KR20130104395A - 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체연소 보일러에 관한 것으로서, 연료저장고와, 상기 연료저장고로부터 공급되는 연료가 적재되는 화판과 상기 연료를 점화하는 히팅로드를 포함하는 연소부와, 상기 연소실 내부에 연소용 공기를 공급하는 공기공급부와, 상기 공기공급부에 연결되며 상기 공기공급부로부터 공급되는 공기가 상기 화판의 주변에서 상기 화판의 중심부를 향해 측 방향으로 유입되도록 상기 연소부의 하부의 외주면에 접선방향으로 연결되는 공기공급관과, 상기 연소부의 상부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 연소부에서 가열된 공기를 배출하는 배출관과, 상기 배출관을 통해 상기 연소부에 연결되며 상기 가열된 공기에 함유된 연소생성물을 집진하는 열교환부를 구비하며, 상기 배출관은 상기 열교환부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 배출관을 통해 공급되는 가열된 공기가 원심력을 받아 상기 열교환부의 내측면에 접촉하도록 구성되어, 연소된 가스는 연소부 상부에서 원심력 방향으로 배치된 배출관을 통해 열교환부에 공급되므로, 상기 열교환부의 벽면과의 접촉이 증가되어 상기 열교환부에서의 열교환 효율이 증대될 뿐만 아니라 연소된 가스가 원심력을 받아 배출되므로 상기 연소된 가스에 포함된 먼지 등 연소생성물이 상기 배출관 및 상기 열교환기에 접촉하여 부착되는 것을 방지할 수 있으므로, 별도의 클리닝 장치가 필요없이 깨끗한 배출관 및 열교환부를 유지할 수 있다.

Description

사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러{BOILER FOR SOLID FUEL WITH CYCLON TYPE DUST COLLECTING HEAT EXCHANGER}

본 발명은 고체연소 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소실 내부에서 사이클론 방식으로 공기를 공급하여 연소시킴과 동시에 열교환기에서 사이클론 방식으로 집진하면서 열교환을 이루어 연소실에 연결된 연관이 필요가 없을 뿐만 아니라 연관의 세정을 위한 세정장치를 생략할 수 있는 사이클론 집진식 열교환기 구조를 갖는 고체연소 보일러에 관한 것이다.

고형 연료 연소 장치란, 일반적으로 보일러 시스템 등에서 펠릿(pellet) 형태로 이루어진 목재나, 왕겨, 석탄, 무연탄 등의 고형 연료(solid fuel)을 연소시켜 보일러나 온풍기 등에 열원을 제공하는 장치를 말한다.

최근, 정부 차원의 친환경 녹색 기술(Green Technology) 육성 정책에 따라, 저탄소, 고효율 연소 장치에 대한 연구·개발이 더욱 증가하고 있는 추세이며, 특히 목재 등 재생자원을 사용하는 펠릿 보일러(pellet boiler) 기술 등에 대한 관심이 높아지면서, 고형 연료 연소 장치에 대한 기술 개발 요청이 급속히 증가하고 있는 추세이다.

한국공개특허공보 제10-2011-0045671호에 개시된 바와 같이, 종래의 펠릿 보일러는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상부에 덮개가 구비된 상광하협상의 사각호퍼로 이루어진 저장통을 포함하는 펠렛저장부와, 연소부케이싱 전면상측에 설치된 온도제어컨트롤러와, 중간측에 손잡이가 형성된 점검도어와, 상측부에 연돌(204)과 급탕수인입관(205a)와 급탕수인출관(205b), 보충수관(205c)이 형성된 펠렛연소부(200)와, 상기 펠렛저장부의 하측사면부에 고정매입된 이송관과, 이송관 상측부의 조립된 모터설치트랩에 부착된 기어드모터에 의해 체인구동되어 펠렛을 펠렛연소부(200)로 투입시키는 펠렛이송부로 이루어진 것으로 특히 주택난방과 더불어 급탕수를 사용하며, 연소재가 하부배출식이 아닌 상부 배출서랍식으로 연소상태에 따라 펠렛이송 공급이 제어되도록 하는 펠렛연소용 보일러장치에 관한 것이 개시되어 있다.

그러나, 상기 종래의 펠릿연소용 보일러장치는, 히터에 의해 가열된 열을 연관(204)을 통해 열교환되는 구조를 가지고 있는데, 펠릿이나 기름을 연소시킬 때 발생되는 잔여물이나 찌꺼기가 보일러의 연관내부에 부착되어 보일러의 손상이나 열교환 효율의 저감 등 여러 문제가 발생하고 있고, 보일러의 연관내부를 세척하기 위한 별도의 클리닝 장치를 설치하여야 하기 때문에, 장치가 복잡해지고 설치비용이 증가한다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 고형 연료를 연소시키기 위해 타공판 내지 화격자(fire grate)를 사용하기 때문에, 실제 구현 시 불균일한 고형 연료나 연소 생성물들이 타공판 내지 화격자에 형성된 공기 이동 통로 막아 불완전 연소를 발생시키는 문제가 있다. 또한, 불완전 연소에 의하여 생성되는 재, 그을음 등의 연소 생성물을 처리하기 위해서는 별도의 충격 장치 수단과 미연소된 물질이나 재를 비우기 위한 재떨이 수단 등이 필요하기 때문에, 설계를 복잡하게 하고 사용자 불편을 증가시키는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 펠릿이나 기름을 연소시킬 때 연소실 내부에서 사이클론 방식의 연소에 의해 발생되는 잔여물이나 찌꺼기를 최소화함으로써 연소생성물이 보일러의 연관내부에 부착되어 보일러의 손상을 발생시키는 것을 방지할 수 있는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연소실 내부에서 사이클론 방식으로 공기를 공급하여 연소시킴과 동시에 열교환기에서 사이클론 방식으로 집진하면서 열교환을 이루어 연소실에 연결된 연관이 필요가 없을 뿐만 아니라 연관의 세정을 위한 세정장치를 생략할 수 있는 사이클론 집진식 열교환기 구조를 갖는 고체연소 보일러를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 사이클론 집진식 열교환기 구조를 갖는 고체연소 보일러는, 연료저장고와, 상기 연료저장고로부터 공급되는 연료가 적재되는 화판과, 상기 연료를 점화하는 히팅로드를 포함하는 연소부와, 상기 연소실 내부에 연소용 공기를 공급하는 공기공급부와, 상기 공기공급부에 연결되며 상기 공기공급부로부터 공급되는 공기가 상기 화판의 주변에서 상기 화판의 중심부를 향해 측 방향으로 유입되도록 상기 연소부의 하부의 외주면에 접선방향으로 연결되는 공기공급관과, 상기 연소부의 상부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 연소부에서 가열된 공기를 배출하는 배출관과, 상기 배출관을 통해 상기 연소부에 연결되며 상기 가열된 공기에 함유된 연소생성물을 집진하는 열교환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 배출관은 상기 열교환부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 배출관을 통해 공급되는 가열된 공기가 원심력을 받아 상기 열교환부의 내측면에 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열교환부의 하부에 마련되어 상기 연소생성물을 집진하는 집진통을 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열교환부의 상부덮개를 관통하여 상기 열교환부의 내부로 삽입되며 하단이 개구되어 상기 가열된 공기를 외부로 배기하는 배기관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연소부와 상기 열교환부의 상부측을 둘러싸며 상기 연소부 및 상기 열교환부와 열교환되는 물을 수용하는 물저장고를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연소부는, 일끝단은 상기 연소부의 상부덮개를 관통하여 상기 연소부의 내부로 삽입되며 타끝단은 상기 물저장고에 접촉하는 보조열교환관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 일끝단은 상기 공기공급관에 연결되고 타끝단은 상기 연료저장고와 상기 연소부를 연결하는 연료공급관에 연결되어 상기 연소부의 상부측에 공기를 공급하여 상기 연소부로부터 상기 연료저장고로 가열된 공기가 역류하지 않도록 제 2 공기공급관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 배출관과 상기 열교환부는 상기 연소부의 둘레를 따라 복수개 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 상기 공기공급부로부터 상기 연소부의 하단부에 측방향으로 공기를 공급함으로써 상기 연소부 내부에서 사이클론을 형성하여 연소생성물의 비산을 방지할 수 있고, 중심 열원에 고형 연료를 집중시키고 열 반응을 촉진할 수 있다.

또한, 연소부 하단부의 외접선을 따라 공기를 공급하여 원심력을 발생시키고, 연료를 상부 중앙 또는 측면을 통하여 공급하여 하부에 설치된 히팅로드에 의해 착화시켜 연소부 내부에서 사이클론 방식으로 연소가 가능하며, 연소된 가스는 상기 연소부의 외벽을 따라 원심력을 받아 열을 전달할 수 있으므로, 열교환 효율이 증대될 수 있다.

또한, 연소된 가스는 연소부 상부에서 원심력 방향, 즉 접선방향으로 배치된 배출관을 통해 열교환부에 공급되므로, 상기 열교환부의 벽면과의 접촉이 증가되어 상기 열교환부에서의 열교환 효율이 증대될 뿐만 아니라 연소된 가스가 원심력을 받아 배출되므로 상기 연소된 가스에 포함된 먼지 등 연소생성물이 상기 배출관 및 상기 열교환기에 접촉하여 부착되는 것을 방지할 수 있으므로, 별도의 클리닝 장치가 필요없이 깨끗한 배출관 및 열교환부를 유지할 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 보일러장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에서 물저장고를 제외한 고체연소 보일러를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 연소부에 사이클론 방식으로 공기를 공급하는 것을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 의한 고체연소 보일러를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 A-A를 따라 본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 배출관 및 열교환부를 복수개 설치한 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 사이클론 집진식 열교환기 구조를 갖는 고체연소 보일러(1)는, 연료저장고(2)와, 연소부(10)와, 열교환부(20)와, 공기공급부(30)와, 물저장고(40)를 포함하여 구성된다.

상기 연료저장고(2)는 상기 연소부에서 연소될 연료를 저장하며, 본 실시예에 있어서, 상기 연료저장고에 저장되는 연료는, 예를 들면 펠릿(pellet) 형태로 이루어진 목재나, 왕겨, 석탄, 무연탄 등 고체연료인 것을 예로 하였으나, 반드시 이에 한정되지 않고 기름 등 액체연료를 사용할 수도 있음은 물론이다.

상기 연료저장고(2)에는 연료공급관(3)이 연결되어 있고, 상기 연료공급관은 모터(M)에 의해 회전구동되는 스크루(screw)의 회전운동에 의해 고형 연료를 축 방향으로 운반하는 소정 스크류 컨베이어(screw conveyor, 미도시) 장치를 포함할 수 있다. 상기 연료공급관(3)의 일끝단은 상기 연소부의 화판의 상부측에 연결되어, 공급된 고형연료가 상기 화판에 적재될 수 있도록 구성된다.

상기 연료저장고로부터 공급된 연료는 상기 연소부(10)에 의해 연소된다. 상기 연소부(10)는 화판(11)과 히팅로드(12)를 구비한다.

상기 화판(11)은, 예를 들면 타공판 내지 화격자와 같이 다수의 홀이 형성되어 있지 않은 단순한 판형 구조로서 상기 연료저장고로부터 공급되는 고형 연료가 적재된다. 이와 같이, 화판을 이용하는 구성에 의해 불균일한 고형 연료, 미연소된 물질이나 연소 생성물들에 의해 공기 이동 통로가 폐색되는 경우를 미연에 방지할 수 있다.

상기 히팅로드(12)는 상기 화판의 중심부에 설치되며 외부로부터 공급된 전력에 의해 고형 연료에 열을 전달한다. 이와 같이, 고형 연료 열 분해 과정에 필요한 열을 제공하는 상기 히팅 로드를 상기 화판의 중심부에 설치함으로써 상기 공급된 고형 연료 전체에 대한 점화속도를 개선할 수 있다. 또한, 상기 히팅 로드는 연소실의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있으며, 상기 온도 센서를 통해 상기 연소실의 상태를 모니터링 할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 연소부는 기다란 원통관 형상으로 형성되어 있고, 상기 연소부의 하부는 상광하협의 형상으로 형성되어, 상부로 갈수록 확관되도록 구성함으로써, 고형 연료의 열 분해 과정 시 고온(1000℃ 이상)의 연소 가스에 의해 발생하는 상승 기류의 속도를 감소시키고 신속한 연소를 통해 고형 연료 내지 연소 생성물의 비산을 방지할 수 있다.

상기 연소부의 하부에는 공기공급관(31)을 통해 공기공급부(30)로부터 연소용 공기가 공급된다. 상기 공기공급부(30)는 모터를 구비한 팬으로 형성될 수 있으며, 외부의 공기를 흡입하여 상기 연소부에 연소용 공기를 공급하도록 구성된다.

상기 공기공급부(30)에는 공기공급관(31)이 연결되어 있고, 상기 공기공급관(31)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 공기공급부로부터 공급되는 공기가 상기 화판의 주변에서 상기 화판의 중심부를 향해 측 방향으로 유입되도록 상기 연소부의 하부의 외주면에 접선방향으로 연결되어, 상기 연소부 내부에서 사이클론 방식의 공기의 흐름이 형성되도록 구성된다.

또한, 상기 공기공급관에는 제 2 공기공급관(32)이 더욱 마련될 수 있다. 상기 제 2 공기공급관(32)의 일끝단은 상기 공기공급관에 연결되고 타끝단은 상기 연료저장고와 상기 연소부를 연결하는 연료공급관에 연결되어, 상기 연소부의 상기 화판의 상부측에 공기를 공급하여 상기 연소부로부터 상기 연료저장고로 가열된 공기가 역류하지 않도록 구성된다. 또한, 상기 제 2 공기공급관으로부터 연소용 공기를 더욱 공급함으로써, 상기 화판에 적재되어 있는 고형연료와 공기를 더욱 교반하면서 고형연료의 완전 연소를 더욱 신속하게 수행할 수 있다.

상기 연소부의 상부측에는 배출관(14)이 마련된다. 상기 배출관(14)은 상기 연소부의 상부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 연소부에서 가열된 공기를 열교환부로 배출한다. 상기 배출관(14)의 일끝단은 상기 연소부의 상부에서 상기 연소부의 외주면에 접선방향으로 연결되고, 타끝단은 후술하는 열교환부의 외주면에 접선방향으로 연결되도록 구성된다.

이로써, 상기 연소부에서 연소된 고온의 가스가 상기 연소부 내부에서 사이클론 방식으로 기류를 형성하면서 외부와 열교환이 이루어지며, 사이클론 방식으로 원심력을 받아 기류가 형성된 연소가스가 상기 배출관을 통해 신속하고 용이하게 상기 열교환부로 이동할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 배출관을 통해 이동된 고온의 연소가스는 상기 열교환부에서 사이클론 방식으로 형성된 기류를 유지하면서 원심력을 받아 상기 열교환부의 내측면에 접촉하여 상기 열교환부의 벽면을 통해 외부와 열교환이 용이하게 이루어질 수 있으므로 열교환 효율을 높일 수 있고, 연소가스에 함유된 먼지 등의 연소생성물이 상기 배출관 및 상기 열교환부의 내부면에 달라붙거나 부착되지 않도록 구성할 수 있다.

한편, 상기 연소부의 외측에는 열교환부(20)가 설치된다. 상기 열교환부(20)는, 예를 들면 원통형 형상으로 형성되어 있고, 상기 연소부에서 연소된 고온의 가열된 가스가 상기 열교환부에 공급되어, 상기 열교환부의 벽면을 통해 후술하는 물저장고와 열교환되도록 구성된다.

상기 열교환부(20)의 하부에는 집진통(21)이 마련되며, 상기 열교환부에 공급된 연소가스에 함유된 연소생성물은 상기 열교환부 내에서 자중에 의해 하강하여 상기 집진통내에 수용되며, 연소가 완료된 후에는 상기 집진통(21)만을 분리하여 보일러의 연소생성물을 용이하게 제거할 수 있다.

또한, 상기 열교환부에는 배기관(22)을 설치할 수 있다. 상기 배기관(22)은 상기 열교환부의 상부덮개를 관통하여 상기 열교환부의 내부로 삽입되며 하단이 개구되어 상기 가열된 공기를 외부로 배기하도록 구성되어 있다.

여기서, 상기 배출관과 상기 열교환부는 상기 연소부와 연통하는 하나의 열교환부로 구성될 수도 있으나, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 연소부의 둘레를 따라 복수개 설치되어, 대형의 보일러로 구성할 수도 있다. 이 때, 상기 연소부의 둘레를 따라 복수개 설치되는 상기 배출관은 상기 연소부에 형성되는 사이클론 기류의 원심력 방향을 따라 일정간격 이격되어 배치되어, 형성된 사이클론 기류를 유지하도록 구성된다. 또한, 상기 복수의 배출관에 각각 연결되는 상기 열교환부도 상기 배출관을 통해 공급되는 연소가스가 상기 각각의 열교환부 내부에서 사이클론 기류를 유지하도록 상기 배출관의 타끝단이 상기 열교환부의 외주면의 접선방향으로 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 보일러 장치는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 물저장고(40)를 더욱 구비할 수 있다. 상기 물저장고는 상기 연소부와 상기 열교환부의 상부측을 둘러싸며 상기 연소부 및 상기 열교환부와 열교환되는 물을 수용한다. 상기 물저장고(40)는 건물의 온수 파이프 등에 연결되어 상기 보일러에 의해 가열된 온수를 공급하도록 구성된다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 연소부는 보조열교환관(13)을 더욱 구비하여 상기 물저장고와의 열교환 효율을 더욱 증가시키도록 구성될 수 있다. 상기 보조열교환관(13)은, 일끝단은 상기 연소부의 상부덮개를 관통하여 상기 연소부의 내부로 삽입되며 타끝단은 상기 물저장고에 접촉하도록 구성되어, 상기 물저장고와의 접촉면적을 증가시켜 열교환 효율을 높이도록 구성될 수 있다.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.

1 : 고체연소 보일러
10 : 연소부 11 : 화판
12 : 히팅로드 13 : 보조열교환관
14 : 배출관
20 : 열교환부 21 : 집진통
22 : 배기관
30 : 공기공급부
31 : 공기공급관 32 : 제 2 공기공급관
40 : 물저장고

Claims (8)

1. 연료저장고와,
   상기 연료저장고로부터 공급되는 연료가 적재되는 화판과 상기 연료를 점화하는 히팅로드를 포함하는 연소부와,
   상기 연소실 내부에 연소용 공기를 공급하는 공기공급부와,
   상기 공기공급부에 연결되며 상기 공기공급부로부터 공급되는 공기가 상기 화판의 주변에서 상기 화판의 중심부를 향해 측 방향으로 유입되도록 상기 연소부의 하부의 외주면에 접선방향으로 연결되는 공기공급관과,
   상기 연소부의 상부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 연소부에서 가열된 공기를 배출하는 배출관과,
   상기 배출관을 통해 상기 연소부에 연결되며 상기 가열된 공기에 함유된 연소생성물을 집진하는 열교환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배출관은 상기 열교환부의 외주면에 접선방향으로 연결되어 상기 배출관을 통해 공급되는 가열된 공기가 원심력을 받아 상기 열교환부의 내측면에 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 열교환부의 하부에 마련되어 상기 연소생성물을 집진하는 집진통을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 열교환부의 상부덮개를 관통하여 상기 열교환부의 내부로 삽입되며 하단이 개구되어 상기 가열된 공기를 외부로 배기하는 배기관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 연소부와 상기 열교환부의 상부측을 둘러싸며 상기 연소부 및 상기 열교환부와 열교환되는 물을 수용하는 물저장고를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 연소부는, 일끝단은 상기 연소부의 상부덮개를 관통하여 상기 연소부의 내부로 삽입되며 타끝단은 상기 물저장고에 접촉하는 보조열교환관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   일끝단은 상기 공기공급관에 연결되고 타끝단은 상기 연료저장고와 상기 연소부를 연결하는 연료공급관에 연결되어 상기 연소부의 상부측에 공기를 공급하여 상기 연소부로부터 상기 연료저장고로 가열된 공기가 역류하지 않도록 제 2 공기공급관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 배출관과 상기 열교환부는 상기 연소부의 둘레를 따라 복수개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 사이클론 집진식 열교환기 구조의 고체연소 보일러.
   

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