KR20170004374A - 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

Abstract

산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 공기 중의 산소 농도에 비해 산소의 양을 증가시킨 산소부화된 공기를 저발열량을 갖는 연료와 혼합해서 보일러에 설치되는 다단의 버너에서 연소시키도록, 각 단 버너에 공급되는 연료를 공급하는 연료공급부, 공기 중의 산소에 비해 산소의 양을 증가시켜 산소부화된 공기를 생성하는 산소부화공기 발생장치 및 상기 연료공급부의 연료공급량과 각 단 버너에 공급되는 연료량, 상기 산소부화공기 발생장치에서 각 단 버너 및 화로에 공급되는 산소부화공기 공급량을 조절해서 전체 연소장치의 당량비 분포를 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 산소부화된 공기를 이용해서 저급 연료를 사용하는 경우에도 설계치에 근접하게 연소 효율을 향상시키고, 질소산화물을 저감하며, 배가스 유량을 감소시켜 배가스 처리 설비의 효율성을 향상시키고, 저급 연료의 연소성을 향상시켜 발전 시스테의 연료 수용성을 증대할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법{OXYGEN ENRICHMENT COMBUSTION APPARATUS, THERMAL POWER SYSTEM WITH THE SAME AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 화력발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소부화공기를 이용해서 연료를 연소하는 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

미분탄 화력 발전소는 직경이 대략 수십 ㎛인 가루 형태로 미분된 석탄을 연소시켜 발생한 열에너지를 이용하여 증기를 발생해서 증기 터빈을 회전시키고, 발전기를 이용해서 증기 터빈의 회전운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 시스템으로서, 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 전력생산 시스템이다.

미분탄 화력발전소에서 전력생산 단가, 즉 경제성을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료로 사용되는 석탄의 가격이다.

석탄의 단위 무게당 열량이 작은 저열량탄일수록 단위 열량당 가격이 싸지는 것이 일반적인 경향이기 때문에, 미분탄 화력발전소의 전력생산단가를 낮추기 위한 가장 유력한 방법으로 단위 무게당 열량이 낮은 저열량탄을 연소시키기 위한 기술에 대한 개발이 진행되고 있다.

저열량탄은 연소과정에서 열손실을 야기하는 수분과 회분의 함량이 높기 때문에, 단위 유효발생 열량당 연소성분의 양이 많아짐에 따라 완전연소를 위한 공기 요구량도 높아진다.

최근에는 미분탄 화력발전소에서 전력생산 단가를 낮추기 위해, 발전소의 건설 당시 설계의 기준이 되었던 석탄보다 가격이 저렴하고, 수분 함량이 높으며, 발열량이 낮은 저열량탄을 사용하는 경향이 증가하고 있다.

이로 인해, 미분탄 화력발전소는 연소, 보일러 및 환경처리를 위해서 설치된 각종 설비에서 다양한 문제점이 발생하고 있다.

특히, 보일러의 연소 효율을 향상시키기 위해 전열 튜브 소재의 내열성이 향상되고 있으나, 상기한 저열량탄 사용시 발생하는 문제점으로 인해, 설비에 대한 추가적인 투자에도 불구하고 그에 맞는 효율을 내지 못하는 문제들이 지속적으로 발생할 것으로 예상되고 있다.

즉, 저열량탄을 연소시키기 위해 공기 공급량을 증가시키는 경우, 발열반응에 참가하는 대신 열손실을 야기하는 수분, 회분 및 질소 성분의 양도 함께 증가한다.

따라서, 실제 보일러 운전시 화염의 온도가 설계조건의 화염온도보다 낮아지고, 연소가스 유량의 증가로 인해 연소실 내 연료와 공기의 체류시간이 짧아져서 불완전 연소의 결과물인 미연탄소, 미연휘발분 및 일산화탄소의 양이 증가함에 따라, 전반적인 연소성능이 저하된다.

그리고 연소가스의 보일러내 체류시간 단축은 복사열 전달과 대류열 전달을 약화시킴에 따라, 전반적으로 보일러의 과열증기 생산 열효율을 떨어뜨린다.

또, 연소실과 보일러 내 화염온도가 낮은 반면 수분이 상대적으로 증가해서 황산화물의 응축에 의한 부식 가능성이 높아지고, 유속 증가로 인한 유선의 박리 및 미연탄소분에 의한 마모 등으로 인해 보일러의 수명이 단축될 수 있다.

또한, 공기와 연소가스를 유동시키는 팬의 부하가 과도하게 증가함으로 인해, 전체적인 통풍시스템의 성능이 저하되고, 수명이 단축될 수 있다.

또한, 보일러 후단에 마련되는 환경설비에서도 유량 증가와 불완전 연소물질로 인한 문제점이 발생할 수 있다.

즉, 탈질설비인 SCR에서는 적절한 반응온도보다 높은 연소가스가 유입되고, 미연탄소분을 포함한 연소가스가 설계치보다 많은 유량을 갖고 통과하기 때문에, 탈질성능의 저하 및 촉매층의 마모를 야기하는 문제점이 있었다.

그리고 탈진설비인 전지집진기에서는 집진된 비산재에서 재활용을 위한 허용치 이상의 미연탄소분이 포집됨에 따라, 비산재의 재활용율이 저하되고, 탈황공정의 부산물인 석고에서 미연 탄소에 의해 석고의 색상이 나빠지는 등 환경처리 부산물의 품질을 떨어뜨리는 문제점을 야기하였다.

이에 따라, 설계시 석탄의 발열량보다 각각 4%와 7.8% 열량이 감소한 저열량탄을 연소한 보일러 시스템에 대한 보일러 성능진단을 수행한 결과, 보일러의 증기생산에 대한 열효율은 각각 1.9%와 4.2%가 감소하였으며, 연소가스의 유량은 8% 및 11.5%가 증가한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 보일러 출구의 연소가스 온도는 설계조건보다 약 40℃ 정도 증가함에 따라, 증가한 온도만큼 열이 증기를 생산하는데 이용되지 못하고 보일러 외부로 배출되어 열효율을 떨어뜨림을 확인할 수 있었다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0010080호(2001년 2월 5일 공개)

상기한 바와 같이, 전력의 생산 단가를 낮추기 위해서 저열량 석탄을 연소시킴에 따라, 연소성능, 보일러 열효율 및 대기오염물질의 처리 효율이 저하됨과 동시에 설비의 마모를 촉진하는 부작용도 발생시키고 있다.

이와 같은 저열량탄의 연소에 의한 화력발전소 보일러 및 환경처리 설비의 문제점을 해결하기 위해서는 연소의 조건을 설계 당시의 조건에 보다 근접하게 회복시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다

이를 위해, 기본적으로 연료 또는 산화제를 개선하여 화염온도와 연소가스의 유량을 설계조건에 근접하게 회복시켜야 한다.

먼저, 연료의 개선은 수분 함량이 높은 저열량탄을 건조시켜서 단위 무게당 열량을 설계 조건에 부합하는 상태까지 높일 수 있는 석탄건조기술을 통해서 달성될 수 있다.

일반적으로 수분이 높은 저열량탄이 화력발전소에서 멀지 않은 탄광에서 채굴되어 발전소로 쉽게 운송될 수 있으며, 건조 즉시 미분되어 바로 연소될 경우, 가장 효과적인 기술로 알려져 있으나, 대부분의 발전소가 채굴 장소와 원거리에 위치함에 따라 이를 적용하기 어려운 실정이다.

또한, 석탄 건조 기술을 이용하는 경우, 석탄을 건조하기 위한 에너지, 건조과정에서 발생된 가연성 휘발분에 의한 화재 사고 위험, 건조된 석탄에 수분이 재흡착되는 등의 다양한 문제들이 해결되어야 한다.

한편, 산화제를 개선하는 방법으로는 다단연소, 순산소 및 산소부화연소 기술 등이 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1에는 다단 연소설비의 연료 주입량에 대한 산소의 유량을 제어하는 기술이 개시되어 있다.

그러나 다단연소 기술은 공기 내 산소의 농도를 높이는 것이 아니라, 각 공기가 주입되는 단별 공기의 양을 변화시켜서 질소산화물을 감소시키기 위해서 개발된 기술이다.

이러한 다단연소 기술은 저열량탄의 연소성능 개선에는 실질적인 도움을 주지 못하고, 오히려 저열량탄을 사용하는 경우 다단연소의 첫단인 과농화염의 안정성이 악화되어 연소 시 다양한 문제점을 야기할 수 있다.

순산소 연소 기술은 질소가 거의 없는 순도 95% 이상의 고순도 산소로 구성된 산화제만을 이용하여 연료를 연소시켜 연소가스에 높은 농도로 존재하는 이산화탄소를 포집하기 위해서 개발된 기술이다.

이러한 순산소 연소 기술은 저열량탄의 연소에는 효과적이나, 순산소 연소를 구현하기 위해 보일러 시스템 전체에 대한 대규모의 개조를 동반함에 따라, 저열량탄의 연소성능 개선을 목표로 해서 채택하기에는 적합하지 않다.

산소부화연소 기술은 주어진 연료를 완전 연소시키기 위해 필요한 산소의 양은 공기를 산화제로 이용하는 연소방식과 동일하나, 연소공기 내 질소를 일부 제거하고 산소의 농도를 높인 상태로 연소시키는 기술이다.

이러한 산소부화연소 기술은 화염의 온도를 높여 연소의 반응성을 개선하고, 연소가스의 유량을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 산소부화연소의 특징은 저열량탄을 산소부화되지 않은 공기로 연소시킬 경우 미분탄 화력발전소에서 발생하는 연소성능, 보일러 열효율 및 환경처리 효율 저하, 설비의 수명 단축 등의 문제점을 해결할 수 있는 방법으로 이용될 수 있다.

즉, 연소가스의 유량을 약 10% 감소시키기 위해서 공기분리장치를 이용하여 질소가 미리 제거된 산소부화공기를 만든다면, 보일러 효율 약 1% 감소에 해당하는 에너지가 필요한 반면, 보일러 효율을 2~4%까지 개선할 수 있음과 동시에 다양한 운전장애를 해결할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

따라서 산소부화연소 기술은 설계 조건보다 낮은 열량을 갖는 연료를 사용하는 미분탄 화력발전소에서 발생하는 연소성능, 보일러 열효율 및 환경처리 효율의 감소와 부식, 마모 등 설비의 수명을 단축할 수 있는 운전장애를 해결할 수 있는 유력한 기술로 주목받고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산소부화연소를 통해서 연소조건과 유량조건을 설계 당시 조건으로 회복시켜 미분탄 화력발전소의 건설 당시 설계조건 보다 낮은 열량을 갖는 저열량탄 연소로 인해 발생하는 연소성능 저하, 보일러 효율 감소, 대기오염물질 처리 성능 저하 및 부식과 마모에 의한 설비의 수명 단축 등의 문제점을 완화하는 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공기가 아닌 산소부화공기를 산화제로 사용하여 복수의 단으로 구성된 연소기기에 적용하고, 각 단에 공급되는 연료의 양과 단별 당량비를 효과적으로 산출, 제어할 수 있는 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산소부화공기의 산소농도 및 유량 제어를 통해 단별 당량비를 조절해서 연료를 완전 연소시키고 로 내에서 질소 산화물을 저감하고, 배가스 유량을 제어하여 배가스 처리 설비의 효율성을 향상시키며, 보일러 및 발전단 효율을 향상시킬 수 있는 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 산소부화 연소장치는 공기 중의 산소 농도에 비해 산소의 양을 증가시킨 산소부화된 공기를 저발열량을 갖는 연료와 혼합해서 보일러에 설치되는 다단의 버너에서 연소시키도록, 각 단 버너에 공급되는 연료를 공급하는 연료공급부, 공기 중의 산소에 비해 산소의 양을 증가시켜 산소부화된 공기를 생성하는 산소부화공기 발생장치 및 상기 연료공급부의 연료공급량과 각 단 버너에 공급되는 연료량, 상기 산소부화공기 발생장치에서 각 단 버너 및 화로에 공급되는 산소부화공기 공급량을 조절해서 전체 연소장치의 당량비 분포를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화력발전 시스템은 산소부화 연소장치, 배열회수 보일러에서 생산된 증기의 열에너지를 기계적 일로 변환하는 증기터빈, 상기 증기터빈에서 변환된 기계적 일을 이용해서 발전하는 발전기 및 상기 산소부화 연소장치에서 발생하는 배가스 내에 포함된 유해물질을 제거하고, 상기 배가스의 열을 이용해서 상기 산소부화공기를 예열하는 배가스 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화력발전 시스템의 제어방법은 산소부화공기 발생장치에 의해 공기 중의 산소 농도에 비해 산소 농도가 증가된 산소부화된 공기를 산화제로 이용하여 연료를 연소시키는 것 을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법에 의하면, 산소부화공기를 산화제로 이용해서 보일러의 연소 성능을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 연료의 양, 공기의 양 및 산소부화공기의 양을 조절하여 화로의 연소실에 공급해서 설계 조건의 석탄에 비해 열량이 낮은 저열량탄을 연소시킴에 따라, 설계 당시 조건 보다 떨어진 화염온도를 설계치로 회복시키고, 설계 유량 보다 늘어난 연소가스의 유량을 설계치에 근접하게 감소시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 안정적인 다단 연소를 실시할 수 있어 질소산화물의 생성을 억제하고, 미연 탄소, 미연 휘발분 및 일산화탄소의 산화에 유리한 온도 조건, 수분 조건 및 후연 산소의 공급 조건을 이룸으로써, 미연분의 발생도 억제할 수 있으며, 연소 성능의 개선 효과를 얻을 수 있다.

그리고 본 발명에 의하면, 연소 에너지를 이용해서 증기를 생산하는 화로에서 화염온도를 설계 온도로 회복시켜 저열량탄 사용으로 인해 감소된 복사열 교환 성능을 개선하고, 연소가스의 유량을 적정치로 유지하여 연소가스의 화로 내 체류시간을 늘릴 수 있으며, 화로 내 유동조건을 개선하여 대류열 전달 성능도 개선함으로서, 저열량탄 연소에 의해서 저하된 화로의 열효율을 개선할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 종래의 화력발전소에서 저열량탄을 연소시킬 경우, 보일러 후단에 위치한 대기오염물질 처리 설비에 유입되는 연소가스의 유량과 온도가 높아지고, 연소가스에 포함된 미연탄소분이 많아짐에 따라 환경처리 성능이 감소하고 마모가 촉진되는 문제점을 개선할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 저열량탄을 연소시키는 경우에도 설계 당시의 성능을 얻을 수 있으며, 비산재 및 석고와 같은 환경처리 부산물의 품질도 개선할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 보일러와 환경처리 설비를 통과하는 연소가스의 온도을 적절히 유지시켜서 보일러의 수냉벽면에서 발생하는 부식을 완화할 수 있으며, 연소가스 유량의 증가와 미연 탄소분에 의한 마모를 완화시킴으로써, 설비의 수명을 개선할 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치가 적용된 화력발전 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 산소부화공기 발생장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 산소부화공기 발생장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치의 구성도,
도 5는 측정유닛, 조절유닛 및 제어부의 블록 구성도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력발전 시스템의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치, 그가 적용된 화력발전 시스템 및 그의 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 미분된 석탄을 연료로 이용하는 산소부화 연소장치 및 그가 적용된 미분탄 화력발전 시스템의 구성을 설명한다.

그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 석탄뿐만 아니라, 석유 또는 바이오매스 등 다양한 에너지원에서 유래된 액상 연료를 이용하거나, 또는 바이오매스와 같이 석탄에 비해 열량이 낮은 저급 연료를 석탄과 동시에 연료로 이용하도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명은 최근 화력 발전소에 공급되는 연료가 설계 당시 기준으로 삼았던 연료에 비해 수분이 많고 발열량이 낮은 특성을 보임에 따라, 연료의 공급량을 증가시키더라도 연소성이 저하되면서 보일러의 효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해, 산소부화공기를 산화제로 이용한다.

즉, 본 실시 예는 저열량탄을 연소시키는 미분탄 화력발전소에서 산소부화연소를 구현하기 위해 산소부화공기 발생장치를 이용한다.

종래의 미분탄 화력발전소에 적용되는 산소부화연소의 산소농도는 통상적으로 23% 내외이고, 최대 25%를 초과하지 않는 저순도 산소부화 연소이므로, 본 실시 예에서는 연소실로 공급되는 모든 연소공기에 대한 산소부화를 하기 보다는 일부 공기를 비교적 고산소농도 산소부화공기로 만들어서 연소 공기에 혼합할 수 있다.

이와 같이, 연소공기 전체의 산소부화 정도보다 고산소농도의 산소부화공기를 만들기 위해, 공기분리장치, 산소부화막을 이용한 부화막 산소부화장치 또는 산소와 질소의 압력 또는 진동도에 따른 서로 다른 흡착능력을 이용한 압력또는 진공도 스윙 흡착 방식의 산소부화장치를 사용하거나, 이들 장치의 조합으로 산소부화공기 발생장치가 이용될 수 있다.

상기 공기분리장치는 통상적으로 산소농도가 90% 이상인 고산소농도 산소부화공기를 생산할 수 있으며, 분리막 산소부화장치와 압력 또는 진공도 스윙 흡착 방식 산소부화장치는 반복적으로 설치된 단수에 따라, 산소농도가 30% 이하에서 90% 이상을 갖는 산소부화공기를 생산할 수 있다.

미분탄 화력발전 시스템의 산소부화연소에는 전적으로 공기분리장치에 의존해서 산소부화공기를 발생시키거나 운전 조건의 유연성을 위해서 이들 장치를 조합하여 산소부화공기를 생산할 수 있다.

한편, 연소시킬 연료가 정해지면, 연소를 위한 산소의 총량은 산소부화의 정도에 무관하게 정해진다.

따라서, 본 실시 예에서는 산소부화연소를 적용함에 따라, 연소공기를 통해서 공급되는 산소의 양은 종래의 공기연소 방식과 동일하나, 산소부화공기 발생장치를 통해서 연소공기와 같이 공급되는 질소의 일부를 제거함으로써, 전체 연소가스의 유량을 줄이고, 화염의 온도를 상승시키는 효과를 얻을 수 있다.

그리고 본 실시 예에 따른 미분탄 화력발전 시스템에서 전체 연소공기의 산소농도와 유량으로 대표될 수 있는 산소부화의 정도는 단열화염온도 또는 연소가스의 유량을 발전소의 건설 당시 설계 조건에 근접하게 회복시키는 방법으로 결정될 수 있다.

한편, 산소부화연소 시 전체 연소가스의 비열 및 복사특성 등 열역학적 물성이 설계 조건과 약간의 차이를 보일 수 있으나, 그 차이가 크지 않기 때문에, 단열화염온도 또는 연소가스의 유량 등 어느 것에 의해서 전체적인 산소부화정도를 결정하더라도 운전에 미치는 영향은 매우 미미할 수 있다.

따라서, 본 실시 예에 따른 화력발전 시스템은 산소부화에 필요한 에너지보다 산소부화를 통해서 회수되는 에너지가 더 크기 때문에, 여러 가지의 최적화 조건 가운데 산소부화의 정도가 가장 큰 조건에 맞춰서 운전하는 것이 바람직하다.

또, 저열량탄을 연소시켜 연소가스의 유량이 늘어날 경우, 보일러의 열효율이 감소하는 특성으로 인해 감소된 열효율에 해당하는 잉여 열에너지에 기초해서 보일러 출구의 연소가스 온도가 상승되는 경향을 보인다.

이에 따라, 본 실시 예에서는 보일러 출구에서 연소가스의 온도를 측정해서 설계조건의 연소가스 온도와 비교하고, 산소부화연소에 의한 보일러 열효율의 회복을 확인하며, 산소부화의 정도를 되먹임 제어할 수 있다.

즉, 본 실시 예에서는 산소부화의 정도를 연소기, 보일러, 환경설비의 운전조건의 허용범위에서 전체적인 산소의 농도가 가장 큰 조건, 즉 질소의 농도가 가장 작은 조건에 기초해서 운전하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 본 실시 예에서는 보일러 출구에서 측정된 연소가스 온도가 설계조건에 충분히 근접하는지 여부를 확인한다.

또한, 종래의 미분탄 화력발전소가 공기와 연료의 당량비 및 각 단에 공급되는 공기 유량의 분배를 통해서 연소를 제어하는 것과 달리, 본 실시 예에 따라 산소부화연소를 채택하는 화력발전 시스템은 연소공기와 연료의 당량비 및 각 단에 공급되는 연소공기의 총량과 함께, 산소의 농도, 즉 산소부화공기의 연소공기에 대한 혼합비율을 추가적으로 제어함으로써, 연소 성능을 효과적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 실시 예에서는 산소부화공기 발생장치에서 생산된 산소부화공기와 대기 중에서 흡입된 공기를 균일하게 혼합해서 연소공기로 공급할 필요없이, 각 단별로 대기에서 흡입된 공기와 산소부화공기를 개별적으로 제어해서 공급함으로써, 다단연소의 효과를 증폭시킬 수 있다.

상기 다단연소는 연소기의 아랫단에는 연료에 대한 당량비 이하의 산소를 공급해서 과농화염을 형성시키고, 윗단에서 산소를 당량비 이상으로 공급해서 희박화염을 이용해서 미연분을 완전연소시켜 산화 분위기의 고온 영역을 최소화함으로써, 질소산화물의 생성을 억제한다.

일반적으로, 다단연소의 아랫단에 있는 과농화염은 온도가 단열화염온도보다 낮고, 많은 미연분이 나오는 비교적 불안정한 화염이므로, 전체적인 화염의 안정성이 떨어지는 문제점이 있었다.

그러나 산소부화공기를 연소공기로 이용해서 다단연소를 실시할 경우, 아랫단에 형성되는 과농화염 내에 질소의 양이 감소됨에 따라, 화염은 과농 상태이나 반응지역의 온도가 공기를 연소공기로 사용하는 경우에 비해 상승되므로, 보다 안정적인 과농화염이 형성될 수 있다.

그리고 윗단의 희박화염에 공급할 수 있는 산소의 여유분이 많고, 일산화탄소와 미연탄소분의 산화에 기여할 수 있는 수증기의 농도가 높으며, 반응지역의 온도를 높게 유지할 수 있다. 이에 따라, 희박화염지역으로 유입되는 미연탄소, 미연 휘발분 및 일산화탄소와 같은 미연소 물질의 완전 연소가 촉진될 수 있다.

이와 같이, 본 실시 예에 따른 산소부화연소와 결합된 다단연소는 화염온도를 설계조건에 맞게 안정적으로 형성시킬 수 있는 장점과 함께, 질소산화물 생성의 억제 및 미연소 물질의 완전 연소를 촉진할 수 있다.

한편, 종래의 미분탄 화력발전소에서는 팬을 통해서 흡입된 공기를 보일러에서 배출되는 연소가스와 열교환하는 공기예열기를 통과시켜서 온도를 상승시킨 후에 연소 시스템으로 공급한다.

여기서, 연소시스템에 공급되는 공기는 미분된 석탄을 연소실로 이송하기 위해서 미분탄과 예혼합되어 연소기의 각단으로 공급되는 1차 산소부화공기와 윈드박스를 통해서 1차 산소부화공기와 분리되어 각 단으로 공급되는 2차 산소부화공기 그리고 최상단 버너 위쪽에 별도의 노즐을 통하여 화로에 공급되는 3차 산소부화공기로 구성된다.

특히, 산소부화연소를 위해, 산소부화공기 발생장치에서 생산된 산소부화공기를 미분탄을 이송하는 1차 산소부화공기와 혼합하여 사용하는 경우, 미분탄 이송과정에서 화재 발생의 가능성이 높아진다.

이에 따라, 본 실시 예에서는 산소부화공기를 1차 산소부화공기와 혼합하도록 구성될 수도 있으나, 윈드박스를 통해서 공급되는 2차 산소부화공기와 혼합해서 연소실의 각단으로 나누어 공급할 수 있다.

또한, 3차 산소부화공기 역시 필요에 따라 산소부화하지 않고 화로에 공급될 수 있다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력 발전소의 산소부화 연소장치(이하 '산소부화 연소장치'라 약칭함)가 적용되는 화력 발전시스템의 구성을 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치가 적용된 화력 발전시스템의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치가 적용된 화력 발전시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 공기에 포함된 산소 농도를 증가시켜 산소부화된 공기(이하 '산소부화공기'라 함)를 발생하는 산소부화공기 발생장치(11), 산소부화공기를 산화제로 이용해서 연료를 연소시키는 산소부화 연소장치(12), 산소부와 연소장치(12)에서 배출되는 배가스의 열을 회수하여 물을 가열해서 고온고압의 수증기를 발생시키는 배열회수 보일러(13) 및 배열회수 보일러(13)에서 발생하는 증기를 이용하여 회전력을 발생하는 증기터빈(14)을 포함한다.

이와 함께, 상기 화력발전 시스템(10)은 증기터빈(14)의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기(15), 배열회수보일러(13)에서 배출되는 배가스에서 유해물질을 제거하고 상기 산화제를 예열하는 배가스 처리장치(16), 유해물질이 제거된 배가스를 외부로 배출하는 연돌(17) 및 산소부화공기 발생장치(11)에서 분리된 건(乾) 질소를 이용하여 저탄장(19)에서 산소부화 연소장치(12)로 공급되는 과정에서 연료를 건조하는 연료건조장치(18)를 더 포함할 수 있다.

증기터빈(14)에는 증기터빈(14)에서 배출되는 저온저압의 증기를 응축시켜 물로 변환하는 응축기(141)가 연결될 수 있다.

배가스 처리장치(16)와 연돌(17) 사이에는 배가스를 흡입해서 외부로 배출하는 배출팬(171)이 마련될 수 있다.

저탄장(19)에는 질소의 소화(消火) 특성을 이용해서 질소를 저탄장에 골고루 흘려줌으로써, 석탄의 자발화를 방지하는 자발화 방지장치(191)가 마련될 수 있다.

산소부화공기 발생장치(11)는 공기 중의 질소를 분리하여 공기에 포함된 산소 농도를 높여 산소부화공기를 만드는 장치로서, 산소부화공기 내 산소 농도는 공기 중 산소 농도인 20.9%에서 100%까지 범위 내에서 조절될 수 있다.

산소부화공기 발생장치(11)는 심냉법을 이용하여 공기에서 90% 이상의 고순도의 산소를 분리하는 공기분리장치(air separating unti), 공기주입팬에 의해 공급되는 공기에 산소부화막을 이용해서 공기에 포함된 산소 농도를 높이는 산소부화막 장치, 질소와 산소의 압력인나 진공도에 따른 서로 다른 흡착성능을 이용하는 압력 스윙 흡착장치(Pressure Swing Adsorption, PSA) 및 진공도 스윙 흡착 장치(Vaccum Swing Adsorption, VSA) 중에서 어느 하나로 마련될 수 있다.

물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기한 장치들을 조합하여 산소부화공기 발생장치를 구성하고, 이를 이용해서 고산소농도 산소부화공기를 생산하도록 변경될 수 있다.

산소부화 연소장치(12)는 연료를 연소 특성에 대응되도록 미분하는 미분기(23) 및 각각 연료와 공기, 산소부화공기를 공급받아 연소시키도록 화로(20)의 일측단에 복수의 단으로 설치되는 복수의 버너(21)를 포함할 수 있다.

산소부화 연소장치(12)는 배열회수 보일러(13)와 함께 산소부화 보일러 시스템을 구성한다.

배열회수 보일러(13)는 산소부화 연소장치(12)에서 발생한 고온의 연소 배가스 열을 이용해서 물을 가열하여 고온고압의 수증기를 발생시킨다.

이를 위해, 배열회수 보일러(13)는 물을 증발 온도 이하까지 가열하는 절탄기(Economizer)(131), 절탄기(131)에서 배출되는 고온의 물을 증발시켜 포화증기로 생성하는 증발기(Evaporator)(132), 포화증기를 다시 가열하여 과열증기를 생성하는 과열기(Superheater)(133) 및 증기터빈(14)에서 나온 증기를 다시 가열하여 재열증기를 생성하는 재열기(Reheater)(134)를 포함할 수 있다.

다음, 도 1 및 도 2를 참조하여 산소부화공기 발생장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 산소부화공기 발생장치의 구성도이다.

산소부화공기 발생장치(11)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공기분리장치로 마련되고, 산소의 농도가 부피 기준으로 약 20.9%에서 약 100%까지 높아진 고산소농도 산소부화공기를 제1 내지 제3 공기주입팬(111) 각각에서 공급되는 공기와 혼합하여 산소 농도를 조절해서 연소 조건에 맞는 산소 농도를 가지는 제1 내지 제3 산소부화 공기를 발생할 수 있다.

제1 공기주입팬(111)은 아래에서 설명할 산소부화 연소장치(12)의 미분기(23)에서 미분된 연료를 각 단 버너(21)로 이송하도록 1차 산소부화공기를 주입하는 기능을 한다.

상기 1차 산소부화공기는 배가스 처리장치(16)에서 배가스의 열을 이용하여 예열된 상태에서 미분기(23)로 공급될 수 있다. 물론, 1차 산소부화공기는 연료의 이송과정에서 자발화를 방지하도록 예열되지 않은 상태에서 미분기(23)로 공급되거나, 산소부화 없이 공기 상태로 바로 미분기(23)으로 공급될 수도 있다.

제2 공기주입팬(112)은 산소부화 연소장치(12)의 윈드박스(24)를 통해 버너(21)로 2차 산소부화공기를 주급하는 기능을 한다.

상기 2차 산소부화공기는 배가스 처리장치(16)에서 배가스의 열을 이용하여 예열된 상태에서 윈드박스(24)로 공급될 수 있다.

제3 공기주입팬(113)은 산소부화 연소장치(12)의 화로(20)에 3차 산소부화공기를 공급하는 기능을 한다.

상기 3차 산소부화공기는 배가스 처리장치(16)에서 배가스의 열에 의해 예열된 상태에서 화로(20)로 공급될 수 있다.

이하에서는 1차 내지 3차 산소부화공기를 통칭하여 '산소부화공기'라 한다.

이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 공기주입팬(111 내지 113)에 의해 주입되는 1차 내지 3차 공기를 각각 미분기(23), 윈드박스(24), 버너(21)로 공급하는 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)이 마련될 수 있다.

그리고 산소부화공기 발생장치(11)에서 공급되는 고산소농도 산소부화공기를 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 각각 공급하는 고산소농도 산소부화공기공급관(117)이 마련될 수 있다.

제1 및 제2 공기공급관(114,115)은 각각 미분기(23)와 윈드박스(24)의 개수에 대응되는 개수로 분기되어 1차 및 2차 공기 또는 1차 및 2차 산소부화공기를 각각 미분기(23)와 윈드박스(24)에 공급할 수 있다.

그리고 제3 공기공급관(116)은 화로(20)에 직접 3차 공기 또는 3차 산소부화공기를 공급할 수 있다.

고산소농도 산소부화공기공급관(117)은 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 대응되는 개수로 분기되어 고산소농도 산소부화공기를 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 공급할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 산소부화공기 발생장치에서 생산된 고산소농도 산소부화공기와 제1 내지 제3 공기주입팬에 의해 주급되는 공기를 혼합해서 산소부화 연소장치에 공급되는 공기의 산소 농도를 조절할 수 있다.

여기서, 산소부화공기와 공기의 혼합은 윈드박스(24)가 마련된 경우에는 윈드박스(24) 내에서 이루어지거나, 윈드박스(24) 전단에 연결된 공급관에서 이루어질 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 공기분리장치를 이용해서 공기에서 고산소농도 산소부화공기를 분리하고, 분리된 고산소농도 산소부화공기를 윈드박스(24)로 공급하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 산소부화공기 발생장치의 구성도이다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 운전 조건에 따라 제1 내지 제3 공기주입팬(111 내지 113)에서 주입되는 1차 내지 3차 공기를 각각 산소부화공기 발생장치(11)로 마련되는 산소부화막 장치, 압력 또는 진공도 스윙 흡착장치 중에서 어느 하나 또는 상기한 장치들의 조합으로 마련된 산소부화공기 발생장치(11)에 직접 통과시켜 산소부화공기를 생산하도록 변경될 수 있다.

그리고 본 발명은 공기분리장치(11) 대신에 분리막(separator membrane)을 이용해서 산소와 질소를 분리하는 산소부화막 장치(도면 미도시)를 제1 내지 제3 공기주입팬(111 내지 113) 후단에 각각 설치하고, 질소가 분리된 고산소농도 산소부화공기를 각 미분기(23)와 윈드박스(24), 버너(21) 및 화로(20)에 공급하도록 변경될 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 윈드박스(24)에 연결되는 제2 공기공급관(115)이나 각 윈드박스(24)와 각 단 버너(21) 사이에 연결되는 연결라인에 고산소농도 산소부화공기를 공급해서 각 단 버너(21)에 공급되는 산소부화공기량을 조절하도록 변경될 수도 있다.

또, 본 발명은 윈드박스(24)가 마련되지 않은 경우에는 산소부화공기와 공기를 화로 전단 공기공급관 내에서 혼합하도록 변경될 수도 있다.

또한, 본 발명은 고산소농도 산소부화공기와 제1 내지 제3 공기주입팬(111 내지 113)에 의해 주입되는 공기를 배가스 처리장치에서 예열하기 이전이나 이후, 또는 예열 전후 모두에서 혼합하도록 변경될 수도 있다.

한편, 상기한 각 미분기(23)와 윈드박스(24), 제1 내지 제4 측정센서(31 내지 34) 및 조절밸브(41 내지 44)는 각 단 버너(21)에 연료를 공급하는 연료공급부를 구성한다.

다음, 도 1 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소부화 연소장치(12)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공기분리장치(11), 화로(20), 배열회수보일러(13) 및 연료를 미분하는 미분기(23), 미분된 연료와 산소부화공기를 혼합해서 각 단 버너(21)로 공급하는 윈드박스(24), 각 단 버너(21)에 공급되는 공기량과 산소부화공기량을 측정하는 측정유닛(30), 각 단 버너(21)에 공급되는 고산소농도 산소부화공기 또는 산소부화공기의 유량을 조절하는 조절유닛(40) 및 각 단 버너(21)에 공급되는 연료량, 공기량 및 산소부화공기량에 기초해서 각 단별 당량비를 산출하고 각 단별로 당량비를 조절하도록 조절유닛(40)의 구동을 제어하는 제어부(50)를 포함할 수 있다.

도 1 및 도 4의 화로에는 설명의 편의를 위하여 4개의 버너가 도시되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 최적화된 다단 연소를 구현하기 위해, 버너를 4개뿐만 아니라, 2개, 3개, 5개 이상 마련하도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.

미분기(23)는 각 단 버너(21)에 공급되는 연료량과 공기량을 용이하게 구분해서 측정 가능하도록 각 단 버너(21)에 대응되는 개수로 마련될 수 있다.

윈드박스(24)는 미분기(23)에서 미분된 연료와 산소부화공기를 화로(20)의 각 단 버너(21)로 공급하는 기능을 하고, 하나 이상으로 마련될 수 있다.

본 실시 예에서는 각 단 버너(21)에 공급되는 연료량와 공기량을 용이하게 구분해서 측정 가능하도록 윈드박스(24)가 각 단 버너(21)에 대응되는 개수로 마련되는 것으로 설명한다.

한편, 각 단 미분기(23)와 버너(21) 사이에는 윈드박스(24)를 경유해서 각각 미분된 연료와 공기가 혼합되어 이송되는 연료 이송라인(231)이 버너(21)의 단수에 대응되는 개수로 마련될 수 있다.

이를 위해, 각 연료 이송라인(231)에는 제1 공기주입팬(111)에 의해 주입되어 배가스 처리장치(16)에서 예열된 1차 공기 또는 1차 산소부화공기가 공급되는 제1 공기공급관(114)이 연결될 수 있다.

그리고 각 윈드박스(24)에는 제2 공기주입팬(112)에 의해 주입되어 배가스 처리장치(16)에서 예열된 2차 공기 또는 2차 산소부화공기가 공급되는 제2 공기공급관(115)이 연결될 수 있다.

상기 1차 공기는 미분기(23)에서 미분된 연료를 윈드박스(24)로 이송하는 기능을 하고, 2차 공기는 버너(21) 내부에 공급되는 총 공기량을 조절하는 기능을 할 수 있다.

또, 각 버너(21)와 화로(20)에는 제3 공기주입팬(113)에 의해 주입되어 배가스 처리장치(16)에서 예열된 3차 공기 또는 3차 산소부화공기가 공급되는 제3 공기공급관(116)이 연결될 수 있다.

다음, 도 4 및 도 5을 참조하여 측정유닛, 조절유닛 및 제어부의 구성을 상세하게 설명한다.

도 5는 측정유닛, 조절유닛 및 제어부의 블록 구성도이다.

측정유닛(30)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 각 연료 이송라인(231)에 연결된 제1 공기공급관(114)에 각각 설치되고 각 연료 이송라인(231)에 공급되는 1차 공기 또는 산소부화공기의 유량을 측정하는 제1 측정센서(31), 각 윈드박스(24)에 연결된 제2 공기공급관(115)에 각각 설치되고 각 윈드박스(24)에 공급되는 2차 공기 또는 산소부화공기의 유량을 측정하는 제2 측정센서(32) 및 화로(20)에 연결되는 제3 공기공급관(116)에 설치되고 화로(20)에 각각 공급되는 3차 공기 또는 산소부화공기의 유량을 측정하는 제3 측정센서(33)를 포함할 수 있다.

이와 함께, 측정유닛(30)은 각 고산소농도 산소부화공기공급관(117)에 설치되고 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 공급되는 고산소농도 산소부화공기의 유량을 측정하는 제4 측정센서(34), 배열회수 보일러(13)의 출구를 통해 배출되는 배가스의 온도(이하 '출구온도'라 함)를 측정하는 제5 측정센서(35) 및 배가스에 포함된 산소 농도를 측정하는 제6 측정센서(36)를 더 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 측정센서(31 내지 34)는 각 공기공급관(114 내지 117)을 통해 공급되는 산소부화공기 또는 공기의 유량을 측정하는 유량계로 마련될 수 있다.

제5 측정센서(35)는 배가스의 출구온도를 측정하는 온도감지센서로 마련되고, 제6 측정센서(36)는 배가스에 포함된 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정기로 마련될 수 있다.

한편, 각 미분기(23)로 공급되는 연료량은 제어부(50)에 의해 설정됨에 따라, 별도의 측정센서를 설치하지 않고, 각 미분기(23)에 공급되도록 설정된 연료의 공급량을 이용할 수 있다.

조절유닛(40)은 각 미분기(23)에 연결된 제1 공기공급관(114)에 각각 설치되고 제어부(50)의 제어신호에 따라 각 미분기(23)에 공급되는 1차 공기 또는 1차 산소부화공기의 유량을 각각 조절하는 제1 조절밸브(41), 각 윈드박스(24)에 연결된 제2 공기공급관(115)에 각각 설치되고 각 윈드박스(24)에 공급되는 2차 공기 또는 2차 산소부화공기의 유량을 각각 조절하는 제2 조절밸브(42) 및 화로(20)에 연결된 제3 공기공급관(116)에 설치되고 화로(20)에 각각 공급되는 3차 공기 또는 3차 산소부화공기의 유량을 각각 조절하는 제3 조절밸브(43)를 포함할 수 있다.

그리고 조절유닛(40)은 각 고산소농도 산소부화공기공급관(117)에 설치되고 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 공급되는 고산소농도 산소부화공기의 유량을 조절하는 제4 조절밸브(44)를 더 포함할 수 있다.

제어부(50)는 산소부화공기 내 총 산소 농도를 결정하고, 측정유닛(30)에 의해 측정된 각 단별 연료량, 공기량 및 산소부화공기량을 이용해서 각 단별 당량비를 산출하고, 전체 당량비를 적절하게 조절하기 위해, 각 단 버너(21)별로 공급되는 각각의 산소부화공기 내 산소 농도를 결정해서 각 단별 고산소농도 산소부화공기량을 조절하도록 조절유닛(40)의 구동을 제어할 수 있다.

이를 위해, 제어부(50)는 1차 내지 3차 공기량 또는 산소부화공기량을 합산해서 총 공기량을 산출하는 공기량 산출부(51), 각 단 버너(21)에 공급하는 단별 연료량, 공기량 및 고산소농도 산소부화공기량을 이용해서 단별 당량비를 산출하는 당량비 산출부(52) 및 전체 당량비를 유지하거나 조절하기 위해, 각 단 버너(21)에 공급되는 공기량과 고산소농도 산소부화공기량을 조절하도록 제1 내지 제4 조절밸브(41 내지 44)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 신호발생부(53)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 화로에 마련된 각 단별로 공급되는 연료량과 각 단별 공기량 및 고산소농도 산소부화공기량을 이용해서 각 단별 당량비를 산출하고, 각 단별 고산소농도 산소부화공기량을 조절해서 전체 당량비를 조절할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 바이오매스와 같이 석탄보다 열량이 낮은 저열량 연료를 이용하는 경우에도 연료의 연소 특성을 향상시키고, 연료의 완전 연소를 실현할 뿐만 아니라, 화로 내 당량비를 효과적으로 제어해서 연소 후 발생하는 질소 산화물을 저감할 수 있다.

다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력발전 시스템의 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력발전 시스템의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화력발전 시스템의 제어방법은 크게 산소부화공기 내 총 산소 농도를 결정하는 1단계와 버너(21) 각 단별로 공급되는 각각의 산소부화공기 내 산소 농도를 결정하는 2단계를 포함한다.

여기서, 상기 총 산소 농도는 산소부화 연소장치(12) 전체에 공급되는 산소량을 전체 산화제량으로 나눈 백분율을 의미한다.

도 6의 S10단계에서 제어부(50)는 산소부화공기 내 총 산소 농도의 초기값(x)을 설정하고, S12단계에서 연료 투입량에 연료 발열량을 곱한 값에 의해 결정되는 총 열입력 값을 계산한다.

S14단계에서 제어부(50)는 제5 및 제6 측정센서(35)에서 측정된 배열회수 보일러(13)의 출구온도와 산소 농도 측정값을 전달받아 간단한 물질 정산으로 총 산화제량을 계산한다(S16).

S18단계에서 제어부(50)는 미리 저장된 연료의 성상과 산화제의 성상을 통해 배가스의 유량과 조성을 계산하고, 이를 이용해서 배가스의 현열을 계산한다.

S20단계에서 제어부(50)는 S12단계에서 계산된 총 열입력 값과 S18단계에서 계산된 배가스의 현열을 감산해서 보일러 시스템의 흡수 열량을 계산한다.

S22단계에서 제어부(50)는 보일러 시스템의 흡수 열량 설계치(A)와 S20단계에서 계산된 보일러의 흡수 열량(B)의 근사도를 검사한다.

S22단계의 검사결과 흡수 열량 설계치(A)와 계산된 흡수 열량(B)의 차가 미리 설정된 설정범위(ε) 이내이면, 제어부(50)는 S10단계에서 설정한 산소 농도값(x)을 활용하고(S24), 상기 설정범위를 초과하면, 다시 S10단계로 진행해서 총 산소부화공기 내 산소 농도값(x1)을 재설정한다(S26).

이때, 제어부(50)는 S18단계에서 계산된 보일러의 흡수 열량(B)이 설계치(A)에 비해 크면, 총 산소부화공기 내 산소 농도값(x1)을 초기값(x)으로 유지하거나 감소시켜 재설정하고, 계산된 보일러의 흡수 열량(B)이 설계치(A)에 비해 작으면, 총 산소부화공기 내 산소 농도값(x1)을 초기값(x)보다 증가시켜 재설정할 수 있다.

상기 설정범위는 운전자에 의해 운전상황, 연료 특성 등에 따라 변경해서 설정될 수 있다.

연료 조성에 대한 정보 제한으로 인해 상기한 바와 같은 과정을 통한 총 산소부화공기 내 산소 농도의 제어가 어려운 경우, 제어부(50)는 S14단계에서 측정된 보일러 출구의 배가스온도를 설계 당시 설정된 기준 출구온도값과 비교하고, 비교 결과의 차이에 따라 S10에서 산화제 내 산소 농도를 재설정할 수 있다.

상기 2단계는 상기 1단계에서 설정된 산화제 내 총 산소 농도값을 고정하고, 버너 각 단별로 들어가는 산화제 내 산소 농도 및 공기량을 조절한다(S30).

상세하게 설명하면, 도 6의 S32단계에서 복수의 단으로 설치된 각 단 버너(21)에 대응되는 각 미분기(23)는 연료를 미분하고, 미분된 연료는 각 연료 이송라인(231)에 연결된 1차 이송라인(26)을 통해 공급되는 1차 공기에 의해 각 윈드박스(24)로 이송된다.

그리고 각 윈드박스(24)는 연료와 1차 산소부화공기, 제2 공기공급관(115)을 통해 공급되는 2차 산소부화공기 및 고산소농도 산소부화공기공급관(117)을 통해 공급되는 고산소농도 산소부화공기를 혼합한 산소부화공기를 각 단 버너(21)로 공급하고, 각 단 버너(21)는 연료와 산소부화공기를 반응시켜 연소시킨다.

이때, 산소부화공기 발생장치(11)로 마련된 공기분리장치는 공기에서 질소를 분리해서 산소부화공기를 발생하고, 고산소농도 산소부화공기공급관(117)을 통해 산소부화공기를 제1 내지 제3 공기공급관(111 내지 113)에 공급할 수 있다.

여기서, 1차 내지 3차 산소부화공기는 각각 배가스 처리장치(16)를 경유해서 배가스의 열에 의해 예열될 수 있다.

S34단계에서 고산소농도 산소부화공기공급관(117)에 설치된 각 제4 측정센서(34)는 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 공급되는 고산소농도 산소부화공기량을 측정한다.

그리고 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116)에 설치된 제1 내지 제3 측정센서(31 내지 33)는 제1 내지 제3 공기공급관(114 내지 116) 각각을 통해 공급되는 1차 내지 3차 공기 또는 산소부화공기의 유량을 측정한다.

그러면, S36단계에서 제어부(50)의 공기량 산출부(51)는 각 단 버너(21)에 공급되는 1차 내지 3차 산소부화공기량을 합산해서 총 공기량을 산출하고, 당량비 산출부(52)는 각 단 버너(21)에 공급되는 연료량, 공기량 및 산소부화공기량을 이용해서 각 단별 당량비를 산출한다.

이에 따라, 신호발생부(53)는 미리 저장된 제어프로그램에 따라 전체 당량비를 적절하게 조절하기 위해, 각 단 버너(21) 및 화로에 공급되는 산소부화공기량 및 공기량을 조절하도록 조절유닛(40)에 마련된 제1 내지 제4 조절밸브(41 내지 44)의 동작을 제어하는 제어신호를 발생한다(S38).

예를 들어, 화로(20)의 하단에서부터 순차적으로 제1 내지 제4 버너(21)가 마련되어 4단으로 구성된 경우, 제어부(50)는 제1 및 제2 버너에 공급되는 공기량을 줄이고, 부족한 공기량만큼 산소부화공기를 더 공급해서 기준 당량비를 유지하기 위해, 제1 내지 제4 조절밸브(41 내지 44)에 마련된 각 밸브 중에서 제1 및 제2 버너에 대응되는 밸브들의 개도량을 증가시키도록 제어할 수 있다.

그래서 제1 및 제2 버너는 기준 연료의 이론 산소 요구량을 1로 보았을 때, 약 1.05 내지 약 1.3의 당량비를 갖는 연료 희박(Fuel-lean) 조건에서 연료와 공기를 반응시켜 연소시킨다.

그리고 제어부(50)는 제3 및 제4 버너에 공급되는 공기량 또는 산소부화공기량을 감소시키거나 공기량과 산소부화공기량을 모두 감소시키기 위해, 제1 내지 제4 조절밸브(41 내지 44)에 마련된 각 밸브 중에서 제1 및 제2 버너에 대응되는 밸브들의 개도량을 감소시키도록 제어할 수 있다.

그래서 제3 및 제4 버너는 약 0.7 내지 1.0의 당량비를 갖는 연료 과농(Fuel-rich) 조건에서 연료와 공기를 반응시켜 연소시킨다.

이와 함께, 제어부(50)는 화로(20)에 공급되는 산소부화공기량을 증가시켜 총 산소량을 일정하게 유지하기 위해, 제3 조절밸브(43)에 마련된 각 밸브 중에서 화로에 대응되는 밸브의 개도량을 증가시키도록 제어할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 공기 중에 포함된 산소량을 증가시켜 산소부화된 공기를 이용해서 연소 효율을 향상시키고, 질소산화물을 저감하며, 배가스 유량을 감소시켜 배가스 처리 설비의 효율성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 다단 연소 당량비를 공기량과 고산소농도 산소부화공기를 사용해서 유연하게 조절함으로써, 화력발전 시스템의 효율을 향상시키고, 질소산화물을 저감할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 각 단별 산소부화공기내 산소 농도를 일정하게 공급하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 최종 산소부화공기 내 산소 농도는 동일하게 유지한 상태에서 공기량과 고산소농도 산소부화공기의 양을 각 단별로 다르게 조절하여 운전하도록 변경될 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 공기 중에 포함된 산소량을 증가시켜 산소부화된 공기를 이용해서 연소 효율을 향상시키고, 질소산화물을 저감하며, 배가스 유량을 감소시켜 배가스 처리 설비의 효율성을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉, 상기의 실시 예에서는 각 단별 당량비를 조절하기 위해서, 각 단 버너에 공급되는 공기량 또는 산소부화공기량을 조절하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 본 발명은 각 단 버너에 공급되는 공기량과 산소부화공기량 뿐만 아니라, 각 단 버너에 공급되는 연료의 발열량에 따라 연료의 공급량을 조절하고, 연료의 공급량에 기초해서 공기량과 산소부화공기량을 조절하도록 변경될 수도 있다.

본 발명은 산소부화공기 발생장치 및 이를 통해 산소부화된 공기를 이용해서 저급탄을 사용하는 경우에 설계 당시 조건에 비해 떨어진 연소 효율을 설계치에 근접하게 향상시키고, 질소산화물을 저감하며, 배가스 유량을 감소시켜 배가스 처리 설비의 효율성을 향상시키고, 보일러 및 발전단 효율을 향상시키는 기술에 적용된다.

10: 화력발전 시스템
11: 산소부화공기 발생장치 111 내지 113: 제1 내지 제3 공기주입팬
114 내지 116: 제1 내지 제3 공기공급관
117: 고산소농도 산소부화공기공급관
12: 산소부화 연소장치 13: 배열회수보일러
131: 절탄기 132: 증발기
133: 과열기 134: 재열기
14: 증기터빈 141: 응축기
15: 발전기 16: 배가스 처리장치
17: 연돌 171: 배출팬
18: 연료건조장치 19: 저탄장
191: 자발화 방지장치 20: 화로
21: 버너 23: 미분기
231: 연료 이송라인 24: 윈드박스
30: 측정유닛 31 내지 36: 제1 내지 제6 측정센서
40: 조절유닛 41 내지 44: 제1 내지 제4 조절밸브
50: 제어부 51: 공기량 산출부
52: 당량비 산출부 53: 신호발생부

Claims (15)

1. 공기 중의 산소 농도에 비해 산소의 양을 증가시킨 산소부화된 공기를 저발열량을 갖는 연료와 혼합해서 보일러에 설치되는 다단의 버너에서 연소시키는 연소장치에 있어서,
   각 단 버너에 공급되는 연료를 공급하는 연료공급부,
   공기 중의 산소에 비해 산소의 양을 증가시켜 산소부화된 공기를 생성하는 산소부화공기 발생장치 및
   상기 연료공급부의 연료공급량과 각 단 버너에 공급되는 연료량, 상기 산소부화공기 발생장치에서 각 단 버너 및 화로에 공급되는 산소부화공기 공급량을 조절해서 전체 연소장치의 당량비 분포를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 각 단별 당량비는 보일러의 일부 버너 단들 내에서 1 이하로 설정되어 연료 과농 지역을 생성하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
3. 제1항에 있어서,
   공급되는 연료량과 산소부화공기량에 따른 상기 산소부화 연소장치의 전체 당량비는 일정하게 제어되는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 보일러 출구에서 측정된 배가스 온도값과 미리 설정된 설정온도값을 비교하여 공급되는 산소부화공기 공급량을 증감시켜 당량비를 제어하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 보일러의 최상부 버너의 상부에 산소부화공기를 직접 공급하는 별도의 산화제 공급 장치가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 연료공급부는
   각 단 버너에 공급되는 연료를 미분하는 미분기,
   미분된 연료와 상기 산소부화공기 발생장치에서 산소부화된 공기를 혼합해서 상기 각 단 버너로 공급하는 윈드박스,
   상기 미분기와 윈드박스에 공급되는 연료량 및 공기량을 측정하는 측정센서 및
   상기 산소부화공기 발생장치에서 발생된 산소부화공기의 공급량을 조절하는 조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 각 단 버너에서 필요로 하는 산소부화공기량을 합산해서 총 공기량을 산출하는 공기량 산출부,
   상기 각 단 버너에 공급하는 단별 연료량, 공기량 및 산소부화공기량을 이용해서 단별 당량비를 산출하는 당량비 산출부 및
   상기 각 단 버너에 필요로 하는 산소부화공기량을 공급하도록 조절밸브의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 구성으로 이루어진 산소부화 연소장치,
   배열회수 보일러에서 생산된 증기의 열에너지를 기계적 일로 변환하는 증기터빈,
   상기 증기터빈에서 변환된 기계적 일을 이용해서 발전하는 발전기 및
   상기 산소부화 연소장치에서 발생하는 배가스 내에 포함된 유해물질을 제거하고, 상기 배가스의 열을 이용해서 상기 산소부화공기를 예열하는 배가스 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소부화 연소장치가 적용된 화력발전 시스템.
9. 산소부화공기 발생장치에 의해 공기 중의 산소 농도에 비해 산소 농도가 증가된 산소부화된 공기를 산화제로 이용하여 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 화력발전 시스템의 제어방법.
10. 제9항에 있어서,
    산소부화 연소장치의 출구를 통해 배출되는 배가스의 온도와 산소 농도를 측정하여 보일러 흡수 열량을 계산해서 산소부화공기 내 총 산소 농도를 결정하는 1단계 및
    상기 1단계에서 결정된 산소부화공기 내 총 산소 농도를 기준으로 복수의 단으로 마련된 각 단 버너에 공급되는 공기량, 산소부화공기량, 각 단 버너별 산소부화공기 내 산소 농도를 조절하는 2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전 시스템의 제어방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 1단계는
    (a) 제어부에서 산소부화 연소장치에 공급되는 총 산소부화공기 내 산소 농도를 초기 설정하는 단계,
    (b) 투입되는 연료 투입량과 발열량을 이용해서 총 열입력을 계산하는 단계,
    (c) 측정유닛을 이용해서 상기 산소부화 연소장치의 출구를 통해 배출되는 배가스의 온도 및 산소 농도를 측정하는 단계,
    (d) 측정된 출구 온도와 산소 농도 측정값을 이용해서 총 산화제량을 계산하는 단계,
    (e) 미리 저장된 연료의 성상과 산화제의 성상을 통해 배가스 유량 및 조성을 계산하고, 계산된 값을 이용해서 상기 배가스의 현열을 계산하는 단계,
    (f) 상기 총 열입력과 총 배가스의 현열의 차이인 보일러의 흡수 열량을 계산하는 단계,
    (g) 미리 저장된 보일러 흡수 열량 설계치와 상기 (f)단계에서 계산된 보일러의 흡수 열량의 차를 미리 설정된 설정범위와 비교해서 근사도를 검사하는 단계,
    (h) 상기 검사결과 흡수 열량 설계치와 계산된 흡수 열량의 차가 상기 설정범위 이내이면 상기 (a)단계에서 설정된 산소 농도값을 고정하는 단계 및
    (i) 상기 검사결과 흡수 열량 설계치와 계산된 흡수 열량의 차가 상기 설정범위를 초과하면 총 산소부화공기 내 산소 농도값을 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전 시스템의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 (i)단계에서 제어부는 계산된 보일러의 흡수 열량이 설계치에 비해 크면 총 산소부화공기 내 산소 농도값을 상기 초기값으로 유지하거나 감소시켜 재설정하고, 계산된 보일러의 흡수 열량이 설계치에 비해 작으면 총 산소부화공기 내 산소 농도값을 초기값보다 증가시켜 재설정하는 것을 특징으로 하는 화력발전 시스템의 제어방법.
13. 제11항에 있어서,
    (j) 상기 연료의 조성 정보가 미제공되는 경우, 상기 제어부에서 상기 (c)단계에서 측정된 보일러 출구의 배가스와 설계시 설정된 기준온도값을 비교하여 산소부화공기 내 산소 농도를 재설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전 시스템의 제어방법.
14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2단계는
    (a) 측정유닛을 이용해서 화로의 각 단 버너에 각각 공급되는 공기량과 산소부화공기량을 측정하는 단계,
    (b) 제어부에서 상기 각 단 버너에 공급되는 연료량와 상기 (a)단계에서 측정된 공기량과 산소부화공기량을 이용해서 각 단별 당량비를 산출하는 단계,
    (c) 산출된 각 단별 당량비에 기초해서 상기 각 단 버너에 공급되는 공기량 또는 산소부화공기량을 조절해서 각 단별 당량비를 제어하는 단계 및
    (d) 상기 화로의 화로에 공급되는 산소부화공기량을 조절해서 전체 당량비를 일정하게 유지하거나 연료의 특성에 기초해서 각 단별 당량비를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소의 화력발전 시스템의 제어방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 복수 단의 버너 중에서 일부에 공급되는 공기량을 미리 설정된 기준 공기량보다 감소시키고, 부족한 공기량만큼 산소부화공기량을 증가시켜 연료 희박 조건에서 연료와 공기를 연소시켜 기준 당량비를 유지하는 단계,
    (c2) 나머지 버너에 공급되는 공기량 또는 산소부화공기량을 감소시키거나 공기량과 산소부화공기량을 모두 감소시켜 연료 과농 조건에서 연료와 공기를 연소시키는 단계 및
    (c3) 상기 화로에 공급되는 산소부화공기량을 기준 공기량보다 증가시켜 총산소량을 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소의 화력발전 시스템의 제어방법.

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