KR20130074303A - 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 연소 보일러의 바닥을 계단식으로 구성하고, 여기에 공기분사구 및 이물질 배출구를 마련함으로써 공기분배 및 연소 효율을 동시에 향상시킬 수 있도록 해주는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, 유동층 연소로(10); 상기 유동층 연소로(10)의 내부 하단에 설치되고, 바닥면(11)과 벽면(12)이 상기 유동층 연소로(10)의 내벽으로부터 중앙으로 갈수록 하향하는 방향으로 연속 형성된 계단식 공기분산판(13); 상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)과 벽면(12)에 형성된 홀 형태의 공기분사구(14); 및 상기 계단식 공기분산판(13)의 하부에 연결 설치되고 상기 공기분사구(14)를 통해 분사될 공기가 이송되는 윈드박스(16)를 포함한다.

Description

계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러{FLUIDIZED BED COMBUSTOR WITH TERRACED FLOOR STRUCTURE}

본 발명은 유동층 연소 보일러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효과적인 공기 분배를 위하여 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러에 관한 것이다.

유동층 연소 보일러는 모래, 회분 석회석 등의 유동매체를 연료 및 공기와 함께 공급하여 혼합 연소시키고, 연소에 의해 발생하는 연소열을 이용하여 열을 공급하는 장치이다. 상기 유동매체는 연료의 체적 대비 1 - 4% 정도에 지나지 않지만, 유동층에서의 연료 및 유동매체로 이루어진 고체의 흐름이 매우 격렬하게 일어나 거의 완전혼합 흐름을 이루기 때문에 전열면에서의 열 전달 계수가 250 - 500W/㎡K 정도로 매우 높아 일반 연소 보일러에 비해 에너지 효율이 우수하다. 또한, 유동층의 연소온도는 유동매체의 용융온도보다 낮아야 하므로 통상 조업온도가 750 - 900℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 이루어지므로 NOx와 같은 오염물질의 생성/억제에도 유리하다.

RDF(Refused Derived Fuel)은 생활폐기물 잔재를 압축 고형화하여 연료 등으로 쓸 수 있게 만든 것으로서, 화력발전시설의 연료로 대체할 경우 발전효율을 폐기물의 직접소각에 비하여 약 3배인 30% 정도로 높일 수 있다. 따라서, 전기에너지를 생산할 경우 경제성이 매우 우수하여 RDF로 화력발전을 할 경우 발전단가는 50~60원/kWh 정도로 태양력이나 풍력 발전보다 매우 저렴하다.

또한, RDF는 제조과정에서 다이옥신과 같은 유해가스나 소각재 등이 발생하지 않아 자연 친화적이고, RDF 유동층 연소기술은 RDF의 소각에 의한 대체에너지화 기술 중 연소효율이 타 소각법에 비해 우수하고 질소산화물의 저감이나 연소공정에서 탈황, 탈염 효과를 얻을 수 있는 환경친화적 기술로 각광받고 있다. 이러한 이유로 최근 RDF를 연료로 한 유동층 연소 보일러의 사용이 많이 증가하고 있다.

상기 유동층연소 보일러에는 연소공기의 고른 분배와 불연물이나 이물질을 하부로 효율적으로 배출하기 위해 공기분산장치가 설치된다. 유동화 및 연소를 위한 연소공기의 균일한 분배는 보일러 효율을 증대시키고 보일러의 열효율을 향상시킨다. 또한, 이물질의 퇴적방지 및 원활한 배출은 설비의 파손 및 휴지 등을 방지한다. 종래 공기의 고른 분배를 위해 다수의 고정된 형태의 뾰족한 분산노즐을 사용하였으나, 이러한 구조의 경우 천이나 철사 같이 길이가 긴 종류의 이물질이 분산노즐에 걸려 장치에 손상을 주고, 공기분산이 효율적으로 이루어지지 못하는 문제가 빈번히 발생하였다.

RDF의 경우 균일하지 않는 형상, 무게, 크기 등으로 인해 연소로 내부에서 유동이 용이하게 발생되지 않는다. 특히 비성형 RDF의 경우 형상, 종류, 크기, 무게 등이 매우 불규칙하여 일반적인 유동층 연소와는 다른 연소특성을 보인다. 무거운 물질이 연소로 바닥에 퇴적되거나 슬래그의 침착 등으로 공기분산장치의 어느 한 부분이 막히는 현상이 발생되어 유동이 한쪽 방향으로 치우치는 현상이 빈번히 발생된다.

종래에 유동층 연소 보일러에 사용되는 공기분산장치는 분산노즐이나 편평한 분산판으로 구성되어 있다. 분산노즐의 경우 철사와 같은 물질이 투입될 경우 원활한 배출이 이루어지지 않고 노즐 사이에 걸려 노즐의 파손을 초래하며, 노즐의 가공이 쉽지 않고 배관이 매우 복잡하게 구성되었다. 분산판의 경우 하부에 하나의 윈드박스(Windbox)가 장착되고 배출구가 없어 이물질 배출이 용이하지 않으며, 열에 의한 변형이 발생하기 쉽고, 부분적인 막힘 현상이 발생하였다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 유동층 연소 보일러의 바닥을 계단식으로 구성하고, 여기에 공기분사구 및 이물질 배출구를 마련함으로써 공기분배 및 연소 효율을 동시에 향상시킬 수 있도록 해주는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러는 유동층 연소로; 상기 유동층 연소로의 내부 하단에 설치되고, 바닥면과 벽면이 상기 유동층 연소로의 내벽으로부터 중앙으로 갈수록 하향하는 방향으로 연속 형성된 계단식 공기분산판; 상기 계단식 공기분산판의 바닥면과 벽면에 형성된 홀 형태의 공기분사구; 및 상기 계단식 공기분산판의 하부에 연결 설치되고 상기 공기분사구를 통해 분사될 공기가 이송되는 윈드박스를 포함한다.

또한, 상기 계단식 공기분산판의 바닥면은 상기 벽면과 수직을 이루도록 구성될 수 있고, 벽면과 둔각을 형성하도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 공기분사구는 공기의 분사방향이 상기 바닥면에 수직하도록 형성되거나, 상기 벽면에 수직하도록 형성되거나, 상기 바닥면 또는 벽면에 일정한 각도를 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 계단식 공기분산판의 중앙 하단부에는 홀 형태의 이물질 배출구가 형성될 수 있다.

또한, 상기 계단식 공기분산판의 중앙 하단부에는 라인 형태의 이물질 배출구가 형성될 수 있다.

또한, 상기 윈드박스는 둘 이상의 구획으로 분리된 형태로 상기 계단식 공기분산판에 연결 설치될 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러에 따르면, 종래와 달리 돌출된 형태의 분사노즐이 없기 때문에 노즐 파손에 따른 장치의 손상이나 공기의 불균일 분산을 방지할 수 있다.

또한, 노즐의 제작, 교체에 따른 비용발생을 절감할 수 있으며, 노즐 각각에 연결되던 배관 구성을 생략하고 각 윈드박스를 통해 공기를 분배하게 되므로 배관의 구성이 간단해진다.

또한, 계단식 바닥구조에 의해 상부 계단을 통해 분사된 공기가 하부 계단의 과열을 방지하여 열변형을 방지해 준다.

또한, 최적의 위치 및 각도로 구성된 복수 개의 공기분사구를 통해 연소로 내부의 공기분산을 원활하게 함으로써 연료 및 유동체 매체의 유동을 원활하게 하여 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 계단식 바닥구조의 하단에 이물질 배출구를 형성함으로써 바닥 표면에 이물질이 쌓이는 것을 방지할 수 있고, 이물질에 의한 막힘 현상이 발생하지 않으며, 이물질의 배출을 용이하게 하여 유동층 연소로 운전을 쉽고 안정적으로 수행할 수 있도록 해준다.

도 1은 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제1 실시예를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제1 실시예를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제2 실시예를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제3 실시예를 도시한 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제4 실시예를 도시한 단면도.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러의 제1 실시예를 도시한 단면도 및 평면도이다.

본 발명의 유동층 연소 보일러는 크게 유동층 연소로(10); 상기 유동층 연소로(10)의 내부 하단에 설치되고, 바닥면(11)과 벽면(12)이 상기 유동층 연소로(10)의 내벽으로부터 중앙으로 갈수록 하향하는 방향으로 연속 형성된 계단식 공기분산판(13); 상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)과 벽면(12)에 형성된 홀 형태의 공기분사구(14); 및 상기 계단식 공기분산판(13)의 하부에 연결 설치되고 상기 공기분사구(14)를 통해 분사되는 공기가 이송되는 윈드박스(16)를 포함한다.

상기 유동층 연소로(10)에서는 외부로부터 공급된 연료를 모래와 같은 유동체 매체와 함께 유동시켜 완전 혼합시킨 후에 해당 연료를 연소시킨다. 이와 같이, 연료를 유동체 매체와 함께 혼합 연소시킴으로써 일반 보일러에 비해 훨씬 우수한 에너지효율을 얻을 수 있음은 이미 상술한 바와 같다.

상기 공기분산판(13)은 유동층 연소로(10)의 내부 하단에 중앙 하향식 계단 구조로 형성된다. 이러한 하향 계단식 바닥구조는 공기흐름을 균일하게 분산시켜 유동흐름을 효과적으로 발생시킬 수 있도록 해주고, 돌출된 형태의 분사노즐이 아닌 홀 형태의 분사구를 형성할 수 있는 기본 구조를 마련해 준다. 또한, 상부 계단에서 분사된 공기가 하부 계단의 냉각 공기로 이용될 수 있어 공기분산판(13)의 열 변형을 효과적으로 방지해 줄 수 있을 뿐만 아니라, 맨 하단에 이물질 배출구를 형성할 수 있도록 해줌으로써 연소시 발생하는 이물질을 효과적으로 배출시켜 연소 효율을 향상시켜준다.

상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)은 상기 벽면(12)과 수직을 이루도록 구성될 수 있다. 이러한 수직 연결 구조에 따르면, 기본적으로 도 1에 도시된 바와 같이 상기 바닥면(11)과 벽면(12)에 형성되는 공기분사구(14)로부터 분사되는 공기의 방향이 상호 직각을 이루도록 할 수 있어 공기흐름의 제어가 상대적으로 용이하다.

한편, 상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)은 상기 벽면(12)과 둔각을 형성하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경사 연결구조에 따르면, 상기 바닥면(11)이 벽면(12)에 경사지게 형성됨으로써 연소시에 발생하는 이물질의 배출이 용이하다.

상기 공기분사구(14)는 상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)과 벽면(12)에 일정 간격으로 형성된다. 이 공기분사구(14)는 홀 형태로 형성된다는 점에서 종래의 돌출된 뾰족한 분사노즐이 가지고 있던 문제점, 다시 말해 분사노즐의 끝단에 철사와 같은 이물질이 인입될 경우 노즐 막힘 현상이 발생하여 공기유동을 원활하게 하지 못하거나 심한 경우 노즐의 파손을 초래하는 문제점을 해결해 준다.

또한, 각각의 분사노즐에 연결되던 복잡한 배관 구성을 생략하고, 각 계단 별 또는 몇 개의 계단을 그룹으로 묶은 후 각 그룹별로 하나의 윈드박스를 설치할 수 있어 배관의 구성을 간단히 할 수 있다.

한편, 상기 공기분사구(14)는 공기의 분사방향이 상기 바닥면(11)에 수직하도록 형성되거나, 상기 벽면(12)에 수직하도록 형성되거나, 상기 바닥면(11) 또는 벽면(12)에 일정한 각도를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 공기 분사방향의 조절을 통해 공기의 유동을 더욱 효과적으로 제어할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 계단식 공기분산판(13)의 중앙 하단부에 홀 형태의 이물질 배출구(15)가 형성될 수 있다. 계단식 공기분산판(13)을 통해 분사된 공기 중 수평 흐름을 가진 공기는 중앙에서 부딪히면서 상승하게 된다. 그 와중에 무거운 이물질을 함유한 일부 공기는 하강기류를 형성하고, 이를 따라 하강된 이물질은 중앙 하단으로 수집되어 상기 이물질 배출구(15)를 통해 원활하게 외부로 배출되는 것이다.

상기 윈드박스(16)는 둘 이상의 구획으로 분리된 형태로 상기 계단식 공기분산판(13)에 연결 설치된다. 즉, 하나의 계단마다 하나의 윈드박스를 연결하여 독립적으로 운영되도록 할 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 2개 또는 3개의 계단을 묶은 그룹별로 하나의 윈드박스를 연결하여 운영되도록 할 수도 있다. 어느 경우에도 각 분사노즐마다 배관을 연결하던 종래보다 더욱 간단히 배관을 구성할 수 있음은 이미 상기한 바와 같다.

도 3은 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제2 실시예를 나타낸다. 도 2에는 사각 형태를 갖는 하나의 유동층 연소로(10) 내에 하나의 이물질 배출구(15)를 갖는 계단식 바닥구조가 예시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 도 1에 도시된 구조를 하나의 모듈로 하여 둘 이상의 모듈이 반복되는 형태로 구성될 수도 있다. 도 3에서와 같이 복수 개의 이물질 배출구(15)를 갖는 경우에는 이물질의 배출이 더욱 원활하게 이루어져 연소효율을 향상시킬 수 있으나, 공기의 유동 제어가 다소 복잡해진다. 따라서, 설계 시에 유동층 연소로 크기, 투입되는 연료의 특성(이물질 생성비율) 등을 고려하여 모듈의 개수를 결정할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제3 실시예를 나타낸다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예와 달리 상기 계단식 공기분산판(13)의 중앙 하단부에 라인 형태의 이물질 배출구(15)가 형성된다. 이를 위해 계단식 공기분산판(13)은 사각 형태의 유동층 연소로(10) 내벽 중에서 좌우 두 내벽으로부터 계단식으로 구성된다. 이러한 형태의 계단식 공기분산판(13)에 따르면 좌우 양쪽에서만 공기의 수평흐름이 발생하므로 공기의 유동 제어가 상대적으로 간단하며, 라인 형태의 이물질 배출구(15)를 통해 더욱 효과적인 이물질 배출이 가능하다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 유동층 연소 보일러의 제4 실시예를 나타낸다. 도 4에 도시된 라인형태의 이물질 배출구 구조를 하나의 모듈로 하여 둘 이상의 모듈이 반복되는 형태로 구성된다. 도 4의 경우보다 이물질 배출효율이 높은 반면 공기의 유동제어가 복잡해지므로 유동층 연소로 크기, 투입되는 연료의 특성 등을 고려하여 선택적으로 구성될 수 있다.

이상의 실시예는 사각 형태의 유동층 연소로만을 기준으로 예시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 원형, 다각형 등 다양한 형태의 연소로에 적용될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

10: 유동층 연소로 11: 바닥면
12: 벽면 13: 계단식 공기분산판
14: 공기분사구 15: 배출구
16: 윈드박스(Windbox)

Claims (7)

1. 유동층 연소로(10);
   상기 유동층 연소로(10)의 내부 하단에 설치되고, 바닥면(11)과 벽면(12)이 상기 유동층 연소로(10)의 내벽으로부터 중앙으로 갈수록 하향하는 방향으로 연속 형성된 계단식 공기분산판(13);
   상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)과 벽면(12)에 형성된 홀 형태의 공기분사구(14); 및
   상기 계단식 공기분산판(13)의 하부에 연결 설치되고 상기 공기분사구(14)를 통해 분사될 공기가 이송되는 윈드박스(16)를 포함하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)은 상기 벽면(12)과 수직을 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 계단식 공기분산판(13)의 바닥면(11)은 상기 벽면(12)과 둔각을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기분사구(14)는 공기 분사방향이 상기 바닥면(11)에 수직하도록 형성되거나, 상기 벽면(12)에 수직하도록 형성되거나, 상기 바닥면(11) 또는 벽면(12)에 일정한 각도를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 계단식 공기분산판(13)의 중앙 하단부에는 홀 형태의 이물질 배출구(15)가 형성된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 계단식 공기분산판(13)의 중앙 하단부에는 라인형태의 이물질 배출구(15)가 형성된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 윈드박스(16)는 둘 이상의 구획으로 분리된 형태로 상기 계단식 공기분산판(13)에 연결 설치된 것을 특징으로 하는 계단식 바닥구조를 구비한 유동층 연소 보일러.
   

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