KR101371526B1

KR101371526B1 - 하부 공기 주입을 통해 연소효율이 향상된 접선 분사형 보일러

Info

Publication number: KR101371526B1
Application number: KR1020120092662A
Authority: KR
Inventors: 전충환; 김승모; 이병화; 김윤석
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-03-11
Also published as: KR20140026900A

Abstract

본 발명은 보일러 내부의 호퍼 및 화염볼(fireball) 가운데에서 발생하는 산소 부족 현상을 해소하여 미연탄소(unburned carbon)의 발생량을 저감시키고, 연소 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 접선 분사형 보일러에 관한 것으로, 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러는, 연료의 연소가 이루어지는 연소공간을 구비한 연소 로(furnace)와; 상기 연소 로의 측면에 설치되어 각각 연료와 공기를 연소 로의 중심축에서 일정 각도 벗어난 방향으로 분사하는 복수개의 버너 및 윈드박스와; 상기 연소 로의 하단부 중앙에 연통되게 형성되어 연직 방향 상측으로 공기를 분사하는 에어인젝션 하부포트와; 상기 윈드박스 및 에어인젝션 하부포트로 공기를 공급하는 공기공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하부 공기 주입을 통해 연소효율이 향상된 접선 분사형 보일러{TANGENTIAL-FIRED BOILER FOR REDUCING UNBURNED CARBON AND NOx EMISSION THROUGH AIR INJECTION OF BOTTOM PART}

본 발명은 화력발전용 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 및 공기를 접선 방향으로 분사함과 동시에 하부 호퍼의 하단부 중앙을 통하여 공기를 주입함으로써 연소효율을 향상시킨 접선 분사형 보일러에 관한 것이다.

화력발전소에서 사용하는 보일러 형태는 연소형식에 따라 접선 분사형(tangential-fired), 수평 분사형(horizontal-fired), 수직 분사형(vertical-fired), 싸이클론형(cyclone-fired) 및, 유동층 연소형(fluidized bed combustion) 보일러 등으로 구분할 수 있다.

이 중에서 접선 분사형 보일러(tangential-fired boiler)는 미분탄 및 공기를 접선 분사형태로 분사함으로써 혼합도를 향상시켜 연소 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 연소시 화염볼(FB; Fireball) 내부에서는 활발한 연소 현상으로 말미암아 산소 부족현상이 일어나고 있다. 이 현상으로 말미암아 하측 버너에서 분사되는 미분탄 같은 경우에는 매우 심각한 미연탄소가 발생하게 된다. 이는 하측 버너에서 분사되는 미분탄은 모멘텀에 의해서 화염볼의 중심부로 들어가게 되는데, 이 때 산소 부족현상으로 인하여 많은 미연탄소가 나오게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보일러 내부의 호퍼 및 화염볼(fireball) 가운데에서 발생하는 산소 부족 현상을 해소하여 미연탄소(unburned carbon)의 발생량을 저감시키고, 연소 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 접선 분사형 보일러를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료의 연소가 이루어지는 연소공간을 구비한 연소 로(furnace)와; 상기 연소 로의 측면에 설치되어 각각 연료와 공기를 연소 로의 중심축에서 일정 각도 벗어난 방향으로 분사하는 복수개의 버너 및 윈드박스와; 상기 연소 로의 하단부 중앙에 연통되게 형성되어 연직 방향 상측으로 공기를 분사하는 에어인젝션 하부포트와; 상기 윈드박스 및 에어인젝션 하부포트로 공기를 공급하는 공기공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 접선 분사형 보일러를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연소 로의 하단부 중심에서 연직 방향 상측으로 공기가 분사되어 연소공간에서 생성되는 화염볼(fireball)을 깨트리지 않고 화염볼의 가운데에 연소용 공기가 주입되므로, 화염볼 가운데에서 발생하는 산소 부족 현상을 해소할 수 있게 된다.

따라서, 호퍼 및 화염볼(fireball) 가운데에서 발생하는 산소 부족 현상을 해소하여 미연탄소(unburned carbon) 및 질소 산화물(NOx)의 발생량을 저감시키고, 연소 효율을 대폭 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 이산화탄소 발생량을 저감시키고 연료 소비를 저감시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접선 분사형 보일러의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 접선 분사형 보일러의 호퍼 부분을 나타낸 개략적인 투영도이다.
도 3은 도 1의 접선 분사형 보일러의 개략적인 횡단면도이다.
도 4는 도 1의 접선 분사형 보일러의 요부 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접선 분사형 보일러의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 미연탄소(UBC: unburned carbon) 발생량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 질소 산화물(NOx) 발생량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 내부 온도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 내부 산소 농도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 내부 질소 산화물(NOx) 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 기존의 접선 분사형 보일러와 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 사이안화수소(HCN; hydrogen cyanide) 농도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 접선 분사형 보일러의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 접선 분사형 보일러는 연료의 연소가 이루어지는 연소공간(14)을 구비한 연소 로(10)(furnace)와, 상기 연소 로(10)의 측면에 설치되어 각각 연료와 공기를 연소 로(10)의 중심에서 일정 각도 벗어난 방향으로 분사하는 복수개의 버너(30) 및 윈드박스(20)와, 상기 연소 로(10)의 하단부 중앙에 연통되게 형성되어 연직 방향 상측으로 공기를 분사하는 에어인젝션 하부포트(15)와, 상기 윈드박스(20) 및 에어인젝션 하부포트(15)로 공기를 공급하는 공기공급수단과, 상기 버너(30)에 연료를 공급하는 연료공급수단을 포함하여 구성된다.

상기 연소 로(10)는 대략 직육방체 형태를 이루는 4개의 측벽부(11)와, 상기 측벽부(11)의 상단부를 폐쇄하는 천장부(13), 상기 측벽부(11)의 하단부에 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 삼각형 형태로 형성된 호퍼(12)를 구비한다. 상기 호퍼(12)의 하단부 중앙에는 상기 에어인젝션 하부포트(15)가 설치된다.

상기 윈드박스(20)는 상기 연소 로(10)의 측벽부(11)의 네 모서리 부분에 상하방향으로 길게 형성되며, 상기 공기공급수단과 연결되어 연소 로(10) 내부로 연소용 공기를 공급하는 복수개의 에어인젝터(21)를 구비한다. 또한, 상기 윈드박스(20) 내에는 복수개의 버너(30)들이 설치되어 연소 로(10) 내부로 미분탄과 같은 연료를 공급한다.

상기 윈드박스(20)의 에어인젝터(21) 및 버너(30)는 연소 로(10)의 중심축에서 일정 각도로 벗어난 방향으로 수평하게 공기 및 연료를 분사한다.

상기 에어인젝션 하부포트(15)는 상기 연소 로(10)의 호퍼(12) 하단 중심부에 연통되게 설치되어 연소 로(10)의 연소공간(14) 내부에 연직방향으로 연소용 공기를 분사하는 기능을 수행한다. 상기 에어인젝션 하부포트(15)는 연소공간(14)에서 생성되는 화염볼(FB: fireball)을 깨트리지 않고 연소공간 가운데에 연소용 공기를 주입함으로써 호퍼 및 화염볼(fireball) 가운데에서 발생하는 산소 부족 현상을 해소하는 작용을 하게 된다. 상기 에어인젝션 하부포트(15)를 통해서 분사되는 공기의 속도를 조정하여 화염볼 내부까지 공기를 주입할 수 있도록 하기 위하여 상기 에어인젝션 하부포트(15)에는 개도를 조절하기 위한 댐퍼(16)(도 4참조)가 설치되는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 것과 같이 상기 댐퍼(16)는 에어인젝션 하부포트(15)에 힌지축(17)을 매개로 회전 가능하게 연결되어 모터(미도시)와 같은 구동기구에 의해 힌지축(17)을 중심으로 회전하면서 에어인젝션 하부포트(15)의 개도를 가변시킨다.

도 1을 참조하면, 상기 공기공급수단은 공기를 송풍시키는 팬(미도시)을 구비한 공기공급원(40)과, 상기 공기공급원(40)에서 송풍되는 공기를 상기 윈드박스(20)와 에어인젝션 하부포트(15)로 공급하는 공기공급라인(41, 42, 43, 44)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 에어인젝션 하부포트(15)에 공기를 공급하는 공기공급라인(44)은 공기공급원(40)과 직접 연결되어 공기를 공급받을 수 있지만, 이 실시예에서와 같이 상기 윈드박스(20)에 공기를 공급하는 공기공급라인 중 어느 하나, 예를 들어 윈드박스(20)의 CCOFA(Close Coupled Over Fire Air) 에어인젝터(21)로 공기를 공급하는 공기공급라인(41)에서 분기될 수도 있다.

이와 같이 에어인젝션 하부포트(15)의 공기공급라인(44)이 윈드박스(20)의 공기공급라인(41)에서 분기될 경우, 윈드박스(20)의 CCOFA 에어인젝터(21)를 통한 공기 분사를 전부 차단하거나 일부 차단하게 되면, 윈드박스(20)의 CCOFA 에어인젝터로 공급될 공기의 전부 또는 일부가 에어인젝션 하부포트(15)로 공급되어 호퍼(12)의 하단부 중앙에서 연직 방향 상측으로 공기가 공급될 수 있게 된다. 상기 CCOFA 에어인젝터(21)를 통한 공기 분사의 차단은 CCOFA 에어인젝터(21)의 댐퍼(미도시)를 이용하여 CCOFA 에어인젝터(21) 자체를 차단하거나, 혹은 CCOFA 에어인젝터(21)와 연결된 공기공급라인(41)의 밸브를 차단하는 것에 의해 수행될 수 있다.

혹은 도 5에 다른 실시예로 나타낸 것과 같이, 상기 공기공급수단을 공기를 송풍시키는 팬(미도시)을 구비한 공기공급원(40)과, 상기 공기공급원(40)에서 송풍되는 공기를 상기 윈드박스(20)와 에어인젝션 하부포트(15)로 분배하는 조정기(46)와, 상기 조정기(46)와 윈드박스(20) 및 에어인젝션 하부포트(15)를 연결하는 공기공급라인(41, 42, 43, 44)을 포함하여 구성할 수 있다.

이 실시예와 같이 공기공급수단을 구성하면, 상기 공기공급원(40)으로부터 송풍된 공기는 조정기(46)를 통해서 윈드박스(20)에 구성된 복수개의 에어인젝터(21)들과 상기 에어인젝션 하부포트(15)로 분배되어 공급될 수 있게 된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 접선 분사형 보일러는 윈드박스(20)의 에어인젝터 및 버너(30)를 통해서 연소용 공기 및 연료가 연소 로(10)의 중심축으로부터 일정 각도 편심된 방향으로 수평하게 분사되면서 화염을 생성하게 된다.

이 때, 연소 로(10)의 호퍼(12) 하단부 중심에서 에어인젝션 하부포트(15)를 통해서 연소용 공기가 연직 방향 상측으로 분사되어 화염볼(FB)의 중심부로 공급된다.

상기 에어인젝션 하부포트(15)를 통해 공급되는 공기가 화염볼 내부로 더욱 깊숙히 침투하도록 하기 위해 공기의 속도를 증가시키고자 할 경우, 도 4에 도시된 것과 같이 에어인젝션 하부포트(15)의 댐퍼(16)를 회전시켜 개도를 좁게 하면 공기의 유속이 증가하게 된다.

도 6의 미연탄소(UBC: unburned carbon) 발생량 표를 참조하면, 윈드박스(20)를 통해서만 공기를 공급하는 기존의 접선 분사형 보일러(cond_1)에 비하여 하단부의 에어인젝션 하부포트(15)를 통해서 연직 방향 상측으로도 공기를 공급하는 본 발명의 접선 분사형 보일러의 제1,2실시예(cond_2 및 cond_3)에서 미연탄소 발생량이 현저히 감소함을 볼 수 있다. 상기 제2실시예(cond_3)는 제1실시예에 비하여 에어인젝션 하부포트(15)의 개도를 더욱 좁게 함으로써 공기 유속을 증가시켜 공기가 화염볼 내부로 더욱 깊숙이 투입될 수 있도록 한 것이다.

또한, 질소 산화물(NOx) 발생량을 측정한 결과 도 7에 도시한 것과 같이, 상기 제1실시예제(cond_2)의 경우는 기존의 보일러보다 약간 증가한 것으로 측정되었으나 제2실시예(cond_3)의 경우에서는 질소 산화물이 기존의 보일러보다 감소된 것으로 측정되었다. 이는 상기 에어인젝션 하부포트(15)를 통해 연직 상방으로 공급되는 공기가 아래로 향하려고 하는 공기와 미분탄의 흐름을 윗부분으로 바꾸어줌으로써 화염볼(FB)을 윗부분으로 상승시키며, 이로 인해 기존보다 Fuel rich zone의 영역을 더욱 넓혀 주기 때문이다. 그리고 에어인젝션 하부포트(15)를 통해 연직 상방으로 공급되는 공기는 버너(30) 주변에 Fuel rich zone을 형성하기 때문에 사이안화수소(HCN; hydrogen cyanide)의 환원반응을 활발하게 하며, 이로 인하여 전체적으로 내부 질소 산화물(NOx)의 양을 저감시킬 수 있게 되는 것이다. 도 8에 도시된 보일러 내부 온도 분포에 대한 시뮬레이션 도면을 보면, 제1실시예(cond_2)의 경우에는 환원반응보다 미연분의 감소로 인하여 증가된 NOx 가 더 많기 때문에 NOx가 증가하는 것이며, 제2실시예(cond_3)의 경우에는 더욱 넓어진 환원반응으로 인한 NOx 저감이 더 많기 때문에 원래 조건보다 더 적은 NOx 량을 확인할 수 있었다.

도 9는 보일러 내부 산소 농도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 제1,2실시예(cond_2, cond_3)에서 산소 농도가 대폭 증가함을 볼 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 연소 로(furnace) 12 : 호퍼
15 : 에어인젝션 하부포트 16 : 댐퍼
17 : 힌지축 20 : 윈드박스
30 : 버너 40 : 공기공급원
41~44 : 공기공급라인 46 : 조정기
FB : 화염볼(Fireball)

Claims

연료의 연소가 이루어지는 연소공간(14)을 구비한 연소 로(10)와;
상기 연소 로(10)의 측면에 설치되어 각각 연료와 공기를 연소 로(10)의 중심축에서 일정 각도 벗어난 방향으로 분사하는 복수개의 버너(30) 및 윈드박스(20)와;
상기 연소 로(10)의 하단부 중앙에 연통되게 형성되어 연직 방향 상측으로 공기를 분사하는 에어인젝션 하부포트(15)와;
상기 윈드박스(20) 및 에어인젝션 하부포트(15)로 공기를 공급하는 공기공급수단 및;
상기 에어인젝션 하부포트(15)의 개도를 조절하는 댐퍼(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 접선 분사형 보일러.
제1항에 있어서, 상기 공기공급수단은 공기를 송풍시키는 공기공급원(40)과, 상기 공기공급원(40)에서 송풍되는 공기를 상기 윈드박스(20)와 에어인젝션 하부포트(15)로 분배하는 조정기(46)와, 상기 조정기(46)를 윈드박스(20) 및 에어인젝션 하부포트(15)와 연결하는 공기공급라인(41, 42, 43, 44)을 포함하는 것을 특징으로 하는 접선 분사형 보일러.
제1항에 있어서, 상기 공기공급수단은 공기를 송풍시키는 공기공급원(40)과, 상기 공기공급원(40)과 상기 윈드박스(20)를 연결하는 공기공급라인(41~43)과, 상기 공기공급라인(41~43)에서 분기되어 상기 에어인젝션 하부포트(15)에 연결되어 상기 공기공급라인(41~43)을 통해 공급되는 공기의 일부를 에어인젝션 하부포트(15)로 공급하는 공기공급라인(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는 접선 분사형 보일러.
삭제
제1항에 있어서, 상기 댐퍼(16)는 에어인젝션 하부포트(15)에 힌지축(17)을 매개로 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 접선 분사형 보일러.