KR102229911B1 - A Once-through Boiler Equipped with a Porous Medium Burner and its Operation Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공체 연소기를 구비한 관류보일러에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 가스 연료를 사용하는 소형 관류보일러나 소형의 연소식 가열장치에 있어서 질소산화물의 배출을 저감하고, 균일한 가열을 가능하게 하는 다공체 연소기를 구비한 관류보일러에 관한 것이다.The present invention relates to a once-through boiler having a porous combustor, and more particularly, a porous body that reduces nitrogen oxide emissions and enables uniform heating in a small once-through boiler using gaseous fuel or a small combustion-type heating device. It relates to a once-through boiler with a combustor.
Description
본 발명은 다공체 연소기를 구비한 관류보일러에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 가스 연료를 사용하는 소형 관류보일러나 소형의 연소식 가열장치에 있어서 질소산화물의 배출을 저감하고, 균일한 가열을 가능하게 하는 다공체 연소기를 구비한 관류보일러 및 이의 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a once-through boiler having a porous combustor, and more particularly, a porous body that reduces nitrogen oxide emissions and enables uniform heating in a small once-through boiler using gaseous fuel or a small combustion-type heating device. It relates to a once-through boiler having a combustor and a method of operating the same.
보일러는, 연료의 연소열을 물 등에 전달하여 온도와 압력이 높은 증기를 발생시키는 장치로서, 화력발전소와 선박 등의 증기기관, 각종 공장의 작업용이나 난방용 장치 등에 증기를 공급하는 데 사용한다.A boiler is a device that generates steam with high temperature and pressure by transferring combustion heat of fuel to water, etc., and is used to supply steam to steam engines such as thermal power plants and ships, and to devices for work or heating of various factories.
이러한 보일러는 그 구조에 따라 여러 종류가 있지만, 그 중에서도 강제순환식 보일러에 속하는 관류보일러(Once-through boiler)는 단일 수관을 휘거나 다수의 수관 다발로 만든 관만의 보일러이며, 강제 관류보일러라고도 하는데 수관의 한쪽 끝에서 급수하고 펌프로 압송하여 도중에서 차례로 가열, 증발, 과열되어 관의 다른 한 쪽 끝에서 과열 증기로 송출되는 형식의 보일러를 말하며, 고압 증기의 발생에 적합하고 특히 초임계압 보일러인 경우에 유리한 강제순환식 보일러의 일종이다.There are several types of boilers depending on their structure, but among them, once-through boilers, which belong to forced circulation boilers, are pipe-only boilers made of single water pipes or bundles of water pipes, they are also referred to as forced once-through boilers. It refers to a boiler in which water is supplied from one end of the water pipe and is pumped by a pump, which is heated, evaporated, and superheated in sequence in the middle, and is transmitted as superheated steam from the other end of the pipe.It is suitable for generating high-pressure steam, especially supercritical pressure boiler. It is a kind of forced circulation boiler which is advantageous in the case of
관류보일러는 보유 수량이 적어서 급속 기동 및 정지가 가능하며, 자유로운 전열면 배치가 가능하므로 보일러 소형화 및 고효율화에 유리하다. 또한 간단한 구조 및 높은 안전성으로 인해 자동화가 용이하여, 대량의 증기가 필요할 경우 단일 대형 보일러를 사용하기 보다는 다수의 소형 보일러들을 병렬로 연결하여 개별 보일러가 최고 효율을 갖는 설계부하에서 운전되도록 하는 대수제어가 가능한 장점이 있다. The once-through boiler has a small quantity, so it is possible to start and stop quickly, and because it is possible to freely arrange the heating surface, it is advantageous for miniaturization and high efficiency of the boiler. In addition, it is easy to automate due to its simple structure and high safety. When a large amount of steam is needed, a number of small boilers are connected in parallel, rather than using a single large boiler, so that individual boilers operate under the design load with the highest efficiency. There is a possible advantage.
반면에 본 발명에서 이루고자 하는 저 질소산화물(이하 NOx) 생성과 관련하여, 관류보일러는 그 콤팩트한 구조로 인해 보일러 연소실의 체적 열부하(단위 체적당 연소열량)가 높아서 고온의 화염이 형성되므로 다량의 NOx가 생성되며, 기존의 저 NOx 연소기술이 효과를 발휘하기 위해 필요한 만큼의 연소실 체적이 제공되지 않아서 여타 보일러 형식 대비 NOx 생성 저감에 매우 불리하다. On the other hand, with regard to the generation of low nitrogen oxides (hereinafter NO x ) to be achieved in the present invention, the once-through boiler has a high volume heat load (burning heat per unit volume) of the boiler combustion chamber due to its compact structure, thereby forming a high-temperature flame. NO x is generated, and it is very disadvantageous in reducing NO x generation compared to other boiler types because the combustion chamber volume is not provided as necessary for the existing low NO x combustion technology to be effective.
가스연료의 연소 과정에서 생성되는 NOx는, 공기 중의 질소가 고온(약 1300℃ 이상)의 화염 또는 기연가스(burned gas) 내에서 산화되어 생성되는 thermal NOx와 고농도의 연료가 고온(약 1000℃ 이상)에서 열 분해되어 탄화수소 라디칼(CH radical)을 생성하고 이것이 질소와 반응하여 생성되는 prompt NOx로 나눌 수 있다. NO x generated in the process of combustion of gaseous fuel is thermal NO x generated by oxidation of nitrogen in the air in a high temperature (about 1300°C or higher) flame or burned gas, and the high concentration of fuel is high temperature (about 1000°C). ℃ or higher) to generate a hydrocarbon radical (CH radical), which can be divided into prompt NO x generated by reacting with nitrogen.
Thermal NOx는 잉여 산소가 존재하는 고온 영역에서 발생하므로, 국부적인 고온 영역이 발생하지 않도록 화실의 온도를 균등화하고, 더불어 그것이 다량 발생하는 화염의 뿌리 영역에 잉여 산소량을 줄임으로써 그 생성을 억제할 수 있다.Since Thermal NO x is generated in the high temperature region where excess oxygen exists, it is possible to equalize the temperature of the firebox so that local high temperature regions do not occur, and also reduce the amount of excess oxygen in the root region of the flame where a large amount of it is generated. I can.
반면에 prompt NOx는 연료의 열분해 온도 이상만 된다면 온도에 상대적으로 둔감하며 연료가 과농한 영역에서 순간적(약 1 ms 이내)으로 생성되므로, 비예혼합(non-premixed) 연소 방식에서는 연료와 공기가 연소기의 출구단에서 급속히 혼합되도록 하여 그 생성을 억제할 수 있다.On the other hand, prompt NO x is relatively insensitive to temperature as long as it goes above the pyrolysis temperature of the fuel, and it is generated instantaneously (within about 1 ms) in the fuel-rich region. By allowing rapid mixing at the outlet end of the combustor, its formation can be suppressed.
종래에 사용되고 있는 산업용 버너의 질소산화물 감소기법은, 특허문헌 1과 같이 연료와 공기의 급속한 혼합을 도모하는 혼합 촉진형, 특허문헌 2와 같이 연료와 공기 노즐들의 형상을 조절하여 여러 갈래의 화염을 형성하는 화염 분할형, 특허문헌 3과 같이 단계적 연소를 통해 이론 혼합비로부터 벗어난 조건에서 운전하는 다단 연소형, 특허문헌 4와 같이 연소 후 배기되는 배기가스를 외부에서 재순환하거나 연소실 내부 유동 제어를 통해 내부 재순환하는 배기가스 재순환형 등으로 분류할 수 있으며, 이러한 기술들은 모두 국부적인 고온 화염의 형성을 억제하여 thermal NOx 생성을 줄이거나 연료가 과농한 영역을 최소화함으로써 prompt NOx 생성량을 억제하는 기술이다.Conventionally, the nitrogen oxide reduction technique of industrial burners is a mixing accelerating type that promotes rapid mixing of fuel and air as in Patent Document 1, and various flames are controlled by controlling the shape of fuel and air nozzles as in Patent Document 2. A flame split type to form, a multistage combustion type that operates under conditions deviating from the theoretical mixing ratio through staged combustion as in Patent Document 3, and recirculates the exhaust gas exhausted after combustion from the outside as in Patent Document 4 or internally through flow control inside the combustion chamber. It can be classified as a recirculating exhaust gas recirculation type, and all of these technologies are technologies that suppress the formation of local high-temperature flames to reduce thermal NOx generation or minimize prompt NOx generation by minimizing the fuel-rich area.
그러나 상기 기술들은 분사 방향으로 긴 화염을 형성하므로 관류보일러와 같이 화실의 열 부하가 크고 체적이 작은 경우에는 적용하기 난해하다.However, since the above techniques form a long flame in the spraying direction, it is difficult to apply when the heat load of the firebox is large and the volume is small, such as a once-through boiler.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 소형 관류보일러나 소형의 연소장치에 있어서 NOx 배출 농도를 10 ppm 수준으로 낮추기 위한 저 NOx 관류보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a low NO x once-through boiler for lowering the NOx emission concentration to a level of 10 ppm in a small once-through boiler or a small combustion device.
또한, 에너지 이용 효율을 증가시키고 고온의 화염을 형성시키기 위한 목적으로 추가 장치를 사용하지 않고 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 함으로써 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과 엔탈피의 고온 연소를 용이하게 달성할 수 있는 저 NOx 연소 장치를 포함하는 관류보일러 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, for the purpose of increasing energy utilization efficiency and forming a high-temperature flame, heat recirculation occurs due to conduction and radiant heat transfer of the porous body itself by allowing combustion to occur inside the porous body without using an additional device, and ultimately, excess enthalpy. An object of the present invention is to provide a once-through boiler including a low NO x combustion device capable of easily achieving high-temperature combustion of and a method of operating the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 원통형 관류보일러는, 급수구, 증기배출구 및 연소가스 배출구가 형성된 원통 형상의 하우징; 상기 하우징 내부에 배치되고, 중앙에 중공부가 형성된 원통 형상의 제1 다공체 및 제1 다공체의 외측을 둘러싸고 있는 제2 다공체를 포함하는 원통형 다공체 연소기; 상기 원통형 다공체 연소기에 예혼합기를 공급하는 연료산화제공급부; 상기 하우징 내부에 배치되며 상기 급수구와 연결되는 상부헤더; 상기 하우징 내부에 배치되며 상기 증기배출구와 연결되는 하부헤더; 및 상기 상부헤더와 상기 하부헤더를 연결하며, 상기 원통형 다공체 연소기 외주변에 일정간격 이격되어 환형으로 배열되는 복수개의 수관; 을 포함할 수 있다.A cylindrical once-through boiler according to a first embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a cylindrical housing having a water supply port, a steam discharge port, and a combustion gas discharge port; A cylindrical porous body combustor disposed inside the housing and including a first porous body having a cylindrical shape and a second porous body surrounding the outside of the first porous body; A fuel oxidizer supply unit for supplying a premixer to the cylindrical porous combustor; An upper header disposed inside the housing and connected to the water supply port; A lower header disposed inside the housing and connected to the steam outlet; And a plurality of water pipes connected to the upper header and the lower header and arranged in an annular shape spaced apart from each other at predetermined intervals around the outer periphery of the cylindrical porous combustor. It may include.
상기 제1 다공체와 제2 다공체 사이에 화염면이 형성될 수 있다. A flame surface may be formed between the first porous body and the second porous body.
상기 연료산화제공급부는, 상기 원통형 다공체 연소기 상부에 구비되는 혼합기; 상기 혼합기의 일면에 구비되는 연료공급관; 상기 혼합기의 일면에 구비되는 공기공급관; 및 상기 혼합기 하부에 구비되는 예혼합기 유입관; 을 포함할 수 있다.The fuel oxidant supply unit may include a mixer provided on the cylindrical porous combustor; A fuel supply pipe provided on one surface of the mixer; An air supply pipe provided on one surface of the mixer; And a premixer inlet pipe provided below the mixer. It may include.
상기 원통형 다공체 연소기는 상기 제1 다공체의 중공부 내부에 형성된 다공성 분배관을 더 포함할 수 있다.The cylindrical porous body combustor may further include a porous distribution pipe formed inside the hollow portion of the first porous body.
상기 복수개의 수관은 열전달판으로 연결되어 수관벽을 형성할 수 있다.The plurality of water pipes may be connected by a heat transfer plate to form a water pipe wall.
상기 수관벽은 내측 수관벽 및 외측 수관벽으로 이루어질 수 있다.The water pipe wall may be formed of an inner water pipe wall and an outer water pipe wall.
상기 내측 수관벽은 일부분에 제1 개구부가 형성되고, 상기 외측 수관벽은 제1 개구부의 반대 방향에 제2 개구부가 형성될 수 있다.A first opening may be formed in a portion of the inner water pipe wall, and a second opening may be formed in the outer water pipe wall in a direction opposite to the first opening.
상기 내측 수관벽 및 외측 수관벽은 동일한 상부헤더 및 하부헤더에 연결될 수 있다. The inner water pipe wall and the outer water pipe wall may be connected to the same upper header and lower header.
상기 내측수관벽은 내측 상부헤더 및 내측 하부헤더와 연결되고, 상기 외측 수관벽은 외측 상부헤더 및 외측 하부헤더와 연결될 수 있다.The inner water pipe wall may be connected to an inner upper header and an inner lower header, and the outer water pipe wall may be connected to an outer upper header and an outer lower header.
본 발명의 제4실시예에 따른 평판형 관류보일러는, 급수구, 증기배출구 및 연소가스 배출구가 형성된 다면체 형상의 하우징; 상기 하우징의 일측면 상부에 구비되며, 예혼합기의 유동방향으로 적층된 제1 다공체와, 제2 다공체를 포함하는 평판형 다공체 연소기; 상기 평판형 다공체 연소기에 예혼합기를 공급하는 연료산화제공급부; 상기 하우징 내부에 배치되며 상기 증기배출구와 연결되는 상부헤더; 상기 하우징 내부에 배치되며 상기 급수구와 연결되는 하부헤더; 및 상기 상부헤더와 상기 하부헤더를 연결하는 복수개의 수관; 을 포함할 수 있다.A flat plate type once-through boiler according to a fourth embodiment of the present invention includes a polyhedral housing having a water supply port, a steam discharge port, and a combustion gas discharge port; A flat plate type porous body combustor provided on one side of the housing and including a first porous body and a second porous body stacked in the flow direction of the premixer; A fuel oxidizer supply unit for supplying a premixer to the flat porous combustor; An upper header disposed inside the housing and connected to the steam outlet; A lower header disposed inside the housing and connected to the water supply port; And a plurality of water pipes connecting the upper header and the lower header. It may include.
상기 제1 다공체와 제2 다공체 사이에 화염면이 형성될 수 있다. A flame surface may be formed between the first porous body and the second porous body.
상기 연료산화제공급부는, 상기 평판형 다공체 연소기 전단에 구비되는 혼합기; 상기 혼합기의 일면에 구비되는 연료공급관; 상기 혼합기의 일면에 구비되는 공기공급관; 및 상기 혼합기 후단에 구비되는 예혼합기 유입관; 을 포함할 수 있다. The fuel oxidizer supply unit may include a mixer provided at a front end of the planar porous combustor; A fuel supply pipe provided on one surface of the mixer; An air supply pipe provided on one surface of the mixer; And a premixer inlet pipe provided at a rear end of the mixer. It may include.
상기 하우징은 내측면에 연소가스의 유로 형성을 위한 제1 가이드부재 및 제2 가이드부재를 더 포함할 수 있다. The housing may further include a first guide member and a second guide member for forming a flow path of the combustion gas on the inner surface.
상기 평판형 다공체 연소기는 상기 혼합기와 상기 제1 다공체 사이에 다공성 분배판을 더 포함할 수 있다. The planar porous body combustor may further include a porous distribution plate between the mixer and the first porous body.
상기 원통형 관류일러 또는 평판형 관류보일러의 운전 방법으로,In the operating method of the cylindrical once-through boiler or flat-type once-through boiler,
(a) 연료 및 산화제를 상기 혼합기에서 혼합하여, 혼합 가스를 연료 유입구로 공급하는 단계;(a) mixing fuel and an oxidizing agent in the mixer, and supplying the mixed gas to the fuel inlet;
(b) 상기 단계 a에서 연료를 제1 다공체 내부로 공급하여 초과엔탈피 연소를 수행하는 단계;(b) performing excess enthalpy combustion by supplying fuel into the first porous body in step a;
(c) 상기 초과엔탈피 연소에 의해 수관 내부의 보일러 용수가 가열되어 증기가 배출되는 단계;(c) heating the boiler water inside the water pipe by the excess enthalpy combustion to discharge steam;
를 포함할 수 있다. It may include.
상기 단계 (a)와 단계 (b) 사이에 상기 원통형 또는 평판형 다공체 연소기 외주변에 구비된 점화용 소형 연소기를 먼저 점화하여 연소관의 외측에 위치한 제2 다공체에 화염을 생성하는 (d) 단계를 더 포함할 수 있다.The step (d) of first igniting a small combustor for ignition provided in the outer periphery of the cylindrical or flat porous combustor between steps (a) and (b) to generate a flame in the second porous body located outside the combustion tube. It may contain more.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 관류보일러의 연소기에 있어서 다공체 연소를 적용함으로써, 화염 하류의 급격한 온도 하강으로 인해 NOx 생성에 필요한 고온 영역이 좁아지고, 더불어 급격하게 증가한 연소 속도로 인해 기체의 속도가 빨라져서, 결과적으로 고온 영역에서의 체류시간이 급감하여 질소가 산화되기에 충분한 시간을 제공하지 않기 때문에 NOx 생성을 억제할 수 있다. As described above, according to the present invention, by applying the porous body combustion in the combustor of the once-through boiler , the high temperature region required for NO x generation is narrowed due to the rapid temperature drop downstream of the flame, and at the same time, due to the rapidly increased combustion rate. The speed of the gas increases, and consequently, the residence time in the high-temperature region decreases rapidly, and the generation of NO x can be suppressed because a sufficient time is not provided for the nitrogen to be oxidized.
또한, 기존의 열교환기를 통한 외부 열 재순환에 비해 간단하고 효과적인 열 재순환 효과를 얻을 수 있다. In addition, compared to external heat recirculation through a conventional heat exchanger, a simple and effective heat recirculation effect can be obtained.
또한, 다공체 내에서 균일한 연소가 발생하며 고온 열 복사가 다공체로부터 방사되므로 보일러의 수관을 균일하게 가열시킬 수 있어서 기기의 성능 향상 및 내구성 향상에 유리하다.In addition, since uniform combustion occurs in the porous body and high-temperature thermal radiation is radiated from the porous body, the water pipe of the boiler can be uniformly heated, which is advantageous for improving the performance and durability of the device.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원통형 관류보일러의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원통형 다공체 연소기의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러의 수평 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수관벽의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 원통형 관류보일러의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 원통형 관류보일러의 수평 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 평판형 관류보일러의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 평판형 관류보일러의 수직 단면도이다.1 is a perspective view of a cylindrical once-through boiler according to a first embodiment of the present invention.
2 is a vertical cross-sectional view of a cylindrical porous combustor according to the present invention.
3 is a perspective view of a cylindrical once-through boiler according to a second embodiment of the present invention.
4 is a horizontal cross-sectional view of a cylindrical once-through boiler according to a second embodiment of the present invention.
5 is a perspective view of a water pipe wall according to a second embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of a cylindrical once-through boiler according to a third embodiment of the present invention.
7 is a horizontal cross-sectional view of a cylindrical once-through boiler according to a third embodiment of the present invention.
8 is a perspective view of a flat plate type once-through boiler according to a fourth embodiment of the present invention.
9 is a vertical cross-sectional view of a flat plate type once-through boiler according to a fourth embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments in which the present invention can be easily implemented by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in describing the operating principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.The present invention will be described as a detailed embodiment according to the drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)의 사시도이고, 도 2는 원통형 다공체 연소기(120)의 수직 단면도이다. 1 is a perspective view of a cylindrical once-through
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)는 급수구(111), 증기배출구(112) 및 연소가스 배출구(113)가 형성된 원통 형상의 하우징(110), 하우징(110) 내부에 구비되는 원통형 다공체 연소기(120), 상부헤더(140), 하부헤더(150), 복수개의 수관(161) 및 연료산화제공급부(130)를 포함할 수 있다. Referring to Figure 1, the cylindrical once-through
연료산화제공급부는(130), 혼합기(131), 연료공급관(132), 공기공급관(133) 및 예혼합기 유입관(134)을 포함할 수 있다. 혼합기(131)는 원통형 다공체 연소기(120) 상부에 배치된다. 혼합기(131) 일부에는 연료공급관(132) 및 공기공급관(133)이 구비될 수 있고, 혼합기(131) 하부에는 예혼합기 유입관(134)이 형성될 수 있다.The fuel
이에 따라, 공기 및 연료는 각각 혼합기(131)로 유입되어 예혼합 될 수 있으며, 예혼합기 유입관(134)를 통해 원통형 다공체 연소기(120) 내부로 유입된다. 이때, 상기 공기공급관(133)으로 공급되는 공기는 산화제일 수 있다. Accordingly, air and fuel may each be introduced into the
원통형 다공체 연소기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙에 중공부(124)가 형성된 원통 형상의 제1 다공체(121) 및 제1 다공체(121)의 외측을 둘러싸고 있는 제2 다공체(122)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the cylindrical
제1 다공체(121) 및 제2 다공체(122) 사이에 화염면(123)이 형성될 수 있다. A
제1 다공체(121)의 중공부(124) 내부에는 다공성 분배관(125)이 구비될 수 있다. 이에 따라, 원통형 다공체 연소기(120) 내부로 유입된 연료 및 공기가 균일하게 제1 다공체(121)를 통과하게 되고, 연속적으로 제2 다공체(122)를 통과하게 되면서, 보다 안정적인 연소가 가능하게 된다.A
외부로의 열 손실이 없을 때 주어진 조건의 연료와 산화제가 연소하여 도달할 수 있는 최대 온도를 단일 화염 온도(adiabatic flame temperature)라 하는데, 이때 고온의 연소가스로부터 차가운 미연가스(unburned gas)로 열 재순환이 주어지면 단일화염 온도 이상의 고온을 달성할 수 있으며 이때를 초과 엔탈피 연소라 한다. When there is no heat loss to the outside, the maximum temperature that the fuel and oxidizing agent in a given condition can reach by burning is called the single flame temperature. At this time, heat from the high-temperature combustion gas to cold unburned gas. Given recirculation, it is possible to achieve high temperatures above the single flame temperature, which is called excess enthalpy combustion.
본 발명과 같이, 열 재순환을 위해 열 교환기와 같은 추가 장치를 사용하지 않고, 원통형 다공체 연소기(120)를 이용하여 다공체 내부에서 연소가 이루어지도록 하면, 다공체 자체의 전도 및 복사 열전달에 의해 열 재순환이 발생하게 되고 궁극적으로 초과엔탈피 연소를 용이하게 달성할 수 있게 된다.As in the present invention, without using an additional device such as a heat exchanger for heat recirculation, if combustion is performed inside the porous body using the cylindrical
원통형 다공체 연소기(120) 외주변에는 복수개의 수관(161)이 일정간격 이격되어 환형으로 배열되어 있다. 수관(161)은 보일러 용수가 이동하는 통로로, 긴 파이프 형상일 수 있다. 수관(161)의 상부는 상부헤더(140)와 연결되고, 수관(161)의 하부는 하부헤더(150)와 연결된다.On the outer periphery of the cylindrical
상부헤더(140) 및 하부헤더(150)는 원통형 다공체 연소기(120)의 직경보다 큰 직경을 갖는 링 형상으로, 내부 공간이 형성될 수 있다.The
하부헤더(150)는 급수구(111)와 연결되어 급수구(111)에서 공급된 보일러 용수를 복수개의 수관(161)에 일괄적으로 균일하게 공급한다. The
하부헤더(150)에서 공급된 보일러 용수는 각각의 수관(161) 하부에서 상부로 이동하며 원통형 다공체 연소기(120)의 연소열에 의해 가열되어 포화증기 상태로 상부헤더(140)에 모인 후 상부헤더(140)와 연결된 증기배출구(112)를 통해 배출된다. The boiler water supplied from the
원통형 다공체 연소기(120)에서 배출되는 연소가스는 복수개의 수관(161) 사이로 이동하여 연소가스 배출구(113)로 배출된다. The combustion gas discharged from the cylindrical
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)의 수평 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수관벽(160)의 사시도이다. 3 is a perspective view of a cylindrical once-through
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)는 급수구(111), 증기배출구(112) 및 연소가스 배출구(113)가 형성된 원통 형상의 하우징(110), 하우징(110) 내부에 구비되는 원통형 다공체 연소기(120), 상부헤더(140), 하부헤더(150), 수관벽(160) 및 연료산화제공급부(130)를 포함할 수 있다. 3 to 4, the cylindrical once-through
이하, 본 발명의 제1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the first embodiment of the present invention, and detailed descriptions thereof will be omitted.
원통형 다공체 연소기(120) 외주변에는 수관벽(160)이 형성될 수 있다. 수관벽(160)은 복수개의 수관(161)이 열전달판(162)으로 연결된 구조일 수 있다. A
도 5를 참조하면, 수관벽(160)은 열전달판(162)의 양단이 수관(161)들에 각각 연결됨에 따라 수관(161)이 소정간격 이격된 상태로 고정된다. Referring to FIG. 5, the
열전달판(132)은 열 전도성 소재로 이루어질 수 있는 바, 열전달을 촉진할 수 있다. Since the
수관벽(160)은 적어도 1개 이상 구비될 수 있으며, 본 발명에서는 2개의 수관벽(160)을 구비한 보일러를 예로 설명한다.At least one
수관벽(160)은 내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)으로 이루어질 수 있다.The
외측 수관벽(165)은 내측 수관벽(164)과 동일한 구조일 수 있다.The outer
또한, 내측 수관벽(164) 일부분에 제1 개구부(166)가 형성되고, 외측 수관벽(165)에는 제2 개구부(167)가 형성될 수 있다.In addition, a
상기 제2 개구부(167)는 제1 개구부(166)의 반대 방향에 형성될 수 있다. The
상기 제1 개구부(166) 및 제2 개구부(167)는 연소가스의 이동 통로가 될 수 있다. 즉, 원통형 다공체 연소기(120)에서 배출되는 연소가스는 제1 개구부(166)를 통해 제2 개구부(167)로 이동하여 연소가스 배출구(113)로 배출된다. The
내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)의 상부에는 급수구(111)와 연결되는 상부헤더(140)가 배치되고, 하부에는 증기배출구(112)와 연결되는 하부헤더(150)가 각각 연결될 수 있다.An
실시예 1과 마찬가지로, 상부헤더(140) 및 하부헤더(150)는 원통형 다공체 연소기(120)의 직경보다 큰 직경을 갖는 링 형상이며, 내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)이 하나의 상부헤더(140) 및 하나의 하부헤더(150)에 연결될 수 있다.As in Example 1, the
상기와 같은 구조에 의해, 하부헤더(150)에서 내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)의 수관에 일괄적으로 보일러 용수를 공급하고, 내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)의 수관(161)에서 발생한 포화증기는 상부헤더(140)를 통해 배출된다. With the structure as described above, boiler water is collectively supplied from the
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)의 수평 단면도이다. 6 is a perspective view of a cylindrical once-through
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 원통형 관류보일러(100)는 급수구(111), 증기배출구(112) 및 연소가스 배출구(113)가 형성된 원통 형상의 하우징(110), 하우징(110) 내부에 구비되는 원통형 다공체 연소기(120), 상부헤더(140), 하부헤더(150), 수관벽(160) 및 연료산화제공급부(130)를 포함할 수 있다. 6 and 7, the cylindrical once-through
이하, 본 발명의 제1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the first embodiment of the present invention, and detailed descriptions thereof will be omitted.
원통형 다공체 연소기(120) 외주변에는 수관벽(160)이 형성될 수 있다. 수관벽(160)은 내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)으로 이루어질 수 있다.A
내측 수관벽(130) 일부분에 제1 개구부(134)가 형성되고, 외측 수관벽(130)에는 제1 개구부(134)와 반대 방향에 제2 개구부(135)가 형성될 수 있다.A
내측 수관벽(164) 및 외측 수관벽(165)은 각각 독립적인 상부헤더(140) 및 하부헤더(150)와 연결될 수 있다. 즉, 내측 수관벽(164)은 내측 상부헤더(141) 및 내측 하부헤더(151)와 연결되어 있고, 외측 수관벽(165)은 외측 상부헤더(142) 및 외측 하부헤더(152)와 연결된다.The inner
따라서, 내측 하부헤더(151)에서 공급되는 보일러 용수는 내측 수관벽(164)으로 유입되고 내측 상부헤더(141)를 통해 배출되며, 외측 하부헤더(152)에서 공급되는 보일러 용수는 외측 수관벽(165)으로 유입되고 외측 상부헤더(142)를 통해 배출된다. Accordingly, the boiler water supplied from the inner
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 평판형 관류보일러(200)의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 평판형 관류보일러(200)의 수직 단면도이다. 8 is a perspective view of a plate type once-through
도 8 및 도 9를 참조하면, 평판형 관류보일러(200)는 급수구(211), 증기배출구(212) 및 연소가스 배출구(213)가 형성된 다면체 형상의 하우징(210), 하우징(210)의 일측면 상부에 구비되는 평판형 다공체 연소기(220), 상부헤더(240), 하부헤더(250), 복수개의 수관(261) 및 연료산화제공급부(230)를 포함한다. 8 and 9, the flat-type once-through
평판형 다공체 연소기(220)는 예혼합기의 유동 방향으로 적층된 제1 다공체(221), 제2 다공체(222)를 포함하며, 제1 다공체(221) 및 제2 다공체(222) 사이에 화염면(223)이 형성된다.The planar
연료산화제공급부(230)와 제1 다공체(221) 사이에는 다공성 분배판(225)이 구비될 수 있다. 상기 구성에 의해 평판형 다공체 연소기(220) 내부로 유입된 연료가 균일하게 1다공체(221)를 통과하게 되고, 연속적으로 제2 다공체(222)를 통과하게 되면서, 보다 안정적인 연소가 가능하게 된다.A
연료산화제공급부(230)는 혼합기(231), 연료공급관(232), 공기공급관(233) 및 예혼합기 유입관(234)을 포함할 수 있다. The fuel oxidizer supply unit 230 may include a
연료공급관(232) 및 공기공급관(233)을 통해 공급된 공기 및 연료는 각각 혼합기(230)로 유입되어 예혼합 될 수 있으며, 예혼합기 유입관(233)를 통해 평판형 다공체 연소기(220) 내부로 유입된다. 이때, 상기 공기공급관(233)으로 공급되는 공기는 산화제일 수 있다. Air and fuel supplied through the
하우징은 내부에 연소가스의 유로 형성을 위한 제1 가이드부재(270) 및 제2 가이드부재(280)를 더 포함한다. The housing further includes a
상기 예혼합기는 연료 및/또는 산화제일 수 있다.The premixer may be a fuel and/or an oxidizing agent.
상기 연료는 탄화수소화합물일 수 있으며, 상기 탄화수소화합물의 탄소수 1 내지 6일 수 있다. 상기 연료는 합성가스, 부생가스, 수소, LNG, LPG 일 수 있다.The fuel may be a hydrocarbon compound, and the hydrocarbon compound may have 1 to 6 carbon atoms. The fuel may be synthetic gas, by-product gas, hydrogen, LNG, or LPG.
상기 산화제는 산소를 포함하는 가스상 물질이면 제한되지 않는다. 바람직하게는 공기일 수 있다.The oxidizing agent is not limited as long as it is a gaseous substance containing oxygen. Preferably it may be air.
구체적으로, 평판형 다공체 연소기가 배치되는 측면을 A면, A와 마주보는 측면을 B면으로 정의할 때, 제1 가이드부재(270)는 A면으로부터 B면을 향해 수평으로 연장될 수 있다. 이때, 제1 가이드부재(270)는 B면과 일정 간격 이격될 수 있다. Specifically, when defining a side surface on which the planar porous combustor is disposed as an A surface and a side facing A as a B surface, the
제2 가이드부재(280)는 B면으로부터 A면을 향해 수평으로 연장될 수있다. 이때, 제2 가이드부재(280)는 제1 가이드부재(270) 하부에 배치되며, A면과 일정간격 이격될 수 있다.The
제1 가이드부재(260) 및 제2 가이드부재(270)는 판 형상이며, 상부헤더(240) 및 하부헤더(250)의 사이에 위치하여 복수개의 수관(261)이 관통된다. The first guide member 260 and the
상기와 같은 구조에 의해, 하우징(210)의 상면과 제1 가이드부재(270) 사이에 제1 공간(291)이 형성되고, 제1 가이드부재(270)와 제2 가이드부재(280) 사이에 제2 공간(292)이 형성되고, 제2 가이드부재(280)와 하우징의 바닥면 사이에 제3공간(293)이 형성된다. With the above structure, a
본 발명의 제3실시예에 따른 평판형 관류보일러에서는, 평판형 다공체 연소기(220)에 의한 연소가스가 제1 공간(291), 제2 공간(292) 및 제3공간(293)을 순차적으로 통과하며 수관(261)을 가열하고, 연소가스 배출구(213)를 통해 배출된다. In the plate type once-through boiler according to the third embodiment of the present invention, the combustion gas from the plate type
하부헤더(250)로 유입된 보일러 용수는 복수개의 수관(261)을 통과하며 가열되어 포화증기 상태로 상부헤더(240)를 통해 증기배출구(212)로 배출된다. The boiler water introduced into the
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Although the above description has been made with reference to the drawings according to the embodiments of the present invention, a person of ordinary skill in the field to which the present invention belongs will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the contents.
100: 원통형 관류보일러
200: 평판형 관류보일러
110, 210: 하우징
111, 211: 급수구
112, 212: 증기배출구
113, 213: 연소가스 배출구
120: 원통형 다공체 연소기
220: 평판형 다공체 연소기
121, 221: 제1 다공체
122, 222: 제2 다공체
123, 223: 화염면
124: 중공부
125: 다공성 분배관
225: 다공성 분배판
130, 230: 연료산화제공급부
131, 231: 혼합기
132, 232: 연료공급관
133, 233: 공기공급관
134, 234: 예혼합기 유입관
140, 240: 상부헤더
150, 250: 하부헤더
141: 내측 상부헤더
142: 외측 상부헤더
151: 내측 하부헤더
152: 외측 하부헤더
160: 수관벽
161, 261: 수관
162, 262: 열전달판
164: 내측 수관벽
165: 외측 수관벽
166: 제1 개구부
167: 제2 개구부
270: 제1 가이드부재
280: 제2 가이드부재
291: 제1 공간
292: 제2 공간
293: 제3 공간100: cylindrical once-through boiler
200: flat plate type once-through boiler
110, 210: housing
111, 211: water inlet
112, 212: steam outlet
113, 213: flue gas outlet
120: cylindrical porous body combustor
220: flat plate type porous combustor
121, 221: first porous body
122, 222: second porous body
123, 223: flame side
124: hollow part
125: porous distribution pipe
225: porous distribution plate
130, 230: fuel oxidizer supply unit
131, 231: mixer
132, 232: fuel supply pipe
133, 233: air supply pipe
134, 234: premixer inlet pipe
140, 240: upper header
150, 250: lower header
141: inner upper header
142: outer upper header
151: inner lower header
152: outer lower header
160: water pipe wall
161, 261: water pipe
162, 262: heat transfer plate
164: inner water pipe wall
165: outer water pipe wall
166: first opening
167: second opening
270: first guide member
280: second guide member
291: first space
292: second space
293: third space
Claims (14)
상기 하우징 내부에 배치되고, 중앙에 중공부가 형성된 원통 형상의 제1 다공체 및 제1 다공체의 외측을 둘러싸고 있는 제2 다공체를 포함하는 원통형 다공체 연소기;
상기 원통형 다공체 연소기에 예혼합기를 공급하는 연료산화제공급부;
상기 하우징 내부에 배치되며 상기 급수구와 연결되는 하부헤더;
상기 하우징 내부에 배치되며 상기 증기배출구와 연결되는 상부헤더; 및
상기 상부헤더와 상기 하부헤더를 연결하며, 상기 원통형 다공체 연소기 외주변에 일정간격 이격되어 환형으로 배열되는 복수개의 수관;을 포함하며,
상기 제1 다공체와 제2 다공체 사이에 화염면이 형성되고,
상기 원통형 다공체 연소기는 상기 제1 다공체의 중공부 내부에 형성된 다공성 분배관을 더 포함하는 초과엔탈피 연소를 포함하는 원통형 관류보일러.A cylindrical housing having a water supply port, a steam discharge port, and a combustion gas discharge port;
A cylindrical porous body combustor disposed inside the housing and including a first porous body having a cylindrical shape and a second porous body surrounding the outside of the first porous body;
A fuel oxidizer supply unit for supplying a premixer to the cylindrical porous combustor;
A lower header disposed inside the housing and connected to the water supply port;
An upper header disposed inside the housing and connected to the steam outlet; And
And a plurality of water pipes that connect the upper header and the lower header, and are spaced apart from each other at a predetermined interval and arranged in an annular shape around the outer periphery of the cylindrical porous combustor; and
A flame surface is formed between the first porous body and the second porous body,
The cylindrical once-through boiler including excess enthalpy combustion further comprising a porous distribution pipe formed in the hollow portion of the first porous body in the cylindrical porous body combustor.
상기 연료산화제공급부는,
상기 원통형 다공체 연소기 상부에 구비되는 혼합기;
상기 혼합기의 일면에 구비되는 연료공급관;
상기 혼합기의 일면에 구비되는 공기공급관; 및
상기 혼합기 하부에 구비되는 예혼합기 유입관;
울 포함하는 원통형 관류보일러.The method of claim 1,
The fuel oxidant supply unit,
A mixer provided above the cylindrical porous combustor;
A fuel supply pipe provided on one surface of the mixer;
An air supply pipe provided on one surface of the mixer; And
A premixer inlet pipe provided below the mixer;
Cylindrical once-through boiler containing wool.
상기 복수개의 수관은 열전달판으로 연결되어 수관벽을 형성하는 원통형 관류보일러.The method of claim 1,
The plurality of water pipes are connected by a heat transfer plate to form a water pipe wall.
상기 수관벽은 내측 수관벽 및 외측 수관벽으로 이루어지는 원통형 관류보일러.The method of claim 4,
The water pipe wall is a cylindrical once-through boiler consisting of an inner water pipe wall and an outer water pipe wall.
상기 내측 수관벽은 일부분에 제1 개구부가 형성되고,
상기 외측 수관벽은 제1 개구부의 반대 방향에 제2 개구부가 형성되는 원통형 관류보일러.The method of claim 5,
A first opening is formed in a part of the inner water pipe wall,
The outer water pipe wall is a cylindrical once-through boiler having a second opening formed in a direction opposite to the first opening.
내측 수관벽 및 외측 수관벽은 동일한 상부헤더 및 하부헤더에 연결되는 원통형 관류보일러.The method of claim 4,
The inner water pipe wall and the outer water pipe wall are cylindrical once-through boilers connected to the same upper and lower headers.
내측수관벽은 내측 상부헤더 및 내측 하부헤더와 연결되고,
외측 수관벽은 외측 상부헤더 및 외측 하부헤더와 연결되는 원통형 관류보일러.The method of claim 1,
The inner water pipe wall is connected to the inner upper header and the inner lower header,
The outer water pipe wall is a cylindrical once-through boiler connected to the outer upper header and the outer lower header.
상기 하우징의 일측면 상부에 구비되며, 예혼합기의 유동방향으로 적층된 제1 다공체와, 제2 다공체를 포함하는 평판형 다공체 연소기;
상기 평판형 다공체 연소기에 예혼합기를 공급하는 연료산화제공급부;
상기 하우징 내부에 배치되며 상기 증기배출구와 연결되는 상부헤더;
상기 하우징 내부에 배치되며 상기 급수구와 연결되는 하부헤더; 및
상기 상부헤더와 상기 하부헤더를 연결하는 복수개의 수관;
을 포함하며,
상기 제1 다공체와 제2 다공체 사이에 화염면이 형성되고,
혼합기와 상기 제1 다공체 사이에 다공성 분배판을 더 포함하는 평판형 다공체 연소기를 구비한 초과엔탈피 연소를 포함하는 평판형 관류보일러.A polyhedral housing having a water supply port, a steam discharge port, and a combustion gas discharge port;
A flat plate type porous body combustor provided on one side of the housing and including a first porous body and a second porous body stacked in the flow direction of the premixer;
A fuel oxidizer supply unit for supplying a premixer to the flat porous combustor;
An upper header disposed inside the housing and connected to the steam outlet;
A lower header disposed inside the housing and connected to the water supply port; And
A plurality of water pipes connecting the upper header and the lower header;
Including,
A flame surface is formed between the first porous body and the second porous body,
A flat plate type once-through boiler comprising an excess enthalpy combustion provided with a flat plate type porous body combustor further comprising a porous distribution plate between the mixer and the first porous body.
상기 연료산화제공급부는,
상기 평판형 다공체 연소기의 전단에 구비되는 혼합기;
상기 혼합기의 일면에 구비되는 연료공급관;
상기 혼합기의 일면에 구비되는 공기공급관; 및
상기 혼합기 후단에 구비되는 예혼합기 유입관;
을 포함하는 평판형 관류보일러.The method of claim 9,
The fuel oxidant supply unit,
A mixer provided at a front end of the flat porous combustor;
A fuel supply pipe provided on one surface of the mixer;
An air supply pipe provided on one surface of the mixer; And
A premixer inlet pipe provided at the rear end of the mixer;
A flat plate type once-through boiler comprising a.
상기 하우징은 내측면에 연소가스의 유로 형성을 위한 제1 가이드부재 및 제2 가이드부재를 더 포함하는 평판형 다공체 연소기를 구비한 평판형 관류보일러.The method of claim 10,
The housing is a plate type once-through boiler having a plate type porous combustor further comprising a first guide member and a second guide member for forming a flow path of the combustion gas on the inner surface.
(a) 연료 및 산화제를 혼합기에서 혼합하여, 혼합 가스를 연료 유입구로 공급하는 단계;
(b) 상기 단계 a에서 연료를 제1 다공체 내부로 공급하여 초과엔탈피 연소를 수행하는 단계;
(c) 상기 초과엔탈피 연소에 의해 수관 내부의 보일러 용수가 가열되어 증기가 배출되는 단계;
를 포함하는 원통형 관류보일러 또는 평판형 관류보일러의 운전 방법.In the method of operating the cylindrical once-through boiler or the flat once-through boiler according to any one of claims 1, 2 and 4 to 11,
(a) mixing the fuel and the oxidizing agent in a mixer, and supplying the mixed gas to the fuel inlet;
(b) performing excess enthalpy combustion by supplying fuel into the first porous body in step a;
(c) heating the boiler water inside the water pipe by the excess enthalpy combustion to discharge steam;
A method of operating a cylindrical once-through boiler or a flat-type once-through boiler comprising a.
상기 단계 (a)와 단계 (b) 사이에 상기 원통형 또는 평판형 다공체 연소기 외주변에 구비된 점화용 소형 연소기를 먼저 점화하여 연소관의 외측에 위치한 제2 다공체에 화염을 생성하는 (d) 단계를 더 포함하는 원통형 관류보일러 또는 평판형 관류보일러의 운전 방법.The method of claim 13,
The step (d) of first igniting a small combustor for ignition provided in the outer periphery of the cylindrical or flat porous combustor between steps (a) and (b) to generate a flame in the second porous body located outside the combustion tube. A method of operating a cylindrical once-through boiler or a flat-type once-through boiler further comprising.
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---|---|---|---|
KR1020190000502A KR102229911B1 (en) | 2019-01-03 | 2019-01-03 | A Once-through Boiler Equipped with a Porous Medium Burner and its Operation Method |
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