KR101032773B1 - 발전소용 보일러 노 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노에 공급되는 물이 외부수관부을 거친 후에 다시 내부수관부에 공급되도록 함으로써 급수펌프의 부하를 대폭 감소시켜 전체 계통의 효율을 증가시키면서 내부수관벽이 과열기 역할을 수행하여 화염의 열을 대량 흡입하여 고온의 화이어볼에 의한 써멀녹스 생성을 방지하고, 타고난 재가 고온의 화이어볼에 의해 용융되어 슬래그화되는 것을 방지할 수 있는 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

본 발명의 주요구성은 외부로부터 물을 공급받는 제1하부수집통(10)과; 상기 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 외부수관부(20)와; 상기 외부수관부(20)의 상부로 이동된 물을 공급받는 제1상부수집통(30)과; 상기 제1상부수집통(30)으로부터 연결관(40)을 따라 하부로 이송된 것을 수집하는 제2하부수집통(50)과; 상기 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 내부수관부(60)와; 상기 내부수관부(60)를 따라 상부로 이동된 가열된 물이나 증기를 공급받는 제2상부수집통(70);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

발전소용 보일러, 수관벽, 미분탄 보일러, 질소산화물

Description

발전소용 보일러 노{Furnace of boiler for power station}

본 발명은 노에 공급되는 물이 외부수관부을 거친 후에 다시 내부수관부에 공급되도록 함으로써 급수펌프의 부하를 대폭 감소시켜 전체 계통의 효율을 증가시키면서 내부수관벽이 화이어볼의 형성을 못하게 하여 초고온 부분이 생기지 못하게하고, 볼의 형태가 아닌 화이어 파이프에서 화염의 열을 대량 흡입하여 과열기 역할을 하면서 화염의 온도를 추가로 낮추어 써멀녹스 생성을 방지하고, 타고난 재가 고온의 고온화염에 의해 용융되어 슬래그화되는 것도 방지할 수 있는 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소에서 많이 사용하는 보일러는 석탄화력 보일러와 석유화력 보일러, 가스화력 보일러로 대별되며, 그중 발전용량의 다수를 차지하는 석탄화력 보일러는 미분탄 보일러와 유동층 보일러로 대별된다.

석탄화력 보일러의 다수를 차지하는 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 하는 시도가 진행되고 있다.

본 발명에서는 가장 대표적인 미분탄 보일러를 예로들어 전체를 설명하기로 한다

기존 미분탄 보일러에서는 노상부에 7km에 달하는 수관을 상하 죄우로 지그재그 배열하여 상향하면서 빠져나가는 화염으로부터 최대한 열을 흡수하고 있다.

화염으로부터의 열 흡수효율을 촘촘히 높게 배열한 수관에 의해 높이는 방법을 채택하고 있어, 물을 순환시키는 급수펌프의 부하가 비정상적으로 커져있다.

발전소 소내전력의 30-40%를 이 급수펌프를 돌리는 모타가 소모해 버리고 있다. 그러면서도 질소산화물을 대량 배출하고, 재를 끈적한 슬래그화시켜 많은 클링커를 만들고 여과장치를 fouling 하여 저렴한 저급탄을 사용할 수 없는 약점도 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인이 발명한 대한민국등록특허 제 10-0764903호에서는 도 1에 도시된 바와 같이 노의 가장자리를 따라 배치된 외부수관벽(6)의 중심에 다수 개의 수관 다발로 이루어진 내부수관벽(8)을 설치하여, 상기 내외부수관벽(8,6)의 사이에서 외부수관벽(6)에 설치된 연료분사노즐에서 분사되는 연료가 내부수관벽(8)의 주변을 따라 회전하면서 관형 화염을 이루면서 연소되게 함으로써, 화염이 한곳에 집중되어 초고온으로 상승되는 현상이 발생하지 않게 함과 더불어, 상기 내부수관벽(8)에 형성된 공기 분사구멍을 통하여 화염보다 낮은 온도의 공기가 내외부 수관벽(8,6)사이의 연소공간(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 있도록 하였다.

그러나, 이러한 대한민국등록특허 제10-0764903호는 외부수관벽와 내부수관벽에 공급되는 물을 각각 별도의 통로를 통해 공급하기 때문에 통합관리가 되지않고 상부에 별도의 과다한 과열기를 설치하여야 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 노에 공급되는 물이 외부수관부를 거친 후에 다시 내부수관부에 공급되도록 함으로써 급수펌프의 부하를 대폭 감소시켜 전체 계통의 효율을 증가시키면서 내부수관벽이 화이어볼 형성을 방지하고 과열기 역할을 수행하여 화염의 열을 대량 흡입하여 고온의 화이어볼에 의한 써멀녹스 생성을 방지하고, 타고난 재가 고온의 화이어볼에 의해 용융되어 슬래그화 되는 것을 방지할 수 있는 발전소용 보일러 노를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 화염과 수관벽의 거리를 단축시켜 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도상승을 향상시킬 수 있게 하여 열효율을 증대시킬 수 있게 한 발전소용 보일러 노를 제공하는 데 있다.

본 발명의 발전소용 보일러 노는 외부로부터 물을 공급받는 제1하부수집통(10)과, 상기 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 외부수관부(20)과, 상기 외부수관부(20)의 상부로 이동된 물을 공급받는 제1상부수집통(30)과 상기 제1상부수집통(30)으로부터 연결관(40)을 따라 하부로 이송시키는 제2하부수집통(50)과, 상기 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 내부수관부(60)과, 상기 내부수관부(60)를 따라 상부로 이동된 가열된 물과 증기를 공급받는 제2상부수집통(70)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 외부수관부(20)는 상기 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제1하부헤드(21)와, 상기 제1하부헤드(21)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이동시키는 외부수관벽(22)과 상기 외부수관벽(22)의 상부로 이동된 물을 수합하고 다수의 수관을 따라 제1상부수집통(30)으로 공급하는 제1상부헤드(23)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 내부수관부(60)는 상기 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제2하부헤드(61)와, 상기 제2하부헤드(61)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이송시키는 내부수관벽(62)과, 상기 내부수관벽(62)을 따라 상부로 이동된 물을 수합하고 다수의 수관을 따라 제2상부수집통(70)으로 공급하는 제2상부헤드(63)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 외부수관벽(22)은 수관사이에 쫄대형상의 멤브레인(24)으로 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지되고, 상기 내부수관벽(62)도 쫄대형상의 내부멤브레인(64)으로 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 외부수관벽(22)에는 원주 방향 및 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 연료분사노즐(25)이 배치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 내부수관벽(62)의 내부멤브레인(64)에는 다수개의 공기분사구멍(65)이 형성된 것을 특징으로 한다.

발명에 따른 발전소용 보일러는 노에 공급되는 물이 외부수관부을 거친 후에 다시 내부수관부에 공급되기 때문에 내부수관벽이 과열기 역할을 수행하여 화염의 열을 대량 흡입하여 고온의 화이어볼에 의한 써멀녹스 생성을 방지하고, 타고난 재가 고온의 화이어볼에 의해 용융되어 슬래그화되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 화염과 수관벽의 거리가 가까워지고, 추가된 수관벽에 의해 전열면적이 늘어나 하부에서의 열흡수 효율을 증가시키는 장점이 있다.

또한, 내부수관벽이 과열기 역할을 하므로 노 상부에 상하 좌우로 지그재기 위치시키는 수관다발부를 배제하거나 축소함으로써 급수펌프의 부하를 대폭 감소시켜 전체 계통의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 노에 대한 부분 절개 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 대한 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보일러 노는 본 출원인에 의해 등록된 대한민국등록특허 제10-0764903호를 보완한 것으로 외부로부터 물을 공급받는 제1하부수집통(10)과, 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 외부수관부(20)과, 외부수관부(20)의 상부로 이동된 물을 공급받는 제1상부수집통(30)과 제1상부수집통(30)으로부터 연결관(40)을 따라 하부로 이송된물을 수집하는 제2하부수집통(50)과, 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 내부수관부(60)과, 내부수관부(60)를 따라 상부로 이동된 가열된 물과 증기를 공급받는 제2상부수집통(70)을 구비한다.

외부수관부(20)는 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제1하부헤드(21)와, 상기 제1하부헤드(21)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이동시키는 외부수관벽(22)과 외부수관벽(22)의 상부로 이동된 물을 수합하고 다수의 수관을 따라 제1상부수집통(30)으로 공급하는 제1상부헤드(23)로 이루어진다.

내부수관부(60)는 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제2하부헤드(61)와, 제2하부헤드(61)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이송시키는 내부수관벽(62)과 내부수관벽(62)을 따라 상부로 이동된 물을 수합하고, 다수의 수관을 따라 제2상부수집통(70)으로 공급하는 제2상부헤드(63)로 이루어진다. 그리고, 제2상부수집통(70)에서 증기를 터빈으로 공급하는 공급관을 구비한다.

외부 노벽과 외부수관부(20)사이의 공간은 단열재(80)를 채우고, 외부수관벽(22)은 단열재(80)로 둘러쌓인 공간에 다수개의 수관이 병렬연결되어 이루어지고, 내부수관벽(62)은 외부수관벽(22)으로 둘러쌓인 내부에서 다수개의 수관이 병 렬연결되어 이루어지며, 연결관(40)은 내부수관벽(62)의 내부에 위치한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부수관벽(22)과 내부수관벽(62)사이에 소정의 간격이 유지되어 연료가 연소되는 연소공간(S)이 형성된다. 외부수관벽(22)은 쫄대형의 연결판인 멤브레인(24)을 수관사이마다 병렬 위치시켜 수관과 외부멤브레인이 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지되고, 내부수관벽(62)도 내부멤브레인(64)으로 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지된다.

한편, 외부수관벽(22)은 아래쪽과 위쪽이 거의 동일한 단면형상으로 이루어지고, 내부수관벽(62)은 아래쪽이 좁고 위쪽이 넓은 형상으로 이루어진다. 이에 따라 내외부수관벽(22,62) 사이에 형성되는 연소공간(S)이 아래쪽은 넓고 위쪽을 좁은 형상으로 이루어져, 연료가 노 내부의 아래쪽에서 충분히 연소되고, 이때 발생된 복사열이 내외수관벽 뿐만 아니라 노 직상부의 내부수관에도 전달되어 과열기 하부에 위치한 연소공간의 복사열의 흡수면적을 넓히면서, 또한 동시에 발생된 대류열을 지닌 대류가스가 위로 통과하면서 수관과 더 많이 접촉하게 하여 열효율을 높일 수 있다.

그리고, 외부수관벽(22)에는 원주 방향 및 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 연료분사노즐(25)이 배치된다. 연료분사노즐(25)에서 분사된 연료는 외부수관벽(22)과 내부수관벽(62) 사이에 형성되는 연소공간(S) 속에 거대한 하나의 화염(F)을 형성시켜 내외부수관벽(22,62)의 내부에 흐르는 물을 가열시킨다.

도 4에 도시한 바와 같이, 내부수관벽(62)의 내부멤브레인(64)에는 다수개의 공기분사구멍(65)이 형성된다. 공기분사구멍(65)은 내부수관벽(62)의 내부 공간과 연결된 공기 펌프에서부터 공급되어 공기를 내부수관벽(62) 외부수관벽(22) 사이로 분사 주입하여 연료와 공기의 혼합율을 높여 연소효율을 높여주면서 연료가 연소하면서 생성되는 화염(F)의 온도를 낮추어 초고온으로 가열되는 것을 방지해 주는 기능을 담당한다.

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

먼저, 노의 내부로 외부의 물을 공급하면 제1하부수집통(10)으로 유입된 후 외부수관부의 제1하부헤드(21)로 공급되고 외부수관벽(22)을 따라 제1상부헤드(23)로 공급된다. 그 후, 제1상부헤드(23)의 물은 중앙의 제1상부수집통(30)으로 이동된 후 내부수관부(60)의 하부에 위치하는 제2하부수집통(50)으로 이동된 후에 내부수관부의 제2하부헤드(61)로 공급되고 내부수관벽(62)을 따라 제2상부헤드(63)로 공급면서 모든 수관에 물이 채워진다.

그 후, 오일버너 등으로 화염을 분사하여 노(2) 내부를 가열한 후, 오일 버너의 화염 속에 외부수관벽(22)에 설치된 다수개의 연료분사노즐(25)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 내부수관벽(62)의 내부멤브레인(64)에 형성되어 있는 공기분사구멍(65)에서 보조 공기가 분사되어 내부수관벽(62)과 외부수관벽(22) 사이에 형성되는 연소공간(S)속으로 주입된다.

한편, 외부수관벽(22)에 설치되어 있는 연료분사노즐(25)은 내부수관벽(62)의 외접선 방향으로 배치되어, 연료분사노즐(25)에서 분사되는 연료가 연소될 때 발생하는 화염(F)이 내부수관벽(22)에 부딪친 후 반사되다가 외부수관벽에 다시 부딪쳐 갇히면서 관형 화염(fire pipe)을 이루게 된다.

또한, 관형화염의 온도가 녹스가 발생되는 온도까지 상승하면, 내부수관벽(22)의 공기분사구멍(65)에서 외부의 공기가 주입되면서 화염(F)의 온도를 낮추어주기 때문에, 상기 연소공간(S)에서 연소되는 화염(F)이 1300℃의 초고온으로 올라가지 않게 된다.

그러므로, 내부수관벽이 과열기 역할을 하면서 화염의 열을 대량 흡수하게 되어 고온의 화이어볼 형성에 의한 써멀녹스(thermal NOx) 생성이 배제되고, 타고난 재가 고온의 화이어볼에 의해 용융되어 슬래그화되는 것도 방지할 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이 본 발명에서는 상기 내외부수관벽(22,62)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 보일러 노는 외부수관벽(22)에 설치된 연료분사노즐(25)에서 분사된 일정방향 화염(F)에 내부수관벽(62)에 구비된 공기분사구멍(65)에서 분사된 보조공기가 혼합되어 연료와 공기가 최적 혼합비로 연소되면 서도 화염(F)이 질소산화온도 까지 상승하지 않아 질소산화물을 생성시키지 않게 될 뿐만 아니라, 내부수관벽이 노상부의 거대한 과열기 수관다발을 상당부분 대체하므로 급수펌프의 부하도 대폭 감소시켜 전체 계통의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 과열기의 대부분이 하부로 내려옴에 의해 전체 계통의 높이를 낮추어 제작비도 절약할 수 있고, 화염(F)이 앞뒤에서 내부수관벽(22)과 외부수관벽(62)을 가열하게 되므로 전열효과가 상승되게 된다.

그러므로 본 발명에 따른 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.

운전초기에는 내부수관벽에서 나오는 물과증기를 터빈으로 보내지 않고 급수펌프로 순환시켜 외부수관벽속의 물의 온도와 내부수관벽속의 물의 온도가 점차 올라가게 하여, 내부수관벽을 통과했을 때는 모두 초임계압의 수증기가 되었을때 상부의 축소된 과열기를 경유하여 터빈으로 들어가게 한다. 터빈에서 일을 하고 응축된 물은 다시 급수펌프에 의해 외부수관벽으로 공급되어 반복 순환하게 된다.

한편, 기수분리기 등의 각종 장치는 기존보일러의 장치와 동일하므로 별도의 설명은 생략한다.

본 발명은 미분탄 보일러 뿐만 아니라 다른 보일러에도 적용할 수 있다는 것은 이 분야에 종사하는 사람이면 쉽게 알 수 있다.

도 1은 종래의 발전소용 보일러의 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 대한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 제1하부수집통 20 : 외부수관부

21 : 제1하부헤드 22 : 외부수관벽

23 : 제1상부헤드 24 : 멤브레인

25 : 연료분사노즐 30 : 제1상부수집통

40 : 연결관 50 : 제2하부수집통

60 : 내부수관부 61 : 제2하부헤드

62 : 내부수관 63 : 제2상부헤드

64 : 내부멤브레인 65 : 공기분사구멍

70 : 제2상부수집통 S : 연소공간

Claims (9)

1. 삭제
2. 외부로부터 물을 공급받는 제1하부수집통(10)과;

   상기 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 외부수관부(20)와;

   상기 외부수관부(20)의 상부로 이동된 물을 공급받는 제1상부수집통(30)과;

   상기 제1상부수집통(30)으로부터 연결관(40)을 따라 하부로 이송된 것을 수집하는 제2하부수집통(50)과;

   상기 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 내부수관부(60)와;

   상기 내부수관부(60)를 따라 상부로 이동된 가열된 물이나 증기를 공급받는 제2상부수집통(70);을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
3. 제2항에 있어서, 상기 외부수관부(20)는 상기 제1하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제1하부헤드(21)와, 상기 제1하부헤드(21)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이동시키는 외부수관벽(22)과 상기 외부수관벽(22)의 상부로 이동된 물을 모아서 다수의 수관을 따라 제1상부수집통(30)으로 공급하는 제1상부헤드(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 내부수관부(60)는 상기 제2하부수집통(50)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받는 제2하부헤드(61)와, 상기 제2하부헤드(61)로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이송시키는 내부수관벽(62)과, 상기 내부수관벽(62)을 따라 상부로 이동된 물을 수합하고 다수의 수관을 따라 제2상부수집통(70)으로 공급하는 제2상부헤드(63)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
5. 제3항에 있어서, 상기 외부수관벽(22)은 멤브레인(24)으로 연결되어 벽형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
6. 제3항에 있어서, 상기 외부수관벽(22)에는 원주 방향 및 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 연료분사노즐(25)이 배치된 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
7. 제4항에 있어서, 상기 내부수관벽(62)은 내부멤브레인(64)으로 연결되어 벽형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
8. 제7항에 있어서, 상기 내부멤브레인(64)에는 다수개의 공기분사구멍(65)이 형성된 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러의 노.
9. 삭제

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