KR102095066B1 - 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러 - Google Patents

부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소반응이 일어나는 연소부 및, 상기 연소부에 투입시 연료를 공기가 감싸며 투입되도록 연료를 공급하는 연료 공급관을 공기를 공급하는 공기 공급관이 둘러싸도록 구비되는 연료공기 공급부를 포함하여 구성되는 부식 및 부식에 의한 마모를 방지를 위한 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소부 중심부에서 연소반응이 일어나 일산화탄소가 밀집된 영역이 연소부의 중앙부에 형성되고 연소부 내벽 부분에서의 일산화탄소 농도가 감소하여 연소부 내부의 튜브 등에 부식 및 부식에 의한 마모를 방지하는 효과를 제공한다.

Description

부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러 {ANTI-COROSSION AND ANTI-ABRASION CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER}
본 발명은 순환 유동층 보일러에 관한 것으로, 상세하게는 공기가 연료를 감싸며 투입되고 연소부의 일 측면 또는 양 측면에서 공급하여 연소부 내부에서 부식 및 부식에 의해 발생하는 마모를 방지하는 부식 및 부식마모방지가 가능한 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.
순환 유동층 보일러는 미분탄 화력발전소에서 사용하던 기존의 역청탄 대신 저급의 고휘발분 석탄을 연소하는 기술로 폐기물 고형연료까지 혼합하여 연소할 수 있다.
국내 화력발전의 경우 고휘발분 연료의 혼소 비중은 점차 증가하고 있지만 고휘발분 연료는 휘발성분 비중이 높기 때문에 연소부 내에서 체류하는 시간이 짧아 불균일 연소가 발생할 수 있다.
이 경우, 탈휘발 및 휘발분 연소가 연료투입구 및 공기투입구 근처에서 진행되어 연료 투입구 근처에서 일산화탄소(CO)가 밀집된 영역이 형성되어 연소부 내부에 설치된 튜브 등에 부식 및 부식에 의해 마모가 발생하는 문제가 보다 심각하게 발생될 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 순환 유동층 보일러(10)는, 연소부(20)의 하단에 공기가 투입되는 1차 공기투입구(50)가 구비되고, 상기 연소부(20)의 측면에 공기가 투입되는 2차 공기투입구(30)와 상기 2차 공기투입구(30) 하단에서 연료가 투입되는 연료투입구(40)가 구비된다.
그리고, 연소부(20)가 경사지게 구비되는 연소부 하단(23)에서 h 높이에 형성된 연소부의 내벽(21)은 내화제(22)가 도포되어 부식 및 부식에 의해 발생하는 마모에 강하게 설계되어 있고, h 높이 이상인 연소부(20) 내부는 일산화탄소의 부식 및 부식에 의해 발생하는 마모에 약한 문제가 있었다.
한편, 종래의 순환 유동층 보일러의 연소부(20)에 연료 투입시 연료가 중심부로 유입되지 못하고 연소부(20)의 하부로 낙하되거나 상기 연소부(20)의 하단에서 투입되는 1차공기에 의해 상승하다가 상기 연소부(20)의 측면에서 투입되는 2차 공기에 의해 혼합이 발생하게 되고, 도 1에서 점선으로 표시한 부분에서 연소반응 구역이 형성된다.
도 2를 참조하면, 도 2는 연소부(20)의 내벽 부분에서 일산화탄소의 농도를 나타낸 그래프로 일산화탄소가 도면에서 a 이상인 경우 연소부(20) 내부에 구비된 튜브(미도시) 등이 일산화탄소에 의해 환원되어 부식이 발생할 수 있음을 알 수 있다.
그런데, 종래의 연소부(20)에서는 일산화탄소가 밀집되는 영역은 점선에 표시한 것과 같이, 연소부(20)의 높이 h이상에서도 분포되고, 일산화탄소가 밀집된 영역에서 높이가 h 이상인 연소부 내부에서는 일산화탄소의 농도가 a 이상이므로 일산화탄소에 의해 연소부 내부의 튜브(미도시) 등에 부식 및 이에 의해 마모 등이 발생하는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 연소부의 중심부로 연료가 분사되어 연소부 중심에서 연소반응이 일어나는 순환 유동층 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 연소부의 크기에 따라 투입되는 연료의 크기 및 연료의 투입 속도가 최적화될 수 있는 순환 유동층 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서 본 발명은 연소반응이 일어나는 연소부 및, 상기 연소부에 투입시 연료를 공기가 감싸며 투입되도록 연료를 공급하는 연료 공급관을 공기를 공급하는 공기 공급관이 둘러싸도록 구비되는 연료공기 공급부를 포함하여 구성되는 부식 및 부식마모 방지를 위한 순환 유동층 보일러를 제공한다.
그리고, 본 발명은 일측면으로서, 상기 연료공기 공급부는 복수개가 구비되고, 상기 연소부의 중심을 기준으로 상기 연소부의 측면에 대칭적으로 될 수 있다.
그리고, 본 발명은 일측면으로서, 상기 연료공기 공급부는 이중관 형태로 내관인 연료가 공급되는 연료 공급관 및, 외관인 상기 연료 공급관를 감싸고 공기를 공급하는 공기 공급관을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명은 일측면으로서, 상기 연료공기 공급부는 상기 연료 공급관의 중심부가 상기 공기 공급관의 중심부보다 상기 연소부의 높이방향에서 상단에 위치하도록 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은 일측면으로서, 상기 연료공기 공급부는 상기 공기 공급관은 상기 연료 공급관과 평행하며 상기 연료공급관의 외주면에 접촉하며 상기 연료 공급관보다 직경이 작은 복수개의 관으로 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은 일측면으로서, 상기 연소부에 공급되는 연료입도와, 상기 공기 공급관을 통해 공급되는 공기의 속도 및 상기 연소부 내부에서 이동하는 연료의 이동거리는 아래의 식(a)를 만족하도록 구비될 수 있다.
식(a):0<(연료이동거리(m))2 /((연료입도(mm))2* (공기속도(m/s))≤104(m/s)-1
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기와 연료가 이중관을 통해 일체화되어 연소부에 투입되어 연료가 연소부의 중심부에 투입될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소부 중심부에서 연소반응이 일어나 일산화탄소가 밀집된 영역이 연소부의 중앙부에 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소부 내벽 부분에서의 일산화탄소 농도가 감소하여 연소부 내부의 튜브 등에 부식 및 부식에 의한 마모를 방지하는 효과를 제공한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소부 중심부에서 연소반응이 일어날 수 있도록 연소부의 크기에 따라 연료 입도의 크기 및 연료의 투입속도를 결정할 수 있다.
도 1은 종래의 연소부 내부의 단면도.
도 2는 종래의 연소부 내벽 부분의 일산화탄소의 농도를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연소부의 단면도.
도 4(a) 내지 (d)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 의한 연료공기투입부의 다른 실시예.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 연소부 내벽 부분의 일산화탄소의 농도를 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러를 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러(100)는 연소반응이 일어나는 연소부(110)와, 연료를 공급하는 연료 공급관(121)을 공기를 공급하는 공기 공급관(122)이 둘러싸도록 구비되는 연료공기 공급부(120)를 포함하여 구성된다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)는, 상기 연소부(110)의 일측에 설치되며 상기 연소부(110)에 투입시 연료를 공기가 감싸며 투입되도록 연료를 공급하는 연료 공급관(121)을 공기를 공급하는 공기 공급관(122)이 둘러싸도록 구비될 수 있다.
그래서, 종래의 순환 유동층 보일러(100)에서 연료 및 2차 공기가 각각 연소부(110)의 측면에서 별도의 관을 통해 공급되는 것과는 달리, 상기 연료 공급관(121)을 상기 공기 공급관(122)이 감싸고 있어 연료가 분사될 때 공기에 둘러싸여 공기가 연료를 밀어내는 힘에 의해 연료가 상기 연소부(110)의 중심부분으로 투입될 수 있다.
구체적으로, 도 4를 참조하면, 상기 연료공기 공급부(120)는 다양한 형상의 실시예로 구비될 수 있다.
먼저, 도 4(a)를 참조하면, 상기 연료 공급관(121) 및 상기 공기 공급관(122)은 중심이 일치하는 원형관으로 구비되고 상기 연료 공급관(121)을 상기 공기 공급관(122)이 감싸는 이중관으로 구비되어 있다.
그리고, 도 4(b)를 참조하면, 상기 연료 공급관(121) 및 상기 공기 공급관(122)은 원형관으로 구비되고 상기 연료 공급관(121)을 상기 공기 공급관(122)이 감싸고 있으나, 각각의 공급관의 중심이 일치하지 않고, 상기 연료 공급관(121)의 중심부가 상기 공기 공급관(122)의 중심부보다 상기 연소부(110)의 높이방향에서 상단에 위치하도록 구비될 수 있다.
그런데, 상기 공기 공급관(122)으로 투입되는 공기양이 한정되어 있으므로 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)와 같은 형상은 한정된 양의 공기가 연료를 지지하며 상기 연소부(110) 내부로 밀어주는 힘이 극대화 될 수 있어 연료가 상기 연소부(110)의 중심부로 투입될 수 있다.
그리고, 도 4(c) 및 4(d)를 참조하면, 상기 공기 공급관(122)은 상기 연료 공급관(121)과 평행하며 상기 연료공급관의 외주면에 접촉하며 상기 연료 공급관(121)보다 직경이 작은 복수개의 관으로 구비될 수 있다.
이 경우, 공기 공급관(122)의 직경은 상기 연료 공급관(121)의 직경보다 상대적으로 작기 때문에 상대적으로 공기 유속이 연료의 유속보다 빠르게 되어 빠른 유속의 공기가 유출되면서 연료를 감싸며 연료를 상기 연소부(110)의 중심부로 투입시킬 수 있다.
그리고, 상기 연료공기 공급부(120)가 단일개로 상기 연소부(110)의 일측면에도 구비되는 경우 이외에도 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 상기 연료공기 공급부(120)는 복수개로 구비될 수 있고, 또한 상기 연소부(110)의 중심을 기준으로 대칭되게 설치될 수 있다.
그런데, 도 3에는 상기 연소부(110)의 양측에 2개 구비되어 있으나, 2개 이상의 연료공기 공급부(120)도 연소부(110)의 중심을 기준으로 대칭되게 구비될 수 있다.
그래서, 상기 연료공기 공급부(120)로 투입된 공기 및 연료가 연소부(110) 내부로 분사될 때 대칭되는 연료공기 공급부(120)에서 분사되는 연료와 공기과 부딪쳐 연료의 연소영역이 도 3의 점선으로 표시한 부분과 같이 상기 연소부(110)의 중심부에서 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)는 복수개로 구비되고 상기 연소부(110)에 대칭되게 구비되는 경우 뿐만 아니라 전술한 것과 같이 상기 연료공기 공급부가 단일개로 상기 연소부(110)의 일측면에 설치되어 연료 및 공기를 상기 연소부(110) 중심부에 투입되는 실시예등을 모두 포함한다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)를 통해 연료가 상기 연소부(110)의 중심부로 투입될 수 있다.
또한, 상기 연료공기 공급부(120)가 상기 연소부(110)에 대칭적으로 구비되는 경우는, 각각의 연료공기 공급부(120)에서 분사되는 연료와 공기과 부딪쳐 연료의 연소영역이 상기 연소부(110)의 중심부인 도 3의 점선 부분으로 표시된 영역에서 형성될 수 있다.
그래서, 종래의 순환 유동층 보일러와는 달리, 상기 연소부(110)의 중심부로 연료가 투입되어 연소부 내벽 부분에서 일산화탄소의 농도가 감소하여 연소부 내부에 부식 및 부식에 의한 마모 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 공급부에서 분사하는 공기의 속도와 연료의 입도를 상기 연소부(110)의 크기에 의해 결정될 수 있다.
먼저, 연료의 혼합 정도를 파악하는 지표로 식(1)과 같은 Damkohler 상수(Da)가 사용될 수 있다.
식(1): Da = 연료가 섞이고 퍼져나가는 시간(연료의 이동시간)/연료의 연소시간
그런데, 식(1)에서 Da기 1보다 작은 경우에 혼합이 잘되고 연료가 연소부(110) 내부에서 균일하게 연소되고 있음을 의미하고, Da가 1보다 큰 경우는 연료가 내부에서 균일하게 연소되지 않는 것을 의미하며, Da가 1인 경우는 이의 임계적인 값을 나타낸다.
이때, 연료의 연소시간 및 이동시간은 아래의 식(2), 식(3)으로 나타낼 수 있다.
식(2): 연료 연소시간(s) = a*(연료입도(mm))n
식(3): 연료 이동시간(s) = (연료이동거리(m))2 / (b* (연료(공기)속도(m/s)))
식(2) 와 식(3)에서 사용된 상수인 a,b,n은 실험을 통해 a=105,b=0.1, n=2 값을 갖는 것을 산출되었고, 전술한 것과 같이 0보다 크고 Da기 1보다 작거나 같을것과 관련된 조건(0<Da≤1)과, 식(1) 내지 식(3), 및 산출된 a,b,n값을 이용하면 아래와 같은 식(a)가 산출된다.
식(a):0<(연료이동거리(m))2 /((연료입도(mm))2* (공기속도(m/s))≤104(m/s)-1
즉, 식(a)에서 연료의 이동거리는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)는 연료가 상기 연소부(110)의 중심부에 투입되도록 구비되기 때문에, 연료의 이동거리는 상기 연소부(110)의 직경의 1/2 이므로, 연소반응이 일어나는 연소부(110)의 크기가 정해지면 연료의 이동거리가 정해진다.
그래서, 식(a)에서 연료 이동거리가 정해지면, 투입되는 연료의 연료입도와 상기 공기(연료)의 분사속도의 관계를 계산할 수 있다. 이때, 상기 연료와 공기는 이중관으로 공급되기 때문에 분사되는 속도는 같다.
따라서, 연소부(110)의 크기를 알게 되면 식(a)에서 투입되는 연료입도와 공기의 분사속도와의 관계를 알 수 있고, 양자는 서로 반비례관계임을 알 수 있다.
즉, 투입되는 연료의 입도가 큰 경우, 상기 공기 공급관(122)에서 분사하는 공기의 유출속도는 증가되어야 하고, 투입되는 연료의 입도가 작은 경우에는 입도가 상기 연소부(110)의 중심부로 쉽게 유출될 수 있기 때문에 공기의 유출속도는 연료의 입도가 큰 경우에 비해 감소 될 수 있다.
그래서, 상기 연소부(110)의 크기와, 연료의 입도가 정해진 경우 상기 연료공기공급부에서 산출된 속도로 공기 및 연료를 분사하면, 연료가 상기 연소부(110)의 중심부로 투입될 수 있어 상기 연소부(110) 중심부에서 연소반응이 일어나 일산화탄소가 밀집되는 영역 또한 상기 연소부(110)의 중심부분인 도 3의 점선 부분으로 한정될 수 있다.
그 결과, 도 5를 참조하면, 상기 연소부(110) 측면에서 내화제가 도포된 부분이 끝나는 높이 h 이상인 부분에서의 일산화탄소 농도는 부식 및 부식에 의해 마모가 발생하는 a 이하인 결과가 도출되고, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료공기 공급부(120)가 구비된 상기 연소부(110)는 내부에 일산화탄소에 의해 튜브 등에 부식 및 부식에 의 마모가 발생하는 것을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 연료공기 공급부(120)를 통해 유입되는 공기와, 상기 연소부(110) 하단의 하단 공기 공급관(130)을 통해 유입되는 공기의 유입량의 비는 미리 설정된 일산화탄소의 기준농도에 따라 달라질 수 있다.
상기 연소부(110) 측면에서 부식이 방지될 수 있는 일산화탄소의 기준 농도를 1차 기준 농도라고 하면, 1차 기준농도의 120-140%에 해당하는 농도를 2차 기준농도로 정한다. 이때 1차 기준농도는 연소환경에 따라 달라질 수 있는 값이다.
그리고, 상기 연소부(110) 측면에서 측정된 일산화탄소의 농도 값이 1차 기준농도보다 낮은 경우 현재상태를 유지한다.
그리고, 측정된 일산화탄소의 농도값이 1차 기준농도와 2차 기준농도 사이에 있는 경우 상기 연료공기 공급부(120)에서 공급되는 공기의 양은 고정시키면서 상기 하부 공기 공급관(122)에서 공급되는 공기의 양을 증가시키는 것이 바람직하다.
그리고, 측정된 일산화탄소의 농도값이 2차 기준농도 이상인 경우에는 상기 연료공기 공급부(120)에서 공급되는 공기의 유량을 증가시키는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
110: 연소부 120: 연료공기 공급부
121: 연료 공급관 122: 공기 공급관
130: 하단 공기 공급관

Claims (6)

  1. 연소반응이 일어나는 연소부; 및
    상기 연소부에 투입시 연료를 공기가 감싸며 투입되도록 연료를 공급하는 연료 공급관을 공기를 공급하는 공기 공급관이 둘러싸도록 구비되는 연료공기 공급부;를 포함하여 구성되고,
    상기 연소부에 공급되는 연료입도와, 상기 공기 공급관을 통해 공급되는 공기의 속도 및 상기 연소부 내부에서 이동하는 연료의 이동거리는 아래의 식(a)를 만족하는 것을 특징으로 하는 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러.
    식(a):0<(연료이동거리(m))2 /((연료입도(mm))2* (공기속도(m/s))≤104(m/s)-1
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료공기 공급부는 복수개가 구비되고, 상기 연소부의 중심을 기준으로 상기 연소부의 측면에 대칭적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러.
  3. 제1항 또는 제2에 있어서,
    상기 연료공기 공급부는,
    이중관 형태로 내관인 연료가 공급되는 연료 공급관; 및
    외관인 상기 연료 공급관을 감싸고 공기를 공급하는 공기 공급관;을 포함하여 구성되는 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료공기 공급부는,
    상기 연료 공급관의 중심부가 상기 공기 공급관의 중심부보다 상기 연소부의 높이방향에서 상단에 위치하는 것을 특징으로 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료공기 공급부는,
    상기 공기 공급관은 상기 연료 공급관과 평행하며 상기 연료공급관의 외주면에 접촉하며 상기 연료 공급관보다 직경이 작은 복수개의 관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 부식 및 부식마모 방지가 가능한 순환 유동층 보일러.

  6. 삭제
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