KR101230630B1

KR101230630B1 - 분말 연료 연소장치

Info

Publication number: KR101230630B1
Application number: KR1020100136774A
Authority: KR
Inventors: 전충환; 김성곤; 송주헌; 김규보; 이병화; 이천성
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2013-02-07
Also published as: KR20120074823A

Abstract

본 발명은 이종의 분말 연료가 반응로 내부에서 혼합되면서 연소되도록 하여 연소 효율을 향상시킬 수 있는 분말 연료 연소장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 분말 연료 연소장치는, 분말 연료의 연소가 이루어지는 반응로와, 상기 반응로의 일측부에 연결되며 일단부가 상기 반응로를 관통하여 반응로 내부에 위치되어 반응로 내부로 제1분말연료 및 제2분말 연료를 공급하여 혼합시키는 혼탄공급기와, 상기 혼탄공급기로 제1분말 연료 및 제2분말 연료를 공급하는 제1연료공급원과 제2연료공급원을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

분말 연료 연소장치{Apparatus for Buring Powdered Fuel}

본 발명은 이종의 분말 연료를 연소시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력 발전 장치 등에서 이종의 분말 연료(예컨대 저열량탄과 고열량탄)가 반응로 내부에서 혼합되면서 연소가 이루어질 있도록 한 분말 연료 연소장치에 관한 것이다.

최근 전력 산업은 전력 시장 개방에 따른 발전 회사의 발족 등으로 대표되는 전력 계통 운영 구조의 변화 속에서 경쟁적인 전력 시장의 환경이 구축되었다. 따라서, 경제적인 발전소 운영은 경쟁적인 전력 시장에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 전력을 공급하는 방법은 수력, 화력, 원자력 발전소 등이 있으며, 그 중 특히, 화력 발전소는 발전 설비를 운영하기 위해 연료를 외국에서 수입하여 지속적으로 공급해주어야 한다. 따라서, 화력 발전소는 연료로 쓰이는 석탄이 하역에서부터 부산물 및 배기 가스 처리까지 다양한 형태로 비용이 소모되며, 이러한 비용은 발전소를 운영하는 데 많은 부분을 차지하므로 석탄을 처리하는 데 드는 비용을 각 과정마다 합리적으로 관리한다면, 발전소 운영 비용을 크게 줄이고, 경제적인 발전소 운영이 가능하게 된다.

이러한 화력 발전에 소요되는 비용 절감을 위해 저열량탄을 고열량탄에 혼합한 혼탄을 보일러(이하 '반응로'라 함) 내에 공급하여 연소시키는 기술이 개발되어 사용되고 있다.

그런데, 현재 사용되고 있는 혼탄 기술은 저열량탄과 고열량탄을 반응로 외부에서 혼합시켜 혼탄을 만든 다음, 이 혼탄을 반응로 내로 공급하여 연소시키는 방법으로, 연소 효율을 향상시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 이종의 분말 연료(예컨대 저열량탄과 고열량탄)이 반응로 내부에서 혼합되면서 연소되도록 하여 연소 효율을 향상시킬 수 있는 분말 연료 연소장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분말 연료의 연소가 이루어지는 반응로와, 상기 반응로의 일측부에 연결되며 일단부가 상기 반응로를 관통하여 반응로 내부에 위치되어 반응로 내부로 제1분말연료 및 제2분말 연료를 공급하여 혼합시키는 혼탄공급기와, 상기 혼탄공급기로 제1분말 연료 및 제2분말 연료를 공급하는 제1연료공급원과 제2연료공급원을 포함하며; 상기 혼탄공급기는, 일단부에 상기 반응로 내부와 연통되는 연료배출구가 형성되어 있으며, 반응로 외부에서 상기 제1연료공급원과 연결되어 반응로 내부로 제1분말 연료를 공급하는 중공관 형태의 제1연료공급부재와; 상기 제1연료공급부재의 내측에 삽입되어 설치되고 반응로 외부에서 제2연료공급원과 연결되어 일단부의 연료배출구를 통해 반응로 내부로 제2분말 연료를 공급하는 중공관 형태의 제2연료공급관과, 상기 제2연료공급관의 외측을 둘러싸며 외부에서 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구가 형성되어 있는 냉각관을 구비하는 다중관 구조의 제2연료공급부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치를 제공한다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 혼탄공급기에 구성된 제1연료공급부재 하단부의 연료배출구를 통해 반응로 내부로 제1분말 연료가 공급되고, 상기 제1연료공급부재의 내측에 설치된 제2연료공급부재 하단부의 연료배출구를 통해 제2분말 연료가 공급되면서 상기 제1분말 연료와 혼합되어 연소가 이루어진다. 따라서, 이종의 분말 연료를 반응로 내부에서 혼합시켜 연소시킬 수 있으므로 연소 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 제2연료공급부재를 제1연료공급부재에 대해 이동 가능하게 구성할 경우, 제2연료공급부재를 통해 배출되는 제2분말 연료의 반응로 내부에서의 체류시간을 임의로 조정할 수 있으므로 최적의 연소 효율을 찾아 연소 공정을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 연료 연소장치의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 분말 연료 연소장치에 구성된 혼탄공급기의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 혼탄공급기의 종단면도이다.
도 4는 도 2의 혼탄공급기의 제2연료공급부재의 연료배출구 부분을 확대하여 나타낸 종단면도이다.
도 5는 도 1의 분말 연료 연소장치에 구성된 혼탄공급기의 다른 실시예를 나타낸 종단면도이다.
도 6은 도 1의 분말 연료 연소장치에 구성된 혼탄공급기의 또 다른 실시예를 나타낸 종단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분말 연료 연소장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 분말 연료 연소장치의 구성에 대해 설명한다. 도 1에 도시된 분말 연료 연소장치는 분말 연료의 연소가 이루어지는 반응로(10)와, 상기 반응로(10)의 상단부에 연결되어 반응로(10) 내부로 이종의 분말 연료(예컨대 저열량탄과 고열량탄)를 공급하여 반응로(10) 내부에서 혼합시키는 혼탄공급기(100)와, 상기 혼탄공급기(100)로 제1분말 연료 및 제2분말 연료를 공급하는 제1연료공급원(30)과 제2연료공급원(40) 및, 반응로(10) 내부로 연소에 필요한 산소(O2)를 공급하는 산소공급용기(50)를 포함한다.

상기 제1연료공급원(30) 및 제2연료공급원(40)은 제1분말 연료를 압송하기 위한 캐리어가스로서 질소가스(N2)를 사용하도록 구성되는데, 이 실시예에서 상기 제1연료공급원(30)은 질소가스용기(60)로부터 공급된 질소가스(N2)의 압력에 의해 제1분말 연료를 상기 혼탄공급기(100)로 공급하는 제1시린지펌프(31)(syringe pump)와, 상기 제1시린지펌프(31)에 연결된 제1바이브레이터(32)와, 상기 질소가스용기(60)로부터 제1시린지펌프(31)의 질소가스 공급을 제어하는 제1밸브(33)로 구성된다.

상기 제2연료공급원(40) 역시 제1연료공급원(30)과 마찬가지로 질소가스용기(60)로부터 공급된 질소가스(N2)의 압력에 의해 제2분말 연료를 상기 혼탄공급기(100)로 공급하는 제2시린지펌프(41)(syringe pump)와, 상기 제2시린지펌프(41)에 연결된 제2바이브레이터(42)와, 상기 질소가스용기(60)로부터 제2시린지펌프(41)의 질소가스 공급을 제어하는 제2밸브(43)로 구성된다.

상기 제1바이브레이터(32)와 제2바이브레이터(42)는 각각 제1시린지펌프(31)와 제2시린지펌프(41)에 진동을 일으킴으로써 제1,2분말 연료가 관로에 막히지 않고 원활하게 공급될 수 있도록 하는 작용을 한다.

상기 혼탄공급기(100)는 도 2 내지 도 4에 도시한 것과 같이, 상기 반응로(10)의 상단부에 수직하게 연결되는 중공관 형태의 제1연료공급부재(110)와, 상기 제1연료공급부재(110)의 내측에 삽입되게 설치되는 다중관 구조로 이루어진 제2연료공급부재(120)와, 상기 제2연료공급부재(120)를 상기 제1연료공급부재(110)에 결합시킴과 더불어 제2연료공급부재(120)를 이동 가능하게 지지하는 한 쌍의 마운트브라켓(130)을 포함하여 구성된다.

상기 제1연료공급부재(110)의 상부에는 상기 제1연료공급원(30)과 연결되는 연료주입구(112)가 제1연료공급부재(110)의 내부로 연통되게 형성된다. 그리고, 상기 제1연료공급부재(110)의 상단부에는 상기 마운트브라켓(130)이 탈착 가능하게 결합되는 원형의 마운팅부(115)가 일체로 형성되어 있다. 상기 제1연료공급부재(110)의 하단부는 상기 반응로(10)의 상단부와 연통되어 반응로(10) 내부로 제1분말 연료를 공급하는 연료배출구(111)를 형성한다.

상기 제2연료공급부재(120)는 반응로(10) 내부로 제2분말 연료를 공급하는 제2연료공급관(121)과, 상기 제2연료공급관(121)의 외측을 둘러싸는 냉각관(122)으로 구성된다. 상기 제2연료공급관(121)의 상단부는 상기 제2연료공급원(40)과 연결되어 제2분말 연료를 공급받는다. 그리고, 상기 제2연료공급관(121) 하단부에는 제2분말 연료가 반응로(10) 내부로 배출되는 연료배출구(121a)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 제2연료공급관(121)의 연료배출구(121a)는 제1연료공급부재(110)의 연료배출구(111)보다 약간 낮거나 동일한 지점에 위치하는 것이 바람직하며, 제1연료공급부재(110)에 대한 제2연료공급관(121)의 상하방향 이동에 의해 그 위치가 조정된다.

상기 냉각관(122)은 단일 구조로 이루어질 수도 있지만, 이 실시예에서와 같이 상기 제2연료공급관(121)의 외측을 둘러싸도록 배치되며 상부에 냉각수 유입구(123)가 형성되어 있는 내측 냉각관(122a)과, 상기 내측 냉각관(122a)의 외측을 둘러싸도록 배치되며 하부가 상기 내측 냉각관(122a)의 하부와 연통되어 내측 냉각관(122a)을 통해 냉각수가 유입되고 상부에 냉각수 배출구(124)가 형성되어 있는 외측 냉각관(122b)으로 구성된 2중관 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제2연료공급부재(120)의 제2연료공급관(121) 및 냉각관(122)은 그 자체로 다중관(이 실시예에서 3중관) 구조로 이루어질 뿐만 아니라, 상기 제1연료공급부재(110)의 내측에 동축상으로 설치되어 제1연료공급부재(110)와 함께 다중관 구조를 형성하게 된다.

상기 마운트브라켓(130)들은 상기 제1연료공급부재(110) 상단부에 형성된 마운팅부(115)에 나사 또는 볼트 등의 체결수단에 의해 결합된다. 이를 위해 상기 마운트브라켓(130)에는 상기 체결수단이 체결되는 복수개의 체결공(132)들이 관통되게 형성되어 있다.

그리고, 상기 마운트브라켓(130)의 중앙부에는 상기 제2연료공급부재(120)가 관통하는 관통공(131)이 각각 형성되어 있으며, 상기 관통공(131)의 내주면에는 상기 제2연료공급부재(120)의 냉각관(122) 외면에 밀착되는 오링(O-ring) 구조의 패킹재(140)가 설치된다. 상기 패킹재(140)는 상기 한 쌍의 마운트브라켓(130)들이 서로 단단히 결속되었을 때 상기 제2연료공급부재(120)의 외면에 단단히 밀착되면서 제2연료공급부재(120)가 이동하지 않도록 단단히 고정하고, 상기 한 쌍의 마운트브라켓(130)들 간의 결합력이 느슨해졌을 때 상기 마운트브라켓(130)에 대한 제2연료공급부재(120)의 이동을 허용하는 작용을 한다.

상기와 같이 구성된 분말 연료 연소장치는 다음과 같이 작용한다.

질소가스용기(60)를 통해 제1연료공급원(30)과 제2연료공급원(40)의 제1시린지펌프(31)와 제2시린지펌프(41) 내로 소정의 압력으로 질소가스(N2)가 공급되면, 제1시린지펌프(31)에 의해 제1분말 연료(예컨대 고열량탄)가 혼탄공급기(100)의 제1연료공급부재(110)의 상단에 형성된 연료주입구(112)를 통해 제1연료공급부재(110) 내측으로 공급된 다음, 낙하하여 하단부의 연료배출구(111)를 통해 반응로(10) 내측으로 공급된다.

이와 동시에, 상기 제2연료공급원(40)의 제2시린지펌프(41)에서 압송된 제2분말 연료(예컨대 저열량탄)는 제2연료공급부재(120)의 제2연료공급관(121) 상단을 통해 제2연료공급관(121) 내부로 유입된 다음, 낙하하여 하단부의 연료배출구(121a)를 통해 반응로(10) 내측으로 공급된다.

여기서, 상기 제2연료공급관(121)의 연료배출구(121a)는 제1연료공급부재(110)의 연료배출구(111)의 내측 중앙부에 위치하게 되므로, 제1연료공급부재(110)의 연료배출구(111)를 통해 배출되는 제1분말 연료와 제2연료공급관(121)의 연료배출구(121a)를 통해 배출되는 제2분말 연료는 반응로(10) 내측에서 서로 혼합되어 혼탄을 형성하고, 이 혼탄이 반응로(10) 내부에서 연소된다.

이와 동시에 상기 냉각관(122)의 냉각수 유입구(123)를 통해 내측 냉각관(122a) 내부로 냉각수가 유입된다. 상기 내측 냉각관(122a) 내부로 유입된 냉각수는 제2연료공급관(121)을 냉각시키고 하단부에서 외측 냉각관(122b)으로 유동한 다음 상부의 냉각수 배출구(124)를 통해 외부로 배출된다. 상기와 같이 반응로(10)에서 연소가 이루어지는 과정에서 냉각관(122)을 통해 냉각수가 유동하여 제2연료공급관(121) 및 제1연료공급부재(110)를 냉각시키게 되면, 연소 과정에서 열에 의한 영향을 최소화하여 연소 효율을 더욱 향상시키고, 각 구성요소들의 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명의 분말 연료 연소장치에 구성된 혼탄공급기(100)는 상기 제1연료공급부재(110)에 대해 제2연료공급관(121)의 위치를 상하로 이동시킴으로써 제2연료공급관(121)을 통해 배출되는 제2분말 연료의 체류 시간을 조정할 수 있다(도 4참조). 이와 같이 제2연료공급관(121)의 연료배출구(121a)의 위치 조정을 하고자 할 경우, 마운트브라켓(130)의 체결수단을 느슨하게 하면, 마운트브라켓(130)의 관통공(131)에 장착되어 있는 패킹재(140)가 느슨하게 되어 제2연료공급부재(120)가 이동 가능한 상태로 된다. 이 상태에서 작업자가 제2연료공급부재(120)를 하측으로 원하는 거리만큼 이동시킨 다음, 다시 마운트브라켓(130)의 체결수단을 조이면, 패킹재(140)가 제2연료공급부재(120)의 외면에 밀착되면서 제2연료공급부재(120)가 마운트브라켓(130)에 단단히 고정된다.

상기 제2연료공급부재(120)를 상하로 이동시켜 연료배출구(121a)의 위치를 조정할 때, 정확하고 간편한 위치 조정이 이루어지도록 하기 위하여 상기 제2연료공급부재(120)의 외면에 게이지 눈금을 표시해둘 수도 있다.

본 출원인의 실험 결과, 상기와 같이 제2연료공급부재(120)를 상하로 이동시켜 연료배출구(121a)의 상대 위치를 적절히 조정함으로써 미분탄 발생량과 NOx 발생량 등을 조정할 수 있음이 밝혀졌다.

한편, 전술한 실시예의 혼탄공급기(100)는 제2연료공급부재(120)에 제2연료공급관(121)이 하나로 구성되어 제2연료공급부재(120)를 통해서 한 종류의 분말 연료를 공급하도록 되어 있지만, 도 5에 도시한 것과 같이 냉각관(122) 내측에 제2연료공급관(121)을 2개로 병렬 설치하여 각각의 제2연료공급관(121)을 통해 동종 또는 이종의 분말 연료를 공급할 수도 있을 것이다.

또한, 도 6에 또 다른 실시예로 나타낸 것과 같이, 상기 제1연료공급부재(110)에 서로 다른 분말 연료를 공급하는 복수개의 연료공급원들을 연결하여 제1연료공급부재(110) 내부에서 2종류 이상의 분말 연료를 혼합한 후 반응로(10) 내부로 공급할 수도 있을 것이다.

전술한 본 발명에 따른 분말 연료 연소장치의 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제안된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10 : 반응로 30, 40 : 제1,2연료공급원
31, 41 : 제1,2시린지 펌프 32, 42 : 제1,2바이브레이터
33, 43 : 제1,2밸브 60 : 질소가스용기
100 : 혼탄공급기 110 : 제1연료공급부재
111 : 연료배출구 112 : 연료주입구
120 : 제2연료공급부재 121 : 제2연료공급관
121a : 연료배출구 122 : 냉각관
122a : 내측 냉각관 122b : 외측 냉각관
130 : 마운트브라켓 131 : 관통공
140 : 패킹재

Claims

분말 연료의 연소가 이루어지는 반응로와, 상기 반응로의 일측부에 연결되며 일단부가 상기 반응로를 관통하여 반응로 내부에 위치되어 반응로 내부로 제1분말연료 및 제2분말 연료를 공급하여 혼합시키는 혼탄공급기와, 상기 혼탄공급기로 제1분말 연료 및 제2분말 연료를 공급하는 제1연료공급원과 제2연료공급원을 포함하며;
상기 혼탄공급기는,
일단부에 상기 반응로 내부와 연통되는 연료배출구가 형성되어 있으며, 반응로 외부에서 상기 제1연료공급원과 연결되어 반응로 내부로 제1분말 연료를 공급하는 중공관 형태의 제1연료공급부재와;
상기 제1연료공급부재의 내측에 삽입되어 설치되고 반응로 외부에서 제2연료공급원과 연결되어 일단부의 연료배출구를 통해 반응로 내부로 제2분말 연료를 공급하는 중공관 형태의 제2연료공급관과, 상기 제2연료공급관의 외측을 둘러싸며 외부에서 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구가 형성되어 있는 냉각관을 구비하는 다중관 구조의 제2연료공급부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 혼탄공급기는 제1연료공급부재의 연료배출구에 대한 상기 제2연료공급관의 연료배출구의 상대 위치 조정이 가능하도록 상기 제2연료공급부재는 제1연료공급부재에 대해 축방향으로 이동 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼탄공급기는, 상기 제1연료공급부재의 외측부에 탈착 가능하게 결합되며 상기 제2연료공급부재가 관통하는 관통공이 형성된 한 쌍의 마운트브라켓과, 상기 마운트브라켓의 관통공의 내주면에 설치되어 상기 한 쌍의 마운트브라켓들이 서로 단단히 결속되었을 때 상기 제2연료공급부재의 외면에 단단히 밀착되면서 제2연료공급부재가 이동하지 않도록 고정하고 상기 한 쌍의 마운트브라켓들 간의 결합력이 느슨해졌을 때 상기 마운트브라켓에 대한 제2연료공급부재의 이동을 허용하는 패킹재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제2항에 있어서, 상기 혼탄공급기의 제2연료공급부재의 외면에는 상기 제1연료공급부재에 대한 상대 이동 거리를 측정하기 위한 게이지 눈금이 표시된 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 혼탄공급기의 제2연료공급부재는 상기 냉각관 내측에서 제2연료공급관이 복수개로 구성되어, 각각의 제2연료공급관들이 서로 다른 분말 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 혼탄공급기의 냉각관은 상기 제2연료공급관의 외측을 둘러싸도록 배치되며 상부에 상기 냉각수 유입구가 형성되어 있는 내측 냉각관과, 상기 내측 냉각관의 외측을 둘러싸도록 배치되며 하부가 상기 내측 냉각관의 하부와 연통되어 내측 냉각관을 통해 냉각수가 유입되고 상부에 상기 냉각수 배출구가 형성되어 있는 외측 냉각관으로 구성된 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 혼탄공급기의 제1연료공급부재는 서로 다른 분말 연료를 공급하는 복수개의 연료공급원들과 연결되어 반응로 내부로 2종류 이상의 제1분말 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 제1연료공급원은, 캐리어가스용기로부터 공급된 캐리어가스의 압력에 의해 제1분말 연료를 상기 혼탄공급기로 공급하는 제1시린지펌프(syringe pump)와, 상기 제1시린지펌프에 연결된 제1바이브레이터와, 상기 캐리어가스용기로부터 제1시린지펌프로의 질소가스 공급을 제어하는 제1밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.
제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 제2연료공급원은 캐리어가스용기로부터 공급된 캐리어가스의 압력에 의해 제2분말 연료를 상기 혼탄공급기로 공급하는 제2시린지펌프(syringe pump)와, 상기 제2시린지펌프에 연결된 제2바이브레이터와, 상기 캐리어가스용기로부터 제2시린지펌프로의 질소가스 공급을 제어하는 제2밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 연료 연소장치.