KR101336653B1 - 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러 - Google Patents

연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러 Download PDF

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Abstract

유동층 연소실 보일러가 개시된다. 본 유동층 연소실 보일러는, SRF(Soild Recovered Fuel) 또는 Bio-SRF가 연소되며, 유동사의 용융방지를 위한 냉각튜브 및 다수의 수관으로 구성되어 연소열을 흡수하기 위한 측벽수관을 포함하는 연소실; 상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브에 냉각수를 공급하기 위한 공급관; 상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브를 경유하며 상기 냉각수 및 유동사의 열기가 흡수되어 생성된 증기를 배출하는 배출관; 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF의 연소량을 증가시키고, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 불완전연소되어 발생되는 유해가스량을 줄이기 위해, 상기 연소실 내부로 연소공기를 공급하는 연소공기 공급부; 및 상기 연소실 내의 상기 연소공기 공급부 주변에 위치하고, 미연소된 상태의 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF의 비산을 방지하며, 상기 냉각수 및 상기 증기가 이동되는 수로를 형성하는 적어도 하나의 연소실 삽입식 덕트;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, SRF 또는 Bio-SRF가 비산되는 것을 방지하여 SRF 또는 Bio-SRF의 연소율을 증가시키고, 연소과정에서 추가로 공기를 제공함으로써 유동층의 유속이 빨라지고, 탄소가 연소되기 위한 공기가 충분하게 되므로 이산화탄소(CO₂)의 발생량을 증가시키는 반면, 일산화탄소(CO)의 생산량은 감소시켜 대기오염을 방지할 수 있게 된다.

Description

연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러{Fluidized Bed Combustion Chamber Boiler Having Combustion Chamber Inserting Duct}
본 발명은 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러에 관한 것으로 보다 상세하게는 연료의 연소율을 증가시키고 불완전연소로 인해 발생되는 일산화탄소(CO) 및 다이옥신 배출을 감소시킬 수 있는 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러에 관한 것이다.
유동층 연소실 보일러는 유동사, 연료 및 공기를 함께 주입하여 연소시키고, 연소에 의해 발생되는 연소열을 이용하여 고온의 증기가 생산되면, 연소실을 구성하는 수관에서 열을 흡수함으로써 물을 가열시켜 열에너지 공급 및 난방이 가능하도록 한다.
최근에는 연소열 발생을 위한 연료로써, 한정적인 화석연료 자원을 대체하기 위해 폐기물 또는 식물 등을 사용하여 고형화시킨 SRF 또는 Bio-SRF이 사용되고 있는데, SRF 또는 Bio-SRF는 인위적으로 발열량을 높일 수 있도록 만들어지며, 발전소나 산업용 보일러 등에서 다양하게 이용된다.
또한, SRF 또는 Bio-SRF와 같은 고형연료의 연소에 효과적인 유동층 연소는, 고온 액체 형태의 질량유동 매체의 움직임으로 인한 교반효과와 축열된 모래의 보유열량으로 연료의 건조, 착화, 연소가 동시에 형성되어서 연소완충효과로 인해 연소상태가 매우 안정적이고 환경오염물질인 일산화탄소(CO)와 질소산화물(NOx)의 발생도 매우 적어지는 특징이 있다.
한편, SRF 또는 Bio-SRF의 연소 과정에서는 필연적으로 연소공기가 필요하며 일반적으로 이러한 연소공기는 연소실 하측에 위치하는 공기주입부를 통해 유동층 부위에 공기가 공급된다. 그러나, SRF 또는 Bio-SRF는 연소과정에서 흩뜨러지면서 연소실 상층부인 Free Board로 비산되게 되고, 이와 같은 상승작용(Carry over)으로 인해서 유동층 내부에서의 연소율이 낮아지게 된다는 문제가 있다.
즉, SRF 또는 Bio-SRF가 연소실 상층부인 Free Board 부근에서 상승작용에 의한 고운 입자들이 연소되도록 하기 위한 연소공기가 추가로 필요한 상황이 되게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연소실 외부 벽체에서 고압의 제트기류 형태로 노즐을 통해 연소공기를 주입하는 방안들이 제시되고 있으나, 이 방안에 의하는 경우에도 고압이 제트기류의 속도에 한계가 있고, 이로 말미암아 중심부까지의 도달하는 것이 제한된다는 문제가 있어 탄소와 결합되기 위한 연소공기가 여전히 부족하다는 문제가 있다.
이와 같은 연소 공기부족에 의해, SRF 또는 Bio-SRF가 연소될 때 발생되는 탄소가 불완전연소하게 되어 일산화탄소(CO) 등이 발생되며, 일산화탄소(CO)를 비롯한 다이옥신과 질소산화물 등의 유해가스들이 대기오염의 원인이 된다는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 SRF 또는 Bio-SRF의 플러프(Fluff) 형태에서 나타나는 상승작용(Carry over)에 의해 SRF 또는 Bio-SRF가 미연소되는 것을 방지하고, 탄소의 불완전연소로 발생되는 일산화탄소(CO)의 생산량을 현저히 감소시켜 연소효율을 증대시켜며, 다이옥신과 질소산화물인 대기오염물질의 발생을 최소화시키기 위한 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 연소실 보일러는, SRF(Soild Recovered Fuel) 또는 Bio-SRF가 연소되며, 유동사의 용융방지를 위한 냉각튜브 및 다수의 수관으로 구성되어 연소열을 흡수하기 위한 측벽수관을 포함하는 연소실; 상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브에 냉각수를 공급하기 위한 공급관; 상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브에서 배출되는 냉각수 및 상기 냉각튜브에서 유동사의 열기가 흡수되어 생성된 증기를 배출하는 배출관; 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF의 연소량을 증가시키고, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 불완전연소되어 발생되는 유해가스량을 줄이기 위해, 상기 연소실 외곽에서 중심 방향으로 연소공기를 공급하는 연소공기 공급부; 및 상기 연소실 내에서 상기 연소공기 공급부 주변에 위치하고, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 캐리오버(Carry Over)되어 미연소되는 것을 방지하며, 상기 냉각수 및 상기 증기가 이동되는 수로를 형성하는 적어도 하나의 연소실 삽입식 덕트;를 포함한다.
또한, 본 실시예에 따른 유동층 연소실 보일러는, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF의 캐리오버(Carry Over)에 의한 미연소를 추가 방지하기 위해, 상기 연소공기 공급부로부터 상기 연소공기를 공급받아 상기 연소공기가 상기 연소실 중심에서 외곽 방향으로 분사될 수 있도록 상기 연소실 삽입식 덕트에 마련되는 적어도 하나의 분사노즐;을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분사노즐은, 상기 연소공기가 상기 연소실 내에 위치된 상기 유동사를 향해 분사되도록, 상기 연소실 삽입식 덕트와 기설정된 각도를 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 측벽수관은 일부 끊어진 영역을 가지고, 상기 끊어진 영역을 기준으로 상측 측벽수관 및 하측 측벽수관으로 구분되며, 상기 연소실 삽입식 덕트는 상기 상측 측벽수관에 연결되는 상측 연장수관 및 상기 하측 측벽수관에 연결되는 하측 연장수관을 포함함으로써, 상기 측벽수관의 수로가 유지되도록 할 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 유동층 연소실 보일러는, 상기 냉각수가 상기 연소실 삽입식 덕트로 이동될 수 있도록, 일측이 상기 공급관과 연결되고, 타측이 상기 연소실 삽입식 덕트와 연결되는 제1 헤더; 및 상기 냉각수 및 상기 증기가 상기 연소실 삽입식 덕트로부터 배출될 수 있도록, 일측이 상기 배출관과 연결되고, 타측이 상기 연소실 삽입식 덕트와 연결되는 제2 헤더;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 헤더 및 상기 제2 헤더는 연소실 외부에서 서로 다른 높이로 평행하게 위치되며, 상기 연소실 삽입식 덕트는, 상기 제1 헤더로부터 상기 측벽수관에 수직되는 방향으로 연장되는 제1 수관, 상기 제1 수관으로부터 상기 측벽수관에 평행한 방향으로 연장되는 제2 수관 및 상기 제2 수관으로부터 상기 측벽수관에 수직되는 방향으로 연장되어 상기 제2 헤더로 연결되는 제3 수관으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 헤더 및 상기 제2 헤더는 상기 연소실 내부를 관통하여 서로 다른 높이로 평행하게 위치되며, 상기 연소실 삽입식 덕트는, 일단이 상기 제1 헤더에 연결되고 적어도 한 차례 절곡된 상태로 타단이 상기 제2 헤더에 연결되는 제4 수관 및 일단이 상기 제1 헤더에 연결되고 적어도 한 차례 절곡된 상태로 타단이 상기 제2 헤더에 연결되는 제5 수관으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 측벽수관은, 다수의 수관이 절곡되도록 형성되되, 상기 연소공기 공급부로부터 연소공기를 전달받을 수 있는 부재가 삽입될 수 있는 공간을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 연소실 삽입식 덕트가 마련되도록 함으로 인해, SRF 또는 Bio-SRF가 상승작용(Carry over)되어 미연소되는 것을 방지함으로써 SRF 또는 Bio-SRF의 연소율을 증가시키고, 연소과정에서 추가로 연소 공기를 연소실 내부로 깊숙이 주입하여 Free Board인 2차 연소실에서의 가스통과 유속이 빨라지도록 하며, 탄소가 연소되기 위한 연소 공기가 연소실 내부로 깊숙하게 충분히 제공되므로 안정적인 화합물인 이산화탄소(CO₂)의 발생량을 증가시키고, 일산화탄소(CO)의 생산량을 현저히 감소시켜 다이옥신과 질소산화물인 대기오염 물질의 발생을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 정면을 설명하기 위한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 측면을 설명하기 위한 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 연소실과 결합되는 모습을 설명하기 위해 제공되는 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 정면을 설명하기 위한 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 측면을 설명하기 위한 단면도, 그리고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소식 삽입식 덕트가 연소실과 결합되는 모습을 설명하기 위해 제공되는 사시도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 특히, 이하에서는 보일러의 전체적인 작동이 아닌 연소실이 작동되는 과정에 대해 중점적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 정면을 설명하기 위한 단면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 측면을 설명하기 위한 단면도, 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 연소실과 결합되는 모습을 설명하기 위해 제공되는 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 연소실 보일러는, 연소실(100), 공급관(200), 배출관(300), 연소공기 공급부(400), 연소실 삽입식 덕트(500), 분사노즐(600), 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)로 구성되며, 유동층 연소실 보일러는, 증기드럼(120), 하강관(130) 및 하부드럼(140)과 연결되도록 구성된다.
연소실(100)은 유동사가 순환되고 SRF(Soild Recovered Fuel) 또는 Bio-SRF가 연소될 때 발생되는 연소열을 이용하여 물을 데우거나 증기를 생산하기 위해 마련되는 것으로, 측벽수관(150) 및 냉각튜브(170)를 포함하여 구성된다.
측벽수관(150)은 연소실(100) 내부의 유동층에서 발생되는 열기를 흡수하기 위해 물로 채워지는 다수의 수관으로 구성되고, 연소실(100)의 네 측면에 위치된다.
도 1 및 도 2는 유동층 연소실의 정면 및 측면의 단면도로서, 이러한 도 1 및 도 2에는 측벽수관(150)이 표현되지 않는 것이 바람직하나 측벽수관(150)의 위치를 설명하기 위해 표현되었다.
열기를 흡수하여 생성된 측벽수관(150)의 물은 도 1에 도시된 바와 같이, 상승관(110)을 통해 증기드럼(120) 내측으로 이동되며, 증기드럼(120)으로 이동된 가열된 물 및 증기는 관로를 거쳐 수요처로 공급되거나 판매된다.
그리고, 증기드럼(120)에서 냉각된 냉각수 및 이물질은 하강관(130)을 통해 증기드럼(120)의 하부에 위치된 하부드럼(140)으로 이동되고, 증기드럼(120)에서 냉각된 냉각수는 하부드럼(140)에서 측벽수관(150)으로 이동되어 연소실(100) 내부의 열기를 흡수하여 재가열된다.
따라서, 측벽수관(150)을 통해 이동되는 물은 이상에서와 같이 상승관(110), 증기드럼(120), 하강관(130) 및 하부드럼(140)을 거쳐 측벽수관(150)으로 재순환됨으로써 가열 및 냉각과정이 반복된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 측벽수관(150)은 연소실 삽입식 덕트(500)를 비롯한 부재들이 측벽수관(150)을 관통하여 연소실 내부로 삽입되기 위한 공간이 마련되기 위해 절단되거나 절곡될 수 있으며, 측벽수관(150)의 절단 또는 절곡으로 마련되는 공간은 연소실(100) 내부로 삽입되는 부재의 형상 및 크기와 동일한 형상 및 크기로 마련된다.
예를 들어 삽입될 부재의 단면이 사각형일 경우, 측벽수관(150)이 절단되거나 절곡되어 마련되는 공간 또한 사각형으로 형성되고, 삽입될 부재의 단면이 오각형일 경우, 측벽수관(150)이 절단되거나 절곡되어 마련되는 공간은 오각형으로 형성된다.
그리고, 측벽수관(150)이 절단되어 끊어진 영역을 가질 경우, 끊어진 영역을 기준으로 상측 측벽수관 및 하측 측벽수관으로 구분되며, 끊어진 영역을 관통하여 연소실(100) 내부로 삽입되는 부재는, 상측 측벽수관과 연결되는 상측 연장수관, 그리고, 하측 측벽수관과 연결되는 하측 연장수관을 구비함으로써, 절단된 측벽수관(150)의 수로가 유지되도록 한다.
냉각튜브(170)는, 유동사가 유동되면서 발생되는 고온의 열을 일부 흡수하여 유동사의 온도를 낮추는 역할을 위한 냉각수가 경유하기 위한 경로로써, 냉각수를 공급관(200)으로부터 공급받고 냉각튜브(170)를 통해 이동되는 냉각수가 유동사의 열기를 흡수할 수 있도록 한다.
또한, 냉각튜브(170)는 냉각수와 유동사의 접촉면적을 넓히기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 유동사 내부에 지그재그 형상으로 마련됨으로써 유동사가 용융되는 것을 방지할 수 있게 되며, 유동사의 열기를 흡수한 냉각수 및 증기는 배출관(300)을 통해 배출된다.
공급관(200)은 증기드럼(120) 내부에 위치된 열교환부를 통해 제공되는 냉각수가 이동되는 경로로써, 연소실(100)의 외부에 위치되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 공급관(200)은 냉각튜브(170) 및 제1 헤더(700)에 냉각수를 공급하기 위해 연소실(100) 하측에서 양분된다.
또한, 공급관(200)에는, 양분된 냉각수가 냉각튜브(170) 및 제1 헤더(700)로 공급되기 위해, 순환펌프(250)가 하나 이상 구비될 수 있다.
한편, 배출관(300)은 연소실(100)의 외부에 위치되며, 연소실(100) 내부의 유동층으로부터 발생되는 열기를 흡수한 냉각수 또는 열기를 통해 생산된 증기가 증기드럼(120)으로 배출되기 위해 마련되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 배출관(300)은 냉각튜브(170) 및 제2 헤더(800)와 연결된다.
연소공기 공급부(400)는 연소실(100) 외부에 위치되고, 연소실(100)의 내부로 공기를 추가로 공급하기 위해 마련된다.
한편, 유동층의 형성에는 연소 공기의 정압과 유속이 중요한 변수이며, 공기량이 증가할수록 입자의 층팽창이 일어나 유동사와 SRF 또는 Bio-SRF의 혼합이 활발해진다. 또한, 유량을 더욱 증가시키면 층표면의 경계가 흐릿해지며 난류층이 발생된다. 이와 같이 연소실(100) 내부에 유동층을 형성하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각튜브(170) 하단에는 유동사 및 SRF 또는 Bio-SRF로 1차적으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급부(450)가 마련되는데, 이때 공급되는 공기에 의해 유동사와 SRF 또는 Bio-SRF가 혼합되고 연소된다.
하지만, 공기 공급부(450)를 통해 공급되는 공기는 유동 및 연소에 주로 사용되고 이러한 유량을 무한정 증가시킬 수 없으므로, 유동층에서는 유동이 필요한 최소 공기량으로 SRF 또는 Bio-SRF가 연소되고 유동층 상부인 프리보드(Free Board)에서 재차 연소공기를 주입하여 탄소와 결합을 하게 하는 작용을 해야 한다.
다만, 전술한 바와 같이, 연소실 외부에서 연소 공기 노즐을 통해 제트기류 형태로 연소실 중앙부까지 연소공기가 미치지 못해, 탄소의 불완전 연소로 인해 일산화탄소(CO)가 발생되고, 다이옥신과 질소산화물인 대기오염 물질이 증가하게 된다는 문제가 있다.
연소공기 공급부(400)는 이러한 문제를 해결하기 위해 구비되는데, 연소공기 공급부(400)의 존재로 인해, 유동층 상부연소실의 프리보드(Free Board) 근처의 유속이 증가되고, SRF 또는 Bio-SRF가 연소되기 위한 연소공기가 제공되는 것뿐만 아니라, SRF 또는 Bio-SRF가 연소될 때 발생되는 탄소와 결합될 연소공기가 충분하게 깊숙이 제공되게 된다. 이에 따라 일산화탄소(CO)의 생산을 미연에 방지할 수 있게 되는 것은 물론, 완전연소된 이산화탄소(CO₂)가 생산되어 대기오염을 최소화하게 된다.
한편, 연소실 삽입식 덕트(500)는, SRF 또는 Bio-SRF가 캐리오버(Carry Over)되어 미연소되는 것을 방지하여, SRF 또는 Bio-SRF의 연소율을 높이고, 연소실(100) 내부의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지하기 위해 마련되는 것으로, 연소실(100)의 내부에 위치되며 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3 수관(530)으로 구성된다.
전술한 바와 같이 유동층의 형성에는 연소 공기의 정압과 유속이 중요한 변수인데, 연소실(100) 외부에 연소공기 공급부(400)가 구비됨으로써 유량 증대에 따른 유속이 증가되어 유동층의 층표면의 경계가 흐릿해지며 유동사와 SRF 또는 Bio-SRF의 혼합이 더욱 격렬해지며 난류층이 형성된다는 장점이 있다.
하지만, 이러한 난류 유동화에 의해, 작은 입자가 비산되어 연소실 밖으로 배출되기는 것은 오히려 쉬워지게 되는데, 플러프화(Fluff)된 SRF 또는 Bio-SRF의 캐리오버(Carry Over)로 인해 연소실(100) 상부로 비산되어, 연소되어야 할 SRF 또는 Bio-SRF의 공급량이 줄어들어 유동층에서의 연소율은 낮아지게 되고, 미연소된 탄소 및 플러프화 된 SRF 또는 Bio-SRF 입자가 비산되어 연소실 밖으로 배출된다는 문제가 있다.
연소실 삽입식 덕트(500)는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 연소실 삽입식 덕트(500)가 연소실(100) 내의 연소공기 공급부(400) 주변에 위치되어, 연소공기 공급부(400)로부터 추가공급되는 공기의 흐름이 방해되지 않되 연소실의 프리보드(Free Board)의 유속은 증가될 수 있도록 하고, 프리보드에서 2차 연소 공기와 미연소된 탄소의 재연소가 원활히 이루어져, 미연소된 탄소 및 SRF 또는 Bio-SRF 입자가 연소실(100) 상부로 비산되는 것을 방지하게 된다. 프리보드는 광의의 개념으로는 유동층의 상부를 의미한다.
또한, 연소실 삽입식 덕트(500)는 제1 헤더(700)를 통해 냉각수를 공급받고, 연소실(100) 내부의 열기를 흡수한 냉각수 및 증기를 제2 헤더(800)를 통해 배출되도록 마련되며, 이를 위해 하나 이상의 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3수관(230)으로 구성된다.
제1 수관(510)은 일측이 제1 헤더(700)와 연결되어 측벽수관(150)에 수직되는 방향으로 연장되어 타측이 제2 수관(520)과 연결되도록 마련되고, 제2 수관(520)은 일측이 제1 수관(510)과 연결되어 측벽수관(150)과 평행한 방향으로 기설정된 높이만큼 연장되어 타측이 제3 수관(230)과 연결되도록 마련되며, 제3 수관(230)은 일측이 제2 수관(520)과 연결되어 측벽수관(150)과 평행한 방향으로 연장되어 타측이 제2 헤더(800)와 연결된다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 수관(510), 제2 수관(520), 제3 수관(530)은 서로 'ㄷ'자와 유사하게 연결되어 연소실 삽입식 덕트(500)를 구성하고, 연소실 내에는 연소실 삽입식 덕트(500)가 하나 이상 구비되어 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)의 길이방향으로 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 미도시 되었으나, 연소실(100)의 내부에서 생성되는 증기 및 비산되는 SRF 또는 Bio-SRF가 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3 수관(530)으로 둘러싸인 공간으로 유입되는 것이 방지되도록 하기 위해, 연소실 삽입식 덕트(500)는 별도의 판형 부재 또는 관로를 추가로 마련하여 가림막으로 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 수관(520)은 제1 수관(510)과 제3 수관(530) 사이에 하나만 구비되는 것으로 상정하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시적 사항에 불과하며, 냉각수가 연소실(100) 내부의 열기를 흡수하여 생성되는 증기 또는 냉각수의 원활한 이동을 위해, 사다리와 유사한 형태로 제1 수관(510)과 제3 수관(530) 사이에 다수의 제2 수관(520)이 위치될 수 있으며, 이와 같이 다수의 제2 수관(520)이 마련되도록 구현되는 경우에도 본 발명의 기술적 범위 내에 있다고 볼 것이다.
분사노즐(600)은 SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소가 연소실(100) 상부로 비산되어 불완전연소되는 것을 추가로 방지하기 위해 제공되는 것으로, 연소실 삽입식 덕트(500)에 위치되고, 연소공기 공급부(400)로부터 연소공기를 공급받아 연소공기를 분사한다.
분사노즐(600)은 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3 수관(530)으로 둘러싸인 공간의 내부에 마련되는 별도의 부재를 통해 연소공기 공급부(400)와 연결될 수 있다.
또한, 도 3에서는 복수의 제1 수관(510)의 사이에 분사노즐(600)이 위치되는 것으로 상정하였으나, 복수의 제2 수관(520)들의 사이 및 복수의 제3 수관(530)들의 사이에도 분사노즐(600)이 위치될 수 있다.
분사노즐(600)은 연소공기 공급부(400)와 연결되어 연소공기 공급부(400)로부터 연소공기를 공급받는데, 이러한 분사노즐(600)은 지평면 대비 기설정된 각도로 하방향을 향하도록 마련된다.
일 예로, 분사노즐(600)은 복수의 제3 수관(530)이 모여 생성된 면을 기준으로 하방향으로 15도 내지 30도의 각도를 가지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 기설정된 각도를 가지도록 하방향으로 조준됨으로 인해, SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소가 연소실(100) 상부로 비산될 때, 분사노즐(600)에서 분사된 연소공기가 상승하는 입자들에 분사압력을 가할 수 있게 되며, 분사압력이 가해진 SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소는 하부로 하강될 수 있게 된다.
즉, SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소는, 연소실 삽입식 덕트(500)의 존재에 의해 1차적으로 비산이 방지되게 되고, 분사노즐(600)에서 분사되는 연소공기에 의해 2차적으로 비산이 방지되게 된다.
이상에서와 같이 분사노즐(600)을 통해 분사되는 연소공기로 인해 미연소된 탄소 및 불완전된 일산화탄소(CO)가 하부로 하강되고 유동층과 혼합되는 것은 물론, 유동층에는 충분한 공기가 공급됨으로써, 미연소된 탄소는 공기분자와 결합되어 완전연소의 생성물인 이산화탄소(CO₂)가 생성되고, 탄소의 불완전연소로 인해 생성된 일산화탄소는 분사노즐(600)을 통해 공급되는 연소공기와 결합되어 이산화탄소(CO₂)로 치환되기 때문에 대기오염이 감소될 수 있다.
그리고, 분사노즐(600)을 통해 연소공기가 공급되면, 공급된 공기 중에 포함된 질소가 연소실(100) 내부의 고온에서 산화되어 질소산화물(NOX)이 발생되는데, 질소산화물(NOX)이 외부로 배출될 경우 태양광선과 반응하여 오존을 생성시키게 되지만, 연소실(100) 내부 중앙에 위치된 연소실 삽입식 덕트(500)에 마련된 분사노즐(600)을 통해 연소실(100) 내부에 연소공기를 분사하게 되므로 공급된 연소공기의 적절한 혼합과 동시에 과잉공기량이 감소함에 따라, 질소산화물의 발생량이 감소하게 된다.
그리고, 이상에서와 같은 분사노즐(600)과 연소공기 공급부(400)의 상호작용을 통해 연소실(100) 내부는 고온 액체형태의 질량 유동매체의 움직임으로 인한 교반효과와 축열된 모래의 보유 열량으로 인한 유동층에서 연료가 연소되기에 적정한 온도를 유지할 수 있게 되어 다이옥신의 생성 및 발생을 방지할 수 있게 된다.
도시된 예에서는 연소실 삽입식 덕트(500)가 두번 절곡되어 제1 수관(510) 및 제3 수관(530)이 하나의 측벽수관(150)을 관통하고 연소실(100) 내부로 삽입되고는 것으로 상정하였으나, 설명의 편의를 위한 예시적 사항에 불과하며, 제1 수관(510)과 제3 수관(530)이 각각 다른 측벽수관(150)을 관통하여 마련되거나, 연소실 삽입식 덕트(500)가 절곡되지 않거나 네번 이상 절곡되도록 형성되더라도 본 발명의 기술적 범위 내에 있다고 볼 것이다.
예를 들어 본 실시예에서는 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3 수관(530)이 전체적으로 'ㄷ'자와 유사한 형태를 가지도록 형성되었으나, 제1 수관(510), 제2 수관(520) 및 제3 수관(530)이 'ㄹ'자와 유사한 형태를 가지도록 형성되는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있다.
또한, 연소실 삽입식 덕트(500)가 공급관(200) 및 배출관(300)과 연결되지 않고, 연소공기 공급부(400)와 연결되도록 하여 연소실 삽입식 덕트(500)로 직접 연소공기가 공급되고, 연소공기가 분사노즐(600)을 통해 공급되도록 구현되는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있을 것이다.
그리고, 연소실 삽입식 덕트(500)에 분사노즐(600)이 마련될 때 제1 수관(510), 제2 수관(520), 제3 수관(530) 및 분사노즐(600) 간에 이격된 공간이 있을 경우, 이격된 공간으로 미연소된 탄소 및 비산된 SRF 또는 Bio-SRF가 유입되지 않도록, 이격된 공간이 발생되지 않도록 구현할 수도 있음은 물론이다.
한편, 제1 헤더(700)는 연소실(100) 내부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위한 냉각수를 공급관(200)으로부터 공급받아 제1 수관(510)으로 공급해주는 역할을 위한 것으로, 연소실(100)의 외부에서 제2 헤더(800)와 다른 높이로 평행하게 위치되고 제2 헤더(800) 하단에 위치되며, 일측이 공급관(200)과 연결되고, 타측이 연소실 삽입식 덕트(500)와 연결된다.
제2 헤더(800)는 연소실 삽입식 덕트(500)를 경유하여 열기를 흡수한 냉각수 및 냉각수의 열기 흡수를 통해 생성된 증기를 연소실 삽입식 덕트(500) 외부로 배출하기 위해 마련되는 것으로, 연소실(100)의 외부에서 제1 헤더(700)와 다른 높이로 평행하게 위치되고 제1 헤더(700) 상단에 위치되며, 일측이 배출관(300)과 연결되고 타측이 연소실 삽입식 덕트(500)와 연결된다.
도 2에 도시된 예에서는 제1 헤더(700)가 제2 헤더(800) 하단에 위치되고, 제2 헤더(800)가 제1 헤더(700) 상단에 위치하여 서로 평행하도록 마련되는 것으로 상정하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시적 사항에 불과하여 제1 헤더(700)가 제2 헤더(800) 상단에 위치되는 경우에도 본 발명의 범위 내에 있다고 볼 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 정면도, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러의 정면도, 그리고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소식 삽입식 덕트가 연소실과 결합되는 모습을 설명하기 위해 제공되는 사시도이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트가 구비된 유동층 연소실 보일러는, 연소실(100), 공급관(200), 배출관(300), 연소공기 공급부(400), 연소실 삽입식 덕트(500), 분사노즐(600), 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)로 구성된다.
이상에서의 구성 중 연소실 삽입식 덕트(500), 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)를 제외한 나머지 구성들은 모두 전술한 일 실시예에 따른 유동층 연소실 보일러와 동일하거나 이로부터 충분히 유추가능한 바, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소실 삽입식 덕트(500)는 제1 헤더(700)를 통해 냉각수를 공급받아 분사노즐(600)로 냉각수가 공급되도록 마련되고 연소실(100) 내부의 열기를 흡수한 냉각수 및 증기를 제2 헤더(800)를 통해 배출되도록 마련되며, 이를 위해 제4 수관(540) 및 제5 수관(550)으로 구성된다.
제4 수관(540) 및 제5 수관(550)은 서로 대칭되도록 형성되고, 일단이 제1 헤더(700)와 연결되고, 타단이 제2 헤더(800)와 연결되며, 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)와 연결될 때 적어도 한차례 절곡되도록 형성된다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 정육각형의 형상을 갖도록 마련될 경우를 예로 들면, 제1 헤더(700)와 제4 수관(540)은 60도를 유지하면서, 제1 헤더(700)로부터 제4 수관(540)은 제1 헤더(700)와 제2 헤더(800) 간의 높이의 1/3 길이만큼 60도의 각도를 유지하며 연장되고, 1/3 길이만큼 연장된 후 제2 헤더(800)를 향하여 120도로 절곡되어 제1 헤더(700)와 제2 헤더(800) 간의 높이의 1/3 길이만큼 연장되며, 다시 한번 제2 헤더(800)를 향하여 120도로 절곡됨으로써 제2 헤더(800)와 연결되게 된다. 제5 수관(550)은 제1 헤더(700) 및 제2 헤더(800)를 기준으로 제4 수관(540)과 대칭되므로 이상으로부터 충분히 유추가능한 바, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서와 같은 형상은 연소실 삽입식 덕트(500)의 하단이 판형의 평면으로 마련될 경우 SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소가 연소실(100) 상부로 비산될 때, SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소가 연소실 삽입식 덕트(500)의 하단에서 정체된 상태로 더 이상 비산되지 않아 연소공기 공급부(400) 및 분사노즐(600)에서 분사되는 연소 공기와 미반응되는 것을 방지할 수 있게 한다.
물론, 이상에서는 연소실 삽입식 덕트(500)가 정육각형으로 마련되는 것으로 상정하였으나 이는 설명의 편의를 위한 예시적 사항에 불과하며, SRF 또는 Bio-SRF 입자 및 미연소된 탄소가 연소실(100) 상부로 비산될 때, 연소공기 공급부(400) 및 분사노즐(600)에서 분사되는 연소 공기와 반응되지 않는 사각지대를 제거하기 위해서 다른 형상으로 마련되도록 구현되는 경우도 본 발명의 범위 내에 있다고 볼 것이다.
제1 헤더(700)는 연소실(100) 내부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위한 냉각수를 공급관(200)으로부터 공급받아 제4 수관(540) 및 제5 수관(550)으로 공급해주는 역할을 위한 것으로, 연소실(100)의 내부를 관통하여 제2 헤더(800)와 다른 높이로 평행하게 위치되고 제2 헤더(800) 하단에 위치되며, 일단이 공급관(200)과 연결되고, 타단은 제4 수관(540) 및 제5 수관(550)과 연결된다.
제2 헤더(800)는 제4 수관(540) 및 제5 수관(550)을 경유하여 열기를 흡수한 냉각수 및 열기를 흡수한 냉각수를 통해 생성된 증기를 연소실 삽입식 덕트(500) 외부로 배출하기 위해 마련되는 것으로, 연소실(100)의 내부를 관통하여 제1 헤더(700)와 다른 높이로 평행하게 위치되고, 제1 헤더(700) 상단에 위치되며, 일단이 배출관(300)과 연결되고 타단은 제4 수관(540) 및 제5 수관(550)과 연결된다.
한편, 분사노즐(600)은, 복수의 제4 수관(540)들 사이의 간격에 위치되고, 전술한 바와 같이 유동층을 향해 제1 헤더(700)와 15도 내지 30도의 각도를 이루도록 마련될 수 있다.
또한, 분사노즐(600)은 도 4에 도시된 바와 같이, 연소실(100) 외부에 위치된 연소공기 공급부(400)로부터 공급되는 연소공기와 동일한 높이에서 연소공기가 공급될 수 있도록 연소공기 공급부(400)와 동일한 높이에 분사노즐(600)을 추가로 더 구비할 수도 있다. 이를 통해, 미연소된 탄소 및 캐리오버(Carry Over)되는 SRF 또는 Bio-SRF의 연소율이 높아지게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기수분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100 : 연소실 110 : 상승관
120 : 증기드럼 130 : 하강관
140 : 하부드럼 150 : 측벽수관
200 : 공급관 250 : 순환펌프
300 : 배출관 400 : 연소공기 공급부
450 : 공기 공급부 500 : 연소실 삽입식 덕트
510 : 제1 수관 520 : 제2 수관
530 : 제3 수관 540 : 제4 수관
550 : 제5 수관 600 : 분사노즐
700 : 제1 헤더 800 : 제2 헤더

Claims (8)

  1. SRF(Soild Recovered Fuel) 또는 Bio-SRF가 연소되며, 유동사의 용융방지를 위한 냉각튜브 및 다수의 수관으로 구성되어 연소열을 흡수하기 위한 측벽수관을 포함하는 연소실;
    상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브에 냉각수를 공급하기 위한 공급관;
    상기 연소실의 외부에 위치되고, 상기 냉각튜브에서 배출되는 냉각수 및 상기 냉각튜브에서 유동사의 열기가 흡수되어 생성된 증기를 배출하는 배출관;
    상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF의 연소량을 증가시키고, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 불완전연소되어 발생되는 유해가스량을 줄이기 위해, 상기 연소실 외곽에서 중심 방향으로 연소공기를 공급하는 연소공기 공급부;
    상기 연소실 내부의 열기를 흡수하여 상기 증기를 추가로 생성하기 위해 상기 냉각수를 공급받아 이동시키는 수로를 포함하고, 상기 연소실 내부의 온도가 기설정된 온도를 초과하여 상승하는 것을 방지함으로써 질소산화물의 발생량이 기설정된 발생량을 초과하지 않도록 하며, 상기 연소실 내에서 상기 연소공기 공급부 주변에 위치하고, 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 캐리오버(Carry Over)되어 미연소됨으로써 미반응가스가 생성되는 것을 방지하는 적어도 하나의 연소실 삽입식 덕트;
    상기 냉각수가 상기 연소실 삽입식 덕트로 이동될 수 있도록, 일측이 상기 공급관과 연결되고, 타측이 상기 연소실 삽입식 덕트와 연결되는 제1 헤더; 및
    상기 연소실 삽입식 덕트에서 배출되는 냉각수 및 상기 증기가 배출되도록, 일측이 상기 배출관과 연결되고, 타측이 상기 연소실 삽입식 덕트와 연결되는 제2 헤더;를 포함하며,
    상기 연소실의 내부는 상기 미반응가스의 흐름 방향에 대한 단면이 일정하도록, 벤추리 형상 이외의 형상으로 형성되며,
    상기 측벽수관은,
    다수의 수관으로 형성되면서 일부 끊어진 영역을 가지고, 상기 끊어진 영역을 기준으로 상측 측벽수관 및 하측 측벽수관으로 구분되며, 상기 끊어진 영역을 통해 상기 연소공기 공급부로부터 연소공기를 전달받을 수 있는 부재가 삽입 및 이탈될 수 있는 공간을 가지도록 형성되고,
    상기 연소실 삽입식 덕트는,
    상기 끊어진 영역을 통해 상기 연소실 내부로 삽입되되, 상기 제1 헤더로부터 상기 측벽수관에 수직되는 방향으로 연장되는 복수의 제1 수관들, 상기 복수의 제1 수관들로부터 상기 측벽수관에 평행한 방향으로 연장되는 복수의 제2 수관들 및 상기 복수의 제2 수관들로부터 상기 측벽수관에 수직되는 방향으로 연장되어 상기 제2 헤더로 연결되는 복수의 제3 수관들로 구성되어 상기 측벽수관의 수로가 유지되도록 하며,
    상기 복수의 제1 수관들 각각의 사이의 공간 중 일부, 상기 복수의 제2 수관들 각각의 사이의 공간 중 일부 및 상기 복수의 제3 수관들 각각의 사이의 공간 중 일부에는 상기 SRF 또는 상기 Bio-SRF가 캐리오버(Carry Over)되어 미연소됨으로써 상기 미반응가스가 생성되는 것을 추가 방지하기 위해, 상기 연소공기 공급부로부터 상기 연소공기를 공급받아 상기 연소공기가 분사될 수 있도록 하는 적어도 하나의 분사노즐이 마련되며,
    상기 복수의 제1 수관들 각각의 사이의 공간 중 나머지 일부, 상기 복수의 제2 수관들 각각의 사이의 공간 중 나머지 일부 및 상기 복수의 제3 수관들 각각의 사이의 공간 중 나머지 일부는, 상기 미반응가스가 통과하고 상기 미반응가스와 상기 연소공기가 결합되어 치환된 반응가스가 통과할 수 있도록 개방된 상태로 마련되는 것을 특징으로 하는 유동층 연소실 보일러.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분사노즐은,
    상기 연소공기가 상기 연소실 내에 위치된 상기 유동사를 향해 분사되도록, 상기 연소실 삽입식 덕트와 기설정된 각도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 연소실 보일러.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 헤더 및 상기 제2 헤더는 상기 연소실 내부를 관통하여 서로 다른 높이로 평행하게 위치되며,
    상기 연소실 삽입식 덕트는,
    일단이 상기 제1 헤더에 연결되고 적어도 한 차례 절곡된 상태로 타단이 상기 제2 헤더에 연결되는 제4 수관 및 일단이 상기 제1 헤더에 연결되고 적어도 한 차례 절곡된 상태로 타단이 상기 제2 헤더에 연결되는 제5 수관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유동층 연소실 보일러.
  8. 삭제
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