KR101078842B1 - 순산소 미분탄 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소로 배기가스 재순환을 하는 순산소 미분탄 버너 시스템에서 발생할 수 있는 연소 불안정성 문제를 해결하기 위한 새로운 개념의 미분탄 순산소 연소장치로서, 목적은 미분탄과 미분탄 이송을 위한 1차 산화제 분사위치 부근에 형성되는 연료 과농지역에 고압인 소량의 산소를 빠른 속도로 주입하여 배가스 재순환을 하는 미분탄 순산소 연소 버너에서 휘발분의 연소열에 의해 미분탄의 탈휘발을 촉진하고, 미분탄 순산소 연소에서 지나치게 커질 수 있는 연료 과농지역의 크기를 적절하게 제어하여 안정적인 연소를 수행할 수 있는 미분탄 순산소 연소버너를 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명은 공기로부터 산소를 분리하는 장치로부터 생산되는 산소를 버너에 직접 주입하기 위한 산소 공급부, 미분탄을 포함한 1차 산화제 이송 배관, 1차 산화제 이송 배관의 외곽 방향에 구비된 산소 주입을 위한 고압 노즐 조합 및 그 주입방법, 2차 및 3차 산화제 주입을 위한 윈드 박스 및 주입 배관 등을 포함한 버너 및 연소 시스템을 포함한다.

Description

순산소 미분탄 연소장치{Oxygen pulverized coal burner apparatus}

본 발명은 석탄화력 발전소의 연소로 배기가스 재순환을 하는 순산소 미분탄 연소장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소시 연소 불안정 상태를 해결하기 위해 고압의 순산소를 자동으로 제어 공급하여 이산화탄소의 대폭적인 회수와 슬래깅(Slagging)이나 열적 질소산화물(NOx)의 생성을 저감하는 순산소 미분탄 연소장치에 관한 것이다.

미분탄 연소장치인 버너는 미분탄을 사용하는 발전용 또는 산업용 보일러에 1개 이상 다수 개가 설치되어 있으며, 기존의 공기 대신 순산소와 재순환된 배기가스의 혼합물을 산화제로 사용하여 배기가스 내에 질소성분을 제거함으로써 대량으로 이산화탄소를 회수할 수 있는 연소장치이다.

이러한 미분탄 순산소 버너의 경우도 보통 공기를 사용하는 버너와 마찬가지로 다중 원형 버너구조를 채택하는 것이 일반적이며, 기존 공기를 사용하는 버너를 개조하여 사용도 가능하다.

그러나 상기와 같은 경우 재순환된 배기가스의 대부분을 차지하는 이산화탄소의 열용량이 질소보다 크고, 열확산 계수는 낮아 이산화탄소 분위기에서는 미분 탄의 탈휘발이 끝나고 남은 까맣게 탄 미분탄화(char)와 반응하여 일산화탄소를 생성하는 흡열반응이 발생할 수 있기 때문에 연소 안정성에 부정적인 영향을 끼치게 되었다.

미분탄 순산소 버너의 경우도 보통 공기를 사용하는 버너와 마찬가지로 다중 원형버너 구조를 채택하는 것이 일반적이며, 보일러 내에서 열 흡수 균형을 맞추기 위해 기존의 공기 중 질소비중(79% v/v)과 비슷하게 산화제 내 이산화탄소와 수증기 비중을 두게 되지만, 연소 안정성과 이산화탄소의 열용량을 고려하여 기존 공기 중 산소농도(21% v/v)보다 다소 높게 산화제 내 산소농도(27% v/v)를 설정하게 된다.

버너에 공급되는 산화제는 크게 3가지 형태로 나누어 공급되며, 1차 산화제는 석탄건조와 미분탄 이송용으로 2, 3차 산화제는 주 연소용 산화제로 공급되게 된다. 이 중, 석탄건조와 미분탄을 이송하는 1차 산화제의 경우에는 미분탄 이송관 내 화재를 방지하기 위해 부득이하게 매우 낮은 산소농도(3 ~ 5% v/v)를 가지는 산화제를 활용하게 된다.

이 경우, 연료 및 산화제가 분사된 뒤 미분탄 주위 온도가 공기 연소에 비해 천천히 상승하게 되고 주위 산소농도 역시 공기연소에 비해 매우 낮아 착화특성 및 연소 안정성에 문제가 생기게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1, 2차 산화제 비를 조절하거나, 선회기의 조정을 수행할 수 있으나 이러한 종래방법도 미분탄의 연료 특성에 따른 연소 특성의 편차 등을 고려할 때 한계가 발생하게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 석탄건조와 미분탄 이송을 위한 1차 산화제 배관 주위에 원둘레를 따라 다수의 노즐을 배치하고, 미분탄 분사 후 형성되는 연료 과농지역에 공기로부터 분리된 순산소를 빠른 속도로 소량 주입하여 배기가스 재순환을 하는 순산소 미분탄 연소버너에서 휘발분의 연소열에 의해 미분탄의 탈휘발을 촉진하고, 미분탄 순산소 연소에서 지나치게 커질 수 있는 연료 과농지역의 크기를 적절하게 제어하여 안정적인 연소를 수행할 수 있는 순산소 미분탄 연소장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 기존의 버너 시스템보다 연료와 산화제의 혼합을 용이하게 하여 버너의 착화 특성 및 화염 부착특성을 향상시킴으로써 순산소 조건에서의 미분탄의 안정적인 연소를 수행할 수 있게 한다.

또한, 이 경우 산소와 연료의 반응 당량비는 일정하게 유지되므로 노즐을 통해 산소를 주입하는 만큼 2차 또는 3차 산화제의 지나치게 높은 산소농도를 막을 수 있어(23% v/v) 산소 폭발에 대한 안정성 확보와 화염온도가 필요 이상으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 그리고 2, 3차 재순환 가스 시스템에 적정농도의 산소를 유지함으로써 닥트 재질을 기존 공기시스템과 같은 기준으로 설계될 수 있으며, 또한, 기존 공기연소 보일러의 문제점인 슬래깅(Slagging)이나 열적 질소산화물(Thermal NOx)의 생성을 크게 줄일 수 있기 때문에, 본 발명은 궁극적으로 이러한 미분탄 순산소 버너를 사용하여 배기가스 조성의 대부분이 이산화탄소로 구성됨으로써 이산화탄소의 대량 회수를 통한 무배출 달성에 기여할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 순산소 미분탄 연소장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 확대 단면도로서, 버너의 평단면도를 보여주고 있다.

본 발명은 연소로(9)의 내부로 버너(15)를 이용하여 미분탄과 산화제 및 순산소를 공급하여 연소를 시키는 순산소 미분탄 연소장치에 있어서, 저 농도(3 ~ 4% v/v)의 산소를 함유한 재순환 가스를 이용하여 석탄에 포함된 수분을 건조하고 미분탄을 이송하여 버너 중심부로 공급하는 역학을 하는 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)와;

상기 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 미분탄 및 1차 산화제 출구(5);

상기 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1) 외부의 주위에 최소한 미분탄 공급속도 이상의 고속으로 최소한 95% v/v 이상의 순도를 가진 순산소를 주입하기 위한 순산소 공급부(2);

한기 순산소 공급부(2)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 순산소 공급출구(6);

상기 순산소 공급부(2) 및 순산소 공급출구(6) 외부의 주위에 최소한 공기의 산소농도 이상의 고농도 산소가 혼합된 재순환 가스를 공급하는 2차 산화제 선회기 공급부(3);

상기 2차 산화제 선회기 공급부(3)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하고 필요에 따라서는 선회기를 포함할 수 있는 2차 산화제 출구(7);

상기 2차 산화제 선회기 공급부(3) 및 2차 산화제 출구(7) 외부의 주위에 최소한 공기의 산소농도 이상의 고농도 산소가 혼합된 재순환 가스를 공급하는 3차 산화제 선회기 공급부(4);

상기 3차 산화제 선회기 공급부(4)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 3차 산화제 출구(8);

상기 미분탄 및 1차 산화제 출구(5), 순산소 공급 출구(6), 2차 재순환 출구(7), 3차 재순환 출구(8)와 연결되어 있는 연소로(9)와;

상기 연소로(9) 출구에 위치하여 연소로 출구를 흐르는 배기가스에 포함되어 있는 산소와 일산화탄소 농도를 측정하는 산소 및 일산화탄소 농도 측정센서(11);

상기 산소 및 일산화탄소 농도 측정센서(11)의 측정신호를 수신하는 제어부(12);

상기 제어부(12)의 신호에 따라 산소공급 장치에 연결되어 순산소 공급부(2) 입구로 공급되는 순산소의 유량을 조절하는 산소제어 밸브(13)를 포함하는 구조로 되어 있다.

그리고 본 발명은 상기 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)와 2차 산화제 선회기 공급부(3) 및 3차 산화제 선회기 공급부(4) 각각은 동축의 파이프 형태로 구성되며, 순산소 공급부(2)는 적어도 2개 이상의 다수의 파이프 및 노즐로 구성되고, 상기 산소유량 제어부(12)와 산소유량 제어밸브(13)가 배기가스 내 산소 및 일산화탄소 농도값에 근거해서 순산소 공급부(2)를 통과하는 유량을 제어하도록 이루어져 있다.

본 발명에 따른 미분탄 순산소 연소장치의 버너(15)에서는 1차 산화제 및 미분탄 공급부 주위에 고속으로 산소를 주입할 수 있는 노즐을 적어도 2개 이상 설치하여 빠른 운동량으로 연료 과농지역에 분사할 수 있게 되어 있다. 2차 산화제 공급부분과 3차 산화제 공급부분은 내부 재순환 영역을 생성시켜 연료 과농지역에서의 체류시간을 늘릴 수 있는 선회기를 부착할 수 있다.

상기 연소로(9)의 후단 스택(10)에 설치된 배가스 검출장치에서 검출되는 산소 및 CO의 양에 따라 산소공급 노즐의 작동이 자동으로 이루어질 수 있고 설계자 또는 운전자의 판단에 따라 수동으로 이루어질 수도 있는바, 즉 본 발명에 따른 미분탄 순산소 버너는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 석탄 건조와 미분탄과 미분탄을 이송하는 이산화탄소와 산소 그리고 일부 수증기가 혼합되어 있는 1차 산화제를 이송하는 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1), 산소 공급장치(14)로부터 생산된 순산소의 고속 주입을 위해 설치된 순산소 공급부(2), 역시 이산화탄소와 산소 그리고 일부 수증기가 혼합되어 있는 2차 산화제를 공급하는 2차 산화제 공급부(3), 2차 산화제 공급부 외곽 방향에 투입할 수 있는 3차 산화제 공급부(4) 및 로 출구에 설치된 배가스 내 산소 및 일산화탄소 농도 측정센서를 통해 받은 신호를 통해 필요시 순산소 공급부(2)로 들어가는 산소량을 조절하는 제어부(12)와 산소유량 제어밸브(13) 등을 포함하여 구성되어 있다.

여기서 본 발명에 따른 이산화탄소 회수를 위한 미분탄 순산소 버너는, 도 1에 도시된 바와 같이 다단의 동축 파이프(산화제 공급부; 1, 2, 3)를 통해 연소에 필요한 공기나 산화제를 분사하게 된다. 미분탄은 버너의 중심에 있는 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)를 통해 1차 산화제와 함께 공급되며, 끝단에는 필요시 미분탄 공급을 퍼지게 하기 위하여 확대형 팁이 연결될 수도 있다. 연소에 필요한 산화제는 재순환된 배가스와 산소가 혼합되어 1차(1)와 2, 3차 산화제 공급부(3,4)로 공급되며, 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1) 주위에 고속으로 순산소를 주입하기 위한 순산소 공급부(2) 및 순산소 주입노즐(6)이 설치되어 있다.

또한, 2차 산화제 출구(7) 및 3차 산화제 출구(8)에는 필요시 산화제를 선회시켜 내부 재순환 영역을 생성시키고 화염을 안정하게 할 수 있는 선회기가 설치될 수 있다.

즉, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 버너는 기존의 공기 연소용 미분탄 버너와 비슷한 형상에 화염 중심에 순산소를 고속으로 분무할 수 있는 노즐을 2개 또는 다수 설치하여 버너의 착화 특성 및 화염 부착 특성을 향상시켜 순산소 조건에서의 미분탄의 안정적인 연소를 수행할 수 있도록 되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 순산소 미분탄 연소장치의 전체 개략 구성도,

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 확대 단면도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 미분탄 및 1차 산화제 공급부, 2 : 순산소 공급부,

3 : 2차 산화제 선회기 공급부, 4 : 3차 산화제 선회기 공급부,

5 : 미분탄 및 1차 산화제 출구, 6 : 순산소 공급 출구,

7 : 2차 산화제 출구(필요시 선회기 포함),

8 : 3차 산화제 출구, 9 : 연소로(Furnace),

10 : 후단 스택,

11 : 배가스 내 산소 및 일산화탄소 측정센서,

12 : 산소 주입량 제어부, 13 : 산소 유량 제어밸브,

14 : 산소 공급장치.

Claims (2)

1. 연소로(9)의 내부로 버너(15)를 이용하여 미분탄과 산화제 및 순산소를 공급하여 연소를 시키는 순산소 미분탄 연소장치에 있어서,

   저 농도(3 ~ 4% v/v)의 산소를 함유한 재순환 가스를 이용하여 석탄에 포함된 수분을 건조하고 미분탄을 이송하여 버너 중심부로 공급하는 역학을 하는 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)와;

   상기 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 미분탄 및 1차 산화제 출구(5);

   상기 미분탄 및 1차 산화제 공급부(1) 외부의 주위에 최소한 미분탄 공급속도 이상의 고속으로 최소한 95% v/v 이상의 순도를 가진 순산소를 주입하기 위한 순산소 공급부(2);

   한기 순산소 공급부(2)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 순산소 공급출구(6);

   상기 순산소 공급부(2) 및 순산소 공급출구(6) 외부의 주위에 최소한 공기의 산소농도 이상의 고농도 산소가 혼합된 재순환 가스를 공급하는 2차 산화제 선회기 공급부(3);

   상기 2차 산화제 선회기 공급부(3)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 2차 산화제 출구(7);

   상기 2차 산화제 선회기 공급부(3) 및 2차 산화제 출구(7) 외부의 주위에 최소한 공기의 산소농도 이상의 고농도 산소가 혼합된 재순환 가스를 공급하는 3차 산화제 선회기 공급부(4);

   상기 3차 산화제 선회기 공급부(4)와 한 몸체를 이루어 그 말단에 위치하는 3차 산화제 출구(8);

   상기 미분탄 및 1차 산화제 출구(5), 순산소 공급 출구(6), 2차 재순환 출구(7), 3차 재순환 출구(8)와 연결되어 있는 연소로(9);

   상기 연소로(9) 출구에 위치하여 연소로 출구를 흐르는 배기가스에 포함되어 있는 산소와 일산화탄소 농도를 측정하는 산소 및 일산화탄소 농도 측정센서(11);

   상기 산소 및 일산화탄소 농도 측정센서(11)의 측정신호를 수신하는 제어부(12) 및;

   상기 제어부(12)의 신호에 따라 산소공급 장치에 연결되어 순산소 공급부(2) 입구로 공급되는 순산소의 유량을 조절하는 산소제어 밸브(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산화제 공급부(1,3,4) 각각은 동축의 파이프 형태로 구성되며, 순산소 공급부(2)는 적어도 2개 이상의 다수의 파이프 및 노즐로 구성되고, 산소 유량 제어부(12)와 제어밸브(13)가 배가스 내 산소 및 일산화탄소 농도값에 근거하여 순산소 공급부(2)를 통과하는 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 미분탄 순산소 연소장치.

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