KR101497374B1 - 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너 - Google Patents

미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너 Download PDF

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KR101497374B1
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oxidant
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변용수
전동환
정석우
라호원
김상도
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고등기술연구원연구조합
한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 석탄슬러리가 분사되는 1차 및 2차 산화제와의 순차적이면서 연속적인 혼합에 의해 미립화되어 선회 형태로 분사됨으로써 석탄슬러리와 산화제가 균일하게 혼합되어 분사되도록 하고, 이로 인해 가스화기 내부로 분사되는 석탄슬러리의 반응성을 향상시킬 수 있는 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너는 석탄슬러리가 공급되도록 마련되는 석탄슬러리공급라인; 1차 산화제가 공급되도록 마련되는 1차 산화제공급라인; 2차 산화제가 공급되도록 마련되는 2차 산화제공급라인; 상기 석탄슬러리공급라인으로부터 공급되는 석탄슬러리가 상기 1차 산화제공급라인으로부터 분사되는 1차 산화제와 혼합되어 미립화되도록 마련되는 1차 혼합부; 상기 1차 혼합부에 의해 미립화된 석탄슬러리가 상기 2차 산화제공급라인으로부터 분사되는 2차 산화제와 혼합되도록 마련되는 2차 혼합부; 및 상기 2차 혼합부에 의해 혼합된 석탄슬러리와 2차 산화제가 재차 혼합을 위해 선회 형태로 분사되도록 마련되는 선회기를 포함한다.

Description

미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너{atomization and swirl mixture type coal slurry burner}
본 발명은 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 석탄슬러리가 산화제와 균일하게 혼합되어 분사되도록 구성된 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너에 관한 것이다.
일반적으로 석탄 가스화 기술은 석탄을 직접 연소하지 않고, 고온 및 고압 조건에서 가스화 반응을 통해 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 합성가스를 제조하는 기술로서, 이러한 가스화 기술을 통하여 석탄을 고효율이면서 환경적으로 청정하게 이용할 수 있다. 석탄 가스화는 선진국에서 상업화를 위한 연구가 진행되고 있는며, 크게 건조 및 분쇄된 미분탄을 질소가스를 이용하여 공급하는 건식 가스화 방식과, 물과 혼합하여 석탄 슬러리로 제조한 후 공급하는 습식 가스화 방식으로 구분할 수 있다.
습식 가스화는 1,400~1,600℃ 정도의 고온, 20~60 기압(atm)의 고압 상태에서 운전이 이루어지는데, 높은 온도와 압력 조건에서 운전되는 습식 가스화기의 안정적인 운전을 위해서는 연료 공급시스템인 버너가 핵심기술 중 하나라고 할 수 있다. 그리고 이와 같이 습식 가스화기에 사용되는 석탄 슬러리 버너는 석탄 슬러리 액적의 미립화와 슬러리와 산화제의 혼합이 가스화 반응에 매우 중요한 영향을 미친다.
종래의 가스화용 버너로는 한국공개특허 제10-2013-0053764호의 프리-믹스 형태의 고온-고압용 습식 분류층 가스화기용 버너가 있다. 이는 프리-믹스 형태의 고온-고압용 습식 분류층 가스화기용 버너에 관한 것으로, 버너몸체의 내부로 산화제를 분사하는 제 1노즐공을 통해 석탄 슬러리를 운동성 액적 상태로 활성화시켜 석탄 슬러리의 막힘 현상을 방지하고, 또한 버너몸체의 단부로 노출되어 산화제를 분사하는 제 2노즐공에 탈착 가능하게 노즐 결합체를 결합시켜 석탄 슬러리의 농도 및 기타 조건에 따라 다양한 각도를 갖는 노즐결합체를 교체하여 가스화 반응기의 내부에서 점화되는 석탄 슬러리의 미립화도를 향상시킬 수 있다.
또한 종래의 가스화용 버너로는 한국공개특허 제10-1992-0004770호의 슬러리 버너가 있다. 이는 슬러리 상태의 연료가 관통하여 공급되는 연료 공급 구멍 및 스프레이 매체가 관통하여 공급되는 스프레이 매체 공급 구멍을 포함하는 버너 플러그, 연료를 분배시키기 위해 마련되는 연료 분배 격실, 및 연료 분배 격실로부터 공급되는 연료와 버너 플러그의 스프레이 매체 공급 구멍으로부터 공급되는 스프레이 매체를 혼합하기 위해 마련되는 다수의 제1혼합 격실을 포함하는 버너판, 및 상기 버너판의 제1혼합 격실로부터 수납된 연료와 스프레이 매체의 혼합물을 혼합하기 위해 버너 선단 및 버너판상에 마련된 제2혼합 격실 및 혼합물이 슬러리 버너로부터 관통하여 스프레이되는 다수의 노즐을 포함하는 버너 선단으로 구성되고, 제1혼합 격실이 혼합물이 유동되는 각각의 축선을 가지며 각각의 축선이 제2혼합 격실내에서 서로 교차되도록 경사된다.
이와 같은 종래 기술들을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 일 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너를 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 일 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너(10)는 석탄 슬러리와 산화제를 버너 외부에서 충돌시켜 미립화하는 방식의 버너로서, 석탄 슬러리 공급부(11), 1차 산화제 공급부(12) 및 2차 산화제 공급부(13)로 구성되고, 석탄 슬러리 분사 노즐(14)과 산화제 분사 노즐(15)로 구성된다.
그러나 종래의 일 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너(10)는 버너 노즐 외부에서 석탄 슬러리와 산화제가 충돌하여 미립화 및 혼합되는 형태의 단순한 구조를 가지며, 미립화 및 혼합이 동시에 이루어지므로, 혼합의 효과가 떨어지는 문제점이 있어 혼합 효과를 높이도록 하는 개선이 필요하였다.
도 2는 종래의 다른 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너를 도시한 측면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 다른 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너(20)는 석탄 슬러리 공급부(21)와 증기 공급부(22)로 구성되고, 석탄 슬러리와 증기의 1차 혼합부(23), 혼합된 석탄 슬러리 유입부(24), 석탄 슬러리 분사 노즐(25), 그리고 2차 혼합부(26)로 구성된다.
그러나 종래의 다른 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너(20)는 버너 노즐 내부에서 석탄 슬러리와 증기가 1차로 충돌하여 혼합이 이루어지고, 2차 혼합부(26)에서 추가로 내부에서 혼합된 후 석탄 슬러리 분사 노즐(25)로 공급하는 형태로서, 분사되는 석탄 슬러리에 의해 노즐 홀에서 높은 차압이 발생하며, 재질의 침식을 일으키는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 석탄슬러리가 산화제와 균일하게 혼합되어 분사되도록 함으로써 가스화기 내부로 분사되는 석탄슬러리의 반응성을 향상시키도록 하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 석탄 슬러리 버너에 있어서, 석탄슬러리가 공급되도록 마련되는 석탄슬러리공급라인; 1차 산화제가 공급되도록 마련되는 1차 산화제공급라인; 2차 산화제가 공급되도록 마련되는 2차 산화제공급라인; 상기 석탄슬러리공급라인으로부터 공급되는 석탄슬러리가 상기 1차 산화제공급라인으로부터 분사되는 1차 산화제와 혼합되어 미립화되도록 마련되는 1차 혼합부; 상기 1차 혼합부에 의해 미립화된 석탄슬러리가 상기 2차 산화제공급라인으로부터 분사되는 2차 산화제와 혼합되도록 마련되는 2차 혼합부; 및 상기 2차 혼합부에 의해 혼합된 석탄슬러리와 2차 산화제가 재차 혼합을 위해 선회 형태로 분사되도록 마련되는 선회기를 포함하는 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너가 제공된다.
상기 석탄슬러리공급라인이 중심에 마련되고, 상기 1차 산화제공급라인이 상기 석탄슬러리공급라인의 주위에 마련되며, 상기 2차 산화제공급라인이 상기 1차 산화제공급라인의 주위에 마련되는 버너본체를 더 포함할 수 있다.
상기 버너본체는 냉각수가 순환 공급되는 냉각부가 상기 2차 산화제공급라인의 주위에 마련될 수 있다.
상기 1차 혼합부는 상기 석탄슬러리공급라인에 연결되도록 상기 버너본체의 중심부에 마련되고, 상기 1차 산화제공급라인이 1차 산화제를 제 1 분사홀을 통해서 중심으로 분사하도록 경사지게 연결될 수 있다.
상기 2차 혼합부는 상기 1차 혼합부로부터 확관되도록 확관부가 형성되고, 상기 확관부에 상기 2차 산화제공급라인으로부터 2차 산화제가 분사되기 위한 제 2 분사홀이 다수로 형성될 수 있다.
상기 제 2 분사홀은 상기 2차 혼합부의 길이방향을 기준으로 5~10°로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 선회기는 미립화된 석탄슬러리가 2차 산화제와 함께 혼합되어 분사되기 위한 노즐이 선회중심의 둘레에 다수로 배열되도록 형성되되, 상기 노즐 각각이 선회중심으로부터 반경방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 석탄 슬러리 버너에 있어서, 석탄슬러리가 공급되도록 마련되는 석탄슬러리공급라인; 1차 산화제가 공급되도록 마련되는 1차 산화제공급라인; 및 2차 산화제가 공급되도록 마련되는 2차 산화제공급라인을 포함하고, 상기 석탄슬러리공급라인으로부터 공급되는 석탄슬러리가 상기 1차 및 2차 산화제공급라인으로부터 각각 분사되는 1차 및 2차 산화제와 순차적으로 혼합 및 미립화되고, 선회기에 의해 재차 혼합되어 선회 형태로 분사되는 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너가 제공된다.
본 발명에 따르면, 석탄슬러리가 분사되는 1차 및 2차 산화제와의 순차적이면서 연속적인 혼합에 의해 미립화되어 선회 형태로 분사됨으로써 석탄슬러리와 산화제가 균일하게 혼합되어 분사되도록 하고, 이로 인해 가스화기 내부로 분사되는 석탄슬러리의 반응성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 일 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너를 도시한 측단면도.
도 2는 종래의 다른 실시례에 따른 석탄 슬러리 버너를 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너를 도시한 측단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너를 도시한 정면도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너를 도시한 측단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너(100)는 석탄슬러리공급라인(110), 1차 및 2차 산화제공급라인(120,130)을 포함하고, 석탄슬러리공급라인(110)으로부터 공급되는 석탄슬러리가 1차 및 2차 산화제공급라인(120,130)으로부터 각각 분사되는 1차 및 2차 산화제와 순차적으로 혼합 및 미립화되고, 선회기(swirler; 160)에 의해 재차 혼합되어 선회 형태로 분사된다.
본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너(100)는 석탄슬러리가 1차 및 2차 산화제와 각각 혼합되기 위한 1차 및 2차 혼합부(140,150)를 더 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시례에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너(100)는 예컨대 고온 및 고압으로 운전되는 습식 석탄 가스화기 내에 석탄슬러리와 산화제로서 산소를 공급하여 가스화 반응이 이루어지도록 하는데 사용될 수 있다.
석탄슬러리공급라인(110)은 외부의 석탄슬러리공급부로부터 석탄슬러리가 공급되도록 버너본체(170) 내에 마련될 수 있다.
1차 산화제공급라인(120)은 외부의 산화제공급부로부터 1차 산화제, 예컨대 산소가 공급되도록 버너본체(170) 내에 마련될 수 있다.
2차 산화제공급라인(130)은 외부의 산화제공급부로부터 2차 산화제, 예컨대 산소가 공급되도록 버너본체(170) 내에 마련될 수 있다.
1차 혼합부(140)는 석탄슬러리공급라인(110)으로부터 공급되는 석탄슬러리가 1차 산화제공급라인(120)으로부터 분사되는 1차 산화제와 충돌에 의해 혼합되어 미립화되도록 버너본체(170) 내에 마련될 수 있다. 1차 혼합부(140)는 예컨대 석탄슬러리공급라인(110)에 연결되도록 버너본체(170)의 중심부에 마련될 수 있고, 1차 산화제공급라인(120)이 1차 산화제를 제 1 분사홀(121)을 통해서 중심으로 분사하도록 경사지게 연결될 수 있다. 여기서 제 1 분사홀(121)은 1차 혼합부(140)의 일측 중심 둘레를 따라 서로 간격을 두고서 다수로 형성될 수 있다.
2차 혼합부(150)는 1차 혼합부(140)에 의해 미립화된 석탄슬러리가 2차 산화제공급라인(130)으로부터 분사되는 2차 산화제와 혼합되도록 버너본체(170) 내에 마련될 수 있고, 미립화된 석탄슬러리가 2차 산화제와의 충돌에 의해 2차로 미립화되어 균일한 혼합이 이루어지도록 한다.
2차 혼합부(150)는 예컨대 1차 혼합부(140)로부터 확관되도록 확관부(151)가 형성될 수 있고, 확관부(151)에 2차 산화제공급라인(130)으로부터 2차 산화제가 분사되기 위한 제 2 분사홀(131)이 다수로 형성될 수 있다. 여기서 제 2 분사홀(131)은 확관부(151)에 중심의 둘레를 따라 다수로 형성될 수 있고, 나아가서 길이방향을 따라 다수로 배열되도록 형성될 수 있다. 또한 제 2 분사홀(131)은 2차 산화제와 석탄슬러리와의 충돌로 인한 혼합 효율을 높임과 동시에 분사력을 높이도록 2차 혼합부(150)의 길이방향을 기준으로 5~10°의 각도(θ)로 경사지게 형성될 수 있다.
버너본체(170)는 예컨대 본 실시례에서처럼 단일의 석탄슬러리공급라인(110)이 중심에 마련될 수 있고, 1차 산화제공급라인(120)이 석탄슬러리공급라인(110)의 주위에 마련될 수 있으며, 2차 산화제공급라인(130)이 1차 산화제공급라인(120)의 주위에 마련될 수 있다. 또한 버너본체(170)는 1차 산화제공급라인(120)이 석탄슬러리공급라인(110)의 주위에 단일로 마련되거나, 석탄슬러리공급라인(110)의 주위를 따라 다수로 마련될 수 있으며, 2차 산화제공급라인(130)이 1차 산화제공급라인(120)의 주위에 단일로 마련되거나, 1차 산화제공급라인(120)의 주위를 따라 다수로 마련될 수 있다.
버너본체(170)는 냉각을 위하여, 외부의 냉각수순환공급부로부터 공급되는 냉각수가 순환 공급되는 냉각부(171)가 2차 산화제공급라인(130)의 주위에 마련될 수 있다. 여기서 냉각부(171)는 냉각수순환라인으로 이루어지거나, 냉각수순환라인이 연결되는 냉각수자켓으로 이루어질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 선회기(160)는 2차 혼합부(150; 도 3에 도시)에 의해 혼합된 석탄슬러리와 2차 산화제가 재차 혼합을 위해 선회 형태로 분사되도록 마련된다. 선회기(160)는 일례로 중심의 축이 버너본체(170)의 끝단에 마련되는 축결합부(미도시)에 회전 가능하게 결합되거나, 다른 예로서 외주면이 버너본체(170)의 끝단에 회전 가능하게 결합됨으로써 석탄슬러리와 산화제의 혼합물과 충돌하거나 혼합물의 분사압에 의해 회전하는 구조를 가질 수 있으며, 이를 위해 석탄슬러리와 산화제의 혼합물이 통과하기 위한 통과홀, 예컨대 노즐(161)이 단일 또는 다수로 형성되되, 이들 혼합물이 노즐(161)을 통해 분사시 충돌에 의해 선회력을 발생시키기 위하여, 충돌방향에 비스듬한 방향으로 형성되는 날개를 가지거나, 노즐(161)이 충돌방향에 비스듬한 방향으로 통로를 형성할 수 있다.
선회기(160)는 2차 혼합부(150)에서 미립화된 석탄슬러리가 2차 산화제와 함께 혼합되어 분사되기 위한 노즐(161)이 선회중심의 둘레에 다수로 배열되도록 형성되되, 노즐(161) 각각이 선회중심으로부터 반경방향으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 이로 인해 석탄슬러리와 산화제의 혼합 효율을 증대시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너의 작용을 설명하기로 한다.
석탄슬러리공급라인(110)으로부터 공급되는 석탄슬러리가 1차 혼합부(140)에서 1차 산화제공급라인(120)으로부터 분사되는 1차 산화제와의 충돌에 의해 1차로 혼합 및 미립화되고, 1차 혼합부(140)에서 미립화된 석탄슬러리가 2차 혼합부(150)에서 2차 산화제공급라인(130)으로부터 분사되는 2차 산화제와의 충돌에 의해 2차로 혼합 및 미립화되고, 이처럼 순차적으로 혼합 및 미립화된 석탄슬러리와 산화제의 혼합물이 선회기(160)를 통과하면서 선회기(160)의 선회에 의해 형성되는 선회류에 의해 선회 형태로 분사됨으로써 재차 혼합되어 가스화기 내에 분사되도록 한다.
이와 같이 석탄슬러리가 분사되는 1차 및 2차 산화제와의 순차적이면서 연속적인 혼합에 의해 미립화되어 선회 형태로 분사됨으로써 석탄슬러리와 산화제가 균일하게 혼합되어 분사되도록 하고, 이로 인해 가스화기 내부로 분사되는 석탄슬러리의 반응성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 석탄슬러리공급라인 120 : 1차 산화제공급라인
121 : 제 1 분사홀 130 : 2차 산화제공급라인
131 : 제 2 분사홀 140 : 1차 혼합부
150 : 2차 혼합부 151 : 확관부
160 : 선회기 161 : 노즐
170 : 버너본체 171 : 냉각부

Claims (8)

  1. 석탄 슬러리 버너에 있어서,
    석탄슬러리가 공급되도록 마련되는 석탄슬러리공급라인;
    1차 산화제가 공급되도록 마련되는 1차 산화제공급라인;
    2차 산화제가 공급되도록 마련되는 2차 산화제공급라인;
    상기 석탄슬러리공급라인으로부터 공급되는 석탄슬러리가 상기 1차 산화제공급라인으로부터 분사되는 1차 산화제와 혼합되어 미립화되도록 마련되는 1차 혼합부;
    상기 1차 혼합부에 의해 미립화된 석탄슬러리가 상기 2차 산화제공급라인으로부터 분사되는 2차 산화제와 혼합되도록 마련되는 2차 혼합부; 및
    상기 2차 혼합부에 의해 혼합된 석탄슬러리와 2차 산화제가 재차 혼합을 위해 선회 형태로 분사되도록 마련되는 선회기를 포함하며,
    상기 2차 혼합부는,
    상기 1차 혼합부로부터 확관되도록 확관부가 형성되고, 상기 확관부에 상기 2차 산화제공급라인으로부터 2차 산화제가 분사되기 위한 제 2 분사홀이 다수로 형성되는 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 석탄슬러리공급라인이 중심에 마련되고, 상기 1차 산화제공급라인이 상기 석탄슬러리공급라인의 주위에 마련되며, 상기 2차 산화제공급라인이 상기 1차 산화제공급라인의 주위에 마련되는 버너본체를 더 포함하는, 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 버너본체는,
    냉각수가 순환 공급되는 냉각부가 상기 2차 산화제공급라인의 주위에 마련되는, 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 1차 혼합부는,
    상기 석탄슬러리공급라인에 연결되도록 상기 버너본체의 중심부에 마련되고, 상기 1차 산화제공급라인이 1차 산화제를 제 1 분사홀을 통해서 중심으로 분사하도록 경사지게 연결되는, 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 분사홀은,
    상기 2차 혼합부의 길이방향을 기준으로 5~10°로 경사지게 형성되는, 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선회기는,
    미립화된 석탄슬러리가 2차 산화제와 함께 혼합되어 분사되기 위한 노즐이 선회중심의 둘레에 다수로 배열되도록 형성되되, 상기 노즐 각각이 선회중심으로부터 반경방향으로 연장되도록 형성되는, 미립화 및 선회 혼합형 석탄 슬러리 버너.
  8. 삭제
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