KR101061585B1 - 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 노에 공급되는 물을 외부수관부에서 고온의 물과 증기로 1차 가열시키고, 이를 각각 분리하여 증기만을 내부수관부에 2차 가열하여 물과 증기를 가열시키는 것보다 빠르게 과열증기를 생산할 수 있는 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

본 발명의 주요구성은 외부로부터 물을 공급받는 하부수집통과; 상기 하부수집통으로부터 물을 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 외부수관부와; 상기 외부수관부의 상부로 이동된 고온의 물과 증기를 공급받는 상부수집통과; 상기 상부수집통으로부터 고온의 물과 증기를 공급받아 각각 고온의 물과 증기로 분리하는 기수분리기와; 상기 외부수관부의 내부에 위치하면서 상기 기수분리기로부터 분리된 증기를 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 내부수관부와; 상기 내부수관부를 따라 상부로 이동된 가열된 증기를 공급받는 증기수집통을 포함하며, 상기 기수분리기에서 분리된 물은 상기 하부수집통으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

발전소용 보일러, 기수분리기, 수관벽, 미분탄 보일러

Description

기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노{Furnace of boiler for power station}

본 발명은 보일러 노에 공급되는 물을 외부수관부에서 고온의 물과 증기로 1차 가열시키고, 이를 각각 분리하여 증기만을 내부수관부에 2차 가열하여 물과 증기를 가열시키는 것보다 빠르게 과열증기를 생산할 수 있는 기액분리기를 구비한 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 제10-0764903호에서는 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 분사 되는 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 물을 외부수관부에서 고온의 물과 증기로 1차 가열시키고, 이를 각각 분리하여 증기만을 내부수관부에 2차 가열하여 물과 증기를 가열시키는 것보다 빠르게 과열증기를 생산할 수 있는 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노를 제공하는 데 있다.

본 발명의 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노는, 외부로부터 물을 공급받는 하부수집통과; 상기 하부수집통으로부터 물을 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 외부수관부와; 상기 외부수관부의 상부로 이동된 고온의 물과 증기를 공급받는 상부수집통과; 상기 상부수집통으로부터 고온의 물과 증기를 공급받아 각각 고온의 물과 증기로 분리하는 기수분리기와; 상기 외부수관부의 내부에 위치하면서 상기 기수분리기로부터 분리된 증기를 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 내부수관부와; 상기 내부수관부를 따라 상부로 이동된 가열된 증기를 공급받는 증기수집통을 포함하며, 상기 기수분리기에서 분리된 물은 상기 하부수집통으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 외부수관부는 상기 하부수집통과 기수분리기로부터 물을 공급받는 제1하부헤드와, 다수의 수관으로 형성되며 상기 제1하부헤드로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이동시면서 가열하는 외부수관벽과 상기 외부수관벽의 상부로 이동된 물을 모아서 상기 상부수집통으로 제공하는 제1상부헤 드를 포함하고, 상기 내부수관부는 상기 기수분리기로부터 증기를 공급받는 제2하부헤드와, 다수의 수관으로 형성되며 상기 제2하부헤드로 유입된 증기를 상부로 이송시키면서 가열하는 내부수관벽과, 상기 내부수관벽을 따라 상부로 이동된 증기를 수합하고 증기수집통으로 공급하는 제2상부헤드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 외부수관벽은 아래쪽에서 중앙부위까지 더 넓어지는 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어지며, 상기 내부수관벽은 아래쪽에서 중앙부위까지 외부수관벽을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상이고 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

발명에 따른 발전소용 보일러는 노에 공급되는 물이 외부수관부에서 고온의 물과 증기로 1차 가열되고, 다시 분리된 증기만을 내부수관부에서 2차 가열하여 초고압의 과열증기를 쉽게 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 외부 수관벽을 항아리같이 배가 부르게 하면 보일러 노의 화염이 형성되는 외부수관벽과 내부수관벽의 사이의 연소공간이 자연적인 화염의 모양과 가장 근접하게 형성되기 때문에 각 수관벽들이 화염과의 접촉면적이 증대되어 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시켜 열효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노에 대한 부분 절개 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 형성되는 공기분사구멍의 수직 단면도이다..

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보일러 노는 본 출원인에 의해 등록된 대한민국등록특허 제10-0764903호를 보완한 것으로 외부로부터 물을 공급받는 하부수집통(10)과, 하부수집통(10)으로부터 다수의 수관을 따라 물을 공급받아 상부로 이송시키면서 가열시키는 외부수관부(20)와, 외부수관부(20)의 상부로 이동된 가열된 물과 증기를 공급받는 상부수집통(30)으로부터 가열된 물과 증기를 공급받아 물과 증기로 분리하는 기수분리기(40)와, 기수분리기(40)에서 분리된 증기를 다수의 수관을 따라 공급받아 상부로 이송시키면서 가열시키는 내부수관부(50)와, 내부수관부(50)를 따라 상부로 이동된 가열된 증기를 공급받는 증기수집통(60)을 구비한다.

외부수관부(20)는 하부수집통(10)으로부터 다수의 제1수관(71)을 통해 물을 공급받는 제1하부헤드(21)와, 다수의 수관으로 형성되며 상기 제1하부헤드(21)로 유입된 물을 상부로 이동시키면서 가열시키는 외부수관벽(22)과, 외부수관벽(22)의 상부로 이동된 가열된 물과 증기를 수합하고 다수의 제2수관(72)을 통해 상부수집통(30)으로 공급하는 제1상부헤드(23)로 이루어진다.

내부수관부(50)는 기수분리기(40)로부터 다수의 제3수관(73)을 통해 증기를 공급받는 제2하부헤드(51)와, 다수의 수관으로 형성되며 제2하부헤드(51)로 유입된 증기를 상부로 이송하면서 가열시키는 내부수관벽(52)과, 내부수관벽(52)을 따라 상부로 이동된 증기를 수합하고 다수의 제4수관(74)을 따라 증기수집통(60)으로 공급하는 제2상부헤드(53)로 이루어진다. 그리고, 증기수집통(60)에서 증기를 터빈으로 공급하는 증기공급관(61)을 구비한다. 이때, 증기공급관(61)은 필요에 따라 곡선으로 연장하여 화염배출로를 회전, 경과하면서 열을 더 흡수하게 하여 더 고온고압의 증기를 만들 수 있게 할 수도 있다

기수분리기(40)는 상부수집통(30)과 제2하부헤드(51) 사이에 위치하며 상부수집통(30)로부터 공급받은 가열된 물과 증기의 혼합물을 연결관(75)을 통해 제공받아 각각 가열된 물과 증기로 분리시키며 분리된 증기는 제3수관(73)을 통해 제2하부헤드(51)로 공급하고, 가열된 물은 보조수관(76)을 통하여 하부수집통(10)으로 공급한다. 또한, 기수분리기는 제1상부헤드(23)와 상부수집통(30) 사이에 형성되어 제1상부헤드(23)로부터 공급받은 가열된 물과 증기의 혼합물을 가열된 물과 증기로 각각 분리시키며 분리된 증기는 상부수집통(30)으로 공급하고, 가열된 물은 하부수집통(10)으로 공급할 수도 있다. 이러한 기수분리기에 의하여 증기만이 내부수관벽(52)으로 이동하면서 가열되기 때문에 증기의 가열효과를 증가시킬 수 있어 내부수관벽을 통과한 증기는 과열증기(초임계압)을 얻을 수 있으며, 과열증기를 사용하여 노의 성능 효율을 증가시킬 수 있다.

한편, 외부수관벽(22)은 아래쪽에서 중앙부위까지 조금씩 넓어지거나 거의 동일한 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진다. 그리고, 내부수관벽(52)은 외부수관벽(22)의 내측에 위치하면서 아래쪽에서 중앙부위까지 외부수관벽(22)을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상이고 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진다.

이에 따라, 내외부수관벽(52,22) 사이에 형성되는 연소공간(S)은 아래쪽에서 중앙부위(M)까지의 간격은 점점 넓어지다가 좁아지는 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지의 간격은 거의 동일하게 형성된다. 즉, 하부는 항아리 같이 외부로 볼록하고 상부는 직경이 작아지면서 굴곡이 형성되어 내외부수관벽(52,22) 사이에서 발생된 촛불형태의 화염(F)이 상부로 빠져나가게 된다. 이때 전방향으로 발사되는 화염의 복사열은 상하로 포위된 넓은 표면적을 데우고, 화염에 실린 대류열은 중앙부위와 상부쪽의 굴곡부위를 통과하면서 더 많은 수관들과 접촉하게 되여 수관에의 열전달을 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(52) 사이에 형성되는 연소공간(S) 속에 분사되어 거대한 하나의 곡선형 관형화염(F)을 형성하여 내외부수관벽(52, 22)의 내부에 흐르는 물을 가열시킨다.

외부 노벽(2)과 외부수관부(20)사이의 공간은 단열재(4)를 채우고, 외부수관벽(22)은 단열재(4)로 둘러쌓인 공간에 다수개의 수관이 병렬연결되어 이루어지고, 내부수관벽(52)은 외부수관벽(22)으로 둘러쌓인 내부에서 다수개의 수관이 병렬연결되어 이루어지며, 연결관(75)은 내부수관벽(52)의 내부에 위치한다. 외부수관벽(22)과 내부수관벽(52)의 외면은 고온침식과 열손상을 방지하기 위하여 내침식코팅, 내고온부식코팅을 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 외부수관벽(22)과 내부수관벽(52)사이에 소정의 간격이 유지되어 연료가 연소되는 연소공간(S)이 형성된다. 외부수관벽(22)은 쫄대형의 연결판인 외부멤브레인(24)을 수관사이마다 병렬 위치시켜 수관과 외부멤브레인(24)이 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지되고, 내부수관벽(52)도 내부멤브레인(54)으로 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 내부수관벽(52)의 내부멤브레인(54)에는 다수개의 공기분사구멍(55)이 형성된다. 공기분사구멍(55)은 내부수관벽(52)의 내부 공간과 연결된 공기 펌프에서부터 공급되어 공기를 내부수관벽(52)과 외부수관벽(22) 사이로 분사 주입하여 연료가 연소하면서 생성되는 화염(F)의 온도를 낮추어 초고온으로 가열되는 것과 내부수관의 마모와 열손상을 방지해 주는 기능을 담당한다.

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

먼저, 하부수집통(10)으로 물을 공급한 상태에서 오일버너 등으로 화염을 분사하여 노(1) 내부를 가열하여 예열한 후 미분탄을 분사하여 착화, 유지시키거나 ,예열없이 바로 미분탄을 분사하면서 플라즈마 버너로 착화시켜 화염을 유지시켜 내,외부 수관을 가열한다.

이에 따라 하부수집통(10)으로 공급된 물은 다수의 수관을 통해 외부수관부의 제1하부헤드(21)로 공급되고 제1하부헤드(21)로 공급된 물은 외부수관벽(22)을 따라 이동하면서 가열되어 고온의 가열된 물과 증기가 혼합된 상태로 제1상부헤드(23)로 공급된다.

그 후, 제1상부헤드(23)의 가열된 물과 증기는 다수의 수관을 통해 기수분리기(40)로 공급하며, 기수분리기(40)는 제1상부헤드(23)로부터 공급받은 가열된 물과 증기의 혼합물을 각각 가열된 물과 증기로 분리시키며 분리된 가열된 물은 하부수집통(10)으로 공급되어 다시 외부수관부(20)를 따라 가열된다.

한편, 기수분리기(40)에서 분리된 증기는 내부수관부(50)의 하부에 위치하는 제2하부헤드(51)로 이동되고, 내부수관벽(52)을 따라 이동하면서 노에 의해 가열되면서 제2상부헤드(53)로 공급된다. 이에 따라 내부수관부를 통과하는 증기는 초임계압의 과열증기 상태로 증기수집통(60)으로 공급되며 초임계압의 과열증기를 사용하여 노의 성능 효율이 향상된다.

본 발명에 따른 노의 화염상태를 살펴보면, 상기 외부수관벽(22)에 설치되어 있는 연료분사노즐(25)은 내부수관벽(52)의 외접선 방향으로 배치되어, 상기 연료분사노즐(25)에서 분사되는 연료가 연소될 때 발생하는 화염(F)이 내부수관벽(52)에 부딪친 후 반사되다가 다시 외부수관벽에 부딪쳐 갇히면서 관형 화염(F: fire pipe)을 이루게 된다.

따라서, 상기 화염(F)은 내외부수관벽(52,22) 사이의 연소공간(S) 속에서 내 부수관벽(52)의 접선 방향을 따라 회전하게 되므로, 각각의 연료분사노즐(25)에서 분사되어 나오는 화염이 한 곳에 집중되는 현상이 발생하지 않으므로 화염(F)의 온도가 질소가 산화될 정도의 온도로 가열되지 않게 될 뿐만 아니라, 필요시 내부수관벽(52)의 공기분사구멍(55)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.

또한, 내외부 수관벽의 형태조합이 화염의 상부 및 하부를 어느정도 포위하는 형태가 되어 복사열의 흡수면적을 넓힐 수 있게 되며, 화염에서 발생된 대류열을 지닌 대류가스도 중앙부위와 상부쪽의 굴곡부위를 통과하면서 수관들과 더 많이 접촉하게 하여 열효율을 높일 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 보일러 노는 내,외부 수관벽의 연소공간을 화염의 모양과 가장 근접하게 형성하여 전열효과가 상승되게 되며, 화염으로부터 초고온의 화염에 의해 공기중의 질소가 산화되는 현상으로 인해 질소산화물이 발생하는 문제가 야기 되지 않는 것이다.

본 발명은 상술한 바람직한 실시예에만 미분탄 보일러 뿐만 아니라 다른 보일러에도 적용할 수 있는 것과 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 간주한다.

도 1은 종래의 발전소용 보일러 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노의 단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 형성되는 공기분사구멍의 수직 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 하부수집통 20 : 외부수관부

21 : 제1하부헤드 22 : 외부수관벽

23 : 제1상부헤드 24 : 외부멤브레인

25 : 연료분사노즐 30 : 상부수집통

40 : 기액분리기 50 : 내부수집통

51 : 제2하부헤드 62 : 내부수관벽

53 : 제2상부헤드 60 : 증기수집통

Claims (3)

1. 외부로부터 물을 공급받는 하부수집통과;

   상기 하부수집통으로부터 물을 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 외부수관부와;

   상기 외부수관부의 상부로 이동된 고온의 물과 증기를 공급받는 상부수집통과;

   상기 상부수집통으로부터 고온의 물과 증기를 공급받아 각각 고온의 물과 증기로 분리하는 기수분리기와;

   상기 외부수관부의 내부에 위치하면서 상기 기수분리기로부터 분리된 증기를 공급받아 상부로 이송시키면서 가열하는 내부수관부와;

   상기 내부수관부를 따라 상부로 이동된 가열된 증기를 공급받는 증기수집통을 포함하며,

   상기 기수분리기에서 분리된 물은 상기 하부수집통으로 공급되는 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부수관부는 상기 하부수집통과 기수분리기로부터 물을 공급받는 제1하부헤드와, 다수의 수관으로 형성되며 상기 제1하부헤드로 유입된 물을 공급받아 다수의 수관을 따라 상부로 이동시면서 가열하는 외부수관벽과 상기 외부수관벽의 상부로 이동된 물을 모아서 상기 상부수집통으로 제공하는 제1상부헤드를 포함하고,

   상기 내부수관부는 상기 기수분리기로부터 증기를 공급받는 제2하부헤드와, 다수의 수관으로 형성되며 상기 제2하부헤드로 유입된 증기를 상부로 이송시키면서 가열하는 내부수관벽과, 상기 내부수관벽을 따라 상부로 이동된 증기를 수합하고 증기수집통으로 공급하는 제2상부헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노.
3. 제2항에 있어서, 상기 외부수관벽은 아래쪽에서 중앙부위까지 더 넓어지는 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어지며,

   상기 내부수관벽은 아래쪽에서 중앙부위까지 외부수관벽을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상이고 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 발전소용 보일러 노.

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