KR20190044285A - 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법 - Google Patents

유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치는 연료 및 유동매체를 유동 연소시키는 연소실; 상기 연소실 하부의 일측에 구비되어, 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 연소실의 상부와 연결되어, 상기 연소실에서 배출된 고체 입자 및 배가스를 분리하는 사이클론; 상기 사이클론의 하부와 연결라인을 통해 연결되어, 상기 고체 입자를 포집하는 다운커머; 및 상기 다운커머의 하부와 연결되어, 상기 고체 입자가 저장되는 룹실;을 포함한다.

Description

유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법 {APPARATUS FOR EVALUATING COMBUSTION OF FUEL FOR FLUIDIZING-BED BOILER AND METHOD FOR EVALUATING COMBUSTION OF FUEL USING THE SAME}
본 발명은 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 유동층 보일러용 연료의 연소성 및 환경성을 평가할 수 있는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치 및 이를 이용한 연료의 연소평가방법에 관한 것이다.
순환 유동층 연소는 고온의 모래 등의 유동매체가 충전된 연소로 내부에 석탄 및 고체 연료 등의 연료를 주입하고 함께 유동시켜 연소시키는 방식이다. 상기 순환 유동층 연소는 연소 반응이 빠르고, 일반 석탄 화력 연소 방식에 비해 조업 온도가 상대적으로 낮아 질소산화물의 발생량이 적다.
도 1은 일반적인 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 연소평가장치(100)는 연료 저장부(10)에 저장된 고체연료가 연료 피더(11)를 통해 연소실(20) 내부에 장입되고, 고체연료는 연소실(20) 내부에 충전된 유동매체(모래)와 혼합되어 연소가 시작되며, 이때 발생하는 고체 혼합물(모래, 회재, 미연탄소 등)과 연소가스(이산화탄소, 산소, 질소산화물, 황산화물 및 일산화탄소 등)는 연소실 상부(22)를 거쳐, 사이클론(30)으로 이송되며, 사이클론(30)에서 고체 및 기체 성분이 분리되어, 기체 성분은 백패스(24)를 통해 후단으로 이송되고, 고체 성분은 룹실(loop-seal)(40)을 거쳐, 이송관(26)을 통해 연소로(20)에 유입된다. 이때, 연소용 공기는 1차 공기(1) 및 2차 공기(2) 등으로 구분되어 연소실(20)에 공급되며, 연소로의 온도 유지를 위해 연소실(20) 외부에 구비되는 외부히터(50)가 사용된다.
그러나 이러한 연소평가장치(100)를 사용하여 연료의 연소평가시험을 진행하는 경우, 연소로 온도유지를 위해 외부히터(50)를 열원으로 사용하여 열손실이 크고 경제성이 낮으며, 연료 투입이 피더(11)에 구비된 스크류(미도시)의 회전수에 의해 제어되는 점에서, 연료의 균일한 공급이 어려운 문제가 있었다. 또한 연소실(20)의 압력 변동에 따라 피더(11)로 기체의 역흐름이 발생하여 연료 저장부(10)에 화재가 발생하는 등 장치의 안정성이 낮고, 기체 및 고체 성분의 샘플링이 제한적이었으며, 연소실(20)의 위치별 연소 분율 측정과 실시간 고체 순환량 측정이 어려워 연료의 연소성 및 환경성 평가 결과의 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명과 관련한 선행기술로는 일본 공개특허공보 제1998-227412호(1998.08.25 공개, 발명의 명칭: 유동층 보일러의 평가 장치 및 그 평가 방법)가 있다. 상기 문헌에는 고체 입자를 충전하는 케이스; 상기 케이스의 하방 내부에 배치되는 가스 분출 수단; 상기 가스 분출 수단에서 케이스 내부로 연료가스 및 지연가스를 불어넣는 가스공급수단; 상기 케이스 내부의 연소 가스를 채취하는 연소 가스 채취 수단; 및 상기 연소 가스 채취 수단에 의해 채취된 연소 가스의 산소 농도를 계측하는 계측 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러의 평가 장치 및 평가 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 연료의 연소성 및 환경성 평가결과의 정확성 및 신뢰성이 우수한 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 안정성이 우수한 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료의 위치별 연소 분율 및 실시간 고체 순환량의 측정이 가능한 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 히터 없이 연료 연소열로 연소실의 온도유지가 가능하여 경제적인 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 유동층 보일러용 연료의 연소시험장치에 관한 것이다. 상기 연소시험장치는 연료 및 유동매체를 유동 연소시키는 연소실; 상기 연소실 하부의 일측에 구비되어, 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 연소실의 상부와 연결되어, 상기 연소실에서 배출된 고체 입자 및 배가스를 분리하는 사이클론; 상기 사이클론의 하부와 연결라인을 통해 연결되어, 상기 고체 입자를 포집하는 다운커머; 및 상기 다운커머의 하부와 연결되어, 상기 고체 입자가 저장되는 룹실;을 포함하며, 상기 연료공급부는, 연료가 저장되는 연료저장조, 상기 연료저장조의 상부에 구비되어 상기 연료의 중량을 측정하는 중량측정부 및 상기 연료저장조 하부에 구비되며, 내부에 구비된 스크류를 회전하여 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 피더를 포함하고, 상기 연소실은, 하부 측벽의 적어도 일부가 제1 내화물로 이루어지고, 상기 제1 내화물을 제외한 영역은 제2 내화물로 이루어지는 것이며, 상기 연소실 하부에는 분산판이 배치되어 제1 공기 및 추적가스가 유입되고, 상기 제1 내화물은 상기 분산판이 형성된 위치를 기준으로 이격 형성되며, 상기 사이클론에서 분리된 배가스는 백패스를 통해 외부로 배출되고, 상기 제1 내화물의 일측에는 상기 연료 피더와 연결되는 제1 유입관이 형성되어 상기 연료가 상기 연소실로 유입되며, 상기 룹실에 저장된 고체 입자는 상기 제1 내화물의 타측을 관통하여 형성된 이송관을 통해 상기 연소실로 유입되고, 상기 연소실 측벽의 제2 내화물에는 2차 공기 공급관이 형성되어 2차 공기가 유입된다.
한 구체예에서 상기 제2 내화물은 인코넬(Inconel) 재질을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 내화물의 높이(H)는, 상기 분산판이 형성된 위치를 기준으로 0.1~1.0m의 높이로 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 내화물이 형성된 영역의 외경(A1)은, 하기 식 1을 만족할 수 있다:
[식 1]
B1 ≤ A1 < B2
(상기 식 1에서, 상기 B1은 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 내경이며, B2는 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 외경이다).
한 구체예에서 상기 제1 유입관은 상기 연소실 측벽과 135° 이상의 각도를 이루며 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 연소실의 제2 내화물이 형성된 측벽에는 하나 이상의 공기 냉각식 고체입자층이 더 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 연료 피더 및 제1 유입관의 연결 부위에는 퍼징 가스 유입구가 더 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에는, 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부가 각각 구비될 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차는 2m 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법을 제공하는 것이다. 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법에 있어서, 연료 투입량을 설정하고, 상기 연료 투입량에 대응하는 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계; 및 상기 설정된 회전수에 따라 스크류를 회전하여 연소실에 연료를 투입하고, 상기 연소실에 1차 공기, 2차 공기 및 추적 가스를 투입하여 연소하는 단계;를 포함하며, 상기 연소시, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정한다.
한 구체예에서 상기 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계는, 연료 투입량을 설정하는 단계; 상기 설정된 연료 투입량을 연소실에 투입하기 위한 연료피더의 스크류 회전수를 결정하는 단계; 상기 스크류 회전수를 적용하여 연소실에 연료를 투입하고, 중량측정부에서 연료저장부의 중량 변화를 이용하여 연료 투입량을 복수 회 측정 후, 평균하여 연료 투입량 측정값을 계산하는 단계; 연료 투입량 설정값과 측정값의 오차율을 계산하는 단계; 및 상기 오차율이 2% 이하인 경우 상기 스크류 회전수를 유지하되, 상기 오차율이 2%를 초과하는 경우, 상기 연료피더의 스크류의 회전수를 재설정하는 단계;를 포함하여 설정될 수 있다.
한 구체예에서 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정하는 단계는, 상기 연소로를 높이 방향을 기준으로 복수 개의 구간으로 분할하고, 산소 측정기 및 추적가스 측정기를 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 산소 및 추적가스의 농도를 측정하는 단계; 상기 측정된 추적가스 농도값을 보정하는 단계; 상기 산소와 추적가스의 투입 유량과, 상기 보정된 추적가스 농도값을 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 연소가스량을 계산하는 단계; 및 상기 출구 위치의 연소가스량을 이용하여 각 구간별 연소 분율을 측정하는 단계;를 포함하여 도출된다.
한 구체예에서 상기 연소평가방법은, 상기 연소시 상기 연소평가장치의 연소실에서 배출된 고체 입자의 순환량을 더 측정하며, 상기 고체 입자 순환량은, 상기 연소시, 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에 구비된 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 압력차를 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 고체 입자 순환량은 하기 식 1을 통해 도출될 수 있다:
[식 1]
고체 입자 순환량(kg/m2s) = 고체 입자 분율 x 고체 입자 밀도(kg/m3) x 고체 입자 유속(m/s)
(상기 수식 1에서, 상기 고체 입자 분율 및 고체 입자 유속은 각각 하기 수식 2 및 수식 3을 통해 도출된다)
[수식 2]
고체 입자 분율 = (제1 및 제2 압력 측정부의 압력차(mmH2O))/(고체 입자 밀도(kg/m3)) X (제1 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차(m))
[수식 3]
고체 입자 유속(m/s) = 0.0531 x 다운커머 직경(inch) + 0.029.
본 발명은 순환유동층보일러에서 사용하는 연료의 연소성 및 환경성을 평가할 수 있는 시험장치 및 시험방법에 관한 것으로 연료에 대한 상호비교가 가능하여 실제 상용유동층 발전소에 활용될 수 있는 기술이다. 기존 시험장치는 연소실의 온도유지를 위해 외부히터로 열원을 공급하여 열손실이 크며 비경제적이다. 또한 고체 연료의 균일한 공급이 어렵고, 연소실의 압력변동에 따라 연료공급설비로 기체의 역흐름이 발생하여 연료가 연소실로 투입되기 전에 연소가 발생하여 연료저장조에서 화재가 발생하는 등의 위험성이 높아 연료에 대한 연소성 및 환경성 평가 결과를 신뢰하기 어려웠다. 본 발명에서는 기존의 문제점을 해결함과 동시에 또한 연소실 각 단에서 연료의 연소성과 환경성을 효과적으로 분석하여 각 위치별 연소분율과 고체 순환량 등 기존 장치에서는 측정할 수 없었던 중요한 Scale-up 인자도 측정할 수 있다.
도 1은 일반적인 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 유동층 보일러용 연료의 연소시험장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 연소시험장치의 연료공급부를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 연소시험장치의 사이클론 및 다운커머를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 연소평가장치의 연소로 높이에 따른 He 농도 분포를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 연소시험장치의 연소실의 높이에 따른 온도 및 압력 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 연소시험장치를 이용한 연소 평가 시험 중 측정한 연료 투입량의 변화결과를 도시한 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
유동층 보일러용 연료의 연소시험장치
본 발명의 하나의 관점은 유동층 보일러용 연료의 연소시험장치에 관한 것이다. 도 2은 본 발명의 한 구체예에 따른 유동층 보일러용 연료의 연소시험장치를 나타낸 것이며, 도 3은 상기 연소시험장치의 연료공급부를 나타낸 것이다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 연소시험장치(1000)는 연료 및 유동매체를 유동 연소시키는 연소실(200); 상기 연소실 하부의 일측에 구비되어, 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료공급부; 연소실 상부(202)와 연결되어, 연소실(200)에서 배출된 고체 입자 및 배가스를 분리하는 사이클론(220); 사이클론(220)의 하부와 연결라인을 통해 연결되어, 상기 고체 입자를 포집하는 다운커머(230); 및 다운커머(230)의 하부와 연결되어, 상기 고체 입자가 저장되는 룹실(240);을 포함하며, 상기 연료공급부는, 연료가 저장되는 연료저장조(101a, 101b), 연료저장조의 상부에 구비되어 상기 연료의 중량을 측정하는 중량측정부(102a, 102b) 및 상기 연료저장조 하부에 구비되며, 내부에 구비된 스크류(112)를 회전하여 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 피더(110)를 포함하고, 사이클론(220)에서 분리된 배가스는 백패스(210)를 통해 외부로 배출되며, 룹실(240)에 저장된 고체 입자는 이송관(242)을 통해 연소실(200)로 유입된다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면 연소실(200)은, 하부 측벽의 적어도 일부가 제1 내화물(300)로 이루어지고, 제1 내화물(300)을 제외한 영역은 제2 내화물(320)로 이루어지며, 연소실(200) 하부에는 분산판(330)이 배치되어 제1 공기(4) 및 추적가스(5)가 유입된다. 한 구체예에서 추적가스(5)는 헬륨(He) 가스를 포함할 수 있다. 상기 헬륨 가스를 적용시, 연소 반응에 의한 간섭을 최소화할 수 있어, 연소시험장치(1000)의 위치별 연소 분율 측정 및 분석이 용이할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 내화물은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 내화물은 알루미나, 실리카, 점토질 및 탄화규소질 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 내화물은 인코넬(Inconel) 재질을 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 인코넬 재질은, 니켈(Ni)을 포함하는 내열합금일 수 있다. 예를 들면, 니켈 100 중량부, 크롬(Cr) 5~20 중량부, 철(Fe) 5~7 중량부, 티타늄(Ti) 2~5 중량부, 알루미늄(Al), 망간(Mn) 및 실리콘(Si) 5 중량부 이하를 포함할 수 있다. 상기 인코넬 재질로 제2 내화물을 형성시, 내부식성이 우수하여 본 발명의 연소시험장치의 내구성이 우수할 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 제1 내화물(300)은 분산판(330)이 형성된 위치를 기준으로 일정 거리 이격된 위치에 형성된다. 한 구체예에서 제1 내화물의 높이(H)는 0.1~1.0m 일 수 있다. 상기 조건에서 제1 내화물을 형성시, 분산판에 의한 1차 공기의 확산을 저해하지 않으면서, 내화성이 우수하여, 연소시험시, 열전도로 인하여 연료공급부에 열이 전달되어 화재 및 폭발이 발생하는 현상을 방지하여 작업안정성이 우수할 수 있다.
상기 내화물 높이(H)가 분산판 위치를 기준으로 0.1m 미만의 위치에서 형성시, 분산판에 의한 1차 공기의 분산효과가 저하될 수 있다.
제1 내화물(300)의 일측에는, 연료 피더(110)와 연결되는 제1 유입관(114)이 형성되어 상기 연료가 상기 연소실로 유입되며, 상기 연소실 측벽의 제2 내화물(310)에는 2차 공기 공급관(미도시)이 형성되어 2차 공기(6)가 유입된다.
한 구체예에서 상기 제2 내화물이 형성된 영역의 외경(A1)은, 하기 식 1을 만족하여 형성될 수 있다:
[식 1]
B1 ≤ A1 < B2
(상기 식 1에서, 상기 B1은 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 내경이며, B2는 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 외경이다).
상기 조건에서 연소실 내부에서 연소 시험시, 연소시 연료 및 유동매체 등에 의해 제1 내화물의 마모되어 파손되는 현상을 방지할 수 있다.
한 구체예에서 제1 유입관(114)은 연소실(200) 측벽과 135° 이상의 각도를 이루며 형성될 수 있다. 상기 조건에서 제1 유입관(114) 내부에서 연료가 정체되지 않아 작업 효율이 우수할 수 있다. 예를 들면 135~170°일 수 있다.
한 구체예에서 상기 연소실의 제2 내화물이 형성된 측벽에는 하나 이상의 공기 냉각식 고체입자층(310)이 더 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 도 2와 같이 연소실(200)의 상부 및 하부에 구비될 수 있다. 상기 조건에서 정확한 연소로 온도 제어가 가능할 수 있다.
한 구체예에서 상기 고체입자층은, 알루미나 및 실리카 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 성분을 포함시, 정확한 연소로 온도 제어가 가능할 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 연료 피더(110) 및 제1 유입관(114)의 연결 부위에는 퍼징 가스 유입구(116)가 더 형성되어, 퍼징 가스가 유입될 수 있다. 한 구체예에서 퍼징 가스는 공기 및 질소 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 질소를 포함할 수 있다. 상기 퍼징 가스를 주입시, 상기 연료 공급부와, 연소실 내부의 압력을 용이하게 조절하여 연료 무게 측정값의 정확성이 우수할 수 있다.
또한, 연료저장부(101a, 101b)의 하부에서 연료의 중량을 측정하는 경우, 연료공급계통 전체 중량을 측정하여야 하므로 실제 연료의 중량 측정에 어려움이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 연료저장부(101a, 101b)의 상부에 중량측정부(102a, 102b)를 구비하여 연료 중량을 측정하며, 연료저장부와 연료피더는 플렉서블 플라스틱 소재의 연결관(103a, 103b)을 통해 연결할 수 있다. 상기 조건에서, 연료 중량 측정값의 정확성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 연료 피더(110)의 스크류(112)는 제1 내화물(300)과 접촉하지 않도록 구비되어, 금속 소재가 접촉하여 열전도를 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 사이클론 및 다운커머를 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면 사이클론(220)과 다운커머(230)의 열적 변형을 방지하기 위하여, 연결라인(236)은 플렉서블한 금속 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에서 연소실(200)에서 배출된 고체 입자 및 배가스는 사이클론(220)에서 분리되어 배가스는 백패스(210)로 배출되며, 고체 입자는 다운커머(230)를 통해 룹실(240)로 이동하게 된다. 한 구체예에서 상기 고체 입자는 유동매체 및 회분 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 한 구체예에서 복수 개의 사이클론을 적용할 수 있다.
한 구체예에서는 다운커머(230) 특정 위치 사이의 압력차를 측정하고, 이를 이용하여 본 발명의 고체 입자 순환량을 측정할 수 있다. 특히 다운커머 특정 위치 사이의 압력차 값은, 고체 입자 순환량과 밀접한 관계를 가지며, 본 발명의 연료평가장치의 운전조건 변화에 따라 고체 순환량이 일정하게 상승하는 경향을 보였는데, 연료의 변화보다는 운전 조건에 강한 상관관계를 보였으며, 이를 통해 다운커머 특정위치 차압측정을 통해 고체 순환량을 예측할 수 있음을 알 수 있다.
한 구체예에서 사이클론(220)과 연결라인(236)의 연결 부위 및 상기 다운커머(240)의 하부에는, 제1 압력 측정부(232) 및 제2 압력 측정부(234)가 각각 구비될 수 있다. 한 구체예에서 제1 압력 측정부(232) 및 제2 압력 측정부(234) 사이의 높이(D)차는 2m 이하이며, 상기 조건의 위치에서 압력 차이를 측정시, 고체 입자 순환량 예측값의 정확성이 우수할 수 있다. 예를 들면 0.5~2m일 수 있다.
유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법
본 발명의 다른 관점은 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법에 관한 것이다. 상기 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법에 있어서, 연료 투입량을 설정하고, 상기 연료 투입량에 대응하는 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계; 및 상기 설정된 회전수에 따라 스크류를 회전하여 연소실에 연료를 투입하고, 상기 연소실에 1차 공기, 2차 공기 및 추적 가스를 투입하여 연소하는 단계;를 포함하며, 상기 연소시, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정한다.
한 구체예에서 상기 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계는, 연료 투입량을 설정하는 단계; 상기 설정된 연료 투입량을 연소실에 투입하기 위한 연료피더의 스크류 회전수를 결정하는 단계; 상기 스크류 회전수를 적용하여 연소실에 연료를 투입하고, 중량측정부에서 연료저장부의 중량 변화를 이용하여 연료 투입량을 복수 회 측정 후, 평균하여 연료 투입량 측정값을 계산하는 단계; 연료 투입량 설정값과 측정값의 오차율을 계산하는 단계; 및 상기 오차율이 2% 이하인 경우 상기 스크류 회전수를 유지하되, 상기 오차율이 2%를 초과하는 경우, 상기 연료피더의 스크류의 회전수를 재설정하는 단계;를 포함하여 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 회전수를 증감(+1Hz 또는 -1Hz)하여 연료 투입량을 복수 회 측정하여 구할 수 있다.
한 구체예에서 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정하는 단계는, 상기 연소로를 높이 방향을 기준으로 복수 개의 구간으로 분할하고, 산소 측정기 및 추적가스 측정기를 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 산소 및 추적가스의 농도를 측정하는 단계; 상기 측정된 추적가스 농도값을 보정하는 단계; 상기 산소와 추적가스의 투입 유량과, 상기 보정된 추적가스 농도값을 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 연소가스량을 계산하는 단계; 및 상기 출구 위치의 연소가스량을 이용하여 각 구간별 연소 분율을 측정하는 단계;를 포함하여 도출될 수 있다.
예를 들면, 하기 식 a에 따라 각 구간별 연소분율을 도출하여 측정할 수 있다:
[식 a]
Figure pat00001
(상기 식 a에서, 상기 각 구간의 입구(출구) 산소 유량(L/min)은, 하기 식 b를 만족한다)
[식 b]
각 구간 입구(출구) 산소 유량(L/min) = 각 구간 입구(출구) 의 연소가스 유량(L/min) x 산소 농도(%)/100
(상기 식 b에서 상기 각 구간 입구(출구) 연소 가스 유량은 하기 식 c를 만족한다)
[식 c]
각 구간 입구(출구) 연소 가스 유량(L/min) = (추적가스 투입량(L/min) x 100/(추적가스 농도(%))
각 구간별 산소농도는 각 입구(출구)에 가스 샘플링라인을 설치하여 산소분석기로 측정하면 쉽게 알 수 있다. 그러나 각 입구(출구)의 연소가스량은 측정하기 매우 어렵다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위해서 추적 가스로 헬륨(He) 가스를 사용하였으며, 이를 1차 공기와 혼합하여 연소로에 주입하였다. 고체 연료 연소반응에서 He 가스는 생성되지 않으므로, 어느 위치에서나 He의 유량(L/min)은 일정하여야 한다. 따라서 발생한 연소가스량은 상기 식 c로부터 구할 수 있다.
여기서 He 투입량은 이미 알고 있는 값이며, He 농도는 산소농도 측정시 같은 위치에서 He 농도 분석기를 사용하여 측정하면 된다.
도 5는 본 발명의 연소평가장치의 연소로 높이에 따른 He 농도 분포를 도시한 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 연소평가장치의 높이에 따라, He 가스 농도의 차이가 있음을 알 수 있으며, 연소로 위치에 따라 연소 정도가 상이함을 알 수 있다. 또한, He 가스는 연소배가스 중 다량 포함된 이산화탄소와 일정부분 간섭이 가능하므로 He 분석기 사용시에는 반드시 실시간으로 이산화탄소 농도에 대한 보정이 진행되어야 한다.
한 구체예에서 상기 연소평가방법은, 상기 연소시 상기 연소평가장치의 연소실에서 배출된 고체 입자의 순환량을 더 측정하며, 상기 고체 입자 순환량은, 상기 연소시, 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에 구비된 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 압력차를 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 고체 입자 순환량은 하기 식 1을 통해 도출될 수 있다:
[수식 1]
고체 입자 순환량(kg/m2s) = 고체 입자 분율 x 고체 입자 밀도(kg/m3) x 고체 입자 유속(m/s)
(상기 식 1에서, 상기 고체 입자 분율 및 고체 입자 유속은 각각 하기 식 2 및 도 3을 통해 도출된다)
[수식 2]
고체 입자 분율 = (제1 및 제2 압력 측정부의 압력차(mmH2O))/(고체 입자 밀도(kg/m3)) X (제1 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차(m))
[수식 3]
고체 입자 유속(m/s) = 0.0531 x 다운커머 직경(inch) + 0.029.
본 발명은 순환유동층보일러에서 사용하는 연료의 연소성 및 환경성을 평가할 수 있는 시험장치 및 시험방법에 관한 것으로 연료에 대한 상호비교가 가능하여 실제 상용유동층 발전소에 활용될 수 있는 기술이다. 기존 시험장치는 연소실의 온도유지를 위해 외부히터로 열원을 공급하여 열손실이 크며 비경제적이다. 또한 고체 연료의 균일한 공급이 어렵고, 연소실의 압력변동에 따라 연료공급설비로 기체의 역흐름이 발생하여 연료가 연소실로 투입되기 전에 연소가 발생하여 연료저장조에서 화재가 발생하는 등의 위험성이 높아 연료에 대한 연소성 및 환경성 평가 결과를 신뢰하기 어려웠다. 본 발명에서는 기존의 문제점을 해결함과 동시에 또한 연소실 각 단에서 연료의 연소성과 환경성을 효과적으로 분석하여 각 위치별 연소분율과 고체 순환량 등 기존 장치에서는 측정할 수 없었던 중요한 Scale-up 인자도 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 비교예
실시예
도 2 내지 도 4와 같은 연소평가장치를 이용하여 연료의 연소평가를 실시하였다. 상기 연소평가장치(1000)는, 연료 및 유동매체를 유동 연소시키는 연소실(200); 연소실(200) 하부의 일측에 구비되어, 연소실(200)에 연료를 공급하는 연료공급부; 연소실(200)의 상부와 연결되어, 연소실(200)에서 배출된 고체 입자 및 배가스를 분리하는 사이클론(220); 사이클론(220)의 하부와 연결라인을 통해 연결되어, 상기 고체 입자를 포집하는 다운커머(230); 및 다운커머(230)의 하부와 연결되어, 상기 고체 입자가 저장되는 룹실(240);을 포함하며, 이때 도 2에는 도시되지 않았으나 사이클론은, 2개를 연결하여 사용하였다.
상기 연료공급부는, 연료가 저장되는 연료저장조(101a, 101b), 연료저장조(101a, 101b)의 상부에 구비되어 상기 연료의 중량을 측정하는 중량측정부(102a, 102b) 및 연료저장조(101a, 101b) 하부에 구비되고, 플렉서블 플라스틱을 통해 연료저장조와 연결되며, 내부에 구비된 스크류(112)를 회전하여 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 피더(110)를 포함하였다.
연소실(200)은, 하부 측벽의 적어도 일부가 제1 내화물(300)로 형성되고, 제1 내화물(300)을 제외한 영역은 인코넬(Inconel) 재질의 제2 내화물(320)로 형성하였다. 이때, 연소실(200) 하부에는 분산판(330)이 배치되어 제1 공기 및 추적가스가 유입되었으며, 제1 내화물(300)은 분산판(330)이 형성된 위치를 기준으로 0.85m의 높이로 이격되어 형성하였다. 또한, 연소실(200)의 제1 내화물과 연소실 상부(202) 사이, 제2 내화물이 형성된 측벽 외주면을 따라, 2개의 공기 냉각식 고체입자층(310)을 이격하여 형성하였다.
제1 내화물의 일측에는 연료 피더(110)와 연결되는 제1 유입관(114)이 형성되어 연료가 유입되고, 제1 유입관(114)과 연료 피더(110)의 연결부위에 형성된 퍼징 가스 유입구(116)를 통해, 퍼징 가스(질소 가스)가 연소실(200)로 유입되었다. 이때 제1 유입관(114)은, 연소실(200)의 측벽과 140°의 각도를 이루며 형성되었다. 또한, 연소실 측벽의 제2 내화물이 형성된 영역에는 2차 공기 공급관(미도시)이 형성되어 2차 공기가 연소실 내부로 유입되었다. 사이클론(220)에서 분리된 배가스는 백패스(210)를 통해 외부로 배출되며, 상기 룹실에 저장된 고체 입자는 제1 내화물(300)의 타측을 관통하여 형성된 이송관(242)을 통해, 연소실(200)로 유입되었다.
상기 도 4와 같이, 사이클론(220)과 연결라인(236)의 연결 부위 및 다운커머(230) 하부에는 내부 압력을 측정하기 위해 제1 압력 측정부(232) 및 제2 압력 측정부(234)를 각각 구비하였으며, 제1 압력 측정부(232) 및 제2 압력 측정부(234) 사이의 높이차(D)는 2m 가 되도록 설정하였다.
상기 연소평가장치를 이용하여 유동층 보일러용 연료의 연소평가를 실시하였다. 구체적으로, 연료 투입량을 설정하고, 상기 연료 투입량에 대응하는 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하고, 상기 설정된 회전수에 따라 스크류를 회전하여 연소실에 연료를 투입하고, 상기 연소실에 1차 공기, 2차 공기 및 추적 가스를 투입하여 연소하였으며, 상기 연소시, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율과 연소실에서 배출된 고체 입자의 순환량을 측정하였다.
구체적으로 상기 연료 피더의 스크류 회전수 설정은, 연소실에 투입할 연료(석탄)의 투입량을 설정하고, 상기 설정된 연료 투입량을 연소실에 투입하기 위한 연료피더의 스크류 회전수를 결정하였다. 그 다음에, 상기 스크류 회전수를 적용하여 연소실에 연료를 투입하고, 중량측정부에서 연료저장부의 중량 변화를 이용하여 연료 투입량을 복수 회 측정 후, 평균하여 연료 투입량 측정값을 계산하고, 연료 투입량 설정값과 측정값의 오차율을 계산하였다. 상기 오차율이 2% 이하인 경우 상기 스크류 회전수를 유지하되, 상기 오차율이 2%를 초과하는 경우, 상기 연료피더의 스크류의 회전수를 재설정하는 단계;를 포함하여 설정하였다.
상기와 같이 설정된 회전수에 따라 스크류를 회전하여 연소실에 연료를 투입하고, 상기 연소실에 1차 공기, 2차 공기 및 추적 가스를 투입하여 연소하였다. 상기 연소시, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율과 고체 입자 순환량을 측정하였다.
이때, 1차 공기는 500L/min, 2차 공기는 300L/min 및 추적가스(He)는 40L/min의 유량을 사용하였고, 1단 출구에서의 산소농도가 3%, He 농도가 8%였으며 2단 출구에서의 산소농도가 9%, He 농도가 6%, 최종단에서의 산소농도가 4%, He 농도가 4% 인 경우, 각 단에서의 연소분율은 아래와 같이 계산할 수 있다.
산소 투입총량 = 800 * 0.21 =168 L/min
산소 배출총량 = 출구 연소가스유량 * 출구 산소농도 = 40*100/4 * 4/100 = 40 L/min
산소 총 소모량 = 168 - 40 = 128 L/min
1단에서 산소 투입량 = 500 * 0.21 = 105 L/min
1단에서 산소 배출량 = 출구 연소가스유량 * 출구 산소농도 = 40*100/8*3/100 = 15L/min
1단에서 산소 소모량 = 105 - 15 = 90 L/min
1단에서 연소 분율 = 90/128 *100 = 70%
2단에서 산소 투입량 = 300 * 0.21 + 15 = 78 L/min
2단에서 산소 배출량 = 출구 연소가스유량 * 출구 산소농도 = 40*100/6*9/100 = 60L/min
2단에서 산소 소모량 = 78 - 60 = 18 L/min
2단에서 연소 분율 = 18/128 * 100 = 14%
상기 고체 입자 순환량은, 상기 연소시, 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에 구비된 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 압력차를 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 고체 입자 순환량은 하기 수식 1을 통해 도출하였다:
[수식 1]
고체 입자 순환량(kg/m2s) = 고체 입자 분율 x 고체 입자 밀도(kg/m3) x 고체 입자 유속(m/s)
(상기 식 1에서, 상기 고체 입자 분율 및 고체 입자 유속은 각각 하기 수식 2 및 수식 3을 통해 도출된다)
[수식 2]
고체 입자 분율 = (제1 및 제2 압력 측정부의 압력차(mmH2O))/(고체 입자 밀도(kg/m3)) X (제1 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차(m))
[수식 3]
고체 입자 유속(m/s) = 0.0531 x 다운커머 직경(inch) + 0.029.
한편, 도 6은 상기 연소시험장치의 연소실의 높이에 따른 온도 및 압력 프로파일을 도시한 그래프이다. 상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 연소시험장치 연소시, 온도와 압력 모두 전형적인 유동층 보일러의 거동을 보임을 알 수 있다. 특히, 연소시험장치의 운전 조건에 따라 연소로 상부온도를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 운전조건에 따라 연소로 하부압력도 이에 상응하게 변화함을 확인할 수 있었다.
도 7은 상기 연소시험장치를 이용한 연소 평가 시험 중 측정한 연료 투입량의 변화결과를 도시한 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 연소시험장치를 이용한 연료의 연소 평가 방법을 적용시, 연료 투입량은 시간의 경과에 따라 일정하게 변화함을 알 수 있으며, 그 상관관계가 99% 이상임을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
1: 1차 공기 2: 2차 공기
4: 1차 공기 5: 추적가스
6: 2차 공기 10: 연료 저장부
11: 연료 피더 20: 연소실
22: 연소실 상부 24: 백패스
26: 이송관 30: 사이클론
40: 룹실 50: 외부히터
100: 연소평가장치 101a, 101b: 연료 저장부
102a, 102b: 중량측정부 103a, 103b: 연결관
110: 연료 피더 112: 스크류
114: 제1 유입관 116: 퍼징 가스 유입구
200: 연소실 202: 연소실 상부
210: 백패스 220: 사이클론
230: 다운커머 232: 제1 압력측정부
234: 제2 압력측정부
236: 연결라인 240: 룹실
242: 이송관 300: 제1 내화물
310: 공기 냉각식 고체입자층
320: 제2 내화물 330: 분산판
1000: 연소평가장치

Claims (13)

  1. 연료 및 유동매체를 유동 연소시키는 연소실;
    상기 연소실 하부의 일측에 구비되어, 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 연소실의 상부와 연결되어, 상기 연소실에서 배출된 고체 입자 및 배가스를 분리하는 사이클론;
    상기 사이클론의 하부와 연결라인을 통해 연결되어, 상기 고체 입자를 포집하는 다운커머; 및
    상기 다운커머의 하부와 연결되어, 상기 고체 입자가 저장되는 룹실;을 포함하며,
    상기 연료공급부는, 연료가 저장되는 연료저장조, 상기 연료저장조의 상부에 구비되어 상기 연료의 중량을 측정하는 중량측정부 및 상기 연료저장조 하부에 구비되며, 내부에 구비된 스크류를 회전하여 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 피더를 포함하고,
    상기 연소실은, 하부 측벽의 적어도 일부가 제1 내화물로 이루어지고, 상기 제1 내화물을 제외한 영역은 제2 내화물로 이루어지는 것이며,
    상기 연소실 하부에는 분산판이 배치되어 제1 공기 및 추적가스가 유입되고,
    상기 제1 내화물은 상기 분산판이 형성된 위치를 기준으로 이격 형성되며,
    상기 사이클론에서 분리된 배가스는 백패스를 통해 외부로 배출되고,
    상기 제1 내화물의 일측에는 상기 연료 피더와 연결되는 제1 유입관이 형성되어 상기 연료가 상기 연소실로 유입되며,
    상기 룹실에 저장된 고체 입자는 상기 제1 내화물의 타측을 관통하여 형성된 이송관을 통해 상기 연소실로 유입되고,
    상기 연소실 측벽의 제2 내화물에는 2차 공기 공급관이 형성되어 2차 공기가 유입되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 내화물은 인코넬(Inconel) 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내화물의 높이는, 상기 분산판이 형성된 위치를 기준으로 0.1~1.0m의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 내화물이 형성된 영역의 외경(A1)은, 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치:
    [식 1]
    B1 ≤ A1 < B2
    (상기 식 1에서, 상기 B1은 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 내경이며, B2는 상기 제1 내화물이 형성된 영역의 외경이다).
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 유입관은 상기 연소실 측벽과 135° 이상의 각도를 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 제2 내화물이 형성된 측벽에는 하나 이상의 공기 냉각식 고체입자층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료 피더 및 제1 유입관의 연결 부위에는 퍼징 가스 유입구가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에는 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차는 2m 이하인 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치.
  10. 제1항 내지 9항중 어느 한 항의 유동층 보일러용 연료의 연소평가장치를 이용한 연료의 연소평가방법에 있어서,
    연료 투입량을 설정하고, 상기 연료 투입량에 대응하는 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계; 및
    상기 설정된 회전수에 따라 스크류를 회전하여 연소실에 연료를 투입하고, 상기 연소실에 1차 공기, 2차 공기 및 추적 가스를 투입하여 연소하는 단계;를 포함하며,
    상기 연소시, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정하는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연료 피더의 스크류 회전수를 설정하는 단계는, 연료 투입량을 설정하는 단계;
    상기 설정된 연료 투입량을 연소실에 투입하기 위한 연료피더의 스크류 회전수를 결정하는 단계;
    상기 스크류 회전수를 적용하여 연소실에 연료를 투입하고, 중량측정부에서 연료저장부의 중량 변화를 이용하여 연료 투입량을 복수 회 측정 후, 평균하여 연료 투입량 측정값을 계산하는 단계;
    연료 투입량 설정값과 측정값의 오차율을 계산하는 단계; 및
    상기 오차율이 2% 이하인 경우 상기 스크류 회전수를 유지하되, 상기 오차율이 2%를 초과하는 경우, 상기 연료피더의 스크류의 회전수를 재설정하는 단계;를 포함하여 설정되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 연소평가장치의 위치별 연소 분율을 측정하는 단계는,
    상기 연소로를 높이 방향을 기준으로 복수 개의 구간으로 분할하고, 산소 측정기 및 추적가스 측정기를 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 산소 및 추적가스의 농도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 추적가스 농도값을 보정하는 단계;
    상기 산소와 추적가스의 투입 유량과, 상기 보정된 추적가스 농도값을 이용하여, 각 구간의 입구 및 출구 위치의 연소가스량을 계산하는 단계; 및
    상기 출구 위치의 연소가스량을 이용하여 각 구간별 연소 분율을 측정하는 단계;를 포함하여 도출되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 연소평가방법은, 상기 연소시 상기 연소평가장치의 연소실에서 배출된 고체 입자의 순환량을 더 측정하며,
    상기 고체 입자 순환량은, 상기 연소시, 상기 사이클론과 연결라인의 연결 부위 및 상기 다운커머 하부에 구비된 제1 압력 측정부 및 제2 압력 측정부 사이의 압력차를 측정하는 단계;를 포함하여 도출되며,
    상기 고체 입자 순환량은 하기 수식 1을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 유동층 보일러용 연료의 연소평가방법:
    [수식 1]
    고체 입자 순환량(kg/m2s) = 고체 입자 분율 x 고체 입자 밀도(kg/m3) x 고체 입자 유속(m/s)
    (상기 수식 1에서, 상기 고체 입자 분율 및 고체 입자 유속은 각각 하기 수식 2 및 수식 3을 통해 도출된다)
    [수식 2]
    고체 입자 분율 = (제1 및 제2 압력 측정부의 압력차(mmH2O))/(고체 입자 밀도(kg/m3)) X (제1 및 제2 압력 측정부 사이의 높이차(m))
    [수식 3]
    고체 입자 유속(m/s) = 0.0531 x 다운커머 직경(inch) + 0.029.
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