KR20180039887A - 플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너 - Google Patents

플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너 Download PDF

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Abstract

플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너는, 전극과, 상기 전극을 수용하는 플라즈마 튜브를 포함하며, 상기 전극을 통해 방전기체로부터 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마 튜브 선단의 착화부에 공급하는 플라즈마 토치, 플라즈마 튜브의 일측 외주면을 에워싸며, 상기 플라즈마 튜브와의 사이로 형성되는 제1 연소공기도입부에 점화용 미분탄을 1차 연소공기와 함께 회전 유입시키는 제1 연소공기 유입관이 접선방향으로 설치된 제1 연소공기챔버, 제1 연소공기챔버와 연결되고 플라즈마 튜브의 외주면 타측을 에워싸 플라즈마 튜브와의 사이에 제1 유동채널을 형성하는 제1 연소공기노즐, 제1 연소공기챔버 외측에 설치되며, 제1 연소공기챔버와의 사이로 형성되는 제2 연소공기도입부에 2차 연소공기를 유입시키는 제2 연소공기 유입관이 반경방향으로 설치된 제2 연소공기챔버, 제2 연소공기챔버와 연결되고 제1 연소공기노즐을 에워싸 제1 연소공기노즐과의 사이에 제2 유동채널을 형성하는 제2 연소공기노즐 및 제1 연소공기노즐과 제2 연소공기노즐 단부에 각각 장착되는 제1 유로전환기와 제2 유로전환기를 포함한다.

Description

플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너{Plasma ignition burner for coal power plant}
본 발명은 플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용하여 석탄(미분탄)을 연소하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너에 관한 것이다.
석탄화력발전의 원리는 700℃ 이상의 보일러 내부에 미분탄을 분사, 연소시켜 얻은 에너지로 물을 끓여 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 회전시켜 회전력을 얻은 후 터빈 축에 연결된 발전기로 전기를 얻는 것이다.
일반적으로 석탄화력발전소는 정기 보수 및 고장 등으로 연간 약 2-10회 가량 가동 중지 상황이 발생하며, 이를 재 기동하기 위해 보일러의 예열이 필수로 요구된다. 예를 들면, 예열을 위해 버너시스템이 적용되며, 그 버너시스템을 보일러 기동 점화장치라고 한다.
보일러 기동을 위한 점화장치로 종래부터 등유버너가 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 등유버너를 보일러 기동 시부터 사용할 경우 유류비 부담이 커져 결국 유지비용이 증가되는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1525140호(등록일 2015. 06. 02)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기동 시부터 등유버너에만 의존하지 않고 플라즈마를 이용하여 석탄(미분탄)을 연소하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 다단 연소방식으로 연소 시 발생되는 질소산화물(NOx)을 줄일 수 있어 환경친화적이면서 에너지 절약을 도모할 수 있는 플라즈마 미분탄 점화용 버너 및 이를 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너를 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 실시 예에 따르면,
전극과, 전극을 수용하는 플라즈마 튜브를 포함하며, 상기 전극을 통해 방전기체로부터 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마 튜브(Plasma tube) 선단의 착화부에 공급하는 플라즈마 토치(Plasma torch);
상기 플라즈마 튜브의 일측 외면부를 에워싸며, 상기 플라즈마 튜브와의 사이로 형성되는 제1 연소공기도입부에 점화용 미분탄을 1차 연소공기와 함께 회전 유입시키는 제1 연소공기 유입관이 접선방향으로 설치된 제1 연소공기챔버(1st Air chamber);
상기 제1 연소공기챔버와 연결되고 상기 플라즈마 튜브의 외면부 타측을 에워싸며, 상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기가 상기 착화부로 이동되도록 상기 플라즈마 튜브와의 사이에 제1 유동채널을 형성시키는 제1 연소공기노즐(1st Air nozzle);
상기 제1 연소공기챔버 외측에 설치되며, 상기 제1 연소공기챔버와의 사이로 형성되는 제2 연소공기도입부에 2차 연소공기를 유입시키는 제2 연소공기 유입관이 반경방향으로 설치된 제2 연소공기챔버(2nd Air chamber);
상기 제2 연소공기챔버와 연결되고 상기 제1 연소공기노즐을 에워싸며, 상기 2차 연소공기가 상기 착화부로 이동되도록 상기 제1 연소공기노즐과의 사이에 제2 유동채널을 형성시키는 제2 연소공기노즐(2nd Air nozzle);
상기 제1 연소공기노즐의 단부에 장착되며, 상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기의 유동방향을 전환시켜 난류성 흐름을 갖게 하는 제1 유로전환기(1st diverter); 및
상기 제2 연소공기노즐의 단부에 장착되며, 2차 연소공기의 유동방향을 전환시켜 난류성 흐름을 갖게 하는 제2 유로전환기(2nd diverter);를 포함하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너를 제공한다.
또한 본 발명의 일 측면에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너는, 1차 연소공기와 함께 이동되는 상기 점화용 미분탄이 선회기류를 형성하면서 노즐 내에 균일하게 분산되어 착화부로 이동되도록 상기 제1 유동채널의 임의 위치에 설치되는 제1 선회기류발생기; 및
상기 2차 연소공기가 선회기류를 형성하면서 착화부로 이동되도록 상기 제2 유동채널의 임의 위치에 설치되는 제2 선회기류발생기;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 선회기류발생기 및 제2 선회기류발생기는 원호방향으로 이격 배열되며 한 방향으로 경사진 복수의 날개(Vane)들을 포함하는 임펠러(Impeller)구조로, 플라즈마 튜브의 외면부 임의 위치와 제1 연소공기노즐 임의 위치에 각각 장착될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너에서, 상기 제1 연소공기챔버는, 상기 제1 연소공기 유입관이 연결되며 원통모양으로 형성되는 챔버튜브(Chamber tube)와, 상기 챔버튜브의 일측 개구에 설치되며 외주면에 곡선형 안내면이 형성된 환형의 제1 코일 가이드(1st Coal guide)와, 상기 제1 코일 가이드 반대편의 챔버튜브 타측 개구에 설치되며, 내주면에 곡선형 안내면이 형성된 환형의 제2 코일 가이드(2nd Coal guide)를 포함하는 구성일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너에 적용된 상기 제1 유로전환기 및 제2 유로전환기는, 제1 연소공기노즐의 단부와 제2 연소공기노즐의 단부로부터 멀어질수록 관경이 증대되는 확관형 구조로 형성될 수 있다.
이때 제1 유로전환기의 경사각과 제2 유로전환기의 경사각을 같게 함으로써, 1차 연소공기 및 점화용 미분탄과 플라즈마의 상호작용으로 제1 유로전환기 내측에서부터 발생된 초기 화염의 바깥쪽에 확장형 난류성 흐름의 2차 연소공기가 공급되어 화염이 안정화되도록 하는 한편, 1차 유로전환기 내측의 초기 화염의 급격한 온도 상승을 억제하여 질소산화물이 감소되도록 한다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 점화용 미분탄이 1차 연소공기와 함께 착화부로 유동되는 통로인 상기 제1 유동채널에 비해 제2 유동채널의 통로 단면을 크게 함으로써, 1차 연소공기에 비해 보다 많은 양의 2차 연소공기가 착화부에 공급되어 안정적인 2차 연소가 이루어지도록 함이 바람직하다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 실시 예에 따르면,
전술한 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너;
상기 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 제2 연소공기노즐 일부 또는 전체를 에워싸면서 연소로까지 길게 연장되며, 일측 연료 도입부를 통해 도입된 연소용 미분탄이 공기와 함께 착화부로 공급되도록 상기 플라즈마 미분탄 점화용 버너와의 사이에 주 연료공급채널을 형성하는 주 연료공급관(Main coal tube);
상기 주 연료공급관의 선단 외측에 이를 에워싸는 구조로 설치되며, 외부에서 1차 주 연소공기를 도입하여 연소로 내부의 화염에 공급하도록 상기 주 연료공급관과의 사이에 제1 연소공기채널을 형성하는 제1 연소공기공급관(1st Main air tube); 및
상기 제1 연소공기공급관의 선단 외측에 이를 에워싸는 구조로 설치되며, 외부에서 2차 주 연소공기를 도입하여 연소로 내부의 화염에 공급하도록 제1 연소공기공급관과의 사이에 제2 연소공기채널을 형성하는 제2 연소공기공급관(2nd Main air tube);을 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너를 제공한다.
여기서, 상기 1차 주 연소공기가 선회기류를 형성하면서 연소로 내 화염에 공급되도록 상기 제1 연소공기채널의 임의 위치에 제3 선회기류발생기가 설치될 수 있다.
이때, 제3 선회기류발생기는 제1 연소공기공급관의 외연에 원호방향으로 이격 배열되며 한 방향으로 경사진 복수의 날개(Vane)들을 포함하는 임펠러(Impeller)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 종래 기술과 같이 기동시부터 값비싼 등유버너에 의존하지 않고 플라즈마를 이용하여 석탄(미분탄)을 연소하기 때문에, 에너지 절약과 운용비 절감 등 효율 및 경제성 측면에서 이점이 있고, 다단 연소방식으로써 질소산화물(NOx)의 생성을 크게 줄일 수 있어 환경적 측면에서 또한 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 측면도.
도 2는 도 1의 플라즈마 미분탄 점화용 버너를 A-A선 방향에서 바라본 단면도.
도 3은 도 1의 플라즈마 미분탄 점화용 버너를 B-B선 방향에서 바라본 단면도.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 제1 연소공기챔버의 단면도.
도 5는 도 4에 나타난 제1 연소공기챔버의 우측면도.
도 6은 도 2 및 도 3에 도시된 플라즈마 튜브의 정면도.
도 7은 도 2 및 도 3에 도시된 제2 연소공기챔버의 단면도.
도 8은 도 7에 도시된 제2 연소공기챔버의 우측면도.
도 9는 도 2의 'C'부를 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 화염 형성 개념도.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너의 개념도.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너의 화염 형성 개념도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
이하 본 발명을 설명함에 있어 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 측면도이며, 도 2와 도 3은 도 1의 플라즈마 미분탄 점화용 버너를 각각 A-A선과 B-B선 방향에서 바라본 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너(1)는 석탄을 주 연료로 하는 화력발전에 있어 초기 석탄 연소를 위한 점화용 버너로서, 고온환경에 발생시킨 플라즈마로 미분 형태의 탄소함유 연료를 연소시켜 본격적인 연소 전 예열에 필요한 화염을 발생시키는 것으로, 플라즈마 토치(10)와 이를 둘러싸는 관형(Tube type) 부품들로 구성된다.
플라즈마 토치(Plasma torch, 10)는 기본적으로, 전극과 이 전극을 수용하는 플라즈마 튜브(Plasma tube, 11)를 포함하며, 고전압이 걸린 전극에 방전기체를 흘려 플라즈마를 발생시키고 플라즈마 튜브(11) 선단의 착화부(FA, 착화가 이루어지는 영역)에 공급한다. 이처럼 고전압 전극에 방전기체를 흘려 플라즈마를 발생하는 플라즈마 토치(10)는 공지된 구성이므로 상세한 설명은 생략한다.
관형(Tube type) 부품들에는, 플라즈마 튜브(11)의 일측 외면부를 에워싸는 제1 연소공기챔버(12), 제1 연소공기챔버(12)에 접속되며 플라즈마 튜브(11)의 타측 외면부를 에워싸는 제1 연소공기노즐(13), 그리고 제1 연소공기챔버(12) 외측의 제2 연소공기챔버(14) 및 제2 연소공기챔버(14)에 공기유동 가능하게 접속되고 상기 제1 연소공기노즐(13) 외측에 설치되는 제2 연소공기노즐(15)을 포함한다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 제1 연소공기챔버의 단면도이며, 도 5는 도 4에 나타난 제1 연소공기챔버의 우측면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 연소공기챔버(1st Air chamber, 12)는 플라즈마 튜브(11)의 일측 외면부를 에워싸는 구조로 설치될 수 있다. 제1 연소공기챔버(12)는 상기 플라즈마 튜브(11)와의 사이에 제1 연소공기도입부(121)를 형성시키며, 제1 연소공기챔버(12) 외면부에는 제1 연소공기 유입관(120)이 접선방향으로 설치된다.
이에 따라, 상기 제1 연소공기도입부(121)에는 외부에서 공급되는 미분 형태의 탄소함유 연료(이하, '점화용 미분탄'이라 함)가 소정량의 1차 연소공기와 함께 회전 유입되며, 이로 인해 도입부(121) 내 전 영역에 걸쳐 점화용 미분탄이 균일하게 분산된 상태로 제1 연소공기챔버(12) 후단에 연결되는 상기 제1 연소공기노즐(13)로 이동될 수 있다.
제1 연소공기챔버(12)는, 제1 연소공기유입관의 접선방향으로 설치되는 원통모양의 챔버튜브(Chamber tube, 122)와, 챔버튜브(122)의 일측 개구에 설치되는 환형의 제1 코일 가이드(1st Coal guide, 124)를 포함한다. 그리고 상기 제1 코일 가이드(124) 반대편의 챔버튜브(122) 타측 개구에 설치되는 환형의 제2 코일 가이드(2nd Coal guide, 126)를 구비한다.
제1 코일 가이드(124)와 상기 제2 코일 가이드(126)는, 상기 챔버튜브(122)와 함께 제1 연소공기도입부(121)를 구획하는 부재로서 기능하는 동시에, 1차 연소공기와 함께 제1 연소공기도입부(121)에 유입되는 점화용 미분탄이 상기 제1 연소공기노즐(13)로 정체 없이 원활히 유동될 수 있도록 안내하는 하는 것으로, 각각의 내주면과 외주면에 곡선형 안내면이 형성된다.
제1 연소공기챔버(12) 후단에 연결되는 상기 제1 연소공기노즐(1st Air nozzle, 13)은 축방향으로 긴 속이 빈 중공관 구조로서, 상기 플라즈마 튜브(11)의 외면부 타측을 소정의 간격을 두고 에워싸는 형태로 설치되며, 이로 인해 상기 플라즈마 튜브(11)와 제1 연소공기노즐(13) 사이에 제1 유동채널(130)을 형성되어 상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기가 상기 착화부(FA)로 이동될 수 있다.
제1 유동채널(130)은 고온의 플라즈마 토치(10)를 둘러쌈으로써 고온 환경으로 유지되며, 제1 유동채널(130) 내 점화용 미분탄의 체류 시간이 길수록 보다 많은 양의 열에너지를 흡수할 수 있어 휘발성분의 방출에 유리하다. 제1 유동채널(130)에 대한 점화용 미분탄의 체류 시간을 늘리는 방법에는 크게 두 가지 방안이 고려될 수 있다.
하나는 제1 유동채널(130)을 보다 길게 가져가는 방안이며, 다른 하나는 점화용 미분탄이 제1 유동채널(130) 내에서 회전 운동을 하면서 착화부(FA)로 진행하도록 하는 방안이다. 제1 유동채널(130)을 길게 확보하려면 그만큼 플라즈마 토치(10)와 제1 연소공기노즐(13)의 축방향 길이가 길어져야 하므로 회전 운동을 통해 보다 긴 시간 고온 환경에 노출될 수 있도록 하는 것이 효과적이다.
도 6은 도 2 및 도 3에 도시된 플라즈마 튜브의 정면도이다.
도 6 및 앞선 도 2, 도 3을 참조하면, 제1 유동채널(130)의 임의 위치에는 회전기류, 즉 점화용 미분탄이 회전하면서 착화부로 이동되도록 제1 선회기류발생기(18)가 설치된다. 제1 선회기류발생기(18)는 플라즈마 튜브(11)의 외면에 두 개가 소정거리 이격되는 형태로 설치될 수 있으며, 플라즈마 튜브(11)의 원호면을 따라 이격 배열되며 한 방향으로 소정각(θ1, 바람직하게는, 10ㅀ 내외) 경사진 복수의 날개(Vane, V)를 갖는 임펠러(Impeller)일 수 있다.
제1 연소공기챔버(12)에 1차 연소공기와 함께 회전 유입된 상기 점화용 미분탄은 제1 유동채널(130)을 따라 이동하는 중간에 제1 선회기류발생기(18)를 통과하면서 재차 회전기류를 형성하게 되며, 회전운동을 하면서 착화부(FA) 쪽으로 진행함에 따라 제한된 구간(고온환경에 노출된 제1 유동채널)에 보다 많은 시간 체류하게 되므로 열분해에 필요한 보다 많은 열을 흡수할 수 있다.
또한, 상기 제1 선회기류발생기(18)에 의해 회전 운동을 하면서 진행함에 따라, 제1 유동채널(130)의 종단면방향에 대해 어느 한쪽에 쏠림 없이 균일하게 분산된 상태로 착화부(FA)에 공급될 수 있어 플라즈마와의 상호 작용으로 안정적인 초기 점화가 구현될 수 있다.
도 7은 도 2 및 도 3에 도시된 제2 연소공기챔버의 단면도이며, 도 8은 도 7에 도시된 제2 연소공기챔버의 우측면도이다.
도 7 내지 도 8과 앞선 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 제2 연소공기챔버(2nd Air chamber, 14)는 전술한 제1 연소공기챔버(12) 외측에 이를 둘러싸는 구조로 설치된다. 제2 연소공기챔버(14)에는 내측에 수용된 제1 연소공기챔버(12)에 구비되는 제1 연소공기 유입관(120)의 관통을 위한 관통홀(142)이 형성되며, 제2 연소공기 유입관(140)이 반경방향으로 설치된다.
제1 연소공기챔버(12)를 둘러싸는 구조로 상기 제2 연소공기챔버(14)가 설치됨으로써 상기 제1 연소공기챔버(12)와의 사이에 외부로부터의 2차 연소공기를 수용하고 제2 연소공기노즐(15)로 보내는 제2 연소공기도입부(141)가 형성되며, 제2 연소공기도입부(141)에는 상기 제2 연소공기 유입관(140)을 통해 외부로부터 2차 연소공기가 유입된다.
제2 연소공기챔버(14)로 유입된 2차 연소공기는 제2 연소공기노즐(2nd Air nozzle, 15)이 형성하는 제2 유동채널(150)을 거쳐 상기 착화부(FA)에 2차 연소를 위한 연소공기로 공급되며, 이때 제2 연소공기노즐(15)은 축방향으로 긴 속이 빈 중공관 구조로서, 제2 연소공기챔버(14)에 연결되고 상기 제1 연소공기노즐(13)을 에워싸 상기 제1 연소공기노즐(13)과의 사이에 상기 제2 유동채널(150)을 형성시킨다.
제2 유동채널(150)의 임의 위치에는 상기 2차 연소공기를 선회류 형태로 전환시키는 제2 선회기류발생기(19, 도 2 및 도 3 참조)가 설치된다. 제2 선회기류발생기(19)는 제1 연소공기노즐(13) 외면의 임의 위치에 그 원호면을 따라 이격 배열되며 한 방향으로 소정각(θ2, 바람직하게는, 15ㅀ ~ 25ㅀ) 경사진 복수의 날개(Vane, V)를 갖는 임펠러(Impeller) 형태로 구비될 수 있다.
이에 따라 제2 연소공기챔버(14)에 유입된 2차 연소공기는 상기 제2 유동채널(150)을 따라 이동하는 중간에 상기 제2 선회기류발생기(19)를 통과하면서 회전유동을 하면서 충분히 예열되고, 이 상태로 착화부(FA)에 공급됨으로써 전술한 점화용 미분탄과 1차 연소공기가 플라즈마와 상호 작용하여 발생된 1차 화염(F1)에 연소공기를 추가 공급하여 2차 연소가 이루어지도록 한다.
도 9는 도 2의 'C'부를 확대 도시한 요부 확대도이다.
도 9와 앞서 첨부된 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 일 실시 예는 제1 연소공기노즐(13)의 단부에 장착되어 점화용 미분탄과 1차 연소공기의 유동방향을 확장 전환시키는 제1 유로전환기(1st diverter, 16)와, 제2 연소공기노즐(15)의 단부에 장착되어 2차 연소공기의 유동방향을 확장 전환시키는 제2 유로전환기(2nd diverter, 17)를 포함한다.
제1 유로전환기(16)와 제2 유로전환기(17)는 플라즈마 토치(10) 전방의 착화부(FA)에 공급되는 점화용 미분탄과 1차 연소공기, 그리고 2차 연소공기의 유동을 전환시켜 난류성 흐름을 갖도록 기능한다. 이를 위해 도면의 예시와 같이 제1 연소공기노즐(13)의 단부와 제2 연소공기노즐(15)의 단부로부터 멀어질수록 관경이 증대되는 확관형 구조로 형성될 수 있다.
제1 유로전환기(16)의 경사각(α)과 제2 유로전환기(17)의 경사각(β)을 같게 하면, 1차 연소공기 및 점화용 미분탄과 플라즈마의 상호작용으로 제1 유로전환기(16) 내측에서부터 발생된 초기 화염의 바깥쪽에 확장형 난류성 흐름의 2차 연소공기가 공급되어 화염이 안정화될 수 있고, 1차 유로전환기 내측의 초기 화염의 급격한 온도 상승을 억제할 수 있어 질소산화물 또한 감소시킬 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시 예에서, 점화용 미분탄이 1차 연소공기와 함께 착화부(FA)로 유동되는 통로인 상기 제1 유동채널(130)에 비해 제2 유동채널(150)의 통로 단면이 크게 형성되도록 구성(D2>D1)함으로써, 1차 연소공기에 비해 보다 많은 양의 2차 연소공기가 착화부(FA)에 공급되어 안정적인 2차 연소가 이루어질 수 있도록 하는 것도 바람직한 방안일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 작동 상태도로서, 1차 연소공기 및 점화용 미분탄과 플라즈마의 상호작용으로 제1 유로전환기(16) 내측에서부터 초기 화염이 발생하고, 이 초기 화염의 둘레에 2차 연소공기가 공급되어 보다 큰 2차 화염(F2)이 발생하는 것을 나타낸 화염 형성 개념도를 나타내고 있다.
도 10과 앞서 첨부된 도 2를 함께 참조하면, 점화용 미분탄 이송수단으로 공기가 이용된다. 구체적으로, 점화용 미분탄은 1차 연소공기와 함께 제1 연소공기 유입관(120)을 통하여 제1 연소공기챔버(12)로 회전 유입되고, 1차 연소공기 챔버에 설치된 전후 한 쌍의 코일 가이드(124, 126)에 의해 제1 연소공기노즐(13)로 정체 없이 원활하게 이동된다.
제1 연소공기노즐(13) 내측의 제1 유동채널(130)에 하나 이상의 제1 선회기류발생기(18)가 설치됨으로써, 제1 유동채널(130)을 따라 이동되는 점화용 미분탄은 제1 연소공기노즐(13) 내에서 재차 선화기류를 형성하면서 관내에 균일하게 분산된 상태로 이동되어 착화부(FA)에 분사되고, 착화부(FA)에서 플라즈마 토치(10)에 의한 플라즈마(P)와 상호작용을 통해 착화되고 1차 화염(F1)을 형성하게 된다.
특히, 점화용 미분탄이 제1 유동채널(130)을 따라 착화부(FA)로 회전 이동하는 과정에서 플라즈마 토치(10)로부터 착화 전 열분해에 필요한 열량을 전달받아 충분히 가열됨으로써 휘발성분을 방출하게 되고, 방출된 휘발성분이 착화부(FA)에서 플라즈마와 상호작용을 일으켜 착화가 일어나고 제1 내측에서부터 1차 화염(F1)이 버너 축방향으로 형성된다.
착화 개시와 함께 미분탄에 포함된 입자 크기가 작은 고정 탄소가 연소되며, 입자 크기 큰 고정 탄소는 기상반응(氣相反應, 반응에 관여하는 물질이 모두 기체 상태로 진행되는 화학반응)을 일으켜 1차 화염(F1)이 안정적으로 형성될 수 있다.
플라즈마 착화에 의한 1차 화염(F1)은 제1 유로전환기(16)를 거쳐 확장형 난류성 흐름을 가지면서 공급되는 점화용 미분탄과 1차 연소공기에 의하여 난류 형태로 형성되며, 점화용 미분탄과 1차 연소공기에 의해 형성된 공기부족 난류 화염대(1차 화염(F1)) 둘레에 2차 연소공기가 제2 선회기류발생기(19)를 통해 회전 운동을 하면서 공급됨으로써 2차 화염(F2)이 형성된다.
제2 유로전환기(17)를 거쳐 회전 운동을 하면서 공급되는 2차 연소공기로 인하여 2차 난류가 형성되며, 이에 따라 초기 1차 화염(F1)은 안정화되고, 1차 화염(F1)의 착화가 이루어진 근처(제1 유로전환기(16) 내측의 플라즈마 토치(10) 선단부와 인접한 부분)의 급격한 화염온도 상승이 억제됨으로써 질소산화물(NOx)이 줄어들게 된다.
이하 본 발명의 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너에 대해 설명한다. 본 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너는 전술한 일 실시 예에 따른 플라즈마 미분탄 점화용 버너를 포함한다. 따라서 이하 설명함에 있어 전술한 일 실시 예와 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하며, 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너의 개념도이다.
도 11을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너(2)는 전술한 플라즈마 미분탄 점화용 버너(1)의 구성에, 이를 에워싸는 주 연료공급관(Main coal tube, 3)과 주 연료공급관(3)을 에워싸는 제1 연소공기공급관(1st Main air tube, 4), 그리고 제1 연소공기공급관(4)을 에워싸는 제2 연소공기공급관(2nd Main air tube, 5)을 더 포함한다.
주 연료공급관(3)은 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 제2 연소공기노즐(15) 일부 또는 전체를 에워싸면서 연소로(6)까지 길게 연장되는 중공관 구조로서, 연료유입부(30)를 통해 연소용 미분탄을 공기와 함께 도입하여 플라즈마 미분탄 점화용 버너가 발생시킨 화염에 공급하며, 이를 위해 플라즈마 미분탄 점화용 버너(1)와의 사이에 주 연료공급채널(32)을 형성한다.
제1 연소공기공급관(4)은 상기 주 연료공급관(3)의 선단 외측에 이를 에워싸면서 연소로(6)까지 연장되는 중공관 구조로서, 일측에 반경방향으로 형성된 제1 주 연소공기유입부(40)를 통해 외부에서 1차 주 연소공기를 도입하고 연소로(6) 내부의 화염에 공급하여 재연소가 이루어지도록 하며, 이를 위해 상기 주 연료공급관(3)과의 사이에 제1 연소공기채널(40)을 형성한다.
1차 주 연소공기가 선회기류를 형성하면서 연소로(6) 내 화염에 공급되도록 상기 제1 연소공기채널(40)의 임의 위치에는 제3 선회기류발생기(45)가 설치될 수 있다. 즉 제1 연소공기채널(40)을 1차 주 연소공기가 회전하면서 이동되도록 제3 선회기류발생기(45)가 설치될 수 있으며, 이에 따라 1차 주 연소공기는 충분히 예열될 수 있고 난류형태로 연소로(6) 내 화염에 공급될 수 있다.
이때, 상기 제3 선회기류발생기(45)는 전술한 제1 선회기류발생기(18) 및 제2 선회기류발생기(19)와 마찬가지로, 제1 연소공기공급관(4)의 외연에 원호방향으로 이격 배열되며 한 방향으로 경사진 복수의 날개(Vane)들을 포함하는 임펠러(Impeller) 형태로 제공될 수 있다.
제2 연소공기공급관(5)은 상기 제1 연소공기공급관(4)의 선단 외측에 이를 에워싸면서 연소로(6)까지 연장되는 중공관 구조로서, 제2 주 연소공기유입부(50)를 통해 외부에서 2차 주 연소공기를 도입하고 상기 연소로(6) 내부의 화염에 공급함으로써 재연소가 이루어지도록 하며, 이를 위해 상기 제1 연소공기공급관(4)과의 사이에 제2 연소공기채널(52)을 형성한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너의 화염 형성 개념도를 나타내고 있다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 미분탄 점화용 버너(1)에 의한 난류 화염대(2차 화염, F2) 둘레에 주 연료공급관(3)을 통해 연소용 미분탄이 공기와 함께 공급됨으로써 주 연소가 본격적으로 진행되며, 이때 연료, 즉 미분탄의 휘발성분(VM), 미연탄화수소계열(CH), 그리고 고정 탄소가 본격적인 연소가 개시됨으로써 1차 주 연소화염(MF1)이 발생된다.
또한, 연소로(6) 내 1차 주 연소화염(MF1)의 둘레에 제1 연소공기공급관(4)과 제2 연소공기공급관(5)을 통해 추가적으로 주 연소공기가 공급됨으로써, 연소로(6) 안쪽에 2차 주 연소화염(MF2)이 형성되고 더욱 안쪽에 3차 주 연소화염(MF3)이 형성되며, 이때 주 연소화염의 화염영역이 연소로(6) 안쪽으로 갈수록 점점 더 확장되어 연소로(6) 전반에 걸쳐 열을 고르게 전달하게 된다.
더욱이, 연소공기 추가 공급에 의한 다단에 걸친 재연소로(6) 인하여, 연료의 연소 효율이 크게 상승되고, 질소산화물(NOx) 생성의 주된 요인인 휘발성분(VM)과 미연탄화수소계열(CH)의 잔류량이 현저히 감소하므로, 질소산화물(NOx)이 크게 줄어 들게 된다.
이상의 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래 기술과 같이 기동시부터 값비싼 등유버너에 의존하지 않고 플라즈마를 이용하여 석탄(미분탄)을 연소하기 때문에, 에너지 절약과 운용비 절감 등 효율 및 경제성 측면에서 이점이 있고, 다단 연소방식으로써 질소산화물(NOx)의 생성을 크게 줄일 수 있어 환경적 측면에서 또한 유리한 효과가 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 플라즈마 미분탄 점화용 버너
2 : 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너
3 : 주 연료공급관(Main coal tube)
4 : 제1 연소공기공급관(1st Main air tube)
5 : 제2 연소공기공급관(2nd Main air tube)
6 : 연소로 10 : 플라즈마 토치
11 : 플라즈마 튜브 12 : 제1 연소공기챔버(1st Air chamber)
13 : 제1 연소공기노즐(1st Air nozzle)
14 : 제2 연소공기챔버(2nd Air chamber)
15 : 제2 연소공기노즐(2nd Air nozzle)
16 : 제1 유로전환기(1st diverter) 17 : 제2 유로전환기(2nd diverter)
18 : 제1 선회기류발생기 19 : 제2 선회기류발생기
30 : 연료유입부 32 : 주 연료공급채널
40 : 제1 주 연소공기유입부 42 : 제1 연소공기채널
50 : 제2 주 연소공기유입부 52 : 제2 연소공기채널
45 : 제3 선회기류발생기
120 : 제1 연소공기 유입관 121 : 제1 연소공기도입부
122 : 챔버튜브(Chamber tube)
124 : 제1 코일 가이드(1st Coal guide)
126 : 제2 코일 가이드(2nd Coal guide)
130 : 제1 유동채널 140 : 제2 연소공기 유입관
141 : 제2 연소공기도입부 142 : 관통홀
150 : 제2 유동채널 FA : 착화부
P : 플라즈마 F1 : 1차 화염
F2 : 2차 화염 MF1 : 1차 주 연소화염
MF2 : 2차 주 연소화염 MF3 : 3차 주 연소화염

Claims (9)

  1. 전극과, 전극을 수용하는 플라즈마 튜브를 포함하며, 상기 전극을 통해 방전기체로부터 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마 튜브(Plasma tube) 선단의 착화부에 공급하는 플라즈마 토치(Plasma torch);
    상기 플라즈마 튜브의 일측 외주면을 에워싸며, 상기 플라즈마 튜브와의 사이로 형성되는 제1 연소공기도입부에 점화용 미분탄을 1차 연소공기와 함께 회전 유입시키는 제1 연소공기 유입관이 접선방향으로 설치된 제1 연소공기챔버(1st Air chamber);
    상기 제1 연소공기챔버와 연결되고 상기 플라즈마 튜브의 외주면 타측을 에워싸며, 상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기가 상기 착화부로 이동되도록 상기 플라즈마 튜브와의 사이에 제1 유동채널을 형성시키는 제1 연소공기노즐(1st Air nozzle);
    상기 제1 연소공기챔버 외측에 설치되며, 상기 제1 연소공기챔버와의 사이로 형성되는 제2 연소공기도입부에 2차 연소공기를 유입시키는 제2 연소공기 유입관이 반경방향으로 설치된 제2 연소공기챔버(2nd Air chamber);
    상기 제2 연소공기챔버와 연결되고 상기 제1 연소공기노즐을 에워싸며, 상기 2차 연소공기가 상기 착화부로 이동되도록 상기 제1 연소공기노즐과의 사이에 제2 유동채널을 형성시키는 제2 연소공기노즐(2nd Air nozzle);
    상기 제1 연소공기노즐의 단부에 장착되며, 상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기의 유동방향을 전환시켜 난류성 흐름을 갖게 하는 제1 유로전환기(1st diverter); 및
    상기 제2 연소공기노즐의 단부에 장착되며, 2차 연소공기의 유동방향을 전환시켜 난류성 흐름을 갖게 하는 제2 유로전환기(2nd diverter);를 포함하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 점화용 미분탄과 1차 연소공기가 선회기류를 형성하면서 착화부로 이동되도록 상기 제1 유동채널의 임의 위치에 설치되는 제1 선회기류발생기; 및
    상기 2차 연소공기가 선회기류를 형성하면서 착화부로 이동되도록 상기 제2 유동채널의 임의 위치에 설치되는 제2 선회기류발생기;를 더 포함하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 선회기류발생기 및 제2 선회기류발생기는 원호방향으로 이격 배열되며 한 방향으로 경사진 복수의 날개(Vane)들을 포함하는 임펠러(Impeller)인 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 연소공기챔버는,
    상기 제1 연소공기 유입관이 연결되며 원통모양으로 형성되는 챔버튜브(Chamber tube);
    상기 챔버튜브의 일측 개구에 설치되며, 외주면에 곡선형 안내면이 형성된 환형의 제1 코일 가이드(1st Coal guide);
    상기 제1 코일 가이드 반대편의 챔버튜브 타측 개구에 설치되며, 내면부에 곡선형 안내면이 형성된 환형의 제2 코일 가이드(2nd Coal guide);를 포함하는 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유로전환기 및 제2 유로전환기가 제1 연소공기노즐의 단부와 제2 연소공기노즐의 단부로부터 멀어질수록 관경이 증대되는 확관형으로 형성되는 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 유로전환기의 경사각과 제2 유로전환기의 경사각이 동일한 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유동채널에 비해 제2 유동채널의 통로 단면이 크게 형성되는 플라즈마 미분탄 점화용 버너.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항의 플라즈마 미분탄 점화용 버너; 및
    상기 플라즈마 미분탄 점화용 버너의 제2 연소공기노즐 일부 또는 전체를 에워싸면서 연소로까지 길게 연장되며, 일측 연료 도입부를 통해 도입된 연소용 미분탄이 공기와 함께 착화부로 공급되도록 상기 플라즈마 미분탄 점화용 버너와의 사이에 주 연료공급채널을 형성하는 주 연료공급관(Main coal tube);을 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 주 연료공급관의 선단 외측에 이를 에워싸는 구조로 설치되며, 외부에서 1차 주 연소공기를 도입하여 연소로 내부의 화염에 공급하도록 상기 주 연료공급관과의 사이에 제1 연소공기채널을 형성하는 제1 연소공기공급관(1st Main air tube); 및
    상기 제1 연소공기공급관의 선단 외측에 이를 에워싸는 구조로 설치되며, 외부에서 2차 주 연소공기를 도입하여 연소로 내부의 화염에 공급하도록 제1 연소공기공급관과의 사이에 제2 연소공기채널을 형성하는 제2 연소공기공급관(2nd Main air tube);을 더 포함하는 석탄화력발전 기동용 플라즈마 미분탄 버너.
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