KR101501646B1 - 연소장치 및 연료 공급방법 - Google Patents

연소장치 및 연료 공급방법 Download PDF

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KR101501646B1
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Abstract

본 발명은 고온의 연료가스가 공급되는 새로운 연소장치 및 발열량이 증대되도록 고온의 가스연료를 버너에 공급하는 새로운 연료공급방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 버너에 연계된 가스공급라인, 상기 버너에 연계된 공기공급라인, 및 상기 가스공급라인 및 상기 공기공급라인과 연계되고 가스의 승온을 가능하도록 제공되는 가스 승온수단을 포함하는 연소장치; 및 공기예열기로부터 공기공급라인을 통해 가스 승온수단으로 고온공기가 도입되는 단계, 가스 승온수단에 가스가 도입되는 단계, 및 가스 승온수단에서 가스와 고온공기가 열교환하여 고온가스 및 중온 공기가 버너로 공급되는 단계를 포함하는 연료 공급방법이 제공된다. 본 발명의 일 구현에 의한 연소장치 및 연료공급방법에 의해 발열량이 증대되고 저발열량 연료가스의 열량이 보상되고 연소시 복사전열 효과가 향상된다. 또한, 고온가스에 의해 미분탄중의 수분이 제거되어 미분탄의 응집이 방지되고 고온가스에 의해 미분탄이 가스와 함께 원할하게 버너에 공급된다.
가스, 미분탄, 열교환, 열량보상, 복사전열, 수분제거

Description

연소장치 및 연료 공급방법{Combustion Apparatus and Method for Supplying Fuel}
본 발명은 연료의 발열량이 증대된 새로운 연소장치 및 연료 공급방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 고온의 연료가스가 공급되는 새로운 연소장치 및 발열량이 증대되도록 고온의 가스연료를 공급하는 새로운 연료공급방법에 관한 것이다.
종래 가스 연소장치에서는 고로가스(BFG)와 전로가스(LDG)의 낮은 열량을 보충하기 위해 화성가스(COG) 및 액화질소가스(LNG)를 적절한 비율로 미리 혼합하여 가열로에 공급되어 왔다.
한편, 종래 화력 발전소등에서 이용하는 직접연소식 미분탄 연소장치(10)에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 석탄조(11)로부터 공급된 석탄은 미분기(14)에서 마이크로(micro)단위로 분쇄되어 연소실(18)로 공급된다. 한편, 배가스의 열을 이용하여 예열기(16)에서 가열된 공기중 일부는 2차 공기로 버너(17)로 직접 유입되 고 일부는 미분탄에 함유되어 있는 수분을 증발시켜서 미분탄 분말이 쉽게 이송될 수 있도록 미분기(14)로 공급되어 미분탄이 송풍기(15)를 거쳐서 연소 버너(17)로 공급되도록 하는 1차 연소공기로 공급된다.
종래 화성가스(COG) 및 액화질소가스(LNG)외에 발열량이 적은 고로가스(BFG) 및 전로가스(LDG)의 저발열량 보상에 적용가능한 대체 연소재료의 개발 및 보다 효율적인 에너지 자원의 이용방안에 대한 연구결과 열교환기를 통해 연료가스를 고온으로 승온하여 사용하므로써 발열량을 증대시킬 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 일 구현에 의하면, 발열량이 증대된 새로운 연소장치가 제공된다.
본 발명의 다른 구현에 의하면, 고온 가스를 공급하는 새로운 연료공급방법이 제공된다.
본 발명의 일 견지에 있어서,
버너에 연계된 가스공급라인:
상기 버너에 연계된 공기공급라인; 및
상기 가스공급라인 및 상기 공기공급라인과 연계되고 가스의 승온을 가능하도록 제공되는 가스 승온수단을 포함하는 연소장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 있어서,
공기예열기로부터 공기공급라인을 통해 가스 승온수단으로 고온공기가 도입되는 단계;
가스 승온수단에 가스가 도입되는 단계; 및
가스 승온수단에서 가스와 고온공기가 열교환하여 고온가스 및 중온 공기가 버너로 공급되는 단계를 포함하는 연료 공급방법이 제공된다.
본 발명의 일 구현에 의한 연소장치 및 연료공급방법에 의해 고온의 연료 가스가 버너에 공급되어 발열량이 증대된다. 또한, 연료가스로 발열량이 적은 고로가스 및/또는 전로가스가 사용되는 경우에 이들의 낮은 열량이 보상되어 발열량이 증대된다. 나아가, 고온 배가스의 열이 효율적으로 이용된다. 추가적으로 미분탄이 함께 공급되는 경우에는 미분탄의 열량에 의해 연료가스의 발열량이 더욱 증대되고 미분탄 입자의 입자복사 효과에 의해 가열로의 고온에서의 복사전열 효과가 향상된다. 또한, 미분탄이 사용되는 경우에 고온가스에 의해 미분탄중의 수분이 제거되어 미분탄의 응집이 방지되고 고온가스에 의해 미분탄이 원할하게 버너로 공급된다.
본 발명의 일 구현에 의해 제공되는 연소장치에서는 가스 승온수단에서 고온 공기가 연료 가스와 열교환되어 고온 가스가 버너에 도입된다. 따라서, 연료 가스의 발열량이 증대된다.
본 발명의 일 구현에 의해 제공되는 연소장치는 버너에 연계된 가스공급라인; 상기 버너에 연계된 공기공급라인; 및 상기 가스공급라인 및 상기 공기공급라인과 연계되고 가스의 승온을 가능하도록 제공되는 가스 승온수단을 포함한다. 상기 가스 승온수단에는 공기예열기로부터 공기 공급라인을 통해 고온의 공기가 유입된다. 상기 고온의 공기는 공기예열기에서 공기와 고온의 연소 배가스(예를들어, 본 발명의 연소장치에서 발생되는 배가스)의 접촉(구체적으로는 열교환)에 의한 얻어지는 것이다. 배가스의 온도는 대략 800℃정도이며, 이러한 고온의 배가스와 공기가 공기예열기에서 접촉되어 공기는 약 500~650℃의 고온공기가 된다.
한편, 상기 가스승온수단에는 가스공급라인을 통해 연료로 사용되는 가스가 공급된다. 가스로는 가스 연소장치에서 일반적으로 사용되는 어떠한 가스가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 액화질소가스(LNG), 화성가스(COG), 고로가스(BFG), 전로가스(LDG)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 사용될 수 있다. 특히, 연료가스로 고로가스 및/또는 전로가스가 사용되는 경우에는 이러한 저품위(저발열량) 가스의 열량이 보상된다.
상기 가스공급라인 및 상기 공기공급라인과 연계되어 구비된 가스 승온수단은 공기예열기로부터 공기공급라인을 통해 가스 승온수단으로 도입된 고온 공기의 열을 가스에 전달하여 고온가스와 중온 공기를 버너에 공급한다. 즉, 고온가스는 가스 승온수단으로부터 가스공급라인을 통해 그리고 중온 공기는 가스 승온수단으로부터 공기공급라인을 통해 버너로 공급된다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 가스승온수단에 공급되는 가스는 상온(약 20~25℃)이고 고온공기는 약 500~600℃이며, 가스 승온수단에서 고온 공기의 열이 상온의 가스로 전달되어 가스는 최대 약 350℃의 고온가스로서 가스 승온수단으로부터 가스공급라인을 통해 버너로 공급된 다. 한편, 가스 승온수단에서 가스에 열을 전달한 공기는 중온 공기(약 400~ 550℃)로 가스 승온수단으로부터 공기공급라인을 통해 버너로 공급된다.
상기 가스 승온수단은 간접 열교환기일 수 있으며, 보다 구체적으로는 이중 루프 열교환기, 보다 구체적으로는 써머싸이펀 열교환기(Thermosiphon Heat Exchanger) 일 수 있다. 즉, 가스 승온수단에서 가스와 고온의 공기가 직접 접촉되면 발화의 염려가 있으므로 가스와 고온의 공기가 직접 접촉되지 않고 열교환될 수 있도록 고온 공기의 열이 열교환매체에 전달되고 가스는 열교환매체로부터 열을 전달 받는다. 간접열교환기, 간접열교환방법 및 연교환매체등은 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있으며, 일반적으로 알려져 있는 어떠한 간접열교환기, 간접열교환방법 및 연교환매체등이 사용될 수 있는 것으로 이로써 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 다른 견지에 있어서, 상기 가스 승온수단과 버너 사이의 가스 공급라인에 미분탄을 공급하도록 미분기가 연계될 수 있다. 미분기는 미분탄을 분쇄하여 가스공급라인에 공급하도록 구비된다. 미분탄을 추가로 공급하여 가스와 함께 사용하므로써 가스의 발열량이 더욱 증대된다. 특히, 고로가스(BFG) 및/또는 전로가스(LDG)와 같은 저품위(저발열량) 가스가 사용되는 경우에 이들의 낮은 열량이 미분탄에 의해 보상된다. 나아가, 미분탄 입자에 의한 입자복사 효과에 의해 가열로의 고온에서의 복사 전열이 향상된다.
한편, 미분탄은 수분을 함유하고 있으므로 미분탄중의 수분으로 인하여 연소장치내에서 미분탄이 응집될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 구현에 의한 연소장치는 가스공급라인을 통해 버너로 유입되는 고온 가스의 열에 의해 미분탄중의 수분이 제거되어 연소장치내에서 미분탄의 응집이 방지된다. 또한, 고온 가스에 의해 미분탄이 효율적으로 가스공급라인을 통해 버너로 가스와 함께 공급된다.
미분탄은 가스가 고온가스로 전환된 이후에 연소장치중 어떠한 위치의 가스공급라인에 추가될 수 있으나, 바람직하게는 미분탄 공급 라인에 별도의 유량 밸브를 설치하고 가스공급라인의 유량조절밸브 이후에서 가스공급라인에 추가되는 것이 바람직하다. 이와 같이 미분탄을 가스공급라인의 유량조절밸브 이후에서 가스공급라인에 추가하므로써 혹시 발생할 수 있는 배관막힘 현상을 최소화할 수 있고 공급되는 가스 및 미분탄 열량에 따라 혼합된 이후의 열량관리가 가능하다.
본 발명의 다른 구현에 있어서, 새로운 연료 공급방법이 제공된다. 본 발명의 일 구현에 의한 연료공급방법에 의하면, 고온의 공기가 공기예열기로부터 공기공급라인을 통해 가스 승온수단으로 그리고 연료가스가 가스공급라인을 통해 가스 승온수단에 도입되고 상기 가스 승온수단에서 가스와 고온공기가 열교환하여 고온가스는 가스공급라인을 통해 그리고 중온 공기는 공기공급라인을 통해 버너로 공급된다.
상기 연소장치에서 기재한 바와 같이 공기예열기로부터 공기승온수단으로 공급되는 고온공기는 공기예열기에서 고온의 배가스에 의해 고온으로 승온된 공기이다.
상기 가스 승온수단은 상기 연소장치에 대하여 기재한 바와 마찬가지로 간접 열교환기일 수 있으며, 보다 구체적으로는 이중 루프 열교환기일 수 있다. 가스공급라인을 통해 상기 가스승온수단에는 공급되는 가스는 가스 연소장치에서 일반적으로 사용되는 어떠한 가스가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 액화질소가스(LNG), 화성가스(COG), 고로가스(BFG), 전로가스(LDG)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 사용될 수 있다. 특히, 연료가스로 고로가스 및/또는 전로가스가 사용되는 경우에는 이러한 저품위(저발열량) 가스의 열량이 보상된다.
상기 가스승온수단에서 고온공기와 가스는 간접적으로 열교환되고 열교환에 의해 얻어지는 고온가스는 가스공급라인을 통해 그리고 중온 공기는 공기공급라인을 통해 버너로 공급된다. 가스 승온수단에서 가스와 고온의 공기가 직접 접촉되면 발화의 염려가 있으므로 가스와 고온의 공기가 직접 접촉되지 않고 열교환될 수 있도록 고온 공기의 열이 열교환매체에 전달되고 가스는 열교환매체로부터 열을 전달 받는 간접열교환방식으로 열교환된다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 구현에 의한 연소장치에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 2에 본 발명의 일 구현에 의산 연소장치의 개략적인 도면을 도시 하였다.
본 발명의 일 구현에 의한 연소장치(20)는 버너(23)에 연계된 가스공급라인(21); 상기 버너(23)에 연계된 공기공급라인(22); 및 상기 가스공급라인(21) 및 상기 공기공급라인(22)과 연계되어서 가스의 승온을 가능하도록 제공되는 가스 승온수단(24)를 포함한다. 가스공급라인(21) 및 공기공급라인(22)에는 가스 및 공기의 유량등을 조절하는 게이지 및/또는 밸브등 연소장치에서 일반적으로 사용되는 조절부위를 필요에 따라 구비할 수 있다.
상기 가스 승온수단(24)에는 공기예열기(25)로부터 공기 공급라인(22)을 통해 고온의 공기가 유입된다. 상기 고온의 공기는 공기예열기(25)에서 공기와 고온의 배가스의 접촉으로 배가스의 열이 공기에 전달되어 얻어진다.
한편, 상기 가스승온수단(24)에는 가스공급라인(21)을 통해 연료로 사용되는 가스가 공급된다. 상기한 바와 같이, 가스로는 가스 연소장치에서 일반적으로 사용되는 어떠한 가스가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 액화질소가스(LNG), 화성가스(COG), 고로가스(BFG), 전로가스(LDG)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 사용될 수 있다. 특히, 연료가스로 고로가스 및/또는 전로가스가 사용되는 경우에는 이러한 저품위(저발열량) 가스의 열량이 보상된다.
상기 연소장치(20)에 상기 가스공급라인(21) 및 상기 공기공급라인(22)과 연계되어 구비된 가스 승온수단(24)은 공기공급라인(22)에 연결된 공기예열기(25)로부터 도입된 고온 공기의 열을 가스에 전달하여 고온가스와 중온 공기를 각각 버너(23)에 공급한다. 상기 가스 승온수단(24)는 구체적으로 간접 열교환기일 수 있으며, 보다 구체적으로는 이중 루프 열교환기일 수 있으며, 보다 구체적으로는 써머싸이펀 열교환기(thermosiphon heat exchanger)일 수 있다.
가스 승온수단(24)에서 가스와 고온공기의 열교환에 의해 고온공기의 열이 가스에 전달됨에 따라 가스는 고온가스가 되고 고온가스는 가스 승온수단(24)로부터 가스공급라인(21)을 통해 버너(23)으로 공급되어 가열로(27)로 도입된다. 한편, 가스승온수단(24)에서의 열교환으로 가스에 열은 전달한 고온공기는 열을 잃고 중온 공기로서 가스 승온수단(24)로부터 공기공급라인(22)을 통해 버너(23)으로 공급되어 가열로(27)로 도입된다. 간접 열교환기의 예로서 써모싸이펀 열교환기(Thermosiphon Heat Exchanger)의 구조를 도 3에 도시하였으나, 이는 이 기술분야에 일반적인 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 도 3에 도시한 바와 같이, 작동 열유체 폐루프(loop)에 의해 고온 공기의 열에 의해 저온 가스가 고온가스로 전환되어 가스공급라인(21)으로 공급되며, 이와 동시에 중온 공기가 공기공급라인(22)으로 공급된다.
한편, 상기 가스 승온수단(24)와 버너(23) 사이의 가스 공급라인(21)에 미분탄을 공급할 수 있도록 미분기(26)가 추가로 구비될 수 있다. 미분기(26)에서 분쇄된 미분탄은 가스승온수단(24) 및 버너(23)와 연계되는 가스공급라인(21)로 공급되고 가스 승온수단(24)로부터 버너(23)측으로 공급되는 고온 가스 흐름에 의해 미분탄은 버너(23)로 가스와 함께 공급된다. 한편, 고온가스에 의해 미분탄이 가스공급라인(21)을 통해 버너(23)로 도입되는 과정에서, 고온가스의 열에 의해 미분탄중의 수분이 제거되어 연소장치내에서 미분탄의 응집이 방지된다.
미분탄은 연소장치(20)중 가스가 고온가스로 전환되어 가스공급라인(21)에 공급된 이후의 어떠한 위치의 가스공급라인(21)에 추가될 수 있다. 바람직하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 미분탄은 미분탄 공급 라인(28)에 구비된 별도의 유량 밸브(b3)에 의해 가스공급라인(21)의 유량조절밸브(b1) 이후의 가스공급라인(21)에 추가되는 것이 바람직하다. 이와 같이 미분탄이 가스공급라인(21)의 유량조절밸브(b1) 이후에서 가스공급라인(21)에 추가하므로써 혹시 발생할 수 있는 배관막힘 현상이 최소화될 수 있다.
도 1은 종래의 미분탄 연소장치를 나타내는 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 구현에 의한 연소장치를 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 구현에 의한 연소장치에서 가스승온수단으로 사용되는 써머싸이펀 열교환기(thermosiphon heat exchanger)를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *
10... 종래의 미분탄 연소장치 11... 석탄조
12... 석탄계량기 13... 급탄기
14... 미분기 15... 송풍기
16... 공기예열기 17... 버너
18... 연소실 20... 연소장치
21... 가스공급라인 22...공기공급라인
23... 버너 24... 가스승온수단
25... 공기예열기 26... 미분기 27... 가열로 28... 미분탄 공급라인
a1... 가스공급라인 유량조절 측정계 a2... 공기공급라인 유량조절 측정계
b1... 가스공급라인 유량조절 밸브 b2... 공기공급라인 유량조절 밸브
b3... 미분탄공급라인 유량조절 밸브

Claims (16)

  1. 버너에 연계된 가스공급라인:
    상기 버너에 연계된 공기공급라인
    상기 가스공급라인 및 상기 공기공급라인과 연계되어서 가스의 승온을 가능하도록 제공되는 가스 승온수단; 및
    상기 가스승온수단과 버너 사이의 가스공급라인에 미분탄을 제공하는 미분기를 포함하는 연소장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가스 승온수단은 공기공급라인에 연결된 공기예열기로부터 도입된 고온 공기의 열을 가스에 전달하고 고온가스 및 중온 공기는 버너에 공급됨을 특징으로 하는 연소장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 가스 승온수단은 간접열교환기임을 특징으로 하는 연소장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가스 승온수단은 이중 루프(LOOP) 열교환기임을 특징으로 하는 연소장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 공기예열기는 공기를 고온의 배가스에 의해 고온의 공기로 승온시킴을 특징으로 하는 연소장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 미분기는 별도의 미분탄 공급라인에 의해 가스공급라인의 유량 조절 밸브 이후에서 가스공급라인에 미분탄을 공급하도록 구비됨을 특징으로 하는 연소장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 미분탄은 가스 승온수단으로 부터 버너로 배출되는 고온가스에 의해 수분에 의한 미분탄의 응집이 방지되고 버너로 이송됨을 특징으로 하는 연소장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 가스는 액화질소가스, 화성가스, 고로가스 및 전로가스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종 이상임을 특징으로 하는 연소장치.
  10. 공기예열기로부터 공기공급라인을 통해 가스 승온수단으로 고온공기가 도입되는 단계;
    가스 승온수단에 가스가 도입되는 단계; 및
    가스 승온수단에서 가스와 고온공기가 열교환하여 고온가스 및 중온 공기가 버너로 공급되는 단계를 포함하는 연료 공급방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 고온가스가 버너로 공급단계 이후에, 미분탄이 가스공급라인의 유량 조절 밸브 이후에서 가스공급라인에 공급되는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연료 공급방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 가스 승온수단은 간접열교환기임을 특징으로 하는 연료 공급방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 가스 승온수단은 이중 루프(LOOP) 열교환기임을 특징으로 하는 연료 공급방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 고온공기는 공기예열기에서 고온의 배가스에 의해 고온으로 승온된 공기임을 특징으로 하는 연료 공급방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 미분탄은 가스 승온수단으로 부터 버너로 배출되는 고온가스에 의해 수분이 제거되고 버너로 이송됨을 특징으로 하는 연료 공급방법.
  16. 제 10항에 있어서, 상기 가스는 액화질소가스, 화성가스, 고로가스 및 전로가스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종 이상임을 특징으로 하는 연료 공급방법.
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