 바이오가스 저장부 내부의 바이오가스가 제2 일정량 이하의 범위인 것으로 체크되면 상기 바이오가스 저장부에 구비된 밸브가 차단되어 상기 바이오가스 저장부로부터 바이오 가스가 유출되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 혼소용 버너 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1의 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법이며, 바이오가스 저장부에 저장된 제1 바이오가스가 믹싱 탱크부로 이동되는 제1 단계; 가스 공급관에 저장된 제1 액화 가스가 믹싱 탱크부로 이동되는 제2 단계; 상기 제1 단계의 제1 바이오가스 및 상기 제2 단계의 제1 액화 가스가 상기 믹싱 탱크부로 이동되기 전에, 상기 바이오가스 저장부 및 가스 공급관와 상기 믹싱 탱크부 사이에 위치한 혼합 모듈에서 상기 바이오가스 저장부에서 이동되는 제1 바이오가스와 상기 가스 공급관에서 이동되는 제1 액화 가스가 혼합되는 제3 단계; 상기 믹싱 탱크부에서 이동되는 제1 혼합 가스 및 상기 가스 공급관에서 이동되는 제2 액화 가스가 제1 밸브 모듈로 유입되는 제4 단계; 상기 믹싱 탱크부에서 이동되는 제2 혼합 가스 및 상기 바이오가스 저장부에서 이동되는 제2 바이오가스가 제2 밸브 모듈로 유입되는 제5 단계; 상기 제4 단계의 제1 혼합 가스 및 제2 액화 가스의 어느 하나가 연소부에서 연소되거나 상기 제5 단계의 제2 혼합 가스 및 제2 바이오가스의 어느 하나가 연소부에서 연소되는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 연소 후의 배기 가스가 열교환부에서 열교환되는 제7 단계; 및 상기 제7 단계에서 열교환된 배기 가스가 배출팬부에 의하여 가속되어 굴뚝부를 통해 외부로 배출되는 제8 단계;를 포함하는 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스 공급관에서 공급된 액화 가스는 액화 가스 분기점을 통하여 상기 혼합 모듈로 이동하는 제1 액화 가스 및 상기 제1 밸브 모듈로 이동하는 제2 액화 가스로 나뉘며, 상기 바이오가스 저장부에 저장된 바이오가스는 바이오가스 분기점을 통하여 상기 혼합 모듈로 이동하는 제1 바이오 가스 및 상기 제2 밸브 모듈로 이동하는 제2 바이오 가스로 나뉘며, 상기 제1 밸브 모듈은 제1 혼합 가스가 상기 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제1 자동 밸브 및 제2 액화 가스가 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제2 자동 밸브를 구비하며, 상기 제2 밸브 모듈은 제2 혼합 가스가 상기 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제3 자동 밸브 및 제2 바이오가스가 연소부로 공급될 수 있도록 개폐되는 제4 자동 밸브를 구비하며, 화력의 세기가 제1 화력은 제2 화력보다 크며, 상기 제2 화력은 제3 화력보다 큰 것으로 정의하면, 상기 컨트롤 패널부는 상기 제1 화력이 필요할 때 상기 제2 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 액화 가스가 상기 연소부로 공급되게 하며, 상기 제2 화력이 필요할 때 상기 제1 자동 밸브를 작동시켜 상기 제1 혼합 가스를 상기 연소부로 공급하거나 상기 제3 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 혼합 가스가 상기 연소부로 공급되게 하며, 상기 제3 화력이 필요할 때 상기 제4 자동 밸브를 작동시켜 상기 제2 바이오가스가 상기 연소부로 공급되게 하는 바이오가스 혼소용 버너 시스템의 제어 방법.
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