KR101039409B1 - 발전소용 보일러 노 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부수관벽과 내부수관벽에 의해 형성되는 연소공간을 화염의 모양과 가장 근접하게 형성하여 화염과의 접촉면적을 증가시켜 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시킬 수 있게 하여 열효율을 증대시킬 수 있게 한 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

본 발명은 내부 가장자리에 노벽(2)을 따라 단열재를 사이에 두고 설치되는 다수개의 수관이 연결되어 이루어진 외부수관벽(10)과, 상기 외부수관벽(10)의 내측에 위치하면서 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부수관벽(20)으로 이루어진 통상의 발전소용 보일러 노에 있어서, 아래쪽에서 중앙부위(M)까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 더 넓어지거나 또는 동일한 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 외부수관벽(10)을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상으로 이루어지며, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 상기 외부수관벽에 평행하게 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어져, 내외부수관벽의 폭이 일정하게 유지되면서 굴곡진 것을 특징으로 한다.

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Description

발전소용 보일러 노{Furnace of boiler for power station}

본 발명은 외부수관벽과 내부수관벽에 의해 형성되는 연소공간을 화염의 모양과 가장 근접하게 형성하여 화염과의 접촉면적을 증가시켜 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시킬 수 있게 하여 열효율을 증대시킬 수 있게 한 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소에서 많이 사용하는 보일러는 석탄용 보일러와 석유용보일러, 가스용보일러 로 대별되며, 그중 발전량의 다수를 차지하는 것이 석탄발전 보일러이며 석탄발전소는 다시 미분탄 보일러와 유동층 보일러로 대별된다.

상기 미분탄 보일러는 미분탄을 연소시키므로 연소효율이 높은 대신 고온연소로 인해 대기환경에 유해한 질소산화물이 생성되어 질소산화물을 처리할 수 있는 대형집진설비를 갖출 수 있는 대형발전소에서 채택하고 있다. 상기 유동층 보일러는 굵은 알맹이 석탄을 연소시키므로 연소온도가 낮아 질소산화물 생성이 억제되는 대신에, 연소온도가 낮기 때문에 화염에서 수관으로 전달되는 전열효과를 높이기 위해 모래를 노의 아래쪽에서부터 위쪽으로 불어 올려 모래를 가열시키고, 이렇게 가열된 모래가 노의 외곽에 배치된 수관벽을 타고 아래로 내려오게 함으로써 열효율을 상승시키도록 하고 있다.

이러한 이유 때문에 연소효율이 높은 미분탄 보일러에서는 질소산화물의 생성을 억제하는 연구가 진행되고 있는 한편, 유동층 보일러에서는 규모를 확대시켜 열효율을 높이게 하는 시도가 진행되고 있다.

본 발명에서는 석탄화력 발전의 대부분을 차지하는 미분탄 보일러를 예로 설명하기로 한다

기존 미분탄 보일러에서는 노상부에 7km에 달하는 수관을 상하 죄우로 지그재그 배열하여 상향하면서 빠져나가는 화염으로부터 최대한 열을 흡수하고 있다.

화염으로부터의 열흡수효율을 촘촘히 높게 배열한 수관에 의해 높이는 방법을 채택하고 있어, 물을 순환시키는 급수펌프의 부하가 비정상적으로 커져있다.

발전소 소내전력의 30-40%를 이 급수펌프를 돌리는 모타가 소모해 버리고 있다. 그러면서도 질소산화물을 대량 배출하고, 재를 끈적한 슬래그화시켜 많은 클링커를 만들고 여과장치를 fouling 하여 저렴한 저급탄을 사용할 수 없는 약점도 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인이 발명한 대한민국등록특허 제10-0764903호에서는 도 1에 도시된 바와 같이 노의 가장자리를 따라 배치된 외부수관벽(10)의 중심에 다수 개의 수관 다발로 이루어진 내부수관벽(8)을 설치하여, 상기 내외부수관벽(8,6)의 사이에서 외부수관벽(10)에 고르게 설치된 연료분사노즐에 서 내부수관벽(8)의 접선방향으로 분사되어 관형화염을 이루면서 연소되게 함으로써, 화염이 한점에 집중되어 초고온으로 상승되는 현상이 발생하지 않게 함과 더불어, 필요시 상기 내부수관벽(8)에 형성된 공기 분사구멍을 통하여 찬 외기가 내외부수관벽(8,6)사이의 연소공간(S) 속으로 유입되게 함으로써, 화염(F)의 온도가 지나치게 초고온으로 상승하는 것을 방지해 줄 수가 있으므로, 고온의 화염에 의해 공기중의 질소가 연소하여 질소산화물이 발생하는 것을 저감할 수가 있도록 하였다.

그러나, 이러한 대한민국등록특허 제10-0764903호는 노속에서 발생된 대류가스의 많은열이 노옆의 수관벽에 전달, 흡수되지 못하고 상부로 올라가, 과열기와 재열기를 통과하면서 남은 열을 흡수시키게 함으로서 상층부의 높이가 매우 높아지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 외부수관벽과 내부수관벽에 의해 형성되는 연소공간을 화염의 모양과 가장 근접하게 형성하여 화염과의 접촉면적을 증가시켜 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시킬 수 있게 하여 하부열흡수효율을 증대시킬 수 있게 한 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 화염의 상부에서 형성되어 대류열을 지닌 대류가스가 통과할 수 있도록 굴곡부위를 형성하여 대류가스의 대류열도 노의 수관벽에서 흡수하여 열효율을 더욱 향상시킬 수 있는 발전소용 보일러 노에 관한 것이다.

본 발명의 발전소용 보일러 노는, 내부 가장자리에 노벽(2)을 따라 단열재를 사이에 두고 설치되는 다수개의 수관이 연결되어 이루어진 외부수관벽(10)과, 상기 외부수관벽(10)의 내측에 위치하면서 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부수관벽(20)으로 이루어진 통상의 발전소용 보일러 노에 있어서,
아래쪽에서 중앙부위(M)까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 더 넓어지거나 또는 동일한 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 외부수관벽(10)을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상으로 이루어지며, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 상기 외부수관벽에 평행하게 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어져, 내외부수관벽의 폭이 일정하게 유지되면서 굴곡진 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 발전소용 보일러 노는 화염이 형성되는 외부수관벽과 내부수관벽의 연소공간이 화염의 모양과 가장 근접하게 형성되기 때문에 각 수관벽들이 화염과의 접촉면적이 증대되어 노의 수관벽에서 가열되는 물의 온도를 향상시켜 열효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 화염의 상부에서 형성되어 대류열을 지닌 대류가스가 외부수관부와 내부수관부가 형성하는 굴곡부위를 통과하면서 대류가스의 대류열도 노의 수관벽에서 흡수하여 더욱 열효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다. 이때, 기수분리기 등의 각종 장치는 기존보일러의 장치와 동일하므로 별도의 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러 노에 대한 부분 절개 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러 노의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 형성되는 공기분사구멍의 수직 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 미분탄 보일러 노(1)는 내부 가장자리에 노벽(2)을 따라 다수개의 수관이 연결되어 이루는 외부수관벽(10)이 단열재(4)를 사이에 두고 설치되고, 상기 외부수관벽(10) 속에 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부수관벽(20)이 설치된다.

외부수관벽(10)과 내부수관벽(20)을 형성하는 각각의 수관 내부에 물이 통과되고, 외부수관벽(10)의 하단에는 물을 공급받는 제1하부헤드(12)가 설치되고, 상단에는 가열된 물과 증기를 모으는 제1상부헤드(14)가 설치된다. 그리고, 내부수관벽(20)의 하단에도 물을 공급받는 제2하부헤드(22)가 설치되고, 상단에는 역시 가열된 물과 증기를 모으는 제2상부헤드(24)가 설치된다. 이러한 외부수관벽(10)과 내부수관벽(20)은 쫄대형의 연결판인 멤브레인을 수관사이마다 병렬 위치시켜 수관과 멤브레인을 병렬용접 연결되어 벽형상으로 형성되어 지지된다.

그리고, 제1상부헤드(14) 및 제2상부헤드(24)는 노(1)의 상부에 설치된 과열기(도시안됨)와 연결되어 있다.

한편, 외부수관벽(10)은 아래쪽에서 중앙부위까지 직경이 조금씩 넓어지거나 동일한 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진다. 그리고, 내부수관벽(20)은 외부수관벽(10)의 내측에 위치하면서 아래쪽에서 중앙부위까지 외부수관벽(10)을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상이고 중앙부위(M)에서 상부쪽까지 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어진다.

이에 따라, 내외부수관벽(10,6) 사이에 형성되는 연소공간(S)은 아래쪽에서 중앙부위(M)까지의 간격은 점점 넓어지다가 좁아지는 형상으로 이루어지고, 중앙부위(M)에서 상부쪽까지의 간격은 거의 동일하게 형성된다. 즉, 하부는 항아리 같이 외부로 볼록하고 상부는 직경이 작아지면서 굴곡이져서 내외부수관벽 사이에서 발생된 촛불형태의 화염이 상부로 빠져나가게 된다. 이때 전방향으로 발사되는 화염의 복사열은 상하로 포위된 넓은 표면적을 데우고, 화염에 실린 대류열은 중앙부위와 상부쪽의 굴곡부위를 통과하면서 더 많은 수관들과 접촉하게 되여 수관에의 열전달을 높일 수 있다.

그리고, 외부수관벽(10)에는 원주 방향 및 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 다수개의 연료분사노즐(16)이 배치된다. 연료 분사노즐에서 분사된 연료는 외부수관벽(10)과 내부수관벽(20) 사이에 형성되는 연소공간(S) 속에 분사되어 거대한 하나의 곡선형 관형화염(F)을 형성하여 내외부수관벽(20, 10)의 내부에 흐르는 물을 가열시킨다.

도 5에 도시한 바와, 내부수관벽(20)의 멤브레인에는 다수개의 공기분사구멍(26)이 형성된다. 공기분사구멍(26)은 내부수관벽(20)의 내부 공간과 연결된 공기 펌프에서부터 공급되어 공기를 내부수관벽(20)과 외부수관벽(10) 사이로 분사 주입하여 연료가 연소하면서 생성되는 화염(F)의 온도를 낮추어 초고온으로 가열되는 것을 방지해 주는 기능을 담당한다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 발전소용 보일러 노의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모든 수관에 물을 채우고, 오일버너 등으로 화염을 분사하여 노(1) 내부를 가열한 후, 오일 버너의 화염 속에 외부수관벽(10)에 설치된 다수개의 연료분사노즐(16)을 통하여 공기와 함께 분사하거나 또는 하부로 미분탄을 분사하면 상기 노(1)가 오일 버너의 화염에 의해 더워진 상태이기 때문에 오일 버너의 화염에 의해 미분탄이 착화되어지게 되는데, 이렇게 미분탄이 연소되기 시작하면 오일버너를 끈다.

미분탄 화염(F)이 성장하여 격렬하게 요동하면, 중앙의 내부수관벽(20)의 연결판(10d)에 형성되어 있는 공기분사구멍(26)에서 보조 공기가 분사되어 내부수관벽(20)과 외부수관벽(10)사이에 형성되는 연소공간(S)속으로 주입된다.

한편, 상기 외부수관벽(10)에 설치되어 있는 연료분사노즐(16)은 내부수관벽(20)의 외접선 방향으로 배치되어, 상기 연료분사노즐(16)에서 분사되는 연료가 연소될 때 발생하는 화염(F)이 내부수관벽(20)에 부딪친 후 반사되다가 다시 외부수관벽에 부딪쳐 갇히면서 관형 화염(fire pipe)을 이루게 된다.

따라서, 상기 화염(F)은 내외부수관벽(10,6) 사이의 연소공간(S) 속에서 내부수관벽(20)의 접선 방향을 따라 회전하게 되므로, 각각의 연료분사노즐(16)에서 분사되어 나오는 화염이 한 곳에 집중되는 현상이 발생하지 않으므로 화염(F)의 온도가 질소가 산화될 정도의 온도로 가열되지 않게 될 뿐만 아니라, 필요시 내부수관벽(20)의 공기분사구멍(26)에서 외부의 찬 공기가 주입되면서 화염(F)의 온도를 낮추어주기 때문에, 상기 연소공간(S)에서 연소되는 화염(F)이 1300℃의 초고온으로 올라가지 않게 된다.

또한, 화염의 상부쪽은 폭이 좁아지더라도 내외부수관벽의 거리가 좁은 중간부분에 접촉하여 복사열의 흡수면적을 넓힐 수 있게 되며, 화염에서 발생된 대류열을 지닌 대류가스도 중앙부위와 상부쪽의 굴곡부위를 통과하면서 수관들과 더 많이 접촉하게 하여 열효율을 높일 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 보일러 노는 내,외부 수관벽의 연소공간을 화염의 모양과 가장 근접하게 형성하여 전열효과가 상승되게 되며, 화염으로부터 초고온의 화염에 의해 공기중의 질소가 산화되는 현상으로 인해 질소산화물이 발생하는 문제가 야기 되지 않는 것이다.

본 발명은 미분탄 보일러 뿐만 아니라 다른 보일러에도 적용할 수 있다는 것은 이 분야에 종사하는 사람이면 쉽게 알 수 있다.

도 1은 종래의 발전소용 보일러의 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러 노에 대한 부분 절개 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러 노의 단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치된 내외부 수관벽의 배치상태를 나타낸 평단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발전소용 보일러의 연소실에 설치되는 내부수관벽에 형성되는 공기분사구멍의 수직 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 외부수관벽 12 : 제1하부헤드

14 : 제1상부헤드 20 : 내부수관벽

16 : 연료분사노즐 22 : 제2하부헤드

24 : 제2상부헤드 26 : 공기분사구멍

Claims (2)

1. 내부 가장자리에 노벽(2)을 따라 단열재를 사이에 두고 설치되는 다수개의 수관이 연결되어 이루어진 외부수관벽(10)과, 상기 외부수관벽(10)의 내측에 위치하면서 역시 다수개의 수관이 연결되어 이루는 내부수관벽(20)으로 이루어진 통상의 발전소용 보일러 노에 있어서,

   아래쪽에서 중앙부위(M)까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 더 넓어지거나 또는 동일한 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 외부수관벽(10)을 기준으로 아래쪽의 직경이 점점 좁아지다가 넓어지는 형상으로 이루어지며,

   중앙부위(M)에서 상부쪽까지의 상기 외부수관벽(10)은 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어지고, 상기 내부수관벽(20)은 상기 외부수관벽에 평행하게 직경이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상으로 이루어져, 내외부수관벽의 폭이 일정하게 유지되면서 굴곡진 것을 특징으로 하는 발전소용 보일러 노.
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