KR100764903B1

KR100764903B1 - 발전소용 미분탄 보일러 노 구조

Info

Publication number: KR100764903B1
Application number: KR1020040071483A
Authority: KR
Inventors: 김병두
Original assignee: 김병두
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2007-10-09
Also published as: CN101091088B; KR20060022611A; RU2007104686A; US8281750B2; WO2006028349A1; US20070186828A1; AU2005280855B2; CN101091088A; AU2005280855A1; US8322314B2; US20090260582A1; RU2355946C2

Abstract

본 발명을 발전소용 미분탄 보일러의 노 구조에 관한 것으로, 보일러 노의 내부 가장자리에 다수개의 수관이 연결되어 이루어진 외부 수관벽이 설치되고, 상기 외부 수관벽과 소정의 간격을 두고 다수개의 수관벽이 연결되어 이루어진 내부 수관벽이 설치되어 있으며, 상기 외부 수관벽에 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 미분탄 분사 노즐이 내부 수관벽의 외접선 방향을 향하여 설치되어 있는 한편, 상기 내부 수관벽에 다수개의 공기분사구멍이 형성된 구조로 되어 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 보일러는 외부 수관벽에 설치된 다수개의 미분탄 분사노즐에서 분사되는 미분탄이 내부 수관벽과 외부 수관벽사이의 연소공간에서 연소되게 함과 더불어, 내부 수관벽에서 외부 수관벽쪽으로 분사되는 공기에 의해 화염이 냉각되어져 화염 중심부에 온도가 높은 화이어 볼(fire ball)이 생성되지 않게 함으로써, 환경유해 물질인 질소산화물(NOx)의 발생을 억제하고, 화염이 내외부 수관벽에서 열을 전달하게 함으로써 열전달 효율을 증가시켜 수관의 증발효과를 높일 수 있게 한다.

발전소용 미분탄 보일러, 수관벽, 미분탄 보일러, 질소산화물 억제형 보일러

Description

발전소용 미분탄 보일러 노 구조{Construction of a furnace of a pulverized coal boiler for power station}

도 1은 종래의 기술을 설명하기 위한 발전소용 미분탄 보일러의 노에 대한 평단면도,
도 2는 본 발명에 따른 발전소용 미분탄 보일러의 노에 대한 부분 절개 사시도,
도 3은 본 발명에 따라 발전소용 미분탄 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태에 대한 제1실시예를 나타낸 평단면도,
도 4는 본 발명에 따라 발전소용 미분탄 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태에 대한 제2실시예를 나타낸 평단면도,
도 5는 본 발명에 따라 발전소용 미분탄 보일러의 연소실에 설치되는 내부 수관벽에 대한 일실시예를 나타낸 사시도,
도 6은 본발명에 따라 발전소용 미분탄 보일러의 연소실에 설치되는 내부 수관벽에 형성되는 공기분사구멍의 수직 단면도
도 7은 본 발명에 따라 발전소용 미분탄 보일러의 연소실에 설치되는 내부 수관벽에 대한 다른 실시예를 나타낸 평단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명
2 - 노 4 - 노벽
6 - 외부 수관벽 8 - 단열재
10 - 내부 수관벽 12 - 연료분사노즐
14 - 공기분사구멍

본 발명은 발전소용 미분탄 보일러에 관한 것으로, 특히 미분탄을 연소시키면서 공해물질인 질소산화물의 생성을 억제함과 더불어 열효율을 향상시킬 수 있게 한 보일러의 노 구조에 관한 것이다.
일반적으로 화력발전소에서 많이 사용하는 보일러는 미분탄보일러와 유동층 보일러로 대별된다.
상기 미분탄 보일러는 미분탄을 연소시키므로 연소효율이 높은 대신 고온연소로 인해 대기환경에 유해한 질소산화물이 생성되어 질소산화물을 처리할 수 있는 대형집진설비를 갖출 수 있는 대형발전소에서 채택하고 있다.
상기 유동층 보일러는 굵은 알맹이 석탄을 연소시키므로 연소온도가 낮아 질소산화물 생성이 억제되는 대신에, 연소온도가 낮기 때문에 화염에서 수관으로 전달되는 전열효과를 높이기 위해 모래를 노의 아래쪽에서부터 위쪽으로 불어 올려 모래를 가열시키고, 이렇게 가열된 모래가 노의 외곽에 배치된 수관벽을 타고 아래로 내려오게 함으로써 열효율을 상승시키도록 하고 있다.
이러한 이유 때문에 연소효율이 높은 미분탄 보일러에서는 질소산화물의 생성을 억제하는 연구가 진행되고 있는 한편, 유동층 보일러에서는 규모를 확대시켜 열효율을 높이게 한 시도가 진행되고 있다.
그런데, 종래의 일반적인 발전용 대형 미분탄 보일러는 도면 1에 도시하여 나타낸 바와 같이, 노(102)의 내부에 다수개의 수관이 연결되어 이루어지는 수관벽(104)이 사각형의 구조로 설치되어 있고, 상기 수관벽(104)의 4모서리에 공기와 혼합된 미분탄을 노(102)의 중심을 향하여 분사시키는 분사노즐(106)이 설치되어 있으며, 상기 4각 수관벽(104)으로 둘러싸인 가운데의 넓은 공간(108)이 형성된 구조로 되어 있다.
이러한 종래의 미분탄 보일러는 상기 분사노즐(106)에서 분사되는 미분탄이 상기 수관벽(104)으로 둘러싸인 공간(108) 속에서 연소하게 되므로, 상기 공간(108)이 미분탄의 연소공간을 이루게 되는데, 각각의 분사노즐(106)에서 분사되는 연료가 연소하면서 만드는 화염이 빈 공간(108) 속에서 합체되면서 하나의 거대한 원기둥형 화염(110)을 이루게 되고, 이 화염(110)의 중심부는 고온으로 올라가 화이어 볼(fire ball, 112)을 만들게 된다.
이때 화이어 볼(112)의 온도는 최고 1300℃ 이상까지 이르게 되는데, 이 온도에서 공기 중의 질소가 연소되어 대기환경 유해물질인 대량의 질소산화물(NOx)을 생성하게 되는 것이다.
그리고, 상기 화이어 볼(112)은 노(102)의 가장자리에 배치된 수관벽(104)에서 가장 먼곳인 노(102)의 중심에서 형성되어지기 때문에, 그 온도가 높지만 수관벽(104)의 내부를 따라 흐르는 물을 가열시켜 주는 데는 복사열에 의한 열전달 이외에는 직접 적인 영향을 주지 못하고, 발전소의 보일러에서 노의 상단에 배치되어 물을 증기로 만드는 수퍼히터 수관부와 절탄기 수관부를 거쳐 연도를 통해 빠져나가게 되므로 열효율이 90％를 넘지 못하고 있다.
또한, 화이어 볼(112)의 온도가 고온으로 높기 때문에 미분탄이 연소될 때 발생한 석탄재가 다시 고온의 화이어 볼에 의해 녹아서 클링커(clinker)를 생성하게 되고, 이 클링커가 수관벽(104)에 달라붙어 열전도 효율을 떨어트리는 문제가 있었다.
이렇게 종래의 미분탄 보일러는 노(102)의 내부에서 미분탄 연료가 지나치게 고온으로 연소되기 때문에 공기중의 질소가 연소되어 질소산화물을 생성하게 될 뿐만 아니라, 클링커를 생성하여 수관에 부착하여 열전달 효율을 떨어뜨리는 한편, 고온의 화염이 노(102)의 중심부에서 형성되므로 연소의 가장자리에 배치되어 있는 수관벽(104)에서 가장 먼 쪽에 위치하게 되어 열효율이 낮게 되는 등의 문제점이 있다.
그리고, 발전소에서 사용하는 대형 보일러의 효율을 1％∼2％ 높이는 것은 아주 어려운 문제일 뿐만 아니라, 그 연구에 오랜 기간이 걸리며, 열효율을 1％만 높여도 대량의 석탄이 소모되는 발전소용 보일러에서는 경비 절감 등의 효과가 기대 이상으로 크다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 발전소용 미분탄 보일러 노에서 발생하는 문제점을 해소하여, 미분탄이 연소되면서 질소산화물과 클링커가 생성되지 않게 함과 더불어 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시킬 수 있게 하여 열효율을 증대시킬 수 있게 한 발전소용 미분탄 보일러 노 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전소용 미분탄 보일러는 보일러 노의 내부 가장자리에 다수개의 수관이 연결되어 이루어진 외부 수관벽이 설치되고, 상기 외부 수관벽과 소정의 간격을 두고 다수개의 수관벽이 연결되어 이루어진 내부 수관벽이 설치되어 있으며, 상기 외부 수관벽에 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 미분탄 분사 노즐이 내부 수관벽의 접선 방향을 향하여 설치되어 있는 한편, 상기 내부 수관벽에 다수개의 공기분사구멍이 형성된 구조로 되어 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 보일러는 외부 수관벽에 설치된 다수개의 미분탄 분사노즐에서 분사되는 미분탄이 내부 수관벽과 외부 수관벽사이의 연소공간에서 연소되게 함으로써 각각의 미분탄 분사노즐에서 분사되는 연료에 의해 화염이 한 곳으로 집중되어 고온의 화염을 만들어지지 않게 함과 더불어, 내부 수관벽에서 외부 수관벽쪽으로 분사되는 공기에 의해 화염이 냉각되어져 화염 중심부에 온도가 높은 화이퍼 볼(fire ball)이 생성되지 않게 함으로써, 환경유해 물질인 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고, 화염이 내외부 수관벽에도 열을 전달하게 함으로써 열전달 효율을 증가시켜 수관의 증발효과를 높일 수 있게 한다.
또한, 노속의 화염이 지나치게 고온으로 가열되지 않게 함으로써 내외부 수관벽이 쉽게 산화되어 수명이 짧아지는 문제를 해결할 수가 있을 뿐만 아니라, 클링커의 생성으로 인한 열전달 효율의 손실로 인한 문제도 해결할 수가 있는 것이다.

삭제

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도면 2는 본 발명에 따른 미분탄 보일러의 노를 일부 절결하여 나타낸 사시도로서, 상기 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 미분탄 보일러 노(2)의 내부 가장자리에 노벽(4)을 따라 다수개의 수관이 연결되어 이루는 외부 수관벽(6)이 단열재(8)를 사이에 두고 설치되고, 상기 외부 수관벽(6) 속에 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부 수관벽(10)이 배치되어 있으며, 상기 외부 수관벽(6)과 내부 수관벽(10)사이에 소정의 간격이 유지되어 연료가 연소되는 연소공간(S)을 이루도록 구성되어 있다.

삭제

상기 외부 수관벽(6)과 내부 수관벽(10)은 이를 구성하는 수관의 내부에 물이 각각 통과하도록 되어 있고, 상기 외부 수관벽(6)과 내부 수관벽(10)의 하단에는 물공급헤더(6a,6b header : 집합 분배주관)가 설치되고 상단에는 가열된 물과 증기를 모으는 증기 집합헤더(10a,10b)가 각각 설치되어 있다.
그리고, 상기 증기 집합헤더(10a,10b)는 노(2)의 상부에 설치된 과열기(도시안됨)와 연결되어 있다.

한편, 상기 외부 수관벽(6)은 도면 2에 나타낸 바와 같이 아래쪽이 넓고 위쪽이 좁은 형상으로 이루어져 있는 반면, 내부 수관벽(10)은 아래쪽이 좁고 위쪽이 넓은 형상으로 이루어진 구조로 하는 것이 바람직한데, 상기 내외부 수관벽 (10,6)을 이러한 형상으로 만듦으로써 내외부 수관벽(10,6) 사이에 형성되는 연소공간(S)이 아래쪽은 넓고 위쪽을 좁은 형상으로 이루어져, 연료가 노 내부의 아래쪽에서 충분히 연소되고. 이때 발생된 복사열이 내외 수관벽 뿐만 아니라 노 직상부의 수관에도 전달될 수 있게 함으로써 과열기 하부에 위치한 연소공간의 복사열의 흡수면적을 넓히면서, 또한 동시에 발생된 대류열을 지닌 대류가스가 위로 통과하면서 수관과 더 많이 접촉하게 하여 열효율을 높일 수 있게 하기 위한 것이다.
상기 외부 수관벽(6)은 노(2)의 형태에 따라 여러 가지 단면형상으로 만들 수가 있는바, 종래의 일반적인 구조와 같이 4각형으로 만들 수도 있고, 도면 3에 도시한 바와 같이 5각형 또는 도면 4에서 도시한 바와 같이 원형 등 기타 여러 가지 다각형으로 형성시킬 수가 있다.
그리고, 상기 외부 수관벽(6)에는 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 연료 분사노즐(12)이 배치되어 있는데, 이 연료 분사노즐(12)은 외부 수관벽(6)의 상하 길이 방향을 따라서도 역시 소정의 간격을 두고 다수 개 배치되어 상기 외부 수관벽(6)과 내부 수관벽(10)사이에 형성되는 연소공간(S) 속에 거대한 하나의 화염(F)이 형성되어져 내외부 수관벽(10, 6)의 내부에 흐르는 물을 가열시켜 주게 되어 있다.
이에 반하여, 상기 내부 수관벽(10)은 도면 3과 도면 4에 도시한 바와 같이 가능한 원형 단면을 이루도록 형성시키는 것이 바람직한데, 이는 나중에 자세히 설명하는 바와 같이, 연소공간(S) 속에서 각각의 연료분사노즐(12)에서 분사되는 연료가 원통형의 화염(F)을 이루면서 연소되게 하여 열회수 효율을 증대시키기 위한 것이다.

또한, 상기 내부 수관벽(10)에는 도면 5와 도면 6에 도시한 바와 같이 다수개의 공기분사구멍(14)이 형성되어 있는데, 상기 공기분사구멍(14)은 내부 수관벽(10)에서 개개의 수관(10c)을 횡으로 연결하여 원형벽으로 만들어 주는 연결판(10d)에 상하 방향으로 소정의 간격을 두고 다수 개 형성되어 있으면서, 도면 6에 도시한 바와 같이 위쪽 방향을 향하여 편향되게 배치되도록 형성되어 있다.
상기 공기분사구멍(14)은 내부 수관벽(10)의 내부 공간과 연결된 공기 펌프에서부터 공급되어 오는 냉각 공기를 내부 수관벽(10)과 외부 수관벽(6)사이로 분사 주입하여 연료가 연소하면서 생성되는 화염(F)의 온도를 낮추어 초고온으로 가열되는 것을 방지해 주는 기능을 담당한다.
도면 7은 내부 수관벽(10)의 다른 변형 실시예를 도시한 단면도로서, 수관벽(10)이 하나의 원형 단면을 이루도록 연결되지 않고, 곡선형으로 분할형성되어 소정의 간격을 두고 방사형으로 배치되어 이루어진 구조를 나타낸 것이다.
도면 7에 나타낸 바와 같은 구조로 이루어진 내부 수관벽(10)은 도면 6에서 설명한 바와 같이 연결판(10d)에 공기분사구멍(14)을 형성시킬 필요가 없이 각각의 분할 수관벽(10e) 사이에 형성되는 틈새(10f)가 공기분사구멍(14)의 역할을 하게 된다.
한편, 상기 외부 수관벽(6)에 설치되는 연료분사노즐(12)은 본 발명의 출원인이 대한민국 실용신안등록 제 0325948 호로 등록받은 것을 그대로 사용하면 되는데, 상기 연료 분사노즐(12)은 미분탄 연료를 내부 수관벽(10)의 접선 방향을 따라 와류형상으로 분사시키면서 미분탄 연료가 효율적으로 연소되어지게 한다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 발전소용 미분탄 보일러 노의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모든 수관에 물을 채우고, 오일버너 등으로 화염을 분사하여 노(2) 내부를 가열한 후, 오일 버너의 화염 속에 외부 수관벽(6)에 설치된 다수개의 연료분사노즐(12)을 통하여 공기와 함께 미분탄을 분사하면 상기 노(2)가 오일 버너의 화염에 의해 더워진 상태이기 때문에 오일 버너의 화염에 의해 미분탄이 착화되어지게 되는데, 이렇게 미분탄이 연소되기 시작하면 오일버너를 끈다.

미분탄 화염(F)이 성장하여 격렬하게 요동하면, 중앙의 내부 수관벽(10)의 연결판(10d)에 형성되어 있는 공기분사구멍(14)에서 보조 공기가 분사되어 내부 수관벽(10)과 외부 수관벽(6)사이에 형성되는 연소공간(S)속으로 주입된다.

삭제

한편, 상기 외부 수관벽(6)에 설치되어 있는 연료분사노즐(12)은 내부 수관벽(10)의 외접선 방향으로 배치되어, 상기 연료 분사노즐(12)에서 분사되는 연료가 연소될 때 발생하는 화염(F)이 내부 수관벽(10)에 부딪친 후 도면 2와 도면 3 및 도면 4에 도시한 바와 같이 내부 수관벽(10)의 바깥을 둘러싸는 관형 화염(fire pipe)을 이루게 된다.

따라서, 상기 화염(F)은 내외부 수관벽(10,6) 사이의 연소공간(S) 속에서 내부 수관벽(10)의 접선 방향을 따라 회전하게 되므로, 각각의 연료 분사노즐(12)에서 분사되어 나오는 화염이 한 곳에 집중되는 현상이 발생하지 않으므로 화염(F)의 온도가 질소가 산화될 정도의 온도로 가열되지 않게 될 뿐만 아니라, 내부 수관벽(10)의 공기분사구멍(14)에서 외부의 찬 공기가 주입되면서 화염(F)의 온도를 낮추어주기 때문에, 상기 연소공간(S)에서 연소되는 화염(F)이 1300℃의 초고온으로 올라가지 않게 된다.
그러므로, 본 발명에 따른 미분탄 보일러는 초고온의 화염에 의해 공기중의 질소가 산화되는 현상으로 인해 질소산화물이 발생하는 문제가 야기 되지 않는 것이다.
한편, 상기한 바와 같이 본 발명에서는 상기 내외부 수관벽(10,6)에 화염(F)이 가까이 위치하면서 부딪혀 반사하게 되므로 고온에 의해 쉽게 침식될 가능성이 있기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 고온 내침식 물질을 용사 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따른 미분탄 보일러 노는 외부 수관벽(6)에 설치된 와류형 연료분사노즐(12)에서 분사된 일정방향 화염(F)에 내부 수관벽(10)에 구비된 공기분사구멍(14)에서 분사된 보조공기가 혼합되어 연료와 공기가 최적 혼합비로 연소되게 하면 화염(F)이 내외 수관벽(10,6)사이에서 회전하면서 파이프 형태를 이루면서 최고 연소상태가 되면서 질소산화온도 까지 상승하지 않아 질소산화물을 생성시키지 않게 될 뿐만 아니라, 파이프 형태로 연소되는 화염(F)이 앞뒤에서 내부 수관벽(10)과 외부 수관벽(6)을 가열하게 되므로 전열효과가 상승되게 된다.
그러므로 본 발명에 따른 미분탄 보일러 노는 복사열 흡수면적증가, 압축된 공간에 의한 화염밀도 상승, 화염과 수관벽의 밀착, 회전접촉 및 전열면적증가 등의 중복효과에 의하여 상승적인 온도 상승과 증발효과도 함께 얻게 된다
이렇게 노의 내부 중앙에 내부 수관벽을 추가로 설치하여 내외부 수관벽 사이에서 연료가 연소되게 함으로써 열효율을 상승시키도록 한 것은 본 발명에서와 같이 미분탄 보일러 뿐만 아니라 다른 보일러에도 적용할 수 있다는 것은 이 분야에 종사하는 사람이면 쉽게 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 발명에 따른 발전소용 미분탄 보일러의 노의 가장자리를 따라 배치된 외부 수관벽(6)의 중심에 다수 개의 수관 다발로 이루어진 내부 수관벽(10)을 설치하여, 상기 내외부 수관벽(10,6)의 사이에서 외부 수관벽(6)에 설치된 연료분사노즐(12)에서 분사되는 연료가 내부 수관벽(10)의 주변을 따라 회전하면서 관형 화염을 이루면서 연소되게 함으로써, 맞은 편의 연료분사노즐(12)에서 분사되는 화염이 서로 맞닿아 초고온으로 상승되는 현상이 발생하지 않게 함과 더불어, 상기 내부 수관벽(10)에 형성된 공기 분사구멍(14)을 통하여 찬 외기가 내외부 수관벽(10,6)사이의 연소 공간(S) 속으로 유입되게 함으로써, 화염(F)의 온도가 지나치게 초고온으로 상승하는 것을 방지해 줄 수가 있으므로, 고온의 화염에 의해 공기중의 질소가 연소하여 질소산화물이 발생하는 것을 저감할 수가 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 미분탄 보일러는 화염(F)이 내외부 수관벽(10,6) 사이에 형성된 연소공간(S)에서 생성되어지므로, 내외부 수관벽(10,6)이 높은 온도의 화염에 직접 접촉할 수가 있어 수관속의 물을 가열시키는 열회수 효율을 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
노(2)의 내부 가장자리에 노벽(4)을 따라 다수개의 수관이 연결되어 이루는 외부 수관벽(6)이 단열재(8)를 사이에 두고 설치되고, 상기 외부 수관벽(6) 속에 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부 수관벽(10)이 배치되어 있으며, 상기 외부 수관벽(6)과 내부 수관벽(10)사이에 소정의 간격이 유지되어 연료가 연소되는 연소공간(S)을 이루도록 되어 있는 한편, 상기 외부 수관벽(6)에 원주 방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 미분탄 분사 노즐(12)이 내부 수관벽(10)의 외접선 방향을 향하여 설치되고,상기 내부 수관벽(10)에 다수개의 공기분사구멍(14)이 형성되고 내부수관벽에 고온 내침식코팅을 하는 것을 특징으로 하는 발전소용 미분탄 보일러의 노 구조
제8항에 있어서 내부수관벽(10)이 하나의 원형단면을 이루도록 연결되지 않고, 원심곡선형으로 분활 형성되어 소정의 간격을 두고 방사형으로 배치된 발전소용 미분탄 보일러의 노 구조