KR100808765B1 - 순환유동층 연소로에서 고체 연료 투입관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환 유동층 연소로에서 사용되는 석탄 등 고체 입자 연료를 투입시키기 위한 연료 공급 관에 관한 것이며, 그 목적은 연료로 쓰이는 고체 입자들이 공급관내에서 항상 원활한 흐름을 유지토록 하여 고체 입자의 막힘에 의한 운전 장해와 더불어 연료 공급관내의 온도 상승을 방지할 수 있는 연료 공급관이 구비된 순환유동층 연소로를 제공함에 있다.

본 발명은 최상단부의 연료호퍼와, 상기 연료호퍼의 하단부에 연결된 정량 공급기와, 상기 정량공급기의 하단부에 연결된 중력 낙하 투입관과, 상기 중력 낙하 투입관의 하단부에 연결된 경사 관으로 구성하되, 상기 경사관은 급 경사부분과 완만 경사부분으로 구성하고, 상기 급 경사부분과 완만 경사 부분의 연결지점 및 상기 경사관과 연소로의 연결지점에 다수개의 공기 제트 노즐을 설치하여 고체 입자 연료의 원활한 흐름을 유지하도록 구성된 것을 그 기술적 요지로 한다.

연소로, 연료 공급관, 고체 입자 연료, 순환유동층 연소로

Description

순환유동층 연소로에서 고체 연료 투입관{Solid fuel feeding chute in a circulating fluidized bed combustor}

도 1 은 종래의 순환 유동층 연소로를 나타낸 구성도이고,

도 2 는 본 발명의 연료 공급관이 측벽에 부착된 순환 유동층 연소로 도면이며,

도 3 은 본 발명의 연료 공급관이 입자 재순환관에 부착된 순환 유동층 연소로 도면이며,

도 4 는 본 발명의 연료 공급관이 측벽에 부착된 순환 유동층 연소로의 확대 도면이고,

도 5 는 본 발명의 연료 공급관이 입자 재순환관에 부착된 순환 유동층 연소로의 확대 도면이며,

도 6 은 본 발명의 경사 관에 공기 제트 노즐을 부착한 도면이며,

도 7 은 본 발명의 경사 관에 부착한 공기 제트 노즐의 확대 도면이고,

도 8 은 본 발명의 경사 관에 "ㄱ"자 노즐을 부착한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 공기투입관 (2) : 중력낙하관

(3) : 연료탑 (4) : 재순환관

(10) : 연소로 (20) : 사이클론

(30) : 입자순환관 (40) : 연로호퍼

(50) : 연료공급관 (60) : 대류전열부

(70) : 정량공급기 (80) : 일차공기

(90) : 공기상자 (100) : 분산판

(110) : 2차 또는 3차 공기용 공급관

(120) : 중력낙하 투입관 (130) : 경사관

(130a) : 급 경사관 (130b) :　완만 경사관

(140) : 익스펜션 조인트 (150) : 공기 제트 노즐

(160) : "ㄱ"자형 공기제트 노즐

(170) : 보호블록

본 발명은 연료 공급관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료로 쓰이는 고체 입자들이 공급관내에서 항상 원활한 흐름을 유지토록 하여 고체 입자의 막힘에 의한 운전 장해와 더불어 연료 공급관내의 온도 상승을 방지할 수 있는 연료 공급관 에 관한 것이다.

순환유동층 보일러 내에서 보일러의 효율 및 연소 제어에 있어서 연소가 전 구역에 걸쳐 균일하게 진행되는 것이 중요하기 때문에 이를 위하여 주입된 연료가 연소로 단면적 전역에 분포되도록 연소로 1기당 다수개의 연료 주입구를 설치하게 된다. 연료 투입구의 개수와 위치는 연소로의 용량과 연료의 종류에 따라 결정되는데 순환 유동층은 거품식 유동층 보다 연료 투입1구가 감당하는 연소로의 단면적이 5배 이상 큰 것으로 알려져 있다. 통상 석탄보일러의 경우 용량100MWe 기준으로 연료 투입구는 2~4개 정도가 설치되는데 중력 하강에 의한 투입이 일반적으로 많이 사용되고 있으며, 연료 입자가 미세할 경우는 공기 이송에 의한 투입이 이루어지기도 한다. 연료를 중력 하강에 의하여 공급되는 경우에 있어서는 연료 입자는 적절한 입경 분포를 갖도록 분쇄한 후 연료 투입 호퍼로 이송되고 그 하부에 부착된 스크류피더 및 로타리피더에 의하여 연료 공급관으로 투입된다. 연료 주입관을 중간의 경로를 거쳐 최종적으로 연료 입자가 중력에 의하여 미끄러지도록 연소로 하부 측벽에 경사되어 있다.

순환유동층 연소로에 사용되는 고체연료는 입자 크기가 작고 연료 특성상 함수량 및 조성이 균일하지 못하고 경우에 따라서는 순간적인 투입량이 외란에 의하여 급격히 증가하는 경우가 발생하기도 한다. 이러한 이유로 인하여 경사진 연료 공급관 내에서 고체 입자의 흐름이 매끄럽지 못하여 연소로 내부로의 연료 주입 변동에 따른 국부적인 온도 편차 뿐 아니라 연료 공급관의 막힘 현상, 또는 연료 공급관 내에서의 연료의 정체에 의한 국부 과열 현상등이 발생하여 연료 입자끼리의 융착으로 인한 괴상이 형성되어 운전을 정지시키거나 이를 처리하기 위하여 많은 시간과 경비가 소요되는 문제점이 발생되었다.

경사진 연료공급관 내에서 고체 입자의 흐름을 원활히 하기 위해서는 경사각을 크게 하는 방법이 강구될 수 있지만 연료 공급관과 연결된 연소로 하부의 구조 또한 경사져 있어 연료 공급관과 연소로의 접촉면적, 연료 공급관의 설치 공간 및 구조적인 측면에서 경사각을 높일 수 없다. 또한 연료탑(3)으로부터 연료를 공급받아 중력낙하 투입관(2)을 거친 후 공기투입관(1)에서 공기와 함께 연료를 수송하는(미국특허 제5,829,368호)방법도 사용되지만 공기 노즐 선단에서 연료 입자의 고속 분출에 의한 마모 등의 문제가 발생될 수 있으며 연료를 입자 재순환관(4)으로 투입할 경우는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 그 목적은 연료로 쓰이는 고체 입자들이 공급관내에서 항상 원활한 흐름을 유지하도록 연료공급 경사관를 2단으로 만들고 구부러진 부위 및 연결부에 공기 제트 노즐을 설치하여, 고체 입자의 막힘에 의한 운전 장해와 더불어 연료 공급관내의 온도 상승을 방지할 수 있는 연료 공급관이 구비된 순환유동층 연소로를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 최상단부의 연료호퍼와, 상기 연료호퍼의 하단부에 연결된 정량 공급기와, 상기 정량공급기의 하단부에 연결된 중력 낙하 투입관과, 상기 중력 낙하 투입관의 하단부에 연결된 경사 관으로 구성하되, 상기 경사관은 급 경사관과 완만 경사관으로 구성하고, 상기 급 경사관과 완만 경사관의 연결지점 및 상기 경사관과 연소로의 연결지점에 다수개의 공기 제트 노즐을 설치하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기 제트 노즐은 내부에 물 공급관을 설치하여 연소로가 일정한 온도를 초과하면 물을 방출하여 온도를 내릴 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기 제트 노즐은 "ㄱ"자형 노즐을 사용하고 헤드 뒤편에는 보호 블록을 설치하여 상기 노즐 헤드의 침식을 방지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2은 본 발명의 연료 공급관이 측벽에 부착된 순환 유동층 연소로 도면이고, 도 3은 본 발명의 연료 공급관이 입자 재순환관에 부착된 순환 유동층 연소로 도면이며, 도 6 은 본 발명의 경사 관에 공기 제트 노즐을 부착한 도면으로서, 본 발명은 최상단부의 연료호퍼(40)와, 상기 연료호퍼(40)의 하단부에 연결된 정량 공 급기(70)와, 상기 정량공급기(70)의 하단부에 연결된 중력 낙하 투입관(120)과, 상기 중력 낙하 투입관(120)의 하단부에 연결된 경사관(130)으로 구성하되, 상기 경사관(130)은 급 경사관(130a)과 완만 경사관(130b)으로 구성하고, 상기 급 경사관(130a)과 완만 경사관(130b)의 연결지점 및 상기 경사관(130)과 연소로(10)의 연결지점에 다수개의 공기 제트 노즐(150)을 설치하여 구성된다.

상기 완만 경사부분(130b)의 각도는30~45°정도로 하고 높은 경사가 유지되는 급 경사부분(130a)의 각도는 50~60°정도로 하는 것이 바람직하다. 한편, 급 경사부분(130a)의 길이는 연소로(10)의 전체 높이, 층입자 순환부의 출구 측인 입자 재순환관의 고도 및 구조, 설치 공간 등을 고려하여 결정해야 될 사항이나 가급적 연소로 쪽에 근접하게 유지함으로써 고체 입자의 가속력을 높게 유지하여 완만 경사부분(130b)으로 유입되는 입자의 미끄럼 속도(sliding velocity)를 크게 유지하는 것이 바람직하다. 또한 상기 경사관(130)과 입자 순환관(30)과의 연결은 익스펜션 조인트(140)를 사용함으로써 연소로의 열팽창에 의한 관의 비틀림을 방지하였다.

도 7 은 본 발명의 경사 관에 부착한 공기 제트 노즐의 확대 도면으로, 상기 공기 제트 노즐(150)은 외부에서 공기 공급이 이루어지는 경우에는 경사관과 고체 입자가 접하는 부분을 중심으로 내경이 1 내지 2인치 크기를 갖는 1개 또는 그 이상의 노즐을 완만 경사 연료 투입관의 각도와 같고 표면에 위치하도록 설치한다. 한편, 연소로(10) 유입구 부근에서는 연소로 자체의 압력 변동에 의하여 순간적으로 연소가스와 연소로내의 층물질이 경사관(130)으로 역류되어 연료 입자의 미끄럼 운동에 방해를 주어 그 분분에서 연료가 정체될 수 있는데 이를 방지하기 위하여 연소로 입구 근처의 완만 경사부분(130b)에도 공기 제트 노즐(150)을 설치한다. 더욱이 이 부분에서 상기 기술한 원인에 의하여 이상 온도가 발생할 경우에는 공기 제트 노즐에 물이 함께 분사되어 냉각 효과를 거들 수 있도록 고안되었다. 물을 분사하는 방법은 공기 공급관 내부에 1/2인치 크기의 물 공급관이 삽입되어 입자 공급관에서 온도가 900°를 초과하면 솔레노이드 밸브가 개폐되어 공기와 함께 공급관으로 공급되도록 되어있다.

또한, 도 8 은 본 발명의 경사 관에 "ㄱ"자 노즐을 부착한 도면으로, 상기 "ㄱ"자 형 공기 제트 노즐을 완만 경사 연료 투입관 내부 표면 위에 수평하게 설치한다. 한편, 상기의 경우에 있어서는 하강하는 고체 입자에 의하여 노즐이 침식될 수 있기 때문에 보호블록(170)을 헤드 뒤편에는 설치하여 상기 노즐 헤드의 침식을 방지할 수 있도록 구성된다. 즉, 각각의 노즐 헤드 뒤편으로 노즐 헤드의 높이 보다 10mm가량 높게 노즐 보호블록(170)을 공급관 표면에 부착시킨다.

이하, 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

고체연료는 연료호퍼(40)로부터 정량공급기(70)를 통하여 중력에 의하여 중력낙하 투입관(120)으로 중력 낙하되면 경사 각도가 높은 급 경사관(130a)으로 유입되어 높은 속도로 가속되어 미끄러져 내겨가면서 경사각도가 낮은 완만 경사관(130b)을 통하여 연소로 내부로 투입된다. 이때 상기 급 경사부분과 완만 경사 부분의 연결지점 및 상기 경사관과 연소로의 연결지점에 공기 제트 노즐(150)을 사용하여 공기를 불어넣어 연료의 정체 현상은 방지하고 온도가 한계점 이상으로 올라가면 상기 공기 제트 노즐에 삽입되어 있는 물 공급관에서 물을 방출하여 온도를 낮추게 된다.

한편, 유동층에는 모래, 또는 연료인 석탄의 회분 또는 탈황을 목적으로 투입되는 석회석과 같은 흡수제로 구성된 층물질이 충진되어 있다. 연소용 공기는 압입 송풍기로부터 공기예열기를 지나 그 일부는 1차공기로서 연소로의 하부인 공기상자(90)를 거쳐 분산판(100)에 의하여 연소로 내부로 공급되어 유동층을 형성하고 나머지 일부는 연료 공급관보다 높은 위치의 측벽면에 부착된 2차 또는 3차 공기용 공급관(110)으로 공급된다. 석탄 등 각종 연료는 특정 크기이하로 분쇄(유연탄의 경우 12mm이하)되어 도 4에서와 같이 직접적으로 측벽에 부착된 연료 공급관 또는 도 5에서와 같이 입자 재순환관에 부착된 별도의 연료 공급관을 통하여 연소로 하부의 입자층으로 투입된다. 투입된 연료는 층입자와 격렬히 혼합되면서 연소가 연소로 전역에 걸쳐 진행되게 된다. 연소에 의하여 발생되는 열은 연소로 내부에 설치되어있는 수관을 통하여 회수되고 연소 가스는 대류 전열부에서 폐열을 회수하고 집진기를 거쳐 대기로 방출된다.

또한, 순환유동층 연소로에서는 층물질의 평균 입경이 0.3mm 정도로 작고 가스의 유속은 4~6m/s 정도로 유지하기 때문에 연소 가스에 의하여 많은 양의 층물질이 비말동반 되어 연소로 출구로 유출되고 이들 고체 입자는 사이클론(20)에서 포집되어 입자 순환관(30)과 같은 입자 순환부에 의하여 연소로 내로 재순환된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 순환 유동층 연소로에 설치되어 있는 연료 공급관에 있어서 중력 낙하 공급관 이후의 경사 연료 공급관은 순차적으로 경사각도가 급격한 부분과 완만한 부분으로 구성된 2단 경사를 갖게 하여 중력 하강관에서 나하된 고체 입자가 경사관으로 유입되었을 때 급격한 경사에 의하여 입자와 공급관 표면 사이의 마찰 계수가 큰 물질도 원활한 흐름에 의하여 하강 속도를 크게 유지하는 것이 가능하고 연소로 입구에서는 경사각도를 완만하게 연료 공급관을 제작함으로써 연료 공급관과 연소로의 축방향 접촉 길이를 작게 하여 입자층의 밀도가 높은 연소로 하부의 높이를 줄임으로 연소로 전체에 작용하는 압력강하를 줄여 송풍기에 소요되는 동력을 줄이는 것이 가능할 뿐 아니라 연료 공급관과 연소로 사이의 공간 및 구조를 용이하게 한다. 또한 연소로 급경사와 완만 경사가 접하는 곳과 여료 주입구 부근에서는 공기 제트 주입에 의하여 고체 입자 공급용 경사관에서의 막힘을 방지하고 또한 연소로의 압력 변동에 의하여 연료 공급관으로 가스와 함께 층입자 및 연료중 미세 입자의 역류에 의한 입자의 흐름을 방해함으로써 발생될 수 있는 연료 입자의 정체층 형성을 억제할 수 있으며 더욱이 온도가 한계 온도 이상 으로 상승할 시에는 공기 제트 노즐에 물을 주입 분사하여 입자의 융착에 의한 괴상 형성을 방지하여 이로 인한 유동층의 운전 정지 없이 연속 가동 시간 연장을 가능케 하고, 유지 보수에 따른 경비를 절감할 수 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 최상단부의 연료호퍼와, 상기 연료호퍼의 하단부에 연결된 정량 공급기와, 상기 정량공급기의 하단부에 연결된 중력 낙하 투입관과, 상기 중력 낙하 투입관의 하단부에 연결된 경사 관으로 구성하되, 상기 경사관은 급 경사관과 완만 경사관으로 구성하고, 상기 급 경사관과 완만 경사관의 연결지점 및 상기 경사관과 연소로의 연결지점에 다수개의 공기 제트 노즐을 포함하여 구성되되,

   상기 공기 제트 노즐은 내부에 물 공급관을 설치하여 연소로가 일정한 온도를 초과하면 물을 방출하여 온도를 내릴 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 순환유동층 연소로에서 고체 연료 투입관.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 공기 제트 노즐은 "ㄱ"자형 노즐을 사용하고 헤드 뒤편에는 보호 블록을 설치하여 상기 노즐 헤드의 침식을 방지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 순환유동층 연소로에서 고체 연료 투입관.

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