KR20190026176A - 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 열교환되면서 과열증기가 발생하는 과열기 튜브존을 1,2차로 구분하여 설치하고, 1차 과열기 튜브존으로 이동하는 포화증기를 연소가스 흐름과 역방향으로 흐르도록 하고, 2차 과열기 튜브존으로 이동하는 포화증기를 연소가스 흐름과 동일한 방향으로 흐르도록 하는 병행류 형식으로 적용하여 과열증기의 온도 및 튜브 표면 온도를 낮출 수 있어 튜브 사용 재질의 적정한 온도구간에서 안전하게 운전할 수 있도록 함은 물론 튜브 표면 온도를 측정한 값으로 생산되는 과열증기의 온도를 예측하고 이를 효과적으로 관리하면서 안정감있게 사용할 수 있는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러에 관한 것이다.

Description

과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러{Waste heat water boiler with efficiency management system of superheater}

본 발명은 폐열수관보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 열교환되면서 과열증기가 발생하는 과열기 튜브존을 1,2차로 구분하여 설치하고, 1차 과열기 튜브존으로 이동하는 포화증기를 연소가스 흐름과 역방향으로 흐르도록 하고, 2차 과열기 튜브존으로 이동하는 포화증기를 연소가스 흐름과 동일한 방향으로 흐르도록 하는 병행류 형식으로 적용하여 과열증기의 온도 및 튜브 표면 온도를 낮출 수 있어 튜브 사용 재질의 적정한 온도구간에서 안전하게 운전할 수 있도록 함은 물론 튜브 표면 온도를 측정한 값으로 생산되는 과열증기의 온도를 예측하고 이를 효과적으로 관리할 수 있도록 할 뿐만 아니라 용량대비 전열면적은 높이면서 관리 효율을 극대화할 수 있는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러에 관한 것이다.

사회 전반에 걸쳐 급격한 산업화, 공업화, 도시화에 따라 폐기물 발생량이 급증하여 사회문제를 일으키고 있는 바, 상기 폐기물의 효과적인 처리 방안이 모색되고 있다.

폐기물관리법에 따른 폐기물이란, 고체나 액체상의 폐기물질을 통칭하는 것으로, 쓰레기, 연소재, 폐유, 폐산, 폐알칼리와 같이 사람생활이나 사업활동에 필요없게 된 물질로 정의된다.

상기 폐기물의 처리방법으로는 감량, 재활용, 재생, 매립, 소각 등을 들 수 있는데, 상기 감량, 재활용, 재생 등은 폐기물의 최종적인 처리방안이 되지 못하는 관계로 명백한 한계를 드러내며, 매립은 장기간에 걸쳐 심각한 토질 및 수질오염을 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 최근에는 소각을 통해 폐기물을 처리하는데, 상기 폐기물을 소각하는 소각로는 연소실에 연료를 투입하여 연소조건(3T; Temperature, Turbulence, Time)을 갖춘 뒤 연료의 연소가 진행되는데, 상기 연소실에서는 투입된 폐기물 또는 연료를 화염 연소시키거나 또는 열분해(탄화)시키고, 연소조건이나 연료상태에 따라 불연소된 가스상 물질을 다시 연소시키도록 되어 있다.

상기 소각로에는 톱밥이나 목재 부스러기뿐만 아니라 사업장이나 가정에서 발생하는 폐플라스틱을 펠릿 형태로 압축하여 고형연료로 제공되는데, 온실가스의 배출원인인 경유 등을 사용하지 않고 고형연료를 연소시켜 연료를 얻음으로써 연료비가 적게 들고 친환경적인 설비라는 장점이 있어 지자체의 발전설비 및 열병합발전 등에 사용되고 있다.

상기 소각로의 선행기술로 대한민국 공개특허공보 제10-1999-0008177호에 폐기물의 소각열을 이용한 과열증기 제조방법과 장치가 공개된 바 있다.

선 공개된 특허는, 폐기물이 가스연소로에서 연소되면서 발생하는 800~1300℃의 연소가스가 증기제조수단을 통과하면서 열교환되어 800~950℃의 온도로 하강함과 동시에 증기제조수단의 보일러 튜브에서 얻는 증기로 보일러 난방 및 발전플랜트 등의 터빈 구동원으로 사용하는 구성이다.

그러나 선 공개된 특허는 200~320℃의 비점을 보유하는 보일러수를 사용하므로 발전 플랜트의 발전효율이 현저하게 낮고, 온도분포를 균일하게 유지하지 못해 에너지 회수효율을 증대시키기 위한 과열기 튜브존의 설계 및 운영방법의 개선이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-1999-0008177호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 열교환되면서 과열증기가 발생하는 과열기 튜브존을 1,2차로 구분하여 보일러 물 및 스팀 드럼부와 연소가스가 만나는 위치, 즉 열교환 효과가 높은 위치에 설치함으로써, 용량대비 전열면적은 높일 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 1차 과열기 튜브존으로 이동하는 과열증기는 연소가스 흐름과 역방향으로 흐르도록 하고, 2차 과열기 튜브존으로 이동하는 과열증기는 연소가스 흐름과 동일한 방향으로 흐르도록 병행류 형식을 적용하여 과열증기의 온도 및 튜브 표면 온도를 낮출 수 있으므로 온도분포를 균일하게 유지하면서 안전하게 운전할 수 있을 뿐만 아니라 관리 효율을 극대화할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 과열기 튜브존의 표면에 설치된 복수의 온도센서에서 구간별 튜브 표면 온도를 실시간으로 모니터링하여 연소가스의 흐름 파악과 고온 부식으로 인한 튜브의 파열현상 등 온도 변화에 따른 돌발 상황에 대하여 신속한 대처가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러은,

폐기물 및 고형연료가 연소되는 연소부와;

상기 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 포화증기가 열교환되어 과열증기를 발생시키도록 1,2차 과열기 튜브존이 병행류로 설치되는 슈퍼히터부와;

상기 슈퍼히터부를 통과하는 연소가스의 잔열로 급수를 데우는 이코노마이저를 포함하며,

상기 슈퍼히터부는,

상기 연소가스의 흐름 방향과 그 내부의 포화증기가 역방향으로 흐르도록 설치되는 1차 과열기 튜브존과;

상기 연소가스의 흐름 방향과 그 내부의 포화증기가 동일방향으로 흐르도록 설치되는 2차 과열기 튜브존을 포함한다.

상기 1차 과열기 튜브존은 상기 연소부와 이코노마이저 사이에 설치된다.

상기 2차 과열기 튜브존은 1차 과열기 튜브존과 연소부 사이에 설치된다.

상기 과열기 튜브존으로 이동하는 과열증기의 온도를 실시간으로 모니터링하는 온도모니터링부를 더 포함한다.

상기 온도모니터링부는,

상기 과열기 튜브존이 일정간격 이격되게 설치되는 복수의 온도센서를 포함하며,

상기 온도센서는 튜브에 밀착되도록 판상으로 형성된다.

본 발명에 의하면, 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 열교환되어 과열증기가 발생하는 과열기 튜브존을 1,2차로 구분하여 보일러 물 및 스팀 드럼부와 연소가스가 만나는 위치, 즉 열교환 효과가 높은 위치에 설치함으로써, 용량대비 전열면적은 높여 발전효율을 높여 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 1차 과열기 튜브존으로 이동하는 포화증기는 연소가스 흐름과 역방향으로 흐르도록 하고, 2차 과열기 튜브존으로 이동하는 연소가스 흐름과 동일한 방향으로 흐르도록 하여 과열증기의 온도 및 튜브의 온도를 낮출 수 있으므로 관리 효율을 개선함은 물론 튜브의 손상 및 파손을 방지하면서 안정감있게 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 과열기 튜브존의 표면에 설치된 복수의 온도센서에서 구간별 튜브 표면 온도를 실시간으로 모니터링함으로써, 연소가스의 흐름 파악과 고온 부식으로 인한 튜브의 파열현상 등 온도 변화에 따른 돌발 상황에 대하여 신속한 대처할 수 있으므로 유지관리가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 폐열수관보일러의 개략도
도 2는 본 발명 폐열수관보일러가 적용된 슈퍼히터부의 개략도
도 3 내지 도 4는 본 발명 폐열수관보일러가 적용된 과열기 튜브존의 표면에 온도센서가 부착된 상태도

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명 폐열수관보일러의 개략도이다.

본 발명 폐열수관보일러(100)는, 연소부(110), 슈퍼히터부(120), 이코노마이저(130)를 포함한다.

상기 연소부(110)는 폐기물 및 고형연료가 연소하는 연소로이다.

상기 슈퍼히터부(120)는 상기 연소부(110)에서 발생하는 고온의 연소가스와 과열증기가 열교환되어 과열증기를 발생하는 구성으로, 1차 과열기 튜브존(121)과 2차 과열기 튜브존(122)이 병행류로 설치된다.

상기 1차 과열기 튜브존(121)은 상기 연소부(110)와 이코노마이저(130) 사이에 인렛부(121a)와 아웃렛부(121b)가 구비되어 설치되는데, 이는 상기 고온의 연소가스 흐름 방향과 역방향으로 지그재그 설치된다.

상기 2차 과열기 튜브존(122)은 상기 1차 과열기 튜브존(121)과 연소부(110) 사이에 인렛부(122a)와 아웃렛부(122b)가 구비되어 설치되는데, 이는 상기 고온의 연소가스 흐름 방향으로 지그재그 설치된다.

상기 이코노마이저(130)는 상기 슈퍼히터부(120)에서 열교환된 연소가스의 잔열로 급수를 데우는 구성으로, 복수의 필터를 구비하여 연소시 발생하는 가스를 여과할 수 있다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동과정을 설명한다.

먼저, 일정량의 폐기물 및 고형연료가 정량공급부(10)를 통해 연소부(110)로 공급되면, 상기 연소부(110)에서는 폐기물 및 고형연료가 연소되면서 통상 900~1100℃의 고온의 연소가스가 발생한다.

상기 고온의 연소가스는 수퍼히터 즉, 수관부(111)에 설치된 슈퍼히터부(120)를 경유하여 열교환되고, 열교환되면서 온도가 낮아진 연소가스는 이코노마이저(130)를 경유하여 배출부로 배출되는데, 상기 폐기물 및 고형연료가 연소되면서 발생하는 소각재는 연소부(110) 및 슈퍼히터부(120)를 통해 별도의 재처리시설로 배출된다.

이때, 상기 슈퍼히터부(120)로 공급되는 고온의 연소가스가 2차 과열기 튜브존(122)과 1차 과열기 튜브존(121)을 경유하여 이코노마이저(130)로 배출되는데, 도 2와 같이, 상기 1차 과열기 튜브존(121)은 상기 연소부(110)와 이코노마이저(130) 사이에 위치하여 탱크로부터 물이 인렛부(121a)로 공급되어 아웃렛부(121b)로 배출될 때까지 고온의 연소가스 열과 열교환되면서 1차 과열증기가 발생하고, 상기 1차 과열증기는 아웃렛부(121b)로 배출된다.

상기 1차 과열기 튜브존(121)은 상기 연소가스의 흐름방향과 그 내부의 과열증기 및 열을 포함하는 연소가스가 역방향으로 흐르도록 형성되어 1차 과열기 튜브존(121)의 아웃렛부(121b)보다 인렛부(121a)가 연소부(110)로부터 멀리 위치하도록 설치되므로 연소가스의 열과 인렛부(121a)로 공급되는 물이 열교환될 때, 아웃렛부(121b)보다 낮은 온도의 연소가스와 열교환되므로 튜브의 손상을 줄일 수 있는 것이다.

또한, 상기 1차 과열기 튜브존(121)에 연소가스와 열교환되면서 발생하여 아웃렛부(121b)로 배출되는 과열증기는 1차 과열기 튜브존(121)과 연소부(110) 사이에 위치한 2차 과열기 튜브존(122)의 인렛부(122a)를 통해 아웃렛부(122b)로 배출되는데, 상기 인렛부(122a)와 아웃렛부(122b)는 연소가스의 흐름 방향과 그 내부의 포화증기가 동일 방향으로 흐르도록 설치된다.

즉, 연소부(110)로부터 공급되는 고온의 연소가스가 2차 과열기 튜브존(122)의 인렛부(122a)로 공급되는 과열증기와 열교환되어 아웃렛부(122b) 방향으로 이동하면서 인렛부(122a)로 공급되는 과열증기의 온도보다 점차적으로 높은 온도로 변환되고 온도가 높아진 과열증기가 아웃렐부(122b)로 배출되어 수요자한테 공급할 수 있므로 용량대비 전열면적이 증대되어 높은 효율을 가질 수 있을 뿐만 아니라 2차 과열기 튜브존(122)의 튜브 온도를 낮춤으로 튜브 내구성이 높아지는 설비를 운영할 수 있는 것이다.

상기 1차 과열기 튜브존(121)의 인렛부(121a)와 아웃렛부(121b)로 이동하는 과열증기는 연소가스의 흐름 방향과 역방향으로 흐르도록 설치되고, 2차 과열기 튜브존(122)의 인렛부(122a)와 아웃렛부(122b)로 이동하는 과열증기는 연소가스의 흐름 방향으로 흐르도록 설치되어 증기의 과열에 의해서도 튜브의 표면 온도가 낮아지므로 튜브의 손상을 방지할 수 있으므로 표면 온도 관리를 통해 관리 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 도 3 내지 도 4와 같이, 상기 과열기 튜브존(121)(122)으로 이동하는 과열증기의 온도를 온도모니터링부(140)에서 측정할 수 있는데, 상기 온도모니터링부(140)는 상기 과열기 튜브존(121)(122)에 일정간격으로 설치된 복수의 온도센서(141)를 포함한다.

상기 과열기 튜브존(121)(122)에 설치된 복수의 온도센서(141)에서 제1,2차과열기 튜브존(121)(122) 내부로 이동하는 과열증기의 온도가 반영된 튜브 표면온도를 측정하여 제어부로 전송하고, 상기 제어부에서는 측정된 온도가 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 연소부(110)로 공급되는 폐기물 및 고형연료의 양을 순차적으로 줄여 공급할 수 있고, 측정된 온도가 설정된 온도보다 낮을 경우, 상기 연소부(110)로 공급되는 폐기물 및 고형연료의 양을 순차적으로 증가시켜 공급할 수 있으므로 제어부에서 연소부(110)로 공급되는 폐기물 및 고형연료의 양을 조절하여 공급할 수 있다.

또한, 상기 온도센서(141)가 판상으로 형성되어 튜브에 밀착되므로 과열증기의 온도가 반영된 튜브 표면온도의 측정온도 오차를 최소로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 온도센서(141)에 의해 과열증기의 온도를 실시간으로 모니터링함으로써, 과열증기의 온도에 따른 튜브 표면온도 변화에 따라 연소가스의 흐름 파악과 고온 부식으로 인한 튜브의 파열현상 등 돌발 상황에 대하여 신속하게 대응할 수 있으므로 유지관리를 용이하게 할 수 있다.

그리고 상기 온도모니터링부(140)의 온도센서에 의해 측정된 튜브 표면온도가 설정온도보다 높을 경우, 폐기물 및 고형연료를 줄여 공급하여 운전하거나, 긴급사항 시, 폐열수관보일러(100)의 가동을 제어부의 제어에 따라 중단시켜 설비를 보호하며 관리할 수 있는 것이다.

또한, 상기 제1,2 과열기 튜브존(121)(122)을 연결하면서 수관부(111) 외부에 위치한 디수퍼히터부(120')에서 별도의 온도센서로 과열증기의 온도를 감지하여 제2 과열기 튜브존(122)으로 공급되는 과열증기에 물을 추가적으로 공급하면서 제1 과열기 튜브존(121)을 통과하는 과열증기의 온도 및 압력을 낮추어 제2 과열기 튜브존(122)으로 배출할 수 있고, 상기 제2 과열기 튜브존(122)으로 배출되는 과열증기를 수요자가 원하는 온도 및 압력 조건으로 조절할 수 있으므로 안전하면서도 용이하게 공급할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 폐열수관보일러 110: 연소부
120: 슈퍼히터부 130: 이코노마이저
140: 온도모니터링부

Claims (5)

1. 폐기물 및 고형연료가 연소되는 연소부와;
   상기 연소부에서 발생하는 고온의 연소가스와 포화증기가 열교환되어 과열증기를 발생시키도록 1,2차 과열기 튜브존이 병행류로 설치되는 슈퍼히터부와;
   상기 슈퍼히터부를 통과하는 연소가스의 잔열로 급수를 데우는 이코노마이저를 포함하며,
   상기 슈퍼히터부는,
   상기 연소가스의 흐름 방향과 그 내부의 포화증기가 역방향으로 흐르도록 설치되는 1차 과열기 튜브존과;
   상기 연소가스의 흐름 방향과 그 내부의 포화증기가 동일방향으로 흐르도록 설치되는 2차 과열기 튜브존을 포함하는 것을 특징으로 하는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 과열기 튜브존은 상기 연소부와 이코노마이저 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 과열기 튜브존은 1차 과열기 튜브존과 연소부 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 과열기 튜브존으로 이동하는 과열증기의 온도를 실시간으로 모니터링하는 온도모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 온도모니터링부는,
   상기 과열기 튜브존이 일정간격 이격되게 설치되는 복수의 온도센서를 포함하며,
   상기 온도센서는 튜브에 밀착되도록 판상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과열기 효율관리 시스템이 적용된 폐열수관보일러.

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