KR101564614B1 - 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화 설비 - Google Patents

석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화 설비에 관한 것으로서, 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서, 산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들; 미분탄이 공급되어 토출되며, 하나 또는 복수 개 구비되는 미분탄관; 및 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함한다.

Description

석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화 설비{Fuel injection device for Coal Gasifier and Coal gasification facility comprising the same}
본 발명은 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분탄과 산화제의 혼합특성을 향상시켜 연소효율이 향상될 수 있는 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화설비에 관한 것이다.
미분탄 버너는 기존 석탄화력 발전소와 산업용 보일러에서 실제로 연료의 연소를 수행하는 핵심적인 설비이다. 그런데 최근에 미분탄 버너는 이산화탄소 배출과, 연료비 절감을 해결해야 하는 문제점을 갖고 있다.
이산화탄소는 기후 변화에 가장 큰 원인이며, 이산화탄소의 최대 배출지인 화력발전소 및 산업용 보일러에서 이산화탄소 배출의 저감이 절실히 요구되고 있다. 또한, 화석 연료는 매장량이 한정되어 있기 때문에 연료비를 저감시킬 수 있는 기술 개발도 요구되고 있다.
청정 석탄 이용기술(clean coal using technology)은 전술한 바와 같은 문제들을 해결하도록 집중적인 기술 개발이 이루어지고 있는 분야이다. 이들 기술은 대부분의 전처리 및 분무가 용이한 미분탄을 이용하거나, 슬러리(slurry) 방식의 가스화를 추진하고 있다.
그런데 미분탄을 이용하는 경우에는 미분탄이 공급되는 과정에서 골고루 분포되지 않거나 산화제와 고루 혼합되지 않을 수 있고, 석탄 슬러리를 이용하는 경우에는 석탄 슬러리와 산화제가 효과적으로 빠르게 혼합되지만 석탄 슬러리가 공급되는 관(노즐)에 조금씩 남아 유로가 막히는 문제점이 발생된다.
대한민국등록특허 제10-1281578호
본 발명은 미분탄과 산화제의 혼합특성을 향상시켜 연소효율이 향상될 수 있는 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서, 산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들; 미분탄이 공급되어 토출되며, 하나 또는 복수 개 구비되는 미분탄관; 및 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하는 석탄 가스화기용 연료분사장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서, 산화제가 공급되어 토출되며, 단일의 산화제관; 미분탄이 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 미분탄관들; 및 상기 산화제관 및 상기 미분탄관들을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관 및 상기 미분탄관들을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하는 석탄 가스화기용 연료분사장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서, 산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들; 미분탄이 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 미분탄관; 및 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들의 열을 회수하여 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하며, 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들은 상기 산화제와 상기 미분탄의 혼합 효율이 향상되도록 원주 방향을 따라 배치되되 서로 교번하여 배치되고, 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들은 상기 산화제 및 상기 미분탄이 나선형으로 회전하면서 토출될 수 있도록 꽈배기 형태로 꼬여 형성되는 석탄 가스화기용 연료분사장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 석탄 가스화기용 연료분사장치를 구비하는 석탄 가스화 설비를 포함한다.
본 발명에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치 및 이를 구비하는 석탄 가스화설비는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 산화제관 또는 미분탄관을 복수 개로 구비함으로써 산화제관 및 미분탄관을 통해 토출되는 산화제 및 미분탄의 혼합 특성을 다양하게 할 수 있으며, 이에 따라 산화제 및 미분탄의 유동 흐름을 나선형으로 유도하는 선회기를 설치하지 않아도 되어 석탄 가스화기용 연료분사장치의 구조를 단순화할 수 있다.
둘째, 산화제관 및 미분탄관을 꽈배기 형태로 꼬아 형성하면 산화제관 및 미분탄관을 통해 토출되는 산화제 및 미분탄이 나선형으로 회전하여 유동하면서 토출되기 때문에 산화제와 미분탄의 혼합 효율이 향상되고, 토출된 산화제 및 미분탄이 석탄 가스화기에서 체류되는 시간이 길어져 연소효율이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치의 부분 단면이 도시된 측면도이다.
도 3은 도 1에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치를 통해 연료가 분사되는 상태가 함께 도시된 측면도이다.
도 4는 도 1에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치의 산화제관 및 미분탄관의 배치 실시예들이 도시된 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치가 도시된 사시도이다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치(100)는, 산화제관(110)들, 미분탄관(130)들 및 냉각바디(150)를 포함한다. 상기 산화제관(110)은 산화제가 공급되어 토출되는 유로가 형성된 관이다. 상기 산화제관(110)은 길이 방향을 따라 중공이 형성된 원통형으로 형성되는 것이 일반적이나, 이에 한정되지 않고 단면이 사각형 또는 삼각형 등 다양한 형상의 단면을 갖는 관으로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 산화제관(110)이 도면에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성된다. 상기 산화제관(110)을 통해 공급되어 토출되는 산화제로는 산소(O2), 공기 또는 스팀(steam) 중 어느 하나이거나, 혹은 모두 공급될 수도 있다.
상기 산화제관(110)은 하나 또는 복수 개 구비된다. 상기 산화제관(110)이 복수 개 구비되는 경우, 상기 산화제관(110)들은 원주 방향을 따라 배치된다. 이때, 상기 산화제관(110)들은 상호 이격되어 배치될 수도 있는데, 이웃하는 상기 산화제관(110)들 사이에는 후술되는 상기 미분탄관(130)이 배치될 수도 있다. 상기 산화제관(110)이 하나 구비되는 경우에는 상기 미분탄관(130)들에 둘러싸여 배치될 수 있다. 즉, 상기 산화제관(110)이 상기 미분탄관(130)들이 배치되는 가상의 원주 중심에 배치된다. 본 실시예에서는 상기 산화제가 공급되어 토출되는 상기 산화제관(110)들은 복수 개 구비되며, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 상기 산화제관(110)들이 구비된다.
상기 미분탄관(130)은 미분탄이 공급되어 토출되는 유로가 형성된 관이다. 상기 미분탄관(130)은 상기 산화제관(110)과 마찬가지로 길이 방향을 따라 중공이 형성된 원통형으로 형성되는 것이 일반적이나, 이에 한정되지 않고 단면이 사각형 또는 삼각형 등 다양한 형상의 단면을 갖는 관으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 산화제관(110)과 마찬가지로 상기 미분탄관(130)도 원통형으로 형성된다.
상기 미분탄관(130)은 상기 산화제관(110)과 마찬가지로 하나 또는 복수 개 구비된다. 상기 미분탄관(130)이 복수 개 구비되는 경우, 상기 미분탄관(130)들은 원주 방향을 따라 배치된다. 상기 미분탄관(130)이 하나 배치되는 경우에는 상기 산화제관(110)들에 둘러싸여 배치될 수 있다. 즉, 상기 미분탄관(130)이 상기 산화제관(110)들이 배치되는 가상의 원주 중심에 배치된다.
상기 미분탄관(130)들은 전술한 바와 같이, 상기 미분탄이 공급되어 토출되는 것으로 복수 개 구비되는데, 본 실시예에서는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 상기 미분탄관(130)들이 구비된다. 본 실시예에서는 4개의 상기 산화제관(110)들 및 3개의 상기 미분탄관(130)들이 구비되지만 이에 한정되지 않고 더 많은 개수의 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 구비될 수 있다. 또한, 상기 미분탄관(130)들의 개수가 상기 산화제관(110)들의 개수보다 더 많이 구비될 수도 있다.
상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들의 배치 형태를 보다 상세히 살펴보면, 본 실시예에서는 4개의 상기 산화제관(110)들 중 하나의 상기 산화제관(110)을 기준으로 3개의 상기 산화제관(110)들이 원주 방향을 따라 상호 이격되어 배치된다. 상기 미분탄관(130)들은 기준이 되는 상기 산화제관(110)을 중심으로 원주 방향을 따라 상호 이격되어 배치되되, 원주 방향으로 배치된 상기 산화제관(110)들과 서로 교번되게 배치된다. 즉, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 이웃하는 상기 산화제관(110)들 사이에 상기 미분탄관(130)이 배치되며, 기준이 되는 상기 산화제관(110)을 나머지 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 둘러싸는 형태로 배치된다.
본 실시예에서와 같이 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 복수 개 구비되면 토출되면, 상기 산화제 및 상기 미분탄의 혼합 특성을 다양하게 할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 복수 개 구비하는 것과 더불어 상기 산화제 및 상기 미분탄의 혼합 효율이 향상되도록 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 꽈배기 형태로 꼬여 형성한다. 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 꽈배기 형태로 꼬여 형성되면, 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 따라 유동되는 상기 산화제 및 상기 미분탄은 나선형의 형태로 회전되면서 유동된다.
상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 따라 나선형으로 회전되면서 유동되는 상기 산화제 및 상기 미분탄은 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들에서 토출된 후에도 나선형으로 회전되는 힘이 남아있기 때문에, 토출된 후에는 회전에 의해 상기 산화제 및 상기 미분탄이 더 잘 혼합되어 혼합 효율이 향상된다. 혼합 효율이 향상된 상기 산화제 및 상기 미분탄은 석탄 가스화기의 반응로에서 연소 시, 연소 효율이 향상되는 효과를 갖는다. 특히, 나선형으로 회전되면서 상기 반응로를 유동하는 상기 산화제 및 상기 미분탄은, 직선 방향으로 토출되어 유동될 때보다 상기 반응로 내에서 체류하는 시간이 증가되기 때문에 연소 효율을 더 향상시키는 효과를 갖게 된다.
상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들은 상기 산화제 및 상기 미분탄의 유동에 의해 온도가 상승한다. 따라서 상기 냉각바디(150)에 의해 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 냉각시킨다.
상기 냉각바디(150)는 이중관 구조를 갖는다. 상기 냉각바디(150)는 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 둘러싸는 상기 제1 냉각수유로관(151) 및 상기 제1 냉각수유로관(151)을 둘러싸며, 일 단이 상기 제1 냉각수유로관(151)의 일 단과 연통되는 제2 냉각수유로관(153)을 포함한다.
상기 제2 냉각수유로관(153)에는 상기 냉각수가 공급되는 제1 노즐(154)이 설치되고, 상기 제1 냉각수유로관(151)에는 유동하면서 온도가 상승된 상기 냉각수를 배출하는 제2 노즐(152)이 설치된다. 즉, 상기 냉각수가 상기 제1 노즐(154)을 통해 상기 제2 냉각수유로관(153)으로 공급되어 상기 제1 냉각수유로관(151)으로 유동되면서 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들과 열교환하여 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)을 냉각시키고 온도가 상승된 냉각수가 상기 제1 냉각수유로관(151)에 설치된 상기 제2 노즐(152)을 통해 배출된다.
한편, 도 4에는 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들의 다양한 배치 형태가 도시되어 있다. 도 4를 참조하여 보면, (a)는 본 발명의 일 실시예와 같이 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 복수 개 구비된 것으로, 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들은 원주 방향을 따라 배치되되, 상기 산화제관(110) 및 상기 미분탄관(130)이 서로 교번되어 배치되고, 원주 방향을 따라 배치된 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들 중심에는 상기 산화제관(110)이 배치된 형태이다. (b)는 상기 산화제관(110)은 하나 구비되고, 상기 미분탄관(130)들은 복수 개 구비된 것이다. 상기 미분탄관(130)들은 상기 산화제관(110)을 중심으로 원주 방향을 따라 상기 산화제관(110)을 둘러싸며 배치된 형태이다. (c)는 상기 산화제관(110)들이 복수 개 구비되고, 상기 미분탄관(130)은 하나 구비된 것이다. (c)에서는 (b)에서와 달리, 상기 미분탄관(130)을 중심으로 상기 산화제관(110)들이 원주 방향을 따라 배치된 형태이다. (d)는 (a)와 유사한 배치 형태로 (a)와 달리, 상기 미분탄관(130)이 원주 방향을 따라 배치된 상기 산화제관(110)들과 상기 미분탄관(130)들의 중심에 배치된 형태이다. (e)는 상기 산화제관들(110) 및 상기 미분탄관(130)들이 원주 방향을 따라 교번하여 배치되되, 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 배치된 중심은 비어있는 형태이다. (f)는 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 복수 개 구비되며, 원주 방향을 따라 상기 산화제관(110)들이 배치되고, 상기 산화제관(110)들을 둘러싸며 상기 미분탄관(130)들이 원주 방향을 따라 배치된 형태이다. (g)는 (f)와 동일한 배치 형태이되, 상기 산화제관(110)들과 상기 미분탄관(130)들의 위치가 바뀌어서 배치된 형태이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 산화제관(110) 및 상기 미분탄관(130)이 구비되는 개수 및 배치 형태를 다양하게 하여 상기 산화제관(110) 및 상기 미분탄관(130)을 통해 토출되는 상기 산화제와 상기 미분탄의 혼합 특성을 다양하게 제어할 수 있다. 특히, 상기 산화제와 상기 미분탄의 혼합 특성을 다양하게 제어할 수 있으면, 상기 산화제와 상기 미분탄이 나선형으로 회전되면서 토출되거나 상기 산화제 및 상기 미분탄의 유동을 나선형으로 유도하는 선회기(swirler)를 구비할 필요가 없어 상기 석탄 가스화기용 연료분사장치의 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치(100`)가 도시된 것이다. 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치(100`)는 전술한 일 실시예에 따른 석탄 가스화기용 연료분사장치(100)와 구성이 동일하나, 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 꽈배기 형태로 꼬여 형성되지 않는다. 본 실시예에서는 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들이 꽈배기 형태로 꼬여 형성되지 않으나, 전술한 바와 같이, 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 복수 개 구비함으로써 상기 산화제관(110)들 및 상기 미분탄관(130)들을 통해 토출되는 상기 산화제 및 상기 미분탄의 혼합 특성을 다양하게 할 수 있다. 따라서 전술한 바와 같이, 상기 석탄 가스화기용 연료분사장치(100`)에 선회기를 설치하지 않아도 되어 상기 석탄 가스화기용 연료분사장치(100`)의 구조를 단순화할 수 있으면서 연소 효율도 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 석탄 가스화기용 연료분사장치
110: 산화제관 130: 미분탄관
150: 냉각바디 151: 제1 냉각수유로관
152: 제1 노즐 153: 제2 냉각수유로관
154: 제2 노즐

Claims (11)

  1. 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서,
    산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들;
    미분탄이 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 미분탄관들; 및
    상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하며,
    상기 미분탄관들은 상기 산화제관들이 배치되는 원주 방향을 따라 배치되되, 상기 미분탄관들과 상기 산화제관들은 서로 교번하여 배치되며,
    상기 미분탄관들 또는 상기 산화제관들 중 어느 하나의 관이 상기 원주 중심에 배치되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제관들은 상기 산화제와 상기 미분탄의 혼합 효율이 향상되도록 원주 방향을 따라 배치되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제관들은 상기 산화제가 나선형으로 회전하면서 토출될 수 있도록 꽈배기 형태로 꼬여 형성되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  5. 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서,
    산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들;
    미분탄이 공급되어 토출되며, 하나 또는 복수 개 구비되는 미분탄관; 및
    상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하는 석탄 가스화기용 연료분사장치
    상기 산화제관들은 상기 산화제가 나선형으로 회전하면서 토출될 수 있도록 꽈배기 형태로 꼬여 형성되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  6. 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서,
    산화제가 공급되어 토출되며, 단일의 산화제관;
    미분탄이 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 미분탄관들; 및
    상기 산화제관 및 상기 미분탄관들을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관 및 상기 미분탄관들을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미분탄관들은 상기 산화제관을 원주 중심으로 하여 원주 방향을 따라 배치되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  8. 청구항 1, 청구항 5 또는 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각바디는 이중관 구조를 가지며,
    상기 이중관 구조는,
    상기 산화제관 및 상기 미분탄관을 둘러싸는 제1 냉각수유로관; 및
    상기 제1 냉각수유로관을 둘러싸며, 일 단이 상기 제1 냉각수유로관의 일 단과 연통되는 제2 냉각수유로관을 포함하는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 냉각수유로관에는 냉각수가 공급되는 제1 노즐이 설치되고, 상기 제1 냉각수유로관에는 유동하면서 온도가 상승된 상기 냉각수를 배출하는 제2 노즐이 설치되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  10. 석탄 가스화기용 연료분사장치에 있어서,
    산화제가 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 산화제관들;
    미분탄이 공급되어 토출되며, 복수 개 구비되는 미분탄관들; 및
    상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들의 열을 회수하여 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 냉각시킬 수 있도록 상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들을 둘러싸며 배치되는 냉각바디를 포함하며,
    상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들은 상기 산화제와 상기 미분탄의 혼합 효율이 향상되도록 원주 방향을 따라 배치되되 서로 교번하여 배치되고,
    상기 산화제관들 및 상기 미분탄관들은 상기 산화제 및 상기 미분탄이 나선형으로 회전하면서 토출될 수 있도록 꽈배기 형태로 꼬여 형성되는 석탄 가스화기용 연료분사장치.
  11. 청구항 1, 청구항 5, 청구항 6 또는 청구항 10 중 어느 한 항의 석탄 가스화기용 연료 분사장치를 구비하는 석탄 가스화 설비.
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