KR0171066B1 - 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템 - Google Patents

저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템 Download PDF

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KR0171066B1
KR0171066B1 KR1019940006213A KR19940006213A KR0171066B1 KR 0171066 B1 KR0171066 B1 KR 0171066B1 KR 1019940006213 A KR1019940006213 A KR 1019940006213A KR 19940006213 A KR19940006213 A KR 19940006213A KR 0171066 B1 KR0171066 B1 KR 0171066B1
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pulverized solid
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furnace
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KR1019940006213A
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존 리니 마이클
데이비드 헬레웰 토드
포페 타울 데이비드
롱 제닝스 페트릭
챨스 라플레시 리차드
케니스 앤더슨 데이비드
Original Assignee
아서 이. 퍼니어 2세
컴버스쳔 엔지니어링 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 분쇄 고체 연료 연소로(10)에 사용하기에 적당한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)과, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)를 구비한 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 작동 방법에 관한 것이다. 분쇄 고체 연료 연소로(10)를 사용한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 산화질소 방출을 0.15lb./106BTU 이하로 제한할 수 있고, 동시에 카본-인-프라이애시를 5% 이하로 그리고 일산화탄소 방출을 50ppm 이하로 제한한다. 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 연소 노즐과 동심인 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)과, 폐쇄 결합 오버화이어 공기(98,100)과, 다단계 개별 오버화이어 공기(104,106)를 포함한다.

Description

저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템
제1도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료 연소를 개략적으로 도시한 수직 단면도.
제2도는 특히 분쇄 고체 연료 연소로에 사용하기 적합한 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 개략적으로 도시한 수직 단면도.
제3도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템내에 사용되는 화염 부착 팁을 이용하는 분쇄 고체 연료 노즐의 측면도.
제4도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 탄젠셜 연소 시스템에 사용되고 제3도에 도시한 화염 부착 팁을 구체화하는 분쇄 고체 연료 노즐의 단부도.
제5도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 탄젠셜 연소 시스템내에 사용되는 오프셋 연소 동작의 원리를 나타내는 연소 사이클의 평면도.
제6도는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템내에 사용되는 분리된 오버화이어 공기의 조정가능한 흔들림(yaw) 작동 원리를 도시하는 것으로 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료 연소로의 평면도.
제7도는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템내에 사용되는 분리된 오버화이어 공기의 조정 가능한 경사 동작의 원리를 도시하는 것으로 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료의 연소로의 측면도.
제8도는 분쇄 고체 연료 연소로에 실시하기에 적합한 저산화질소 연소 시스템의 종래 형태의 두개의 실지 테스트와 하나의 실험 테스트에서 얻어진 산화질소 방출 레벨(NOx emission levels)의 비교를 나타내는 그래프.
제9도는 분쇄 고체 연료 연소로에서 실시하기에 각각 적합한 저산화질소 연소 시스템의 종래 형태와 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템으로부터 얻어진 산화질소 방출 레벨을 비교한 그래프.
제10도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료 연소로의 주요 버너 영역내에서 화학량론이 감소될때 산화질소 방출 레벨과 카본-인-프라이애시(carbon-in-flyash)의 양 모두의 결과를 도시하는 그래프.
제11도는 각각이 분쇄 고체 연료 연소로에 실시하기에 적합한 3개의 다른 형태의 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템이 사용될때 화학량론이 산화질소 방출 레벨에 작용하는 결과를 도시하는 그래프.
제12a도는 각각이 분쇄 고체 연료 연소로에 실시하기에 적합한 3개의 다른 형태의 저산화질소 연소 시스템이 사용될때 카본-인-프라이애시의 양에 따른 분쇄 고체 연료 미세도의 결과를 도시하는 그래프.
제12b도는 각각이 분쇄 고체 연료 연소로에 실시하기에 적합한 3개의 다른 형태의 저산화질소 연소 시스템이 사용될때 산화질소 방출 레벨에 따른 분쇄된 고체 연료 미세도의 결과를 도시하는 그래프.
제13a도는 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템에서, 3개의 다른 형태의 분쇄 고체 연료의 테스트 연소로부터 얻어진 일산화탄소의 양을 도시하는 그래프.
제13b도는 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템에서, 3개의 다른 형태의 분쇄 고체 연료의 테스트 연소로부터 얻어진 카본-인-프라이애시의 양을 도시하는 그래프.
제13c도는 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템에서, 3개의 다른 형태의 분쇄 고체 연료의 테스트 연소로부터 얻어진 산화질소 방출 레벨을 도시하는 그래프.
제14도는 0.6보다 큰 와선수가 사용될 때 주요 바람 상자를 통해 분쇄 고체 연료 연소로 내로 분사된 분쇄 고체 연료와 공기의 흐름 방향을 설명하는 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료 연소로를 개략적으로 도시한 수직 단면도.
제15도는 0.6보다 큰 와선수를 사용하도록 주바람 상자를 통해 분쇄 고체 연료 연소로 내로 분사된 분쇄 고체 연료와 공기의 흐름 방향을 설명하는 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 사용하는 분쇄 고체 연료 연소로를 개략적으로 도시한 수직 평면도.
제16도는 감소된 호퍼 애시(hopper ash)와 증가된 카본 전환(carbon conversion)을 성취하기 위해서 하부 공기 노즐의 기울기와 하부 분쇄 고체 연료 노즐의 기울기를 설명하며, 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구체화하는 분쇄 고체 연료 연소로의 일부분을 개략적으로 도시한 수직 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 분쇄 고체 연료 연소로
12 : 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템
14 : 버너 영역 20 : 주 바람 상자
26,28,30 : 순수 공기 격실 32,34,36,38,40,42,44,46 : 오프셋 공기 격실
48,50,52,54,56 : 연료 격실 58 : 연료 노즐
60 : 노즐 팁 64 : 분쇄기
98,100 : 오버화이어 공기 격실
[발명의 배경]
본 발명은 분쇄 고체 연료 연소로(pulverized solid fuel-fired furnace)를 사용하기에 적합한 탄젠셜 연소 시스템(tangential firing system), 특히, 폭넓은 영역의 고체 연료에 적용가능하고 분쇄 고체 연료 연소와 함께 사용될때 변형 고체 연료를 기초한 원동기 기술과 일치하는 레벨로 산화질소 방출(NOx emissions)을 제한할 수 있는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(integrated low NOx tangential firing system)에 관한 것이다.
분쇄 고체 연료는 오랫동안 탄젠셜 연소법에 의해 노내에 서스펜션 상태로 연소되며 태워져왔다. 탄젠셜 연소 기술은 노의 4개 코너에서 노내로 분쇄 고체 연료와 공기를 도입하는 단계를 포함하므로 분쇄 고체 연료와 공기는 노의 중심에서 가상 써클(imaginary circle)에 탄젠트 방향으로 인도된다. 이 형태의 연소는 많은 장점을 가지는데, 그중 분쇄 고체 연료와 공기의 양호한 혼합성, 안정된 화염 상태(stabel flame conditions), 노내의 연소 가스의 오랜 잔류 시간을 들 수 있다.
최근에, 가능한 공기의 오염을 최소화하는 것이 더욱더 강조되어 왔다. 이와 관련하여, 특히 산화질소 제어를 언급하면, 질소 산화물은 열적 산화질소(thermal NOx)와 연료 산화질소로 동일시 하는 두개의 개별 메카니즘에 의해 주로 화석 연료 연소동안 발생되는 것이 알려져 있다. 열적 산화질소는 연소 공기내의 질소 및 산소 분자의 열적 응고(thermal fixation)로부터 발생한다. 열적 산화질소의 생성 비율은 국부 화염 온도에 매우 민감하고 국부 산소 농축물에 다소 민감하지 않다. 실제적으로 모든 열적 산화질소는 가장 높은 온도에 있는 화염의 영역에 형성되어 있다. 열적 산화질소 농축물은 연소가스의 열적 급냉에 의한 고온 영역에서 효과적인 레벨인 냉동(frozen) 상태가 대부분이다. 그러므로, 연료가스 열적 산화질소 농축물은 피크 화염 온도의 등가 레벨 특성과 연료가스 온도에서의 등가 레벨 특성 사이에 있다.
한편, 연료 산화질소는 석탄과 증유와 같은 어떤 화석 연료내에 유기적으로 결합된 질소의 산화로부터 얻어진다. 연료 산화질소의 생성 속도는 일반적으로 화석 연료와 공기 흐름의 혼합 속도와 특히 국부적인 산소 농도(the local oxygen concentration)에 의해 강하게 영향을 받는다. 그러나, 연료 질소에 의한 연료가스 산화질소 농축물은 단지 전형적으로 화석 연료내의 모든 질소의 완전산화에서 발생하는 레벨의 일부분, 예를 들어 20 내지 60%이다. 상술한 것으로부터 전체 산화질소 생성은 국부적인 산소 레벨과 피크 화염 온도의 함수임을 쉽게 알 수 있다.
몇년을 걸쳐, 표준 탄젠셜 연소 기술이 많이 변형되었다. 이러한 변형중 대부분, 특히 최근에 제안된것은 이들을 사용하여 방출(emission)을 더욱 감소시키는 관점에서 주로 제안되어 왔다. 이런 변경중 하나는 본 발명의 양수인에게 양도된 1991년 6월 4일 특허된 발명의 명칭이 덩어리 농축 탄젠셜 연소 시스템(Clustered Concentric Tangential Firing System)인 미국 특허 제 5,020,454호의 주요 내용을 형성하는 연소 시스템이다. 미국 특허 제 5,020,454호의 기술에 따라서, 특히 화석 연료 연소로 내에 사용하기에 적합한 덩어리 농축 탄젠셜 연소 시스템이 제공되어 있다. 덩어리 농축 탄젠셜 연소 시스템은 바람 상자(windbox)를 포함한다. 연료 노즐이 제1덩어리를 바람 상자내에 장착되어 있고, 덩어리 연료를 노내로 분사하기 위해 작동하고 그러므로서 여기에 제1연료 풍부 영역(fuel-rich zone)을 발생한다. 연료 노즐의 제2덩어리는 바람 상자내에 장착되어 있고, 덩어리 연료를 노내로 분사하기 위해 작동함으로서 여기에 제2연료 풍부 영역을 발생한다. 오프셋 공기 노즐(offset air nozzle)은 바람상자내에 장착되어 있고 오프셋 공기를 노내로 분사하기 위해 작동하므로 오프셋 공기는 노내에 분사된 덩어리 연료에서 멀어져 노벽을 향해 이동된다. 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 노즐(a close coupled overfire air nozzle)은 바람상자내에 장착되어 있고 폐쇄 결합된 오버화이어 공기를 노내로 분사하기 위해 작동한다. 분리된 오버화이어 공기 노즐은 노의 버너 영역내에 장착되므로 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 노즐에서 이격되고 바람 상자의 길이 방향축과 거의 일렬로 정렬된다. 분리된 오버화이어 공기 노즐은 분리 오버화이어 공기를 노내로 분사하기 위해 작동한다.
이런 변형의 다른 하나는 1992년 9월 15일자 특허된 발명의 명칭이 보일러 노 연소 시스템(Boiler Furnace Combustion System)인 미국 특허 제 5,146,858호의 주요내용을 이루는 연소 시스템이다. 미국 특허 제 5,146,858호의 기술에 따르면, 보일러 노 연소 시스템은 노에 공동축인 가상 원통형 표면에 탄젠셜 방향인 버너축과 함께 수직축을 가진 정사각형의 배럴형 보일로 노(a squre-barrel-shaped boiler furnace)의 코너 또는 측벽상에 배치된 주버너를 전형적으로 포함하는 형태이다. 특히, 이 형태의 보일러 노 연소 시스템에서, 공기 노즐은 주버너위의 레벨로 보일러 노내에 배치되므로 환원 분위기 또는 주버너 연소 영역의 저산소 농축 분위기내에 남아있는 불연소 연료는 공기 노즐을 통해 공기를 추가로 불어 넣으므로서 완전히 연소될 수 있다. 미국 특허 제 5,146,858호에 기재된 보일러 노 연소 시스템은, 특히 공기 노즐의 두 그룹이 제각기 고 레벨과 저 레벨에 배치되어 있다. 더우이, 저 레벨에 있는 공기 노즐은 제1가상 공동축 원통형 표면보다 더 큰 직경을 가지는 제2가상 공동축 원통형 표면에 탄젠셜 방향으로 향한 축을 가진 보일러 노의 코너에 제공되어 있다. 한편, 고레벨에 있는 공기 노즐은 제2가상 공동축 원통형 표면보다 더 작은 직경을 가지는 제3가상 공동축 원통형 표면에 탄젠셜 방향으로 향한 축을 가진 보일러 노의 측벽의 중앙에 제공되어 있다.
이런 변형의 또 다른 것은 본 발명의 양수인에게 양도되고 1993년 3월 23일 특허된 발명의 명칭이 진보된 산화질소 제어용 오버화이어 공기 시스템(Advanced Overfire Air System for NOx Control)인 미국 특허 제 5,195,450호의 주요 내용을 이루는 연소 시스템이다. 미국 특허 제 5,195,450호의 기술에 따르면, 진보된 산화질소 제어용 오버화이어 공기 시스템을 제공하는데, 이것은 특히 화석 연료 연소로에 사용하기 적합한 형태의 연소 시스템내의 사용하는 것이다. 진보된 산화질소 제어용 오버화이어 공기 시스템은 다수의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(compartment)로 이루어지는 다층식(multi-elevations) 오버화이어 공기 격실과 다수의 분리된 오버화이어 격실을 포함한다. 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실은 노내의 제1층(first elevation)에 지지되어 있고 분리된 오버화이어 공기 격실은 제2층에 지지되어 있으므로, 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실과 이격되어 있으나 일렬로 정렬되어 있다. 오버화이어 공기는 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실과 분리된 오버화이어 공기 격실 모두에 공급되므로 이들 사이에 소정의 오버화이어 공기의 양호한 분포를 이룰 수 있고, 분리된 오버화이어 공기 격실로부터 나온 오버화이어 공기는 노의 평면 영역에 걸쳐 오버화이어 공기의 수평의 스프레이(spray) 또는 팬(fan) 분배를 하고, 오버화이어 공기는 여기에 사용된 속도보다 충분히 큰 속도로 분리된 오버화이어 공기 격실로부터 나온다.
1990년대에 걸쳐 21세기에는 중앙 분쇄 고체 연료 연소 동력 스테이션(central pulverized solid fuel-fired power stations)이 폭넓은 원동기 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 크게 기대하고 있다. 이들 스테이션은 최대 사이클 효율, 다중 연료 유연성, 사이클링, 최대 이용성, 최소의 설치 비용, 최소의 유지 비용과, 연방, 주 및 지방 법률에 맞거나 능가하는 가능한 가장 낮은 방출을 도모하도록 설계되었다. 역사적으로, 탄젠셜 연소는 본래 대형 고체 연료 연소로에 대해 저산화질소 생성물을 추구하고 있다. 저산화질소 방출은 코너 바람 상자에서 나오는 분쇄 고체 연료와 공기 흐름의 물리적 분리로 일어나는 스테이징(staging)에서 일어난다. 각 분쇄 고체 연료 노즐에 생성된 화염은 전체의 열과 질량 전이 공정(global heat-and mass-transfer processes)을 통해 안정화된다. 노의 중심에 배치되어 있는 단일 회전 화염 엔벨로프(envelope: fireball)는 전체 노를 통해 점증적으로 완전한 균일 분쇄 고체 연료 공기 혼합을 제공한다. 이 탄젠셜 연소 공정은 진보된 연소 산화질소 제어용 공기 스테이징 시스템(advanced air staging system)을 개발하는데 장점이 되어 왔다. 이와 대조적으로, 벽 연소로는 분쇄 고체 연료와 공기 혼합이 균일하게 되도록 전체의 노 흐름 패턴(global furnace flow patterns)을 사용하지 않는 개별적으로 자체 안정화 버너의 그룹을 이용한다. 결국, 벽 연소 장치는 심지어 분리된 오버화이어 공기를 사용할지라도, 대개 산화질소 생성을 일으키는 고온 및 O2농축의 국부 영역을 발생한다.
그러므로, 참고로 한 상기의 3개의 미국 특허의 기술에 따라 구성된 연소 시스템은 그들이 설계한 목적대로 작동되도록 설명되어 있을지라도, 그럼에도 불구하고 이들 종래 기술에서는 이런 연소 시스템은 개선할 필요가 있음이 입증되었다. 특히, 분쇄 고체 연료 연소로에서 나온 산화질소의 방출이 SCR(selective catalytric reduction)이든지 또는 SNCR(seletive non-catalyic reduction)을 이용하지 않고 CFB(circulating fluidized bed) 또는 IGCC(integrated gasification combined cycle)와 같은 다른 분쇄 고체 연료에 기초한 원동기 기술과 일치하는 레벨로 제어될 수 있는 탄젠셜 연소 시스템을 위해 종래 기술을 새롭게 개선할 필요가 있음이 증명되어 있다. 결국, 분쇄된 고체 연료 연소로에서 나온 산화질소의 방출이 0.15lb./106BTU 보다 적게 제한하고 동시에 카본-인-프라이애시(carbon-in-flyash)를 5%보다 적게 그리고 일산화탄소 방출을 50ppm 보다 적게 제한하는 탄젠셜 연소 시스템을 위해 종래 기술을 새롭게 개선할 필요가 있다. 더우이, 이런 방출 레벨은 중간 휘발성 역청질 석탄(medium-volatile bituminous coal)으로부터 갈탄의 폭넓은 범위의 고체 연료가 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템이 구비된 분쇄 고체 연료 연소로 내에서 연소되어질 때 얻을 수 있다. 결국, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 위해서 분쇄, 주 공기 흐름, 연료 투입 조립체, 공기 분사의 다중 레벨(보조 공기, 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 및 분리된 오버화이어 공기)을 포함하는 전체 분쇄 고체 연료 연소 시스템상에 촛점을 맞추어 주의를 할 필요가 있다. 이 목적을 위해서, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템은 아래의 4가지 주요요소로 이루어졌다고 볼 수 있다; 즉, 이들은 고체 연료 분쇄 및 분류와, 분쇄 고체 연료 투입 및 분쇄 고체 연료 노즐 팁 근처의 연소와, 하부 노 연소와, 상부로 연소(주 바람 상자와 노 아치 사이)이다. 더욱이, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 위에 열거한 4개의 개별 요소를 최적화한 것으로 생각할 수 있다.
그러므로 요약하면, 분쇄 고체 연료 연소로가 사용될때 동부 미국의 역청질 석탄에서의 0.10 내지 0.15lb./106BTU 산화질소 방출에 적합하고 유동층 연소기 및 IGCC와 같은 다른 새로운 고체 연료 연소 기술 선택에 근거한 방출과 비교할 수 있는 분쇄 고체 연료 연소로 내의 분쇄 고체 연료 연소를 할 수 있는 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 위해 종래기술을 새롭게 개선할 필요가 있다. 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템에서, 산화질소 방출 목표는 단지 연소 기술을 통해서 성취되고, 5% 보다 적은 카본-인-프라이애시와 50ppm보다 적은 산화질소의 방출을 유지할 수 있다. 즉, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템은 최소의 전체 방출이 여기에서 성취될 수 있어야 한다. 이에 대해서, 서브화학량론적 주영역 연소(sub-stoichometric primary zone combustion), 분쇄 고체 연료와 공기 혼합의 스테이징, 감소된 초과 공기, 낮은 열 방출 비율과 같은 산화질소 생성을 감소하기 위해 사용된 기술은 모두 산소의 이용율, 연소 속도를 제어하고 피크 화염 온도를 감소하는데 목적이 있다. 그러나, 이들 상태는 일산화탄소, 탄화수소의 포텐셜을 증가시키는 불연소 카본 방출을 증가시킬 수 있으므로, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템에서 이들의 대향 요소를 사용하여 균형(balance)를 이룰 필요가 있다. 즉, 상기의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템은 집적 탄젠셜 연소 시스템을 포함해야 되는데, 여기서는 미세 고체 연료 분쇄가 진보된 고체 연료 투입 조립체와 결합되고 다중 공기 분사 레벨을 이용하는 노내 공기 스테이징 단계를 거친다. 종래기술의 연소 시스템과 상기의 새롭고 개선된 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구별하는 것이 상기 전체 형태이다.
고체 연료의 미세 분쇄의 필요성은 산화질소 제어용 단계 연소 공정에 의해 발생된 연소 손실(불연소 카본)을 최소화할 필요성을 나타낸다. 미세 분쇄 고체 연료는 분쇄 고체 연료 노즐 팁 배출에서 폐쇄 점화를 가져오며, 단계 상태화에서 연료-결합 질소 배출(fuel-bound nitrogen release)과 N2의 연속 환원을 강화한다. 두번째 장점은 분쇄 고체 연료 연소로의 수벽상에 충돌하는 크지 않은 100메시 입자를 포함하고 개선된 저부하 점화 안정성(low-load ignition stability)을 가진다.
진보된 분쇄 고체 연료 투입 조립체에 대한 필요성은 분쇄 고체 연료의 점화점이 종래 분쇄 고체 연료 노즐 팁보다 노즐 팁에 더 가까이에서 일어나는 것을 보장한다. 분쇄 고체 연료의 급속 점화는 안정한 휘발성 물질 화염을 생성하고 분쇄 고체 연료 풍부 흐름(pulverized solid fuel-rich stream)내에 산화질소 생성을 최소화한다. 추가로, 진보된 분쇄 고체 연료 투입 조립체가 약간의 바람 상자 제2 공기흐름을 수평 오프셋시킬 수 있는 능력이 존재하므로서 초기 연소 단계동안 분쇄 고체 연료 시스템에 이용할 수 있는 공기를 보다 적게 만들 수 있다. 또한, 약간의 바람 상자 제2 공기흐름의 수평 오프셋은 연소 영역내와 위의 분쇄 고체 연료 연소로의 수벽 근처에 산화 분위기를 만든다. 이것은 애시 침전물량(ash deposition quantity)과 강인성(tenacity)을 감소시키고 벽 그을림을 보다 적게하고 하부 노 열 흡수를 증가시키는 결과를 가져온다. 또한 분쇄 고체 연료 연소로의 수벽(waterwall)을 따라서 증가된 O2레벨은 황, 철 또는 알카리금속(K, Na)의 고 농축물을 가진 석탄이 연소될때 부식 포텐셜을 감소한다. 황화물화 또는 다른 기구에 의한 부식은 특히 분쇄 고체 연료 연소로의 수벽에 연료의 직접 충돌에 대한 포텐셜을 감소시킴으로서 대부분 제어될 수 있다. 이 포텐셜은 보존력 있는 열 방출 변수(conservative heat release parameters)와 분쇄 고체 연료 연소로 기하학적 형상(geometries) 뿐만 아니라 개선된 분쇄 고체 연료 미세도 제어에 의해 일어난다.
다중 공기 분사 레벨을 이용하는 노내 공기 투입 스테이징의 필요성은 산화질소 생성물을 증가시키기 위한 카본 연소를 개선하기 위해 주 바람 상자의 상부에 있는 공기 격실을 통해 제2공기의 일부분을 배출할 필요성에서 예견된다. 추가로, 다중 공기 분사 레벨을 이용하는 노내 공기 투입 스테이징에서 다 단식 분리된 오버화이어 공기(SOFA)를 통해 연소 영역의 화학량론을 제어할 수 있는 능력을 가지고 있어야 한다. 오버화이어 공기의 두개 또는 그 이상의 분리 레벨은 주 바람 상자의 상부와 분쇄 고체 연료 연소로 출구면 사이의 분쇄 고체 연료 연소로의 코너에서 통합되므로, 주어진 분쇄 고체 연료에 대한 산화질소 제어에 대해 최적의 화학량론 히스토리(stoichiometry history)를 발생한다. SOFA 격실은 조정가능한 흔들림과 경사 위치를 가지며, 이것은 카본, 일산화탄소, 전체 탄화수소(THC)와 폴리사이클릭 방향족 화합물(polycyclic aromatic compounds; PAC)과 같은 연소 가능한 방출의 최대 제어를 위한, 연소 가스와 분쇄 고체 연료 연소로 가스 혼합 공정의 조화를 허용한다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히 분쇄 고체 연료 연소로의 사용에 적합한 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 선택적인 촉매 환원(SCR) 또는 선택적인 비촉매 환원(SNCR)을 사용하지 않고 순환 유동층(CFB)과 집적 가스화 연합 사이클(IGCC)과 같은 변형 분쇄 고체 연료를 기초로 한 원동기 기술과 일치하는 레벨로 분쇄된 고체 연료 연소로에서 나온 산화질소 방출을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분쇄 고체 연료 연소로에서 나온 산화질소 방출이 0.15lb./106BTU 보다 적게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분쇄 고체 연료로에서 나온 산화질소 방출이 0.15lb./106BTU 보다 적게 제한되면서, 동시에 카본-인-프라이애시를 5% 보다 적게 그리고 일산화탄소 방출을 50ppm 보다 적게 제한하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 구성요소로서 고체 연료 분쇄화 및 분류화를 포함하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 구성요소로서 분쇄된 고체 연료 노즐 팁 근처에서의 분쇄 고체 연료 투입 및 연소를 포함하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 구성요소로서 하부 노 연소를 포함하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 구성요소로서 상부로 연소를 한 요소로서 포함하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세 고체 연료 분쇄가 진보된 분쇄 고체 연료 투입 조립체와 다중 공기 분사 레벨을 이용하는 노내 공기 투입 스테이징에서 결합되므로 개선된 탄젠셜 연소 시스템이 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구성하는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 새로운 적용이든지 또는 구형의 적용에 모두 잘 맞는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상당히 쉽게 설치되고 상당히 간단하게 작동되며 상당히 저가로 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 분쇄 고체 연료 연소로용의 새롭고 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하는 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 양태에 따라서, 특히 분쇄 고체 연료 연소로를 사용하기에 적합한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템이 제공된다. 본원의 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템은 분쇄 고체 연료 공급 수단과, 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(flame attachment pulverized solid fuel nozzle tips)과, 원심형 연소 노즐과, 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 및 다단식 분리 오버화이어 공기(multi-staged separate overfire air)를 포함한다. 분쇄 고체 연료 공급 수단은 50메시 체(mesh sieve)에서는 0%, 100메시 체에서는 1.5% 남고 200메시 체에서는 85% 이상이 통과하는 최소 미세로 레벨을 가지는 분쇄 고체 연료를 제공하도록 작동가능하게 설계되어 있다. 50메시 체, 100메시 체 및 200메시 체는 각각 약 300미크론, 150미크론과 74미크론 크기의 입자를 통과시키도록 치수가 형성되어 있다. 이런 미세로 레벨을 가지는 분쇄 고체 연료의 주된 장점은 본원의 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 사용하는 산화질소 제어용 단계식 연소 공정에 의해 발생되므로서 연소 손실(불연소된 카본)을 최소화할 수 있다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁은 분쇄 고체 연료 공급 수단에 의해 공급된 분쇄 고체 연료의 분사에 효과적으로 작동되도록 설계되어 있으므로, 분쇄 고체 연료의 점화점은 종래 형태의 분쇄 고체 연료 노즐 팁보다 노즐 팁에 더 가까운 곳에서 발생한다. 원심 연소 노즐은 약간의 제2흐름을 수평으로 오프셋하기 위해 작동되도록 설계되어 있으므로, 보다 적은 공기가 연소의 초기 단계동안 분쇄 고체 연료 흐름에 이용되어, 분쇄 고체 연료의 연소는 화학량론적으로 0.85보다 적고 0.4만큼 낮지 않은데, 적합하게는 0.5 내지 0.7 사이의 영역내에서 일어난다. 주 바람 상자의 상부에 위치되어 있는 공기 격실을 통하여 분쇄 고체 연료 연소로 내로 분사되는 폐쇄 결합된 오버화이어 공기는 산화질소 생성물을 증가시키지 않고 카본 연소를 개선하기 위하여 작동되도록 설계되어 있다. 다단식 분리된 오버화이어 공기는 주 바람 상자의 상부와 분쇄 고체 연료 연소로의 출구면 사이에 위치되어 있는 두개 이상의 분리 레벨에 있는 공기 격실을 통해 분쇄 고체 연료로내로 분사되도록 설계되어 있으므로, 주 바람 상자의 상부로부터 분리된 오버화이어 공기의 나머지 레벨의 상부까지 이동하도록 분쇄 고체 연료의 연소로부터 발생된 가스를 얻는 시간, 즉 잔류 시간은 0.3초를 초과한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템이 구비되어 있는 분쇄 고체 연료 연소로의 작동 방법이 제공된다. 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템이 구비되어 있는 분쇄 고체 연료 연소로의 작동 방법은 50메시 체에서는 거의 0%, 100메시 체에서는 1.5% 남고, 200메시 체에서는 85% 이상이 통과하는 최소 미세로 레벨을 가지는 분쇄 고체 연료의 공급을 제공하는 단계와; 분쇄 고체 연료의 점화점이 화염 부착 노즐 팁에 아주 근접해서 일어나므로서 안정한 휘발성 물질을 생성하고 분쇄 고체 연료 풍부 흐름내의 산화질소 생성물을 최소화하도록 화염 부착 노즐 팁에 공급되어지는 상기에 언급한 미세도 레벨을 가지는 분쇄 고체 연료를 화염 부착 노즐 팁을 통해 분쇄 고체 연료 연소로 내로 분사하는 단계와; 제2 공기 흐름이 분쇄 고체 연료 연소로의 길이 방향축에 수평으로 오프셋되도록, 주 바람 상자내에 배치되어 있는 공기 격실을 통해 분쇄 고체 연료 연소로 내로 제2 공기흐름의 일부분을 분사하는 단계와; 산화질소 생성물의 증가없이 카본 연소를 개선하도록, 주 바람 상자의 상부에 배치되어 있는 공기 격실을 통해 분쇄 고체 연료 연소로내로 폐쇄 결합된 오버화이어 공기의 형태인 제2공기의 다른 부분을 분사하는 단계와; 분쇄 고체 연료의 연소로부터 발생된 가스가 주 바람 상자의 상부로부터 분리된 오버화이어 공기의 나머지 레벨의 상부까지 이동하는 시간이 0.3초를 초과하도록, 주 상자의 상부와 분쇄 고체 연료 연소로의 출구면 사이의 공기 격실의 두개 이상의 분리 레벨을 통해 분쇄 고체 연료 연소로 내로 분리된 오버화이어 공기의 형태인 제2공기의 다른 부분을 분사하는 단계를 포함한다.
[양호한 실시예의 설명]
도면, 특히 제1도를 참조하면, 도면부호(10)로 지정된 분쇄 고체 연료 연소로가 도시되어 있다. 본 기술분야에 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 분쇄 고체 연료 연소로의 구조 및 작동 모드와 유사하므로, 제1도에 도시한 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 상세한 설명은 생략한다. 도면중 제2도에 도면부호(12)로 지정된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템과 함께 작동할 수 있고, 본 발명에 따라 설치할 수 있는 분쇄 고체 연료 연소로(10)를 이해하기 위해서는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)에 설치될 때 0.15lb./106BTU 보다 적은 분쇄 고체 연료 연소로(10)에서 나온 산화질소 방출을 제한하면서, 동시에 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터 나온 카본-인-프라이애시가 5% 보다 적게 제한되고 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터 나온 일산화탄소 방출이 50ppm 보다 적게 제한하도록 작동하고, 상술한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)과 함께 협력하는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 부품의 특성만을 여기서 설명하면 충분하리라고 생각한다. 여기서 설명되어 있지 않지만 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 부품의 구조 및 작동 모드의 특성을 보다 상세히 알고자 한다면, 종래기술인 본 출원인에게 양도된 에프. 제이. 버트(F. J. Berte)의 1988년 1월 12일자 특허된 미국 특허 제 4,719,587호를 참조하기 바란다.
도면중 제1도를 참조하면, 여기에 도시한 바와 같이 분쇄 고체 연료 연소로(10)는 도면부호(14)로 지정되는 버너 영역(burner region)을 포함한다. 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 구조와 작동 모드의 특성의 설명과 관련하여 이후에 상세히 설명되겠지만, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 이 분야의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 분쇄 고체 연료와 공기의 연소가 개시된다. 분쇄 고체 연료와 공기의 연소로부터 생성된 고온 가스는 분쇄 고체 연료 연소로의 상향으로 상승한다. 분쇄 고체 연료 연소로(10)에서의 이들의 상향 이동동안, 이 분야에 숙련된 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 고온 가스는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 4개벽 모두에 선형 형태로 설치된 튜브(도면을 간략히 하기 위해서 여기서 도시하지 않음)를 통과하는 유체에 열을 발생시킨다. 그리고 나서, 고온 가스는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 도면부호(18)로 지정된 후방 가스 통로까지 차례로 인도되는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 도면부호(16)에 의해 지정되는 수평 통로를 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)를 빠져나간다. 수평 통로(16)와 후방 가스 통로(18) 모두는 이 분야에 숙련된 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 증기를 발생하고 과열하기 위해서 다른 열 교환 표면(도시하지 않음)을 포함한다. 그런후, 증기는 보통 터빈/발전기 세트(도시하지 않음)의 한 부품을 형성하는 터빈(도시하지 않음)으로 유동되어, 터빈을 구동하기 위해 또한 발전기(도시하지 않음)를 구동하기 위해 원동력(motive power)을 제공하며, 종래 형태의 발전기가 터빈과 작동가능하게 연결되어 있으므로, 전기는 발전기(도시하지 않음)로부터 발생된다.
발명의 배경에서 언급한 바와 같이, 도면의 제1도에 도시된 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 방법으로 구성된 노와 공동 작동가능하게 연결되도록 설계된 본 발명에 따른 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 설명하기 위해 특히 도면중 제1도 및 제2도를 참조하기로 하겠다. 특히, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 도면의 제1도의 분쇄 고체 연료 연소로(10)와 같은 노내에 사용되도록 설계되어 있으므로, 여기에 이용될때 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터 나오는 산화질소 방출을 0.15lb/106BTU로 제한하고, 동시에 분쇄 고체 연료 연소로(10)에서 나오는 카본-인-프라이애시를 5% 보다 적게 제한하고 분쇄 고체 연료 연소로(10)에서 나오는 일산화탄소 방출을 50ppm 보다 적게 제한하도록 작동된다.
제1도 및 제2도에 도시한 바와 같이, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 제1도 및 제2도에서 도면부호(20)로 지정된 주 바람 상자의 형태인 하우징을 포함한다. 이 분야의 기술자에게 잘 알려진 주 바람 상자(20)는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역내의 종래의 지지 수단(도시하지 않음)에 의해 지지되어, 주 바람 상자(20)의 길이 방향축이 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 길이 방향축에 대해 거의 평행하게 연장한다.
제2도에 도시한 실시예에 따라서 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 설명을 계속하면, 주 바람 상자(20)는 각각 도면부호(22,24)로 지정되는 한쌍의 단부 공기 격실을 포함한다. 제2도에 도시한 바와 같이, 도면부호(22)로 지정된 단부 공기 격실중 하나는 주 바람 상자(20)의 하단부에 제공되고 도면부호(24)로 지정된 단부 공기 격실의 다른 하나를 주 바람 상자(20)의 상단부에 제공되어 있다. 그 외에, 제2도에 있어서, 또한 주 바람 상자(20)내에 각각 도면부호(26,28,30)로 지정되는 다수의 순수 공기 격실과 각각 도면부호(32,34,36,38,40,42,44,46)로 지정되는 다수의 오프셋 공기 격실을 포함한다. 순수 공기 노즐은 각각의 단부 공기 격실(22,24)과 각각의 순수 공기 격실(26,28,30)내에 종래의 적당한 장착 수단의 사용으로 장착 지지되어 있다. 그러나, 여기서 더 상세히 설명하기 위해 오프셋 공기 노즐은 각각의 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)내에 적당한 장착 수단의 사용으로 장착 지지되어 있다. 공기 공급 수단(도면을 간략히 하기 위해 도면에 도시하지 않음)은 각각의 단부 공기 격실(22,24)과, 각각의 순수 공기 격실(26,28,30)과, 각각의 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)에 작동가능하게 연결되어 있으므로서, 공기 공급 수단은 여기에 공기를 공급하고 이를 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 공기를 공급한다. 결국, 공지된 형태의 공기 공급 수단은 팬(도시하지 않음)과, 한쪽에서 유체 흐름 관계로 팬에 연결되고 다른쪽에서 분리 밸브와 제어부(도시하지 않음)를 통해 각각 단부 격실(22,24), 순수 공기 격실(26,28,30)과 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)에 연결된 공기관(도시하지 않음)을 포함한다.
제2도에 도시된 실시예에 따라서, 주 바람 상자(20)를 참조하면, 주 바람 상자(20)에는 각각 도면부호(48,50,52,54,56)에 의해 지정되는 다수의 연료 격실이 제공되어 있다. 각각의 연료 격실(48,50,52,54,56)내에는 연료 노즐이 장착 지지되어 있으며, 이 연료 노즐은 제3도에 도면부호(58)로 지정되어 있다. 각각의 연료 격실(48,50,52,54,56)내에 연료 노즐(58)을 장착하기 위해 사용되는 것은 이런 목적에 적합한 종래의 어떠한 형태도 상관없다. 계속해서 보다 상세히 설명하기 위해, 연료 노즐(58)은 제4도에 도면부호(60)로 지정되는 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(flame attachment pulverized solid fuel nozzle tip)을 사용한다. 각각의 연료 격실(48,50,52,54,56)은 단순히 설명을 위해 제2도에 석탄 격실과 마찬가지로 지정되어 있다. 그러나, 연료 격실(48,50,52,54,56)은 또한 다른 형태의 분쇄 고체 연료, 즉, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에 연소될 수 있는 분쇄 고체 연료의 형태에 적합함을 이해해야 한다.
제1도에 도면부호(62)로 지정되는 분쇄 고체 연료 공급 수단은 연료 격실(48,50,52,54,56)내에 장착 지지되는 연료 노즐(58)에 작동가능하게 연결되므로서, 분쇄 고체 연료 공급 수단(62)은 분쇄 고체 연료를 연료 격실(48,50,52,54,56), 특히 이로부터 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역으로 분사하기 위해 장착 지지된 연료 노즐(58)에 공급한다. 결국 분쇄 고체 연료 공급 수단(62)은 제1도에서 도면부호 64로 지정되는 분쇄기(pulverizer)와, 도면부호(66)로 지정되는 분쇄 고체 연료관을 포함한다. 분쇄기(64)는 50메시 체에서는 거의 0%, 100메시 체에서는 1.5% 남고, 200메시 체에서는 85% 이상이 통과하는 최소 미세도의 분쇄 고체 연료를 생성하도록 설계되어 있다. 여기서 50메시, 100메시 및 200메시 체는 각각 약 300미크론, 150미크론 및 74미크론의 크기를 가지는 입자에 해당된다. 여기에 또, 분쇄기(64)는 동력 분류기(dynamic classifier: 도시하지 않음)를 사용한다. 더욱이, 동력 분류기의 작동 모드에 따라서, 회전 분류기 날개(rotating classifier vane)는 공기 흐름에 의해 동력 분류기(도시하지 않음)를 통해 운반될 때 분쇄 고체 연료 입자상에 원심력을 준다. 공기 흐름 및 회전 분류기 날개에 의해 발생된 힘의 균형은 소형 입자에서부터 대형 입자를 분리한다. 작은 입자는 동력 분류기(도시하지 않음)로부터 빠져나오고, 큰 입자는 다른 분쇄를 위해 분쇄기(64)에 유지된다. 보다 미세한 고체 연료에 대한 주요 필요성은 단계식 연소 공정에 의해 발생된 연소 손실(불연소 카본)을 최소화하는 것으로, 이것은 본 발명에 따라서 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)내에서 산화질소 제어를 위해 사용되어진다. 미세 고체 연료는 연료 노즐(58)의 배출 팁에서 폐쇄 점화를 할 수 있으므로서, 연료-결합 질소 배출과 단계식 상태하에서는 N2의 연속 환원을 향상시킨다. 제2장점은 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 수벽상에 충돌하는 보다 크지 않은 입자(100메시)를 포함하여 저부하 점화 안정성을 개선하는 것이다. 분쇄기(64)로부터, 여기에 언급된 미세도를 가지는 분쇄 고체 연료는, 분쇄 고체 연료관(66)이 한편으로는 연료 격실(48,50,52,54,56)내에 장착되어 지지되는 연료 노즐에 유체 유동 관계로 연결되어 있고 다른 한편으로는 분쇄 고체 연료 도관(66)이 분리 밸브와 제어(도시하지 않음)를 통해 유체 유동 관계로 연결되는 분쇄기(64)로부터 분쇄 고체 연료관(66)을 통해 운반된다. 도면의 간략성을 위해서 도시하지 않았지만, 분쇄기(64)로 상술한 공기 공급 수단의 팬(도시하지 않음)에 작동가능하게 연결되므로, 공기는 또한 공기 공급 수단의 팬(도시하지 않음)으로부터 분쇄기(64)에 공급되므로서, 분쇄기(64)로부터 연료 격실(48,50,52,54,56)내에 장착되어 유지된 연료 노즐(58)에 공급된 분쇄 고체 연료는 분쇄기의 분야에 숙련된 자에 잘 알려진 방법으로 공기 흐름으로 분쇄 고체 연료관(66)을 통해 운반된다.
또, 제4도에 도시된 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)을 참조하면, 이들의 주요 기능은 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 종래 기술의 형태로 지금까지의 점화가능한 지점보다 인접한, 즉, 2피트 떨어진 위치에서 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)으로 분사되는 분쇄 고체 연료를 점화하는 것이다. 이러한 분쇄 고체 연료의 급속 점화는 안정한 휘발성 물질 화염을 생성하고 부수적으로 분쇄 고체 연료 풍부 흐름내에 산화질소 생성물을 최소화한다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 유일한 특성은 배출 단부에 제공되고 제4도의 도면부호 68로 지정된 블러 바디 격자 구조체(bluff-body lattice structure)에 존재한다. 이 격자 구조체(68)는 분쇄 고체 연료/공기 흐름의 성질을 변화하고, 이것은 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)에서부터 원칙적으로 층류에서 난류로 방출된다. 분쇄 고체 연료/공기 흐름내의 증가된 난류는 동력적 화염 연장 속도와 연소 강도를 증가시킨다. 이것은 차례로 전체 분쇄 고체 연료/공기 제트[화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)에 가깝지만 여기에 부착되어 있지 않음]의 급속한 점화와, 초기 화염 온도의 상승과(연료질소를 포함하는 휘발성 물질의 배출의 최대화), 이용가능한 산소의 급속한 소비(초기 산화질소 형성 최소)를 초래한다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 실제 이익과 상업상 중요성은 부착된 화염을 가지지 않고 우수한 성능을 제공할 수 있는 능력에 있다. 경험적으로 화염 부착 노즐 팁의 종래 형태는 어떤 분쇄 고체 연료가 연소될때 조속한 연소 실패(premature failure) 및/또는 접속 문제(pluggage problem)가 나타나는 것을 알 수 있다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)이 안정한 탈착식 화염을 유지할 수 있으므로, 이전에 사용된 화염 부착 노즐의 종래 형태에 단점으로 작용하는 접속/급속한 연소 문제를 피할 수 있다.
제3도 및 제4도를 참조로 설명하면, 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)은 도면부호(70)에 의해 제3도에 지정된 직사각형 상자로 형상져 있다. 직사각형 상자(70)는 분쇄 고체 연료/주 공기 흐름이 각각 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)을 출입하는, 양측면에 있는 제3도의 도면부호(72,74)로 지정된 개방 단부를 가진다. 이로 부터 조금 떨어진 거리에 있는 직사각형 상자(70) 둘레에는 추가의 공기, 즉, 연소용 공기를 위한 제3도에 도면부호(76)로 도시된 통로가 있다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 유일한 특징은 출구 특징으로 간주한다. 결국, 제4도에 도면부호 78a,78b,78c,78d로 지정된 4개의 직사각형 막대(bar)가 있는데, 직사각형 막대(78a,78b,78c,78d)는 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 출구면의 중심과 축 둘레에 대칭적으로 위치될 목적으로, 사용하기에 알맞은 종래 형태의 장착 수단(도시하지 않음)을 사용하여 직사각형 상자(70)내에 장착되어 유지된다. 또한 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 출구면에는 제4도에 도면부호(80,82)로 지정된 전단 막대(shear bar)가 있으며, 이들은 상부에 위치될 목적으로 사용하기 알맞는 종래 형태이고 이전부터 사용되어온 장착 수단(도시하지 않음)을 사용하여 직사각형 상자(70)내에 장착되어 유지된다.
제3도 및 제4도를 참조로 설명한 바와 같이, 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)은 도면부호(70)에 의해 제3도에 지정된 직사각형 상자와 유사하게 구성된다. 직사각형 상자(70)는 분쇄 고체 연료/주 공기 흐름이 제각기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)에 출입하는, 양측면에 있는 제3도의 도면부호(72,74)로 지정된 개방 단부를 가진다. 이로 부터 조금 떨어진 거리에 있는 직사각형 상자(70) 둘레에는 추가의 공기, 즉, 연소용 공기를 위한 제3도에 도면부호(76)로 도시된 통로가 있다. 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 유일한 특징은 출구 특징으로 간주한다. 결국, 제4도에 도면부호(78a,78b,78c,78d)로 지정된 4개의 직사각형 막대가 있는데, 이들은 직사각형 막대(78a,78b,78c,78d)는 화염 부착 노즐 팁(60)의 출구면의 중심과 축 둘레에 대칭적으로 위치될 목적으로, 사용하기에 알맞은 종래 형태의 장착 수단(도시하지 않음)을 사용하여 직사각형 상자(70)내에 장착되어 유지된다. 또한 화염 부착 노즐 팁(60)의 출구면에는 제4도에 도면부호 80,82로 지정된 전단 막대(shear bar)가 있으며, 이들은 각각 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 출구면의 상부 및 하부에 위치될 목적으로 사용하기 알맞는 종래 형태이고 이전부터 사용되어온 장착 수단(도시하지 않음)을 사용하여 직사각형 상자(70)내에 장착되어 유지된다. 4개의 직사각형 막대(78a,78b,78c,78d)는 제4도의 도면부호(84,86)로 도시한 짧은 직사각형 막대 피스에 의해 전단 막대(80,82)에 부착된다. 직사각형 상자(70)와, 직사각형 상자(70)내에 장착되어 유지되는 직사각형 막대(78a,78b,78c,78d) 및 전단 막대(80,82)의 정확한 칫수는 모두 연료 노즐(58)의 설계시 고려해야 할 연소 속도에 따라 설정된다.
화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)의 설명에 이어, 직사각형 막대(78a,78b,78c,78d)는 분쇄 고체 연료와 주 공기가 직사각형 상자(70)에서부터 도면부호(74)로 나오면 난류를 발생한다. 이것은 몇개의 양호한 효과를 가진다. 즉, 난류는 화염 연장 속도가 분쇄 고체 연료/주 공기 속도보다 빠른 곳에서 소용돌이를 발생하므로서 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁에 보다 더 가까운, 즉, 2피트 떨어진 점화점을 허용한다. 추가로, 분쇄 고체 연료와 주 공기의 상대적 속도는 상이하며, 이것은 혼합을 증가시키고 그에 따라 연료 노즐(58)의 가까운 필드에 분쇄 고체 연료 휘발성 상실(devolatilization)을 증가시킨다. 이들 양 효과는 분쇄 고체 연료 질소 변환에 의해 발생된 산화질소량을 감소하는데 효과가 있는 것으로 알려진 산소부족 영역(oxygen deficient zone)내에서 휘발물을 몰아내므로서 산화질소의 생성을 감소하는데 도움을 준다.
더욱이, 제2도의 설명에 따른 주 바람 상자(20)는 제2도의 도면부호(88)로 지정된 보조 연료 격실내에 제공되어 있다. 보조 연료 격실(88)은 보조 연료를 분사해야 할 때 비분쇄 고체 연료 즉, 오일 또는 가스의 형태인 보조 연료를 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 여기에 제공된 보조 연료 노즐에 의해 분사하는데 효과적으로 작동된다. 예를들면, 분쇄 고체 연료 연소로(10)가 작동되기 시작할 때에 이런 보조 연료의 분사를 하는 것이 바람직하다. 주 바람 상자(20)가 단지 하나의 보조 연료 격실(88)을 사용하는 것으로 제2도에 도시되어 있지만, 주 바람 상자는 또한 본 발명의 본질로부터 벗어나지 않고 추가의 보조 공기 격실을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 결국, 추가의 보조 연료 격실(88)을 제공하는 것이 바람직하다면, 이것은 하나 또는 그 이상의 순수 공기 격실(26,28,30)과 보조 연료 격실(88)을 교체하므로서 이루어질 수 있다.
다음으로, 오프셋 연소의 작동 원리를 설명한다. 이를 위해서, 특히 제5도를 참조한다. 제5도에 도시한 바와 같이, 분쇄 고체 연료 격실(58,50,52,54,56)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)으로 분사되는 분쇄 고체 연료와 주 공기 흐름은 제5도에 도면부호(90)로 개략적으로 표시한 바와 같이 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에 중심에 위치되어 있는 도면부호(92)로 지정한 가상적인 작은 원을 향해 유도된다. 분쇄 고체 연료와 주 공기 흐름과 다르게, 연소용 공기, 즉, 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되어지는 제2공기는 제5도에 도면부호(94)로 개략적으로 표시한 바와 같이 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에 중심으로 위치된 작은 원(92)과 거의 같이 중심 맞추어진 도면부호(96)로 지정된 가상적인 큰 직경의 원을 향해 인도된다.
주 바람 상자(20)를 통한 제2공기흐름의 수평으로프이 오프셋은 연소의 초기 단계동안 분쇄 고체 연료와 주 공기 흐름에 이용가능한 공기를 보다 적게 만든다. 또한 이것은 분쇄 고체 연료와 주 공기의 연소 영역내에 그리고 위의 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 수벽 가까이에 산화 분위기(oxidizing environment)를 만든다. 이것은 애시 증착량과 강인성을 감소하는 효과를 가지며 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 하부에서 보다 적은 벽 송풍기의 사용을 줄이고 열 흡수를 증가시킨다. 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 수벽을 따른 증가는 산소(O2) 레벨은 또한 특히 황, 철 또는 알카리 금속(K,Na)의 고농축 분쇄 고체 연료가 연소될때 부식 포텐셜을 감소시킨다. 황화물화(sulfidation) 또는 다른 장치의 부식은 분쇄 고체 연료의 직접 충돌(impingement)과 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 수벽(waterwall)상에 제1 공기 흐름을 위한 포텐셜(potential)을 최소화함으로서 광범위하게 제어될 수 있다. 이 포텐셜은 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 보존력있는 열 관련 변수 및 외형 뿐만 아니라 분쇄 고체 연료 연소로(10)내에서 연소되는 분쇄 고체 연료의 미세도의 제어를 개선함으로서 이루어진다.
도면중 제2도에 도시한 실시예에 따라 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 설명과 관련하여, 제2도에서 각각 도면부호(98,100)로 표시한 한쌍의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실은 시스템의 상부 부분내에서 주 바람상자(20)에 제공되어, 단부 공기 격실(24)과 병렬로 위치된다. 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 노즐은 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)의 각각내에서 상기의 목적을 위해 사용하기에 적당한 종래 형태의 장착 수단(도시하지 않음)을 사용하여 장착 지지된다. 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)의 각각은 상술한 바와 같이 동일한 공기 공급 수단(도시하지 않음)에 작동가능하게 연결되며, 순수 공기 격실(26,28,30) 뿐만 아니라 단부 공기 격실(22,24)의 각각과 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)의 각각은 상기 공기 공급 수단에 작동가능하게 연결되어, 상기 공기 공급 수단(도시하지 않음)은 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 상기 수단을 통해 분사하기 위해 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)의 각각으로 대부분의 연소용 공기를 공급한다. 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)을 통한 상기 연소용 공기를 분사하는 것은 산화질소 생성이 증가됨이 없이 카본 소진(carbon burnout)의 효과를 개선한다.
저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 구성과 관련하여, 분리된 오버화이어 공기의 두개 이상의 개별 레벨은 제1도에 점선(102)으로 표시한 바와 같이 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 노 출구면과 주 바람상자(20)의 상부 사이에 위치되도록 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 각 코너에 합체된다. 도면중 제1도 및 제2도에 도시한 본 발명의 실시예에 따르면, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 분리된 오버화이어 공기의 두개의 개별 레벨을 실시하고 있는데, 즉 도면부호(104)로 도면중 제1도 및 제2도에 표시한 분리된 오버화이어 공기의 저레벨과, 도면부호(106)으로 도면중 제1도 및 제2도에 표시한 분리된 오버화이어 공기의 고레벨이다. 바람상자(20)의 상부로부터, 특히 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(100)의 상부로부터 적당히 이격되도록 그리고 주 바람상자(20)의 종축과 실제로 나란히 배열되도록, 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)은 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 사용하기에 적당한 종래 형태의 지지수단(도시하지 않음)을 이용하여 적당히 지지된다. 유사하게, 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)로부터 적당히 이격되도록 그리고 주 바람상자(20)의 종축과 실제로 나란히 배열되도록, 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)은 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 사용하기에 적당한 종래 형태의 지지 수단(도시하지 않음)을 사용하여 적당히 지지된다. 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)과 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)은 주 바람상자(20)의 상부와 노 출구면(102) 사이에 적당히 위치되어, 분쇄 고체 연료의 연소시에 발생한 가스가 주 바람상자(20)의 상부로부터 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 상부까지 이동하는 시간, 즉 잔류시간은 0.3초를 초과한다.
도면중 제1도 및 제2도에 도시한 본 발명의 실시예에 따라 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)과 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 설명과 관련하여, 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)은 도면중 제2도에 도면부호(108,110,112)로 표시한 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실을 포함한다. 유사하게, 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)은 도면중 제2도에서 도면부호(114,116,118)로 표시한 세개의 분리된 오버화이어 공기 격시을 포함한다. 분리된 오버화이어 공기 노즐은 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112)의 각각에 그리고 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)의 각각에 사용하기에 적당한 종래 형태의 장착수단(도시하지 않음)을 사용하여 장착 지지되어, 상기 분리된 오버화이어 공기 노즐의 각각은 흔들림 운동(yaw movement)과 경사 운동(tilting movement)을 모두 수행할 수 있다. 도면중 제6도를 참조하면, 흔들림 운동을 수평면에서 운동, 즉 제6도의 도면부호(120)로 표시한 화살표와 같은 운동이다. 한편, 도면중 제7도를 참조한 경사 운동은 수직면에서의 운동, 즉 제7도의 도면부호(122)로 표시된 화살표와 같은 운동이다.
분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)과 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 설명을 종결하면, 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112)의 각각은 상술한 바와 같이 동일한 공기 공급 수단(도시하지 않음)에 유체 유동 관계로 작동가능하게 연결되며, 상술한 바와 같이, 각각의 단부 공기 격실(22,24)과, 각각의 순수 공기 격실(26,28,30)과, 각각의 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46) 및 각각의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)은 공기 공급 수단(도시하지 않음)이 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 상기 수단을 통해 분사하기 위한 각각의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112)로 대부분의 연소용 공기를 공급하도록 상기 공기 공급 수단에 작동가능하게 연결된다. 유사하게, 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 각각의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)은 상술한 바와 같이 동일한 공기 공급 수단(도시하지 않음)에 유체 유동 관계로 작동가능하게 연결되며, 각각의 단부 공기 격실(22,24)과, 각각의 순수 공기 격실(26,28,30)과, 각각의 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)과, 각각의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)은, 공기 공급 수단(도시하지 않음)이 분쇄 공제 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 상기 수단을 통해 분사하기 위한 각각의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)로 대부분의 연소용 공기를 공급하도록 상기 공기 공급 수단에 작동가능하게 연결된다.
다단계 분리된 오버화이어 공기(multi-staged separate overfire), 즉 분리된 오버화이어 공기의 두개 이상의 개별 레벨을 사용한 효과는, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 각각의 소정의 분쇄 고체 연료가 산화질소 제어를 위해 화학량론이 적당하게 만드는 것이다. 더욱이, 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112)과, 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)의 흔들림과 경사 위치 가능성을 활용함으로서, 카본, 일산화탄소, 전체 탄화수소(THC) 및 폴리사이클릭 방향족 화합물(PAC)과 같은 연소 가능한 방출을 최대 제어하기 위해 연소 공기와 노 가스 혼합 공정의 조율(tuning)이 효과적으로 된다.
도면중 제1도에 도시도니 분쇄 고체 연료 연소로(10)와 같은 분쇄 고체 연료 연소로에 사용하도록 설계된 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 작동 모드를 이하에 간단히 설명하며, 상기와 같이 사용될때 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 0.15lb./106BTU 보다 작은 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터 산화질소 방출을 제한하도록 작동하며, 동시에 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터의 카본-인-프라이애시는 5% 이하로 제한되며, 분쇄 고체 연료 연소로(10)로부터의 일산화탄소 방출은 50ppm 이하로 제한된다. 이 목적을 위해서, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 작동 모드에 따르면, 50메시 체에서 0%, 100메시 체에서 1.5%, 200메시 체를 통과하는 85%의 미세도 레벨을 가진 분쇄 고체 연료가 분쇄기(64)로부터 공급되며, 여기에서 50메시, 100메시 및 200메시는 각각 입자 크기는 대략 300미크론, 150미크론, 74미크론과 동일하다. 상기에 열거한 미세로 레벨을 가진 분쇄 고체 연료는 분쇄기(64)로부터 분쇄 고체 연료 격실(48,50,52,54,56)까지 연료관을 통한 공기 흐름에서 운반된다. 공기 흐름에 부유 운반된 분쇄 고체 연료는 이 목적을 위해 분쇄 고체 연료 격실(48,50,52,54,56)의 각각에 제공된 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되며, 이에 의해 분사된 고체 연료의 점화점은 분쇄 고체 연료가 통해 분사되는 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(60)중 각 하나의 2피트내에서 발생되어, 적당한 휘발성 물질 화염을 생성하고, 분쇄 고체 연료 풍부 흐름에서 산화질소 생성을 최소화한다.
저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 작동 모드의 설명과 관련하여 제2 공기 형태로 연소용 공기의 소정의 양이 각각의 단부 공기 격실(22,24)과, 각각의 순수 공기 격실(26,28,30)과, 각각의 오프셋 공기 격실(32,34,36,38,40,42,44,46)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되므로, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14), 특히 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 제1연소 영역내에서 존재하는 화학량론(stoichiometry)이 0.5와 0.7 사이이다. 여기에서 사용한 용어 화학량론은 분쇄한 고체 연료의 연소를 완성하기 위해 필요한 공기의 이론적인 양을 의미하며, 여기에서 사용한 용어 제1 연소 영역은 단부 공기 격실(22)과 단부 공기 격실(24) 사이에 놓여 있는 영역을 의미한다. 제1 연소 영역에서 0.5와 0.7 사이에 있는 화학량론의 효과는 분쇄 고체 연료 격실(48,50,52,54,56)을 통해 그 안으로 분사된 분쇄 고체 연료로부터의 질소의 방출을 의미하며, 이 질소를 분자 질소, 즉 N2로 전환되는 것은 최대가 된다. 부가적인 효과는 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 1차 연소 영역에서부터 다음 영역까지 전체 원자 질소 종류, 즉, NO, HCN, NH3및 차르-질소(char-nitrogen)의 나머지가 최소화된다.
상술한 바와 같이 제1 연소 영역내로 분사된 연소용 공기에 부가하여, 폐쇄 결합된 오버화이어 공기의 형태에서 연소용 공기의 소정의 양이 각각의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(98,100)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되므로, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서, 특히 상기 연소로의 의사-재연소/탈산화질소(pseudo-reburn/deNOx)영역내에서 존재하는 화학량론이 0.7과 0.9 사이이다. 여기에서 사용한 용어 의사-재연소/탈산화질소 영역은 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(100)과 분리된 오버화이어 공기 격실(108) 사이에 놓여 있는 영역을 의미한다. 의사-재연소/탈산화질소에서 0.7과 0.9 사시에 있는 화학량론의 효과는, 탄화수소기 및/또는 아민기의 반응을 통해 NO 내지 N2의 감소를 최대화시키는 것이다.
본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 버너 영역(14)내로 분사된다. 특히, 분리된 오버화이어 공기의 형태에서 상기 연소용 공기의 제1 소정 양은 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 각각의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되므로, 분쇄된 연료 연소로(10)의 버너 영역(14), 특히 반응질소 소모 영역(reactive nitrogen depletion zone)내에 존재하는 화학량론은 0.9와 1.02 사이이다. 여기에서 사용하는 바와 같이, 용어 반응 질소 소모 영역은 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 분리된 오버화이어 공기 격실(112)과 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(114) 사이에 놓여 있는 영역을 의미한다. 반응 질소 소모 영역에서 0.9와 1.02 사이의 화학량론의 효과는, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내에서 최종 영역으로의 반응질소 종류(즉, NH3, HCN 및 차르-질소)의 나머지가 최소로 되고 동시에 분자 질소(N2)의 전환이 최대로 되는 것이다.
분리된 오버화이어 공기의 형태인 상기 연소용 공기의 2차 소정 양은 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)의 각각을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14)내로 분사되므로, 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 버너 영역(14), 특히 최종/연소된 영역(final/burnout zone)내에 존재하는 화학량론은 적어도 1.07이다. 여기에서 사용한 용어 최종/연소된 영역은 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(118)과 노 출구면(102)의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(118)과 사이에 놓여 있는 영역을 의미한다. 최종/연소된 영역에서 적어도 1.07인 화학량의 효과는 일산화탄소, THC/VOC 및 비연소 특성을 최소화하고 열적 산화질소 형성을 최소화하도록 최종 방출 공기 레벨로 화학량론을 상승시키고자 하는 것이다.
따라서 요약하면, 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)은 다수의 개념을 포함한다. 예컨대, 최적 제1 연소 영역 화학량론은 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템내에 존재하며, 화학량론은 0.5와 0.7 사이이다. 둘째로, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 작동 모드에 따르면, 공기의 최적 질량 유동 퍼센트가 소정의 오버화이어 공기 레벨에서 각각 분사되는데, 이는 최소 산화질소 형성, 즉 최소 산화질소 감소 및/또는 최대 연소 효율을 얻기 위함이다. 이러한 최적 질량 유동 퍼센트는 10 내지 20% 범위이다. 세번째로, 전체 연소 산화질소 형성/파괴 방법에서 네개의 중요 반응 단계가 있다. 각 단계는 화학량론을 포함한 그 자체의 특별한 최적 조건을 갖고 있다. 상술한 바와 같이, 이들 네개 반응 단계는 하기와 같이 이뤄진다. 화학량론이 0.5와 0.7 사이인 제1 연소 영역과, 화학량론이 0.7과 0.9 사이인 의사-재연소/탈산화질소 영역과, 화학량론이 0.9와 1.02 사이인 반응 질소 소모 영역 및 화학량론이 적어도 1.07인 최종/연소된 영역에서 이뤄진다. 마지막으로, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 구성의 특성에 따르면, 다중 단계 분리된 오버화이어 공기는 두개 이상의 개별 레벨에서 분리된 오버화이어 공기 격실들, 즉 분리된 오버화이어 공기의 저레벨(104)의 분리된 오버화이어 공기 격실(108,110,112) 및 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(114,116,118)을 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10)내로 분사되도록 설계되며, 상기 격실들은 주 바람상자(20)의 상부와 분쇄 고체 연료 연소로(10)의 노 출구면(102) 사이에 위치되며, 잔류 시간은 0.3초를 초과하는데, 즉 이시간은 분쇄 고체 연료의 연소시 발생한 가스가 주 바람상자(20)의 상부로부터 분리된 오버화이어 공기의 최종 레벨의 상부까지 이동하는 시간이며, 상기 최종 레벨의 상부는 도면중 제1도 및 제2도에 도시된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 실시예에 따르면 분리된 오버화이어 공기의 고레벨(106)의 분리된 오버화이어 공기 격실(118)의 상부에 있다.
하기에 A, B, C로 표기한 세가지 형태의 분쇄 고체 연료는 동부 미국의 분쇄 고체 연료의 대표적인 것이며 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 개발시 이용했다. 분쇄 고체 연료의 세가지 형태는 하기와 같다.
동부 미국의 분쇄 고체 연료는 단계적 연소, 특히 낮은 산화질소 방출과 낮은 비연소된 카본-인-프라이애시를 위해 동시에 노력할때 적게 수정하기 때문에 선택되었다. 테스트한 분쇄한 고체 연료용 ASTM 분류는 분쇄한 고체 연료(A)에 대해 중간 휘발성 역청질(medium volatile bituminous) 및 분쇄 고체 연료(B)와 분쇄 고체 연료(C)에 대해 높은 휘발성 역청질을 갖는다.
저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 개발시 사용한 실험 설비는 하부 노(lower furnace), 애시 호퍼, 다중 버너, 아치 섹션, 과열 장치(superheater) 및/또는 재가열 판넬, 및 대류가열 이동면을 포함한 대표적인 탄젠셜 연소 분쇄 고체 연료의 모든 주요 양상을 중복한 것이다. 상술한 실험설비는 실제의 연소 분쇄 고체 연료로로부터 얻은 치수로 구성한 산화질소 방출 레벨을 발생할 수 있는 능력이 상기에 설명되어 있다. 예시 및 이점으로 제한함이 없이, 실제의 연소 분쇄한 고체 연료로로부터의 두개의 실지 테스트와, 상술한 실험 설비를 이용하여 연소 분쇄한 고체 연료 연소로에서 실시하기에 적당한 종래 형태의 저산화질소 연소 시스템의 일 실험 테스트에서 얻은 산화질소 방출 레벨의 비교를 그래프로 도시한 도면중 제8도를 설명한다. 실지 테스트는 제8도에서 각각 도면부호(124,126)로 표시되고, 실험 테스트는 제8도에서 도면부호(128)로 도시되어 있다.
분쇄 고체 연료 연소로에서 실시하기에 적당한 저산화질소 연소 시스템의 다양한 종래 기술 형태로부터 그리고 본 발명에 따라 구성한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)으로부터 얻은 산화질소 방출 레벨의 비교의 그래프를 도시한 제9도를 설명한다. 이러한 다양한 종래 기술 형태의 저산화질소 연소 시스템으로 성취된 산화질소 방출 레벨은 제9도에 도면부호(130,132,134)로 표시되고, 반면에 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)에 의해 성취된 산화질소 방출 레벨은 제9도에서 도면부호(136)로 표시했다. 제9도로 제한하지 않고 실시예의 방법에 의해, 제9도에서 도면부호(134)로 표시한 산화질소 방출 레벨에서 생성된 것에서 저산화질소 연소 시스템의 종래 기술로 성취된 산화질소 방출 환원은 제9도에서 도면부호(130)로 표시한 산화질소 방출 레벨에서 생성된 것에서 저산화질소 연소 시스템의 종래 기술 형태로 성취된 것보다 약 50% 작다. 더욱이, 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)으로 달성할 수 있는 성과는 종래 기술 형태의 저산화질소 연소 시스템으로 성취할 수 있는 것에 비해 제9도에 도면부호(130)으로 표시한 산화질소 방출 레벨로 생성되는 것이 다른 개선점을 갖는다는 것이다. 즉, 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)에 의해 제9도에서 도면부호(130)로 표시한 산화질소 방출 레벨에서 생성된 것이 종래 기술 형태의 저산화질소 연소 시스템으로 성취할 수 있는 것보다 거의 80% 정도 산화질소 방출 환원됨을 제9도의 도면부호(136)로 표시한 바와 같이 알 수 있다. 이 목적을 위해서, 동부 미국의 분쇄한 고체 연료(A)를 연소할때 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)으로 실험 테스트한 결과 0.14lb/10 BTU와 같이 낮은 산화질소 방출을 얻을 수 있었다.
분쇄한 고체 연료 연소와 더불어, 산화질소 방출은 연소의 초기 단계에서 산화 이용에 의해 심하게 영향을 받는다. 초기 단계에서 탄젠셜 연소 공정의 산소의 이용은 변수 주 버너 영역 화학량론(연료 도입의 영역에 의해 이론적으로 한정된 하부 노 영역에서 완전한 연료 산화를 위해 필요한 것으로 입용 가능한 산소의 비율)에 특징이 있다. 제10도는 주 버너 영역 화학량으로서 최적 레벨로 환원된 것을 도시한 것이며, 제10도에서 도면부호(138)로 표시한 점선으로 표시한 산화질소 방출은 0.14lb/10 BTU로 극적으로 환원됐다. 또한, 제10도에서 도면부호(140)로 표시한 점선으로 표시한 비연소 카본 방출이 환원된 화학량론으로 증가하였지만 5% 카본-인-프라이애시보다 작은 목표값내에 있는 것을 도시한 것이다. 제10도로부터 볼 수 있는 바와 같이, 최적치 이하의 주 버너 영역 화학량론 레벨에서 환원을 비연소 카본과 산화질소 방출이 증가하는 결과가 되었다.
제11도는 저산화질소 방출이 저화학량론 레벨에서 벌크 노 스테이징(bulk furnace staging)에 의해 단지 성취될 수 없다는 것을 표시한 것이다. 제11도에서, 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 산화질소 방출은 각각 도면부호(142,144,146)으로 표시한 점선으로 표시한 바와 같이 테스트 동안에 전도된 저산화질소 연소 시스템의 세개의 다른 형상의 형태로부터 얻을 수 있으며, 상기 세개의 다른 형상은 주 버너 영역 화학량론의 기능으로서 도시되어 있다. 모든 경우에서 산화질소 방출은 이 변수에 의해 명확하게 영향받으며, 절대 산화질소 방출 레벨, 특히 최소치는 상당히 상이하다. 따라서, 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)으로 얻은 산화질소 방출 환원에 의한 실행은 전체 연소 시스템의 최적 집적화로부터의 발생되지만, 저화학량론 레벨에서 벌크 노 스테이징의 내부에서 사용하는 것은 단순하지 않다는 것을 알 수 있다.
제12a도는 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 전도된 카본-인-프라이애시의 양에 따라, 분쇄 고체 연료 미세도가 도면부호(148)로 표시한 형상(A)과, 도면부호(150)로 표시한 형상(B)과, 도면부호(152)로 표시한 형상(C)과 같은 효과를 갖는 것을 도시한 것이다. 한편, 제12b도는 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 산화질소 방출에 따라 분쇄 고체 연료 미세도가 각각 저산화질소 연소 시스템 형상(A), 저산화질소 연소 시스템 형상(B), 저산화질소 연소 시스템 형상(C)을 갖는 영향을 도시한 것이다. 이 목적을 위해서, 제12b도에 도시한 결과는, 제12b도에서 도면부호(154)로 표시한 표준 미세도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A), 제12b도에서 도면부호(156)로 표시한 50메시 체에서 0%, 100메시 체에서 1.5%, 200메시 체에서 85% 이상의 최소 미세도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 저산화질소 연소 시스템 형상(A)과; 제12b도에서 도면부호(158)로 표시한 표준 미세도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)와, 제12b도에서 도면부호(160)로 표시한 50메시 체에서 0%, 100메시 체에서 1.5%, 200메시 체에서 85% 이상의 최소 미세도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 저산화질소 연소 시스템 형상(B)과; 제12b도에서 도면부호(162)도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)와, 제12b도에서 도면부호(164)로 표시한 50메시 체에서 0%, 100메시 체에서 1.5%, 200메시 체에서 85% 이상의 최소 미세도를 가진 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)가 연소될때 저산화질소 연소 시스템 형상(C)으로 얻을 수 있다. 제12b도에서 도시한 비연소 카본의 영향이 기대되지만, 제12b도에 도시한 산화질소 방출에서 환원은 잘 이루어지지 않는다. 저산화질소 연소 시스템 형상(A), 저산화질소 연소 시스템 형상(B) 및 저산화질소 시스템 형상(C)은 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)의 구성을 실시한 것이 아니라는 것을 주시해야 한다.
본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 구비한 연구시설에서 연소 테스트시에 얻은 일산화탄소의 양이 제13a도에 도시되어 있으며, 제13a도에서 도면부호(166)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)와, 제13a도에서 도면부호(168)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(B) 및 제13a도에서 도면부호(170)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(C)로 각각 구성된다.
본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 구비한 연구 시설에서 연소 테스트시에 얻은 카본-인-프라이애시의 양이 제13b도에 도시되어 있으며, 제13b도에서 도면부호(172)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)와, 제13b도에서 도면부호(174)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(B) 및 제13b도에서 도면부호(176)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(C)로 각각 구성된다.
본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 구비한 연구 시설에서 연소 테스트시에 얻은 산화질소 방출의 양이 제13c도에 도시되어 있으며, 제13c도에서 도면부호(178)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(A)와, 제13c도에서 도면부호(180)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(B) 및 제13c도에서 도면부호(182)로 도시한 동부 미국의 분쇄 고체 연료(C)로 구성된다.
다음에 도면중 제14도 및 제15도를 참조하면, 제14도는 도면부호(10')로 도시한 분쇄 고체 연료 연소로의 수직 단면도로서 개략적으로 도시했으며, 유동 방향을 도시한 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 실시하고 있으며, 0.6 이상의 와선수가 사용될때 주 바람상자를 통해 분쇄 고체 연료 연소로(10')내로 분사되는 분쇄 고체 연료 및 공기의 유동 방향을 화살표(184,186)로 제14도에 표시했다.
제15도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(12)을 실시하는 제14도의 분쇄 고체 연료 연소로(10')의 평면도를 개략적으로 도시한 것으로 화살표(188)로 표시한 각도를 도시하고, 주 바람상자를 통해 분쇄 고체 연료 연소로내로 분사한 분쇄 고체 연료 및 공기는 0.6 이상의 와선수를 제공한다.
도면중 제14도 및 제15도를 참조하면, 제1도에 도시한 분쇄 고체 연료 연소로(10)와 같은 분쇄 고체 연료 연소로의 하부 노(lower furnace)에서 공기역학의 변형은 산화질소/카본-인-프라이애시 방출을 감소시킬 수 있다. 종래의 실시는 분쇄 고체 연료 연소로의 하부 노를 와선 탄젠셜 화이어볼(swirling tangential fireball)로 작동시킨다. 이 화이어볼은 이 목적을 위해 제공되고 분쇄 고체 연료 연소로의 4개 코너의 각각에 위치한 노즐을 통해 분쇄 고체 연료 및 연소용 공기의 도입이 이뤄지게 한다. 분쇄 고체 연료 및 연소용 공기 노즐은 회전, 즉 분쇄 고체 연료 연소로의 중심의 가장 연소 원(imaginary firing circle)둘레에서 분사된 분쇄 고체 연료 및 연소용 공기의 연소로부터 발생한 가스에 와선 운동을 부여하도록 배열된다.
제안한 변형에 따르면, 상술하고 와선 기능을 발생할 목적으로 사용한 해결 방법이 변형되었다. 이 변형의 특징을 기술한 서론에서와 같이, 와선수로서 공지된 용어를 먼저 언급한다. 이 목적을 위해, 와선수는 와선 공기역학 유동계(swirling aerodynamic flow fields)로 설명한 미소한 수치 용어이다. 더욱이, 와선수는 와선 반경 용어로서 선형 운동량의 축방향 플러스로 나누어진 각도 운동량의 축방향 플러스 비율로서 규정된다. 정의에 의하면, 유동계 각도 운동량에서 증가는 와선수를 증가시키는데, 즉, 더욱 강하게 와선된 유동계를 일으킨다. 종래의 실시에 따르면, 일반적으로 분쇄 고체 연료 연소로는 0.4 내지 0.6 정도의 와선수를 갖도록 설계된다. 이것은 분쇄 고체 연료 연소로의 중심을 통해 수평으로 통과한 대각선으로 6°의 각도에서 분쇄 고체 연료 연소로내로 분쇄 고체 연료 및 연소용 공기를 분사함으로서 성취된다. 0.4 내지 0.6 정도의 와선수는 통상 약한 와선(weak swir) 유동계라 부르며, 상당히 양성인 상방 형태에서 분쇄 고체 연료 연소로를 통해 연소 가스가 유리하게 이동하는 벌크하부 노 공기역학과 분쇄 고체 연료 및 연소용 공기사이에서 혼합한 난류가 적은 비율로 유동한다.
6°보다 큰 각도에서 분쇄 고체 연료와 연소용 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 중심을 통해 수평으로 통과한 대각선으로 분사하도록 배열함으로서, 0.6 이상의 와선수에서 하부 노를 작동시킬 수 있다. 예컨대, 이러한 점에서 15°의 각도, 즉 제15도에서 화살표(188)로 표시한 범위내의 각도를 활용함으로서, 3.77이 되도록 계산된 와선수를 발생시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 도면중 제14도를 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 와선수가 상기 레벨로 증가할때, 보다 일반적으로 와선수가 0.6 이상으로 증가할때, 음압 경사도(a negative gradient)는 와선 화이어볼의 중심에서 설정되는데, 즉 제14도에서 화살표(186)로 개략적으로 표시한 바와 같이 와동(vortex)는 와동 코어에서 반대로 하방 유동을 야기시킨다. 발생된 화이어볼의 중심에서 하방 유동의 결과는 분쇄 고체 연료 연소로의 하부 노에서 분쇄 고체 연료 잔류 시간이 극적으로 증가된다는 것이다. 연료 화학량론 분위기로서 한정한 최적의 산소 이용도와 연계된 증가된 연료 잔류 시간과, 최적 범위내의 온도는 최적 환경에서 산화질소 방출을 최소화시키며, 증가된 연료 잔류 시간은 노 효율을 개선하는 카본-인-프라이애시 방출을 최소화시킨다.
제16도는 본 발명에 따라 구성된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 실시하고 도면부호(10)로 도시한 분쇄 고체 연료 연소로의 수직 단면도를 개략적으로 도시했으며, 호퍼 애시를 감소시키고 카본 변환을 증가시키기 위해 도면부호(190)로 표시한 화살표에 의해 표시된 하부 분쇄 고체 연료 노즐의 기울기와, 도면부호(192)로 표시한 화살표에 의해 표시된 하부 공기 노즐의 기울기를 도시한 것이다. 저산화질소 연소 시스템 설계의 공지된 특징은 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기의 양을 감소시킴으로써 얻을 수 있다. 국부적인 축 유동 속도에서 결과적인 감소는 분쇄 고체 연료 연소로와 공동으로 관련된 호퍼내에 분쇄 고체 연료의 부산물(fallout)이 생기게 한다. 그러나, 모든 다른 분쇄 고체 연료 노즐과 연소용 공기 노즐은 변화하지 않고, 제16도에서 도면부호(190)로 도시한 바와 같이 단지 하부의 분쇄 고체 연료 노즐의 상방 이동과, 제16도에 도면부호(192)로 도시한 바와 같이 하부 공기 노즐의 하방 기울기에 의해, 그 영향은 높은 축방향 속도의 영역내로 다시 향한 분쇄 고체 연료의 결과 때문에 호퍼에 들어가는 분쇄 고체 연료의 양을 감소시키며, 동시에 호퍼내로 떨어지는 분쇄 고체 연료 입자의 연소를 확실하게 하도록 호퍼에서의 산소양을 증가시킨다.
따라서, 본 발명에 따르면, 분쇄 고체 연료 연소로에 사용하기에 특히 적당한 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공할 수 있다. 그 외에, 분쇄 고체 연료 연소로용의 새로운 탄젠셜 연소 시스템을 본 발명에 따라 제공하며, 이 시스템을 사용함으로써 분쇄 고체 연료 연소로로부터의 산화질소 방출을 여러 레벨로 제어할 수 있는 것이 특징이며, 이 레벨은 선택적 촉매 환원(SCR) 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)을 사용하지 않고 순환 유동층(CFB) 및 집적 기화 결합 싸이클(IGCC)과 같은 다른 분쇄 고체 연료 기초 발전기 기술로 일치한다. 또한, 본 발명에 따르면, 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공하며, 이 시스템은 이것을 사용함으로서 분쇄 고체 연료 연소로로부터의 산화질소 방출이 0.15lb./10 BTU 이하로 제한될 수 있으며, 동시에 카본-인-프라이애시를 5% 이하로 그리고 일산화탄소 방출을 50ppm 이하로 제한할 수 있는 것이 특징이다. 더욱이 본 발명의 시스템을 이용함으로써 분쇄 고체 연료 연소로로부터의 산화질소 방출이 0.15lb/10 BTU 이하로 제한될 수 있으며, 동시에 중간 휘발성 역청탄으로부터 갈탄까지의 넓은 범위의 고체 연료를 분쇄 고체 연료 연소로에서 연소될 수 있는 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 본 발명에 따라 제공한다. 또한, 본 발명에 따르면, 고체 연료 분쇄화 및 부류화가 시스템내에 포함된 요소에서 이루어지는 분쇄 고체 연료 연소료용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명에 따르면, 분쇄 고체 연료 노즐 팁근처의 분쇄 고체 연료 도입 및 연소가 시스템내에 포함된 요소에서 이뤄지는 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명에 따르면, 하부 노 연소가 시스템내에 포함된 요소에서 이뤄지는 분쇄 고체 연료 연소료용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공한다. 더욱이, 본 발명에 따르면, 상부로 연소가 시스템내에 포함된 요소에서 이뤄지는 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명에 따르면 미세한 고체 연료 분쇄화가 다중 공기 분사 레벨을 이용하는 주 노내의 공기 스테이징(air staging)과 진보된 분쇄화 고체 연료 도입에 의해 이뤄지며, 이에 의해 새로운 탄젠셜 연소 시스템이 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템을 구성하는 것이 특징인 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 탄젠셜 연소 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 새로운 적용상황 및 구형 장비 적용 상황에서 사용하기에 적당한 분쇄 고체 연료 연소로용의 개선된 집적 탄젠셜 연소 시스템을 제공할 수 있다. 마지막으로, 본 발명에 따라, 비교적 손쉬운 설치, 비교적 간단한 작동, 및 비교적 값싸게 제공할 수 있는 개선된 집적 탄젠셜 연소 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 많은 실시예를 도시했지만, 본 발명의 변형과 상기에서 언급한 대부분을 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 쉽게 이뤄질 수 있다. 따라서, 우리는 언급한 변형예 뿐만 아니라 본 발명의 영역 및 정신내에 포함된 모든 다른 변형예도 첨부한 특허청구 범위에 의해 포함되길 원한다.

Claims (25)

  1. 다른 화학량론(stoichiometries)의 다중 연소 영역을 포함한 버너 영역을 구체화하는 다수의 벽을 가진 분쇄 고체 연료의 연소로(pulverized solid fuel-fired furnace)용의 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템(an integrated low NOx tangential firing system)에 있어서, 가) 소정의 미세도(fineness)를 가진 분쇄 고체 연료를 공급하기 위한 분쇄 고체 연료 공급 수단과, 나) 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내에 장착된 바람상자(wind box)와, 다) 상기 바람상자내에 장착된 다수의 분쇄 고체 연료 격실(compartment)과, 라) 상기 다수의 분쇄 고체 연료 격실내에 각각 지지되도록 장착된 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁(flame attachment pulverized solid fuel nozzle tip)과, 마) 상기 바람상자내에 장착된 다수의 연소용 공기 격실과, 바) 상기 바람상자내에 장착된 하나 이상의 폐쇄 결합된 오버화이어 공기 격실(close coupled overfire air compartment)과, 사) 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내에서 상기 바람상자에 이격되어 위치한 저레벨(low level)의 분리된 오버화이어 공기와, 아) 분사된 분쇄 고체 연료의 연소로부터 발생한 가스가 상기 바람상자의 상부로부터 고레벨의 분리된 오버화이어 공기의 상부까지 이동하는 시간이 0.3초를 초과하도록, 분리된 오버화이어 공기의 상기 저레벨과 상기 바람상자가 이격 관계로 위치된 고레벨(high level)의 분리된 오버화이어 공기를 포함하며, 상기 다수의 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 각각은 소정의 미세도를 가진 분쇄 고체 연료를 상기 분쇄 고체 연료 공급 수단으로부터 받기 위해 상기 분쇄 고체 연료 공급 수단에 연결되며, 소정의 미세도를 갖는 분사된 분쇄 고체 연료의 점화점이 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁으로부터 2피트보다 작게 위치되어서, 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁은 상기 분쇄 고체 연료 공급 수단으로부터 도입한 소정의 미세도를 가진 분쇄 고체 연료의 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 상기 팁을 통해 분사하도록 작동되며, 상기 다수의 연소용 공기 격실은 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제1 연소 영역에서 0.4와 0.75 사이가 되도록 충분한 양의 연소용 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 상기 격실을 통해서 분사하도록 작동하며, 상기 하나 이상의 폐쇄 결합 오버화이어 공기 격실은 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제2 연소 영역에서 0.7와 0.9 사이가 되도록 충분한 양의 폐쇄 결합 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 상기 격실을 통하여 분사하도록 작동하며, 상기 저레벨의 분리된 오버화이어 공기는 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제3 연소 영역에서 0.9와 1.02 사이가 되도록 충분한 양의 분리된 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사하도록 작동하며, 상기 로레벨의 분리된 오버화이어 공기는 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제4 연소 영역에서 1.07을 초과하도록 충분한 양의 분리된 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로읜 버너 영역내로 분사하도록 작동하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분쇄 고체 연료 공급 수단은 고체 연료를 상기 소정의 미세도로 분쇄하도록 작동하는 분쇄기(pulverizer)와, 상기 소정의 미세도를 가진 고체 연료를 상기 분쇄기에서 다수의 분쇄 고체 연료 격실중 한 격실까지 이동시키기 위한 다수의 분쇄 고체 연료관을 포함하며, 상기 각각의 연료관은 한 단부가 상기 분쇄기에 결합되고 다른 단부가 상기 다수의 분쇄 고체 연료 격실중 하나에 결합되는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소정의 미세도가 대략 50메시 체(50-mesh sieve)에서 0%, 100메시 체에서 1.5% 남고, 200메시 체에서 85% 이상 통과하는 최소 미세도 레벨을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 각각이 대향 단부에 위치 개방 단부를 가진 직사각형 상자와, 약간 이격되어 상기 직사각형 상자를 둘러싼 통로와, 다수의 막대형 부재(bar-like member)가 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 출구면의 중심과 축에 대해서 대칭으로 위치되도록 상기 직사각형 상자내에 장착되어 지지된 다수의 막대형 부재와, 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 배출면의 상부 및 바닥부에 위치되도록 상기 직사각형 상자내에 장착 지지된 다수의 전단 막대와, 상기 다수의 막대형 부재를 상기 다수의 전단 막대와 상호 연결하는 다수의 결합 부재를 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 연소용 공기 격실은 상기 바람상자의 대향 단부에서 서로 이격되어 위치된 한쌍의 단부 공기 격실을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 연소 영역은 상기 한쌍의 단부 공기 격실 사이에 놓여 있는 버너 영역 부분을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 다수의 연소용 공기 격실은 상기 한쌍의 단부 공기 격실의 중간에서 서로 이격되어 위치된 다수의 순수 공기 격실을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다수의 연소용 공기 격실은 상기 한쌍의 단부 공기 격실의 중간에 그리고 서로 이격되어 위치된 다수의 오프셋 공기 격실을 포함하며, 상기 다수의 오프셋 공기 격실은 보다 작은 연소용 공기가 연소의 초기 단계 동안에 분사된 분쇄 고체 연료에 유용하도록 공기 격실을 통해 분사된 연소용 공기를 수평으로 오프셋시키도록 작동가능한 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 한쌍의 폐쇄 결합 오버화이어 공기 격실은 상기 한쌍의 단부 공기 격실중 하나와 병렬로 위치된 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 저레벨의 분리된 오버화이어 공기는 하나가 다른것 위에 위치된 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2 연소 영역은 상기 한쌍의 폐쇄 결합 오버화이어 공기 격실중 최상부의 것과 상기 저레벨의 분리된 오버화이어 공기의 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실 사이에 놓여 있는 버너 영역 부분을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고레벨의 분리된 오버화이어 공기는 하나가 다른 것 위에 위치된 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제3 연소 영역은 상기 저레벨의 분리된 오버화이어 공기의 상기 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실중 최상부의 것과 상기 로레벨의 분리된 오버화이어 공기의 상기 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실 사이에 놓여 있는 버너 영역 부분을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제4 연소 영역은 상기 고레벨의 분리된 오버화이어 공기의 상기 세개의 분리된 오버화이어 공기 격실중 최상부의 것 위에 놓여 있는 버너 영역 부분을 포함하는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁을 통해 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 분쇄 고체 연료와, 상기 다수의 연소용 공기 격실을 통해 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기가 분쇄 고체 연료 연소로의 중심을 통해 통과한 비스듬한 각도로 각각 분사되어, 분쇄 고체 연료 연소로내의 와선수가 0.6 보다 크게 제공되는 저산화질소 집적 탄젠셜 연소 시스템.
  16. 다른 화학량론의 다중 연소 영역을 포함한 버너 영역을 구체화하는 다수의 벽을 가진 분쇄 고체 연료 연소로의 작동 방법에 있어서, 가) 소정의 미세도를 가진 분쇄 고체 연료를 공급하는 단계와, 나) 분사된 분쇄 고체 연료의 점화점이 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁으로부터 2피트 이하에서 위치되는 화염 부착 노즐 팁을 통해 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 소정의 미세도를 가진 분쇄 고체 연료를 분사하는 단계와, 다) 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제1 연소 영역에서 0.5에서 0.7 사이가 되도록 충분한 양의 연소용 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사하는 단계와, 라) 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제2 연소 영역에서 0.7에서 0.9 사이가 되도록 충분한 양의 폐쇄 결합 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사하는 단계와, 마) 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제3 연소 영역에서 0.9에서 1.02 사이가 되도록 충분한 양의 저레벨의 분리된 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사하는 단계와, 바) 화학량론이 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역의 제4 연소 영역에서 1.07를 초과하도록 충분한 양의 고레벨의 분리된 오버화이어 공기를 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사하는 단계를 포함하는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  17. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역안으로 고레벨의 분리된 오버화이어 공기를 분사하는 포인트가 폐쇄 결합 오버화이어 공기의 분사 포인트로부터 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역안으로 충분히 이격되어, 분사된 분쇄 고체 연료의 연소로부터 발생한 가스가 이동하는 시간이 0.3초를 초과하는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  18. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 분쇄 고체 연료가 50메시 체에서 0%, 100메시 체에서 1.5% 남고, 200메시 체에서 85% 이상 통과하는 최소 미세도를 갖는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  19. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기의 일부분이 단부 공기로 분사되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  20. 제19항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기의 일부분이 순수 공기로서 분사되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  21. 제20항에 있어서, 연소 초기 단계에서 분사된 분쇄 고체 연료에 적은 양의 연소용 공기가 필요하도록 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기의 일부분이 수평 오프셋 공기로 분사되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  22. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 고체 연료 및 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기가 분쇄 고체 연료 연소로의 중심을 통해 비스듬한 각도에서 각각 분사되어, 분쇄 고체 연료 연소로내에서 와선수가 0.6 보다 크게 생성되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  23. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 고체 연료의 적어도 일부분이 상방으로 분사되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  24. 제16항에 있어서, 분쇄 고체 연료 연소로의 버너 영역내로 분사된 연소용 공기의 적어도 일부분이 하방으로 분사되는 분쇄 고체 연료 연소로 작동 방법.
  25. 분쇄 고체 연료 연소로의 저산화질소 연소 시스템용의 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁에 있어서, 가) 대향 단부에 위치된 개방 단부를 가진 직사각형 상자와, 나) 다중 막대형 부재가 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 배출면의 중심과 축에서 대층으로 위치되어 상기 직사각형 상자내에 장착 지지된 다중 막대형 부재와, 다) 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁의 배출면의 상부와 바닥에서 위치되도록 상기 직사각형 상자내에 장착 지지된 다수의 전단 막대와, 라) 상기 다수의 전단 막대와 상기 다중 막대형 부재를 결합하는 다수의 결합 부재를 포함하는 화염 부착 분쇄 고체 연료 노즐 팁.
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