KR101983969B1

KR101983969B1 - 순환유동층 보일러

Info

Publication number: KR101983969B1
Application number: KR1020170154344A
Authority: KR
Inventors: 이종민; 김동원; 박경일
Original assignee: 한국전력공사; 한국남동발전(주); 한국남부발전 주식회사; 한국동서발전(주); 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-09-03
Also published as: WO2019098456A1; KR20190056922A

Abstract

본 발명은 순환유동층 보일러에 관한 것으로, 연료물질을 연소시키는 연소부와, 연소부에 연결되어 연료물질을 포집하는 포집부와, 포집부에 형성되어 연료물질을 분배하는 분배부와, 분배부와 연소부를 연결하여 분배부의 연료물질 일부를 연소부로 안내하는 회수부와, 분배부와 연소부를 연결하여 분배부의 연료물질을 연소부로 안내하고 연료물질의 혼합을 유도하여 연료물질의 편류발생을 억제하면서 열을 흡수하는 열교환부를 포함하여, 연료물질의 혼합되어 열교환부의 손상을 방지할 수 있다.

Description

순환유동층 보일러{CIRCULATING FLUID BED BOILER}

본 발명은 순환유동층 보일러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환기에서 발생하는 온도 편차 및 국부 가열에 의한 내부 손상 및 비효율적인 운전을 개선하는 순환유동층 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 순환유동층 보일러는, 높은 온도(1,300℃ 이상)의 배가스 복사 및 대류로 열을 흡수하는 열교환기를 가진 미분탄 보일러와 달리, 배가스의 복사, 대류 뿐만 아니라 층물질에 의해 열전달을 받는 열교환기를 포함한다.

순환유동층 보일러에서는 사이클론에서 포집된 입자가 비기계적 밸브인 루프씰을 지나 연소로로 재순환 될 때, 고온 입자(800~950℃내외)의 일부 또는 전부를 유동층 열교환기로 주입시켜 열을 회수하고, 온도가 낮아진(600℃내외) 입자의 연소로 순환을 통해 연소로 층온도를 조절하는 기능을 갖도록 구성한다.

그러나, 루프씰에서 주입되는 고온의 입자는 유동층 열교환기 내에서 입자들간의 혼합 상태가 원활하지 않거나 흐름의 편류가 형성될 경우, 유동층 열교환기 내의 열교환 튜브의 국부적 온도 상승을 발생시키게 되며, 이는 튜브 자체온도를 제한치 이상으로 상승시켜 열교환 튜브의 열적 트러짐(thermal stress)을 심화시키고 궁극에는 튜브 손상으로 이어져 조업을 중단해야 하는 위험에 직면하게 된다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1492731호(2015.02.05. 등록, 발명의 명칭 : 유동층 보일러)에 게시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 열교환기에서 발생하는 온도 편차 및 국부 가열에 의한 내부 손상 및 비효율적인 운전을 개선하는 순환유동층 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 순환유동층 보일러는: 연료물질을 연소시키는 연소부; 상기 연소부에 연결되어 연료물질을 포집하는 포집부; 상기 포집부에 형성되어 연료물질을 분배하는 분배부; 상기 분배부와 상기 연소부를 연결하여 상기 분배부의 연료물질 일부를 상기 연소부로 안내하는 회수부; 및 상기 분배부와 상기 연소부를 연결하여 상기 분배부의 연료물질을 상기 연소부로 안내하고, 연료물질의 혼합을 유도하여 연료물질의 편류발생을 억제하면서 열을 흡수하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환부는 상기 분배부와 연결되어 연료물질을 안내하는 유입관부; 상기 연소부와 연결되어 연료물질을 안내하는 유출관부; 상기 유입관부와 상기 유출관부 사이에 배치되는 하우징부; 상기 하우징부에 내장되고 연료물질의 열을 흡수하는 튜브부; 및 상기 하우징부에 내장되고, 상기 튜브부와 상기 유입관부 사이에 배치되며, 상하방으로 연료물질의 흐름이 가능하여 연료물질의 혼합이 이루어지는 격벽부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유출관부는 상기 하우징부와 연결되고, 상기 연소부 방향으로 돌출되면서 점차로 폭이 줄어드는 제1유출부; 및 상기 제1유출부에서 연장되고, 상기 연소부와 연결되는 제2유출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽부는 하단부가 상기 튜브부의 하단부와 대응되는 높이를 가지고, 상단부가 상기 튜브부의 상단부 또는 상기 유출관부의 상단부 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 열교환부는 상기 격벽부에 장착되어 온도를 측정하는 온도센서부; 상기 온도센서부에서 측정한 온도를 분석하는 제어부; 및 상기 하우징부에 장착되고, 상기 제어부의 제어로 상기 격벽부와 상기 유입관부 사이의 공간으로 유체를 공급하는 혼합분사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 열교환부는 상기 하우징부에 장착되고, 상기 격벽부와 상기 유출관부 사이의 공간으로 유체를 공급하는 튜브분사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 순환유동층 보일러는 격벽부에 의해 유입된 연료물질의 혼합이 이루어지므로, 튜브부의 국부적인 온도상승으로 인한 손상을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 순환유동층 보일러는 유출관부에 의해 하우징부에서 연소부로의 연료물질 배출량이 증대되므로, 연료물질 적체에 의한 튜브부의 가열을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 순환유동층 보일러는 복수개의 온도센서부에 의해 측정된 온도의 편차에 따라 혼합분사부가 작동하여 연료물질의 혼합율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부를 개략적으로 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부를 개략적으로 나태는 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부의 유동해석과 온도 흐름에 대한 바라쿠다를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 순환유동층 보일러의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러(1)는 연소부(10)와, 포집부(20)와, 분배부(30)와, 회수부(40)와, 열교환부(50)를 포함한다.

연소부(10)는 연료물질을 연소시킨다. 일 예로, 연소부(10)는 연료물질을 유동시키면서 연소시켜 고온의 배가스를 생성할 수 있다. 연소부(10)는 지면과 이격되어 배치되고, 하단부의 개방된 영역을 통해 공기가 공급될 수 있다. 이때, 투입되는 공기의 유속을 일정하게 유지시키기 위해 하단부로 갈수록 단면적이 줄어드는 형상을 할 수 있다.

포집부(20)는 연소부(10)에 연결되어 연료물질을 포집한다. 일 예로, 포집부(20)는 연소부(10)의 상단부에 연결되어 연소부(10)에서 비산되는 층물질을 포집할 수 있다.

분배부(30)는 포집부(20)에 형성되어 연료물질을 분배한다. 일 예로, 분배부(30)는 포집부(20)의 하단부에 형성되고, 포집된 연료물질을 회수부(40)와 열교환부(50)로 분배한다. 이때, 열교환부(50)로 분배되는 연료물질량은 조절될 수 있다.

회수부(40)는 분배부(30)와 연소부(10)를 연결하여 포집부(20)에서 포집된 연료물질을 연소부(10)로 안내한다. 이때, 회수부(40)는 역류 방지를 위해 다양한 형상이 채택될 수 있다.

열교환부(50)는 분배부(30)와 연소부(10)를 연결하여 분배부(30)의 연료물질을 연소부(10)로 안내한다. 열교환부(50)는 연료물질의 혼합을 유도하여 연료물질의 편류발생을 억제하면서 열을 흡수한다. 이로 인해, 열교환부(50)는 고온의 연료물질의 혼합 및 분산 흐름을 증대시키므로, 국부적으로 온도 상승이 일어나는 것을 억제할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부를 개략적으로 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부를 개략적으로 나태는 측단면도이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부(50)는 유입관부(51)와, 유출관부(52)와, 하우징부(53)와, 튜브부(54)와, 격벽부(55)를 포함한다.

유입관부(51)는 분배부(30)와 연결되어 연료물질을 안내한다. 일 예로, 유입관부(51)는 상단부가 분배부(30)와 연결되고, 하단부가 하우징부(53)와 연결될 수 있다.

유출관부(52)는 연소부(10)와 연결되어 연료물질을 안내한다. 일 예로, 유출관부(52)는 상단부가 하우징부(53)와 연결되고, 하단부가 연소부(10)와 연결될 수 있다.

하우징부(53)는 유입관부(51)와 유출관부(52) 사이에 배치된다. 일 예로, 하우징부(53)는 속이 비워진 육면체 형상을 하고, 일측면에 유입관부(51)가 연결되며, 타측면에 유출관부(52)가 연결될 수 있다. 하우징부(53)는 미도시한 지지수단에 의해 지지될 수 있다.

튜브부(54)는 하우징부(53)에 내장되고 연료물질의 열을 흡수한다. 일 예로, 튜브부(54)는 하우징부(53)의 측벽에 고정 설치되되, 지그재그 방식으로 배열될 수 있다. 튜브부(54)는 하우징부(53)의 저면 및 상면과 이격되도록 배치되어 유체가 이동될 수 있다.

격벽부(55)는 하우징부(53)에 내장되고, 튜브부(54)와 유입관부(51) 사이에 배치되며, 상하방으로 연료물질의 흐름이 가능하여 연료물질의 혼합을 유도한다. 일 예로, 격벽부(55)는 하우징부(53)의 측벽에 고정 설치되되, 하우징부(53)의 저면 및 상면과 이격되도록 배치되어 유체가 이동될 수 있다. 격벽부(55)에 의해 튜브부(54)와 유입관부(51) 사이에 형성되는 공간에서는 연료물질의 혼합이 이루어질 수 있다.

따라서, 고온의 연료물질이 격벽부(55)에 의해 형성되는 공간에서 먼저 혼합된 후 튜브부(54)와 열교환되므로, 국부적인 온도 상승에 의한 튜브부(54)의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유출관부(52)는 제1유출부(521)와 제2유출부(522)를 포함한다.

제1유출부(521)는 하우징부(53)와 연결되고, 연소부(10) 방향으로 돌출되면서 점차로 폭이 줄어든다. 일 예로, 제1유출부(521)는 단부가 하우징부(53)와 동일한 폭을 갖도록 형성될 수 있으며, 선폭이 경사면 또는 곡선면을 통해 줄어들 수 있다. 제2유출부(522)는 제1유출부(521)에서 연장되고, 연소부(10)와 연결된다.

제1유출부(521)가 하우징부(53)와 대응되는 폭을 갖도록 형성되면, 기존보다 하우징부(53)에서 연소부(10)로 배출되는 양이 증대될 수 있으므로, 연료물질의 적체 및 편중을 저감시켜 튜브부(54)의 과열을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부(55)는 하단부가 튜브부(54)의 하단부와 대응되는 높이를 가지고, 상단부가 튜브부(54)의 상단부 또는 유출관부(52)의 상단부 보다 높게 형성된다. 이와 같이 격벽부(55)가 배치되면, 혼합된 연료물질이 격벽부(55)의 하방 공간을 통해 튜브부(54)에 도달하고, 격벽부(55)의 상방 공간을 통해 튜브부(54)에 도달할 수 있다.

따라서, 격벽부(55)는 유입관부(51)를 통해 유입된 고온의 연료물질이 혼합되지 않고 직접 튜브부(54)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 유입관부(51)의 배치 높이는 격벽부(55)의 배치 높이 내에서 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부(50)는 온도센서부(56)와, 제어부(57)와, 혼합분사부(58)를 더 포함할 수 있다.

온도센서부(56)는 격벽부(55)에 장착되어 온도를 측정한다. 일 예로, 온도센서부(56)는 격벽부(55)의 상부 또는 상단부에 장착되고, 격벽부(55)의 길이 방향으로 복수개가 배치될 수 있다. 그 외, 온도센서부(56)는 격벽부(55)의 전범위에 걸쳐 골고루 배치될 수 있다.

제어부(57)는 온도센서부(56)에서 측정한 온도를 분석한다. 그리고, 혼합분사부(58)는 하우징부(53)에 장착되고, 제어부(57)의 제어로 격벽부(55)와 유입관부(51) 사이의 공간으로 유체를 공급한다.

일 예로, 혼합분사부(58)는 1열 이상의 혼합노즐부(581)를 포함하고, 혼합노즐부(581)를 통해 공급되는 공기는 격벽부(55)와 하우징부(53) 사이에 투입되는 연료물질과 혼합될 수 있다. 그 외, 혼합분사부(58)는 격벽부(55)의 하방으로 공기를 분사하여, 연료물질을 튜브부(54)로 이동시킬 수 있다.

한편, 제어부(57)는 복수개의 온도센서부(56)에서 측정한 온도의 편차분석을 실시하고, 편차분석 과정에서 편차량이 설정된 값보다 크면 혼합분사부(58)를 제어하여 혼합분사부(58)에서 토출되는 유체량을 늘릴 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부(50)는 튜브분사부(59)를 더 포함할 수 있다. 튜브분사부(59)는 하우징부(53)에 장착되고, 격벽부(55)와 유출관부(52) 사이의 공간으로 유체를 공급한다. 튜브분사부(59)는 1열 이상의 튜브노즐부(591)를 포함하고, 튜브노즐부(591)를 통해 공급되는 공기는 튜브부(54)를 향하여 분사될 수 있다. 튜브분사부(59)에서 분사되는 공기는 튜브부(54)의 하방 또는 튜브부(54) 자체에 누적되는 연료물질을 유동시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러에서 열교환부의 유동해석과 온도 흐름에 대한 바라쿠다를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 1-1, 1-2, 1-3은 유동층 보일러의 기존 열교환기에서 유동 상태와, 연료물질 혼합상태와, 온도상태를 각각 나타낸다. 그리고, 2-1, 2-2, 2-3은 1-1, 1-2, 1-3 각각에 격벽부(55)가 적용된 도면이다. 또한, 3-1, 3-2, 3-3은 2-1, 2-2, 2-3 보다 격벽부(55)의 높이가 상승한 상태를 나타내는 도면이다. 마지막으로, 4-1, 4-2, 4-3은 3-1, 3-2, 3-3에서 유출관부(52)가 확장된 상태를 나타내는 도면이다.

도 4를 통해 열교환기에서 유동조건 및 연료물질의 혼합 흐름, 그리고 온도변화를 고찰한 결과, 4-1, 4-2, 4-3으로 갈수록 연료물질 혼합 및 온도편차가 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 격벽부(55)를 통해 연료물질의 혼합을 유도하는 경우, 튜브부(54)로 고온의 연료물질이 직접 유입되는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 격벽부(55)의 높이를 상승시키고 추가적으로 유출관부(52)를 확장하는 경우, 연료물질의 혼합율이 더욱 향상되고, 튜브부(54)에 고온의 연료물질이 적체되는 것을 차단할 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러의 작동을 설명하면 다음과 같다.

연소부(10)의 하단부에서 공기가 유입되면, 연소부(10) 내부에서 연료물질의 연소가 실시된다. 그리고, 연소부(10)에서 불완전연소된 연료물질 중 일부는 포집부(20)에 의해 포집된 후 분배부(30)로 이동되고, 회수부(40)를 통해 연소부(10)로 이동되어 재연소된다.

분배부(30)로 이동된 연료물질 중 일부는 열교환부(50)를 통해 이동되어 열교환된 후 연소부(10)로 이동되어 재연소된다.

보다 구체적으로, 연료물질은 유입관부(51)를 통해 하우징부(53)에 유입되되, 하우징부(53)에 형성되는 격벽부(55)에 의해 형성되는 공간에서 혼합된 후, 격벽부(55)의 상하방에 형성되는 공간을 통해 튜브부(54)에 도달한다. 튜브부(54)에 도달한 연료물질은 튜브부(54)와 열교환되고, 유출관부(52)를 통해 연소부(10)로 이동된다.

한편, 격벽부(55)에는 온도센서부(56)가 장착되고, 복수개의 온도센서부(56)에서 측정된 온도신호를 수신한 제어부(57)는 온도편차를 분석하여 혼합분사부(58)를 제어한다. 그 외, 제어부(57)는 튜브분사부(59)를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러(1)는 격벽부(55)에 의해 유입된 연료물질의 혼합이 이루어지므로, 튜브부(54)의 국부적인 온도상승으로 인한 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러(1)는 유출관부(52)에 의해 하우징부(53)에서 연소부(10)로의 연료물질 배출량이 증대되므로, 연료물질 적체에 의한 튜브부(54)의 가열을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러(1)는 복수개의 온도센서부(56)에 의해 측정된 온도의 편차에 따라 혼합분사부(58)가 작동하여 연료물질의 혼합율을 증대시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 연소부 20 : 포집부
30 : 분배부 40 : 회수부
50 : 열교환부 51 : 유입관부
52 : 유출관부 53 : 하우징부
54 : 튜브부 55 : 격벽부
56 : 온도센서부 57 : 제어부
58 : 혼합분사부 59 : 튜브분사부

Claims

연료물질을 연소시키는 연소부;
상기 연소부에 연결되어 연료물질을 포집하는 포집부;
상기 포집부에 형성되어 연료물질을 분배하는 분배부;
상기 분배부와 상기 연소부를 연결하여 상기 분배부의 연료물질 일부를 상기 연소부로 안내하는 회수부; 및
상기 분배부와 상기 연소부를 연결하여 상기 분배부의 연료물질을 상기 연소부로 안내하고, 연료물질의 혼합을 유도하여 연료물질의 편류발생을 억제하면서 열을 흡수하는 열교환부;를 포함하고,
상기 열교환부는
상기 분배부와 연결되어 연료물질을 안내하는 유입관부;
상기 연소부와 연결되어 연료물질을 안내하는 유출관부;
상기 유입관부와 상기 유출관부 사이에 배치되는 하우징부;
상기 하우징부에 내장되고 연료물질의 열을 흡수하는 튜브부; 및
상기 하우징부에 내장되고, 상기 튜브부와 상기 유입관부 사이에 배치되며, 상하방으로 연료물질의 흐름이 가능하여 연료물질의 혼합이 이루어지는 격벽부;를 포함하며,
상기 격벽부는 상기 하우징부의 측벽에 고정 설치되고, 상기 하우징부의 저면 및 상면과 이격되도록 배치되되,
상기 격벽부는
하단부가 상기 튜브부의 하단부와 대응되는 높이를 가지고,
상단부가 상기 튜브부의 상단부 또는 상기 유출관부의 상단부 보다 높게 형성되고,
상기 열교환부는
상기 격벽부에 장착되어 온도를 측정하는 온도센서부;
상기 온도센서부에서 측정한 온도를 분석하는 제어부;
상기 하우징부에 장착되고, 상기 제어부의 제어로 상기 격벽부와 상기 유입관부 사이의 공간으로 유체를 공급하는 혼합분사부; 및
상기 하우징부에 장착되고, 상기 격벽부와 상기 유출관부 사이의 공간으로 유체를 공급하는 튜브분사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러
삭제
제 1항에 있어서, 상기 유출관부는
상기 하우징부와 연결되고, 상기 연소부 방향으로 돌출되면서 점차로 폭이 줄어드는 제1유출부; 및
상기 제1유출부에서 연장되고, 상기 연소부와 연결되는 제2유출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러.
삭제
삭제
삭제