잉여가스 연소장치

잉여가스 연소장치{Off-gas flare}

본 발명은 잉여가스 연소장치에 관한 것으로, 상세하는 잉여가스를 착화시키기 위하여 사용되는 파일럿 버너의 구조를 개선하여 점화불량이 없고, 파일럿 버너에 공급되는 공기와 잉여가스의 압력세팅이 필요없이 용이하게 점화가 가능하며, 파일럿 버너가 고온상태를 유지하여 불이 꺼지지 않고 안정적으로 메인 버너를 착화시킬 수 있도록 한 것이다. .

일반적으로 하수종말처리장의 소화조에서 발생되는 메탄가스는 탈황기를 거쳐 황화수소를 제거한 후, 별도의 가스 탱크에 저장한 상태에서 사용처, 예를 들어 보일러나 발전기등의 에너지원으로 재활용하며, 에너지원으로 사용되고 남은 잉여가스는 대기로 방출할 경우 폭발의 위험성이 존재하게 되므로 연소기(off-gas flare)를 통해 잉여가스(바이오 가스)를 소각처리하여 안전사고의 발생을 방지토록 하고 있다.

이러한 잉여가스를 제거하는 대표적인 연소기로는 노외연소식과 노내연소식을 예로 들 수 있는데, 노외연소식은 노외부(연돌상부)에서 잉여가스를 연소하는 방식으로 설치비가 적게 들며 구조가 간편하다는 장점이 있는 반면, 연소과정에서 불꽃이 연소상부로 지나치게 많이 노출됨으로서 미관상 좋지 못하여 안정성을 고려한 민원이 많이 발생하는 단점이 있다.

또, 노내연소식은 노내에서 잉여가스를 연소하는 방식으로 노외연소식에 비해 구조가 복잡하고, 설치비가 많이 소요되는 반면, 노내에서 연소가 이루어짐으로서 불꽃이 외부로 적게 노출됨으로서 민원발생의 소지가 적고, 외관이 미려하다는 장점을 가지고 있다.

한편, 특허문헌 1에는 노내연소식 잉여가스 연소기에 대한 종래기술이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 기존의 점화플러그(스파크 플러그)를 사용한 파일럿 버너가 개시되어 있고, 특허문헌 3에는 전열히터를 사용한 파일럿 버너가 개시되어 있다.

첨부된 도 1 및 2에는 종래 노내연소식 잉여가스 연소장치와 여기에 사용되는 파일럿 버너의 구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 종래 잉여가스 연소장치는 굴뚝 형태의 연소로(10), 상기 연소로(10)의 하부 내측에 설치되어 잉여가스와 외기가 공급되어 연소되는 메인 버너(20), 상기 잉여가스를 일부 도입하여 점화 플러그(34)로 착화시키는 파일럿 버너(30)를 포함하여 이루어져 있다.

도면 중 부호 22 및 32는 각각 메인 버너(20)와 파일럿 버너(30)로 잉여가스를 공급하기 위한 메인 밸브와 파일럿 밸브이고, 부호 40은 상기 파일럿 버너(30)로 외기를 공급하기 위한 송풍팬이며, 부호 50은 상기 메인 버너(20)로 외기를 공급하기 위한 송풍팬이다.

또, 부호 60은 화염 검출기, 부호 70은 연소로 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 부호 80은 연소로 표면의 온도를 감지하기 위한 온도센서이다,

한편, 상기와 같이 구성된 종래의 잉여가스(바이오 가스) 연소장치에서는 파일럿 버너(30)에 잉여가스와 송풍팬(40)에서 공급되는 공기의 압력(잉여가스와 공기의 비율)을 정확하게 세팅하는 것이 어렵고, 파일럿 버너(30)에서 점화플러그(32)만에 의한 점화가 용이하지 않은 문제점이 있는바, 이는 파일럿 버너(30) 선단부의 온도가 낮아서 잉여가스의 착화가 이루어지지 않는 상황이 발생하기도 했으며, 점화가 되더라도 메인 버너(20)가 저온상태에서 쉽게 불이 꺼지게 되는 상황이 발생하였다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 가스저장조의 압력이 변화되면 셋팅된 공연비가 맞지 않아 정상 점화가 이루어지지 않으며, 바이오 가스에는 부식성 물질인 황 성분이 포함되어 있어 배관 내부에 침전 산화되어 파일롯 버너의 오리피스 구멍을 막아 가스의 흐름을 차단하여 정상 점화가 안되는 상황이 발생한다.

또, 오리피스 연결구가 부식에 약한 황동 재질을 사용하여 내구성이 떨어지며, 파일럿 버너를 위한 송풍팬의 연속가동으로 소음 및 진동이 지속적으로 발생 되며 전력의 낭비가 심하다.

또한, 파일럿 버너 점화시 스파크와 바이오 가스가 동시에 작동 되어야 점화가 이루어지는데, 스파크가 먼저 작동하고 가스가 지나가던지 가스가 지나가고 난 후에 스파크가 일어나면 점화가 잘 되지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 파일럿 버너로 공급되는 공기와 가스와의 압력조절이 필요 없고, 파일럿 버너로 공기를 강제로 공급하지 않고도 착화가 가능하며, 착화 후 불이 꺼지게 되는 상황이 발생하지 않는 즉, 점화불량이 없는 개선된 방식의 잉여가스 연소장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 굴뚝 형태의 연소로, 상기 연소로의 하부 내측에 설치되어 잉여가스와 외기가 공급되어 연소되는 메인 버너, 상기 잉여가스를 일부 도입하여 점화 플러그로 착화시키는 파일럿 버너를 구비한 잉여가스 연소장치로;

상기 파일럿 버너는 전후로 관통되고, 후단에는 중심부에 잉여가스와 점화플러그의 삽입을 위한 중공이 형성되며, 상기 중공의 외곽에는 외기 도입홀이 방사상으로 형성된 외부 튜브와; 상기 외부 튜브의 중공에 삽입되어 잉여가스를 외부 튜브의 선단 측으로 공급하는 내부 튜브와; 상기 내부 튜브의 후단부에 끼워지고 선단의 전극이 상기 외부 튜브의 선단부에 위치하는 점화플러그와; 상기 외부 튜브의 선단부에 부착되는 세라믹 히터를 포함하여 이루어진 잉여가스 연소장치를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 의하면 파일럿 버너가 점화 플러그와 세라믹 히터의 조합으로 이루어져 있어 세라믹 히터에 의한 발열로 점화 플러그의 점화시 저온으로 인한 불의 꺼짐을 방지할 수 있고, 파일럿 버너로 외기를 강제로 도입하기 위하여 송풍팬을 설치할 필요가 없어 구조가 간단할 뿐만 아니라 공기와 잉여가스의 공급비율을 조절하지 않아도 되므로 잉여가스 연소장치의 운전을 용이하게 할 수 있음은 물론 잉여가스 연소장치의 운전성능을 향상시킬 수 있는 등의 유용한 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 파일럿 버너가 구비된 잉여가스 연소장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 파일럿 버너의 확대도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 파일럿 버너가 구비된 잉여가스 연소장치의 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 파일럿 버너의 확대도,
도 5은 도 4에 도시된 파일럿 버너의 분해도,
도 6은 본 발명에 의한 파일럿 버너가 구비된 잉여가스 연소장치의 자동모드에서의 운전흐름도이다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 5에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 파일럿 버너 및 이 파일럿 버너가 설치된 잉여가스 연소장치가 도시되어 있다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시 예에서는 굴뚝 형태의 연소로(100), 상기 연소로(100)의 하부 내측에 설치되어 잉여가스와 외기가 공급되어 연소되는 메인 버너(200), 상기 메인 버너(200)로 공급되는 잉여가스를 일부 도입하여 착화시키는 파일럿 버너(300)를 구비한 잉여가스 연소장치로;

상기 파일럿 버너(300)는 전후로 관통되고, 후단에는 중심부에 잉여가스와 점화플러그의 삽입을 위한 중공(313)이 형성되며, 상기 중공(313)의 외곽에는 외기 도입홀(314)이 방사상으로 형성된 외부 튜브(310)와;

상기 외부 튜브(310)의 중공(313)에 삽입되어 잉여가스를 외부 튜브(310)의 선단 측으로 공급하는 내부 튜브(320)와;

상기 내부 튜브(320)의 후단부에 끼워지고 선단의 전극(332)이 상기 외부 튜브(310)의 선단부에 위치하는 점화플러그(330)와;

상기 외부 튜브(310)의 선단부에 부착되는 세라믹 히터(340);를 포함하여 이루어져 있다.

상기 외부 튜브(310)는 연소로(100)의 하단부 측벽에 용접 설치되는 파일럿 버너 삽입관(110)의 플랜지(112)에 결합될 수 있도록 후부 외곽에 플랜지(311)가 부착되어 있고, 후단부는 외기의 도입이 가능하도록 내경이 확장된 확장부(312)가 형성되어 있으며, 이 확장부(312)의 배면에 잉여가스와 점화플러그의 삽입을 위한 중공(313)이 형성되고, 상기 중공(313)의 외곽에는 외기 도입홀(314)이 방사상으로 형성되어 있다.

또, 상기 외부 튜브(310)의 선단부 외측에는 세라믹 히터(340)가 설치되는 히터 안착부(315)가 형성되어 있고, 이 히터 안착부(315)에 세라믹 히터(340)의 애자(342)가 안착된 상태에서 클램프(316)에 의해 고정되며, 세라믹 히터(340)의 발열부(344)는 외부 튜브(310)의 선단으로 노출되어 외부 튜브(310)의 선단부를 가열(외부 튜브의 선단부로 배출되는 잉여가스와 외부 공기를 가열함과 동시에 외부 튜브의 선단부 자체를 가열)함으로써 점화플러그(330)에서 불꽃(스파크)이 발생하게 되면 안정적으로 파일럿 버너(300)가 착화될 수 있도록 하게 된다.

본 실시 예에서, 상기 세라믹 히터(340)는 질화규소(Si ₃ N ₄ ) 재질로 이루어진 것으로, 수 초 내에 1000℃까지 상승하게 됨으로써 저온상태에서 파일럿 버너의 착화가 이루어지지 않게 되는 상황을 방지하게 됨과 아울러, 세라믹 히터(340) 자체가 고온(1200~1400℃)상태가 됨으로써 점화플러그를 사용하지 않더라도 잉여가스에 점화가 이루어질 수 있게 되는바, 안정적인 점화 및 점화 후 실화가 발생하지 않게 된다.

본 실시 예에서 사용되는 질화규소 재질의 세라믹 히터(340)는 일반적인 점화플러그의 불꽃점화와 같은 점(spot) 점화가 아니라, 발열부 면(面)에서 붙어 안정된 점화 성능을 얻을 수 있고, 온도의 상승 속도가 빨라 급속 승온의 특징을 살리고 점화장치(파일럿 버너)의 크기 또한 소형화할 수 있는 이점이 있다.

상기 내부 튜브(320)는 외부 튜브(310)의 내부에 삽입되어 외부 튜브(310)의 내면과 일정한 간격을 유지할 수 있도록 선단부 외곽에 방사상으로 스페이서(321)가 부착되어 있고, 후단부에는 점화플러그(330)가 삽입되는 소켓(322)이 형성되어 있으며, 후단부 일측으로는 잉여가스를 도입하기 위한 잉여가스 도입관이 접속되는 소켓(323)이 T자 형태로 분기되어 있다.

한편, 상기 내부 튜브(320)의 후부 측에는 외부 튜브(310)와의 결합을 위한 플랜지(324)가 형성되어 있으며, 이 플랜지(324)에는 나비볼트(325)가 결합되어 있어 상기 외부 튜브(310)의 확장부(312) 배면에 밀착되게 되며, 상기 플랜지(324)에도 방사상으로 외기도입홀(326)이 형성되어 있어서 상기 플랜지(324)를 회전시키는 정도에 따라서 외기의 도입량을 적정한 양이 되도록 조절할 수 있도록 되어 있다.

상기 점화플러그(330)는 내부 튜브(320)를 관통하여 선단의 전극(332)이 외부 튜브(310)의 선단부까지 연장되어 있으며, 전극봉(334)에는 내,외부 튜브(310,320)와의 간격을 유지하기 위한 세라믹 스페이서(336)가 끼워져 있다.

도면 중 부호 210은 메인 밸브, 부호 350은 파일럿 밸브, 부호 360은 화염 검출기, 부호 370은 연소로 내부의 온도를 감지하는 온도센서이다.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 잉여가스 연소장치는 잉여가스가 설정압력 이상이 되면 착화가 이루어지게 되는데, 파일럿 버너(300)의 파일럿 밸브(350)가 열리면서 점화 플러그(330)와 세라믹 히터(340)를 동시에 작동하면 파일럿 버너(300)의 불꽃을 형성하게 된다. 이때, 화염가시가 이루어져 화염 검출기(360)에서 이를 감지하게 되면 정상 착화로 판단하여 메인 밸브(210)가 천천히 열리면서 메인 버너(200)에 불이 붙어 잉여가스 연소장치가 정상작동하게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에서, 파일럿 버너(300)는 송풍팬을 사용하는 강제 공기공급방식이 아닌 자연 공기 유입에 의한 착화방식으로 이루어져 있으므로 공기와 연료의 비율을 세팅하지 않아도 되므로 편리하며, 이 부분의 구조 또한 작고 단순하게 제작할 수 있다는 이점이 있다.

도 6에는 상술한 본 발명의 실시 예에 의한 잉여가스 연소장치의 운전흐름을 나타낸 것으로, 이를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 잉여가스의 압력이 예를 들면 150mmAq이상으로 높아지면(S10), 파일럿 버너의 착화(S20)가 시작되는데, 이때 점화 플러그(330)에 3초간 전원이 공급되어 스파크가 발생함과 동시에 파일럿 밸브(350)가 열리고, 세라믹히터(340)에는 지속적으로 전원이 공급되어 가열이 이루어지게 된다(S30).

다음으로, 화염 검출기(360)에서 화염을 감지하면(S40), 정상 착화로 간주하여 메인 버너(200)의 메인 밸브(210)가 열리게 되면서 메인 버너(200)에 불이 붙게 된다(S50).

한편, 화염 검출기(360)에서 화염이 감지되지 않으면, 위 단계(S30)를 3회 반복 실시(S42)하게 되며, 3회 초과시에는 경광등이 점등되고(S44), 운전이 정지된다(S46).

또, 상기 단계(S50) 후 온도센서(370)에서 연소로(100) 내부의 온도가 41℃ 이상으로 상승하는지를 판단하고(S60), 내부 온도가 41℃ 이상으로 상승한 상태에서 화염 검출기(370)에서 화염이 지속적으로 감지되는 경우(S70)에는 정상 운전(S80)이 이루어지게 되고, 화염이 감지되지 않을 경우에는 경광등이 점등된다(S72).

한편, 상기 단계(S60)에서 연소로 내부의 온도가 41℃ 이상 상승하지 않는 경우에는 착화가 이루어지지 않은 것으로 판단하여 상기 단계(S10)로 돌아간다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시 예에 의하면, 잉여가스를 착화시키기 위하여 사용되는 파일럿 버너에 점화 플러그와 세라믹 히터를 병용함과 동시에 외기가 자연적으로 유입되는 방식으로 개선함으로써 메인 버너 및 파일러 버너 주위의 저온상태로 인한 점화불량이 없고, 파일럿 버너에 공급되는 공기와 잉여가스의 압력세팅이 필요없이 용이하게 점화가 가능하며, 세라믹 히터에 의해 파일럿 버너가 고온상태를 유지하게 됨으로써 불이 꺼지지 않으므로 안정적으로 메인 버너를 착화시킬 수 있다는 이점이 있다.

100 : 연소로
110 : 파일럿 버너 삽입관
112 : 플랜지
200 : 메인 버너
210 : 메인 밸브
300 : 파일럿 버너
310 : 외부 튜브
311 : 플랜지
312 : 확장부
313 : 중공
314 : 외기 도입홀
315 : 히터 안착부
320 : 내부 튜브
321 : 스페이서
322 : 소켓(점화플러그 삽입용)
323 : 소켓(잉여가스 도입관 접속용)
324 : 플랜지
325 : 나비볼트
326 : 외기도입홀
330 : 점화플러그
332 : 전극
334 : 전극봉
336 : 세라믹 스페이서
340 : 세라믹 히터
342 : 애자
344 : 발열부
350 : 파일럿 밸브
360 : 화염검출기
370 : 온도센서(연소로 내부)
380 : 온도센서(연소로 표면)