KR20040061975A - 유동 가이드가 구비된 순환유동층 연소로용 유동화 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 가이드가 구비된 순환유동층 연소로용 유동화 노즐에 관한 것으로서,

원형의 턱(Threshold)(6)이 반경반향으로 돌출 형성되어 있고, 그 위쪽으로는 파이프형 유동 가이드(7)가 연장 형성된 노즐 몸체(1)와:

상부가 폐쇄되어 있으며, 하부에는 2개 이상의 반경방향 채널(Channel)(8)이 형성된 노즐 후드(Nozzle Hood)(2)가 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하므로,

노즐 내부에서 형성되는 수직응력(Normal Stress) 및 관로 손실값을 줄이고, 시스템 부하 변동시 발생하는 외부 층물질의 노즐 내부로의 역류 발생을 최소화하며, 노즐과 노즐 사이에서 발생하는 유동의 정체현상을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

Description

유동 가이드가 구비된 순환유동층 연소로용 유동화 노즐{Fluidizing Nozzle with Flow Guide for Circulating Fluidized-Bed Combustor}

본 발명은 유동 가이드(Flow Guide)가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐에 관한 것으로서, 특히 순환유동층 연소로(Circulating Fluidized-BedCombustor)에 공기를 공급하여 층물질(Bed Material)을 유동화시키고 연소를 활성화시키기 위해 사용되는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐에 관한 것이다.

순환유동층 연소란, 고온의 불활성물질로 이루어진 층물질(모래 등)에 연료를 주입하여 연소시키는 방식으로서, 연소반응이 매우 빠르고 층내 탄소농도가 약 1% 정도로 매우 낮게 유지되는 특성을 갖는다. 층물질로는 적절한 밀도와 입도분포를 갖는 고체가 사용되며, 석탄이 연료로 사용될 때에는 석탄 중의 회분이 층물질 역활을 수행할 수 있다. 유동층 연소로를 처음 점화시킬 때는 일반적으로 모래를 층물질로 사용한다.

정상상태의 유동층 연소로에 주입된 연료는, 우수한 고체 혼합효과로 층내 전역으로 빠르게 분산되어 연소되며, 발생된 열은 층물질 및 전열면으로 전달된다. 상기 층물질은 유동에 의해 연소열을 전열면에 전달하는 매체역할을 담당하기 때문에, 다른 기존의 연소로와 달리 연소로 내부의 온도는 870℃ 정도로 유지된다. 연료로는, 고체, 액체, 기체 혹은 슬러리(Slurry) 연료가 사용될 수 있으며, 높은 연소효율을 얻기 위해서는 연료가 빠르고 균일하게 층물질과 혼합, 접촉하여 연소되는 것이 중요하다. 특히, 주어진 고체입도에서 고체의 혼합특성은 유동화 속도와 기체의 분배상태에 크게 영향을 받는다.

순환유동층 연소로는, 큰 기체유속에서 비산 유출된 입자의 사이클론(Cyclone)에 의한 포집과 이의 재순환으로 형성되며, 단계적인 공기공급이 이루어진다. 1차 공기는 분산판 노즐(Grid Nozzle)을 통하여 층물질 유동화를 위해 공급되고, 부족한 연소용 공기는 층물질 상부에 2차 공기로 공급된다.

순환유동층 연소방식은 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 연료사용의 유연성 : 회분과 수분의 함량이 많은 저급 및 저열량의 연료를 포함한 여러종류의 연료연소에 효과적이다.

(2) 높은 연소효율: 고체혼합효과가 뛰어나고 기체와 고체의 노내 체류시간이 상대적으로 증가하여 98∼99%의 높은 연소효율을 얻을 수 있다.

(3) 효과적인 탈황: 연소로 내에서 기체-고체의 효과적 접촉으로 인하여 별도의 탈황설비 없이 효과적인 탈황이 가능하다.

(4) 낮은 질소산화물(NOx) 배출농도: 낮은 연소온도와 단계적인 연소방식으로 NOx 배출농도를 100∼300ppm으로 유지할 수 있다.

(5) 연료의 취급용이: 순환유동층 보일러는 미분탄 보일러에 비해 상당히 굵은 입도(약 50mm)의 석탄을 사용하므로 전처리과정이 매우 간편하다.

도 1에 일반적으로 사용되는 순환유동층 보일러의 핵심적인 일부분이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 연소용 공기는, 연소로(11) 하부의 분산판(17)에 설치된 유동화 노즐을 통하여 연소로(11) 내부로 균일하게 공급된다. 이에 따라, 상기 노즐로부터 분출된 연소용 공기로 인하여, 층물질(모래 등)은 하부로부터 상부로 유동화된다. 이 때, 연소용 공기 및 층물질은, 석탄 사일로(Silo, 12)에서 연소로(11) 측벽을 통하여 공급된 연료와 혼합되어 연소하게 된다.

이와 같이 연소되면서, 상기 층물질을 구성하는 작은 입자들은 연소로(11)상부를 거쳐서 연소로(11) 출구를 통하여 사이클론(14)에 포집되고, 이어서 비기계식 입자 재순환장치(16)를 통해 연소로(11) 하부로 들어가서 재순환되는데, 이 중 일부는 과열을 방지하기 위해 유동층 열교환기(15)를 경유하여 연소로(11) 하부로 들어가 재순환된다.

한편, 연소 후 발생된 굵은 회분은, 연소로(11) 바깥으로 배출되는데, 이 때는 유동층 회분 냉각기(13)를 통해 층물질의 열을 제거한 뒤 배출된다.

이와 같은, 순환유동층 연소로에서 입자가 원활하게 순환하기 위해서는, 층물질 입자가 순환할 수 있도록 연소로(11) 내의 압력이 균형을 맞추어야 한다. 상기 압력균형에 절대적 영향을 미치는 것이 상기 분산판(17)에 설치된 유동화 노즐과 비기계식 입자 재순환 장치(16)에 설치된 노즐이다.

이러한, 유동화 노즐은 운전중에 부하변동이 발생할 때, 특히 고부하에서 저부하로 변동시나 운전정지시, 층물질이 상기 노즐을 통해 역류하여 막히는 현상이 발생되지 않아야 하고, 운전중 층물질과 연료 및 탈황제가 효과적으로 혼합되어 유동이 이루어져야 한다. 또한, 층물질의 순환을 위해 적절한 차압이 발생하여 정상적인 순환이 이루어져야 하며, 노즐에서 압력 손실이 과도하여 연소용 공기공급장치의 동력이 증가하는 경우가 없도록 구성되어야 한다.

종래의 유동화 노즐 중 대표적인 예가 미국특허 제5,575,086호에 개시되어 있으며, 그 대표도가 도 2에 도시되어 있다. 여기서, 복수의 평행한 튜브(31)를 포함하는 플로어(32)로부터 상호 평행한 관계로 수직으로 연장된 복수의 노즐 조립체(30) 각각은, 플로어(32)에 수직한 관계로 배치된 중심선을 가진 파이프형몸체(34)를 포함하며, 이 몸체 각각은 플로어(32)로부터 이격된 축의 극단부로부터 방사방향으로 연통된 파이프형의 복수 헤드(33)를 가지고, 상기 헤드(33)의 중심선 각각이 수평면에 대해 하향 경사각을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

그런데, 도 2의 종래예는 공기가 유입되는 노즐 입구(35)의 면적 대비 공기가 유출되는 노즐 출구(36)의 면적비가 1보다 커서 노즐 내부에 작용하는 압력손실은 적지만, 파이프형의 복수 헤드(33)의 내경이 상대적으로 크고 길이가 짧아 보일러의 운전 중단시 노즐 내부로 층물질이 역류하여 노즐의 성능을 저하시키는 요소로 작용한다.

한편, 일본 특허공개공보 평9-299784호에는, 유체층과 하향 가스챔버(Gas Chamber)로 구분되고, 유체층 내로 공기를 공급하는 분산판 노즐이 개시되어 있는데, 이는 노즐 몸체, 캡과 차압조정 플러그(Plug)로 구성되어 있다. 상기 노즐 몸체와 캡의 결합으로 유동의 방향을 180°전환하여 홀(Hole)을 통해 배출시키는 것은, 버블 캡형(Bubble Cap Type) 노즐의 특징으로서, 노즐 내부의 압력손실이 미국특허 제5,575,086호에 적용된 노즐보다 커서, 공기를 공급하는 팬(Fan)의 동력손실을 초래한다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 일본 특허공개공보 평9-299784호에는 노즐 하단부에 차압조정 플러그가 설치되어 있지만, 팬 유량변화에 따라 차압조정 플러그를 조정해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 구조가 단순하고 노즐 내부의 압력손실이 적은 순환유동층 연소로용 유동화 노즐을제공함으로써 강제 흡인팬(Forced Draft Fan)의 동력손실을 절감하고, 보일러 운전시 부하변동으로 인해 발생되는 노즐 내부의 압력변화로 노즐 외부의 층물질이 노즐 내부로 역류하는 현상을 최소화함으로써 시스템의 안정적 운전을 추구하며, 노즐과 노즐 사이에서 발생되는 유동의 정체영역(dead zone)을 최소화하는데 있다.

도 1은, 순환유동층 보일러의 일부 핵심설비의 구성도이다.

도 2는, 종래의 전형적인 유동화 노즐을 나타내는 정단면도이다.

도 3은, 본 발명에 따른 유동화 노즐을 나타내는 도면으로서, (a)는 정면도이고, (b)는 정단면도이다.

도 4는, 본 발명에 따른 유동화 노즐을 나타내는 도면으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 정단면도이고, (c)는 노즐 후드의 정단면도이고, (d)는 노즐 몸체의 정단면도이다.

※ 주요 도면부호의 설명

1... 노즐 몸체

2... 노즐 후드(Nozzle Hood)

3... 노즐 입구

4... 노즐 환형부

5... 노즐 출구

6... 턱(Threshold)

7... 유동 가이드(Flow Guide)

8... 채널(Channel)

L... 노즐 몸체의 길이

D... 노즐 외경

d ₁ ... 노즐 입구의 직경

d ₂ ... 노즐 후드의 내경

d ₃ ... 유동 가이드의 외경

θ₁... 유동 가이드와 턱이 형성하는 각도

θ₂... 노즐 후드와 채널이 형성하는 각도

h₁... 유동 가이드 일단으로부터 노즐 후드 내부의 상부 표면까지의 높이

h₂... 유동 가이드의 높이

l ₁ ... 유동 가이드가 형성하는 공기통로의 길이

l ₂ ... 채널이 형성하는 공기통로의 길이

상기한 목적을 달성하기 위해,

본 발명에 따른 유동 가이드가 구비된 순환유동층 연소로용 유동화 노즐은,

원형의 턱(Threshold)이 반경반향으로 돌출 형성되어 있고, 그 위쪽으로는 파이프형 유동 가이드가 연장 형성된 노즐 몸체와:

상부가 폐쇄되어 있으며, 하부에는 2개 이상의 반경방향 채널(Channel)이 형성된 노즐 후드(Nozzle Hood)가 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 노즐 몸체의 유동 가이드와 노즐 후드의 내측면에 의해 형성되는 공기통로와, 노즐 몸체의 턱과 노즐 후드의 채널에 의해 형성되는 공기통로가 이루는 각이 100∼130°의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐 몸체와 노즐 후드가 형성하는 노즐 공기통로의 출구가 반원형으로 구성되어 있으며, 출구의 면적이 동일한 원형에 비해 가로축의 면적비율이 세로축의 면적비율보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 노즐 입구부의 면적(Area1)과 노즐 환형부의 면적(Area2)과 노즐 출구부의 면적(Area3) 사이의 관계가 (Area1 < Area2 < Area3)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직한 것은,

의 관계를 만족하는 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 3에는, 본 발명에 따른 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐이 도시되어 있다. 이 노즐은, 연소로의 하부에 일정하게 설치되어 강제 흡입팬(Forced Draft Fan)을 통해 연소로 내부로 공기를 주입하는 구성요소로서, 도시된 바와 같이, 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)가 주조 또는 용접 등의 방법으로 일체형으로 되어 있다. 공기는 노즐 몸체(1)의 노즐 입구(3)를 통해 유입되며, 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)가 형성하는 노즐 출구(5)를 통해 분출되어, 연소로의 내부에 있는 층물질을 유동화시키게 된다.

도 4는, 도 3의 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)를 상세하게 나타낸 도면이다. 노즐 몸체(1)는 원형의 파이프 형상으로 되어 있으며, 내부의 통로를 통해 공기가 소통된다. 상기 노즐 몸체(1)의 하단으로부터 0.7L∼0.9L의 위치에 파이프를 둘러싸는 원형의 턱(Threshold)(6)이 설치되어 있으며, 상기 턱(6)의 윗면이 노즐 몸체(1)와 이루는 각(θ₁)은 100∼130°를 이루고 있다. 상기 턱(6)의 윗면으로부터 길이 h₂에 해당하는 유동 가이드(Flow Guide)(7)는 노즐 후드(2) 내부에 위치하여, 노즐 후드(2) 내부의 천정 부분과 거리 h₁만큼의 여유공간을 두고 결합되며, 노즐 후드(2)의 측면과도 공기가 소통하는 공간이 형성되어 있다. 이에 따라, 노즐 입구(3)로부터 유입된 공기의 방향은, 상기 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)에 의해 형성된 공간을 지나면서 180°방향전환을 한 후, 상기 턱(6)에 의해 다시 일정한 각도(50∼80°)로 방향전환하게 된다. 상기 h₁과 h₂는 압력 최소화 등을 위해 다음 [식 1] 및 [식 2]의 관계로 정해진다.

[식 1]

[식 2]

노즐 후드(2)는 원형 구조로 되어 있는데, 상부는 막혀 있고, 하부는 2개 이상의 채널(8)이 노즐 후드(2)와 100∼130°의 각도(θ₂)를 이루고 있다. 또한, 채널(8)의 수평길이는 노즐 외경(D)의 0.2∼0.5배이다. 그리고, 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)는 주조 혹은 용접 등의 방법에 의해 일체형으로 구성되므로, 다음 [식 3]과 같은 관계가 성립한다.

[식 3]

주조 또는 용접 등에 의한 방법에 의해 일체형으로 구성된 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)는 노즐 몸체의 턱(6)과 노즐 후드(2)의 채널(8)로 2개 이상의 노즐출구(5)가 형성된다. 노즐 내부로 유입되는 공기가 지나는 면적은 노즐 입구(3)의 면적(Area1)보다 노즐 몸체(1)의 유동 가이드(7)와 노즐 후드(2)가 형성하는 노즐 환형부(4)의 면적(Area2)이 커야 하고, 이 부분의 면적보다는 노즐 출구(5)의 면적(Area3)이 커야 노즐 내부에서 형성되는 수직응력(Normal Stress) 및 관로의 압력손실 값이 점차 작아져 분산판에서의 압력손실을 포함한 노즐 내부 전체의 압력손실을 300∼900 mmH₂O 범위로 최소화할 수 있다. 이를 다음 [식 4]로 나타낸다. 또한, 상기 압력을 유지할 수 있는 노즐 입구(3) 면적에 대한 노즐 환형부(4) 면적 및 노즐 출구(5)의 면적비는 다음 [식 5]와 같다.

구 분	면 적
노즐 입구부 (Area 1)
노즐 환형부 (Area 2)
노즐 출구부 (Area 3)	(N: 노즐 출구부의 개수 )

[식 4]

[식 5]

순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐의 설계조건으로 평가되는 항목은 300 ~ 900 mmH₂O의 분산판 압력손실을 포함한 노즐 압력손실과 노즐 출구(5)를 통해 분출되는 30 ~ 90 m/s의 공기 유속(V)이다. 따라서, [식 5]에 의해 노즐 입구(3) 면적, 노즐 환형부(4) 면적 및 노즐 출구(5) 면적이 결정되고 설계조건에 의해 노즐 출구(5)에서의 공기 유속(V)이 결정되므로 순환유동층 보일러 시스템에 적합한 강제 흡입팬(Forced Draft Fan)의 용량(Q_total)은 [식 6]과 [식 7]을 통해 유추할 수 있다.

[식 6]

[식 7]

Q _total =Q ₁ ㆍ(전체 노즐의 수)

여기서, V는 노즐 출구에서의 공기 유속, N은 노즐 출구부의 개수이다.

종래의 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐의 가장 큰 단점은 시스템의 부하변동시 연소로 내부의 압력 불균형으로 노즐 내부의 압력이 노즐 외부보다 낮아짐에 따라 노즐 외부의 층물질이 노즐의 공기 이동통로를 따라 내부로 역류하여 공기상자(Air Plenum) 속으로 유입하거나 노즐 내부에 달라붙어 원활한 공기 흐름을 방해하는 것이다. 이 때, 공기 이동통로가 길 경우 층물질의 역류는 방지할 수 있지만 노즐 내부에 작용하는 압력손실은 공기 이동통로의 관로 손실만큼 커지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 노즐 입구 직경(d₁)의 1~2.5배 높이(h₂)에 해당하는 노즐 몸체에 부착된 유동 가이드(7)와 노즐 후드(2)가 형성하는 수직방향의 공기 이동통로 (l ₁ ) 및 노즐 몸체의 턱(6)과 노즐 후드의 채널(8)이 형성하는 100 ~ 130°경사방향의 공기 이동통로 (l ₂ )룰 구성함으로써, 공기상자(Air Plenum)로부터의 공기 유량이 노즐 외부로 잘 공급되게 하는 반면 노즐 외부의 층물질은 노즐 내부의 유동 가이드에 의해 직접적으로 공기상자(Air Plenum) 안으로 유입되지 않도록 하였다(도 3 (b) 참조). 여기서,l ₁ 은 노즐 몸체의 유동 가이드(7) 위쪽 끝부분으로부터 노즐 후드(2) 내부 천정 표면까지의 거리에 대한 중심선으로부터 노즐 출구(5) 영역의 중심선과 일치하는 점까지의 거리이며,l ₂ 는l ₁ 과 노즐 출구(5) 영역의 중심선이 일치하는 점으로부터 노즐 출구(5)까지의 중심선 거리이다.

노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)가 형성하는 노즐 출구(5) 영역은 미국 특허 5,575,086호의 헤드에 해당하는 원형(파이프형)과는 달리 반원형을 형성한다. 동일한 면적의 출구영역을 원형에서 반원형으로 구성함으로써 노즐 출구(5) 영역의 가로축 비율을 세로축 비율보다 크게 하여 수평방향에서의 정체영역(Dead Zone) 발생을 최소화하였다.

상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 일반적으로 노즐 내부의 압력손실이 많았던 버블 캡형(Bubble Cap Type)의 유동화 노즐과는 달리 노즐 입구 면적에 대한 노즐 몸체의 유동 가이드와 노즐 후드 부분으로 형성된 노즐 환형부 면적 및 노즐 공기통로 부분의 노즐 출구 면적의 비를 1 : (1.4~1.6) : (1.5~2.0)로 구성하여 노즐 내부에서 형성되는 수직응력(Normal Stress) 및 관로 손실값을 줄여 분산판에서의 압력손실을 포함한 노즐 압력손실의 범위를 300∼900 mmH₂O로 줄일 수 있다.

종래 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐의 가장 큰 문제점이었던 층물질의 역류현상은 본 발명을 통하여 노즐 몸체의 유동 가이드(Flow Guide)와 노즐 후드(Nozzle Hood)의 채널(Channel) 구성으로 수직방향의 노즐 공기통로l ₁ 과 이l ₁ 에 대하여 100 ~ 130°경사방향의 노즐 공기통로l ₂ 를 동시에 제공함으로써, 시스템 부하 변동시 발생하는 외부 층물질의 노즐 내부로의 역류 발생을 최소화하는 효과가 있다.

노즐 몸체의 턱(Threshold)과 노즐 후드의 채널이 형성하는 노즐 공기통로의 노즐 출구 면적은 반원형으로써 기존 노즐의 출구 면적이 원형인 것과 비교하여, 동일한 면적에 대해 면적부분의 가로축 비율이 세로축 비율보다 커짐에 따라 수평방향에서의 정체영역의 발생을 최소화할 수 있다.

Claims (5)

1. 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐에 있어서,

   원형의 턱(Threshold)(6)이 반경반향으로 돌출 형성되어 있고, 그 위쪽으로는 파이프형 유동 가이드(7)가 연장 형성된 노즐 몸체(1)와:

   상부가 폐쇄되어 있으며, 하부에는 2개 이상의 반경방향 채널(Channel)(8)이 형성된 노즐 후드(Nozzle Hood)(2)가 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐 몸체(1)의 유동 가이드(7)와 노즐 후드(2)의 내측면에 의해 형성되는 공기통로와, 노즐 몸체(1)의 턱(6)과 노즐 후드(2)의 채널(8)에 의해 형성되는 공기통로가 이루는 각(θ₁)이 100∼130°의 범위인 것을 특징으로 하는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 노즐 몸체(1)와 노즐 후드(2)가 형성하는 노즐 공기통로의 출구(5)가 반원형으로 구성되어 있으며, 출구(5)의 면적이 동일한 원형에 비해 가로축의 면적비율이 세로축의 면적비율보다 큰 것을 특징으로 하는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   노즐 입구부(3)의 면적(Area1)과 노즐 환형부(4)의 면적(Area2)과 노즐 출구부(5)의 면적(Area3) 사이의 관계가 (Area1 < Area2 < Area3)의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐.
5. 제4항에 있어서,

   상기 노즐 입구부(3)의 면적(Area1)과 노즐 환형부(4)의 면적(Area2)과 노즐 출구부(5)의 면적(Area3) 사이의 관계가,

   인 것을 특징으로 하는 유동 가이드가 구비된 순환유동층 보일러의 연소로용 유동화 노즐.