KR100297835B1

KR100297835B1 - 연소용 버너 및 이 버너를 구비한 연소장치

Info

Publication number: KR100297835B1
Application number: KR1019980702864A
Authority: KR
Inventors: 겐지 기야마; 도시카즈 츠무라; 다다시 짐보; 고지 구라마시; 시게키 모리타; 미키 모리
Original assignee: 가노 다다가쯔; 바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2001-08-07
Also published as: TW396261B; DE69727367T2; CN1128949C; AU708109B2; CZ117098A3; AU2650197A; JP3868499B2; EP0856700B1; KR20000064285A; DE69727367D1; ATE258666T1; ES2210516T3; CA2234771C; EP0856700A4; US6152051A; CN1199453A; PL326506A1; DK0856700T3; EP0856700A1; CA2234771A1

Abstract

본 발명의 연소용 버너는 혼합기 노즐, 가스 공급 노즐, 및 가이드 수단을 포함한다. 상기 혼합기 노즐은 화로 안으로 연장하고, 분말 고체 연로와 이 분말 고체 연료가 통과하여 흐르는 혼합물 통로를 형성한다. 상기 혼합물 통로의 유로 면적이 혼합물의 흐름방향으로 점차적으로 증가하도록 상기 혼합기 노즐의 선단부는 퍼지게 된다. 상기 가스 공급 노즐은 혼합기 노즐을 반경방향으로 둘러싸서 가스 공급 노즐과 혼합기 노즐 사이에 연소용 산소-함유 가스가 화로를 향하여 흐르는 가스 통로를 형성하게 된다. 혼합물의 흐름에 대하여 혼합기 노즐의 퍼진 선단부의 상류 위치에서 혼합기 노즐 내에 상기 가이드 수단이 제공되어 혼합기 노즐의 퍼진 선단부의 내주면을 따라 혼합물이 곧바로 흐르도록 한다.

Description

연소용 버너 및 이 버너를 구비한 연소장치{COMBUSTION BURNER AND COMBUSTION DEVICE PROVIDED WITH SAME}

상기한 형태의 버너는 혼합기 노즐, 및 이 혼합기 노즐을 둘러싸는 가스 공급 노즐을 포함한다.

JA-A-63-87508에 개시된 미분탄 버너에서는, 공기-연료 혼합물을 와동시키는 임펠러가 혼합기 노즐 내에 설치되어 있다. 혼합기 노즐의 출구로부터 나오는 와동된 혼합물은 화로 내에서 급속하게 분산되고, 혼합기 노즐의 출구 근처에서 가스 공급 노즐로부터 공급되는 2차공기 및 3차공기와 혼합된다. 따라서, 환원영역이 충분하게 형성되지 않고, 화로 내에서 화염이 퍼지지 않게 된다. 결과적으로, 미분탄의 일부가 연소되지 않고 남게 되고, NOx의 발생을 억제할 수 없게 된다.

JP-A-200008에 개시된 미분탄 버너에서는, 혼합기 노즐 내에 스로트부가 설치되고, 혼합기 노즐의 출구가 퍼져 있다. 상기 버너에서는, 상술된 버너와 마찬가지로, 혼합기 노즐의 출구로부터의 공기-연료 혼합물이 화로 내에서 급속하게 분산되고, 혼합기 노즐의 출구 근처에서 가스 공급 노즐로부터 공급되는 2차공기 및 3차공기와 혼합된다. 결과적으로, 미분탄의 일부가 연소되지 않고 남게되고, NOx의 발생을 억제할 수 없게 된다.

본 발명은 연소용 버너에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 버너의 실시예의 단면도;

도 2는 도 1의 버너를 사용한 보일러에서 화로 내의 화염 상태를 도시하는 화로의 단면도;

도 3은 도 2의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도;

도 4는 화로 내의 화염 상태를 도시하는 단면도;

도 5는 버너 내에서 혼합물의 유동과 연소용 공기의 유동을 도시하는 단면도;

도 6은 종래의 버너를 사용한 화로의 화염 상태를 도시하는 단면도;

도 7은 종래의 버너를 사용한 보일러의 화로를, 화로 내의 화염상태를 도시하는 단면도;

도 8은 도 7의 선 Ⅷ-Ⅷ을 따라 취한 단면도;

도 9는 버너의 다른 실시예를 도시하는 단면도;

도 10은 도 9의 선Ⅹ-Ⅹ을 따라 취한 단면도;

도 11 내지 도 13은 버너의 다른 실시예를 각각 도시하는 단면도;

도 14는 버너의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도;

도 15는 도 14의 선 ⅩⅤ-ⅩⅤ를 따라 취한 단면도;

도 15A 내지 도 15D는 도 14의 버너의 수정된 공기 분사 노즐 구성을 각각도시하는 정면도;

도 16은 도 14에 도시된 버너의 출구 근처에서 혼합물의 유동 상태와 연소용 가스의 유동 상태를 도시하는 부분 단면도;

도 17은 도 16의 선 ⅩⅦ-ⅩⅦ를 따라 취한 단면도;

도 18은 버너의 다른 실시예를 도시하는 단면도;

도 19는 도 18의 선ⅩⅨ-ⅩⅨ를 따라 취한 단면도;

도 20은 버너의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고, 저-NOx 연소를 달성할 수 있는 연소용 버너를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1실시형태에 따르면, 화로의 내부를 향해 연장하고, 분말 고체 연료 및 이 고체 연료를 이송시키기 위한 가스를 함유한 혼합물이 통과하는 혼합물 통로를 형성하고, 이 혼합물 통로의 선단부는 혼합물 유로 면적이 혼합물의 유동 방향으로 점차적으로 증가하도록 퍼지는 혼합물 노즐; 상기 혼합기 노즐을 반경방향으로 둘러싸고 상기 혼합기 노즐과의 사이에 연소용 산소-함유 가스가 화로를 향하여 흐르는 가스 통로를 형성하는 가스 공급 노즐; 및 혼합물의 흐름이 혼합기 노즐의 퍼진 부분의 내주면을 따라 곧바로 흐르게 하기 위해, 혼합물의 흐름에 대하여 혼합기 노즐의 퍼진 부분의 상류 위치에 있는 혼합기 노즐 내에 제공되는 가이드 수단을 포함하는 연소용 버너를 제공하게 된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 화로 안으로 연장하고, 분말 고체 연료와 이 분말 고체 연료를 이송시키기 위한 가스를 함유하는 혼합물이 통과하여 흐르는 혼합물 통로를 형성하고, 혼합물 통로의 유로 면적이 혼합물의 흐름 방향으로 점차적으로 증가하도록 그 선단부가 퍼져 있는 혼합물 노즐; 상기 혼합물 노즐을 반경방향으로 둘러싸고, 가스 공급 노즐과 혼합기 노즐 사이에 연소용 산소-함유 가스가 화로 안으로 흐르는 가스 통로와, 혼합기 노즐의 선단부로부터 화로 안으로흐르는 혼합물을 향하여 반경방향 내부로 가스가 분사되는 가스 제트 노즐을 형성하는 가스 공급 노즐을 포함하는 연소용 버너를 제공하게 된다.

도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따르는, 보일러 내에 사용되는 연소용 버너(1)는, 고체연료로서의 미분탄과 목적 유동을 이송하기 위한 주공기를 함유한 혼합물(12)이 흐르는 혼합기 노즐(10)을 포함한다. 상기 실시예에서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 12개의 연소용 버너(1)가 화로(3)에서 동일 수평면에 서로 대향하여 배열되고, 또한 이 연소용 버너는 수직방향으로 3단으로 배열되기도 한다. 그러나, 버너(1)의 수와 단의 수는 이러한 배열에 제한되지 않는다.

혼합물(12)이 노즐(10)을 통해 화로(3) 내에 형성된 개구(30)를 거쳐 화로(3) 안으로 공급된다. 가스 공급 노즐(20)이 상기 노즐(10) 둘레에 제공된다. 2차공기 통로(21)가 노즐(10)과 노즐(20) 사이에 형성되고, 3차공기 통로(31)가 노즐(20)과 화로(3)의 개구(30) 사이에 형성된다. 와동발생 장치(23)가 2차공기 통로(21) 내에 제공되어 윈드 박스(4)로부터 나오는 2차공기(22)를 와동시킨다. 또한 와동발생 장치(33)가 3차공기 통로(31) 내에 제공되어 윈드 박스(4)로부터 나오는 3차공기(32)를 와동시킨다.

고리형 보염기(13)가 노즐(10)의 선단부에 제공되고, 그 둘레 가장자리부는 L자형 단면을 갖는다. 노즐(10)의 선단부(14)가 퍼져 있어 혼합물(12)의 흐름을 따라 유로 면적이 점차로 증가하도록 한다.

가이드(51)가 노즐(10) 안에 배치되어 혼합물(12)이 퍼진 선단부(14)를 따라 반경방향 바깥쪽으로 흐르도록 한다. 상기 가이드(51)는 오일 버너(52)의 선단부에 제공된다. 상기 오일 버너(52)는 보일러를 작동시킬 때와 저부하 상태일 때 사용된다. 오일 버너가 필요하지 않을 경우에는, 적당한 지지부에 의해 가이드(51)가 배치된다.

상기 가이드(51)는 혼합물(12)의 흐름을 따라 제1가이드부(511), 제2가이드부(512) 및 제3가이드부(513)를 갖는다. 제1가이드부(511)의 바깥 치수는 혼합물(12)의 흐름 방향으로 점차적으로 증가하고, 제3가이드부(513)의 바깥 치수는 혼합물(12)의 흐름 방향으로 점차적으로 감소한다. 이 둘은 일정한 바깥 치수를 갖는 제2가이드부(512)에 의해 서로 연결된다. 상기 가이드(51)는 혼합물(12)의 흐름에 대하여 퍼진 선단부(14)의 상류측에 배치된다.

상기와 같은 구조의 버너(1)에서, 화염은 도 4에 도시된 바와 같이 바깥쪽으로 퍼지게 된다. 결과적으로, 화로의 무효 영역(NA)이 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 감소하게 된다. 공기 공급구(6)가 버너(1)의 하류에 제공되어, 추가적인 공기(62)가 이 공기 공급구를 통해 화로(3) 안으로 공급된다. 환원영역(RA)이 가장 하류쪽 버너(1)로부터의 화염(5)과 공기포트(6)로부터의 추가적인 공기흐름(62)에 의해 한정되고, 연소용 가스가 긴 시간 동안 정체한다. 따라서, 연소 가스 내의 NOx 밀도가 감소되므로, 연소효율이 향상된다. 연소되지 않은 미분탄은 공기포트(6)로부터 나오는 공기(62)에 의해 완전히 연소된다.

미분탄의 운동량이 주공기의 운동량 보다 크므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐(10)의 퍼진 선단부(14)의 원주벽에 가까운 영역에서 미분탄이 응축된다. 따라서, 버너의 출구 근처에서의 연소 효율이 향상되므로, 화염(5)이 더 광범위하게 열적으로 팽창된다.

상기 실시예에서, 노즐(20)은 그 선단부에 퍼진 환상의 편향 가이드 튜브(24)가 제공된다. 따라서, 와동발생 장치에 의해 각기 와동된 주공기(22)와 3차공기(32)가 앞쪽으로 그리고 반경 바깥쪽으로 흐른다. 도면에 도시된 바와 같이, 환상 편향 가이드 튜브(24)와 혼합기 노즐(10)의 축 사이의 각 θ₁이 퍼진 선단부(14)와 혼합기 노즐(10)의 축 사이의 각 θ₂와 같거나 더 크게 되도록 환상 편향 가이드 튜브(24)가 설계된다면, 2차공기와 3차공기는 더욱 반경 바깥쪽으로 퍼지게 된다. 결과적으로, 공기가 불충분한 영역, 즉, 연료 과다 영역이 화염의 중앙부에 형성되므로, 저 NOx 연소가 가능하게 된다.

한편, 도 6에 도시된 종래의 버너에서는, 혼합기 노즐(10)이 퍼진 선단부(14)를 갖고 있지 않고, 혼합기 노즐 내에 가이드(51)가 제공되지 않는다. 따라서, 화염이 퍼지지 않고, 자유 제트로 거동하게 된다. 결과적으로, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 화로(3) 안에 화염이 존재하지 않는 영역이 있게 되고,즉, 화로 내의 무효 영역(NA)이 도 2 및 도 3의 화로와 비교하였을 때 보다 더 커지게 된다. 더욱이, 환원영역(RA) 내에서 미분탄의 정체 시간이 더 짧아지므로, 연소 가스 내의 NOx 밀도가 낮아질 수 없게 된다.

도 1의 버너와 비교하였을 때, 다른 실시예인 도 9의 버너(1)는 혼합물(12)을 와동시키는 와동발생 장치(53)와 유동조절판(54)을 더욱 포함한다. 이후로는, 상기 실시예와 동일한 구조이고 이에 대응하는 효과를 갖는 이러한 부분은 동일한 참조번호로 각각 지시될 것이고, 이에 대한 설명은 생략된다.

상기 와동발생 장치(53)는 가이드(51)의 상류에 배치된다. 따라서, 혼합물 안에 있는 많은 양의 미분탄이 퍼진 선단부(14)의 내주면을 따라 흐르게 되므로, 화염(5)이 더 멀리 퍼질 수 있게 된다. 그러나, 혼합물이 와류의 형태로 화로(3) 안으로 공급된다면, 이러한 혼합물은 버너(1) 근처에서 2차공기 또는 3차공기와 즉시 혼합되어, 저NOx 연소가 행해지지 않는다. 따라서, 다수의 유동조절판(54)이 와동발생 장치(53)의 하류에 배치된 퍼진 선단부(14)의 내주면에 제공된다(도 10 참조). 상기와 같은 구조에 의해, 혼합물(12)의 원주방향 속도 성분은 그 진행방향 속도 성분이 증가하는 동안 억제되므로, 혼합물이 버너(1)와 떨어진 위치에서 2차공기 및 3차공기와 혼합된다. 결과적으로, 환원영역이 증가하므로, 저NOx 연소가 가능하게 된다.

도 9의 실시예와 비교하였을 때, 다른 실시예인 도 11의 버너(1)는 와동발생 장치(53)의 상류에 제공되는 벤튜리관(55)을 더욱 포함한다. 벤튜리관(55)의 스로트부는 공기-연료 혼합물 안에 있는 미분탄을 혼합기 노즐(10)의 반경방향 중앙부를 향해 한차례 역전시켜, 와동발생 장치(53)를 향하도록 한다. 상기와 같은 구성에 의해, 혼합물 내의 미분탄이 퍼진 선단부(14)의 내주면을 따라 좀더 효율적으로 흐를 수 있게 된다. 따라서, NOx의 발생이 더욱 억제될 수 있다.

도 11의 실시예와 비교하였을 때, 또 다른 실시예인 도 12의 버너(1)는 환상 편향 가이드관(24) 대신에 환상 스페이서(25)를 구비하고, 이 스페이서(25)는 가스 공급 노즐(20)의 선단부에 제공된다. 스페이서(25)의 내주면은 그 직경이 혼합물의 흐름을 따라 점차적으로 증가하도록 퍼져 있고, 스페이서(25)의 외주면은 혼합기 노즐(10)의 축과 평행하다, 스페이서(25)의 내주면의 단부와 외주면의 단부는 혼합기 노즐(10)의 축에 수직으로 배치된 단부벽에 의해 서로 연결된다. 이러한 구성에 의해, 2차공기(22)가 스페이서(25)의 퍼진 내주면을 따라 흐르고, 상기 실시예와 같이 화로(3) 안으로 퍼지게 된다. 3차공기(23)가 스페이서(25)의 외주면을 따라 흐르고, 반경 바깥쪽 위치로부터 화로(3) 안으로 공급되므로, 버너(1)와는 떨어진 위치에서 정체하면서 화염(5)과 혼합된다. 결과적으로 버너(1) 근처에 환원영역이 형성되고, NOx의 발생이 억제될 수 있다.

도 1의 실시예와 비교하여, 또 다른 실시예인 도 13의 버너(1)는 그 선단부가 퍼지지 않는 혼합기 노즐(10)을 포함한다. 스로트부를 갖는 벤튜리관(55)이 혼합기 노즐(10)의 선단부의 안쪽에서 가이드(51)의 반대편에 제공된다. 상기 실시예에서, 스로트부로부터 나오는 혼합물(12)은 가이드(51)에 의해 벤튜리관(55)의 퍼진 내주면을 따라 흐르고, 화로(3) 안으로 퍼지게 된다. 가이드(51)가 도면에 도시된 바와 같이 벤튜리관의 스로트부의 하류에 배치된다면, 많은 양의 미분탄이벤튜리관(54)의 내주면을 따라 흐르고, 바깥쪽으로 퍼지면서 화로(3) 안으로 공급될 수 있다.

도 1의 실시예와 비교하여, 또 다른 실시예인 도 14의 버너(1)는 공기 분사 노즐(61)을 더욱 포함한다. 4개의 공기 분사 노즐(61)(노즐의 개수는 제한되지 않는다)이 서로 원주 방향으로 동일한 간격으로 배치된다(도 15참조). 도 15A 내지 도 15C에 도시된 바와 같이, 노즐(61)의 수는 1개 내지 3개이거나, 5개 이상일 수도 있다. 더욱이, 도 15D에 도시된 바와 같이, 분사되는 공기 제트(62)가 혼합기 노즐의 축으로부터 다소 어긋나는 배열이 사용되기도 한다. 더욱이, 도 15A에 도시된 바와 같이, 노즐(61)이 등각으로 배치되지 않을 수도 있다.

상기 공기 분사 노즐(61)은 보염기(13)의 하류에 제공되고, 혼합기 노즐(10)과 가스 노즐(20) 사이에 배치된다. 공기 분사 노즐(61)은 파이프에 의해 서로 연결되고, 외부의 공기 압축 수단과 연통한다. 공기 압축 수단으로부터의 예열된 공기(62)는 노즐(61)을 통해 혼합기 노즐의 축에 사실상 수직 방향으로 혼합물의 흐름을 향하여 분사된다. 결과적으로, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 분사된 공기(62)에 기인하여 정체점이 혼합물(12)의 흐름 안에 형성되고, 상대적인 부압 영역(NP)이 혼합물(12)의 흐름에 대하여 상기 분사된 공기(62)의 하류에 형성된다. 고온 연소 가스가 분사된 공기(62)에 의해 부압 영역(NP) 안으로 이송되므로, 혼합물 안에 있는 미분탄의 점화를 촉진한다. 결과적으로, 환원영역 안에서 연소가 촉진되고, 또한 버너(1) 근처의 화염 온도가 올라가므로, 화염의 팽창이 향상된다.

공기 분사 노즐(61)이 혼합기 노즐의 축방향으로 이동할 수 있어, 고체연료인 미분탄의 연소특성, 버너 부하, 연소 조건 등에 따라 최적의 공기 분사가 수행된다. 더욱이, 공기 분사 노즐은 혼합기 노즐의 축에 수직인 평면에서 선회할 수 있도록 배열된다. 상기 분사 노즐(12)이 혼합기(12)의 다소 상류측을 향하게 된다면, 점화 면적이 증가될 수 있다. 따라서, 점화 특성이 양호하지 않은 고연료율의 미분탄과 조악한 미분탄이 고체연료로 사용될 수도 있다.

도 18 및 도 19에 도시된 버너는 공기 분사 노즐의 장착 위치가 도 14의 버너와는 다르다. 도 19에 도시된 바와 같이, 공기분사 노즐(61)이 보염기(13)의 하류측에 배치되고, 가스 노즐(20)의 환상 편향 가이드관(24) 상에 제공된다. 공기 분사 노즐(61)로부터 혼합물의 흐름을 향하여 공기(62)가 분사된다. 2차공기와 혼합물이 통과할 수 있도록 공기(62)를 분사하기 위해서는, 도 14의 버너와 비교하였을 때 많은 양의 에너지가 필요하다. 그러나, 분사되는 공기(62)에 의해 많은 양의 고온 연소 가스가 운반되어 부압 영역(NP) 안으로 흐르게 된다. 따라서, 상기와 같은 장치는 고연료율의 미분탄(적은 양의 휘발성분을 갖음)을 연소시키는데 적합하다.

도 20에 도시된 버너(1)는 도 11 및 도 14의 구성의 조합이다. 상술된 동작과 효과는 조합된 방식으로 사용될 수 있다.

본 발명은 예를 들어, 석탄 연소 보일러와 같은 연소 장치로 사용될 수 있다.

Claims

화로 안으로 연장하고, 분말 고체 연료와 이 분말 고체 연료를 이송시키기 위한 가스를 포함하는 혼합물이 흐르는 혼합물 통로를 형성하고, 선단부에서의 상기 혼합물 통로의 전체 유로 면적이 상기 혼합물의 유동 방향으로 선단까지 점차적으로 증가하도록 그 선단부가 퍼지는 혼합기 노즐;

상기 혼합기 노즐의 선단부에 설치된 보염기;

상기 혼합기 노즐을 반경방향으로 둘러싸고, 상기 혼합기 노즐과의 사이에서 상기 화로를 향해 연소용 산소 함유 가스가 흐르도록 하는 가스 통로를 형성하는 가스 공급 노즐; 및

상기 혼합물이 상기 혼합기 노즐의 상기 퍼진 부분의 내주면을 따라 반경방향 바깥쪽으로 흐르도록 하기 위해, 상기 혼합물의 흐름에 대하여 상기 혼합기 노즐의 상기 퍼진 부분의 상류 위치에서 상기 혼합기 노즐 안에 설치되는 가이드 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소용 버너.
제 1항에 있어서,

상기 가이드 수단은 상기 혼합물의 유동 방향에 대하여 상기 혼합기 노즐의 퍼진 부분과 그 나머지 부분 사이의 연결부에 대응하는 위치에 제공되는 것을 특징으로 하는 연소용 버너.
제 1항에 있어서,

상기 혼합물을 와동시키기 위해 상기 가이드 수단 상에 제공되는 와동부; 및 상기 와동된 혼합물을 조절하도록 상기 혼합기 노즐의 상기 퍼진 부분의 내주면에 제공되는 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소용 버너.
제 1항에 있어서,

상기 가스 공급 노즐은, 상기 가스 공급 노즐과 상기 혼합기 노즐의 사이에서 2차공기통로를 형성하고, 상기 가스 공급 노즐과 상기 화로 내에 형성되는 개구와의 사이에서 3차공기 통로를 형성하며,

상기 버너는, 상기 혼합기 노즐의 선단부로부터 상기 화로 안으로 흐르는 혼합물의 유동을, 상기 3차공기 통로로부터 상기 화로안으로 흐르는 상기 연소용 산소 함유 가스의 유동으로부터 반경방향으로 분리시키는 분리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소용 버너.
제 1항에 있어서,

상기 가스 공급 노즐의 선단부는 퍼지고, 상기 가스 공급 노즐의 상기 퍼진 선단부와 상기 가스 공급 노즐의 축 사이의 각도는 상기 혼합기 노즐의 퍼진 선단부와 상기 혼합기 노즐의 축 사이의 각도와 사실상 동일하거나 더 큰 것을 특징으로 하는 연소용 버너.