KR101812228B1 - 꼬인관에 의한 선회류를 이용하는 미분탄 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 석탄 분쇄기, 상기 분쇄기로부터 송풍된 미분탄, 상기 미분탄을 연소시키기 위한 산화제 및 상기 미분탄과 산화제를 연소실로 공급하는 배관장치를 포함하는 연소장치에 있어서, 상기 연소실로 미분탄 연료를 공급하는 외측관 및 상기 외측관에 삽입되고, 산화제를 공급하는 내측관을 포함하고 상기 내측관은 적어도 일부구간이 꼬인관인 미분탄 연소장치이다.
본 발명에 따른 미분탄 연소장치 또는 연료 공급 방법에 의하면, 베인을 이용하던 종래의 기술에 비해 압력강하를 줄이면서 선회류를 발생시킬 수 있어 효율적이다. 또한, 비교적 낮은 유속에서도 안정적으로 난류를 발생시킬 수 있어 화염 안정성이 향상된다.
추가로, 꼬인관을 외측관에 삽입하는 것으로 비교적 간단하게 제작이 가능하며, 기존의 배관 구성에 비해 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Description

꼬인관에 의한 선회류를 이용하는 미분탄 연소장치{Pulverized coal burner using swirling flow by twisted tube}

본 발명은 미분탄 연소장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 꼬인관을 이용한 선회류를 이용하는 미분탄 연소장치에 관한 것이다.

미분탄 연소장치란, 석탄을 미립자로 분쇄하고 공기속에 부유하게 하여 연소시키는 장치로서, 석탄에 의한, 대규모 원동력을 필요로 하는 곳에서는 모두 이 장치를 사용하고 있다. 연소가 효율적으로 일어나게 하기 위해서는 석탄의 분쇄도도 중요하지만, 연료와 산화제가 고르게 혼합되어 공급되는 것이 핵심과제이다.

기존의 미분탄 연소장치는, 연료와 산화제를 혼합하여 연소시킴에 있어 연료와 산화제가 합류관 형태의 배관을 통해 연소실 안으로 공급되므로, 고르게 혼합되지 않은 상태로 연소가 일어나는 문제점이 있었다. 위와 같은 불완전한 연소로 인하여 연소실 전체가 균일한 온도 분포를 유지하지 못하므로, 결과적으로 규제치 이상의 높은 배기가스를 배출하게 되는 문제점도 있었다. 더욱이, 위와 같은 불완전연소는 전체 연소장치의 성능 및 열효율 저하를 가져오는 문제점도 있었다.

이를 해결하기 위한 기술로 연료와 산화제를 혼합하여 난류를 생성하고 이를 연소실에 공급하려는 다양한 시도가 있었다. 대표적으로 베인을 배관속에 설치하여 난류를 생성하는 기술을예로 들 수 있다. 그러나 이는 베인에서 유동의 압력강하와 베인의 침식, 절삭가공의 어려움이 있다는 문제점이 있었다.

한국공개특허공보 제10-2012-0067814호

본 발명은 미분탄 연소장치의 연소실로 연료와 산화제를 공급하는 배관에 있어서, 꼬인관을 외측관 내부에 삽입함으로써 미분탄 연료와 산화제를 공급하여 선회류를 발생시켜 유동을 연소실로 공급한다. 유동의 압력강하를 줄이면서 선회류를 효과적으로 발생시키고 이를 통해 미분탄 연소시에 효율성을 높이고 화염 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 석탄 분쇄기, 상기 분쇄기로부터 송풍된 미분탄, 상기 미분탄을 연소시키기 위한 산화제 및 상기 미분탄과 산화제를 연소실로 공급하는 배관장치를 포함하는 연소장치에 있어서, 상기 연소실로 미분탄 연료를 공급하는 외측관 및 상기 외측관에 삽입되고, 산화제를 공급하는 내측관을 포함하고 상기 내측관은 적어도 일부구간이 꼬인관인 미분탄 연소장치일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 미분탄과 산화제를 연소실로 공급하는 노즐을 포함하는 연소장치에 있어서, 상기 노즐은 상기 연소실로 산화제를 공급하는 외측관 및 상기 외측관에 삽입되고, 미분탄 연료를 공급하는 내측관을 포함하고 상기 내측관은 적어도 일부구간이 꼬인관인 미분탄 연소장치일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 상기 꼬인관의 단면은 타원형, 삼각형, 다각형 중 어느 하나인 미분탄 연소장치일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 상기 외측관은 관 안쪽면에 유동의 흐름 방향으로 뻗어있는 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치는, 상기 외측관은 관 안쪽면에 스크류 형상의 스윌러를 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 외측관과 상기 외측관에 삽입되고 적어도 일부구간이 꼬여있는 내측관을 이용하여, 상기 외측관에는 미분탄 연료를 공급하고 상기 내측관에는 산화제를 공급하여, 이중선회류를 발생시키는 공급 방법일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 외측관과 상기 외측관에 삽입되고 적어도 일부구간이 꼬여있는 내측관을 이용하여, 상기 외측관에는 산화제를 공급하고 상기 내측관에는 미분탄 연료를 공급하여, 이중선회류를 발생시키는 공급 방법일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 상기 꼬인 부분의 단면은 타원형, 삼각형, 다각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료와 산화제 공급 방법일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 상기 외측관은 적어도 일부구간이 꼬여있는 것을 이용하는 연료와 산화제 공급 방법일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 상기 외측관은 관 안쪽면에 유동의 흐름 방향으로 뻗어있는 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료와 산화제 공급 방법일 수 있다.

일 실시예에 따른 미분탄 연소장치에 미분탄 연료와 산화제를 공급하는 방법은, 상기 외측관은 관 안쪽면에 스크류 형상의 스윌러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료와 산화제 공급 방법일 수 있다.

본 발명에 따른 미분탄 연소장치 또는 연료 공급 방법에 의하면, 베인을 이용하던 종래의 기술에 비해 압력강하를 줄이면서 선회류를 발생시킬 수 있어 효율적이다. 또한, 비교적 낮은 유속에서도 안정적으로 난류를 발생시킬 수 있어 화염 안정성이 향상된다.

추가로, 꼬인관을 외측관에 삽입하는 것으로 비교적 간단하게 제작이 가능하며, 기존의 배관 구성에 비해 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 외측관이 직선관이고 내측관이 꼬인관으로서, 내측관이 일부만 꼬인 경우와 전부가 꼬인 경우를 나타낸 것이다.
도 2는 외측관과 내측관 모두 꼬인관인 경우를 나타낸 것이다.
도 3은 외측관 내부에 유동의 방향으로 돌기가 형성되어 있는 것을 나타낸 것이다.
도 4는 외측관 내부에 스크류 형상의 스윌러가 형성되어 있는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 꼬인관의 단면의 형상의 예시를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1에서는 미분탄 연소장치의 연소실로 연료와 산화제를 공급하는 배관을 나타낸 것이다. 배관은 외측관(200)이 있고 그 안에 내측관(100)이 삽입된 이중관 형태로 존재한다. 도 1에서는 외측관(200)이 직선관이고, 삽입된 내측관(100)이 꼬인관인 경우로서, 외측관(200)의 직경이 내측관(100)의 직경보다 크기 때문에 내측관(100)이 외측관(200) 속으로 삽입될 수 있음을 도시하고 있다. 내측관(100)은 관의 일부구간 또는 전구간이 꼬인형태일 수 있으며 꼬이지 않은 구간은 직선관에 해당한다.

이중관으로 공급될 유동은 2가지가 있다. 첫째는 석탄 분쇄기로부터 분쇄된 미분탄이 송풍되어 공기와 혼합된 미분탄 연료 유동이고, 둘째는 미분탄 연료 연소를 위한 산화제 유동이다. 산화제는 필요와 목적에 따라 다양한 기체를 사용할 수 있다.

본 발명에 일 실시예에 따른 이중관 구조를 이용하면, 외측관(200)과 내측관(100) 사이의 유동과 내측관(100)의 유동 2가지가 가능하다. 꼬인관인 내측관(100)으로 인해 연소실로 유입되는 유동은 선회류를 일으키며, 직선관인 외측관(200)과 내측관(100) 사이의 유동도 선회류를 일으키며 연소실로 유입된다. 이를 이용하면 어느 한쪽에 미분탄 연료를 유동시키면 다른 한쪽에는 산화제를 유동시킬 수 있으며, 반대의 경우도 가능하다. 이로써 미분탄 연료와 산화제가 이중 선회류를 일으키며 서로 섞이게 되어 연소실에서 효율적인 연소가 가능하다.

기존의 기술에 따르면, 연료와 산화제를 혼합하기 위해 베인을 구동시켜 별도의 동력원이 필요한 경우도 있고, 별도의 동력원이 필요하지 않더라도 유동이 베인을 지나면서 압력강하로 인해 유속이 느려져 난류 생성의 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 그리고 베인을 구비하기 위해 배관의 가운데 중공이 있어야 하므로 가공절차가 복잡해진다는 단점도 있었다.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관을 이용하면, 베인을 이용하지 않으므로 별도의 동력원이 필요하지 않고, 유동의 압력강하를 최소화하여 선회류를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 선회류를 통해 혼합된 연료와 산화제는 연소 효율과 화염 안정성으로 이어지는 유리한 효과가 있다. 또한 외측관(200)에 내측관(100)은 삽입하기만 하면 되므로 중공이 있어야 되는 기존의 기술에 비해 가공이 간단하고 배관의 크기를 작게 할 수 있다는 장점이 있다.

도 2에서는 내측관(100)을 감싸는 외측관(300)이 꼬인관인 경우를 나타내고 있다. 내측관(100)만 꼬인관이고 외측관(200)은 직선관인 경우에 비해, 외측관(300)도 꼬인관인 경우 더욱 강력한 이중 선회류를 발생시킬 수 있다. 외측관(300)은 일부구간 또는 전구간이 꼬인관일 수 있다.

도 3에서는 내측관(100)을 감싸는 외측관(400)이 돌기(410)를 포함하는 경우를 나타내고 있다. 내측관(100)의 직경에 비해 외측관(400)의 직경이 커지게 되면 외측관(400) 안쪽으로 접하는 유동은 교란이 없어 난류가 생성되기 어렵다. 따라서 외측관(400)을 따른 유동이 모두 선회류를 일으키게 하기 위해 외측관(400) 안쪽으로 하나 이상의 돌기를 형성할 수 있다. 외측관(400)에 형성된 돌기(410)는 탄성부재로 이루어질 수 있으며, 유동의 흐름 방향으로 뻗어, 외측관(400) 안쪽으로 접하는 유동을 내측관(100)에 가깝도록 모아주는 역할을 한다.

도 4에서는 내측관(100)을 감싸는 외측관(500)이 스윌러(510)를 포함하는 경우를 나타내고 있다. 스윌러(510)는 스크류 형상 또는 헬릭스 곡선을 이루며 외측관(500) 안쪽면을 따라 형성되어 있다. 스윌러(510)는 외측관(500)의 일부구간 또는 전구간에 형성될 수 있다. 내측관(100)만 꼬인관이고 외측관(200)은 직선관인 경우에 비해, 외측관(500)이 스윌러(510)를 포함하게 경우 더욱 강력한 이중 선회류를 발생시킬 수 있다. 외측관(500)은 일부구간 또는 전구간이 꼬인관일 수 있다.

도 5에서는 꼬인관이 여러가지 단면을 갖는 경우를 나타내고 있다. 여기서 꼬인관은 발명의 실시예에 따라 외측관(200, 300)과 내측관(100) 모두 가능하다. 꼬인관의 단면은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 그밖의 다각형 등 여러가지 도형이 가능하다.

상기 본 발명의 실시예들에 따른, 외측관(200, 300, 400, 500)과 내측관(100)은 이용 목적과 상황에 따라 접하는 부분이 생길 수도 있고, 접하지 않도록 내측관(100)과 외측관(200, 300, 400, 500)의 위치가 고정될 수도 있다. 내측관(100)과 외측관(200, 300, 400, 500)이 접하게 되는 경우 내측관(100)의 유동은 변화가 생기지 않을 것이나, 외측관(200, 300, 400, 500)의 유동은 접하는 부분에 따라 유동이 분할될 수도 있다.

또한 미분탄 유동으로 인한 침식을 최소화 하기 위해 내측관(100)의 꼬인구간의 길이와 꼬인 각도를 적절히 조절할 수 있다. 내측관(100)이 일부구간만 꼬인 경우, 꼬이지 않은 구간의 단면적은 꼬인 구간의 단면적과 같게 하여, 압력강하를 최소한으로 줄일 수 있다.

상기 언급된 본 발명의 실시예들은 미분탄 연소장치뿐만 아니라 난류가 필요한 각종 연소장치, 보일러, 가스화기 등 다양한 장치로 응용 확장하여 적용할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 내측관
200 : 직선관인 외측관
300 : 꼬인관인 외측관
400 : 돌기가 있는 외측관
410 : 돌기
500 : 스윌러가 있는 외측관
510 : 스윌러

Claims (12)

1. 석탄 분쇄기; 및 상기 분쇄기로부터 송풍된 미분탄과, 상기 미분탄을 연소시키기 위한 산화제를 연소실로 각각 공급하는 배관장치;를 포함하는 연소장치에 있어서,
   상기 배관장치는,
   상기 연소실로 미분탄 연료를 공급하는 외측관; 및
   상기 외측관 안으로 삽입되고, 산화제를 공급하는 내측관;을 포함하되,
   이중 선회류를 생성하기 위해 상기 내측관과 외측관 중 적어도 상기 내측관은 일부구간 또는 전구간이 꼬인관으로 마련되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치.
   
2. 미분탄과 산화제를 연소실로 공급하는 노즐을 포함하는 연소장치에 있어서,
   상기 노즐은,
   상기 연소실로 산화제를 공급하는 외측관;및
   상기 외측관에 삽입되고, 미분탄 연료를 공급하는 내측관;을 포함하되,
   이중 선회류를 생성하기 위해 상기 내측관과 외측관 중 적어도 상기 내측관은 일부구간 또는 전구간이 꼬인관으로 마련되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 외측관은 관 안쪽면에 유동의 흐름 방향으로 뻗어있는 돌기, 또는 스크류 형상의 스윌러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 꼬인관의 단면은 타원형, 삼각형, 다각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미분탄 연소장치.
   
   
   
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