KR100499235B1 - 순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄을 이용한 순환 유동층 보일러(Circulated Fluidized-Bed Boiler) 운전시 노내 층물질(모래) 및 연료(석탄)의 효율적인 유동화 및 연소를 위한 유동화 공기노즐 구조에 관한 것으로서,

순환 유동층 보일러용 유동화 공기노즐에 있어서,

일직선의 파이프 모양을 가지는 내통(4)과;

상기 내통(4)의 상부(上部)를 감싸는 외통(2)과;

상기 외통(2)과 내통(4)의 측부를 연결하면서, 상기 외통(2)의 바깥쪽을 향해 바람개비 형상으로 연장되어 있는 복수의 노즐 날개(5);로 구성되며,

상기 노즐 날개(5)는 상기 내통(4)과 외통(2) 사이와 서로 연통되어 있는 것을 특징으로 하므로,

층물질의 역류가 발생하지 않으며, 층물질이 일정 방향으로 선회하면서 균등한 유동화 및 체류시간의 증가가 이루어지기 때문에 정체 영역의 감소로 연소효율이 증대한다는 효과가 있다.

Description

순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐{Pinwheel-Shaped Fluidizing Air Nozzle in Circulating Fluidizing-Bed Boiler}

본 발명은 순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐에 관한 것으로서, 특히 석탄을 이용한 순환 유동층 보일러(Circulated Fluidized-Bed Boiler) 운전시 노내 층물질(모래) 및 연료(석탄)의 효율적인 유동화 및 연소를 위해 요구되는 유동화 공기노즐의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 순환 유동층 연소로는 다양한 연료(석탄, 슬러지, 고형화 연료등)에 대한 적용범위가 넓으며, 조업 온도(870℃)가 미분탄 석탄 화력연소나 일반 소각로 연소기술에 비해 상대적으로 낮아서 질소산화물의 발생이 적고, 연소과정 중에 석회석을 주입하여 노내 탈황이 가능하며, 노내의 온도제어가 용이하여 석탄뿐만 아니라 폐기물 소각 등에도 광범위하게 적용된다.

도 1에는 일반적인 순환 유동층 연소로의 주요 설비가 도시되어 있다. 상기 연소로는, 층물질(Bed Material)의 유동화 및 석탄 연소를 위한 유동화 공기노즐(1), 유동화 공기노즐을 통해 균등하게 공급된 공기와 연료가 혼합되어 연소현상이 일어나는 연소로(Combustor)(12), 연소로 출구로 배출된 유동화 매체 및 미연소 회분(Ash) 등의 고체 입자들을 회수하기 위한 사이클론(Cyclone)(18)과 상기 고체 입자들을 연소로로 재순환 시키는 입자 재순환장치(Seal Pot)(17), 입자 재순환장치의 과열 방지를 위하여 고온의 일부 입자들을 냉각시킨 후 연소로 하부로 재순환시켜 주는 유동층 열교환기(Fluidized Bed Heat Exchanger, F.B.H.E)(16), 연소 후 발생한 굵은 회재의 열 제거를 위한 유동층 회분 냉각설비(Fluidized Bed Ash Cooler, F.B.A.C)(15) 및 석탄을 공급하기 위한 사일로(Silo)(13)와 연료공급장치(Feeder)(14) 등으로 구성된다. 이상과 같은 순환 유동층 연소로를 안정적으로 운전하기 위해서는 시스템 내부에서 층물질의 순환에 필요한 압력균형이 유지되어야 하며, 상기 연소로는 연소로(12), 입자 재순환장치(17) 등에 설치된 유동화 노즐(1)의 구동력에 의해 구동된다.

종래 유동화 공기노즐에서는, 고부하에서 저부하 상태로 운전 변동시 또는 운전 정지시에 노즐 및 공기상자를 포함한 일련의 기계 장치부에서 발생하는 순간적인 차압(음압)으로 인해 연소로내 층물질이 역류되어 공기상자로 떨어지게 됨에 따라 압력손실 및 층물질의 냉각 및 응결로 인한 노즐의 막힘 현상이 발생되었다.

이에 따라, 노즐의 국부과열 및 열충격에 의한 노즐의 마모가 발생되고, 연소로내 유동화 공기의 균일한 공급이 이루어지지 않아 채널 현상이 발생하여 전반적인 연소성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 노즐 주위에 스케일을 발생시키거나 노즐 출구경을 변형시키기도 하였다.

이와 같은 종래예로서, 일본공개특허공보 평9-299784호에 버블 캡형 노즐이 개시되어 있다. 여기서의 노즐은 층물질 역류를 방지하기 위해 노즐 내통과 그 주위에 설치된 외통으로 구성되어 있어 노즐 내부에서의 유동의 흐름이 180˚로 전환되게 되어 있다. 또한, 외통 측면부 둘레에는 다수개의 구멍을 가지고 있는데 외통 측면부에 설치된 출구 홀의 총면적(A_{out, total})은 유동화 공기가 노즐로 인입되는 입구경 면적(A_in)보다 작게 되어 있다. 이러한 이유로 버블 캡형 노즐은, 압력손실이 높아져 압입 통풍팬(Forced Draft Fan) 과 유인 통풍팬(Induced Draft Fan)의 용량을 증대시키게 되며, 결국 연소용 공기 공급장치의 동력을 증가시키게 된다. 그리고, 출구 홀에서의 공기 분출속도가 높아서 제트효과에 의한 분산판의 마모와 고속 충돌로 인한 층물질 파쇄 현상이 일어난다.

또 다른 종래의 노즐 구조에 관한 예로서 미국 특허 제5,575,086호가 있다. 이러한 구조에서, 노즐은 분산판에 수직으로 배치된 중심선을 가진 실린더형 바디를 포함하며, 바디 각각은 분산판으로부터 이격된 축의 극단부로부터 방사방향으로 연관된 실린더형의 복수 헤드를 가진다. 각각의 헤드는 실린더형이며 헤드의 중심선은 수평 평면 혹은 수평한 평면에 대해 20~30°의 경사각을 가지고 하향으로 배치되어 있다.

상기 노즐의 실린더형 복수 헤드는, 그 길이가 매우 짧아 보일러 운전 조건 변동시 노즐 내부로 층물질이 역류하고, 노즐 중간부 및 그 이하 영역에서는 층물질의 국부적 과열로 인한 용융 고화 현상이 발생하여 심할 경우 연소로를 정지해야 하는 문제점을 지니고 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 층물질의 연소로내 체류시간의 증대, 정체영역의 감소 등을 통해 연소효율을 향상시키고 노즐의 압력손실을 감소시키며, 층물질의 역류를 방지할 수 있는 새로운 노즐의 구조를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 순환 유동층 보일러용 유동화 공기노즐은,

일직선의 파이프 모양을 가지는 내통과;

상기 내통의 상부(上部)를 감싸는 외통과;

상기 외통과 내통의 측부를 연결하면서, 상기 외통의 바깥쪽을 향해 바람개비 형상으로 연장되어 있는 복수의 노즐 날개로 구성되며,

상기 노즐 날개는 상기 내통과 외통 사이와 서로 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 노즐 날개는 수평면에 대한 수직편향각도가 30˚∼ 60˚, 노즐 날개 등과 내통이 만나는 점의 접선과 노즐 날개 등이 이루는 수평 편향각도는 20˚∼ 45˚로 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐 날개는 2∼6개로 되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 바람개비형 유동화 공기노즐(1)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 바람개비형 유동화 공기노즐(1)은 노즐 내통(3)와 외통(2)으로 구성되며, 노즐 외통(2)은 날개 형상의 노즐 날개(또는, 공기 유출부)(5)가 6개 부착된 구조로 되어 있다. 압입 통풍팬(Forced Draft Fan)에 의해 노즐입구(6)로 유입된 공기는 노즐 외통(2)과 노즐 환형부(4)가 형성하는 통로를 통하여 노즐 홀(7)에서 분출되어 연소로 내부 층물질을 유동화시키는 것을 특징으로 한다.

노즐 내통(3)은 일자형 파이프이며, 그 전체 길이는 노즐 외통(2) 하부 영역의 노즐 날개(5)와 접하는 부분(A)부터 밑부분(B)까지의 길이(L₁)와 점 A부터 상단부(C)까지의 길이(L₂)의 합으로 나타나며 L₁과 L₂는 각각 다음의 식으로부터 결정된다.

[식 1]

[식 2]

여기서, 30°< θ₁ < 60°

본 발명에 따른 노즐(1)은 노즐입구(6)에 대한 노즐 출구 홀(7)의 출구 면적비가 1:1.7 이상으로 정체 영역이 최소화되는 특징을 가지며, 노즐 출구 홀(7)은 노즐 상단보다는 분산판 가까이에 위치한다.

노즐 내통의 내경(d₁)과 노즐 내통(3)에서 노즐 외통(2)까지 거리인 d₂는 노즐 내부에서 압력손실을 최소화 하기 위하여 다음과 같은 관계를 가져야 한다.

[식 3]

노즐 환형부(4)를 통과한 유동화 공기는 노즐 날개(5)의 홀(7)을 통과해 노즐 외부인 연소로로 배출된다. 노즐 날개(5)는 수평 평면에 대해 하향으로 각 θ₁의 각을 이루며, θ₁은 30˚∼ 60˚범위에서 조절이 가능하다. 여기서, θ₁은 외통(2)과 노즐 날개(5)가 만나는 지점(E)을 중심으로 노즐 날개(5)의 꼭지점을 연결한 선을 수평면에 대하여 측정한 각이다.

도 3은 본 발명을 통해 제공되는 바람개비형 유동화 공기노즐의 평면도이다. 일자형 파이프인 노즐 외통(2) 하단에 2∼6개(본 실시예에서는 6개)의 노즐 날개(5)가 일체형으로 결합되어 있다. 상기 노즐 날개(5)는 노즐 내통(3)의 원통형 내부 중심점(D)을 기준으로 각각 날개사이의 각도 θ₂ 가 60˚를 이루며 구성된다. 그리고, 노즐 날개 하부 끝단(5-1)이 상부 끝단(5-2)보다 바깥 방향으로 길게 돌출되어 있으며, 노즐 날개 등(5-3)과 내통(3)이 만나는 점(A)의 접선과 노즐 날개 등(5-3)이 이루는 각도(θ₃)는 20∼45˚로써, 노즐 홀(7)에서 분출되는 유동화 공기를 노내에서 시계 방향으로 선회하도록 한다. 상황에 따라 노즐 홀 수평 방향 벤딩을 반대로 하여 반시계 방향으로 선회시킬 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 구성의 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

외통에 다수개의 분출구멍이 형성된 버블 캡형, 또는 노즐 내부 공간에 대해 원의 법선 방향으로 노즐 암과 헤드가 설치된 실린더형 노즐의 종래기술과는 달리, 본 발명은 내통(3)과 날개 형상의 공기 유출부(5)가 설치된 외통(2)으로 구성되며, 노즐 홀(7)을 통하여 유동화 공기가 분출된다. 도 2에서와 같이, 본 발명은 노즐 날개(5)의 수평 길이(W₁)와 수직 방향의 노즐 내부 환형부 길이(L₂)만큼의 공기 이동 경로를 제공하는 동시에, 수평 단면을 기준으로 θ₁만큼 기울어진 노즐 날개(5)가 유동 가이드 역할을 하여, 연소로 가동 중단 또는 부하 변동시에 층물질 및 연소재(Ash)가 노즐(1)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

종래 노즐은 노즐 입구 면적에 대한 노즐 출구 면적 비가 1:1 ∼1:1.7 정도가 되도록, 연소로 내에서 안정된 유동화 상태를 유지하기 위하여 노즐 출구 유속이 60m/s 내외가 되도록 설계하는 것이 일반적이다. 그리고, 분출 공기의 제트효과에 의한 층물질 파쇄 및 분산판의 마모를 방지하기 위하여 노즐의 전체 높이(L_t) 및 분산판에서 노즐 홀까지의 높이(L₁)를 일정하게 유지해야만 한다.

이에 비해, 본 발명은 노즐 입구 면적에 대한 노즐 출구 면적 비를 1:1.7이상까지 확장하였으며, 노즐 홀(7) 위치를 종래 노즐보다 낮은 위치에 설치함으로써 낮은 유속에서 층하부의 층물질까지도 균등하게 유동화시킬 수 있는 장점이 있으며, 이로 인하여 노즐에서의 전체 압력손실을 감소시킬 수 있다.

또한, 노즐 날개 등(5-3)과 내통이 만나는 점(A)의 접선과 노즐 날개 등(5-3)이 이루는 각도(θ₃)로 인하여 유동화 공기 및 층물질이 연소로내에서 선회하게 되므로 입자 체류시간의 증가, 혼합효과가 증진되어 보일러의 연소효율을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.

먼저, 노즐 출구부를 바람개비형 날개로 제작한 본 발명은 환형부 길이(L₂) 및 날개 길이(W₁)로 인한 충분한 공기 통로 길이와 날개 각도(θ₁)를 줌으로써 층물질의 역류를 방지할 수 있다.

그리고, 노즐 날개에 수직(θ₁) 및 수평(θ₃) 방향으로 일정한 각도를 줌으로써, 층물질이 일정 방향으로 선회하면서 균등한 유동화 및 체류시간의 증가가 이루어지며, 정체 영역의 감소로 연소효율이 증대하게 된다.

또한, 노즐홀의 위치가 분산판에 인접함에도 불구하고 분산판의 마모 및 국부과열 현상을 방지할 수 있고, 층물질이 노즐 출구경 혹은 주위에 부착되어 발생되는 클링커의 형성도 현저히 감소시킬 수 있으며, 낮은 분산판의 압력강하를 유도함으로써 소요 동력비를 절감시킬 수 있다.

도 1은, 순환 유동층 보일러의 주요 설비에 대한 구성도이다.

도 2는, 본 발명에 따른 바람개비형 공기노즐을 나타내는 정면도이다.

도 3은, 본 발명에 따른 바람개비형 공기노즐을 나타내는 평면도이다.

<주요 도면부호의 설명>

1 : 노즐 2 : 노즐 외통

3 : 노즐 내통 4 : 노즐 환형부

5 : 노즐 날개 5-1 : 노즐 날개 하부 끝단

5-2 : 노즐 날개 상부 끝단 5-3 : 노즐 날개 등

6 : 노즐 입구 7 : 노즐 홀

L₁ : 분산판에서 노즐 홀까지 거리 L₂ : 환형부 길이

L_t : 노즐 전체 높이 θ₁ : 노즐 날개 수직 각도

θ₂ : 노즐 날개간 각도

θ₃ : 노즐 날개 등과 내통이 만나는 점의 접선과 노즐 날개 등과의 각도

W₁ : 노즐 날개의 수평방향 길이

Claims (3)

1. 순환 유동층 보일러용 유동화 공기노즐에 있어서,

   일직선의 파이프 모양을 가지는 내통(4)과;

   상기 내통(4)의 상부(上部)를 감싸는 외통(2)과;

   상기 외통(2)과 내통(4)의 측부를 연결하면서, 상기 외통(2)의 바깥쪽을 향해 바람개비 형상으로 연장되어 있는 복수의 노즐 날개(5);를 포함하며,

   상기 노즐 날개(5)는 상기 내통(4)과 외통(2) 사이와 서로 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐 날개(5)는, 수평면에 대한 수직편향각도가 30˚∼ 60˚, 노즐 날개 등(5-3)과 내통이 만나는 점의 접선과 노즐 날개 등(5-3)이 이루는 수평 편향각도는 20˚∼ 45˚로 되어 있는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 노즐 날개(5)는 2∼6개로 되어 있는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러의 바람개비형 유동화 공기노즐.