폐기물 고형연료를 이용한 보일러의 연소장치{Combustion apparatus of boiler using refuse derived fuel or Refused Plastic Fuel}

본 발명은 보일러의 연소장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐기물 고형연료를 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되도록 채택함에 따라, 친환경적인 대체에너지로 활용하여 자원의 재활용과 환경오염을 예방하고, 완전 연소로 인해 연소의 안정성을 높일 수 있어 오염물질을 현저히 줄일 수 있고, 연소열을 이용하여 온수공급 및 난방용 등으로 사용 가능하여 저비용 고효율에너지를 공급할 수 있는 폐기물 고형연료를 이용한 보일러의 연소장치에 관한 것이다.

현대사회가 산업화와 근대화되는 과정에서 다양한 생활 쓰레기 및 각종 산업 폐기물의 급증으로 심각한 환경오염 문제에 봉착하여 사회문제로 대두되고 있고, 이러한 환경오염문제를 해결하기 위한 방법이 다방면으로 연구되고 있는 실정이다. 따라서 이러한 환경오염 문제를 해결하기 위한 방법으로는, 각종 폐기물 중 재활용이 가능한 것을 분리하여 다시 사용 가능하도록 변형시키는 방법과, 재활용이 불가능한 폐기물을 연소시켜 그 부피를 감소시킴과 동시에 오염원으로서의 오염도를 감소시키기 위한 소각 처리방법 등이 대표적이다.

이에 따라 근자에 들어서는 에너지효율과 환경오염의 감소를 위하여 폐기물을 고형화시킨 다양한 종류의 고형연료(RDF: Refuse Derived Fuel, RPF: Refused Plastic Fuel)를 제조하여 연료화하여 활용하고 있다. 고형연료는 대부분 석유화학제품으로 만들어져 있으므로 고효율의 열에너지를 생산할 수 있는 것으로 알려져 있어 보일러의 대체연료로 재활용하는 방법이 대두되고 있다. 이러한 고형연료는 현재 대체에너지 개발의 부문에서 꾸준히 연구되고 있는 추세이다.

이러한 고형연료의 활용방법으로, 소각(연소)용 보일러를 제작하여 사용하고 있으며 대부분의 소각(연소)로는 연소과정에서 발생되는 폐열을 이용하여 난방용이나 산업용 온수로 재활용하는 구조를 이루고 있다. 이와 관련되는 선행특허로는 한국공개특허공보 제2004-0107168호의 "RDF(고형연료)를 활용한 연속식 소각보일러", 한국 등록실용신안공보 제20-0390958호의 "고형연료를 이용한 보일러" 등이 알려져 있다.

이와 같은 선행특허는 단순하게 고형연료를 연소실로 투입하여 연소시킴에 따라, 연소공기가 연소로 내에서 폭넓게 확산 공급되지 못하여 연소공기가 고형연료와 충분히 혼합되지 않아 연소효율이 낮을 뿐만 아니라, 완전연소가 어려워 특히 장시간의 연소로 작업능률이 저하되며, 운전과 유지관리에 많은 비용이 소요되는 등의 여러 문제를 야기하고 있다.

더구나, 상기의 고형연료는 대부분 석유화학제품으로 이루어져 있으므로 연소과정에서 연소효율이 현저히 떨어져서 불완전연소가 이루어짐으로 인해 많은 량의 유해가스, 특히 다이옥신(Dioxin) 발생량이 현저히 증가하고, 이와 같은 유해가스는 열에너지의 확보에 따른 경제적 이득보다는 대기환경오염을 더욱 더 가중시키는 단점이 있었다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 근본적으로 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 폐기물 고형연료를 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되도록 채택함에 따라, 친환경적인 대체에너지로 활용하여 자원의 재활용과 환경오염을 예방하고, 완전 연소로 인해 연소의 안정성을 높일 수 있어 오염물질을 현저히 줄일 수 있고, 연소열을 이용하여 온수공급 및 난방용 등으로 사용 가능하여 저비용 고효율에너지를 공급할 수 있는 폐기물 고형연료를 이용한 보일러의 연소장치를 제공하려는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폐기물 고형연료를 연소하여 폐열을 이용하여 난방용이나 산업용 온수로 재활용하는 보일러의 연소장치에 있어서: 상기 고형연료를 저장하는 호퍼를 구비하고, 상기 고형연료를 스크류에 의해 일정량을 이송하여 공급하는 공급부; 상기 공급부에 의해 공급된 고형연료를 점화시켜 연소시키도록 버너를 구비하고, 직하방에 연소된 재를 수납하여 배출하는 배출구를 구비하는 1차 연소실; 상기 1차 연소실의 상부에 연통되게 설치되고, 상기 1차 연소실내의 연소가스를 완전 연소시키도록 버너를 구비하는 2차 연소실; 및 상기 1차 연소실의 일측에 송풍기를 개재하여 설치하고, 상기 공급부와 1차 연소실에 에어를 공급하는 공급관을 구비하는 에어공급부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 상기 공급부는 고형연료를 저장하는 호퍼와, 상기 호퍼의 하부에 모터에 연결된 스크류에 의해 고형연료를 이송하는 케이싱과, 상기 케이싱의 상부에 고형연료를 1차 연소실로 공급하면서 냉각수 순환로를 개재하는 슈터와, 상기 슈터에 의해 공급되는 고형연료가 녹아 눌러 붙는 것을 방지하기 위해 냉각수 순환로 상으로 냉각수를 공급시키는 노즐을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 1차 연소실은 공급부에 의해 공급된 고형연료를 분산시키는 분산판과 함께 상기 1차 연소실의 열원을 체류시켜 연장하는 이중의 망체로 이루어진 연소판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 2차 연소실은 연소가스를 다수의 통기공으로 유입되도록 유도하여 완전 연소시켜 연소효율을 극대화하는 화격판을 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 폐기물 고형연료를 이용한 보일러의 연소장치는 폐기물 고형연료를 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되도록 채택함에 따라, 친환경적인 대체에너지로 활용하여 자원의 재활용과 환경오염을 예방하고, 완전 연소로 인해 연소의 안정성을 높일 수 있어 오염물질을 현저히 줄일 수 있고, 연소열을 이용하여 온수공급 및 난방용 등으로 사용 가능하여 저비용 고효율에너지를 공급할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 보일러의 연소장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 공급부를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 1차 연소실을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 2차 연소실을 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 연소장치의 작동 상태를 나타내는 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 보일러의 연소장치를 나타내는 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 공급부를 나타내는 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 1차 연소실을 나타내는 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 연소장치의 요부 중 2차 연소실을 나타내는 구성도, 도 5는 본 발명에 따른 연소장치의 작동 상태를 나타내는 예시도이다.

본 발명은 폐기물 고형연료(RDF, RPF)를 연소하여 폐열을 이용하여 난방용이나 산업용 온수로 재활용하는 보일러(B)의 연소장치에 관련되며, 공급부(10), 1차 연소실(20), 2차 연소실(30), 에어공급부를 주요 구성으로 한다. 이때, 1차 연소실(20), 2차 연소실(30)은 도면을 통하여 도시하지 않았지만 내부에 열과 온기의 체류시간을 연장할 수 있도록 내화벽돌로 이루어진다. 연소장치(1)는 보일러(B), 즉 2차 연소실(30)과 서로 연통되어 폐기물 고형연료(RDF, RPF)를 연소하여 발생된 폐열을 통하여 난방용이나 산업용 온수로 재활용할 수 있게 된다. 이러한 연소장치(1)는 컨트롤박스(C)에 의해 주요 구성품, 즉 공급부(10), 1ㆍ2차 연소실의 버너(21)(31), 송풍기(40) 등을 자동적으로 제어된다.

본 발명에 따른 공급부(10)는 상기 고형연료(RDF, RPF)를 저장하는 호퍼(11)를 구비하고, 상기 고형연료(RDF, RPF)를 스크류(13)에 의해 일정량을 이송하여 공급한다. 공급부(10)는 고형연료(RDF, RPF)를 저장함과 함께 1차 연소실(20)로 연료를 공급하는 역할을 수행한다. 이는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 고형연료(RDF, RPF)를 저장하는 호퍼(11)와 이를 후술하는 1차 연소실(20)로 일정량씩 이송하여 공급하는 스크류(13)로 이루어진다.

이때, 본 발명의 상기 공급부(10)는 고형연료(RDF, RPF)를 저장하는 호퍼(11)와, 상기 호퍼(11)의 하부에 모터(12)에 연결된 스크류(13)에 의해 고형연료(RDF, RPF)를 이송하는 케이싱(14)과, 상기 케이싱(14)의 상부에 고형연료(RDF, RPF)를 1차 연소실(20)로 공급하면서 냉각수 순환로를 개재하는 슈터(15)를 구비한다. 공급부(10)는 호퍼(11), 케이싱(14) 및 슈터(15)로 이루어지는 바, 호퍼(11)는 고형연료(RDF, RPF)를 일정량을 저장하고, 도면을 통하여 도시하지 않았지만 내부에 임펠러(Impeller)를 부착하여 고형연료의 원활한 공급을 돕는다. 그리고 케이싱(14)은 호퍼(11)의 하부와 서로 연통되게 설치되고, 모터(12)의 구동력을 전달받은 스크류(13)에 의해 고형연료(RDF, RPF)를 상부로 이송시킨다. 슈터(15)는 내부가 빈 중공으로 이루어지면서 냉각수를 순환시키는 순환로(도면번호 미부여)를 구비하고, 케이싱(14)의 상부와 1차 연소실(20)이 서로 연통되게 설치되며, 스크류(13)에 의해 이송된 고형연료(RDF, RPF)를 1차 연소실(20)로 일정량씩 공급한다.

이때, 본 발명의 상기 공급부(10)는 1차 연소실(20)내에 설치된 슈터(15)에 의해 공급되는 고형연료(RDF, RPF)가 녹아 눌러 붙는 것을 방지하기 위해 냉각수 순환로 상으로 냉각수를 공급시키는 노즐(16)을 구비한다. 노즐(16)은 도 1처럼 보일러(B)로부터 냉각수를 공급받는 데, 이러한 노즐(16)은 도 2 및 도 5처럼 1차 연소실(20)내 슈터(15) 상의 냉각수 순환로에 연결된다. 따라서 노즐(16)은 슈터(15)로부터 고형연료(RDF, RPF)가 점화된 1차 연소실(20) 상에 공급되면 열에 의해 고형연료가 녹아 눌러 붙게 되고 이에 따라 연료의 공급을 막게 됨에 따라, 노즐(16)에서 냉각수를 공급하여 슈터(15)의 냉각수 순환로를 따라 순환하여 고형연료(RDF, RPF)가 녹아 눌러 붙는 것을 미연에 방지하여 연료의 공급을 원활하도록 한다.

또, 본 발명에 따른 1차 연소실(20)은 상기 공급부(10)에 의해 공급된 고형연료(RDF, RPF)를 점화시켜 연소시키도록 버너(21)를 구비하고, 직하방에 연소된 재를 수납하여 배출하는 배출구(25)를 구비한다. 1차 연소실(20)은 공급부(10)로부터 공급된 고형연료(RDF, RPF)를 연소시키는 역할을 수행한다. 이는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 고형연료(RDF, RPF)를 점화하여 연소시키는 버너(21)와 연소된 재를 수납하는 배출구(25)로 이루어진다. 그리고 1차 연소실(20)은 도 1에 도시된 것처럼 일면에 연소 상태를 확인할 수 있는 도어(도면번호 미부여)와 함께 하부의 배출구(25)도 마찬가지로 연소된 재를 모아 외부로 배출할 수 있도록 도어(도면번호 미부여)가 설치된다.

이때, 본 발명의 상기 1차 연소실(20)은 공급부(10)에 의해 공급된 고형연료(RDF, RPF)를 분산시키는 분산판(22)과 함께 상기 1차 연소실(20)의 열원을 체류시켜 연장하는 이중의 망체로 이루어진 연소판(23)을 구비한다. 1차 연소실(20)은 내부에 분산판(22)과 연소판(23)을 구비하는데, 분산판(22)은 도 3 및 도 5처럼 공급부(10)에서 공급된 고형연료(RDF, RPF)를 골고루 분산시켜 연소가 원활하도록 하고, 연소되고 남은 재는 직하방으로 떨어진다. 연소판(23)은 도 3처럼 1차 연소실(20)내의 상부에 위치하면서 이중의 망체로 이루어지는데, 이는 버너(21)에 의해 점화된 고형연료(RDF, RPF)의 열원이 연소판(23)에 닿아 열원을 장기간 체류시켜 서서히 식도록 연장시킨다.

또한, 본 발명에 따른 2차 연소실(30)은 상기 1차 연소실(20)의 상부에 연통되게 설치되고, 상기 1차 연소실(20)내의 연소가스를 완전 연소시키도록 버너(31)를 구비한다. 2차 연소실(30)은 1차 연소실(20)내의 연소가스를 완전 연소시키는 역할을 수행한다. 이는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 연소가스를 재점화하여 연소시키는 버너(31)와 연소효율을 극대화하는 화격판(35)으로 이루어진다. 그리고 2차 연소실(30)은 1차 연소실(20)의 상부에 연통되게 설치된다.

이때, 본 발명의 상기 2차 연소실(30)은 연소가스를 다수의 통기공(35a)으로 유입되도록 유도하여 완전 연소시켜 연소효율을 극대화하는 화격판(35)을 구비한다. 화격판(35)은 2차 연소실(30)의 내부에 이중으로 설치되고, 외주면에 다수의 통기공(35a)이 형성된다. 이러한 통기공(35a)은 연소가스의 흐름을 유도하여 완전 연소를 진행되도록 하는 역할을 수행한다. 즉, 버너(31)의 열원이 화격판(35)에 닿아 열원이 체류되면 1차 연소실(20)로부터 발생된 연소가스가 다수의 통기공(35a)으로 유입되면서 통과하고, 이때 화격판(35)에 잔여한 열원에 의해 연소가스를 재차 태워 완전 연소가 이루어지게 한다. 따라서 고형연료(RDF, RPF)의 연소가스는 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되어 연소의 안정성과 함께 오염물질, 특히 다이옥신(Dioxin)을 현저히 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 에어공급부는 상기 1차 연소실(20)의 일측에 송풍기(40)를 개재하여 설치하고, 상기 공급부(10)와 1차 연소실(20)에 에어를 공급하는 공급관(41)(45)을 구비한다. 에어공급부는 1차 연소실(20)내의 점화 및 연소는 물론 고형연료(RDF, RPF)의 공급흐름을 유도에 필요한 에어를 공급하는 역할을 수행한다. 이는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 에어를 발생시키는 송풍기(40)와 에어를 공급하는 공급관(41)(45)으로 이루어진다. 송풍기(40)는 도 1처럼 1차 연소실(20)의 일측에 개재하여 설치되고, 이러한 송풍기(40)에 공급관(41)(45)이 각각 연통된다.

이때, 공급관(41)은 도 3처럼 1차 연소실(20)의 내부에 설치되어 고형연료(RDF, RPF)의 점화 및 연소에 필요한 에어를 공급하고, 공급관(45)은 도 2 및 도 3처럼 공급부(10)의 슈터(15)의 하부에 위치하여 고형연료(RDF, RPF)가 막힘없이 공급이 원활하도록 에어를 공급한다.

도 5를 통하여 작동에 있어서, 먼저 2차 연소실(30)의 버너(31)를 점화하여 1차적으로 화격판(35)을 일정 시간동안 예열하여 적정 온도를 유지시킨 다음, 공급부(10)의 모터(12)를 작동시켜 고형연료(RDF, RPF)를 1차 연소실(20)로 공급한다. 물론 호퍼(11) 상에는 고형연료(RDF, RPF)가 일정량 저장되고, 스크류(13)에 의해 슈터(15)를 타고 일정량씩 1차 연소실(20)로 공급된다. 이때, 1차 연소실(20)의 내부 분산판(22)에 의해 고형연료(RDF, RPF)가 골고루 분산되어 연소가 원활히 이루어지고, 연소되고 남은 재는 직하방으로 떨어진다.

이어서, 1차 연소실(20)의 버너(21)를 점화시켜 고형연료(RDF, RPF)를 연소시킨 뒤, 어느 정도 시간이 지나면 버너(21)의 가동을 중지시킨다. 그리고 송풍기(40)를 가동시켜 공급관(41)(45)으로 에어를 공급, 즉 1차 연소실(20)에 고형연료(RDF, RPF)의 점화 및 연소에 필요한 에어, 호퍼(11)에 고형연료(RDF, RPF)가 막힘없이 공급이 원활하도록 에어를 공급한다.

이어서, 1차 연소실(20)내의 상부에 위치한 연소판(23)이 버너(21)에 의해 점화된 고형연료(RDF, RPF)의 열원이 닿아 열원을 장기간 체류시켜 서서히 식도록 연장된다. 그리고 1차 연소실(20)로부터 발생된 연소가스가 2차 연소실(30)로 진입하는데, 이는 화격판(35)의 다수의 통기공(35a)으로 유입되면서 통과하고, 이때 화격판(35)에 잔여한 열원에 의해 연소가스를 재차 태워 완전 연소가 이루어지게 한다. 따라서 고형연료(RDF, RPF)의 연소가스를 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되어 연소의 안정성과 함께 오염물질, 특히 다이옥신(Dioxin)을 현저히 줄일 수 있다.

그리고 폐기물 고형연료(RDF, RPF)를 연소하여 발생된 폐열은 2차 연소실(30)과 서로 연통된 보일러(B)로 공급되어 난방용이나 산업용 온수로 재활용할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 연소장치는 폐기물 고형연료(RDF, RPF)를 다단계에 걸쳐 완전 연소가 진행되어 친환경적인 대체에너지로 활용하여 자원의 재활용과 환경오염을 예방하고, 완전 연소로 인해 연소의 안정성을 높일 수 있어 오염물질을 현저히 줄일 수 있고, 연소열을 이용하여 온수공급 및 난방용 등으로 사용 가능하여 저비용 고효율에너지를 공급할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1: 연소장치 10: 공급부
11: 호퍼 12: 모터
13: 스크류 14: 케이싱
15: 슈터 16: 노즐
20: 1차 연소실 21: 버너
22: 분산판 23: 연소판
25: 배출구 30: 2차 연소실
31: 버너 35: 화격판
35a: 통기공 40: 송풍기
41,45: 공급관 B: 보일러
C: 콘트롤박스 RDF,RPF: 폐기물 고형연료