KR102485943B1 - NOx 저감을 위한 물, 천연가스의 혼합가스가 적용된 석탄버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소로(100);내측으로 연료가 유동하는 연료 공급 라인(210)을 포함하는 제1 공급부(200);상기 연료 공급 라인(210)의 내측으로 유체를 공급하는 유체 공급 라인(310)을 포함하는 유체 공급부(300); 및 상기 연료 공급 라인(210)의 외측으로 위치되어 상기 연소로(100) 내측으로 산화제를 공급하는 제2 공급부(400); 를 포함하고, 상기 연료 공급 라인(210)에 공급되는 연료는 천연가스인 방법에 관한 것이다.

Description

NOx 저감을 위한 물, 천연가스의 혼합가스가 적용된 석탄버너{Coal burner with mixed gas of water and natural gas for NOx reduction}
본 발명은 NOx 저감을 위한 물, 천연가스의 혼합가스가 적용된 석탄버너에 관한 것이다.
석탄화력 발전소에서 석탄의 연소 후 배출되는 NOx는 공기 중의 질소와 산소가 고온상태에서 산화하여 생성되는 Thermal NOx, 탄화수소계 연료에서 일어나는 반응으로서 연료과농영역(Fuel Rich Zone)의 화염근방에서 급속하게 생성되는 Prompt NOx, 석탄 중의 Quinoline(C9H7N), Pyridine(C5H5N) 등의 질소화합물에 함유되어 있는 질소성분에 의하여 연소 중에 발생하는 Fuel NOx가 있다.
배출되는 질소산화물(NOx)의 구성비는 일반적으로 Fuel NOx가 80%, Thermal NOx가 15%, Prompt NOx가 5% 정도이다.
이중, Fuel NOx는 공기중의 질소를 기원으로 하는 Thermal NOx 및 Prompt NOx 와는 달리 연료중의 질소 성분에 기원하며 석탄 내에 함유되어 있는 탄소 또는 다른 원자에 결합된 질소 중의 산화에 의하여 생성이 된다.
저 NOx버너(Low- NOx Burner, LNB)는 석탄화력발전소에서 적용되는 대표적인 NOx 저감 기술로서, 저 NOx 버너는 연료 내에 포함되어 있는 질소 성분을 환원시켜 Fuel- NOx를 생성하지 않고 최대한 질소 가스로 변환하기 위해 사용되는 기술이다.
기존에는 저 NOx버너에서 천연가스를 이용하여 Fuel NOx 발생을 억제 시키는 것에 대한 인식은 있었다. 천연가스는 석탄보다 빨리 연소되어 입구의 재순환 강도를 높이고 석탄을 빨리 휘발시켜 버너 중심에서 연료과농영역의 농도를 높여 환원 반응을 강하게 발생시켜 Fuel NOx 발생을 억제 시킬 수 있다. 다만 천연가스의 빠른 연소에 의해 버너 입구에서부터 온도상승은 Thermal NOX를 증가시킬 수 있는 바 문제가 된다.
특히, 석탄버너 내부에는 기기로 구성되어 있기 때문에 공간상 제약이 크며 천연가스, 물, 혼합가스를 적용하기 위해서는 석탄버너 자체를 교체해야 하는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 일본공개특허공보 제2010-271001호
(특허문헌 2) 일본등록특허공보 제3416152호
(특허문헌 3) 한국등록특허공보 제10-1216791호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
구체적으로, 본 발명은 연소 장치 내부에 위치하는 가스버너를 이용하여 정상운전에서 천연가스와 물을 혼합한 혼합가스를 제1 공급부에서 분사시켜 Fuel NOx발생을 억제할 수 있으며, 천연가스 주입에 따라 급격히 발생하는 Thermal NOx는 분사되는 물에 의해서 화염 온도를 낮추기 위함이다.
또한, 본 발명은 기존의 연소 장치에 설치되어 있는 가스버너(NG fuel gun)를 이용하여, 천연가스와 물을 혼합한 혼합가스를 공급하기 위함이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 연소로(100); 내측으로 연료가 유동하는 연료 공급 라인(210)을 포함하는 제1 공급부(200); 상기 연료 공급 라인(210)의 내측으로 유체를 공급하는 유체 공급 라인(310)을 포함하는 유체 공급부(300); 및 상기 연료 공급 라인(210)의 외측으로 위치되어 상기 연소로(100) 내측으로 산화제를 공급하는 제2 공급부(400); 를 포함하고, 상기 연료 공급 라인(210)에 공급되는 연료는 천연가스인, 연소 장치를 제공한다.
일 실시예는, 상기 유체 공급 라인(310) 상에는 밸브(311)가 위치되고, 상기 유체 공급부(300)는, 상기 밸브(311)의 개폐를 제어하는 제어부(340); 및 상기 연소로(100)에서 생성되는 화염의 온도를 측정하는 센서(350);를 더 포함할 수 있다.
일 실시예는, 상기 제어부(340)는 상기 센서(350)로부터 화염의 온도가 기설정된 값 이상이면 상기 밸브(311)를 개방할 수 있다.
일 실시예는, 상기 제1 공급부(200)는 상기 밸브(311)가 개방되면, 연료와 유체가 섞인 혼합가스를 상기 연소로(100)로 공급하고, 상기 제1 공급부(200)는 상기 밸브(311)가 폐쇄되면, 연료를 상기 연소로(100)로 공급할 수 있다.
일 실시예는, 상기 유체 공급 라인(310)의 말단에는 분무 노즐(320)이 위치되고, 상기 분무 노즐(320)은 상기 연료 공급 라인(210)과 연결되고, 상기 상기 연료 공급 라인(210)으로 유체를 스프레이 분사할 수 있다.
일 실시예는, 상기 제2 공급부(400)의 외주면에 형성되며, 3차 산화제 공급부(510)를 포함하는 제3 공급부(500)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예는, 상기 유체 공급 라인(310)의 다른 말단은 유체 저장 탱크(330)과 연결될 수 있다.
본 발명에 따라, 다음과 같은 효과가 달성된다.
본 발명은 연소 장치 내부에 위치하는 가스버너를 이용하여 정상운전에서 천연가스와 물을 혼합한 혼합가스를 제1 공급부에서 분사시켜 Fuel NOx발생을 억제할 수 있다.
또한, 천연가스 주입에 따라 버너 입구에서 높은 온도가 형성되며 이에 따라 급격히 발생하는 Thermal NOx는 분사되는 물에 의해서 화염 온도를 낮추어 저감이 가능하다.
또한 천연가스 사용으로 석탄연료 에서 야기되는 용융된 재(Ash)에 의해 전열관에 부착 되는 Slagging을 억제할 수 있어 보일러 운전효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 연소 장치에 설치되어 있는 가스 버너(NG fuel gun)에 물분사 라인만 추가하여 과도한 추가비용이 없이 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연소장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명에 따른 연소장치에서 연료, 물, 공기가 분사되고 화염이 발생하는 것을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연소장치와 일반 버너에서의 재순환 영역을 비교하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연소장치에서 발생되는 화염을 설명하며, NOx가 저감되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연소장치에 따라 NOx가 저감되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 연소 장치는 연소로(100), 제1 공급부(200), 유체 공급부(300), 제2 공급부(400) 및 제3 공급부(500)를 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 연소장치를 설명한다.
연소로(100)는 내부에 공간이 마련된 중공 형태로서, 연소로(100) 내부로 공 급되는 연료와 산화제의 연소가 이루어진다.
연소로(100)로 제1 공급부(200)에서 연료 또는 물과 연료가 혼합된 혼합가스가 분사되고, 제2 공급부(400)에서 1차 산화제 및 2차 산화제가 분사되고, 제3 공급부(500)에서 3차 산화제가 분사되어 연소된다.
이 때, 제1 공급부(200)에서 분사되는 연료는 천연가스(CH4)를 의미한다.
제1 공급부(200)는 연소로(100)의 중앙으로 연료 또는 물 중 어느 하나 이상을 연소로(100)에 공급할 수 있다.
제1 공급부(200)는 내측으로 석탄연료가 가스화된 연소 가스가 공급될 수 있다. 이 때, 연소 가스는 후술하는 연료 공급 라인(210)의 외측으로 유동한다.
제1 공급부(200)는 연료 공급 라인(210) 및 노즐팁(220)을 포함한다.
연료 공급 라인(210)은 제1 공급부(200)의 내측으로 삽입된다.
이 때, 연료 공급 라인(210)은 NG fuel gun을 의미하나 이에 제한되는 것은 아니다.
기존의 석탄 버너에는 NG fuel gun이 존재하나, 운전 초기 연소로(100) 내 온도를 올려주고 정상운전 시에는 사용하지 않았다. 본 발명에서는 연료 공급 라인(210)을 NG fuel gun을 이용하여 정상 운전 시에도 사용하고, 국소적인 연소가 가능하게 한다.
이에 따라, 본 발명은 보일러 초기 기동 때 예열에 사용하는 석탄 버너 내부의 가스 버너를 그대로 사용하기 때문에 후술하는 유체 공급부(300)와의 연결만으로, 큰 설비의 수정 없이 적용이 가능하다.
제1 공급부(200)의 연소로(100) 방향의 말단에는 노즐팁(220)이 위치되며, 노즐팁(220)에서 분사된 연료 또는 혼합가스가 연소로(100)로 공급된다.
이 때, 노즐팁(220)의 홀의 개수는 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
연료 공급 라인(210)은 연료 탱크(미도시)와 연결되어, 연료를 공급받을 수 있고, 연료 공급 라인(210)은 연소로(100)로 연료를 공급할 수 있다.
연료 공급 라인(210)은 후술하는 유체 공급부(300)와 연통되어, 유체 공급부(300)로부터 유체를 공급받을 수 있다.
연료 공급 라인(210)이 유체 공급부(300)와 연통되는 구조는 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
유체 공급부(300)는 제1 공급부(200)로 유체를 공급하도록 형성된다.
유체 공급부(300)는 유체 공급 라인(310), 유체 저장 탱크(330), 제어부(340) 및 센서(350)를 포함한다.
이 때, 유체 공급부(300)의 각 구성의 위치 및 형상은 도시된 바에 제한되는 것은 아니다.
유체 공급 라인(310)은 후술하는 유체 저장 탱크(330)와 연통된다.
유체 공급 라인(310)은 밸브(311) 및 분무 노즐(320)을 포함한다.
밸브(311)는 유체 공급 라인(310) 상에 형성되며, 밸브(311)는 후술하는 유체 저장 탱크(330)와 연통되어, 밸브(311)의 개폐에 따라 유체 공급 라인(310)을 유동하는 유체의 유량이 조절되며, 이에 따라 연료 공급 라인(210)으로 유동하는 유체의 유량이 조절된다.
밸브(311)는 후술하는 제어부(340)의 제어에 따라 개폐된다.
밸브(311)가 개방되면, 유체 공급 라인(310)에서 연료 공급 라인(210)으로 유체가 유동되고, 연소로(100)에 혼합가스를 공급할 수 있다.
밸브(311)가 폐쇄되면, 유체 공급 라인(310)에서 연료 공급 라인(210)으로 유체가 유동되지 않으며, 연료 공급 라인(210)으로 연료만이 유동되고, 연소로(100)에 연료가 공급된다.
분무 노즐(320)은 유체 공급 라인(310)의 말단에 형성되며, 전술한 연료 공급 라인(210)에 삽입된다.
분무 노즐(320)이 형성되는 바, 유체 공급 라인(310)을 따라 분사되는 유체는 연료 공급 라인(210)에 스프레이 형태로 분사될 수 있다.
유체 저장 탱크(330)는 유체 공급 라인(310)과 연통되어, 유체 공급 라인(310)에 유체를 공급한다.
제어부(340)는 센서(350)로부터 측정신호를 전송받으며, 전송된 측정신호를 이용하여 밸브(311)의 개폐를 제어한다.
제어부(340)는 센서(350)로부터 화염의 온도가 기설정된 값 이상이면, 밸브(311)를 개방한다.
기설정된 값은 1300℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 제어부(340)는 화염의 온도가 기설정된 값 이상이면, 밸브(311)를 개방하여, 유체 공급 라인(310)에서 연료 공급 라인(210)으로 물을 분사할 수 있고, 연료와 물이 혼합된 혼합가스가 노즐팁(220)을 통해 연소로(100)로 분사될 수 있다.
이에 따라, 화염의 온도를 적시에 낮출 수 있고, Thermal NOx의 발생을 감소시킬 수 있다.
이 때, 혼합가스에서 연료와 물의 비율은 0.1~3 정도로 유지되도록, 물과 연료의 유량을 조절할 수 있다.
센서(350)는 연소로(100)에서 생성되는 화염의 온도를 측정한다.
센서(350)는 연소로(100)의 화염의 온도를 측정하여, 제어부(340)로 전송할 수 있다.
이 때, 센서(350)가 화염의 온도를 측정하는 방식은 특정한 방식에 제한되는 것은 아니다.
제2 공급부(400)는 연소로(100)로 산화제를 공급하도록 형성되며, 전술한 제1 공급부(200)의 외주면으로 형성된다.
제2 공급부(400)는 1차 산화제 공급부(410)와 2차 산화제 공급부(420)를 포함한다.
1차 산화제 공급부(410)는 연소로(100)로 1차 산화제(Primary Air)를 공급한다.
2차 산화제 공급부(420)는 연소로(100)로 2차 산화제(Secondary Air)를 공급한다.
제3 공급부(500)는 연소로(100)로 산화제를 공급하도록 형성되며, 전술한 제1 공급부(200)의 외주면으로 형성된다.
제3 공급부(500)는 3차 산화제 공급부(510)를 포함한다.
3차 산화제 공급부(510)는 연소로(100)로 3차 산화제(Tertiary Air)를 공급한다.
도 4를 참조하여, 연소장치와 일반 버너에서의 재순환 영역을 비교한다.
도 4(a)는 종래의 일반 버너에서의 재순환 영역을 도시한다.
도 4(b)는 본 발명에 따른 연소장치에서의 재순환 영역을 도시한다.
본 발명에 따른 연소장치를 종래의 일반 버너와 비교하면, 화염 내 재순환영역이 넓어지며 강도가 켜져 NOx 저감 효과 증대가 된다. 이에 대하여 도 5를 참조하여 더 자세히 설명한다.
도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 연소장치에서 화염이 발생되고, 이에 따른 효과를 설명한다.
도 5에서 화염의 영역을 각 위치에 따라, A. Oxygen lean Fuel rich devolatilization zone, B. Hydrocarbon radical generation zone, C. Char oxidizing zone, D. NOx reduction zone, E. Recirculation of products zone으로 분류하였다.
구체적으로, NOx 재연소 메커니즘에서 주요반응을 설명한다.
질소산화물이 탄화수소와 반응을 통해 HCN으로 환원된다. 즉, Fuel-rich상태인 재연소 영역에서 NO는 CHi 라디칼과 반응하여 감소하게 된다.
산소가 부족한 고온의 재연소 영역에서 연료의 열분해로 인해서 생성되는 탄화수소 라디칼(CH4 --> CH3 + H)은 주연소 영역의 연소가스와 혼합되어 NO와 반응하여 CN 및 NH2 라디칼과 안정한 생성물(CH3 + NO --> HCN + H2O, N2 + CH3 --> NH2 + HCN, H + HCN --> CN + H2)을 형성한다.
CN 및 NH2 라디칼 및 다른 생성물은 NO와 반응하여 N2를 형성함으로써 NOx를 환원한다.
본 발명에서 제1 공급부(200)에서 분사한 천연가스는 빨리 연소되어, 2차 공기의 속도 차를 크게 하여, Recirculation of products zone에서 재순환 강도를 증가시킨다.
이에 따라, Oxygen lean Fuel rich devolatilization zone영역에서 Fuel-rich 농도가 증가되고, NOx reduction zone에서 환원 반응을 강하게 발생시켜 Fuel NOx 발생을 더욱 억제시킬 수 있다.
도 6을 참조하여, 연소장치에 따라 NOx가 저감되는 것을 설명한다.
석탄연료와 천연가스를 분사한 장치와 비교할 때, 석탄연료와 천연가스와 스팀을 혼합하여 분사한 본 발명에 따른 연소 장치에 의하면, NOx 저감율이 최대 6%까지 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 연소로
200: 제1 공급부
210: 연료 공급 라인
220: 노즐팁
300: 유체 공급부
310: 유체 공급 라인
311: 밸브
320: 분무 노즐
330: 유체 저장 탱크
340: 제어부
350: 센서
400: 제2 공급부
410: 1차 산화제 공급부
420: 2차 산화제 공급부
500: 제3 공급부
510: 3차 산화제 공급부

Claims (7)

  1. 연소로(100);
    내측으로 연료가 유동하는 연료 공급 라인(210)을 포함하는 제1 공급부(200);
    상기 연료 공급 라인(210)의 내측으로 유체를 공급하는 유체 공급 라인(310)을 포함하는 유체 공급부(300); 및
    상기 연료 공급 라인(210)의 외측으로 위치되어 상기 연소로(100) 내측으로 산화제를 공급하는 제2 공급부(400); 를 포함하고,
    상기 제1 공급부(200)는 내측으로 석탄 연료가 가스화된 연소 가스가 공급되고, 상기 연소 가스는 상기 연료 공급 라인(210)의 외측으로 유동하고, 상기 연료 공급 라인(210)의 내측에서 공급되는 연료는 천연 가스이고,
    상기 연소로(100)에서 상기 천연 가스가 상기 연소 가스보다 먼저 연소되어 상기 연소로(100) 내 연료 과농 농도가 증가하고, 상기 연료 과농 농도가 증가되면 상기 천연 가스 중 일부의 가스가 분해되어 탄화 수소 라디칼이 생성되고, 생성된 탄화 수소 라디칼은 상기 연소 가스의 연소 후 발생된 질소 성분과 환원 반응이 발생되어, 상기 연소 가스로 인해 발생되는 Fuel NOx가 저감되고,
    상기 천연 가스의 연소에 의해 생성된 Thermal NOx는 상기 유체 공급부(300)에서 상기 연료 공급 라인(210)으로 공급되는 유체로 인한 온도 저감 효과로 감소되는,
    연소 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 공급 라인(310) 상에는 밸브(311)가 위치되고,
    상기 유체 공급부(300)는,
    상기 밸브(311)의 개폐를 제어하는 제어부(340); 및
    상기 연소로(100)에서 생성되는 화염의 온도를 측정하는 센서(350);를 더 포함하고,
    상기 제어부(340)는 상기 센서(350)로부터 화염의 온도가 기설정된 값 이상이면 상기 밸브(311)를 개방하고,
    상기 제1 공급부(200)는 상기 밸브(311)가 개방되면, 연료와 유체가 섞인 혼합가스를 상기 연소로(100)로 공급하고,
    상기 제1 공급부(200)는 상기 밸브(311)가 폐쇄되면, 연료를 상기 연소로(100)로 공급하는,
    연소 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체 공급 라인(310)의 말단에는 분무 노즐(320)이 위치되고,
    상기 분무 노즐(320)은 상기 연료 공급 라인(210)과 연결되고, 상기 상기 연료 공급 라인(210)으로 유체를 스프레이 분사하는,
    연소 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공급부(400)의 외주면에 형성되며, 3차 산화제 공급부(510)를 포함하는 제3 공급부(500)를 더 포함하는,
    연소 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 공급 라인(310)의 다른 말단은 유체 저장 탱크(330)과 연결되는,
    연소 장치.
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