KR102111167B1 - 순환 유동층 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄으로 발전하는 화력발전설비에서 주증기 온도 제어범위를 넓혀 부분 부하에서도 요구 주증기 온도를 만족시킬 수 있고, 과열기의 전열면적 축소로 소형 경량화할 수 있으며, 과열기 튜브의 염소부식방지에도 효과적인 순환 유동층 보일러를 제공하려는 것으로서, 엠프티 패스를 배제하고, 고형분 분리기 이후에 순차적으로 배치되는 증발기와 과열기, 절탄기 공기예열기를 종형 컨벤션 케이지 내에 종렬로 배치하며, 컨벤션 케이지 상에 바이패스 댐퍼가 부가된 바이패스관을 설치하여 바이패스관으로 흐르는 연소가스 분기량의 증감으로 주증기의 요구온도를 조절하며, 축경과 함께 장척화한 컨벤션 케이지 내에 증발기와 상하부 과열기, 절탄기 및 상하부 공기예열기를 설치한 순환 유동층 보일러를 특징으로 한다.

Description

순환 유동층 보일러{Circulation Bed Boiler for Conbution Clorime component Solid Fuel}

본 발명은 석탄을 태워 발전하는 화력발전설비에서 주증기 온도의 제어범위가 넓어 부분 부하에서도 요구되는 주증기 온도를 만족시킬 수 있고, 과열기의 전열면적 감소 설계가 가능하며, 과열 튜브의 염소부식도 효과적으로 방지할 수 있게 한 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.

단순히 석탄을 태워 발전기를 돌리는 기존의 보일러 구조와는 달리, 순환 유동층 보일러는 지속적으로 열을 순환시켜 석탄을 완전 연소시키는 친환경 발전설비이다.

순환 유동층 보일러는 공기와 석회를 동시에 주입해 순환 연소시킴으로써 질소 산화물, 황산화물 등 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있는 친환경적 순환구조를 갖추고 있다. 재는 건축현장에서 건축재로의 일부로 사용할 수 있는 부수적인 장점도 있다.

특히 석탄의 상당수를 차지하는 저질탄도 완전 연소할 수 있기 때문에 석탄 부족이 심각한 지역에서 더욱 각광받으며 향후 수요가 지속적으로 증가될 전망이다.

종래의 순환 유동층 보일러에 대한 선행기술구조 설명은 도 1 및 도 2에서 자세하게 설명하고 있다.

종래의 유동층 순환보일러는(1) 화로(2)와 고형분 분리기(3), 엠프티 패스(empty pass. 4), 과열기(5), 절탄기(6), 공기예열기(7)의 순차적 배열로 구성되어 있다.

주목할 부분은 엠프티 패스(4)이다. 이 엠프티 패스(4)는 화로(2)에서 배출되는 연소가스를 200 가량 강하시켜 과열기(5)에서 요구하는 650에 맞춘다.

수관벽으로 이뤄진 엠프티 패스는 열교환효율이 낮고, 외형이 커 그 지지용 철구조물(8)을 포함하면 점유면적이 지나치게 넓다. 더욱 문제 시 되는 건 큰 부피 때문에 부분 부하 시 가열증기온도가 요구온도인 650 보다 훨씬 높고, 주증기 온도제어범위가 넓어 운전애로가 크다.

연소가스 중의 염소는 과열기 튜브의 부식을 촉진한다. 염소는 원소주기율표 상에서 3주기 17족에 속하는할로젠족 원소로서,원소기호는 Cl, 녹는 점은-101.5, 끓는 점은 -34.04,밀도는 3.2g/L이다. 전기음성도는플루오린으로, 산소 다음으로 크고, 자극적인 냄새가 나는 녹황색 기체이며, 염소분자(Cl₂)는 강력한 산화제이고 표백제로 널리 쓰인다. 산화성이 큰 화석연료를 발전연료로 사용하는 화력발전소에서 가장 큰 골머리는 특히 과열기의 고온에서 발생하는 염소부식이다.

과열기는 보일러에서 발생한 포화증기를 가열하여 과열증기화하는 장치로서, 터빈이나 증기기관 등에서 원동기의 동력원을 공급하는 보일러에는 과열기를 필수로 한다. 과열기는 과열기 튜브와 헤더로 구성되며, 보일러에 직접적으로 부속되어 그 화로 또는 연도에 배치되는 간접 연소식이 원칙이다.

과열기는 전열방식, 즉 배치위치에 따라 복사형 과열기, 대류형 과열기, 복사 대류형 과열기 등의 유형으로 분류되고, 각각의 온도 특성은 저마다 특성이 다르다. 어쨌든 과열기는 증기와 연소 가스의 흐름에 따라 병행류식, 대향류식, 혼류식으로 분류되며, 보일러에서 나오는 증기를 과열하는 1차 과열기, 1차 과열기에서 나온 과열증기를 재가열하는 2차 과열기로 구분하가도 한다.

또, 과열기관의 배치방식에 따라 펜던트 과열기, 호리존탈 과열기 등이 있으며, 과열기 내에서 증기의 유동이 정지하거나, 증기가 없는 경우에는 연소가스의 열로 과열기 자체가 과열(오버히트)로 인해 소손하기 때문에 보일러 기동 시에 발생하는 증기가 송기(送氣)된 후 과열기 내부를 유동할 때까지 과열기로 들어오는 연소가스의 온도는 과열기 자재의 허용 온도 이하로 유지하도록 연소를 조절하는 주의가 필요하다.

그리고 보일러 운전 중에 증기 사용이 중단된 경우에는 안전한 온도로 강하될 때까지 과열기 출구 헤더의 드레인 밸브를 개방하여 증기를 릴리프시켜 과열기 속으로 증기를 유동시켜야 한다.

도 2는 염소성분으로 인한 과열기 튜브의 부식원리를 도식화한 것이다. 보일러 운전 중에 캐리오버가 발생하면 과열기의 튜브 내에 보일러수가 물방울 상태로 유입되면 증기온도가 급격히 강하되고, 물방울 속 불순물로 인한 부식, 즉 염소로 인해 부식되어 손상될 수 있다. 튜브 내부의 마모가 동반되면 고온 염소부식이 가속된다.

본 발명의 목적은 석탄으로 발전하는 화력발전설비에서 주증기 온도 제어범위를 넓혀 부분 부하에서도 요구 주증기 온도를 만족시킬 수 있고, 과열기의 전열면적 축소로 소형 경량화할 수 있으며, 과열 튜브의 염소부식방지에도 효과적인 순환 유동층 보일러를 제공하는 데 있다.

위 과제는, 엠프티 패스를 배제하고, 고형분 분리기 이후에 순차적으로 배치되는 증발기와 과열기, 절탄기 공기예열기를 종형 컨벤션 케이지 내에 종렬로 배치하고, 증발기의 위쪽 컨벤션 케이지 부분과 과열기의 아래 쪽 컨벤션 케이지 부분간에 바이패스 댐퍼를 설치하여 증발기 및 과열기로 향하는 연소가스를 분기시킴으로써 상기 연소가스의 온도와 메탈 온도를 낮출 순환 유동층 보일러로 달성할 수 있다.

규모가 큰 과열기는 2개 1조로 분할 제작하고, 상부 과열기는 컨벤션 케이지를 수직으로 흐르는 고온의 연소가스 영향을 줄이고, 하부 과열기는 바이패스 댐퍼를 경유하여 온도가 강하된 연소가스와 상부 과열기를 통과하면서 온도가 강하된 연소가스가 함께 통과하도록 배치함으로써 연소가스의 온도 제어범위를 넓히고, 점유면적도 줄인다.

부피가 큰 공기예열기도 2개 1조로 분할 제작하고, 절탄기의 하부에 상하로 배치하여 점유면적을 줄인다.

본 발명에 의하면 바이패스 댐퍼는 연소가스를 분기할 수 없고 덩치도 큰 엠프티 패스와는 달리 평면적이 작으면서도 과열기로 향하는 연소가스를 분기시키므로 연소가스의 온도 범위가 넓어 온도조절이 신속 용이하고, 부분 부하에서도 요구하는 주증기의 온도만족도가 높다.

바이패스 댐퍼에 의해 연소가스가 분기되어 상하 과열기가 차등을 두고 온도가 강하됨메 따라 주증기의 온도제어범위가 넓기 때문에 가능한 일이다.

주증기의 온도제어범위가 넓으니 과열기의 전열면적이 축소되고, 고온의 연소가스에 과열기의 튜브가 노출되는 면적도 작아 염소로 인한 부식방지에도 효과적이다.

또, 부피가 큰 엠프티 패스에 비해 점유면적이 훨씬 작은 바이패스 댐퍼는 순환 유동층 보일러의 소형화 설계가 가능하며, 덩치가 큰 과열기와 공기예열기를 양분하여 종형 컨벤션 케이지 내에 종렬로 분산 배치됨에 따라 컨벤션 케이지의 횡단면을 작게 설계할 수 있어 화력발전소 내에서 차지하는 점유면적의 축소가 가능하다.

도 1은 종래 순환 유동층 보일러의 개념도
도 2는 연소가스 중의 염소성분에 의한 과열기 튜브의 부식원리도
도 3은 본 발명에 의한 순환 유동층 보일러의 개념도

도면 중 본 발명에 관한 도 3을 참조하여 새로운 순환 유동층 보일러(10)에 대해 구체적으로 살펴본다.

화로(2)와 고형분 분리기(3)는 그대로이되, 우선 부피가 크고 주증기 온도제어범위가 좁은 엠프티 패스는 배제하고, 과열기(11)는 주증기 생산에 필수인 다른 장비와 함께 단일 컨벤션 케이지(20)에 내장한 점이 돋보인다.

컨벤션 케이지(20)부터 설명한다. 이 컨벤션 케이지(20)는 절탄기와 공기예열기만 내장했던 종래의 컨벤션 케이지에 비해 축경되고 장척인 점이 이채롭다. 이러한 컨벤션 케이지(20)는 과열기(11)와 증발기(12)까지 모두 수용하여 순환 유동층 보일러의 점유면적으로 축소와 부피축소설계에 필요하다.

컨벤션 케이지(20) 상에는 바이패스 댐퍼(21)가 설치되어 있다. 이 바이패스 댐퍼(21)는 고형분 분리기(3)를 거쳐 오는 연소가스를 분기시켜 분기된 연소가스의 온도를 급격히 강하시킨 후 상부 과열기(11a)를 통과한 연소가스에 합류되어 하부 과열기(11b)로 흐르도록 유도하는 것으로, 댐퍼의 개방폭으로 연소가스의 분기량을 조절함으로써 상부 과열기(11a)의 연소가스 온도 강하 부담을 줄이는 동시에 주증기 온도를 효과적으로 제어할 수 있게 하는 것이다.

상기 바이패스 댐퍼(21)는 증발기(12)와 상부 과열기(11a)를 우회하기에 충분한 높이를 가진 바이패스관(22) 상에 설치하여 분기되어 나가는 연소가스의 온도를 강하시키기 적합하도록 컨벤션 케이지(20)의 상부에 설치한다.

컨벤션 케이지(20)는 과열기(11)와 증발기(12), 절단기(13) 및 공기예열기(14)를 모두 수용하기 때문에 대구경관제가 불가피하고, 이에 대하여 바이패스관(22)은 연소가스 분기량의 온도를 급속히 강하시키면 충분하므로

컨벤션 케이지(20)에 비해 내경이 작은 소형관이 적합하다.

과열기(11)는 증발기(12)와 절단기(13) 및 공기예열기(14)와 함께 종형 컨벤션 케이지(20)에 종렬로 설치되어 있다. 컨벤션 케이지(20)는 종래의 엠프티 패스에 비해 평면적은 줄이되 장척화하여 화로를 빠져나가는 연소가스로부터 주증기를 생산하는 데 필요한 과열기(11)와 증발기(12), 절단기(13) 및 공기예열기(14)를 모두 수용하도록 한다.

과열기(11)와 공기예열기(14)는 상하로 양분하여 컨벤션 케이지(20) 내에 상하로 설치한다. 과열기(11)와 공기예열기(14)는 증발기(12)와 절탄기(13)에 비해 부피가 커 단면적이 축소된 컨벤션 케이지(20)에 온전하게 설치하기 곤란하므로 연소가스의 정격 처리용량의 범위 내에서 각각 상하로 분할 제작하여 상하로 배치한다.

이들 가운데, 상부 과열기(11a)는 상기 바이패스관(22)의 하단에서 위쪽으로 벗어난 곳에 설치하여 바이패스 댐퍼(21)를 경유해 오는 낮은 온도의 연소가스가 상부 과열기(11a)로 역류하지 못하게 한다.

증발기(12)는 상부 과열기(11a)의 상측에 설치하되, 바이패스관(22)의 분기구를 가리지 않게 한다.

하부 과열기(11b)는 상기 바이패스관(22)의 출구인 하단 아래에 설치하여 상부 과열기(11a)를 통과한 비교적 높은 온도의 연소가스와 바이패스 댐퍼(20)를 통과하면서 급격이 온도가 떨어진 비교적 낮은 온도의 연소가스를 합쳐 통과시킴으로써 상부 과열기측 연소가스와 바이패스 댐퍼측 연소가스의 온도차를 상쇄시켜 부분 부하 하에서도 요구 주증기의 온도를 만족시키게 한다.

바이패스 댐퍼(20)의 개방폭을 넓혀 연소가스의 분기량을 늘리면 하부 과열기로 향하는 연소가스의 온도가 속히 강하되고, 바이패스 댐퍼(20)의 개방폭을 좁히면 연소가스의 분기량이 적어져 하부 과열기로 향하는 연소가스의 온도 강하속도가 느려진다.

이처럼 연소가스를 분기할 수 없고 유속이 빨라 적정 수준으로 온도를 낮추는 데 제한적이며, 덩치도 크고 과열기를 따로 설치함에 따라 외형이 커질 수밖에 없는 종래의 엠프티 패스가 개방폭 가변형 바이패스관으로 대체하여 연소가스의 분기량을 조절하여 급속 강하시킬 수 있고 상부 과열기는 그리로 통과하는 연소가스를 바이패스 댐퍼측 연소가스보다는 완속으로 강하된 후 합류하여 효과적으로 유속을 늦출 수 있으므로 과열기 튜브가 염소함유 고온의 연소가스와의 접촉으로 인한 부식이 효과적으로 억제 내지 방지된다.

또, 전열대류면적이 큰 엠프티 패스와 대구경 컨벤션 케이지에 비해 전열대류면적이 작은 컨벤션 케이지와 바이패스 댐퍼는 순환 유동층 보일러의 소형화 설계가 가능하며, 바이패스 댐퍼는 연소가스량을 조절하여 강하속도를 조절하는 데 효과적이므로 증기 온도제어범위가 넓다.

2: 화로
3: 엠프티 패스
11: 과열기
11a: 상부 과열기
11b: 하부 과열기
12: 증발기
14: 공기예열기
14a: 상부 공기 예열기
14b: 하부 공기예열기

Claims (3)

1. 컨벤션 케이지 내에 과열기와 절탄기 및 공기예열기를 설치한 순환 유동층 보일러에 있어서,
   상기 순환 유동층 보일러의 연소실에서 엠프티 패스가 배제되고, 컨벤션 케이지에 상하로 양분된 과열기에서 상부 과열기 위에 증발기를 배치하여 상기 증발기와 하부 과열기 사이에 상부 과열기를 우회하는 개폐폭 제어형 바이패스관을 설치하며, 상기 공기예열기는 상부 및 하부 공기예열기로 분할 설치한 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.
2. 삭제
3. 삭제

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