KR100773383B1 - Ｆｒｄｆ 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공 건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러의 개량형으로서, FRDF(Fine Refuse Derived Fuel; 파분쇄고형연료)에 의해 발생되는 스팀에너지 및 고온가스를 보다 효율적으로 활용하기 위해 아치수관에서 연장되어 연소실을 지나 스팀드럼과 결합하는 여러본의 내화아치관을 신설하고 또, 상기 내화아치관의 상부에는 내화아치를 신설하여 내화아치관 및 내화아치부분에서의 화염집중현상을 도출하고, 이로 인해 각 수관군에 열에너지 및 고온가스가 선회 접촉됨으로써 가일청 효율적인 흡열반응 효과를 얻기 위한 FRDF를 이용한 신속 고열분해 부유연소식 파워스팀 제네레이터에 관한 것이다.

그리고 본 발명은 실시형태에 따라, FRDF만을 사용하는 전용운전일 수 있고, 경우에 따라서 화석연료를 사용하는 단독운전일 수 있는데 어떠한 운전이든 간에 보일러수의 자연대류기능에 지장이 없도록 순환계통회로를 부분 재구성한 것이 특징이다.

수관보일러, 부유연소실, 스팀 제네레이터(steam generator), 고온가스, 내화아치관, 아치헤더일수관

Description

ＦＲＤＦ 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터{Power Steam Generator by rapid pyrolysis suspension firing using FRDF}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터의 단면을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터의 평면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 강수헤더 2: 아치수관

3: 아치헤더 31: 내화아치관

32: 아치헤더일수관 33: 내화아치

4: 가열수관

5: 제1 베플 플레이트(baffle plate)

51: 제2 베플 플레이트(baffle plate)

6: 전면수관 증발상승관 61: 전면수관벽 헤더

62: 전면수관벽 헤더순환기 7: 스팀드럼(Steam drum)

70: 내화실 1번 수관

8: 물드럼(Water drum) 9: 하향강수관

91: 강수헤더 순환기 10: 좌,우 수관벽 헤더

101: 좌,우 수관벽 헤더순환기 11: 연속분화구

12: 점화버너 13: 조연버너

14: 연속회출구 21: 화염건류실(Pyro combust)

22: 수관보일러 23: 부유연소실

본 발명은 중공 건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러의 개량형으로서, 신재생에너지 FRDF(파분쇄 고형연료) 주정연료 조업운전상 만일의 불규칙한 원료공급상에 대응할 수 있도록 하기 위해 새로운 부가설비 구조기능이 가능한 화석연료 무화연소장치를 개량할 수 있도록 함으로써 연료전환운전이 가능하고 FRDF 운전 또는 화석연료 운전이든 간에 보일러수의 자연대류기능에 지장이 없도록 순환계통로를 부분 재구성한 것을 특징으로 하는 FRDF 대체 열원 파워 스팀 제네레이터에 관한 것이다.

오늘날 우리나라는 국가적으로 큰 두 가지의 난제를 안고 있다는 현실로써, 날로 증가되는 자원 수입 의존형의 경제구조와 급격히 늘어나는 산업폐기물 또는 도시쓰레기의 위생감량 소각처분과 재활용 문제인 것으로 특히 매일 배출되는 다량의 쓰레기들은 그 처리 문제를 둘러싼 지연간의 갈등, 매립에 따른 토양과 수질오염 등 많은 문제점을 드러내고 있다.

이는 필연적으로 쓰레기의 분리수거 및 재활용은 물론 상하수처리에서 발생된 페슬러지의 감량 탄화처리에 의한 청정과제를 남겼으며, 이에 따라 많은 종류의 소각설비(로)들이 제작, 활용되고 있는 실정이나 이들 대부분의 소각시설들은 산화연소방식인 Chain grate stoker 또는 고정화격자에 의한 상향 직화 연소식을 채택함으로써 과잉 공기비(2.0 ~ 2.5 내외)로인해 중후장대한 시설규모 요인이 되었을 뿐 아니라 저온대의 1차 공기의 흐름과 연소과정상의 연소이론 또는 열역학적인 한계를 이미 지니고 있어, 미래지향적인 우리 제조 산업들의 그 기반 시설 장비로써 부응 대처하기에 미흡한 점이 많은 현실이다.

이에 본건 출원인은 실용신안등록 제39593[출원번호 85-2353호](명칭: 아치형 중공건류방식의 고열 분해소각장치)와 실용신안등록 제56796호[출원번호 88-18826](명칭: 중공건류식 연속 고열분해 소각로)를 제안하여 등록된 바 있다.

상기 등록된 선행기술들은 1990년대 이후 국내 첫 도입 되어 운영중인 재래식 대형 소각로에 채택되어 있는 화격자 연소방식의 직화 산화에 비하여 이미 2배 이상 빠른 가연성 폐기물 고온열분해(High Pyrolysis: 1100℃ 내외)(실증용량 11.53t/hr)의 훨씬 낮은 공기비의 연소속도로 관계기관에서 연소기술 실증평가를 받은바 있지만, 앞으로 규모의 경제성 시설로 발전(용량 9.0Gcal/hr급 이상)시키기 위해선 우선 소규모 에너지 콤비너트(Kombinat)시설용 주공정(main process)으로서 시스템 최적화 모델셋업(model setup)의 필연성이 있으므로 Heat & mass Balance의 관련 조건들은 물론 산업자원부 열 사용 기자재 검사 기준 또는 KS표준과 나아가 미국 아셈코드(ASEM code) 등의 관련규정 등에 까지 이해함으로써 보다 안정된 에너지 프렌트 주공정 시설장비로서 동력원 보일러로써의 부정적인 면의 비효율성과 환경적 저해요인들을 시급히 up date시킬 개선 과제로 대두되고 있는 것이다.

따라서, 본건 출원인은 이에 대한 문제점을 해결하기 위해 특허출원번호 1992-001307를 1992년 7월 28일에 출원하여 등록받기에 이르렀다.

상기 특허출원번호 제1992-001307호에 따르면, 그에 앞선 실용신안등록 제56796호의 자체 내에서 보일러수의 자연대류기능이 원활하도록 보일러(물드럼) 하단부에 중공건류형 고열분해 하향연소장치를 마련하여 계속적인 대량 소각처분 과정에서 발생되는 다량의 고온가스 발생열을 충분히 흡열 소화하도록 할 수 있었다.

따라서 미래형 신재생 에너지 기반시설 주공정 기술기능의 에너지 원천기술인 고열분해 Firing Frame에 의한 구조기능을 지닌 수관보일러 신기종 개발이 절실하므로 지난날의 경험기술들을 씨앗으로 삼아 한층더 향상시키고자 한다. 그러나 만일 FRDF(파분쇄 고형연료) 공급사정이 불규칙할 경우에는 발생 스팀(steam)의 생산성의 변동(up & down)이나 공장가동중지(shop down) 등을 피하기 위한 별도 가능한 지속적 조업용 연소 수단이 있을 경우 의미있는 기술개발이기에 본 다목적 보일러 기종개발 필요성이 대두하게 된 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 FRDF(파분쇄 고형연료)로부터 발생되는 열에너지 및 고온가스의 효율을 보다 효과적으로 활용하기 위해 신재생 에너지 개발 및 이용보급 촉진법(혹은, 건설기술 관리법 시행령 제38조 관련 등) 상의 에너지 기반시설 주공정 순화계통회로를 부분 재편성하고, 내화아치 및 내화아치관을 추가 신설한 FRDF를 이용한 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 물드럼(Water drum)과 스팀드럼(steam drum)을 연결하는 4패스(four pass) 수관보일러의 내화실 1번 수관을 포함하는 중공 건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러에 있어서,

FRDF(Fine Refuse Derived Fuel; 파분쇄 고형연료)가 공급되도록 구비되는 연속분화구와, 상기 연속분화구로부터 공급된 FRDF를 최초 점화하는 점화버너와, 상기 FRDF의 고온열분해에 의한 발생열을 회수시키기 위해 상기 물드럼에서 새로 설치시킨 강수헤더순환기와 하향강수관으로부터 아치헤더에 이르는 화염건류실(Pyro combustor), 상기 화염건류실로부터 발생되는 연소재를 배출하는 연속회출구를 비롯,

상기 물드럼의 내측에 설치시킨 수관벽 헤더순환기를 거쳐 연결된 수평의 좌, 우 수관벽헤더와, 상기 수평의 좌, 우 수관벽헤더의 일측과 연결되어 수직으로 상향연장되는 전면수관벽 헤더순환기와, 상기 전면수관벽 헤더순환기의 일측과 연 결되는 전면수관벽헤더에, 상기 전면수관벽헤더와 연결되는 상기 아치헤더에서 연장된 아치헤더 일수관을 집결시키는 한편,

상기 아치헤더로부터 연장되어 연소실 중앙을 경유하여 내화실 1번수관과 함께 스팀드럼에 연결시키기 위한 여러라인의 내화아치관, 상기 내화아치관의 연소실 중앙 상부측에 구비한 내화아치의 효능을 높이기 위한 부유연소실;

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FRDF를 이용한 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터에 의해 달성된다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 좌, 우 수관벽 헤더는 이 계획중인 스팀제네레이터의 기계설비진과의 사전협의하에 결정하되 내화아치 신설높이만은 아치헤더의 설치기준 여하에 따라 상하 레벨업 조정으로 경사부를 유지하여 일정간격을 유지한 병렬의 구성이며, 내화아치관의 설치레벨은 아치헤더설정 위치와 엄밀한 관련이 있음은 물론 연소실 중앙 공간상에 여러 개 라인을 완만한 만곡(smooth bending)으로 정밀하게 배열 설치하는 것이 절대요건이다.

또한, 본 발명의 내화아치부설은 경량 특수주문 규격재로 설계진의 협의에 의해 현장맞춤 시공케 하는 것을 권장한다.

또한, 본 발명은 상기 화염건류실의 상부로부터 수직으로 일정길이 연장된 제1 베플 플레이트와 상기 연소실의 하부로부터 수직으로 일정길이 연장된 제2 베플 플레이트가 더 구비되는 것이 특징이다.

그리고 본 발명에서 연소실 공급연료의 품질 규격 등에 의한 발생열도 유지를 대비 연소실 내부에 조연장치가 필요할 수도 있다.

아울러, 상기 내화아치관은 상기 아치헤더로부터 스팀드럼 사이에 정밀가공 후 접속시키되 상기 아치헤더에서 연소실 중앙으로 상향경사지게 신설시킨 내화아치관의 여러 라인이 완만한 만곡(smooth bending)으로 내화실 1번수관군의 수관과 수관간의 설계공간에 수직병렬로서 엄밀하고 가지런히 입상처리하되 상부측의 만곡부는 여타 수관 만곡과 동일하게 스팀드럼에 정밀가공 접속토록한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터의 단면을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터의 평면도이다.

본 발명은 출원인이 보유한 등록특허 제103232호(명칭: 중공건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러)의 개량형으로서, 상기 등록특허는 물 드럼(Water drum)(8)과 스팀드럼(steam drum)(7)을 연결하는 4패스(four pass) 수관보일러의 내화실 1번 수관(70)을 포함하는 중공 건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러에 관한 것으로, 본 발명은 FRDF(파분쇄 고형연료)를 주종원료로 사용중인 상기 선행특허기술에서 FRDF의 공급조건 또는 품질규격 등에 의한 스팀부하(steam loading) 변동(up & down)으로 인한 조업상의 지장이 없도록 하기 위해 화석연료(석유, 도시가스 등)에 의한 호환성 운전도 가능하도록 구성한 FRDF 신속고열분해 부유연소식 파워스팀 제네레이터에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 FRDF를 이용한 전용운전, 또는 화석연료 전용운전을 불문하고 보일러수의 유통기능상에 저항이 없도록 순환계통회로를 개량분리하여 보일러수의 자연대류기능에 지장이 없도록 하였다.

이를 위해 본 발명은 물드럼(8)의 좌,우 외측에 직결된 강수 헤더순환기(91)와 연결되며, 하향경사지도록 설치하여 강수헤더(1)와 연결되는 하향강수관(9)와 상기 강수헤더(1)의 상측 및 하측으로부터 각각 연장되며 서로 대향 만곡하도록 설치되는 아치수관(2)과 가열수관(4)을 연결하는 아치헤더(3)와 직결되어 상향연장되는 아치헤더일수관(32)과 상기 물드럼(8)의 좌,우 내측에 직결된 좌,우 수관벽 헤더순환기(101)와 연결되는 수평의 좌,우 수관벽헤더(10)의 일측과 연결되어 수직으로 상향 연장되는 전면수관벽 순환기(62)와 상기 아치헤더일수관(32)과 상기 전면수관벽 순환기(62)가 연결되는 전면수관벽헤더(61)로부터 상향연장되어 후측 연도상에 설치되는 수관보일러(22)의 스팀드럼(7)에 연결되는 전면수관 증발상승관(6) 및 상기 아치헤더(3)에서 상향 경사지게 연장되어 연소실 중앙을 통과하고 스팀드럼(7)과 근접할수록 스무스(smooth)하게 벤딩(bending)하여 상기 스팀드럼(7)과 연결하는 여러 본의 내화아치관(31)으로 구성된다.

여기서 좌,우 수관벽헤더(10)는 종래(등록특허 제103232호)의 수관보일러에서 경사지게 설치하였던 것을 수평으로 레벨업(level up)시킴과 동시에 일측은 좌, 우 수관벽 헤더순환기(101)와 연결하고 타측은 전면수관벽 헤더순환기(62)와 연결하여 것으로 구성된다.

그리고 상기 전면수관벽 헤더순환기(62)는 상기 좌,우 수관벽헤더(10)의 일측 단부로부터 수직으로 연결되어 전면수관벽 헤더(61)에 연결된다.

또한, 전면수관벽 헤더(61)의 상부측은 전면수관 증발상승관(6)과 연결되어 구성된다.

한편, 아치헤더(3)로부터의 내화아치와 아치라인은 스팀드럼(7)쪽에서 고열(superheat) 또는 포화증기를 생산하기위해 2개라인으로 구성되어 있는바, 그 중 하나는 상기 전면수관벽 헤더(61)와 연결되는 아치헤더일수관(32)이고, 또 하나는 내화실 1번수관(70)군과 병렬연결되는 여러본의 내화아치관(31)라인이다.

상기 내화아치관(31)은 상기 아치헤더(3)로부터 스팀드럼(7) 사이에 정밀가공후 접속시키되 상기 아치헤더(3)에서 연소실 중앙으로 상향경사지게 신설시킨 내화아치(33)와 내화아치관(31)의 여러라인이 완만한 만곡(smooth bending)으로 내화실 1번수관(70)군의 수관과 수관간의 설계공간에 수직병렬로서 엄밀하고 가지런히 입상처리하되 상부측의 만곡부는 여타 수관 만곡과 동일하게 스팀드럼(7)에 정밀가공 접속토록 한다.

그리고 내화아치관(31)의 상부에는 현장맞춤시공으로 구비된 내화아치(33)를 적재하되, 추천되는 내열성 경량 특수 주문재로 설계시공 및 감독진의 협의에 의해 시공토록 해야한다. 상기와 같은 내화아치(33)의 일예로는 내화벽돌 또는 내화철근을 들 수 있다.

아울러, 본 발명은 화염건류실(21)의 상부로부터 수직으로 일정길이 하향연장된 제1 베플 플레이트(5)와 부유연소실(23)의 하부로부터 수직으로 일정길이 상향연장된 제2 베플 플레이트(50)를 더 구비하여 구성된다.

이와 같은 구성은 고온가스의 이동방향에 변화를 주어 화염 및 고온가스의 밀도가 상승됨으로, 에너지효율 가치가 증대된다. 또한, 이러한 고온가스는 부유연소실(23)의 중앙에서 사방으로 보다 빠른 유속으로 분산시킴으로써 각 수관군(내화아치관, 전면수관벽 해더, 강수헤더 순환기 등)에 선회 접촉시킴과 동시에 화염집중 현상을 일으켜 가일청 효율적인 흡열반응 효과를 얻기 위해 상기 내화아치관(31)의 상부에 내화아치(33) 기능을 발휘토록 한 것이다.

또한, 내화아치관(31)의 설치 감소수량 상당량의 물드럼을 (70)천공(tube drilling hole)을 물드럼(8)에서 설계 생략할 수도 있다.

아울러, 본 발명은 안정된 부유연소 기능발휘를 위해 안전온도대(1100℃ 내외)의 운전을 위한 연소실PS 또는 TS시스템 혹은 package 컨트롤밸브 등에 의한 governer controller의 배후 제어 기능에 의해 산업에너지 기본 동력원 파워 스팀 제네레이터로써 종합적 통제시스템(governing system) 운전을 기대할 수 있게 하였다.

조연버너장치(13)는 부유연소실(23)의 하부측에 구비되며 부유연소실(23)의 내부 설정 온도범위내에서 자동으로 작동되도록 구성된다.

한편, 본 발명은 물드럼(8)의 내측에 직결시킨 수관벽 헤더순환기(101)를 거쳐 연결된 수평의 좌, 우 수관벽헤더(10)와, 상기 수평의 좌, 우 수관벽헤더(10)의 일측과 연결되어 수직으로 상향연장되는 전면수관벽 순환기(62)와, 상기 전면수관벽 순환기(62)의 일측과 연결되는 전면수관벽헤더(61)와, 상기 전면수관벽헤더(61)와 연결되는 상기 아치헤더(3)에서 연장된 아치헤더 일수관(32)을 집결시키는 한편, 상기 아치헤더(3)로부터 연장되어 연소실 중앙을 경유하여 내화실1번수관(70)과 함께 스팀드럼(7)에 연결시키기 위한 여러라인의 내화아치관(31), 상기 내화아치관(31)의 연소실 중앙 상부측에 구비한 내화아치(30)의 효능을 높이기 위한 부유연소실(23)로 구성하여 화석연료 전용운전으로도 가능하게 할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상과 같이 전술한 본 발명에 따른 신속 고열 분해 부유연소식의 파워 스팀 제네레이터에 의하면, 물드럼의 관수가 기존 하향강수관과 수평으로 변경한 좌, 우 수관벽 헤더를 경유, 신설되는 전면수관벽 헤더에 수직으로 흐를 수 있도록 전면수관벽 헤더순환기를 신설함으로 자연대류기능을 회복시킨 무화연소장치만으로도 화 석연료를 이용한 스팀 제네레이터의 단독 운전이 가능하도록 특징을 지닌 기능을 부여하고 있다.

또한, 신속 고열분해 부유연소실 발생연도를 아치헤더로부터 연소실의 중앙으로 상향 중인 고온가스를 좌, 우, 전, 후 사방의 각 수관군에 보다 밀도 높은 빠른 화염들을 선회 접촉시키는 화염집중현상으로 가일청 효율적인 흡열반응 효율을 높이도록 하였다. 그리고 내화아치관의 설치수량에 해당하는 수관용 천공(tube drilling hole)을 제네레이터의 계획설계시에 생략할 수 있다.

Claims (2)

1. 물드럼(Water drum)(8)과 스팀드럼(Steam drum)(7)을 연결하는 4패스(four Pass) 수관보일러의 내화실 1번 수관(70)을 포함하는 중공 건류형 고열분해 하향 연소식 수관보일러에 있어서,

   물드럼(8)의 좌,우 외측에 직결된 강수 헤더순환기(91)와 연결되며, 하향경사지도록 설치하여 강수헤더(1)와 연결되는 하향강수관(9);

   상기 강수헤더(1)의 상측 및 하측으로부터 각각 연장되며 서로 대향 만곡하도록 설치되는 아치수관(2)과 가열수관(4)을 연결하는 아치헤더(3)와 직결되어 상향연장되는 아치헤더일수관(32);

   상기 물드럼(8)의 좌,우 내측에 직결된 좌,우 수관벽 헤더순환기(101)와 연결되는 수평의 좌,우 수관벽헤더(10)의 일측과 연결되어 수직으로 상향 연장되는 전면수관벽 순환기(62);

   상기 아치헤더일수관(32)과 상기 전면수관벽 순환기(62)가 연결되는 전면수관벽헤더(61)로부터 상향연장되어 후측 연도상에 설치되는 수관보일러(22)의 스팀드럼(7)에 연결되는 전면수관 증발상승관(6); 및

   상기 아치헤더(3)에서 상향 경사지게 연장되어 연소실 중앙을 통과하고 스팀드럼(7)과 근접할수록 스무스(smooth)하게 벤딩(bending)하여 상기 스팀드럼(7)과 연결하는 여러 본의 내화아치관(31);

   을 포함하여 구성하되, 상기 내화아치관(31)의 연소실 중앙측 상단 부위에는 가일층 효율적인 흡열반응 효과를 극대화시키기 위한 축열 내화아치(33)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내화아치관(31)은 연소실 중앙으로 상향 경사지게 설치하여 스팀드럼(7)에 결합하되, 내화실 1번수관(70)군과 만나면 상기 내화실 1번 수관(70)군의 수관과 수관간의 설계공간에 수직병렬로서 정밀하고 가지런히 입상처리하고 상부측의 만곡부는 여타 수관의 만곡과 동일하게 하여 스팀드럼(7)에 연결하는 것을 특징으로 하는 FRDF 신속 고열분해 부유 연소식 파워 스팀 제네레이터.

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