KR101614886B1

KR101614886B1 - 회 점착 특성 분석이 가능한 석탄 착화 반응기

Info

Publication number: KR101614886B1
Application number: KR1020140014140A
Authority: KR
Inventors: 전충환; 이병화; 안기주; 락와드러지
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2016-04-27
Also published as: KR20150055522A

Abstract

본 발명은 미분탄의 착화/발화특성을 모사할 수 있는 실험장치인 석탄 착화 반응기에서 연소된 회(Ash)의 점착 특성을 분석할 수 있는 석탄 착화 반응기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 석탄 착화 반응기는, 정해진 양의 미분탄을 연속적으로 공급하는 연료공급기와; 상기 연료공급기를 통해 공급된 미분탄 연료를 착화시키는 버너와, 상기 버너에 의해 착화된 미분탄 연료의 연소가 이루어지는 연소실을 구비한 반응기와; 상기 반응기의 하단부를 통해 상기 연소실 내측으로 삽입되어 설치되는 프로브로드와, 상기 프로브로드의 상단부에 설치되는 홀더와, 상기 홀더에 착탈 가능하게 끼워지며 상부면에 연소된 회(ash)가 퇴적되면서 융착되는 프로브튜브를 구비한 샘플링 프로브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

회 점착 특성 분석이 가능한 석탄 착화 반응기{Drop Tube Furnace Capable of Ash Deposition Analysis}

본 발명은 석탄 착화 반응기(Drop Tube Furnace ; DTF)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미분탄의 착화/발화특성을 모사할 수 있는 실험장치로서 연소된 회(Ash)의 점착 특성을 분석할 수 있는 석탄 착화 반응기에 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.

석탄 착화 반응기(DTF)는 이러한 석탄화력발전소의 미분탄의 착화/발화특성을 모사할 수 있는 실험장치이다.

기존의 석탄 착화 반응기(DTF)에서는 고온의 회 점착특성을 분석하기 위하여 반응기 내부에 프로브를 설치하여 상기 프로브에 융착되는 회의 특성을 분석하고 있다.

그러나, 이러한 종래의 프로브를 구비한 석탄 착화 반응기(DTF)는 프로브의 사용 후 재사용이 어렵기 때문에 샘플링 프로브 전체를 폐기해야 하거나, 구조적인 복잡성으로 인하여 사용이 어려운 문제가 있다.

또한 석탄 착화 반응기(DTF)에서 정확한 회 점착 특성의 분석이 이루어지기 위해서는 반응기 내로 정확한 양의 미분탄이 공급되어야 한다. 그런데, 종래의 석탄 착화 반응기(DTF)는 진동자(vibrator)와 캐리어 가스를 이용하여 연속적으로 미분탄을 공급하는 방식을 사용하고 있지만, 이러한 방식은 10㎎/min 정도의 미세한 양으로 정확하게 공급하기 어려운 문제가 있다.

1. 대한민국 등록특허 제0544237호(등록일자 2006년01월11일) "화력발전용 보일러의 화울링 측정장치" 2. 대한민국 등록특허 제0945375호(등록일자 2010년02월24일) "파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 및 그 방법"

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 반응기 내에서 회(ash)의 융착이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 회 융착 및 분석이 종료된 후 쉽게 교체하여 재사용할 수 있으며, 사용이 편리한 샘플링 프로브를 구비한 회 점착 특성 분석이 가능한 석탄 착화 반응기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 반응기 내부로 정확한 양으로 미분탄 연료를 연속적으로 공급하여, 연소 시험 및 회 점착(ash deposition) 특성 분석의 정확성을 향상시킬 수 있는 회 점착 특성 분석이 가능한 석탄 착화 반응기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄 착화 반응기는, 정해진 양의 미분탄을 연속적으로 공급하는 연료공급기와; 상기 연료공급기를 통해 공급된 미분탄 연료를 착화시키는 버너와, 상기 버너에 의해 착화된 미분탄 연료의 연소가 이루어지는 연소실을 구비한 반응기와; 상기 반응기의 하단부를 통해 상기 연소실 내측으로 삽입되어 설치되는 프로브로드와, 상기 프로브로드의 상단부에 설치되는 홀더와, 상기 홀더에 착탈 가능하게 끼워지며 상부면에 연소된 회(ash)가 퇴적되면서 융착되는 프로브튜브를 구비한 샘플링 프로브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 샘플링 프로브의 프로브튜브를 홀더에 간단히 착탈시켜 사용할 수 있으므로 분석 시험 완료 후 샘플링 프로브 전체를 폐기하지 않고 프로브튜브만 간단히 새로운 것으로 교체하여 사용할 수 있으므로 비용 절감의 효과가 있다.

또한 샘플링 프로브 내측에 구성된 냉각자켓에 의해 온도 제어가 용이하게 이루어져 원활한 회 점착성을 얻을 수 있는 효과도 있다.

그리고, 본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 연료공급기의 교반스크류 및 캐리어 가스를 통해 미분탄 연료를 정해진 미세한 양으로 연속적으로 공급할 수 있으므로 정확한 연소 시험 및 회 점착 특성 분석을 수행할 수 있는 이점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회 점착 특성 분석이 가능한 석탄 착화 반응기(DTF)를 나타낸 정면도이다.
도 2는 도 1의 석탄 착화 반응기의 연료공급기의 구성을 나타낸 종단면도이다.
도 3은 도 2의 연료공급기에서 이루어지는 연료의 미세 정량 공급 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 석탄 착화 반응기의 샘플링 프로브의 구성을 나타낸 종단면도이다.
도 5은 도 4의 샘플링 프로브의 주요부를 확대하여 나타낸 분해 단면도이다.
도 6은 도 4의 샘플링 프로브의 주요부를 확대하여 나타낸 결합 상태의 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 석탄 착화 반응기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 착화 반응기는, 정해진 양의 미분탄을 연속적으로 공급하는 연료공급기(10)와; 상기 연료공급기(10)를 통해 공급된 미분탄 연료를 착화시키는 버너(20)와, 상기 버너(20)에 의해 착화된 미분탄 연료의 연소가 이루어지는 연소실(32)을 구비한 반응기(30)와; 상기 반응기(30)의 하단부를 통해 상기 연소실(32) 내측으로 삽입되게 설치되는 샘플링 프로브(40)를 포함한 구성으로 이루어진다.

도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 연료공급기(10)는, 미분탄 연료가 저장되어 있는 호퍼(11)와, 상기 호퍼(11)의 상단부에 설치되어 호퍼(11) 내측으로 캐리어 가스를 공급하는 가스공급부(12)와, 일단부가 상기 호퍼(11)와 연결되어 호퍼(11)로부터 캐리어 가스 및 미분탄 연료가 유입되고 타단부가 상기 버너(20)와 연결되는 배출유로(15)와 연통되는 믹서하우징(13)과, 상기 믹서하우징(13) 내부에 일정한 속도로 회전하도록 설치된 한 쌍의 교반스크류(14)를 포함한다.

상기 교반스크류(14)는 2개가 한 쌍으로 이루어져 동일한 속도로 회전하며, 서로 일정한 위상차를 가지면서 맞물린 복수개(이 실시예에서 3개)의 교반날개(14a)를 구비한다. 상기 교반날개(14a)는 팁(tip)이 둥근 돔 형상을 갖는다.

상기 버너(20)는 반응기(30)의 상단부에 반응기(30)와 연통되게 설치되며, 상단부가 상기 연료공급기(10)의 믹서하우징(13)과 연결되는 배출유로(15)와 연결되어 미분탄 연료를 공급받는다. 상기 버너(20)는 상기 연료공급기(10)를 통해 공급되는 미분탄 연료를 착화시켜 연소시키는 작용을 한다.

상기 반응기(30)는 단열재로 둘러싸인 챔버(31)를 구비하며, 상기 챔버(31)의 내측에 미분탄의 연소가 이루어지는 연소실(32)이 구비된다. 상기 챔버(31)에는 온도 유지를 위한 히터(33)가 설치된다.

상기 샘플링 프로브(40)는 상기 반응기(30)의 하단부를 통해 상기 연소실(32)의 하측에 설치된다. 도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같이 상기 샘플링 프로브(40)는 기다란 바아 형태로 되어 상기 반응기(30)의 하단부를 통해 상기 연소실(32) 내측으로 삽입되어 설치되는 프로브로드(41)와, 상기 프로브로드(41)의 상단부에 설치되는 홀더(42)와, 상기 홀더(42)에 착탈 가능하게 끼워지며 상부면에 연소된 회(ash)가 퇴적되면서 융착되는 프로브튜브(43)를 구비한다.

상기 프로브튜브(43)는 일단이 개방된 박스 형태로 되어, 상기 홀더(42)에 수평하게 슬라이딩하면서 결합 또는 분리된다. 상기 홀더(42)는 스테인레스와 같은 금속 재질로 이루어지고, 상기 프로브튜브(43)는 알루미나와 같은 내열성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 샘플링 프로브(40)의 프로브로드(41) 및 홀더(42)의 내측에는 냉각용 유체가 유동하는 냉각자켓(44)이 설치된다. 상기 냉각자켓(44)은 도면에 도시되지 않은 유체공급원과 연결되어 냉각을 위한 유체가 유동하는 유로를 형성한다. 상기 냉각자켓(44)은 홀더(42) 내측으로 유체를 공급하는 공급관(44a)과 상기 공급관(44a)의 외측을 둘러싸는 회수관(44b)의 2중관 구조로 이루어져, 상기 공급관(44a)을 통해 공급된 유체가 홀더(42)의 내측으로 유입되어 냉각 작용을 수행한 후 회수관(44b)을 통해 다시 홀더(42) 외측으로 배출되도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 석탄 착화 반응기는 다음과 같이 작동한다.

호퍼(11) 내에 미분탄 연료가 저장된 상태에서 호퍼(11) 상단의 가스공급부(12)를 통해 질소(N2) 가스와 같은 캐리어 가스가 공급된다. 상기 캐리어 가스는 미분탄 연료와 함께 믹서하우징(13)의 유입구(13a)를 통해 믹서하우징(13) 내측으로 유입된 다음, 회전 운동하는 한 쌍의 교반스크류(14)에 의해 혼합된 다음 캐리어 가스에 의해 믹서하우징(13)의 배출구(13b)를 통해 일정량씩 정해진 양으로 토출된다. 상기 믹서하우징(13)을 통해 토출된 미분탄 연료는 배출유로(15)를 통해 버너(20)로 공급된다.

상기 버너(20)로 공급된 미분탄 연료는 버너(20)에서 착화된 후 연소실(32)에서 연소된다.

상기 연소실(32)에서 연소된 미분탄 회(ash)는 아래로 하강하여 샘플링 프로브(40)의 프로브튜브(43)에 퇴적되어 융착된다. 이 때, 상기 샘플링 프로브(40)는 냉각자켓(44)을 통해 냉각용 유체가 유동하여 회의 융착이 원활하게 이루어지게 된다.

연소 시험이 완료되면, 샘플링 프로브(40)를 반응기(30)의 연소실(32) 하단에서 분리하고, 프로브튜브(43)를 홀더(42)에서 분리한 다음, 프로브튜브(43)에 융착된 회 점착(ash deposition) 특성, 신터링(sintering), 및/또는 슬래깅(slagging) 메커니즘 등을 분석한다.

분석이 완료되고 새로운 미분탄 연소 시험을 하고자 할 경우에는 상기 샘플링 프로브(40)의 프로브튜브(43)를 새로운 프로브튜브(43)로 교체하여 홀더(42)에 끼워서 장착한 다음, 샘플링 프로브(40)를 반응기(30)의 연소실(32) 하단부를 통해 삽입하여 설치하면 된다.

이와 같이 본 발명의 석탄 착화 반응기는 샘플링 프로브(40)의 프로브튜브(43)를 홀더(42)에 간단히 착탈시켜 사용할 수 있으므로 분석 시험 완료 후 샘플링 프로브(40) 전체를 폐기하지 않고 프로브튜브(43)만 간단히 새로운 것으로 교체하여 사용할 수 있으므로 비용 절감의 효과가 있다.

또한 샘플링 프로브(40) 내측에 구성된 냉각자켓(44)에 의해 온도 제어가 용이하게 이루어져 원활한 회 점착성을 얻을 수 있는 이점도 있다.

또한 연료공급기(10)의 교반스크류(14) 및 캐리어 가스를 통해 미분탄 연료를 정해진 미세한 양으로 연속적으로 공급할 수 있으므로 정확한 연소 시험 및 회 점착 특성 분석을 수행할 수 있는 이점도 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 : 반응기 11 : 호퍼
12 : 가스공급부 13 : 믹서하우징
14 : 교반스크류 14a : 교반날개
20 : 버너 30 : 반응기
32 : 연소실 40 : 샘플링 프로브
41 : 프로브로드 42 : 홀더
43 : 프로브튜브 44 : 냉각자켓

Claims

정해진 양의 미분탄을 연속적으로 공급하는 연료공급기(10)와;
상기 연료공급기(10)를 통해 공급된 미분탄 연료를 착화시키는 버너(20)와, 상기 버너(20)에 의해 착화된 미분탄 연료의 연소가 이루어지는 연소실(32)을 구비한 반응기(30)와;
상기 반응기(30)의 하단부를 통해 상기 연소실(32) 내측으로 삽입되어 설치되는 프로브로드(41)와, 상기 프로브로드(41)의 상단부에 설치되는 홀더(42)와, 상기 홀더(42)에 착탈 가능하게 끼워지며 상부면에 연소된 회(ash)가 퇴적되면서 융착되는 프로브튜브(43)를 구비한 샘플링 프로브(40);를 포함하며,
상기 홀더(42)는 직사각형 단면을 갖는 박스 형태로 이루어지며, 상기 프로브튜브(43)는 일측면 또는 양측면이 개방되고 상기 홀더(42)의 크기와 대응하는 크기를 갖는 직사각형 단면의 박스 형태로 되어 상기 홀더(42)의 측방에서 홀더(42)에 수평하게 슬라이딩하면서 결합 또는 분리되고, 상기 프로브튜브(43)가 홀더(42)에 결합되었을 때 상기 프로브튜브(43)의 내부면 전체와 홀더(42)의 외부면이 서로 접촉하고,
상기 샘플링 프로브(40)의 프로브로드(41) 및 홀더(42)의 내부에 냉각용 유체가 유동하는 냉각자켓(44)이 설치되며,
상기 냉각자켓(44)은 홀더(42) 내측으로 유체를 공급하는 공급관(44a)과, 상기 공급관(44a)의 외측을 둘러싸도록 되어 홀더(42) 내측의 유체를 외부로 배출하는 회수관(44b)의 2중관 구조로 이루어지며;
상기 연료공급기(10)는,
미분탄 연료가 저장되어 있는 호퍼(11)와;
상기 호퍼(11) 내측으로 캐리어 가스를 공급하는 가스공급부(12)와;
일단부에 상기 호퍼(11)와 연결되어 호퍼(11)로부터 캐리어 가스 및 미분탄 연료가 유입되는 유입구(13a)가 형성되고, 타단부에 버너(20)와 연결된 배출유로(15)와 연통되어 미분탄 연료를 배출하는 배출구(13b)가 상기 유입구(13a)와 대향되게 형성되어 있는 믹서하우징(13)과;
상기 믹서하우징(13) 내부에 일정한 속도로 회전하도록 설치되며, 서로 일정한 위상차를 가지면서 맞물리며 팁(tip)이 둥근 돔 형상을 갖는 복수개의 교반날개(14a)를 구비한 한 쌍의 교반스크류(14)를 포함하며,
상기 한 쌍의 교반스크류(14)는 교반날개(14a)의 팁이 믹서하우징(13)의 일부분의 내주면에 연접하면서 회전하는 첫번째 교반스크류(14)와, 교반날개(14a)의 팁이 믹서하우징의 다른 일부분의 내주면에 연접하면서 상기 첫번째 교반스크류(14a)와 반대방향으로 회전하는 두번째 교반스크류(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 착화 반응기.
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제1항에 있어서, 상기 홀더(42)는 스테인레스 재질로 이루어지고, 상기 프로브튜브(43)는 알루미나 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 석탄 착화 반응기.
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제1항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 질소(N2) 가스 인 것을 특징으로 하는 석탄 착화 반응기.
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