화력 발전소의 보일러 - 연소 방식에 따른 분류

화력 발전소 보일러는 연료의 연소 방식에 따라 Opposite Wall Firing Boiler, Tangential Firing Boiler, Fludized Bed Firing Boiler로 나눌 수 있습니다. 각각의 연소 방식은 효율성, 환경 영향, 유지보수 편의성 등을 고려하여 적용됩니다.

 1. Opposite Wall Firing Boiler

Opposite Wall Firing Boiler는 보일러의 양쪽 벽면에 버너를 설치하여 연료를 대향으로 분사하는 방식입니다. 이 방식은 연소실 중앙에서 연료가 만나면서 연소가 이루어지며, 주로 중소형 보일러에서 사용됩니다.

작동 원리

• 버너 위치: 보일러 양쪽 벽면에 설치된 여러 개의 버너가 연료를 대향으로 분사하며, 이때 연료가 연소실 중앙에서 만날 수 있도록 분사 각도가 설계됩니다.
• 중앙 연소: 연소실 중앙에서 연료가 만나면서 연소가 이루어집니다. 이 과정에서 생성된 고온의 연소 가스는 연소실 내에서 고르게 확산됩니다.
• 열 전달: 연소 가스가 보일러 튜브를 가열하여 수증기를 생성합니다. 고온의 가스는 보일러 튜브 벽을 따라 흐르면, 튜브 내의 물을 가열하여 증기로 변환시킵니다.

장점

• 단순한 설계: 버너의 배치와 조정이 비교적 단순하여 설치 비용이 낮습니다.
• 유지보수 용이: 버너와 연소 시스템의 접근이 용이하여 유지보수가 간편합니다.

단점

• 제한된 연소 효율: Tangential Firing Boiler에 비해 연소 효율이 낮을 수 있습니다.
• 불균일한 온도 분포: 연소실 내의 온도 분포가 균일하지 않을 수 있습니다.

2. Tangential Firing Boiler

Tangential Firing Boiler는 보일러의 네 모서리에 설치된 버너를 사용하여 연료를 연소시키는 방식입니다. 버너가 Tangential 방향으로 연료를 분사하여 연소실 중심에 와류를 형성합니다. 이 방식은 연소 효율을 극대화하고, 안정적인 연소를 유지하는 데 효과적입니다. 주로 대형 발전소에서 사용됩니다.

작동 원리

• 버너 위치: 네 모서리에 설치된 버너가 연료를 탄젠셜 방향으로 분사합니다.
• 와류 형성: 연료가 연소실 중심에서 와류를 형성하여 안정적인 연소를 유지합니다. 이 와류는 연소실 중앙에서 중심축을 따라 형성되며, 연료와 공기의 혼합이 최적화됩니다.
• 열 전달: 연료와 공기의 혼합물이 와류 내에서 연소되면서 고온의 연소가스가 생성되며, 이 연소 가스는 연소실 내에서 회전하며 보일러 튜브에 열을 효율적으로 전달합니다. 

장점

• 높은 연소 효율: 와류를 통해 연료가 고르게 연소되어 열효율이 높습니다.
• 안정적인 연소: 연소실 전체에 균일한 온도 분포를 유지하여 안정적인 연소가 가능합니다.
• 적은 오염 물질 배출: 연소 효율이 높아 완전 연소에 가까우며, 대기 오염 물질(NOx, SOx) 배출이 상대적으로 적습니다.

단점

• 복잡한 설계: 버너의 배치와 조정이 복잡하여 설계가 까다롭고, 초기 설치 비용이 높습니다. 특히 대형 보일러의 경우 이러한 복잡성은 더욱 증가합니다.
• 유지보수 어려움: 네 모서리에 설치된 버너와 연소 시스템의 유지보수가 어렵습니다. 특히, 고온에서의 작동으로 인한 부품 마모와 손상에 주의해야 합니다.

3. Fluidized Bed Firing Boiler

Fludized Bed Firing Boiler(유동층 연소 보일러)는 연소실 내에서 고체 연료를 작은 입자로 분쇄하여 공기와 함께 유동화 상태로 연소시키는 보일러 입니다. 연소 효율을 극대화하고, 낮은 온도에서 연소를 진행하여 NOx, SOx와 같은 대기 오염 물질의 배출을 최소화하는 장점을 가지고 있습니다. 또한 유동층 연소 보일러는 석탄, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료를 사용할 수 있어 연료 유연성이 높은 것이 장점입니다. 

작동 원리

• 유동층 형성: 연료 입자와 함께 모래, 석회석 등이 하부에서 유입되는 공기로 인해 부유 상태를 유지합니다. 공기 공급 속도 및 유량이 적절히 조절되면서 입자들이 마치 액체처럼 유동하게 됩니다.
• 연료 투입: 분쇄된 연료는 연소실로 지속적으로 공급되며, 연료 입자는 유동화된 입자들과 혼합되어 빠르게 연소됩니다. 
• 효율적인 열 전달: 유동층에서 빠르게 연소되어 생성된 고온의 연소 가스는 연소실 상부로 상승하고, 보일러 튜브를 통과하면서 열을 전달합니다. 
• 연소 후 남은 고체 입자들은 사이클론 또는 다른 입자 분리 장치를 통해 회수되며, 일부는 다시 연소실로 재순환됩니다. 배기 가스는 필터 등을 거쳐 대기 중으로 방출됩니다.

장점

• 높은 연소 효율: 유동층 내에서 연료 입자와 공기의 접촉이 최적화되어 연소 효율이 매우 높습니다. 
• 낮은 연소 온도 : 연소 온도가 낮아 NOx와 SOx와 같은 대기 오염 물질의 배출이 감소합니다.
• 다양한 연료 사용 가능: 석탄, 바이오매스, 폐기물 등 다양한 연료를 사용할 수 있어 연료 공급의 유연성이 높습니다. 이는 연료 가격 변동에 대한 대응력을 향상시켜 줍니다.

단점

• 복잡한 시스템: 복잡한 설계와 설치로 인해 초기 비용이 높을 수 있습니다. 특히, 유동층 형성을 위한 복잡한 공기 흐름 제어 시스템이 필요합니다.
• 운전 기술 필요 : 유동층 연소 보일러의 운전과 유지보수에는 높은 기술적 숙련도가 필요합니다.