KR100309667B1 - 미분탄 연소 버너 - Google Patents

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고오지 구라마시
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미끼 시모고리
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
가노 다다가쯔
바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
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Abstract

(과제)
본 발명의 목적은 질소의 농도를 저하시키기 위해 적절한 미분탄 연소 버너를 제공하는 것이다.
(해결 수단)
미분탄과 1차 공기의 혼합물을 분사하기 위한 미분탄 노즐(10)과, 미분탄 노즐(10)의 외주 주위에 동심으로 배열된 2차 공기 노즐(11) 및 3차 공기 노즐(12)과, 2개의 인접한 공기 노즐을 분리하는 격벽의 단부에 튜브 확대부(20)를 포함하는 미분탄 연소 버너에는 튜브 확대부를 따라 유동되기 위해 2차 공기 노즐의 2차 공기를 방향 전환하기 위한 유동 방향 전환 수단, 예컨대 안내판(30)이 제공된다. 2차 공기는 안내판에 의해 외향으로 분사되어 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합이 지연되므로, NOx발생량이 감소될 수 있다.

Description

미분탄 연소 버너
본 발명은 미분탄 기류 반송 연소식(float-firing) 버너 종류의 미분탄 버너에 관한 것이며, 특히 질소 산화물(이하, NOx라고 함)의 농도를 저하시키기 위해 적절한 미분탄 연소 버너에 관한 것이다.
일반적으로, 연소 버너에서는 연소 동안의 NOx발생 억제가 해결해야 할 과제다. 특히, 석탄은 기체 연료 및 액체 연료에 비해 다량의 질소를 함유한다. 따라서, 미분탄의 연소에 의해 발생되는 NOx를 감소시키는 것이 기체 연료 또는 액체 연료를 연소시키는 경우보다 더 중요하다.
미분탄의 연소에 의해 발생되는 NOx는 거의 모두가 석탄에 함유된 질소가 산화되어 발생되는 NOx소위 연료 NOx(fuel NOx)이다. 연료 NOx를 감소시키기 위해, 각종의 버너 구조 및 연소 방법이 연구되어 왔다.
상기 연소 방법 중 하나가 화염 내에 저농도 산소 구역을 형성하여 NOx를 환원(탈산소)시키는 방법이다. 예컨대, 일본 특허 공개 평1-305206호(미국 특허 제4,930,430호), 일본 특허 공개 평3-211304호, 일본 특허 공개 평3-110308호, 미국 특허 제5,231,937호, 미국 특허 제5,680,823호 등에는, 저농도 산소 분위기의 화염을 발생시켜 석탄을 완전 연소시키는 방법과, 연료 노즐의 중심에 석탄을 기류 반송하기 위한 연료 노즐과 연료 노즐의 외부에 배열된 공기 분사 노즐을 갖는 구조가 개시되어 있다. 종래 기술에 따르면, 화염 내에 저농도 산소의 환원 화염 구역이 형성되고 환원 화염 구역에서 NOx의 환원 반응이 진행되어 화염 내에 발생되는 NOx량이 소량으로 억제된다. 또한, 일본 특허 공개 평1-305206호에는 기체의 유동 방향에 대한 장애물을 노즐의 분출구 단부에 제공하여 화염을 안정화시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평3-311304호, 일본 특허 공개 평3-110308호 및 미국 특허 제5,231,937호에는 미분탄 노즐의 선단에 화염 안정화 링을 제공하여 화염을 안정화시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 종래 기술에 따르면, 미분탄 노즐의 선단에 화염 안정화 링 또는 장애물을 제공하여 미분탄 노즐의 선단 하류에 순환 지대가 형성된다. 순환 지대에 고온 기체가 체류하므로, 미분탄의 착화는 향상되고 화염의 안정성은 상승될 수 있다.
그러나, 상기 종래 기술에서는 아직도 NOx발생이 충분히 억제되지 않고 있다.
종래 기술의 상기 문제점을 해결하여 NOx발생을 추가로 감소시킬 수 있는 미분탄 연소 버너를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명은, 미분탄과 1차 공기의 혼합물을 분사하거나 분출시키기 위한 미분탄 노즐과, 미분탄 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 2차 공기 노즐과, 2차 공기 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 3차 공기 노즐과, 2차 공기 노즐의 외주벽 단부에 형성된 확대부를 포함하는 미분탄 연소 버너에 있어서, 확대부를 따라 2차 공기가 유동되도록 2차 공기 노즐로부터 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되는 2차 공기를 방향 전환하기 위한 유동 방향 전환 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.
2차 공기 노즐 및 3차 공기 노즐이 미분탄 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 미분탄 연소 버너는, 1차 공기에 의해 저농도 산소의 NOx환원 지대를 형성하여 NOx발생을 억제하는 것과, NOx환원 구역 하류측의 유동과 2차 공기 및 3차 공기를 혼합하여 산화 화염 구역을 형성함으로써 완전 연소를 수행하는 것을 목표로 한다. 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합이 지연될수록 NOx환원 지대가 더 크게 형성되므로, NOx발생을 억제하는 효과가 상승될 수 있다. 한편, 미분탄 자체의 착화성이 나빠서, 산소가 부족하면 미분탄은 착화되기 어렵고 꺼지기 쉽다. 산소 부족 상태에서 화염을 안정적으로 형성하기 위해, 미분탄 노즐의 분출구 근방의 위치로 화염의 후방 유동에 존재하는 고온 연소 기체를 유입시키는 것이 양호하다. 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐을 분리하거나 분할하는 격벽 선단 하류측에 저압부를 형성하면, 그곳에는 순환 지대가 형성되어 고온 연소 기체는 재유입된다. 순환 지대가 형성되면, 순환 지대의 외부에서 유동되는 공기가 순환 지대에 의해 내부로 유입되는 경향이 있다. 그러나, 순환 지대가 미분탄 노즐의 축에 수직 방향으로 분산되어 축방향으로 커지게 형성되면, 순환 지대의 외부에서 유동되는 공기의 재유입은 느려져서 미분탄 노즐의 분출구 근방으로 재유동되지 않는다.
본 발명에 따르면, 2차 공기 노즐의 외주벽 선단의 확대부를 따라 2차 공기가 외향 유동되어 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐을 분리하는 격벽 하류측에 형성되는 순환 지대의 크기가 커지므로, 2차 공기의 재유입은 느려진다. 또한, 대형의 순환 지대에 의해, 미분탄의 착화성은 향상되고 화염이 잘 꺼지지 않는다.
상기 유동 방향 전환 수단으로서, 2차 공기 노즐의 내주벽 선단에 안내판을 제공하는 것이 양호하다. 2차 공기 노즐의 외주벽에 제공되는 확대부보다 안내판의 각도가 예각이어야 한다.
유동 방향 전환 수단으로서, 안내판 이외에 2차 공기 노즐의 분출구 근방에서 유동되는 2차 공기를 향해 기체를 분사하여 반경 방향으로 외부측으로 2차 공기를 방향 전환하기 위한 기체 분사 노즐이 사용될 수 있다. 또한, 외부를 향해 2차 공기 유동의 유동을 유도하거나 안내하기 위한 유도 부재가 사용될 수 있다. 또한, 2차 공기 노즐의 분출구에 선회기(swirler)를 제공하여 선회기의 선회력을 사용함으로써 반경 방향으로 외부측을 향해 2차 공기를 방향 전환하는 것도 가능하다. 2차 공기 노즐의 내주벽 선단에 안내판을 제공하는 것이 매우 양호하며, 반경 방향으로 외부측으로 2차 공기를 방향 전환하는 효과가 매우 크다.
상기 안내판의 각도는 미분탄 노즐의 중심축에 대해 60 내지 90° 범위에 있으며, 80 내지 90° 범위가 더 양호하다. 상기 방식으로, 버너의 중심축에 대해 예각으로 안내판을 배열하면, 반경 방향으로 외부측으로 2차 공기를 방향 전환하는 효과가 커지고 또한 안내판 하류측에 순환 지대가 형성되어 2차 공기 및 3차 공기의 재유입이 느려질 수 있다.
안내판의 선단은 2차 공기 노즐 선단의 외주벽에 제공되는 확대부 선단 하류에 위치되는 것이 양호하다. 상기 배열에 의해, 노즐로부터 외부로 2차 공기 노즐에서 유동되는 2차 공기가 유동된 후에, 2차 공기의 유동 방향이 외향으로 변하여 2차 공기는 충돌하기 위해 3차 공기 유동을 향해 유동된다. 따라서, 3차 공기의 유동은 추가로 외향으로 변하여 3차 공기의 혼합이 지연된다. 안내판의 선단과 확대부의 선단은 5 ㎜ 이상 내지 50 ㎜ 이하 범위의 거리 정도로 분리되는 것이 양호하다. 거리가 너무 짧으면 효과가 작고 거리가 너무 멀면 노즐을 떠난 후에 유동 속도가 느려지므로, 외부를 향해 3차 공기를 방향 전환하는 효과가 작아진다.
안내판의 선단도 3차 공기 노즐의 외주벽 선단 상류측에 위치되는 것이 양호하다. 외주벽은 대개 대부분의 경우에 보일러의 노벽으로서 결합되는 역할을 한다. 노벽에는 연소 생성물 및 슬러그가 부착되며, 대량인 경우에는 연소 생성물 및 슬러그가 수 ㎏ 내지 수백 ㎏에 달할 수도 있다. 상기 연소 생성물 및 슬러그의 낙하로 인해 버너가 파손되는 것을 방지하기 위해, 안내판의 선단은 3차 공기 노즐의 외주벽으로서 결합되는 역할을 하는 노벽으로부터 노 내부 내로 돌출되지 않는 것이 양호하다.
3차 공기 노즐에 대해, 3차 공기 노즐로부터 3차 공기가 분사되기 전에 외향력이 인가되는 것이 양호하므로, 3차 공기 노즐 내부에 선회기를 제공하는 것이 양호하다. 또한, 외향 확대된 3차 공기 노즐의 외주벽 단부를 갖는 것이 양호하다. 또한, 외향 확대된 3차 공기 노즐의 내주벽 단부를 갖는 것이 양호하다.
2차 공기 노즐의 외주벽에 제공된 확대부를 따라 2차 공기가 유동되도록 버너를 제조하면 2차 공기 노즐과 3차 공기 노즐 사이에는 순환 지대가 형성되지 않을 것이므로, 3차 공기의 재유입도 느려진다.
2차 공기 노즐의 외주벽 선단에 확대부가 제공되는 종래 기술에 의한 버너가 공지되어 있지만, 종래 기술에 의한 버너에서는 반경 방향으로 외부측으로 2차 공기를 방향 전환하는 장치가 채용되지 않았으므로, 2차 공기의 대부분은 공기의 관성에 따라 버너의 축방향으로 유동되기 쉬웠다. 결국, 종래 기술에 의한 버너는 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐 사이의 순환 지대가 작아지고 또한 2차 공기 노즐과 3차 공기 노즐 사이에 순환 지대가 형성되기 쉬워져서 초기 단계에서 환원 화염과 2차 공기 및 3차 공기가 혼합되기 쉽다는 결점을 갖는다. 본 발명에서와 같이 반경 방향으로 외부측으로 2차 공기 유동을 방향 전환하기 위한 대응 조처를 취하면, 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합을 지연시켜 큰 NOx환원 지대를 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐 사이의 큰 순환 지대에 의해, 미분탄의 착화성은 착화되기 쉽도록 개선되고 또한 공기 부족 NOx환원 지대가 안정적으로 형성되는 효과가 성취될 수 있다.
2차 공기의 유속을 더 빠르게 하도록 2차 공기 유로를 협소화시키기 위한 유로 협소화 부재 또는 장애물(flow narrowing member or obstacle)을 2차 노즐 내에 추가로 제공하는 것이 양호하다. 유로 협소화 장애물에 의해 유속이 더 빨라진 2차 공기의 유동 방향을 안내판에 의해 변한 다음에 2차 공기 노즐로부터 2차 공기를 분출시키면, 추가의 외향 방향으로 3차 공기의 유동을 유도하는 것이 가능하다. 유로 협소화 장애물이 2차 공기 노즐의 내주벽 또는 외주벽에 제공될 수 있지만, 외향 방향으로 2차 공기의 유동 방향을 더 급속하게 변하게 하는 것이 가능하기 때문에 내주벽측에 제공되는 것이 양호하다.
본 발명은 미분탄의 착화성을 개선하기 위해 미분탄 노즐 선단의 외주에 화염 안정화 링을 갖는 미분탄 연소 버너에 적용될 수 있다. 또한, 상기 화염 안정화 링 또는 2차 공기 노즐의 내주벽 선단에 제공된 안내판에 슬릿을 형성하는 것이 가능하다. 슬릿은 화염 안정화 링 또는 안내판의 열변형을 억제하는 효과를 갖는다. 또한, 슬릿은 화염 안정화 링 또는 안내판 하류측에 순환 지대를 형성하기 쉽게 하는 효과를 갖는다.
도1(a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도.
도1(b) 및 도1(c)는 각각 도1(a)의 부분 확대도.
도2는 본 발명의 제1 실시예와 비교하기 위해 도시된 종래 기술에 의한 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도.
도6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도.
도7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도.
도8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도.
도9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 미분탄 노즐
11 : 2차 공기 노즐
12 : 3차 공기 노즐
13 : 미분탄 및 1차 공기
14 : 2차 공기
15 : 3차 공기
16 : 오일 건
17 : 벤투리관
18 : 화염 안정화 링
19 : 버너 목부, 노벽
20 : 안내 슬리브
21, 28 : 격벽
22, 27 : 선회기
23 : 측판
24 : 수관
25 : 윈드 박스
26 : 댐퍼
30 : 안내판
31 : 순환 지대
도1(a), 도1(b), 도1(c) 및 도2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 설명하기로 한다.
도1(a)는 본 실시예의 미분탄 연소 버너의 개략 단면도이고, 도1(b) 및 도1(c)는 각각 도1(a)에 도시된 노즐 단부 구역의 공기 유동 및 순환 지대를 설명하기 위한 도1(a)의 부분 확대도이다.
도1(a), 도1(b) 및 도1(c)에서, 10은 상류측에서 반송 튜브(도시되지 않음)로 연결되어 1차 공기와 함께 미분탄을 반송하고 공급하는 미분탄 노즐을 나타낸다. 11은 2차 공기를 분사하기 위한 2차 공기 노즐을 나타낸다. 2차 공기 노즐(11)은 미분탄 노즐(10)의 외주 주위에 형성되고 미분탄 노즐(10)과 동심인 원형 단면 형상의 유로를 갖는다. 12는 3차 공기를 분사하기 위한 3차 공기 노즐을 나타내며, 2차 공기 노즐(11)의 외주 주위에 형성되고 2차 공기 노즐(11)과 동심인 원형 단면 형상의 유로를 갖는다. 1차 공기, 2차 공기 및 3차 공기 사이의 유속 분포는 예컨대 1 내지 2 : 1 : 3 내지 7이며, 상기 유속 분포는 미분탄이 3차 공기에 의해 완전 연소되도록 이루어진다. 13은 유입되는 미분탄 및 1차 공기를 나타낸다. 14 및 15는 각각 유입되는 2차 공기 및 3차 공기를 나타낸다. 16은 미분탄 노즐(10)의 분출구 근방의 위치로 축방향 연장되기 위해 미분탄 노즐(10)에 제공된 오일 건을 나타낸다. 오일 건(16)은 버너의 시동 또는 저부하 연소시에 연소에 협력하기 위해 사용된다. 17은 미분탄이 역화(backfire)되는 것을 방지하도록 미분탄 노즐(10)의 내경을 소형화하는 벤투리관(venturi tube)을 나타낸다. 18은 미분탄 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)을 분할하고 순환 지대(31)로 연장되도록 1차 공기와 2차 공기를 분리하는 격벽(28)의 단부에 제공된 화염 안정화 링을 나타낸다. 19는 노벽을 형성하고 3차 노즐(12)의 외주벽으로도 역할을 하는 버너 목부(burner throat)를 나타낸다. 20은 2차 공기 노즐(11)과 3차 공기 노즐(12)을 분리하는 격벽(21)의 단부에 제공된 안내 슬리브를 나타내며, 본 발명에서는 상기 안내 슬리브도 튜브 확대부라고 부르기로 한다. 22는 2차 공기 노즐(11)의 주연을 따라 3차 공기를 선회시키기 위한 선회기를 나타낸다. 본 실시예에서는 상기 선회기(22)로서 대개 리지스터 베인(resistor vanes)이라고 부르는 공기 선회 베인(air swirling vanes)을 채용하고 있다. 23은 2차 공기를 유입시키기 위한 측판을 나타낸다. 24는 노벽(19)에 제공된 수관(water tube)을 나타낸다. 25는 2차 공기가 유입되는 윈드 박스(wind box)를 나타낸다. 26은 2차 공기를 조정하기 위한 댐퍼를 나타낸다. 27은 미분탄 노즐의 주연을 따라 2차 공기를 선회시키기 위한 선회기를 나타내며, 본 실시예에서는 상기 선회기(27)로서 대개 베인이라고 부르는 공기 선회 베인을 채용하고 있다. 28은 미분탄 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11) 사이의 격벽을 나타낸다. 30은 반경 방향으로 외부측을 향해 2차 공기를 분사하기 위한 2차 공기 노즐(11)의 내주벽 단부에 제공된 안내판을 나타낸다. 31은 미분탄 노즐(10) 및 2차 공기 노즐(11)의 분사 구역 사이에 형성된 순환 지대를 나타낸다. 52는 2차 공기 유동을 나타낸다. 53은 3차 공기 유동을 나타낸다. 65a는 화염 안정화 링(18)의 일부이고 2차 공기 노즐(11)의 내주부에 제공된 장애물(유로 협소화용)을 나타낸다.
도2는 종래 기술에 의한 미분탄 연소 버너의 노즐 단부 구역의 공기 유동 및 순환 지대를 설명하기 위한 확대도이며, 도1(b)의 미분탄 연소 버너와 비교하기 위해 도시되어 있다. 도2에 도시된 구조는 안내판이 제공되지 않는다는 점에서 도1(a)에 도시된 구조와 다르다.
다음에는 도1(a) 및 도1(b)를 참조하여 본 실시예의 연소 동작을 설명하기로 한다.
미분탄 연소 버너의 연소가 시작되면, 격벽(28) 하류의 공기는 각각의 노즐로부터 분사되는 공기에 합류되므로, 격벽(28) 하류의 압력은 감소되어 순환 지대(31)가 형성된다. 격벽(28)의 단부에 화염 안정화 링(18)이 제공되므로, 서로로부터 1차 공기와 2차 공기가 분리되어 순환 지대(31)는 확대된다. 순환 지대(31) 내부에 고온 기체가 체류하므로, 미분탄의 착화가 촉진되어 화염의 안정화는 개선된다. 따라서, 화염은 미분탄 노즐(10)의 분출구 근방의 미분탄 및 1차 공기에 의해 안정적으로 형성된다. 또한, 화염 내에서 산소의 소비가 진행되고 NOx환원 지대가 확대되어 NOx발생량을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 석탄의 연소가 향상되므로, 연소 후에 남는 연소재(combustion ashes) 중의 비연소 탄소가 감소된다. 또한, 선회기(22, 27)가 제공되므로, 선회기의 선회 유동에 따라 2차 공기 및 3차 공기가 분사되고 화염 안정화 링(18) 하류의 음압은 공기의 원심력에 의해 상승되어 순환 지대는 추가로 확대된다. 따라서, 연소 버너 근방에서의 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합이 지연되어 화염 내의 산소 농도는 감소되므로, NOx 환원 지대는 확대된다.
본 실시예에도 반경 방향으로 외부측을 향해 2차 공기 노즐(11)로부터 분사되는 2차 공기 유동(52)을 편향시키기 위한 수단으로서 2차 공기 노즐(11)의 내주벽 단부에 안내판(30)이 제공되므로, 2차 공기는 반경 방향으로 외부측의 방향으로 분사되고 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합은 추가로 지연되어 화염 안정화 링(18) 하류의 순환 지대는 확대된다. 따라서, 상기 순환 지대 구역의 미분탄의 연소는 촉진되어 NOx및 비연소 탄소가 추가로 감소될 수 있다.
안내판이 제공되지 않는 도2의 종래 기술에 의한 구조와 비교하여 상기 시기의 연소 상태를 설명하기로 한다.
도2에서, 3차 공기(53)의 유로는 테이퍼를 구비한 원통형 형상으로 형성된 안내 슬리브(20)에 의해 굽혀져서 3차 공기는 외향으로 분사된다. 한편, 2차 공기 노즐(11)의 유로는 안내 슬리브(20)에 의해 노즐 분출구에서 외향 확대된다. 공기가 관성에 따라 직선으로 유동되기 때문에 버너 축(도2의 대시선(dashed line))을 따라 2차 공기가 유동되기 쉬워서 안내 슬리브(20)를 따라 공기 유동의 분사 방향에 역방향(reverse direction)으로의 압력 강하(이하, 반대 압력 구배(adverse pressure gradient)라고 함)가 발생되므로, 안내 슬리브(20) 하류에는 순환 지대(54)가 형성된다. 상기 순환 지대(54)에 의해, 중심 방향(도2의 대시선)으로의 유동이 3차 공기(53)로 유도되어 3차 공기는 초기에 미분탄과 혼합되므로, NOx환원 지대는 협소해진다.
반면, 도1(b)에 도시된 바와 같은 본 실시예에서는 안내판(30)에 의해 2차 공기(52)가 외주 방향으로 분사된다. 따라서, 2차 공기 노즐(11)과 3차 공기 노즐(12)을 분리하는 안내 슬리브(20) 하류측에 순환 지대가 형성되는 것이 방지되거나 억제된다. 또한, 구체적으로는 3차 공기(53)보다 2차 공기(52)가 더 외향으로 분사되도록 버너가 구성되므로, 3차 공기(53)의 유동은 외주 방향으로 분사되는 2차 공기(52)의 모멘트에 의해 외주 방향으로 추가로 유도된다. 따라서, 버너 근방에서의 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합이 지연되고 화염 내의 산소 농도는 저하되어 NOx환원 지대는 확대되므로, 화염 내에 발생되는 NOx가 감소될 수 있다.
또한, 안내 슬리브(20)의 선단보다 안내판(30)의 선단이 버너 축(도1(b)의 대시선)축에 더 근접하게 배치되므로, 2차 공기는 더 외향으로 유동되기 쉬워서 안내 슬리브(20) 하류에는 순환 지대가 발생되지 않을 것이다.
상기 실시예에서, 화염 안정화 링(18)에 의해 2차 공기 노즐(11)의 유로가 분출구 근방에서 협소해지므로, 유로 협소화에 의해 유속이 빨라진 2차 공기는 분사되어 결국 3차 공기가 석탄과 혼합되는 시간이 추가로 지연될 수 있다.
상기 방식으로, 본 실시예에 따르면, 2차 공기 노즐(11)에 제공되는 안내판(30)에 의해 2차 공기 노즐(11)로부터 반경 방향 외부 방향으로 2차 공기가 분사된다. 또한, 2차 공기 노즐(11)과 3차 공기 노즐(12) 사이의 격벽(21) 하류측의 반대 압력 구배는 작아지므로, 2차 공기 노즐(11)의 외부측에 배치된 3차 공기 노즐(12)로부터 반경 방향 외부 방향으로 3차 공기도 분사된다. 따라서, 버너 근방에서의 미분탄과 미분탄 및 연소 공기의 혼합이 억제되어 미분탄은 저농도 산소 조건에서 버너 근방에서 연소되므로, NOx의 발생량이 감소된다.
일예로서, 연소 시험은 도1(a) 및 도1(b)에 도시된 바와 같은 미분탄 연소 버너(안내 슬리브(20)와 안내판(30) 사이의 거리는 10 ㎜)와 도2에 도시된 버너를 사용하여 연소로(combustion furnace, 500 ㎏/h)에서 수행되었다. 결과는 표1에 나타내어져 있다. 도1(a) 및 도1(b)의 버너에 의한 연소 후의 NOx농도는 103 ppm(6 부피% O2)였으며, 도2의 버너에 의한 NOx농도는 111 ppm(6 부피% O2)였다. 본 발명에 의해 NOx발생량을 감소시키는 효과가 확인되었다.
버너 구조 NOx(ppm, 6 부피% O2농도 기준) 연소재 중의 미연소 탄소(중량%)
안내판 없음(도2) 111 ppm 6.0
안내판 있음(도1(b)) 103 ppm 6.0
안내판 있음(도1(c)) 107 ppm 6.0
또한, 도1(c)는 도1(b)의 안내판(30)이 상류측을 향해 이동된 경우에 공기 유동을 설명하기 위한 노즐 단부의 확대도이다. 도1(c)에 도시된 버너에서와 같이, 슬리브(20)의 선단보다 더 상류측으로 안내판(30)이 축방향 이동된 경우에는 2차 공기(52)가 도1(c)에 도시된 바와 같이 유동된다. 즉, 2차 공기(52)의 유동 방향은 안내판(30)에 의해 외향으로 변하지만, 반경 방향으로 외부측을 향한 유동은 슬리브(20)에 의해 방지된다. 따라서, 버너로부터 분사되는 2차 공기는 도1(b)에 도시된 바와 같은 안내 슬리브(20)의 선단보다 버너 축 방향으로 더 하류측에 안내판(30)이 배열되는 경우보다 중심축 방향으로 더 유도되게 유동된다. 따라서, 도1(c)에 도시된 바와 같이, 안내 슬리브(20) 하류측에는 순환 지대(54)가 형성되기 쉽다. 상기 유동은 순환 지대(54)에 의해 3차 공기(53)로 유도된다. 중심축을 향한 유동은 3차 공기(53)로 유도되기 쉬우므로, 시간상 3차 공기와 미분탄 사이의 혼합이 앞서서 NOx환원 지대가 협소해진다.
일예로서, 도1(c)에 도시된 바와 같은 버너(안내판(30)의 선단은 버너 축 방향으로 10 ㎜ 정도로 안내 슬리브(20) 선단 하류 위치에 위치됨)를 사용하여, 500 ㎏/h의 석탄 공급 속도로 연소 시험이 수행되었다. 결과는 표1에 나타내져 있다. 상기 시기에, 도1(b)에 도시된 버너의 연소로 출구에서의 NOx농도는 103 ppm(6% 산소 농도 기준)였으며, 도1(c)에 도시된 버너에 의한 NOx농도는 동일한 미연소 탄소량을 기준으로 107 ppm(6% 산소 농도 기준)였으며, 버너 축 방향으로 슬리브 선단의 더 하류에 위치되는 경우보다 NOx발생이 더 상승되었다.
다음에는 도3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명하기로 한다.
도3은 제2 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도이다. 상기 실시예는 안내판(30)의 각도(55)와 안내 슬리브(20)의 각도(56)가 각각 조정 가능하다는 점에서 도1(a) 및 도1(b)의 제1 실시예와 다르며, 나머지 구조는 제1 실시예의 구조와 동일하다.
상기 실시예에 따르면, 안내판(30)의 각도(55)와 안내 슬리브(20)의 각도(56)를 조작하여 조정하면 안내판(30) 및 안내 슬리브(20)의 각도는 미분탄, 1차 공기 및 연소 공기의 공급량에 따라 조정되므로, 제1 실시예와 비교하면 추가의 적절한 순환 지대 구역을 형성하여 NOx및 미연소 탄소를 효과적으로 감소시키는 것이 가능하다.
60 내지 90°, 양호하게는 80 내지 90°로 안내판(30)의 각도(55)를 설정하면, 2차 공기와 3차 공기 사이에 순환 지대가 발생되는 것을 방지하여 안내판(30) 하류측에 큰 순환 지대를 형성하는 것이 가능하다.
도4를 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명하기로 한다.
도4는 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도이다. 상기 실시예는, 도4에 도시된 바와 같이, 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 반경 방향으로 외부측으로 분사되는 공기 유동을 유도하거나 안내하기 위한 유도 부재로서 테이퍼 형상 링(61)이 2차 공기 노즐(11)의 출력 구역에 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서는 링(61)이 안내 슬리브(20)를 따라 외부로 2차 공기의 일부를 유도하는 결과가 유발된다. 따라서, 3차 공기(53)가 외주를 향해 유동되고 버너 근방에서의 미분탄과 2차 공기 및 3차 공기의 혼합이 지연되고 화염 내의 산소 농도가 감소되어 화염 내의 NOx환원 지대가 확대되므로, NOx및 미연소 탄소를 효과적으로 감소시키는 것이 가능하다.
도5를 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 설명하기로 한다.
도5는 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도이다.
본 실시예는, 도5에 도시된 바와 같이, 반경 방향으로 외부측을 향해 기체를 분사하기 위한 기체 분사 노즐(63)이 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되는 2차 공기 유동을 편향시키기 위한 수단으로서 2차 공기 노즐(11) 내부 또는 노즐 분출구 구역에 제공되는 것을 특징으로 한다. 나머지 구조는 제1 실시예의 구조와 대략 동일하다. 기체로서, 질소, 증기 등 불활성 기체, 공기, 연소 배기 가스 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 기체 분사 노즐(63)로부터 분사되는 기체의 모멘텀에 의해 외주를 따라 2차 공기 노즐(11)로부터 분사되는 2차 공기가 유동된다. 모멘텀을 크게 하기 위해, 기체 분사 노즐(63)로부터 분사되는 공기의 유속이 2차 공기 노즐(11)로부터 분사되는 공기의 유속보다 빠른 것이 양호하다. 상기 구조의 버너로써, 격벽(28) 하류에 형성된 순환 지대는 확대되고 순환 지대에 의해 미분탄의 착화가 촉진되어 산소의 소비가 진행되므로, 화염 내의 저농도 산소 분위기 구역을 확대하여 NOx및 미연소 탄소를 효과적으로 감소시키는 것이 가능하다.
도6을 참조하여 본 발명의 제5 실시예를 설명하기로 한다.
도6은 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 노즐 단부의 단면도이다.
본 실시예는, 도6에 도시된 바와 같이, 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 반경 방향 외부측을 향해 2차 공기 유동을 편향시키기 위한 수단으로서 2차 공기 노즐(11)의 분출구에 2차 공기를 위한 선회기로서의 선회 베인(64)이 제공되는 것을 특징으로 한다. 나머지 구조는 제1 실시예의 구조와 대략 동일하다.
상기 실시예에서, 2차 공기는 선회 베인(64)에 의해 선회되어 원심력에 의해 반경 방향으로 외부측을 향해 편향되게 유동된다. 따라서, 2차 공기는 안내 슬리브(20)를 따라 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되어 반경 방향으로 외부측으로 안내되므로, 더 적절한 순환 지대 구역이 형성되어 NOx및 미연소 탄소를 효과적으로 감소시키는 것이 가능하다.
상기된 바와 같이, 상기 실시예의 미분탄 연소 버너의 각각에는 2차 공기 노즐로부터 2차 공기 노즐의 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되는 2차 공기를 편향시키기 위한 수단이 제공되므로, 2차 공기는 반경 방향으로 외부측을 향해 유동되어 2차 공기 노즐과 2차 공기 노즐의 외주측에 위치된 3차 공기 노즐을 분할하는 격벽 하류에는 순환 지대가 형성되지 않을 것이다. 순환 지대 구역에는 공기 유동의 분사 방향에 역방향(반대 압력 구배)으로의 압력 강하가 유발된다. 따라서, 반대 압력 구배에 의해 순환 지대를 따라 유동되는 공기의 유동 방향이 변하며, 1차 공기측을 향해 순환 지대의 외부로 유동되는 공기가 유동되기 쉽다. 그러나, 본 발명에서, 2차 공기는 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되므로, 1차 공기와 2차 공기는 서로로부터 분리되어 분리된 상태로 유동된다. 따라서, 반대 압력 구배는 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐의 격벽 하류측에서 커져서 반대 압력 구배 구역에 형성되는 순환 지대는 확대된다. 1차 공기와 2차 공기 사이에 형성되는 순환 지대에는 고온 기체가 체류하여 미분탄의 착화 및 화염을 안정화시킨다. 순환 지대가 확대되면 고온 기체에 의해 미분탄의 착화가 촉진된다. 착화에 의해 산소의 소비가 진행되면서 화염 내의 저농도 산소 분위기 구역이 확대되므로, NOx발생량 및 연소재 중의 미연소 탄소량을 감소시키는 것이 가능하다.
또한, 미분탄의 착화 및 화염의 안정성이 개선되므로, 연소를 위해 필요한 거리가 단축되어 결국 장치 자체가 소형화될 수 있다. 또한, 저부하 동작되는 시기에 미분탄의 농도가 작아지는 경우에도 화염이 안정화되므로, 다른 종류의 연료 협력 없이도 미분탄 연소 버너에 의해 미분화된 석탄 단독의 가능한 연소 범위가 확대된다.
도7을 참조하여 본 발명의 제6 실시예를 설명하기로 한다.
도7은 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도이다.
상기 실시예는, 도7에 도시된 바와 같이, 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 반경 방향으로 외부측으로 분사되는 2차 공기 유동을 편향시키고 격벽(28) 하류측에 순환 지대를 형성하기 위한 수단으로서 격벽(28)의 단부에 1차 공기 유동 및 2차 공기 유동의 방향에 수직한 평면을 갖는 링(30)이 제공되는 것을 특징으로 한다. 나머지 구조는 제1 실시예의 구조와 대략 동일하다.
도7에서, 링(30)은 미분탄 노즐(10)측에 형성된 내부 링(301)과 2차 공기 노즐(11)측에 형성된 외부 링(302)으로 형성되어 있다. 링(30)은 링(30)에 의해 1차 공기 및 2차 공기에 난류를 유발시키므로, 링(30) 하류에 형성된 순환 지대는 전개된다. 본 실시예에서는 내부 링(301) 및 외부 링(302)의 위치도 유동 방향으로 서로로부터 분리된다. 결국, 링(30) 하류에 형성된 순환 지대에서, 미분탄 유동측과 공기 유동측 사이에 유동 방향의 어긋남(slippage, 또는 차이)이 발생되어 순환 지대(31)는 유동 방향으로 연장되기 위해 또 기체가 하류측으로부터 재반송되도록 형성된다.
본 발명에 따르면, 상기 방식으로, 순환 지대 구역은 확대될 수 있고 화염 내의 저농도 산소 분위기 구역도 확대될 수 있으므로, NOx발생량 및 연소재 중의 미연소 탄소량이 효과적으로 감소될 수 있다.
또한, 미분탄의 착화 및 화염의 안정화를 개선하는 것과 연소를 위해 필요한 거리를 단축시키는 것이 가능하다. 또한, 저부하에서 연소되는 시기에 따라 미분탄의 농도가 감소되는 경우에도 화염이 안정화되므로, 미분탄 연소 버너에 의해 미분탄 단독의 연소가 가능한 범위가 확대된다.
도8을 참조하여 본 발명의 제7 실시예를 설명하기로 한다.
도8은 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도이다.
상기 실시예는, 도8에 도시된 바와 같이, 격벽(28)의 단부에 제공되는 링(30)에 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 반경 방향으로 외부측으로 분사되는 2차 공기 유동을 편향시키고 격벽(28) 하류측에 순환 지대를 형성하기 위한 수단으로서 링(30)의 2차 공기 노즐 내벽측에 두꺼운 부분(303, 예컨대 10 ㎜ 두께)이 제공되는 것을 특징으로 한다. 나머지 구조는 제6 실시예의 구조와 대략 동일하다.
본 실시예에 따르면, 2차 공기 노즐(11)의 유로는 두꺼운 부분(303)에 의해 협소해지고 2차 공기는 두꺼운 부분(303)을 통과하는 경우에 속도가 빨라져서 외부 링(302)에 충돌된 다음에 반경 방향으로 외부측으로 분사된다. 결국, 순환 지대(31)를 확대되게 형성하는 것과 화염 내의 저농도 산소 분위기 구역을 확대하는 것이 가능하므로, NOx발생량 및 연소재 중의 미연소 탄소량이 효과적으로 감소될 수 있어서 미분탄의 착화 및 화염의 안정화를 개선하는 것이 가능하다.
또한, 제6 및 제7 실시예에서는 링(30) 중 외부 링(302)은 균일한 링을 이루고 있지만, 외부 링(302)은 필요하면 단부의 주연부에서 노치 형상 또는 요철 형상을 이룰 수도 있다. 상기 형상으로 형성하면, 링의 열변형이 감소될 수 있고 또한 외부 링(302) 하류의 난류는 증가되어 순환 지대는 추가로 전개된다. 또한, 요철 노치는 외부 링(302)뿐만 아니라 내부 링(301)에 형성될 수 있다.
도9를 참조하여 본 발명의 제8 실시예를 설명하기로 한다.
도9는 본 실시예에 따른 미분탄 연소 버너의 단면도이다.
상기 실시예는, 도9에 도시된 바와 같이, 2차 공기 노즐(11)로부터 2차 공기 노즐(11)의 외주측으로 분사되는 2차 공기 유동을 편향시켜서 격벽(28) 하류측에 순환 지대를 형성하기 위한 수단으로서 링(30)이 제공되어 2차 공기 노즐(11)의 분출구 근방의 유로를 협소화시키는 복수의 협소화 부분이 주연 방향으로 제공되는 것을 특징으로 한다. 나머지 구조는 제6 실시예의 구조와 대략 동일하다.
본 실시예에 따르면, 2차 공기는 협소화 부분(65b)에 의해 속도가 빨라져서 공기 유동은 협소화 부분(65b) 없이 확대부에 의해 방해되므로, 상당히 많은 빈도로 일정한 난류를 발생시키는 것이 가능하다. 따라서, 하류측에 형성된 순환 지대(31)는 전개된다. 또한, 협소화 부분(65b)에 의해 증가되는 속도를 갖는 2차 공기는 외부 링(302)에 충돌되므로, 반경 방향으로 외부측으로 유도된 유속은 증가될 수 있다. 따라서, 2차 공기는 버너 중심부에서 유동되는 미분탄으로부터 분리되어 미분탄과 1차 공기 및 2차 공기의 혼합이 지연될 수 있으므로, 화염 내의 NOx환원 지대는 확대되고 NOx발생량 및 연소재 중의 미연소 탄소량이 효과적으로 감소되어 미분탄의 착화 및 화염의 안정성을 개선하는 것이 가능하다.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2차 공기 노즐로부터 2차 공기 노즐의 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되는 2차 공기를 편향시키기 위한 유동 방향 전환 수단이 제공되므로, 2차 공기는 반경 방향으로 외부측을 향해 유동되고 미분탄 노즐과 2차 공기 노즐 사이의 격벽 하류에 형성된 순환 지대는 반경 방향으로 외부측을 향해 이동되어 스케일은 확대될 수 있다. 결국, 미분탄과 2차 공기, 버너 근방에서의 3차 공기의 혼합이 억제되어 미분탄은 버너 근방의 저농도 산소 분위기에서 연소되어 NOx발생이 효과적으로 감소될 수 있다.

Claims (17)

  1. 미분탄과 1차 공기의 혼합물을 분사하거나 분출시키기 위한 미분탄 노즐과, 상기 미분탄 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 2차 공기 노즐과, 상기 2차 공기 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 3차 공기 노즐과, 상기 2차 공기 노즐의 외주벽 단부에 형성된 확대부를 포함하는 미분탄 연소 버너에 있어서,
    상기 확대부를 따라 2차 공기가 유동되도록 상기 2차 공기 노즐로부터 반경 방향으로 외부측을 향해 분사되는 2차 공기를 방향 전환하기 위한 유동 방향 전환 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유동 방향 전환 수단은 상기 2차 공기 노즐의 내주벽 단부에 제공된 안내판을 포함하며, 상기 안내판은 상기 확대부보다 예각으로 배열되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유동 방향 전환 수단은 반경 방향으로 외부측을 향해 상기 2차 공기 노즐에서 유동되는 2차 공기가 방향 전환되도록 2차 공기를 향해 기체를 분사하기 위한 기체 분사 노즐인 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유동 방향 전환 수단은 2차 공기가 외주벽측을 향해 방향 전환되도록 안내하기 위한 유도 부재인 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유동 방향 전환 수단은 상기 2차 공기 노즐의 분출구에 제공된 2차 공기 선회기인 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  6. 제2항에 있어서, 상기 미분 노즐의 중심축에 대한 상기 안내판의 각도가 60 내지 90°의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  7. 제2항에 있어서, 상기 안내판의 단부는 상기 2차 공기 노즐의 외주벽 단부에 제공된 상기 확대부의 단부보다 더 하류에 돌출되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  8. 제7항에 있어서, 상기 2차 공기 노즐의 외주벽에 형성된 상기 확대부의 단부와 상기 안내판의 단부 사이의 거리가 5 내지 50 ㎜의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  9. 제1항에 있어서, 상기 3차 공기 노즐에는 3차 공기를 선회시키고 분사하기 위한 선회기가 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  10. 제1항에 있어서, 상기 2차 공기 노즐의 외주벽 단부와 상기 3차 공기 노즐의 내주벽의 단부에 모두 확대되는 상기 확대부는 상기 2차 공기 노즐과 상기 3차 공기 노즐을 분리하는 격벽의 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  11. 제1항에 있어서, 상기 2차 공기 노즐의 공기 유로에는 공기 유속이 더 빨라지도록 상기 2차 공기 노즐의 유로를 협소화시키기 위한 유로 협소화 장애물이 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반경 방향으로 외부측을 향한 속도가 더 빨라지도록 2차 공기를 방향 전환하기 위한 상기 안내판은 상기 2차 공기 노즐에 배열된 상기 유로 협소화 부재 하류에 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  13. 제11항에 있어서, 상기 유로 협소화 부재는 상기 2차 공기 노즐의 내주벽에 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  14. 제1항에 있어서, 상기 3차 공기 노즐의 단부가 외향 확대되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  15. 제1항에 있어서, 상기 미분탄 노즐 단부의 외주에는 화염 안정화 링이 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  16. 제2항에 있어서, 상기 안내판에는 슬릿들이 제공되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
  17. 미분탄과 1차 공기의 혼합물을 분사하거나 분출시키기 위한 미분탄 노즐과, 상기 미분탄 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 2차 공기 노즐과, 상기 2차 공기 노즐의 외주 주위에 동심으로 배열된 3차 공기 노즐과, 상기 2차 공기 노즐의 외주벽 단부의 확대부를 포함하는 미분탄 연소 버너에 있어서,
    상기 미분탄 노즐과 상기 2차 공기 노즐을 분할하는 격벽의 선단에는 장애물이 제공되며, 상기 장애물은 1차 공기 유동에 수직한 평면과 2차 공기 유동에 수직한 평면을 가지며, 상기 1차 공기 유동에 수직한 상기 장애물의 상기 평면은 2차 공기 유동에 수직한 상기 장애물의 상기 평면 상류측으로부터 분리되어 그 상류측에 배열되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소 버너.
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