KR101191496B1 - 재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법 - Google Patents

재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관한 재열 보일러는, 버너의 연소에 의해 발생한 연소 가스가, 화로(102)로부터 과열기, 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 증발관군의 후류측에 재열 버너(107)를 구비한 재열로(108)와, 상기 재열로(108)의 상부측에 재열기(109)를 갖는 재열 보일러이며, 재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치에 연소용 공기의 일부를 연소용 공기(11b)로서 공급하는 연소용 공기 공급부(12)를 갖는다. 연소 가스(107a)와 연소용 공기(11b)의 대향 충돌에 의해, 연소 가스(107a)의 연소용 공기(11b)와의 혼합을 촉진하고, 연소 가스의 유동 패턴을 변화시켜, 재열로(108)의 출구에서의 연소 가스(107a)의 온도의 언밸런스를 저감한다.

Description

재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법{REHEAT BOILER AND GAS TEMPERATURE CONTROL METHOD OF REHEAT BOILER}
본 발명은, 증발관군의 후류측에 재열로, 재열기를 설치하여, 재열로의 출구 부근에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스를 저감하는 재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법에 관한 것이다.
종래부터 선박용 보일러로서, 과열기를 구비한 것이 채용되고 있다(특허 문헌 1). 또한, 종래의 선박용 보일러의 연소 가스 후류측에 재열로와 재열기를 구비한 재열 보일러가 사용되고 있다.
종래의 선박용 재열 보일러의 구성의 일례를 도 6에 도시한다. 도 6은, 종래의 재열 보일러의 구성을 간략하게 도시하는 개략도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 종래의 재열 보일러(100)는 버너(101)와 화로(102)와 프론트 뱅크 튜브(103)와 과열기(Super Heater : SH)(104)와 증발관군(리어 뱅크 튜브)(105)으로 이루어지는 주 보일러(106)와, 증발관군(105)의 후류측에 재열 버너(107)를 구비한 재열로(108)와, 배기 가스 출구측에 설치한 재열기(109)로 이루어진다. 버너(101)의 연소에 의해 발생한 연소 가스는, 화로(102)로부터 프론트 뱅크 튜브(103), 과열기(104) 및 증발관군(105)을 흘러, 재열 버너(107)의 연소 가스와 재열로(108)에서 혼합되고, 재열기(109)와 열교환을 행하면서 흘러, 가스 출구(110)로부터 유출됨으로써 효율적으로 운전을 행하도록 되어 있었다.
도 6 중, 부호 111은 물 드럼, 112는 증기 드럼, 113, 114는 헤더, 115는 월 튜브를 나타내고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2002-243106호 공보
그런데, 종래의 선박용 재열 보일러(100)에서는, 재열 버너(107)는 재열로(108)의 전방벽측에만 설치되고, 재열로(108)의 후방벽측에는 설치되어 있지 않다. 이로 인해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 재열로(108)의 출구측(도 6 중, 부호 B 부분)에서 재열로(108)의 전방벽(도 7 중, X)측과 후방벽(도 7 중, Y)측에서 연소 가스 온도에 큰 언밸런스가 발생한다고 하는 문제가 있다.
재열로(108)의 출구측[즉, 재열기(109)의 입구측]에서의 연소 가스 온도의 언밸런스는, 재열로(108)나 재열기(109)의 전열 성능을 저하시키는 동시에, 재열기(109)의 재열 튜브의 고온 부식이나 서포트재의 강도 저하를 초래할 우려도 있다고 하는 문제가 있다. 또한, 도 7 중, 부호 A는 재열 버너의 부분이고, 부호 C는 재열기(109)의 출구 부분을 나타낸다.
본 발명은 상기 문제에 비추어, 재열 버너의 가스의 유동 패턴을 변화시킴으로써, 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스의 저감을 도모하는 재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 발명은, 버너의 연소에 의해 발생한 연소 가스가, 화로로부터 과열기, 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 상기 증발관군의 후류측에 재열 버너를 구비한 재열로와, 상기 재열로의 상부측에 재열기를 갖는 재열 보일러이며, 상기 재열로 내에서 상기 재열 버너와 대향하는 위치에 연소용 공기의 일부를 공급하는 연소용 공기 공급부를 갖는 것을 특징으로 하는 재열 보일러에 있다.
제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 연소용 공기 공급부가, 상기 재열로 내의 높이 방향으로 적어도 2단 이상 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 재열 보일러에 있다.
제3 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 연소용 공기 공급부에 상기 연소용 공기의 일부를 50％ 이하의 비율로 투입하는 것을 특징으로 하는 재열 보일러에 있다.
제4 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 연소용 공기 공급부가, 상기 재열로 내의 높이 방향으로 적어도 2단 이상 설치되어 있는 동시에, 연소용 공기 공급부마다 다른 양의 상기 연소용 공기의 일부를 공급하는 것을 특징으로 하는 재열 보일러에 있다.
제5 발명은, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 발명의 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법이며, 상기 재열 버너와 대향하는 위치로부터 연소용 공기의 일부를 상기 재열로 내로 공급하여, 상기 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스를 저감하는 것을 특징으로 하는 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법에 있다.
본 발명에 따르면, 재열로 내에서 재열 버너와 대향하는 위치에 설치한 연소용 공기 공급부로부터 연소용 공기의 일부를 재열로 내로 공급함으로써, 상기 재열 버너로부터 분출되는 가스의 유동 패턴을 변화시킬 수 있으므로, 상기 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스의 저감을 도모할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 재열 보일러의 재열로와 재열기의 구성을 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 1b는 도 1a 중의 재열로의 연직 방향과 직교하는 방향으로부터 본 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 재열 보일러의 구성을 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 3은 재열로의 출구 부근에서의 연소 가스의 온도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 관한 재열 보일러의 재열로와 재열기 부분만의 구성을 간략하게 도시하는 도면이다.
도 5는 재열로의 출구 부근에서의 연소 가스의 온도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 6은 종래의 재열 보일러의 구성의 일례를 간략하게 도시하는 개략도이다.
도 7은 종래의 재열로의 출구 부근의 온도 분포를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
<제1 실시예>
본 발명에 따른 실시예에 관한 재열 보일러에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시예에 관한 재열 보일러는, 도 6에 도시하는 바와 같은 종래의 재열 보일러의 구성과 마찬가지로, 재열로에 공기 공급부를 설치한 것이므로, 동일 부재에는 동일한 번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 재열 보일러의 재열로와 재열기의 구성을 간략하게 도시하는 개략도로, 도 2의 I-I 단면도이다. 도 1b는 도 1a 중의 재열로의 연직 방향과 직교하는 방향으로부터 본 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 재열 보일러의 구성을 간략하게 도시하는 개략도이다.
또한, 도 1a 및 도 1b 중, 부호 X가 재열로 전방벽측이고, 부호 Y가 재열로의 후방벽측이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10A)는, 도 6에 도시하는 바와 같은 종래의 재열 보일러의 구성과 마찬가지로, 버너(101)의 연소에 의해 발생한 연소 가스가, 화로(102)로부터 과열기(104), 증발관군(105)을 통과하도록 구성된 주 보일러(106)와, 재열 버너(107)에 의해 연소 가스가 재연소되는 재열로(108)와, 재연소된 연소 가스가, 재열기(109)를 통과하도록 구성된 재열 보일러인 동시에, 도 1a 및 도 1b에 도시하는 바와 같이, 재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치에 재열 버너(107)로 공급되는 연소용 공기(11a)의 일부를 연소용 공기(11b)로서 공급하는 연소용 공기 공급부(12)를 갖는 것이다.
또한, 본 발명에 있어서, 연소용 공기(11) 중, 재열 버너(107)로 공급되는 연소용 공기를 연소용 공기(11a)라 하고, 연소용 공기(11) 중, 재열 버너(107)로 공급된 나머지이며, 연소용 공기 공급부(12)로 공급되는 연소용 공기를 연소용 공기(11b)라 한다.
재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치에 연소용 공기 공급부(12)를 설치함으로써, 재열 버너(107)로부터 분출되는 연소 가스(107a)와 연소용 공기 공급부(12)로부터 공급되는 연소용 공기(11b)가 대향 충돌하여, 연소 가스(107a)의 연소용 공기(11b)와의 혼합이 촉진되므로, 재열로(108)의 출구에서의 연소 가스(107a)의 온도의 언밸런스를 저감할 수 있다.
또한, 도 3은 도 1a에 도시하는 재열로의 출구에서의 연소 가스의 온도 분포를 나타내는 설명도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치에 연소용 공기 공급부(12)를 설치하고, 연소용 공기(11b)를 재열로(108) 내로 공급함으로써, 재열로(108) 출구 부근(도 1a, 도 2 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도 분포의 폭이, 예를 들어 600 내지 800℃가 되어, 도 7에 나타내는 바와 같은 종래의 재열 보일러(100)에서의 재열로(108)의 출구 부근(도 6, 도 7 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도 분포보다도 좁아져, 평균하여 약 700℃ 정도를 유지할 수 있다.
따라서, 재열 버너(107)와 대향하는 위치로부터 연소용 공기(11)를 재열로(108)로 공급함으로써, 도 7에 나타내는 바와 같은 종래의 재열 보일러에서의 재열로(108)의 출구 부근(도 6, 도 7 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도에 비해, 재열로(108)의 출구 부근의 온도의 언밸런스를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10A)에 있어서는, 연소용 공기(11) 중, 재열 버너(107)로 공급되는 연소용 공기(11a)를 제외한 연소용 공기(11b)를 연소용 공기 공급부(12)로부터 50％ 이하의 비율로 공급하는 것이 바람직하다. 이것은, 연소용 공기(11) 중, 연소용 공기(11b)로 많이 사용하면, 재열 버너(107)에서 연료가 충분히 연소되지 않기 때문이다.
또한, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10A)에 있어서는, 연소 가스(107a)가 재열 버너(107)로 공급되는 연소용 공기(11a)와 연소한 후, 연소용 공기 공급부(12)로부터 공급되는 연소용 공기(11b)와 연소시켜, 단계적으로 투입하도록 하고 있다. 그로 인해, 연소 가스(107a)를 연소용 공기(11a, 11b)에 의해 2단 연소시킴으로써 NOX의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10A)에 있어서는, 연소용 공기 공급부(12)로부터 공급되는 연소용 공기(11b)의 공기량은, 예를 들어 댐퍼 등의 공기량 조정 수단에 의해 조정된다.
따라서, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10A)에 따르면, 재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치에 설치한 연소용 공기 공급부(12)로부터 연소용 공기(11b)를 재열로(108) 내로 공급함으로써, 재열 버너(107)로부터 분출되는 연소 가스(107a)의 유동 패턴을 변화시킬 수 있으므로, 재열로(108)의 출구측에서의 연소 가스(107a)의 가스 온도의 언밸런스를 저감할 수 있다. 이에 의해, 재열로(108)나 재열기(109)의 전열 성능의 저하를 방지하는 동시에, 재열기(109)의 재열 튜브의 고온 부식이나 서포트재의 강도 저하를 방지할 수 있다.
<제2 실시예>
본 발명에 따른 제2 실시예에 관한 재열 보일러에 대해, 도 4, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 관한 재열 보일러의 재열로와 재열기 부분만의 구성을 간략하게 도시하는 도면이다.
본 실시예에 관한 재열 보일러는, 제1 실시예에 관한 재열 보일러의 구성과 동일하므로, 동일 부재에는 동일한 번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10B)는 재열로(108)의 재열 버너(107)의 대항 위치에 재열로(108)의 높이 방향으로 위치를 어긋나게 한 3단의 연소용 공기 공급부(12-1 내지 12-3)를 설치한 것이다.
공기 공급부(12-1 내지 12-3)로부터 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)를 재열로(108)로 공급함으로써, 연소 가스의 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)와의 혼합 정도를 임의로 조정하여, 재열로(108)의 출구 부근에서의 연소 가스의 온도 분포를 제어할 수 있다.
또한, 실시예에 관한 보일러(10B)에 있어서는, 공기 공급부(12-1 내지 12-3)에 의해 각각으로 공급되는 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 유량을 조정하도록 하고 있다. 재열로(108)로 공급되는 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 유량을 조정함으로써, 연소 가스(107a)의 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)와의 혼합 정도를 조정하여, 재열로(108)의 출구 부근에서의 온도 분포를 제어할 수 있다. 예를 들어, 연소용 공기(11b-1)의 공기량을 비교적 많게 하고, 연소용 공기(11b-2, 11b-3)의 공기량을 균등하게 함으로써, 재열로(108)의 출구 부근에서의 온도 분포를 균등하게 할 수 있다.
또한, 도 5는 도 4에 도시하는 재열로의 출구 부근에서의 연소 가스의 온도 분포를 나타내는 설명도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 연소용 공기 공급부(12-1 내지 12-3)에 의해 공급되는 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 유량을 조정함으로써, 도 5에 나타내는 바와 같이, 재열로(108)의 출구측에서의 연소 가스(107a)의 가스 온도의 언밸런스를 저감할 수 있다.
이와 같이, 연소용 공기(11b)를 다단으로 나누어 재열로(108) 내로 공급함으로써, 재열로(108)의 출구 부근(도 4 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도 분포의 폭이, 예를 들어 620 내지 780℃가 되어, 도 7에 나타내는 바와 같은 종래의 재열 보일러(100)에서의 재열로(108)의 출구 부근(도 6 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도 분포보다도 좁아져, 평균하여 약 700℃ 정도를 유지할 수 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같은 제1 실시예에 관한 재열 보일러(10A)에서의 재열로(108)의 출구 부근(도 2 중, 부호 B)의 연소 가스(107a)의 온도 분포에 비해 더욱 균일하게 할 수 있다.
따라서, 재열 버너(107)와 대향하는 위치로부터 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)를 재열로(108)로 공급하여, 연소용 공기(11b-2, 11b-3)의 공기량을 미세 조정함으로써, 재열로(108)의 출구 부근의 온도의 언밸런스를 억제할 수 있다.
또한, 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 유량을 미세 조정함으로써, 온도, 체류 시간 등의 환원 영역 조건을 조정할 수 있으므로, NOX의 발생을 억제할 수 있다. 예를 들어, 연소용 공기(11b-1)의 유량을 적게 하고, 연소용 공기(11b-3)의 유량을 많게 하여, 재열로(108) 내를 공기가 부족한 상태로 함으로써, NOX의 발생을 억제할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10B)에 따르면, 재열로(108)의 재열 버너(107)의 대항하는 위치에 높이 방향으로 위치를 어긋나게 하여 설치한 복수의 연소용 공기 공급부(12-1 내지 12-3)로부터 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)를 공급하여, 재열로(108)로 공급되는 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 유량을 미세 조정함으로써, 재열 버너(107)의 가스 유동 패턴을 변화시킬 수 있으므로, 재열로(108)의 출구측에서의 연소 가스(107a)의 가스 온도의 언밸런스를 더욱 저감할 수 있다. 이에 의해, 재열로(108)나 재열기(109)의 전열 성능의 저하를 방지하는 동시에, 재열기(109)의 재열 튜브의 고온 부식이나 서포트재의 강도 저하를 방지할 수 있다.
또한, 연소 가스(107a)의 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)와의 혼합 정도를 미세 조정하여, 재열로(108)의 출구 부분에서의 온도 분포를 제어할 수 있다. 또한, 연소용 공기(11b-1 내지 11b-3)의 공기량을 미세 조정하여, 재열로(108)의 환원 영역 조건을 조정할 수 있으므로, NOX의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에 관한 재열 보일러(10B)에 있어서는, 재열로(108) 내의 높이 방향으로 위치를 어긋나게 하여 연소용 공기 공급부(12-1 내지 12-3)를 3단 설치하도록 하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 공기 공급부(12)를 3단 이상 설치하도록 해도 좋다.
또한, 본 발명에 관한 재열 보일러(10A, 10B)는, 재열로(108) 내에서 재열 버너(107)와 대향하는 위치로부터 연소용 공기의 일부(11b)를 재열로(108) 내로 공급함으로써, 연소 가스의 유동 패턴을 변화시켜, 재열로(108)의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스의 저감을 도모할 수 있으므로, 선박용 보일러로서 사용할 수 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 재열 보일러 및 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법은, 재열로 내에서 재열 버너와 대향하는 위치에 재열로 내의 높이 방향으로 위치를 어긋나게 하여 적어도 하나 이상 설치한 연소용 공기 공급부로부터 연소용 공기의 일부를 재열로 내로 공급함으로써, 연소 가스의 유동 패턴을 변화시킬 수 있으므로, 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스의 저감을 도모하는 선박용의 재열 보일러에 사용하기 적합하다.
10A, 10B : 재열 보일러
11, 11b-1 내지 11b-3 : 연소용 공기
12, 12-1 내지 12-3 : 연소용 공기 공급부
101 : 버너
102 : 화로
103 : 프론트 뱅크 튜브
104 : 과열기(SH)
105 : 증발관군(리어 뱅크 튜브)
106 : 주 보일러
107 : 재열 버너
108 : 재열로
109 : 재열기
110 : 가스 출구
111 : 물 드럼
112 : 증기 드럼
113, 114 : 헤더
115 : 월 튜브

Claims (5)

  1. 버너의 연소에 의해 발생한 연소 가스가, 화로로부터 과열기, 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 상기 증발관군의 후류측에 재열 버너를 구비한 재열로와, 상기 재열로의 상부측에 위치하는 재열기를 갖는 재열 보일러이며,
    상기 재열 버너는 상기 재열로의 전방벽에만 설치되고, 상기 재열 버너로부터 연소용 공기의 일부인 제1 연소용 공기와 연소 가스가 분출되고, 상기 재열로 내에서 상기 재열 버너와 대향하는 위치에 상기 연소용 공기의 나머지인 제2 연소용 공기를 공급하는 연소용 공기 공급부를 가지며,
    상기 제2 연소용 공기는 상기 연소용 공기에 대하여 50% 이하의 비율로 투입되는 동시에, 상기 연소용 공기 공급부가, 상기 재열로 내 후방벽에만 높이 방향으로 적어도 3단 이상 설치되고, 상기 제2 연소용 공기는, 최하단의 상기 연소용 공기 공급부의 공급량이 다른 연소용 공기 공급부의 공기량 보다도 많게 되도록, 조정되는 것을 특징으로 하는, 재열 보일러.
  2. 버너의 연소에 의해 발생한 연소 가스가, 화로로부터 과열기, 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 상기 증발관군의 후류측에 재열 버너를 구비한 재열로와, 상기 재열로의 상부측에 위치하는 재열기를 갖는 재열 보일러이며,
    상기 재열 버너는 상기 재열로의 전방벽에만 설치되고, 상기 재열 버너로부터 연소용 공기의 일부인 제1 연소용 공기와 연소 가스가 분출되고, 상기 재열로 내에서 상기 재열 버너와 대향하는 위치에 상기 연소용 공기의 나머지인 제2 연소용 공기를 공급하는 연소용 공기 공급부를 가지며,
    상기 제2 연소용 공기는 상기 연소용 공기에 대하여 50% 이하의 비율로 투입되는 동시에, 상기 연소용 공기 공급부가, 상기 재열로 내 후방벽에만 높이 방향으로 적어도 3단 이상 설치되고, 상기 제2 연소용 공기는, 최상단의 상기 연소용 공기 공급부의 공급량이 다른 연소용 공기 공급부의 공기량 보다도 많게 되도록, 조정되는 것을 특징으로 하는, 재열 보일러.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항의 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법이며,
    상기 재열 버너와 대향하는 위치로부터 상기 제2 연소용 공기를 상기 재열로 내로 공급하여, 상기 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도의 언밸런스를 저감하는 것을 특징으로 하는, 재열 보일러의 가스 온도 제어 방법.
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