KR101507009B1

KR101507009B1 - 스월버너 및 이를 구비한 석탄 착화 반응기

Info

Publication number: KR101507009B1
Application number: KR1020140016019A
Authority: KR
Inventors: 전충환; 이병화; 김상인
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-03-31

Abstract

본 발명은 석탄과 같은 연료의 스월 유동을 발생시킴과 함께 공기의 스월 유동을 발생시켜 연료와 공기의 혼합도를 증진시킬 수 있는 스월버너 및 이를 구비한 석탄 착화 반응기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 스월버너는, 반응기의 상부에 연통되게 설치되는 혼합관과; 상기 혼합관의 상부에 설치되어 외부의 공기를 혼합관 내측으로 공급하는 공기주입기와; 상기 공기주입기를 상하방향으로 관통하도록 설치되며, 상측에 연료가 주입되는 연료주입구가 형성되어 있는 연료공급관과; 상기 연료공급관의 하단부에 설치되어 상기 공기주입기를 통해 주입된 공기의 스월(swirl) 유동을 발생시키는 외부스월러와; 상기 연료공급관의 상단부에 회전 가능하게 설치되어 연료공급관 내측으로 유입된 연료의 스월 유동을 발생시키는 내부스월러와; 상기 연료공급관의 상부 외측에 설치되어 상기 내부스월러를 회전시키는 스월러구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스월버너 및 이를 구비한 석탄 착화 반응기{Swirl Burner and Drop Tube Furnace Having the Same}

본 발명은 고온의 조건인 석탄 착화 반응기(Drop Tube Furnace ; DTF)에 스월(swirl) 유동을 발생시켜 연소 특성을 향상시킬 수 있는 스월버너및 이를 구비한 석탄 착화 반응기에 관한 것이다.

최근 전력 산업은 전력 시장 개방에 따른 발전 회사의 발족 등으로 대표되는 전력 계통 운영 구조의 변화 속에서 경쟁적인 전력 시장의 환경이 구축되었다. 따라서, 경제적인 발전소 운영은 경쟁적인 전력 시장에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 전력을 공급하는 방법은 수력, 화력, 원자력 발전소 등이 있으며, 그 중 특히, 화력 발전소는 발전 설비를 운영하기 위해 연료를 외국에서 수입하여 지속적으로 공급해주어야 한다. 따라서, 화력 발전소는 연료로 쓰이는 석탄이 하역에서부터 부산물 및 배기 가스 처리까지 다양한 형태로 비용이 소모되며, 이러한 비용은 발전소를 운영하는 데 많은 부분을 차지하므로 석탄을 처리하는 데 드는 비용을 각 과정마다 합리적으로 관리한다면, 발전소 운영 비용을 크게 줄이고, 경제적인 발전소 운영이 가능하게 된다.

이러한 화력 발전에 소요되는 비용 절감을 위해 저열량탄을 고열량탄에 혼합한 혼탄을 보일러(이하 '반응로'라 함) 내에 공급하여 연소시키는 기술이 개발되어 사용되고 있다.

석탄 착화 반응기(DTF)는 석탄화력발전소의 미분탄의 착화/발화특성을 모사할 수 있는 실험장치로서 석탄과 공기를 혼합하여 착화시키는 버너를 구비한다. 이러한 석탄 착화 반응기(DTF)의 버너에 의한 연소 효율을 증진시키기 위한 것으로,등록특허 제10-0716889호에는 연소용 공기의 스월(swirl) 유동을 발생시킴으로써 연료와 공기의 혼합도를 증진시킬 수 있는 버너가 개시되어 있다.

그런데, 상기 등록특허의 버너는 다수개의 스월러를 통해 공기의 스월 유동을 발생시키는 구조이므로 구성이 복잡하고, 공기의 스월 유동만 발생시키도록 구성되어 있기 때문에 연료와 공기 혼합도를 향상시키데 한계가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0716889호(등록일자 2007년05월03일) "발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변연료노즐"

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 석탄과 같은 연료의 스월 유동을 발생시킴과 함께 공기의 스월 유동을 발생시켜 연료와 공기의 혼합도를 증진시킬 수 있는 스월버너 및 이를 구비한 석탄 착화 반응기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스월버너는, 반응기의 상부에 연통되게 설치되는 혼합관과; 상기 혼합관의 상부에 설치되어 외부의 공기를 혼합관 내측으로 공급하는 공기주입기와; 상기 공기주입기를 상하방향으로 관통하도록 설치되며, 상측에 연료가 주입되는 연료주입구가 형성되어 있는 연료공급관과; 상기 연료공급관의 하단부에 설치되어 상기 공기주입기를 통해 주입된 공기의 스월(swirl) 유동을 발생시키는 외부스월러와; 상기 연료공급관의 상단부에 회전 가능하게 설치되어 연료공급관 내측으로 유입된 연료의 스월 유동을 발생시키는 내부스월러와; 상기 연료공급관의 상부 외측에 설치되어 상기 내부스월러를 회전시키는 스월러구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스월버너는 연료공급관 내측으로 공급되는 연료가 내부스월러에 의해 스월 유동화됨과 더불어 공기주입기 내측으로 유입된 공기가 외부스월러에 의해 스월 유동화되어 연료와 혼합되므로, 기존의 공기만 스월 유동화시키는 버너에 비하여 혼합도를 현저히 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한 연료와 공기의 혼합 과정에서 냉각자켓을 통해 연료공급관의 외측에 냉각용 유체를 공급하여 연료공급관을 냉각시키므로 연료공급관 내에서 의도하지 않은 연료의 연소가 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점도 있다.

그리고, 내부스월러가 스월구동유닛의 내측 회전축부재에 착탈 가능하게 결합되므로 연료의 종류 또는 연료공급관의 종류나 크기에 따라 길이가 다른 내부스월러를 교체하여 장착함으로써 최적의 연소 효율을 갖는 스월버너를 구현할 수 있는 이점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스월버너가 적용된 석탄 착화 반응기(DTF)의 일 실시예를 나타낸 정면도이다.
도 2는 도 1의 석탄 착화 반응기의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스월버너를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 스월버너의 정면도이다.
도 5는 도 3의 스월버너의 종단면도이다.
도 6은 도 3의 스월버너의 주요 부분을 나타낸 종단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스월버너 및 이를 구비한 석탄 착화 반응기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 스월버너가 적용된 석탄 착화 반응기(Drop Tube Furnace ; DTF)의 일 실시예를 나타낸 것으로, 반응기(2)의 상단부에 연료와 공기를 혼합하여 공급하는 스월버너(1)가 설치되고, 반응기(2)의 일측면에는 상기 반응기(2) 내측에서 이루어지는 연소 현상을 외부에서 작업자가 육안으로 관찰할 수 있는 가시화부재(3)가 설치되어 있다.

도 3 내지 도 6은 상기 스월버너(1)의 구조를 나타낸 것으로, 스월버너(1)는 반응기(2)의 상부에 연통되게 설치되는 혼합관(10)과, 상기 혼합관(10)의 상부에 설치되어 외부의 공기를 혼합관(10) 내측으로 공급하는 공기주입기(20)와, 상기 공기주입기(20)를 상하방향으로 관통하도록 설치되며 상단부 양측에 연료가 주입되는 연료주입구(31)가 형성되어 있는 연료공급관(30)과, 상기 연료공급관(30)의 하단부에 설치되어 상기 공기주입기(20)를 통해 주입된 공기의 스월(swirl) 유동을 발생시키는 외부스월러(40)와, 상기 연료공급관(30)의 상단부에 회전 가능하게 설치되어 연료공급관(30) 내측으로 유입된 연료의 스월 유동을 발생시키는 내부스월러(50)와, 상기 연료공급관(30)의 상부 외측에 설치되어 상기 내부스월러(50)를 회전시키는 스월러구동유닛을 포함한다.

상기 공기주입기(20)는 하부면이 개방되게 형성된 챔버(22)를 구비하며, 측면부에 외부 공기가 유입되는 공기유입구(21)가 상기 챔버(22)와 연통되게 형성되고, 상부면 중앙에 상기 연료공급관(30)이 통과하는 관통공(23)이 형성된 구조로 이루어진다.

상기 연료공급관(30)은 상단부와 하단부가 개방된 기다란 관형태로 되어 상기 공기주입기(20)의 관통공(23)을 통과하여 설치된다. 상기 연료공급관(30)의 상부는 공기주입기(20)의 외측으로 연장되며, 하부는 혼합관(10)의 내측으로 연장된다. 상기 연료공급관(30)의 상단부 양측에는 외부의 연료공급장치(미도시)와 연결되어 연료(예를 들어 석탄)가 공급되는 연료주입구(31)가 형성되어 있다.

상기 연료공급관(30)의 외면에는 연료공급관(30)을 냉각시키기 위한 냉각용 유체(예를 들어 물)가 유동하는 냉각자켓(70)이 연료공급관(30)의 외측을 감싸도록 설치된다. 상기 냉각자켓(70)은, 상기 연료공급관(30)의 외면과 연접하게 배치되며 일측면에 냉각용 유체가 배출되는 유체배출구(74)가 형성되어 있는 내측냉각관(71)과, 상기 내측냉각관(71)의 외측에 내측냉각관(71)의 하단부와 연통되게 설치되며 냉각용 유체가 유입되는 유체유입구(73)가 형성되어 있는 외측도입관(72)의 2중관 구조로 이루어진다.

상기 외부스월러(40)는 상기 연료공급관(30)의 하단부에 설치되어 상기 공기주입기(20)의 챔버(22) 하측으로 유동하는 공기에 선회력을 제공하여 스월 유동을 발생시킨다. 상기 외부스월러(40)가 스월 유동을 발생시키도록 상기 외부스월러(40)는 나선형으로 비틀어진 복수개의 블레이드를 구비한다.

상기 내부스월러(50)는 상기 스월러구동유닛에 착탈 가능하게 결합되며, 스월러구동유닛에 의해 회전하면서 상기 연료공급관(30) 내측으로 유입된 연료에 스월 유동을 발생시킨다. 상기 내부스월러(50)는 상기 스월러구동유닛을 구성하는 내측 회전축부재(64)에 착탈 가능하게 결합되는 봉형상의 스월러로드(51)와, 상기 스월러로드(51)의 끝단부에 설치되며 연료의 스월 유동을 발생시킬 수 있도록 나선형으로 비틀어진 복수개의 블레이드를 구비한 임펠러부(52)로 구성된다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 스월러로드(51)의 상단부에는 나사산이 형성되어 상기 내측 회전축부재(64)의 하단부에 중앙에 형성되는 암나사산부(66)에 나선 결합되는 방식으로 내측 회전축부재(64)에 착탈 결합될 수 있다. 이와 같이 상기 내부스월러(50)가 내측 회전축부재(64)에 착탈 가능하게 결합되면, 연료의 종류 등에 따라 내부스월러(50)를 길이가 다른 것으로 교체하여 연료공급관(30) 내측에서의 임펠러부(52)의 위치를 가변시킬 수 있다.

상기 내부스월러(50)를 회전시키기 위한 스월러구동유닛은, 상기 연료공급관(30)의 상단부 외측에 설치되는 모터(61)와, 상기 모터(61)에 축 결합되어 회전하며 내주면에 제1자석(63)이 구비된 원통관 형태의 외측 회전축부재(62)와, 상기 외측 회전축부재(62)의 내측에 설치되며 상기 제1자석(63)과 자력에 의해 결합하는 제2자석(65)이 외주면에 구비되어 있는 내측 회전축부재(64)를 포함한다. 전술한 것과 같이 상기 내부스월러(50)의 상단부는 상기 내측 회전축부재(64)의 하단부에 착탈 가능하게 결합되어 내측 회전축부재(64)와 함께 회전한다.

상기 외측 회전축부재(62)와 내측 회전축부재(64)는 제1자석(63)과 제2자석(65)의 인력에 의해 서로 결합된다. 따라서 상기 스월러구동유닛은 상기 제1자석(63)과 제2자석(65) 간의 자력을 조절함으로써 내측 회전축부재(64) 및 이에 결합된 내부스월러(50)의 회전 속도를 조절할 수 있다.

상기와 같은 스월버너(1)는 다음과 같이 작동한다.

외부의 연료공급장치(미도시)를 통해 연료공급관(30) 상단의 연료주입구(31)를 통해 정해진 양의 연료가 공급된다. 이 때, 모터(61)에 전원이 인가되면서 모터(61)가 작동하여 외측 회전축부재(62)가 회전하면 제1자석(63)과 제2자석(65) 간의 인력에 의해 결합되어 있는 내측 회전축부재(64) 및 내부스월러(50)가 회전하게 된다.

상기 내부스월러(50)의 회전에 의해 연료공급관(30) 내측으로 공급된 연료에 선회력이 가해져 연료의 스월 유동이 발생하게 된다. 상기 연료공급관(30) 내측으로 유입된 연료는 스월 유동을 일으키면서 연료공급관(30) 하단의 연료배출구(32)를 통해 혼합관(10) 내측으로 토출된다.

이와 동시에 공기주입기(20)의 공기유입구(21)를 통해 챔버(22) 내측으로 공기가 유입되고, 유입된 공기는 챔버(22)의 하측 개방부를 통해서 아래쪽으로 유동하게 된다. 이 때 하측으로 이동하는 공기는 외부스월러(40)에 의해 선회력이 부여되어 공기의 스월 유동이 발생하게 된다.

상기 외부스월러(40)를 통과하면서 선회하는 공기는 상기 연료공급관(30)을 통해 선회하면서 배출되는 연료와 혼합되면서 반응기(2) 내측으로 유입되어 연소된다.

한편 상기 연료공급관(30) 및 공기주입기(20)를 통해 각각 연료와 공기가 공급되는 동안 반응기(2)의 열이 연료공급관(30)으로 전달되어 연료공급관(30) 내측에서 연료가 연소되는 현상을 방지하기 위하여, 상기 냉각자켓(70)의 유체유입구(73)를 통해 외측도입관(72) 내측으로 냉각용 유체가 유입된다. 상기 외측도입관(72)으로 유입된 냉각용 유체는 외측도입관(72) 하부에서 내측냉각관(71)으로 유동하여 연료공급관(30)을 냉각시킨 다음 유체배출구(74)를 통해 외부로 배출된다.

이와 같이 본 발명의 스월버너(1)는 연료공급관(30) 내측으로 공급되는 연료가 내부스월러(50)에 의해 스월 유동화됨과 더불어 공기주입기(20) 내측으로 유입된 공기가 외부스월러(40)에 의해 스월 유동화되어 연료와 혼합되므로, 기존의 공기만 스월 유동화시키는 버너에 비하여 혼합도를 현저히 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한 연료와 공기의 혼합 과정에서 냉각자켓(70)을 통해 연료공급관(30)의 외측에 냉각용 유체를 공급하여 연료공급관(30)을 냉각시키므로 연료공급관(30) 내에서 의도하지 않은 연료의 연소가 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점도 있다.

그리고, 내부스월러(50)가 스월구동유닛의 내측 회전축부재(64)에 착탈 가능하게 결합되므로 연료의 종류 또는 연료공급관(30)의 종류나 크기에 따라 길이가 다른 내부스월러(50)를 교체하여 장착함으로써 최적의 연소 효율을 갖는 스월버너(1)를 구현할 수 있는 이점도 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

1 : 스월버너 2 : 반응기
3 : 가시화부재 10 : 혼합관
20 : 공기주입기 21 : 공기유입구
30 : 연료공급관 31 : 연료주입구
32 : 연료배출구 40 : 외부스월러
50 : 내부스월러 51 : 스월러로드
52 : 임펠러부 61 : 모터
62 : 외측 회전축부재 63 : 제1자석
64 : 내측 회전축부재 65 : 제2자석
70 : 냉각자켓 71 : 내측냉각관
72 : 외측도입관 73 : 유체유입구
74 : 유체배출구

Claims

반응기(2)의 상부에 연통되게 설치되는 혼합관(10)과;
상기 혼합관(10)의 상부에 설치되어 외부의 공기를 혼합관(10) 내측으로 공급하는 공기주입기(20)와;
상기 공기주입기(20)를 상하방향으로 관통하도록 설치되며, 상측에 연료가 주입되는 연료주입구(31)가 형성되어 있는 연료공급관(30)과;
상기 연료공급관(30)의 하단부에 설치되어 상기 공기주입기(20)를 통해 주입된 공기의 스월(swirl) 유동을 발생시키는 외부스월러(40)와;
상기 연료공급관(30)의 상단부에 회전 가능하게 설치되어 연료공급관(30) 내측으로 유입된 연료의 스월 유동을 발생시키는 내부스월러(50)와;
상기 연료공급관(30)의 상부 외측에 설치되어 상기 내부스월러(50)를 회전시키는 스월러구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스월버너.
제1항에 있어서, 상기 스월러구동유닛은 상기 연료공급관(30)의 상단부 외측에 설치되는 모터(61)와, 상기 모터(61)에 축 결합되어 회전하며 내주면에 제1자석(63)이 구비된 원통관 형태의 외측 회전축부재(62)와, 상기 외측 회전축부재(62)의 내측에 설치되며 상기 제1자석(63)과 자력에 의해 결합하는 제2자석(65)이 외주면에 구비되어 있는 내측 회전축부재(64)를 포함하며, 상기 내부스월러(50)의 상단부는 상기 내측 회전축부재(64)에 결합되어 내측 회전축부재(64)와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 스월버너.
제2항에 있어서, 상기 내부스월러(50)는 상기 내측 회전축부재(64)에 착탈 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 스월버너.
제1항에 있어서, 상기 연료공급관(30)의 외측을 감싸도록 설치되며, 연료공급관(30)을 냉각시키기 위한 냉각용 유체가 유입되는 유체유입구(73)와 냉각용 유체가 배출되는 유체배출구(74)가 형성되어 있는 냉각자켓(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스월버너.
제4항에 있어서, 상기 냉각자켓(70)은,
일측면에 상기 유체배출구(74)가 형성되어 있으며, 상기 연료공급관(30)의 외면과 연접하게 배치되는 내측냉각관(71)과;
상기 내측냉각관(71)의 외측에 내측냉각관(71)의 하단부와 연통되게 설치되며 상기 유체유입구(73)가 형성되어 있는 외측도입관(72)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스월버너.
제1항에 있어서, 상기 공기주입기(20)는 하부면이 개방되게 형성된 챔버(22)를 구비하며, 측면부에 외부 공기가 유입되는 공기유입구(21)가 상기 챔버(22)와 연통되게 형성되고, 상부면 중앙에 상기 연료공급관(30)이 통과하는 관통공(23)이 형성된 구조로 된 것을 특징으로 하는 스월버너.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 스월버너(1)가 상부면에 연통되게 설치되어, 상기 스월버너(1)를 통해 유입된 연료의 연소가 이루어지는 반응기(2)를 구비한 석탄 착화 반응기.
제7항에 있어서, 상기 반응기(2)에는 반응기(2) 내측에서 이루어지는 연소 현상을 외부에서 육안으로 관찰할 수 있는 가시화부재(3)가 설치된 것을 특징으로 하는 석탄 착화 반응기.