KR100711297B1 - 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료투입관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미분탄과 공기 혼합물을 보일러 내에 공급할 수 있도록 트랜지션 유니트와 보일러의 투입구 사이에 접속되는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 관한 것으로서, 일단은 트랜지션 유니트와 연결될 수 있게 형성되어 있고 타단은 보일러와 연결될 수 있는 형상으로 형성되되 내부의 유로가 길이방향을 따라 휘어지게 형성된 하우징과, 하우징의 내벽에 접착제에 의해 부착된 다수의 세라믹 라인닝을 구비하고, 세라믹 라인닝은 Al₂O₃ 81 내지 85중량%, SiO₂ 2 내지 4중량%, MgO 1 내지 3중량퍼센트, TiO₂ 1 내지 3중량%, 벤토나이트 1 내지 3중량%, ZrO₂ 2 내지 4중량%, Li₂O 2 내지 4중량%, SiC 2 내지 4중량%, B₂O₃ 0.5 내지 2중량%의 성분비로 혼합된 세라믹 조성물을 성형 및 소성하여 형성된다. 이러한 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 의하면, 세라믹 라인닝의 단독 분리를 억제시킬 수 있고, 내부 유로의 곡률 변화에 관계없이 소성시의 변형율이 적은 세라믹 라인닝으로 내벽에 접합되어 있어, 열적 안정성 및 마모를 억제할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고 제조가 용이한 장점을 제공한다.

Description

화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관{elbow of dust coal supply apparatus for thermal power plant}

도 1은 본 발명에 따른 종단 연료 투입관이 적용되는 화력발전소의 미분탄 공급장치의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 2는 도 1의 옐보우 타입 종단 연료투입관을 발췌하여 나타내 보인 사시도이고,

도 3은 도 2의 옐보우 타입 종단 연료투입관의 일부를 절단하여 도시한 부분 절단 사시도이고,

도 4는 도 3의 세라믹 라인닝을 확대하여 도시한 사시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

15: 미분탄 주 공급관 30: 종단 연료 투입관

31: 하우징 35: 세라믹 라인닝

36: 접착층

본 발명은 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 관한 것으로서, 상세하게는 가속되는 미분탄의 충돌에 의한 마모를 억제시킬 수 있으면서도 열적 안정성을 높일 수 있도록 구조된 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 관한 것이다.

석탄을 주원료로 이용하는 화력발전소는 미세하게 분말화된 석탄(이하 미분탄이라 한다)을 공기와 함께 공급하여 보일러에서 연소시키고, 보일러 내에 배관된 수관속의 물을 증기화시켜 터어빈을 회전시킴으로써 발전할 수 있도록 되어 있다. 또한, 석탄을 주원료로 이용하는 화력발전소는 경유, 중유 또는 가스가 기동시나 저부하 운전시에 보조 연료로 사용된다.

이러한 화력발전소는 통상적으로 석탄을 미세한 크기의 미분탄으로 분쇄하여 미분탄 주공급관을 통해 공급하는 석탄 분쇄기와, 미분탄 주공급관을 통해 공기를 공급하는 송풍기 및 미분탄 주공급관을 통해 이송되는 미분탄과 공기의 혼합물을 공급받아 연소시키는 보일러를 구비한다.

또한, 보일러의 화염이 역류하는 것을 방지하도록 미분탄 주공급관과 보일러 사이에는 미분탄 및 공급 공기의 유속을 가속시켜 보일러로 공급할 수 있도록 보일러로 진행될 수 록 내부 유로가 점진적으로 좁아지게 형성된 트랜지션 유니트가 마련되어 있고, 트랜지션 유니트의 종단과 보일러 사이에는 종단 연료투입관이 설치된다. 종단 연료 투입관은 통상 원형 유로를 갖되 유로가 곡률지게 형성되게 옐보유 타입이 적용된다.

트랜지션 유니트는 보일러에 인접해서 설치되기 때문에 보일러 내에서 미분탄 연소시 발생되는 화염으로부터 전달되는 열에 의해 고온상태가 유지되고, 또한 유로가 점지적으로 좁아지기 때문에 가속되는 미분탄의 내벽과의 충돌에 의해 내벽이 쉽게 마모가 된다. 따라서, 장시간 운전 후에 따른 트랜지션 유니트의 마모에 의해 형성되는 관통홀을 통해 미분탄이 누설되는 경우 주변 오염은 물론 화재를 유발시킬 수 있는 심각한 문제점을 야기시킨다. 이러한 미분탄 및 고열에 의한 마모는 곡선형태의 유로를 갖는 옐보우 타입 종단 연료투입관에서도 동일하게 발생한다.

한편, 알루미나와 같은 세라믹 소재는 1000℃ 이상의 고온에서도 열충격 및 입자 충돌에 대해서도 마모가 적은 소재로서 알려져 있다.

또한, 대부분의 세라믹 타일은 알루미나(Al₂O₃ )를 주성분으로 하고, SiO₂ , 장석, MgO, CaO, K₂O, 석회석 등을 용도에 맞는 마모성 등을 고려하여 선택적으로 첨가하여 소성한 것이 적용된다.

그런데, 종래의 세라믹 타일의 경우 대부분 곡률이 없는 판형으로 제작되기 때문에 트랜지션 유니트와 같이 유로가 점진적으로 좁아지거나 곡률을 갖는 부분에는 적용하기 어렵다. 또한, 곡률변화가 상호 다른 부분에 각각 적용하고자 해당 곡률에 대응되게 세라믹소재로 성형하여 소성하는 경우 16%정도로 수축되고, 곡선에 따른 수축률이 곡률에 따라 큰 편차로 달라지기 때문에 실질적으로 원하는 곡률을 갖는 형태의 제작이 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한, 종래의 세라믹 타일은 기동시와 운전시의 상호 다른 온도 차이에 의한 열적 변화의 반복에 의해 균열이 가거나 파손되는 문제점도 있다.

이러한 문제점 때문에 국내 등록실용신안 제0193838호에는 공급관내의 유로가 좁아지거나 굴곡진 부분 중 세라믹 타일을 부착할 수 없는 곡면부분과 협소한 곳에 비정질 전이금속을 용접에 의해 내벽을 마감처리한 용접부를 갖는 구조가 개시되어 있다.

그런데, 상기 전이금속은 세라믹에 비해 융점이 낮아 보일러에 인접되는 관로상에 형성될 때 보일러의 화염으로부터 전달되는 1000℃ 내지 1500℃ 고온의 열에 의해 쉽게 열화될 수 있고, 용접과정을 거쳐 부착하여야 하기 때문에 공정이 복잡한 문제점이 있다.

한편, 트랜지션 유니트 또는 옐보우 타입 연료투입관의 내벽에 세라믹 소재로 소성된 타일을 부착하는 경우 접착제도 1000℃ 이상의 고온에서 안정적으로 결합력을 유지할 수 있는 것이 적용되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 미분탄의 충돌에 의한 마모를 억제시킬 수 있고, 열적 안정성을 높일 수 있으면서 제작이 용이한 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 내벽에 세라믹소재를 이용하여 부착되는 요소 상호간의 결합력을 높여 부분적으로 분리되는 것을 억제시킬 수 있는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관은 석탄 분쇄기로부터 미분탄 주공급관과 트랜지션 유니트를 거쳐 이송되는 미분탄과 공기 혼합물을 보일러 내에 공급할 수 있도록 트랜지션 유니트와 보일러의 투입구 사이에 접속된 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 있어서, 일단은 상기 트랜지션 유니트와 연결될 수 있게 형성되어 있고 타단은 상기 보일러와 연결될 수 있는 형상으로 형성되되 내부의 유로가 길이방향을 따라 휘어지게 형성된 하우징과; 상기 하우징의 내벽에 세라믹 접착제에 의해 부착된 다수의 세라믹 라인닝;을 구비하고, 상기 세라믹 라인닝은 Al₂O₃ 81 내지 85중량%, SiO₂ 2 내지 4중량%, MgO 1 내지 3중량퍼센트, TiO₂ 1 내지 3중량%, 벤토나이트 1 내지 3중량%, ZrO₂ 2 내지 4중량%, Li₂O 2 내지 4중량%, SiC 2 내지 4중량%, B₂O₃ 0.5 내지 2중량%의 성분비로 혼합된 세라믹 조성물을 성형 및 소성하여 형성된다.

바람직하게는 상기 세라믹 접착제는 Al₂O₃ 66 내지 70중량%, SiO₂ 10 내지 14중량%, MgO 2 내지 4중량%, SiC 4 내지 6중량%, 벤토나이트 1 내지 3 중량%, ZrO₂ 4 내지 6중량%, Na₂O 1 내지 3중량%, B₂O₃ 2 내지 4중량퍼센트의 성분비로 혼합된 혼합물 100중량부에 대해 5 내지 10중량부의 물을 투입하여 슬러리 형태로 형성된 것을 상기 하우징에 도포한 후 상기 세라믹 라인닝을 접착하고 경화시킨다.

또한, 상기 세라믹 라인닝은 내측으로 인입된 끼움홈이 일측에 형성되어 있 고, 타측에는 인접된 세라믹 라인닝의 끼움홈에 끼움결합될 수 있는 끼움돌기가 형성되어 있으며, 상기 세라믹 라인닝들은 상기 하우징의 내주면을 따라 상기 끼움홈과 상기 끼움돌기에 의해 상호 끼움 결합되어 상기 하우징의 내벽에 접합된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 옐보우 타입 종단 연료투입관이 적용되는 화력발전소의 미분탄 공급장치의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 미분탄 공급장치(10)는 석탄 분쇄기(13), 미분탄 주공급관(15), 트랜지션 유니트(20), 종단 연료투입관(30)을 구비한다. 참조부호 40은 종단 연료투입관(30)을 통해 공급된 연료를 연소시키는 보일러이다.

석탄 분쇄기(13) 호퍼를 통해 투입된 석탄을 미세한 크기의 미분탄으로 분쇄한다.

미분탄 주공급관(15)은 일단은 석탄 분쇄기(13)의 토출구와 연결되어 있고, 타단은 트랜지션 유니트(20)와 연결되어 있다.

미분탄 주공급관(15)은 내부가 사각형 유로를 갖는 사각형 관 구조로 형성되어 있다.

미분탄 주공급관(15)의 종단 부분에는 공기와 미분탄이 혼합된 연료를 분기시키는 세퍼레이터(15a)가 마련되어 있다.

송풍기(14)는 외부공기를 미분탄 주공급관(15)을 통해 송풍에 의해 공급할 수 있도록 설치되어 있다.

트랜지션 유니트(20)는 일단은 세퍼레이터(15a)의 분기관 종단과 플랜지(22)를 통해 결합되어 있고, 타단은 커플러(27)를 통해 굴곡진 엘보우 형태의 종단 연료투입관(30)과 접속되어 있다.

트랜지션 유니트(20)는 미분탄 주공급관(15)을 통해 유입되는 미분탄과 공기의 혼합물의 유속을 가속시킬 수 있도록 세퍼레이터(15a)와 연결되는 일단으로부터 연료 투입관(30)으로 진행될 수 록 내경이 점진적으로 줄어들게 형성되어 있다.

종단 연료투입관(30)은 굴곡진 원형 유로를 갖는 옐보우 타입으로 형성되어 있다.

종단 연료 투입관(30)은 하우징(31)과, 다수의 세라믹 라인닝(35)으로 되어 있다.

하우징(31)은 금속소재로 형성되는 것이 바람직하다.

하우징(31)의 일단은 연료투입구가 형성된 보일러(40)에 연결될 수 있게 나사결합용 플랜지(32)를 갖는 형상으로 형성되어 있고 타단은 트랜지션 유니트(20)와 커플러(27)에 의해 연결될 수 있게 최외측 부분의 외경이 더 크게 단차진 형상의 결합부를 갖도록 형성되어 있다. 이 경우 커플러(27)는 하우징(31)의 결합부와 트랜지션 유니트(20)의 결합부의 외측에서 감싸되 조임결합 수 있는 구조를 적용하면 된다.

트랜지션 유니트(20)와 보일러(40)와의 상호 연결을 위한 하우징(31)의 구조는 예시된 구조와는 다르게 양단이 모두 플랜지 구조로 된 것 등 다양한 결합구조 가 적용될 수 있음은 물론이다.

하우징(31) 내의 내부 유로(33)는 원형으로 굴곡지게 형성되어 있다.

세라믹 라인닝(35)은 하우징(31)의 내벽에 세라믹 접착제(36)에 의해 부착되어 있다.

세라믹 라인닝(35) 들은 하우징(31)의 내벽을 마감처리할 수 있도록 하우징(31)의 내면을 다수의 섹터영역으로 분할하였을 때 각 섹터 영역의 곡률에 대응되는 형상으로 각각 형상된 것을 적용한다. 이 경우 하우징(31) 내벽을 따라 부착되는 세라믹 라인링(35) 들은 적용되는 섹터 영역의 곡률에 따라 형상이 상호 다를 수 있다.

바람직하게는 세라믹 라인닝(35)은 하우징(31)의 내부 유로의 진행방향에 대해서는 양단이 상호 나란하고, 내주방향에 대응되는 상면 및 저면은 내벽의 곡률에 대응되게 휜 형태로 형성된 것이 적용된다. 즉, 세라믹 라인닝(35)은 상면 및 저면이 굴곡지되 가장자리라인은 사각라인을 갖는 구조가 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 세라믹 라인닝(35)은 도 4에 확대 도시된 바와 같이 내측으로 인입된 끼움홈(35a)이 일측에 형성되어 있고, 타측에는 인접된 세라믹 라인닝(35)의 끼움홈(35a)에 끼움결합될 수 있는 끼움돌기(35b)가 형성되어 있다.

이러한 세라믹 라인닝(35)들은 하우징(31)의 내주면을 따라 끼움홈(35a)과 끼움돌기(35b)에 의해 상호 끼움 결합되어 하우징(31)의 내벽에 세라믹 접착제에 의해 접합된다. 이 경우 세라믹 라인닝(35)의 상호 결합력이 강화되어 단독으로 하우징(31)으로부터 분리되는 것을 억제시킬 수 있다.

한편, 세라믹 라인닝(35)은 원하는 곡률형태로 성형된 이후 소성하였을 때 수축에 의한 형상의 변화가 억제될 수 있는 세라믹 조성물로 형성된다. 또한 세라믹 라인닝(35)은 열팽창율이 적은 소재로 형성된다.

이러한 조건을 만족하는 세라믹 라인닝용 세라믹 조성물은 Al₂O₃ 81 내지 85중량%, SiO₂ 2 내지 4중량%, MgO 1 내지 3중량퍼센트, TiO₂ 1 내지 3중량%, 벤토나이트 1 내지 3중량%, ZrO₂ 2 내지 4중량%, Li₂O 2 내지 4중량%, SiC 2 내지 4중량%, B₂O₃ 0.5 내지 2중량%의 성분비로 혼합된 세라믹 조성물을 적용한다.

바람직하게는 세라믹 조성물은 Al₂O₃ 81중량%, SiO₂ 3중량%, MgO 2중량퍼센트, TiO₂ 2중량%, 벤토나이트 2중량%, ZrO₂ 3중량%, Li₂O 3중량%, SiC 3중량%, B₂O₃ 1중량%의 성분비로 분말상태로 혼합된 것을 적용한다.

여기서, 산화티탄(TiO₂)은 열팽창을 억제시키는 기능을 하며, 벤토나이트는 성형강도를 증가시킨다. 또한, 지르코니아(ZrO₂)는 수축을 억제시키고, 온도상승 및 냉각시의 급격한 열적변화에 의한 체적 변화를 억제시키는 기능을 한다. 또한, 산화리튬(Li₂O)은 열팽창시 균열을 억제시키고, 탄화규소(SiC)는 수축율 및 열적변형을 감쇠시키고, 삼산화붕소(B₂O₃ )는 균열 및 수축을 감쇠시키고, 내구성을 향상시킨다.

세라믹 라인닝(35)은 이러한 세라믹 조성물은 압축 성형하여 원하는 형상으 로 가공한 다음 1700℃에서 소성한 것을 적용한다. 세라믹 조성물의 압축 성형시 윤활제 예를 들면 올레인산을 세라믹 조성물 100중량부에 대해 1 내지 2중량부로 첨가하여 성형하는 것이 바람직하다.

이러한 세라믹 라인닝(35)은 성형된 상태에서 소성후의 수축율이 3 내지 5% 이내로 억제되기 때문에 곡률을 갖는 형상을 원하는 형태로 큰 편차 없이 제조가 가능한 장점이 있다.

한편, 상기 세라믹 라인닝(35)과 하우징(31)의 내벽 사이에는 세라믹 라인닝(35)을 하우징(31)의 내벽에 접합하기 위해 적용된 세라믹 접착제로 형성된 접착층(36)이 형성되어 있다.

접착층(36)에 적용되는 세라믹 접착제는 세라믹 접착제는 1400℃의 고온에서도 열적 변형이 없이 세라믹 라인닝(35)과 하우징(31) 사이의 결합력을 유지할 수 있는 것이 적용된다. 또한 세라믹 라인닝(35)과 열팽창계수가 유사한 성분으로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 요구사항을 만족시키기 위해 적용되는 세라믹 접착제는 Al₂O₃ 66 내지 70중량%, SiO₂ 10 내지 14중량%, MgO 2 내지 4중량%, SiC 4 내지 6중량%, 벤토나이트 1 내지 3 중량%, ZrO₂ 4 내지 6중량%, Na₂O 1 내지 3중량%, B₂O₃ 2 내지 4중량퍼센트의 성분비로 상호 혼합된 혼합물 100중량부에 대해 물 5 내지 10중량부를 투입하여 슬러리 형태로 형성된 것을 적용한다.

더욱 바람직하게는 세라믹 접착제의 상기 혼합물은 Al₂O₃ 68중량%, SiO₂ 12중 량%, MgO 3중량퍼센트, SiC 5중량%, 벤토나이트 2 중량%, ZrO₂ 5중량%, Na₂O 2중량%, B₂O₃ 3중량퍼센트의 성분비로 혼합된 것을 적용한다.

이러한 슬러리 형태로 된 세라믹 접착제는 상온에서 일정시간 예를 들면 24시간 정도 지나면 경화된다.

세라믹 접착제는 사용시 상기 혼합물 100중량부에 대해 1 내지 3중량부의 경화제가 투입될 수 있다.

이러한 세라믹 접착제는 하우징(21)의 내벽에 도포한 후 세라믹 라인닝(35)을 접착하고 경화시키면 된다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 의하면, 세라믹 라인닝의 단독 분리를 억제시킬 수 있고, 내부 유로의 곡률 변화에 관계없이 소성시의 변형율이 적은 세라믹 라인닝으로 내벽에 접합되어 있어, 열적 안정성 및 마모를 억제할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고 제조가 용이한 장점을 제공한다.

Claims (4)

1. 석탄 분쇄기로부터 미분탄 주공급관과 트랜지션 유니트를 거쳐 이송되는 미분탄과 공기 혼합물을 보일러 내에 공급할 수 있도록 트랜지션 유니트와 보일러의 투입구 사이에 접속된 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관에 있어서,

   일단은 상기 트랜지션 유니트와 연결될 수 있게 형성되어 있고 타단은 상기 보일러와 연결될 수 있는 형상으로 형성되되 내부의 유로가 길이방향을 따라 휘어지게 형성된 하우징과;

   상기 하우징의 내벽에 세라믹 접착제에 의해 부착된 다수의 세라믹 라인닝;을 구비하고,

   상기 세라믹 라인닝은

   Al₂O₃ 81 내지 85중량%, SiO₂ 2 내지 4중량%, MgO 1 내지 3중량퍼센트, TiO₂ 1 내지 3중량%, 벤토나이트 1 내지 3중량%, ZrO₂ 2 내지 4중량%, Li₂O 2 내지 4중량%, SiC 2 내지 4중량%, B₂O₃ 0.5 내지 2중량%의 성분비로 혼합된 세라믹 조성물을 성형 및 소성하여 형성된 것을 특징으로 하는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 접착제는

   Al₂O₃ 66 내지 70중량%, SiO₂ 10 내지 14중량%, MgO 2 내지 4중량%, SiC 4 내지 6중량%, 벤토나이트 1 내지 3 중량%, ZrO₂ 4 내지 6중량%, Na₂O 1 내지 3중량%, B₂O₃ 2 내지 4중량퍼센트의 성분비로 혼합된 혼합물 100중량부에 대해 5 내지 10중량부의 물을 투입하여 슬러리 형태로 형성된 것을 상기 하우징에 도포한 후 상기 세라믹 라인닝을 접착하고 경화시킨 것을 특징으로 하는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관.
3. 제2항에 있어서, 상기 하우징은 금속소재로 형성된 것을 특징으로 하는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관.
4. 제1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 세라믹 라인닝은

   내측으로 인입된 끼움홈이 일측에 형성되어 있고, 타측에는 인접된 세라믹 라인닝의 끼움홈에 끼움결합될 수 있는 끼움돌기가 형성되어 있으며,

   상기 세라믹 라인닝들은 상기 하우징의 내주면을 따라 상기 끼움홈과 상기 끼움돌기에 의해 상호 끼움 결합되어 상기 하우징의 내벽에 접합된 것을 특징으로 하는 화력발전소용 미분탄 공급장치의 옐보우 타입 종단 연료 투입관.

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