증기 보일러의 기초

스팀 보일러의 기본 사항

증기 보일러는 물을 증기로 변환하기 위해 통제된 조건에서 물을 가열하는 밀폐된 용기입니다. 보일러는 기본적으로 열이 물로 전달되는 열교환기입니다. 증기 발생기라고도 합니다. 물을 가열하기 위한 열 에너지는 연료(가스, 액체 또는 고체) 또는 다양한 산업 공정에서 사용할 수 있는 폐기물 에너지에 의해 공급됩니다. 때때로 태양 에너지는 증기 생산에도 사용됩니다. 보일러에서 생성되는 증기는 저압, 중압 또는 고압일 수 있습니다. 산업적 맥락에서 생성된 증기는 다양한 산업 공정에서 공정 증기로 사용되거나 전기 생산을 위한 터빈을 구동하는 데 사용됩니다. 모든 보일러는 가능한 한 많은 열에너지를 보일러에 포함된 물에 전달하도록 설계되었습니다. 열 에너지는 전도, 대류 및 복사에 의해 전달됩니다. 각각의 상대적 비율은 보일러 유형, 설계된 열 전달 표면 및 연소에 동력을 공급하는 연료에 따라 다릅니다.

보일러에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 소방관 보일러와 수관 보일러입니다.

화재 튜브 보일러는 뜨거운 가스가 통과하는 여러 개의 튜브로 구성됩니다. 이 뜨거운 가스 튜브는 닫힌 용기의 물에 잠겨 있습니다. 이 보일러에서 하나의 닫힌 용기 또는 쉘에는 뜨거운 가스 튜브가 통과하는 물이 들어 있습니다. 이 뜨거운 가스 튜브는 물을 가열하고 물을 증기로 변환하고 증기는 동일한 용기에 남아 있습니다. 소방관 보일러는 일반적으로 상대적으로 작은 증기 용량과 중저 증기압에 사용됩니다. 이 보일러는 소형이며 패키지 구조이며 저렴합니다.

수관 보일러는 물이 튜브 내부에서 가열되고 뜨거운 가스가 튜브를 둘러싸는 일종의 보일러입니다. 이것은 소방관 보일러의 정반대입니다. 이 보일러에서 보일러 급수는 튜브를 통해 흘러 보일러 드럼으로 들어갑니다. 순환된 물은 연소 가스에 의해 가열되고 드럼의 증기 공간에서 증기로 변환됩니다. 이 보일러는 산업 공정 및 발전용 증기 요구 사항을 충족시키기 위해 필요한 보일러의 경우와 같이 증기 요구 사항과 증기 압력 요구 사항이 높을 때 사용됩니다. 수관 보일러의 특징에는 (i) 연소 효율을 개선하는 데 도움이 되는 강제, 유도 및 균형 드래프트 규정 (ii) 수질에 대한 내성이 낮아 수처리 설비가 필요하며 (iii) 더 높은 열 효율 수준이 포함됩니다.

보일러 시스템의 구성요소

보일러 시스템의 주요 구성 요소는 수처리 플랜트, 보일러 급수 히터, 탈기기, 공급 펌프, 이코노마이저, 과열기, 감온기, 스팀 시스템, 응축기 및 응축수 펌프입니다. 또한, 물 및 증기 흐름, 연료 흐름, 공기 흐름 및 화학 처리 추가를 모니터링하기 위한 일련의 제어 장치가 있습니다. 보일러 플랜트 흐름도의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

                                                                그림 1 보일러 플랜트 흐름도

일반적으로 보일러 시스템은 급수 시스템, 증기 시스템 및 연료 시스템으로 구성됩니다. 급수 시스템은 처리된 물을 보일러에 공급하고 증기 수요를 충족하도록 자동으로 조절합니다. 증기 시스템은 보일러에서 생성된 증기를 수집하고 제어합니다. 증기는 배관 시스템을 통해 사용 지점으로 보내집니다. 연료 시스템에는 필요한 열을 생성하기 위해 연료를 공급하는 데 사용되는 모든 장비가 포함됩니다. 필요한 장비는 사용하는 연료의 종류에 따라 다릅니다.

급수 시스템

급수는 보일러에 공급되는 물을 증기로 변환하는 것입니다. 공급수의 두 가지 소스는 공정에서 반환된 응축수 또는 응축 증기와 수처리 공장에서 처리된 물인 보충수입니다. 급수 시스템의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

급수 히터 – 보일러 급수를 예열하기 위해 사용된 증기에서 폐열을 추출함으로써 보일러 효율이 향상됩니다. 히터는 튜브 측에 급수, 쉘 측에 증기가 있는 쉘 및 튜브 유형 열교환기입니다. 응축수는 응축수 저장탱크 또는 응축수 핫웰로 되돌아갑니다.

탈기기 – 급수에는 응축기, 펌프 씰 또는 응축수 자체의 공기 누출로 인해 부적절한 수준으로 산소가 용해되어 있는 경우가 많습니다. 산소는 탈기기에서 기계적으로 제거됩니다. 탈기기는 온도가 올라감에 따라 산소 용해도가 감소한다는 원리에 따라 작동합니다. 이것은 급수에 증기를 통과시켜 이루어집니다.

이코노마이저 – 이코노마이저는 급수 시스템의 마지막 단계입니다. 그들은 증기를 가열하고 보일러의 효율을 향상시키기 위해 배기 가스에서 열 가치를 추출하도록 설계되었습니다. 그들은 단순한 핀 튜브 열교환 기입니다. 급수 이코노마이저는 연도 가스에서 유입되는 물로 열을 전달하여 연료 요구량을 줄입니다.

스팀 시스템

증기 시스템은 증기 및 진흙 드럼, 보일러 튜브, 과열기, 감온기 및 응축수 시스템으로 구성됩니다.

증기 및 진흙 드럼 - 증기 드럼은 물과 증기의 분리가 발생하는 수관 보일러의 상부 드럼입니다. 스팀 드럼에는 급수 유입, 화학 물질 주입, 블로우 다운 제거, 레벨 제어 및 스팀 물 분리를 위한 내부 요소가 포함되어 있습니다. 급수는 이코노마이저에서 스팀 드럼으로 들어갑니다. 증기는 증기 분리기를 통해 드럼 상단에서 흐릅니다. 증기 배출구는 일반적으로 한 세트의 라이저와 하향관에 의해 이 드럼에서 더 낮은 드럼으로 이륙합니다. 머드 드럼이라고 불리는 하부 드럼은 보일러 바닥에 있는 탱크로 물을 생성 튜브로 균일하게 분배하고 경도 및 실리카에서 형성된 염과 같은 고형물을 수집합니다.

보일러 튜브 – 보일러 튜브는 고강도 탄소강으로 제작됩니다. 튜브는 용접되어 튜브의 연속 벽을 형성합니다. 일반적으로 하나 이상의 튜브 뱅크가 사용됩니다. 튜브는 흐름 문제 또는 부식 침착 문제로 인해 파손되기 가장 쉽습니다.

과열기 - 보일러를 떠날 때 증기는 보일러 압력 및 온도에서 물과 평형을 이루기 때문에 포화됩니다. 과열기의 목적은 증기의 온도를 포화점 이상으로 올려 증기에서 모든 수분 함량을 제거하는 것입니다. 과열기는 보일러의 배출 증기에 에너지를 추가합니다. 추가된 에너지는 증기의 온도와 열 함량을 포화점 이상으로 높입니다. 과열 증기의 비체적은 더 큽니다.

감온기 – 감온기는 과열도를 제어합니다. 감온은 과열된 증기 흐름에 물을 제어하여 주입하여 증기를 부분적으로 감온하는 과정입니다. 일반적으로 보일러 급수는 온도 조절에 사용됩니다.

응축수 시스템 – 다양한 열교환기 시스템의 응축수는 급수의 일부로 보일러로 되돌아갑니다. 그러나 응축수는 pH 및 산소 유입에 대해 면밀히 모니터링해야 하며 적절한 응축수 처리가 적용되어야 합니다.

연료 시스템

연료 공급 시스템은 보일러 성능에 중요한 역할을 합니다. 그들의 주요 기능은 연료를 보일러로 옮기고 균일하고 완전한 연소를 촉진하기 위해 보일러 내에서 연료를 분배하는 것입니다. 연료 유형은 연료 시스템의 작동 기능에 영향을 미칩니다. 연료 공급 시스템은 보일러 시스템의 가장 중요한 구성 요소를 형성합니다. 연료는 연소를 위해 준비되어 보일러로 운반되어야 합니다. 연소 시스템은 연료 점화에 유리한 조건을 만들고 1차 연소 공기와 연료 사이의 양호한 혼합을 보장하는 공기 역학적 조건을 설정하여 광범위한 유속에 걸쳐 화염의 안정성을 보장합니다. 버너는 효과적인 연소 시스템의 핵심 요소입니다.

증기 보일러 효율

증기 보일러에서는 불완전 연소, 증기 보일러 주변 벽에서 발생하는 복사 손실, 배기 가스에 의해 운반되는 열 등을 포함한 일부 에너지 손실이 발생합니다. 증기 보일러의 효율은 이러한 손실을 나타냅니다. 증기 보일러 효율은 아래와 같이 연료가 공급하는 총 열에서 배출 증기가 내보내는 총 열의 비율입니다.

증기 보일러 효율에는 열 효율, 연소 효율 및 연료 대 증기 효율이 포함됩니다. 증기 보일러 효율은 보일러 크기, 보일러 유형, 보일러 설계 등을 포함한 많은 요인에 따라 달라집니다.

증기보일러의 분류

증기보일러는 그 설계와 구조에 따라 주로 다음과 같이 분류됩니다.

미분 연료 보일러 – 석탄 화력 발전소 및 산업용 수관 보일러의 대부분은 미분탄을 사용합니다. 이 기술은 잘 개발되었으며 석탄 연소 용량의 90% 이상을 차지합니다. 석탄은 미세 분말로 분쇄되며, 역청탄의 경우 2% 미만은 +300미크론(μm)이고 70-75%는 75미크론 미만입니다. 미분탄은 연소 공기의 일부와 함께 일련의 버너 노즐을 통해 보일러로 불어넣어집니다. 2차 및 3차 공기도 추가될 수 있습니다. 연소는 주로 석탄 등급에 따라 1300-1700℃의 온도에서 발생합니다. 보일러의 입자 잔류 시간은 일반적으로 2~5초이며 입자는 이 시간 동안 완전 연소가 일어나기에 충분히 작아야 합니다. 이 시스템은 다양한 품질의 석탄을 연소할 수 있는 능력, 부하 변화에 대한 빠른 응답, 높은 예열 공기 온도 사용 등과 같은 많은 장점을 가지고 있습니다.

유동층 연소 보일러 - 유동층 연소(FBC) 보일러에서 연소 시스템은 유동층 연소를 기반으로 설계되었습니다. 기존 연소 시스템에 비해 상당한 이점이 있으며 소형 보일러 설계, 연료 유연성, 높은 연소 효율 및 SOx 및 NOx와 같은 유해 오염 물질의 배출 감소와 같은 여러 이점을 제공합니다. 이러한 보일러에서 연소되는 연료에는 석탄, 세탁기 불량품, 왕겨, 버개스 및 기타 농업 폐기물이 포함됩니다.

이러한 보일러에서 유동층 연소(FBC)는 약 840 ~ 950℃에서 발생합니다. 이 온도는 회분 융해 온도보다 훨씬 낮기 때문에 회분의 용융 및 관련 문제를 피할 수 있습니다. 낮은 연소 온도는 유동층에서 빠른 혼합으로 인한 높은 열전달 계수와 베드 내 열전달 튜브 및 베드 벽을 통한 베드로부터의 효과적인 열 추출로 인해 달성됩니다. 기체 속도는 최소 유동화 속도와 입자 비말동반 속도 사이에서 유지됩니다. 이것은 베드의 안정적인 작동을 보장하고 가스 흐름에서 입자 비말동반을 방지합니다. 유동층 보일러에는 세 가지 유형이 있습니다. 그들은 (i) 대기 유동층 연소(AFBC) 보일러, (ii) 대기 순환 유동층 연소(CFBC) 보일러 및 (iii) 가압 유동층 연소(PFBC) 보일러입니다.

대기 유동층 연소 보일러 – 이 유형의 보일러에서는 석탄의 등급, 연소실로 공급되는 연료의 유형에 따라 석탄을 1~10mm 크기로 분쇄합니다. 유동화 및 연소 공기의 역할을 하는 대기는 배기 연료 가스에 의해 예열된 후 압력으로 전달됩니다. 물을 운반하는 침대 내 튜브는 일반적으로 증발기 역할을 합니다. 연소의 기체 생성물은 보일러의 과열기 섹션을 통과하여 이코노마이저, 집진기 및 공기 예열기를 지나 대기로 배출됩니다.

대기 순환 유동층 연소 보일러 – 순환 시스템에서 베드 매개변수는 베드에서 고형물 배출을 촉진하도록 유지됩니다. Elutriation은 유동층을 통과하는 유체의 유속으로 인해 미세 입자가 유동층 밖으로 나오는 과정입니다. 입자는 고형물 라이저에서 상대적으로 희석된 상태로 들어 올려지고 사이클론이 있는 하강기는 고형물에 대한 복귀 경로를 제공합니다. 베드에 잠긴 증기 발생 튜브가 없습니다. 증기의 생성 및 과열은 대류 섹션, 수벽 및 라이저 출구에서 발생합니다. CFBC 보일러는 일반적으로 시간당 75~100톤 이상의 증기를 필요로 하는 산업용으로 AFBC 보일러보다 경제적입니다.

가압 유동층 연소 보일러 – 이 보일러에서 압축기는 강제 통풍 공기를 공급하고 연소기는 압력 용기입니다. 베드의 열방출율은 베드 압력에 비례하므로 많은 양의 열을 추출하기 위해 깊은 베드를 사용합니다. 이것은 베드에서 연소 효율과 이산화황 흡수를 향상시킵니다. 증기는 두 개의 튜브 번들에서 생성됩니다. 하나는 베드에 있고 다른 하나는 그 위에 있습니다. 뜨거운 연도 가스는 발전용 가스 터빈을 구동합니다. PFBC 시스템은 열병합 발전(증기 및 전기) 또는 복합 화력 발전에 사용할 수 있습니다. 복합 사이클 운전(가스터빈 및 증기 터빈)은 전체 변환 효율을 5~8% 향상시킵니다.

폐열보일러 – 폐열이 중온 또는 고온인 곳이면 어디든 폐열보일러를 설치하여 경제적으로 증기를 생산합니다. 증기는 증기 터빈-발전기 세트에서 내려져 전력이 생산될 수 있습니다. 배기가스의 열회수에 널리 사용됩니다.