KR20130096318A

KR20130096318A - 보일러의 방출물 감소 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20130096318A
Application number: KR1020137018889A
Authority: KR
Inventors: 강신규; 로버트 에이. 슈레첸고스트; 아맨드 에이. 르바쉐르
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US10502415B2; ZA201304572B; EP2655965B1; WO2012088110A1; EP2655965A1; CN103261789A; JP2014501378A; US20120178030A1; CN103261789B; US20160069562A1; TR201813152T4

Abstract

본 발명은 보일러(40)에서 나오는 방출물 감소 시스템(10) 및 방법에 관한 것이다. 보일러(40)는 일반적으로 연소 영역(42)을 갖는다. 시스템(10)은 추가로 연료를 배달하기 위한 연료 파이프(30)를 포함한다. 시스템(10)은 추가로 도관(20)을 포함한다. 보어(26)는 도관(20)을 통해 연장한다. 도관(20)의 보어(26)는 연료 파이프(30) 및 보일러(40)의 연소 영역(42)과 유체 소통한다. 예비점화원(50)은 도관(20) 내에 배치된다. 예비점화원(50)은 도관(20)을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분을 예비점화하도록 작동된다.

Description

보일러의 방출물 감소 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING EMISSIONS FROM A BOILER}

본원은 2011년 12월 23일자 출원된 미국 가출원 번호 제61/426,616호의 35 U.S.C §119(e)하의 이득을 청구하며, 그 설명은 본원에서 전체를 참조하고 있다.

본 발명은 대체로 연소장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 보일러에서 방출물을 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

석탄은 통상적으로 보일러에서 연료로 사용된다. 석탄이 보일러의 연소 영역으로 도입되어 연소되기 전에, 석탄은 통상적으로 분쇄된다. 분쇄 후에, 석탄은 통상적으로 하나 이상의 도관을 통해 보일러의 연소 영역으로 운반된다. 분쇄탄은 연소 영역에서 점화되어 연소된다. 연소 중에 발생된 가스는 보일러의 연소 영역과 유체 소통하는 하나 이상의 연도를 통해 운반된다. 이러한 가스는 통상 연도가스로서 언급되며 통상적으로 질산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)과 같은 오염물을 포함한다.

질산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)과 같은, 석탄 연소 보일러에 의해 발생된 연도 가스로부터 나오는 오염물을 제거하려는 노력이 이루어지고 있다. 석탄 연소 발전소에서 질산화물 방출물을 감소시키기 위한 현재의 해법은 저 NOx 버너/오버파이어 에어(OFA) 시스템 및 가스 재연소 시스템과 같은 노내(in-furnace) 기술을 포함한다. 추가로, 선택적 무촉매 환원법(SNCR) 또는 선택적 촉매 환원법(SCR)과 같은 연소후 기술은 연도가스로부터 NOx를 감소시키는데 사용된다. 이러한 해법들은 상업상 이용될 수 있지만, 그러한 해법을 위한 자본 및 작동 비용이 비싸다.

본원에 예시된 양상에 따라, 보일러로부터 방출물을 감소시키기 위한 시스템이 제공되어 있다. 보일러는 대체로 연소 영역을 갖는다. 시스템은 연료 파이프 및 도관을 포함한다. 보어는 도관을 통해 연장하고, 연료 파이프와 보일러의 연소 영역과 유체 소통한다. 예비점화원(pre-ignition source)이 도관 내에 배치된다. 예비점화원은 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분을 예비점화하도록 작동한다.

본원에 예시된 다른 양상에 따라, 보일러로부터 방출물을 감소시키기 위한 방법이 제공되어 있다. 이 방법은 연소 영역을 갖는 보일러를 제공하는 단계를 포함한다. 연료 파이프는 연료를 보일러로 배달하기 위해 제공되어 있다. 이 방법은 추가로 연료 파이프 및 상기 보일러의 연소 영역과 유체 소통하는 도관을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 추가로 도관 내에 배치된 예비점화원을 제공하는 단계를 포함한다. 연료는 연료 파이프로부터 도관을 통해 보일러의 연소 영역으로 배달된다. 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분은 예비점화원에 의하여 점화된다.

도 1은 예비점화 시스템의 일부분의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 일부분의 단면도.
도 3은 예비점화 시스템의 일부분의 단면도.
도 4는 보일러의 일부분의 사시도.

도 1을 참고하면, 도면부호 10으로 전체적으로 지칭된 예비점화 시스템은 관통하여 연장하는 보어(26)를 형성하는 도관(20)을 포함한다. 연료를 배달하기 위한 연료 파이프(30)는 도관(20)과 유체 소통한다. 예비점화 시스템(10)은 도관(20)과 유체 소통하는 연소 영역(42)을 갖는 보일러(40)를 추가로 포함한다. 예비점화원(50)은 도관(20) 내에 배치된다. 작동 중에, 공기와 같은 가스는 연료 파이프(30)로부터 나오는 연료를 도관(20)을 통해 연소 영역(42)으로 배달한다. 예비점화원(50)은 연료가 도관(20)에 의해 형성된 보어(26)를 통해 지나갈 때 연료의 적어도 일부분을 점화한다. 도시된 실시예에서, 연료는 분쇄탄을 포함한다. 그러나 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 다른 탄소질 연료 및/또는 천연가스(이것으로 제한하지 않음)와 같은 다른 형식의 연료도 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 본 개시에서, 용어 예비점화는 연료가 보일러(40)의 연소 영역(42)으로 배달되기 전에 도관(20)의 보어(26) 내에서 점화된다는 사실을 말한다.

여전히 도 1을 참고하면, 도관(20)은 엘보우(elbow) 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 다른 많은 도관 형상들 및 형태들도 본원의 개시된 시스템에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 도관은 실질적으로 직선형이 될 수 있으며, 예를 들어 도관은 곡선 형상을 가질 수 있다.

연료 파이프(30)는 도관(20)의 제1 단부(22)에 연결되어서 연료 파이프(30)의 내측 영역이 도관에 의해 형성된 보어(26)와 유체 소통하게 된다. 통상적으로, 석탄은 하나 이상의 분쇄기 내에서 분쇄되고 다음에 가스에 의하여 연료 파이프(30)를 통해 운반된다. 통상적으로, 운반 가스는 하나 이상의 펌프에 의하여 시스템(10)을 통해 운반되는 공기가 될 수 있다. 그러나, 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 다른 많은 운반 가스 및 그들의 혼합물도 본원의 개시된 시스템에 사용될 수 있으며, 예로서 산소, 이산화탄소 및/또는 재생 연도가스를 사용할 수 있지만 이것으로 제한하지 않는다. 도관(20)의 제2 단부(24)는 보어(26)에 연결되어서 도관(20)에 의해 형성된 보어(26)가 보일러에 의해 형성된 연소 영역(42)과 유체 소통하게 된다.

예비점화원(50)은 도관(20)에 의해 형성된 보어(26) 내에 배치된다. 예비점화원(50)은 보어(26) 내로 연장되는 점화 지지체(52)에 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예비점화원(50)은 예비점화 지지체(52)의 원위 단부에 인접해 있다. 예비점화 지지체(52)는 도관의 보어(26) 내로 연장된다. 예비점화원(50)은 보어(26)를 통해 운반되는 연료를 예비점화할 수 있는 어떠한 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 예비점화원(50)은 저용량 오일 점화기, 저용량 천연가스 점화기, 및 플라즈마 점화기를 포함하며 이것으로 제한하지 않는다. 그러나, 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 도관(20)의 보어(26)를 통해 배달되는 연료를 예비점화할 수 있는 어떠한 장치도 사용될 수 있다. 예비점화원이 보어(26) 외측의 영역에서부터 보어(26) 내측의 영역으로 연장되는 점화 지지체(52)의 원위단부에 인접하는 것으로 도시되고 설명되어 있는 반면, 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 다른 많은 형태들도 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 예비점화원 및 지지체가 보어 내에 전체적으로 배치될 수 있고, 점화원은 무선 제어로 작동된다.

시스템(10)은 도관(20) 내에 배치된 다수의 예비점화 도관(60, 70, 80)을 추가로 포함한다. 각각의 예비점화 도관(60, 70, 80)은 이 도관을 관통하는 보어(61, 71, 81)를 형성한다. 예비점화 도관들(60, 70, 80)은 도관(20)에 의해 형성된 보어(26) 내에 배치된다. 각각의 예비점화 도관(60, 70, 80)은 보어(26) 내에서 각자의 지지요소(62, 72, 82)에 의해 제 위치에 고정된다.

예비점화원(50)은 제1 예비점화 도관(60)의 선두 에지(64)에 근접하여 제1 예비점화 도관(60)의 보어(61) 내에 배치된다. 작동 중에 분쇄탄은 도관(20)을 통해 운반된다. 분쇄탄의 적어도 일부분은 제1 예비점화 도관(60)의 보어(61) 내로 옮겨지는 반면, 분쇄탄의 적어도 일부분은 제1 예비점화 도관(60)의 보어(61) 외측에서 도관(20)을 통해 흐른다.

제1 예비점화 도관(60)의 후미 에지(66)는 제2 예비점화 도관(70)의 보어(71) 내측에 배치된다. 제2 예비점화 도관(70)의 선두 에지(74)는 후미 에지(66)에서 제1 예비점화 도관(60)의 외경과 비교할 때 제2 예비점화 도관(70)의 보어(71)를 향해 더 큰 대면적 개구를 갖는다. 작동 중에 제1 예비점화 도관(60)의 보어(61) 내로 옮겨지지 않았던, 도관(20)을 통해 흐르는 분쇄탄의 적어도 일부분은 제2 예비점화 도관(70)의 보어(71) 내로 옮겨지는 반면, 분쇄탄의 적어도 일부분은 제2 예비점화 도관(70)의 보어(71) 외측에서 도관(20)을 통해 흐른다.

유사하게, 제2 예비점화 도관(70)의 후미 에지(76)는 제3 예비점화 도관(80)의 보어(81) 내측에 배치된다. 제3 예비점화 도관(80)의 선두 에지(84)는 후미 에지(76)에서 제2 예비점화 도관(70)의 외경과 비교할 때 제3 예비점화 도관(80)의 보어(81)를 향해 더 큰 대면적 개구를 갖는다. 작동 중에 제1 예비점화 도관(60)의 보어(61) 또는 제2 예비점화 도관(70)의 보어(71) 내로 옮겨지지 않았던, 도관(20)을 통해 흐르는 분쇄탄의 적어도 일부분은 제3 예비점화 도관(80)의 보어(81) 내로 옮겨지는 반면, 도관(20)을 통해 흐르는 분쇄탄의 적어도 일부분은 제3 예비점화 도관(80)의 보어(81) 외측에서 흐른다.

도 1에 도시된 실시예에서, 시스템(10)은 3개의 예비점화 도관(60, 70, 80)을 갖는 것으로 도시되고 설명되어 있다. 그러나, 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않는다. 예를 들어, 본원의 개시된 시스템은 내부에 예비점화 도관들이 배치되지 않고 보어를 갖춘 도관을 가질 수 있다. 예비점화 도관들의 수는 0개에서 10 이상까지 변할 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 예비점화 도관의 형상 및 구성은 변할 수 있다.

시스템(10)의 작동 중에, 분쇄탄은 연료 파이프(30)로부터, 도관(20)을 통과하여 보일러(40)의 연소 영역(42) 내로 운반된다. 분쇄탄의 적어도 일부분은 예비점화원(50)을 지나서 흐를 때 그리고 보어(26)에서 배출되기 전에 예비점화원(80)에 의하여 예비점화된다. 이러한 방법으로, 시스템(10)은 보일러(42)의 연소 영역(42)으로 공급되는 연료 공급물의 적어도 일부분의 예비점화를 제공한다. 예비점화원(50)에 의하여 예비점화되었던 연료 공급물의 부분은 이어서 도관(20)의 보어(26) 내측에서 분쇄탄의 환상 흐름을 점화한다.

예비점화원(50)과, 도관(20)의 보어(26) 내에서 주변 연료의 후속 예비점화는 보일러(40)의 연소 영역(42)에 대해 분쇄탄의 전체 흐름의 10%와 50% 사이를 예비점화한다. 이러한 범위는 도 1에 개시된 실시예를 참고로 한 것이고 본 개시 내용으로 제한하지 않으며, 본 개시 내용의 시스템은 도관을 통해 흐르는 분쇄탄의 전체 흐름의 10%보다 작거나 50%보다 많은 양을 예비점화할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 분쇄탄은 반화학양론적(substoichiometric) 조건하에서 점화된다. 도시된 실시예에서, 공기 대 분쇄탄의 비는 0.1과 0.4 사이에 있다. 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며, 공기 대 연료비의 넓은 범위가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 상술한 바와 같이 연료-풍부 조건하에서의 석탄의 예비점화는 연료-풍부 조건하에서 질소를 위시하여 연료 휘발성 물질을 방출하는 작용을 한다는 것을 알게 되었다. 예비점화원(50)과, 도관(20)의 보어(26) 내측에서 연료 공급물의 적어도 일부분의 결과적인 예비점화는 보일러의 부하 범위 전체를 통해 작동할 수 있다. 덧붙여, 예비점화원은 보일러의 정규 작동 중에 연료를 예비점화하는데 사용될 수 있다. 보일러의 정규 작동은 보일러가 온라인으로 옮겨진 후 보일러의 연속적 작동을 포함한다. 보일러의 정규 작동 중에 연료의 연속적 예비점화는 보일러의 방출물에서 NOx의 감소를 강화한다는 것을 알게 되었다.

도 3을 참고하면, 본 개시내용에 따른 시스템(110)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이 시스템(110)은 도 1에 개시된 실시예와 유사하다. 도 2에 도시된 시스템(110)에서, 예비점화 지지체(52)는 도관(120)의 보어(126)의 외측 영역에서부터 상향으로 도관의 보어(126) 내로 연장하여서 예비점화원(150)이 보어(126)의 중앙 반경방향 영역에 있도록 되어 있다. 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며 예비점화원들의 다른 많은 형태들이 예비점화를 달성하기 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

도 4를 참고하면, 시스템(210)은 다수의 도관(220)이 보일러(240)의 연소 영역(242)으로 연료를 공급하는 것으로 도시되어 있다. 이 시스템(110)에서는 5개의 석탄 공급 직립부(elevation)(201, 202, 203, 204, 205)가 제공된다. 각각의 직립부는 본 개시 내용에 따라 그리고 상술한 바와 같이 4개의 도관(도 3에 단지 3개가 도시됨)을 포함하고, 여기서 각각의 도관은 보일러(240)의 연소 영역(242)으로 연료를 공급할 수 있고, 연료가 보어에서 배출되어 보일러(240)의 연소 영역(242)으로 들어가기 전에 연료의 적어도 일부분을 예비점화할 수 있다. 보일러(240)의 작동 중에, 제1 및 제2 직립부(201, 202)에서의 도관들은 이 도관들을 통해 흐르는 분쇄탄의 적어도 일부분을 예비점화하도록 작동하고, 한편 제3, 제4 및 제5 직립부에서의 도관들은 이러한 도관들을 통해 흐르는 분쇄탄의 어떤 부분을 예비점화하도록 작동하지 않는다. 본 개시내용은 이러한 관점으로 제한하지 않으며 도관들, 연료 파이프들 및/또는 직립부들의 다른 많은 형태가 개시된 시스템에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예로서, 각 레벨에서의 도관들의 수는 변할 수 있다. 다른 개수의 직립부들이 있을 수 있고, 예비점화 직립부로서 작동하는 직립부들은 변할 수 있다.

본 개시내용이 일정한 실시예를 참고하여 설명되었지만, 다른 변경 및 수정이 만들어질 수 있다는 것에 주의해야 하고, 아래 청구항들은 개시내용의 진실한 범위 내에서 변경 및 수정을 커버하도록 의도되어 있다.

Claims

연소 영역을 갖는 보일러에서 방출물을 감소시키기 위한 시스템으로서,
연료를 배달하도록 작동될 수 있는 연료 파이프;
보어가 관통하여 연장되는 도관으로서, 상기 보어는 연료 파이프 및 보일러의 연소 영역과 유체 소통하는, 상기 도관; 및
상기 도관 내에 배치되어서 상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분을 예비점화하도록 작동될 수 있는 예비점화원(pre-ignition source)을 포함하는 방출물 감소 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료는 탄소질 연료를 포함하는 방출물 감소 시스템.
제2항에 있어서, 상기 연료는 분쇄탄을 포함하는 방출물 감소 시스템.
제3항에 있어서, 상기 예비점화원은 상기 보일러의 정규 작동 중에 상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분을 연속적으로 예비점화하는, 방출물 감소 시스템.
제4항에 있어서, 상기 점화원은 보일러 부하 범위 전체에 걸쳐 작동하는, 방출물 감소 시스템.
제1항에 있어서,
제1 예비점화 도관을 관통하여 연장하는 제1 보어를 형성하며, 상기 도관의 보어 내에 배치되는 상기 제1 예비점화 도관을 추가로 포함하고, 상기 예비점화원은 상기 제1 예비점화 도관의 보어 내에 배치되고,
상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분은 상기 제1 예비점화 도관의 보어 내에서 흐르는, 방출물 감소 시스템.
제6항에 있어서,
제2 예비점화 도관을 관통하여 연장하는 제2 보어를 형성하며, 상기 도관의 보어 내에 배치되는 상기 제2 예비점화 도관을 추가로 포함하고,
상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분은 상기 제2 예비점화 도관의 보어 내에서 흐르는, 방출물 감소 시스템.
제6항에 있어서,
제3 예비점화 도관을 관통하여 연장하는 제3 보어를 형성하며, 상기 도관의 보어 내에 배치되는 상기 제3 예비점화 도관을 추가로 포함하고,
상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분은 상기 제3 예비점화 도관의 보어 내에서 흐르는, 방출물 감소 시스템.
제3항에 있어서, 상기 도관을 통해 흐르는 연료의 10% 내지 50% 사이는 상기 도관 내에서 예비점화되는, 방출물 감소 시스템.
제3항에 있어서, 상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분은 반화학양론적(substoichiometric) 조건하에서 예비점화되는, 방출물 감소 시스템.
제10항에 있어서, 공기 대 연료의 비는 0.1 내지 0.4 사이에 있는, 방출물 감소 시스템.
연소 영역을 갖는 보일러에서 방출물을 감소시키는 방법으로서,
연료를 배달하도록 작용을 할 수 있는 연료 파이프를 제공하는 단계;
도관을 관통하여 연장하는 보어를 가지며, 상기 보어는 상기 연료 파이프 및 상기 보일러의 연소 영역과 유체 소통하는, 상기 도관을 제공하는 단계;
상기 도관 내에 배치된 예비점화원을 제공하는 단계;
상기 연료 파이프에서 나오는 연료를 상기 도관을 통해 상기 보일러의 연소 영역으로 배달하는 단계;
상기 도관을 통해 흐르는 연료의 적어도 일부분을 예비점화하는 단계를 포함하는 방출물 감소 방법.
제12항에 있어서,
보일러 부하 범위 전체에 걸쳐 연료를 예비점화하도록 상기 예비점화원을 작동시키는 단계를 추가로 포함하는 방출물 감소 방법.
제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부를 갖는 보일러에서 방출물을 감소시키는 방법으로서, 상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부 각각은 상기 보일러의 연소 영역으로 연료를 배달하도록 작동할 수 있는 노즐을 포함하는, 상기 방출물 감소 방법에 있어서,
상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부와 관련된 노즐들을 통해 상기 보일러의 연소 영역으로 연료를 배달하는 단계;
상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부와 관련된 노즐들을 통해 연료를 배달하기 전에 상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부와 관련된 노즐들을 통해 배달된 연료의 적어도 일부분을 예비점화하는 단계를 포함하는, 방출물 감소 방법.
제14항에 있어서, 상기 각각의 노즐은 도관과 유체 소통하며,
상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부와 관련된 노즐들을 통해 배달된 연료는 상기 제1 연료 직립부 및 제2 연료 직립부와 관련된 노즐들을 통해 흐르기 전에 상기 도관을 통해 흐르고,
상기 연료는 상기 도관 내에서 예비점화되는, 방출물 감소 방법.
제15항에 있어서, 상기 연료의 예비점화는 상기 보일러의 정규 작동 중에 계속되는, 방출물 감소 방법.