KR101995156B1 - 연소 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템 - Google Patents

연소 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템 Download PDF

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오경택
정효재
이병화
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 미연분의 농도를 감소시킬 수 있는 연소 장치 및 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치는, 공기를 공급하는 공기 공급부, 호퍼 영역, 상기 호퍼 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기와 연료가 연소되는 주 연소 영역 및 상기 주 연소 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기가 투입되는 번아웃 영역을 포함하는 연소로, 상기 연소로의 모서리에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 번아웃 영역에 대응되도록 배치되어 상기 연소로 내부로 상기 연료 및 공기를 공급하는 복수의 윈드 박스 및 인접한 한 쌍의 상기 모서리를 서로 연결하는 측벽에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 호퍼 영역 사이에 배치되어 상기 연소로 내부로 기체를 공급하는 하부 기체 공급 포트를 포함할 수 있다.

Description

연소 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템{COMBUSTION APPARATUS AND GENERATION SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연소 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 윈드 박스 하부에서 기체를 공급하여 미연분의 농도를 낮출 수 있는 연소 장치 및 이를 포함하는 발전 시스템에 관한 것이다.
발전소의 연소 장치에 있어서 주요 문제 중의 하나는 질소 산화물의 배출과 같은 대기 오염의 발생 문제이다. 이러한 질소 산화물의 배출의 문제는 오버파이어 에어(Over Fire Air) 시스템의 사용의 의해 크게 저감이 될 수 있다.
즉, 오버파이어 에어 시스템은 연소 장치에서 연소용 공기의 일부를 주 연소 구역의 상단에 유입될 수 있도록 하는 장치로, 질소 산화물(NOx)이 생성되는 주 연소 구역 내의 산소량을 감소시키고, 1차 연소구역 상부에 2차 연소공기의 일부를 투입함으로써 지연연소를 시켜 완전연소를 시키는 동시에 질소 산화물의 생성을 저감시킬 수 있다.
그러나, T-보일러(T-firing) 형태의 연소 장치의 경우, 주 연소 영역 내에 공급된 미분탄(powdered coal)의 일부가 연소되지 않아 남은 미연분(Unburned Carbon, UBC)이 발생하는데, 이러한 미연분은 연소 효율을 떨어뜨리거나 질소 산화물의 농도를 증가시킬 수 있다.
한국 공개특허 제2014-0090622호 (명칭: 벽부착 이차 공기 및 그리드 상급연소 공기가 제공되는 미분탄 연소 보일러)
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 미연분의 농도를 감소시킬 수 있는 연소 장치 및 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치는, 공기를 공급하는 공기 공급부, 호퍼 영역, 상기 호퍼 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기와 연료가 연소되는 주 연소 영역 및 상기 주 연소 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기가 투입되는 번아웃 영역을 포함하는 연소로, 상기 연소로의 모서리에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 번아웃 영역에 대응되도록 배치되어 상기 연소로 내부로 상기 연료 및 공기를 공급하는 복수의 윈드 박스 및 인접한 한 쌍의 상기 모서리를 서로 연결하는 측벽에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 호퍼 영역 사이에 배치되어 상기 연소로 내부로 기체를 공급하는 하부 기체 공급 포트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 상기 측벽에 대해 수직한 방향으로 상기 기체를 분사할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 상기 측벽에 대해 비스듬한 방향으로 상기 기체를 분사할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는, 상기 연소로의 길이 방향에 교차하는 방향으로의 상기 측벽의 중심과 상기 모서리 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 각 측벽에 복수로 배치될 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며, 상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량은 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 제1 공급 포트의 기체 공급량이 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량의 비는 6:4 내지 8:2 일 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며, 상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트 사이의 거리와 상기 제2 공급 포트와 상기 제2 공급 포트에 인접한 모서리 사이의 거리는 서로 동일할 수 있다.
또한, 인접한 한 쌍의 모서리 사이에 상기 측벽을 따라 상기 제2 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트가 연속으로 배치되며, 상기 인접한 한 쌍의 모서리 중 하나의 모서리와 상기 제2 공급 포트 사이의 거리, 상기 제2 공급 포트와 상기 제1 공급 포트 사이의 거리, 상기 제1 공급 포트와 상기 인접한 한 쌍의 모서리 중 다른 하나의 모서리 사이의 거리의 비는, 1:1:3 일 수 있다.
상기 하부 기체 공급 포트는 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 상기 연소로 내부로 공급할 수 있다.
상기 하부 기체 공급 포트는 재순환 배기가스(Flue Gas Recirculation, FGR)를 공급할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 고농도 산소를 공급할 수 있다.
또한, 상기 복수의 윈드 박스 각각은, 상기 주 연소 영역에 상기 공기와 연료를 공급하는 연료 주입 유닛 및 상기 번아웃 영역에 상기 공기를 공급하는 SOFA 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 공기를 공급하는 공기 공급부, 호퍼 영역, 상기 호퍼 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기와 연료가 연소되는 주 연소 영역 및 상기 주 연소 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기가 투입되는 번아웃 영역을 포함하는 연소로, 상기 연소로의 모서리에 위치하며, 상기 주 연소 영역에 상기 공기와 연료를 공급하는 연료 주입 유닛, 상기 모서리에서 상기 연료 주입 유닛 위에 위치하며, 상기 번아웃 영역에 상기 공기를 공급하는 SOFA 유닛, 인접한 한 쌍의 상기 모서리를 서로 연결하는 측벽에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 호퍼 영역 사이에 배치되어 상기 연소로 내부로 기체를 공급하는 하부 기체 공급 포트, 상기 연소로에서 발생하는 연소가스를 이용하여 상기 연소로에 공급되는 급수를 가열하는 절탄기, 상기 절탄기 내부의 질소 산화물(NOx) 및 미연분(Unburned Carbon)의 농도를 측정하는 측정부 및 상기 측정부로부터 측정된 데이터를 통해, 상기 SOFA 유닛 및 상기 하부 기체 공급 포트 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부로부터 측정된 상기 질소 산화물의 농도가 미리 정해진 질소 산화물의 기준값을 초과하는 경우, 상기 제어부는 상기 SOFA 유닛이 공급하는 공기 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 측정부로부터 측정된 상기 미연분의 농도가 미리 정해진 미연분의 기준값을 초과하는 경우, 상기 제어부는 상기 하부 기체 공급 포트가 공급하는 기체 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는, 상기 연소로의 길이 방향에 교차하는 방향으로의 상기 측벽의 중심과 상기 모서리 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 각 측벽에 복수로 배치될 수 있다.
또한, 상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며, 상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량은 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 제1 공급 포트의 기체 공급량이 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량보다 클 수 있다.
상기한 바와 같은 연소 장치 및 발전 시스템에 의하면, 연소 시에 발생하는 미연분의 양을 감소시킬 수 있다.
또한, 연소시에 발생하는 질소 산화물의 양을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 장치의 일부를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 윈드 박스에서 연소로 내부로 분사되는 연로 및 공기의 분사 방향을 도시한 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 제4 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 1의 연소 장치를 포함하는 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 장치의 일부를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 1의 윈드 박스에서 연소로 내부로 분사되는 연로 및 공기의 분사 방향을 도시한 도면이며, 도 4는 제1 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연소 장치는, 공기 공급부(100), 연소로(200), 복수의 윈드 박스(300) 및 하부 기체 공급 포트(500)를 포함한다. 본 실시예에 따른 연소 장치에서는, 연소로(200)의 주 연소 영역(210)과 호퍼 영역(250) 사이, 즉 윈드 박스(300) 아래에 하부 기체 공급 포트(500)가 배치되어 연소로(200) 내부로 기체를 공급할 수 있다. 이때, 하부 기체 공급 포트(500)는, 윈드 박스(300)가 배치된 연소로(200)의 모서리가 아닌 측벽(W1, W2, W3, W4)에 배치될 수 있다. 이와 같이, 하부 기체 공급 포트(500)가 윈드 박스(300) 하부 측벽(W1, W2, W3, W4)에서 연소에 필요한 기체를 공급함으로써, 연소 시에 발생하는 미연분(Unburned Carbon, UBC)의 양을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 연소 장치는, 연소로(200)의 모서리에 위치한 복수의 윈드 박스(300)에서 연소로(200) 내부로 연료와 공기를 분사하는 T-보일러(T-firing)로서, 내부로 분사되는 연료와 공기는 연소로(200) 내부의 가상의 원의 접선 방향을 따라 분사된다. 이에 의해, 연소로(200) 내부에는 연소로(200) 내부의 대부분을 채우는 회전하는 화구(Fireball)가 형성된다.
연소로(200)는 분사된 연료와 공기가 연소되는 공간으로, 하부에서 상부를 따라 순서대로 배치되는 호퍼 영역(250), 주 연소 영역(210) 및 번아웃 영역(230)으로 구분될 수 있다. 호퍼 영역(250)은 연소로(200)의 최하부에 위치하는 영역으로, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다. 호퍼 영역(250)은 연소로(200) 하부에 설치되어 연소로(200)에서 연소되고 남은 재(ash) 및 클링커(Clinker)를 수집하는 공간에 해당될 수 있다. 호퍼 영역(250)에 일시적으로 저장된 재 및 클링커는 주기적으로 애시 폰드(ash pond, 미도시)로 배출될 수 있다.
주 연소 영역(210)은 분사된 연료와 공기가 연소되어 열을 발생시키는 영역으로, 주 연소 영역(210)에 공급되는 연료는 석탄 또는 오일일 수 있다. 석탄은 연소가 원활하게 이루어지도록 미분기(pulverizer, 미도시)에서 잘게 부수어 미분탄(powdered coal) 형태로 주 연소 영역(210) 내부로 공급될 수 있다. 오일은 미분탄에 의한 주 연소가 이루어지기 전에 공급되는 것으로, 초기에 점화를 위해 공급될 수 있다. 그러나, 초기 점화시에는 오일과 함께 미분탄이 공급되거나, 또는 오일을 사용하지 않고 미분탄으로만 진행될 수도 있다.
이때, 연소로(200)의 각 모서리에 연료 주입 유닛(310)이 배치되고, 이러한 연료 주입 유닛(310)에서 연소로(200) 내부의 주 연소 영역(210)으로 연료와 공기를 분사할 수 있다. 이때, 연소로(200) 외부에 위치한 공기 공급부(100)가 연료 주입 유닛(310)으로 연소에 필요한 공기를 공급할 수 있다. 공기 공급부(100)는 외기를 공급하거나, 절탄기(600, 도 8 참조)에서 가열된 공기를 공급할 수도 있다.
연료 주입 유닛(310) 위에는 CCOFA 유닛(Close Coupled Over Fire Air, 330)이 배치될 수 있다. CCOFA 유닛(330)은 공기 공급부(100)로부터 공급되는 공기의 일부를 공급할 수 있다. 이때, CCOFA 유닛(330)은 주 연소 영역(210) 내의 최상부에 위치하거나, 주 연소 영역(210)과 번아웃 영역(230) 사이, 또는 번아웃 영역(230)의 최하부에 위치할 수도 있다. CCOFA 유닛(330)은 T-보일러에 일반적으로 적용될 수 있는 공지의 CCOFA 유닛이 적용될 수 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 번아웃 영역(230)은 연소로(200) 내에 주 연소 영역(210) 위에 위치하는 영역으로, 공기 공급부(100)로부터 일부의 공기가 공급되어 주 연소 영역(210)에 연소되지 않은 연료와 함께 연소될 수 있다.
연소로(200)의 각 모서리에 SOFA 유닛(Separated Over Fire Air, 350)이 배치되는데, SOFA 유닛(350)에서 연소로(200) 내부의 번아웃 영역(230)으로 상기 공기를 공급할 수 있다. 이때, SOFA 유닛(350)은 Upper SOFA와 Lower SOFA를 포함할 수 있는데, 이러한 SOFA 유닛(350)은 T-보일러에 일반적으로 적용될 수 있는 공지의 SOFA 유닛이 적용될 수 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 CCOFA 유닛(330)과 SOFA 유닛(350)은 공기 공급부(100)가 공급하는 공기의 일부를 연소로(200) 내부로 공급하여, 질소 산화물(NOx)이 주로 생성되는 주 연소 영역(210) 내의 산소량을 감소시킬 수 있고, 또한 주 연소 영역(210) 상부에 공기의 일부를 공급함으로써 지연 연소를 가능케 해 질소 산화물의 생성을 감소시킬 수 있다.
주 연소 영역(210) 및 번아웃 영역(230)에서 발생한 연소에 의한 열은 연소로(200) 상부에 위치한 배관(270)의 물을 가열하여 발전 등에 사용될 수 있다.
한편, 연소로(200)의 각 모서리에 위치한 연료 주입 유닛(310), CCOFA 유닛(330) 및 SOFA 유닛(350)은 하나의 윈드 박스(Wind Box, 300)를 구성할 수 있다. 즉, 연소로(200)의 각 모서리에는 윈드 박스(300)가 배치되는데, 윈드 박스(300)는 하부에서 상부로 순서대로 배치되는 연료 주입 유닛(310), CCOFA 유닛(330) 및 SOFA 유닛(350)으로 이루어질 수 있다.
연소로(200)의 각 모서리에 윈드 박스(300)가 하나씩 배치됨에 따라, 본 실시예에 따른 연소 장치에서는 4개의 윈드 박스(300)가 배치될 수 있다. 이러한 4개의 윈드 박스(300)에서 나오는 연료 및 공기에 의해 연소로(200) 내부에서 원형의 불꽃, 즉 화구(Fireball)가 형성될 수 있다. 즉, 연소로(200)의 각 모서리에 배치된 윈드 박스(300)의 연료 주입 유닛(310), CCOFA 유닛(330) 및 SOFA 유닛(350)에서 공급된 연료 및 공기에 의해 연소로(200) 내부에서 연소가 이루어지고, 이러한 연소에 의한 열에 의해 상부에 위치한 배관(270)의 물이 가열되어 발전에 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하부 기체 공급 포트(500)가 연소로(200)의 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에 배치되어 연소로(200) 내부로 기체를 공급할 수 있다. 이때, 하부 기체 공급 포트(500)는 주 연소 영역(210)과 호퍼 영역(250) 사이에 배치된다. 즉, 하부 기체 공급 포트(500)는 윈드 박스(300) 하부에 배치되면서, 동시에 각 모서리가 아닌 측벽(W1, W2, W3, W4)에 배치된다. 결국, 연소로(200)의 위에서 아래로 바라볼 때, 윈드 박스(300)와 하부 기체 공급 포트(500)는 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 연소 장치의 연소로(200)는 단면이 사각형인 관형 부재로, 네 개의 모서리가 존재하며, 또한 인접한 한 쌍의 모서리를 연결하는 측벽이 네 개 존재하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 하부 기체 공급 포트(500)는 네 개의 측벽(W1, W2, W3, W4) 각각에 배치된다. 이때, 하부 기체 공급 포트(500)는 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에 하나씩 배치된다.
도 4를 참조하면, 윈드 박스(310, 320)가 위치한 모서리를 연결하는 측벽(W1)에 하부 기체 공급 포트(510)가 배치되고, 윈드 박스(320,330)가 위치한 모서리를 연결하는 측벽(W2)에 하부 기체 공급 포트(520)가 배치된다. 또한, 윈드 박스(330, 340)가 위치한 모서리를 연결하는 측벽(W3)에 하부 기체 공급 포트(530)가 배치되고, 윈드 박스(340, 310)가 위치한 모서리를 연결하는 측벽(W4)에 하부 기체 공급 포트(540)가 배치된다.
하부 기체 공급 포트(500)는 윈드 박스(300) 하부에서 기체를 연소로(200) 내부로 공급하는데, 하부 기체 공급 포트(500)는 연소에 필요한 기체를 공급할 수 있다. 이때, 하부 기체 공급 포트(500)가 공급하는 기체는 공기 공급부(100)로부터 공급되는 공기일 수 있다. 본 실시예에서, 공기 공급부(100)는 연소에 필요한 공기를 연료 주입 유닛(310), CCOFA 유닛(330) 및 SOFA 유닛(350) 뿐만 아니라, 하부 기체 공급 포트(500)에도 공급할 수 있다. 즉, 본 실시예의 하부 기체 공급 포트(500)는 공기 공급부(100)로부터 공기 일부를 공급받아 연소로(200) 내부로 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 하부 기체 공급 포트(500)는 공기 공급부(100)로부터 공급되는 일부 공기뿐만 아니라, 재순환 배기가스(Flue Gas Recirculation, FGR) 또는 고농도 산소(20% 이상 농도)를 공급할 수 있다. 결국, 하부 기체 공급 포트(500)는 공기 공급부(100)로부터 공기를 공급받지 않고, 별도의 배관을 통해 재순화 배기가스 또는 고농도 산소를 연소로(200) 내부로 공급할 수 있다.
하부 기체 공급 포트(500)는 측벽(W1, W2, W3, W4)에 대해 수직한 방향으로 기체를 연소로(200) 내부로 분사한다. 전술한 윈드 박스(300)는 화구(Fireball)의 대략 접선 방향으로 연로 및 공기를 분사하나, 본 실시예에 따른 하부 기체 공급 포트(500)는 측벽(W1, W2, W3, W4)에 대해 수직 방향으로 기체를 공급할 수 있다. 이와 같이, 하부 기체 공급 포트(500)가 측벽(W1, W2, W3, W4)에 대해 수직 방향으로 기체를 공급하면, 화구(Fireball) 내부로 기체를 용이하게 공급할 수 있다.
하부 기체 공급 포트(500)는 각 측벽(W1, W2, W3, W4)의 중심을 제외한 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 기체 공급 포트(510)는 측벽(W1)의 중심(C1)이 아닌, 중심(C1)을 기준으로 윈드 박스(310)가 배치된 모서리 측에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 하부 기체 공급 포트(510)는 중심(C1)을 기준으로 윈드 박스(320)가 배치된 모서리 측에 배치될 수도 있다. 하부 기체 공급 포트(520)는 측벽(W2)의 중심(C2)이 아닌, 중심(C2)을 기준으로 윈드 박스(320)가 배치된 모서리 측에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 하부 기체 공급 포트(520)는 중심(C2)을 기준으로 윈드 박스(330)가 배치된 모서리 측에 배치될 수도 있다.
하부 기체 공급 포트(530)는 측벽(W3)의 중심(C3)이 아닌, 중심(C3)을 기준으로 윈드 박스(330)가 배치된 모서리 측에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 하부 기체 공급 포트(530)는 중심(C3)을 기준으로 윈드 박스(340)가 배치된 모서리 측에 배치될 수도 있다. 하부 기체 공급 포트(540)는 측벽(W4)의 중심(C4)이 아닌, 중심(C4)을 기준으로 윈드 박스(340)가 배치된 모서리 측에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 하부 기체 공급 포트(540)는 중심(C4)을 기준으로 윈드 박스(310)가 배치된 모서리 측에 배치될 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 하부 기체 공급 포트(500)가 윈드 박스(300) 하부에서 연소에 필요한 추가적인 기체를 공급함에 따라, 연소로(200) 내부에서 연소 시에 발생하는 미연분(UBC)의 양을 감소시킬 수 있다. 연소로(200) 내의 주 연소 영역(210)에서는 공급되는 연료 중 일부가 연소되지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 주 연소 영역(210)에 공급되는 미분탄의 일부가 연소되지 않고 미연분으로 배출될 수 있다. 이러한 미연분은 연료의 낭비를 초래하거나, 환경 오염을 유발할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서와 같이, 하부 기체 공급 포트(500)에서 기체를 공급하면 연소로(200) 내부에서 연료와 기체의 연소를 증가시켜, 미연분의 발생을 감소시킬 수 있다. 결국, 연료의 낭비와 환경 오염을 감소시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소 장치에 대해서 설명한다. 도 5는 제2 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연소 장치는 하부 기체 공급 포트(500)를 제외하고는 전술한 제1 실시예에 따른 연소 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 하부 기체 공급 포트(500)는 연소로(200)의 측벽(W1, W2, W3, W4) 각각에 배치되는 한 쌍의 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541) 및 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 측벽(W1, W2, W3, W4) 각각에 한 쌍의 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541) 및 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)가 배치될 수 있다.
예를 들어, 측벽(W1)에는 제1 공급 포트(511) 및 제2 공급 포트(513)가 배치되고, 측벽(W2)에는 제1 공급 포트(521) 및 제2 공급 포트(523)가 배치된다. 또한, 측벽(W3)에는 제1 공급 포트(531) 및 제2 공급 포트(533)가 배치되고, 측벽(W4)에는 제1 공급 포트(541) 및 제2 공급 포트(543)이 배치된다. 즉, 전술한 제1 실시예에서는 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에 하나의 하부 기체 공급 포트(500)가 배치되었으나, 제2 실시예에서는 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에 두 개의 하부 기체 공급 포트(500)가 배치된다.
이때, 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541)는 각 측벽(W1, W2, W3, W4)의 중심(C1, C2, C3, C4)에 가깝게 배치되고, 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)는 모서리에 위치한 윈드 박스(310, 320, 330, 340)에 가깝게 배치된다.
구체적으로, 하나의 측벽(W1, W2, W3, W4)을 외부에서 바라볼 때, 좌측 모서리에서 우측 모서리로 향할 때 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541), 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543) 순으로 배치된다.
예를 들어, 도 5에서 측벽(W1)을 외부에서 바라볼 때, 좌측 모서리에 위치한 윈드 박스(310), 제2 공급 포트(513), 제1 공급 포트(511) 및 우측 모서리에 위치한 윈드 박스(320) 순으로 배치된다. 본 실시예에 따르면, 윈드 박스(310)와 제2 공급 포트(513)의 거리(G1), 제2 공급 포트(513)와 제1 공급 포트(511) 사이의 거리(G2), 제1 공급 포트(511)와 윈드 박스(320) 사이의 거리 비는, 1:1:3 일 수 있다.
다른 측벽(W2, W3, W4)에서의 제1 공급 포트(521, 531, 541), 제2 공급 포트(523, 533, 543)의 배치 관계는, 측벽(W1)과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 하나의 측벽(W1, W2, W3, W4)에서 배치된 한 쌍의 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541) 및 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)의 기체 공급량은 서로 다를 수 있다. 본 실시예에 따르면, 중심(C1, C2, C3, C4)에 인접한 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541)의 기체 공급량이 모서리에 인접한 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)의 기체 공급량 보다 크다.
보다 구체적으로, 측벽(W1)에서는 제1 공급 포트(511)의 기체 공급량이 제2 공급 포트(513)의 기체 공급량 보다 크고, 측벽(W2)에서는 제1 공급 포트(521)의 기체 공급량이 제2 공급 포트(523)의 기체 공급량 보다 크다. 또한, 측벽(W3)에서는 제1 공급 포트(531)의 기체 공급량이 제2 공급 포트(533)의 기체 공급량 보다 크고, 측벽(W4)에서는 제1 공급 포트(541)의 기체 공급량이 제2 공급 포트(543)의 기체 공급량 보다 크다.
이때, 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에서의 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541)와 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)의 기체 공급량의 비는 6:4 내지 8:2 일 수 있다. 바람직하게는, 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541)와 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543)의 기체 공급량의 비는 7:3 일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소 장치에 대해서 설명한다. 도 6은 제3 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 연소 장치는 하부 기체 공급 포트(500)를 제외하고는 전술한 제2 실시예에 따른 연소 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 하부 기체 공급 포트(500)를 구성하는 제1 공급 포트(511, 521, 531, 541) 및 제2 공급 포트(513, 523, 533, 543) 각각은 복수로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 측벽(W1)에 배치된 제1 공급 포트(511)는 두 개의 동일한 포트로 이루어질 수 있다. 그리고, 제2 공급 포트(513)도 두 개의 동일한 포트로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 측벽(W1)에 배치된 제1 공급 포트(511)와 제2 공급 포트(513) 각각은 두 개의 동일한 포트로 이루어지는 것으로 설명되나, 반드시 이에 한정되지 않고, 제1 공급 포트(511) 및 제2 공급 포트(513)는 세 개 이상의 공급 포트로 이루어질 수 있다. 다른 측벽(W2, W3, W4)에서의 제1 공급 포트(521, 531, 541), 제2 공급 포트(523, 533, 543)의 배치 관계는, 측벽(W1)과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연소 장치에 대해서 설명한다. 도 7은 제4 실시예에 따른 연소 장치의 하부 기체 공급 포트의 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 연소 장치는 하부 기체 공급 포트(500)를 제외하고는 전술한 제1 실시예에 따른 연소 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 각 측벽(W1, W2, W3, W4)에 배치된 하부 기체 공급 포트(500) 각각은 측벽(W1, W2, W3, W4)에 대해 비스듬한 방향으로 연소로(200) 내부로 기체를 분사할 수 있다. 이때, 하부 기체 공급 포트(500) 각각은 측벽(W1, W2, W3, W4)에 대해 비스듬하게 기울어져 배치될 수 있다.
예를 들어, 측벽(W1)에서, 하부 기체 공급 포트(510)는 측벽에 대해 비스듬하게 기울어져, 공급되는 기체를 화구(Fireball)의 접선 방향으로 분사할 수 있다. 즉, 하부 기체 공급 포트(510)는 각 윈드 박스(300)의 연료 및 공기의 분사 방향과 유사한 방향으로 기체를 분사시킬 수 있다. 이러한 하부 기체 공급 포트(510)의 기체 분사 방향에 의해, 연소로(200) 내부로 공급되는 기체가 연료 등과 원활하게 혼합되어 미연분(UBC)의 발생을 감소시킬 수 있다. 다른 측벽(W2, W3, W4)에서의 하부 기체 공급 포트(520, 530, 540)는, 측벽(W1)과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는, 전술한 연소 장치가 적용되는 발전 시스템에 대해서 설명한다. 도 8은 도 1의 연소 장치를 포함하는 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 발전 시스템은, 전술한 연소 장치, 절탄기(600), SCR(700), 측정부 및 제어부를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 발전 시스템은 전술한 연소 장치에서 발생한 열을 이용하여 전기를 생산하는 시스템으로, 절탄기(600)에 설치된 측정부에서 측정된 데이터를 기초로 제어부가 SOFA 유닛(350) 또는 하부 기체 공급 포트(500)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 절탄기(600) 내부의 질소 산화물(NOx) 및 미연분(UBC)의 농도를 모니터링하여, 질소 산화물 및 미연분의 농도가 기준치를 초과하면 SOFA 유닛(350) 또는 하부 기체 공급 포트(500)의 작동을 제어하여 농도를 조절할 수 있다.
전술한 연소 장치와 SCR(700) 사이에는 절탄기(600, Economizer)가 배치되는데, 절탄기(600)는 연소 장치에서 발생하는 배기가스, 즉 연소가스의 폐열을 이용하여 연소 장치에 공급되는 급수를 가열할 수 있다. 절탄기(600)는 일반적인 보일러에서 사용되는 절탄기가 적용될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 측정부는 질소 산화물(NOx) 및 미연분(UBC)의 농도를 측정하는데, 측정부는 절탄기(600) 내부에서 질소 산화물 또는 미연분의 농도를 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 측정부는 연소 장치에서 발생되어 절탄기(600) 내부를 통과하는 연소가스에 포함된 질소 산화물(NOx) 및 미연분(UBC)의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 제어부는 측정부에서 측정된 데이터를 기초로 SOFA 유닛(350) 또는 하부 기체 공급 포트(500)를 제어할 수 있다. 제어부는 절탄기(600) 내의 질소 산화물(NOx)과 미연분(UBC)의 농도가 기준치를 초과하면, SOFA 유닛(350) 또는 하부 기체 공급 포트(500)의 동작을 제어할 수 있다. 이에 의해 제어부가 전술한 연소 장치에서 발생된 연소가스 내에 포함된 질소 산화물(NOx)과 미연분(UBC)의 농도를 기준치 이하로 유지할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부는 절탄기(600) 내의 질소 산화물의 농도가 기준치를 초과하면, 질소 산화물의 농도를 낮추기 위해 연소 장치 내의 SOFA 유닛(350)을 제어할 수 있다. 이때, 제어부는 SOFA 유닛(350)이 공급하는 공기 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 질소 산화물의 농도가 150 ppm 이상인 경우, 제어부는 SOFA 유닛(350)이 공급하는 공기 양을 증가시킬 수 있다. 즉, 제어부는 절탄기(600) 내의 질소 산화물의 농도가 높은 경우, SOFA 유닛(350)이 공급하는 공기 양을 증가시켜 질소 산화물의 농도를 낮출 수 있다.
한편, 제어부는 절탄기(600) 내의 미연분(UBC)의 농도가 기준치를 초과하면, 미연분의 농도를 낮추기 위해 연소 장치 내의 하부 기체 공급 포트를 제어할 수 있다. 이때, 제어부는 하부 기체 공급 포트(500)가 공급하는 기체 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 미연분의 농도가 5% 이상인 경우, 제어부는 하부 기체 공급 포트(500)가 공급하는 기체 양을 증가시킬 수 있다. 즉, 제어부는 절탄기(600) 내의 미연분의 농도가 높은 경우, 하부 기체 공급 포트(500)가 공급하는 기체 양을 증가시켜 미연분의 농도를 낮출 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 공기 공급부
200 연소로
210 주 연소 영역
230 번아웃 영역
250 호퍼 영역
270 배관
300 윈드 박스
310 연료 주입 유닛
330 CCOFA 유닛
350 SOFA 유닛
500 기체 공급 포트
600 절탄기
700 SCR
W1, W2, W3, W4 측벽

Claims (21)

  1. 공기를 공급하는 공기 공급부;
    호퍼 영역, 상기 호퍼 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기와 연료가 연소되는 주 연소 영역 및 상기 주 연소 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기가 투입되는 번아웃 영역을 포함하는 연소로;
    상기 연소로의 모서리에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 번아웃 영역에 대응되도록 배치되어 상기 연소로 내부로 상기 연료 및 공기를 공급하는 복수의 윈드 박스; 및
    인접한 한 쌍의 상기 모서리를 서로 연결하는 측벽에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 호퍼 영역 사이에 배치되어 상기 연소로 내부로 기체를 공급하는 하부 기체 공급 포트;를 포함하며,
    상기 하부 기체 공급 포트는, 상기 연소로의 길이 방향에 교차하는 방향으로의 상기 측벽의 중심과 상기 모서리 사이에 위치하여, 상기 측벽에 대해 수직한 방향으로 상기 기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 각 측벽에 복수로 배치되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며,
    상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량은 서로 다른 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 공급 포트의 기체 공급량이 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량보다 큰 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량의 비는 6:4 내지 8:2 인 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며,
    상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트 사이의 거리와 상기 제2 공급 포트와 상기 제2 공급 포트에 인접한 모서리 사이의 거리는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    인접한 한 쌍의 모서리 사이에 상기 측벽을 따라 상기 제2 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트가 연속으로 배치되며,
    상기 인접한 한 쌍의 모서리 중 하나의 모서리와 상기 제2 공급 포트 사이의 거리, 상기 제2 공급 포트와 상기 제1 공급 포트 사이의 거리, 상기 제1 공급 포트와 상기 인접한 한 쌍의 모서리 중 다른 하나의 모서리 사이의 거리의 비는, 1:1:3 인 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 상기 연소로 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 재순환 배기가스(Flue Gas Recirculation, FGR)를 공급하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 고농도 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 윈드 박스 각각은,
    상기 주 연소 영역에 상기 공기와 연료를 공급하는 연료 주입 유닛 및
    상기 번아웃 영역에 상기 공기를 공급하는 SOFA 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  15. 공기를 공급하는 공기 공급부;
    호퍼 영역, 상기 호퍼 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기와 연료가 연소되는 주 연소 영역 및 상기 주 연소 영역 위에 위치하며 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기가 투입되는 번아웃 영역을 포함하는 연소로;
    상기 연소로의 모서리에 위치하며, 상기 주 연소 영역에 상기 공기와 연료를 공급하는 연료 주입 유닛;
    상기 모서리에서 상기 연료 주입 유닛 위에 위치하며, 상기 번아웃 영역에 상기 공기를 공급하는 SOFA 유닛;
    인접한 한 쌍의 상기 모서리를 서로 연결하는 측벽에 각각 위치하며, 상기 주 연소 영역 및 상기 호퍼 영역 사이에 배치되어 상기 연소로 내부로 기체를 공급하는 하부 기체 공급 포트;
    상기 연소로에서 발생하는 연소가스를 이용하여 상기 연소로에 공급되는 급수를 가열하는 절탄기;
    상기 절탄기 내부의 질소 산화물(NOx) 및 미연분(Unburned Carbon)의 농도를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부로부터 측정된 데이터를 통해, 상기 SOFA 유닛 및 상기 하부 기체 공급 포트 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 하부 기체 공급 포트는, 상기 연소로의 길이 방향에 교차하는 방향으로의 상기 측벽의 중심과 상기 모서리 사이에 위치하여, 상기 측벽에 대해 수직한 방향으로 상기 기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정부로부터 측정된 상기 질소 산화물의 농도가 미리 정해진 질소 산화물의 기준값을 초과하는 경우, 상기 제어부는 상기 SOFA 유닛이 공급하는 공기 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정부로부터 측정된 상기 미연분의 농도가 미리 정해진 미연분의 기준값을 초과하는 경우, 상기 제어부는 상기 하부 기체 공급 포트가 공급하는 기체 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  18. 삭제
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 각 측벽에 복수로 배치되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 하부 기체 공급 포트는 제1 공급 포트 및 상기 제1 공급 포트와 상기 모서리 사이에 위치하는 제2 공급 포트를 포함하며,
    상기 제1 공급 포트와 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량은 서로 다른 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 공급 포트의 기체 공급량이 상기 제2 공급 포트의 기체 공급량보다 큰 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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