KR100372145B1 - 질소산화물저감형미분탄버너 - Google Patents

Abstract

목적 : 미분탄 노즐 내부에서 미분탄류의 분포 균일화 및 화로 내로 분사되는 미분탄의 농도를 집중 또는 분산되도록 조정하여 보염 기능을 강화하고 화로 중간부분에 전산소연소 및 버너 출구에서의 연료와 공기의 농도를 부분적으로 높여 질소산화물을 저감할 수 있는 미분탄 버너를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 본 발명은 오일 너버 외통(50)의 외주에 미분탄의 진행 방향으로 경사부를 가진 다수의 블록(46)을 갖추고 회전 가능하게 설치되는 회전 블록부(54)와, 다수의 블록(46)에 대응되는 개수로 미분탄 노즐(44)의 내주에 설치되어지며 미분탄의 진행 방향으로 경사를 달리하는 두 경사부가 갖추어진 다수의 고정 디퓨져(46)가 미분탄 노즐(44)에서 분사되는 미분탄에 의한 화염을 최적으로 발생되게 하는 구조를 제안한다.

효과 : 미연분 물질의 저감과 질소산화물의 급격한 생성을 억제를 통한 환경오염의 방지를 도모하고, 운전비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

질소산화물 저감형 미분탄 버너{Pulverized coal burner for reducing NOx}

본 발명의 미분탄 버너(pulverized coal burner)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화석연료의 연소로 인하여 발생되는 공해 물질을 연소과정에서 감소시킬 수 있는 질소산화물 저감형 미분탄 버너에 관한 것이다.

미분탄 버너는 화석연료의 일종인 석탄을 분쇄기에 갈아 50메시(mesh) 정도의 미분탄으로 미세화시킨 후 이것을 예열한 1차공기와 함께 배풍기(排風機)에 의해서 화로로 보낸 다음 2차공기와 함께 화로에서 뿜어 넣어서 부유(浮游)상태로 연소시키는 장치이다.

이러한 미분탄 버너의 부하 조절성(turn-down ratio)은 밀(mill)에 의해 분쇄되는 미분탄의 제조·운송 특성에 의해 결정되는 양으로 저부하시 미분탄 노즐의 관내 미분탄 축적을 방지하기 위하여 1차공기의 최소량을 확보하게 되는데, 이 때 1차공기에 대한 미분탄의 비율(Air/coal ratio)이 증가하여 화로 내의 화염 안정화에 심각한 문제를 야기하게 된다. 일반적으로 밀의 운전에 대한 최소부하는 밀의 운전 특성상 약 35~40% 정도로 유지하나 밀의 안정 운전 영역을 확장시키기 위해서밀의 특성을 변경하는 방법이 있다. 그러나 이는 운전특성이 다른 별도의 밀을 설치해야 하는 어려움이 있다. 따라서, 최근들어 버너 제작사들은 버너 구조의 변경으로 1차공기에 대한 미분탄의 비율을 적절하게 조정하여 이러한 문제를 해결하고 있다.

또한, 미분탄 연소시 발생하는 질소산화물(No_x), 미연분(분진) 등의 공해물질 저감기법으로 주로 1차 연소 영역(버너의 초기 연소영역)에서 연료과잉-공기부족 상태, 즉 연료에 대한 공기비를 1.0 이하로 유지하여 질소의 반응을 억제하고 공기 부족에 의해 발생되는 불완전 연소물을 화로내 입구 온도에 비해 상대적으로 온도가 낮은 화로 후류 측으로 유도하고, 여기로 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

현재 실용화되어 있는 저공해 연소법은, 1차 연소된 연소가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 버너로 유입시켜 연소시키는 연소가스 재순환법, 연소공기의 일부분을 버너 위에 설치된 구멍으로 직접 보내어 버너 지역에서 불완전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 화로내 이단연소법 등의 설비 추가에 의한 공해물질 저감기법 및 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법에 의해서 연소용 공기와 연료의 혼합 특성을 제어함으로써 질소산화물 및 미연분의 생성을 감소시키는 저공해형 버너 등으로 구분할 수 있는데, 연소가스 재순환법과 공해물질 저감기법은 질소산화물 감소 효과는 높으나 기존 설비에 공해방지 후처리 설비를 추가해야 함으로 경제적인 부담 및 설비, 보수, 유지 등에 지속적인 부담이 요구된다. 따라서 최근에는 버너 내부의 공기역학적인 고려에 의한 구조변경만으로 부가적인 설비없이 공해물질을 저감시킬 수 있는 저공해형 버너가 선호되는 추세이다.

도 7에서는 종래 공지된 질소산화물 저감형 미분탄 버너를 개략적으로 나타내고 있다.

액체 연료를 화로의 내부로 공급하는 오일 버너 건(2)이 오일 버너 외통(4)에 포함된 채 버너 타일(6)의 일부에 형성된 관통구(8)를 통해 연통되어 설치되고, 오일 버너 건(2)의 외측에는 화석 연료의 일종인 미분탄과 1차공기를 혼합하여 공급할 수 있는 원통형의 미분탄 노즐(10)이 배치된다.

그리고 미분탄 노즐(10)의 외측에는 2차공기 선회기(12)와 3차공기 선회기(14)가 각각 장착된 2차공기 공급통(16)과 3차공기 공급통(18)을 설치한다. 이들 2차공기 공급통(16)과 3차공기 공급통(18)의 사이에는 플로우 디바이더(flow divider;20)가 설치됨으로써 선회기들(12)(14)에 의해 유입되는 외부공기를 2차공기와 3차공기로 분리시킨다.

이러한 미분탄 버너는 미분탄 노즐(10)을 통해 공급되는 미분탄과 1차공기가 오일 버너 건(2)의 선단부에 설치되는 버너 노즐(22)에 의해 점화되어 화염대가 형성되는데, 이 때 2차공기 공급통(16)과 3차 공기 공급통(18)에 장착된 2·3차공기 선회기(12)(14)는 외부공기를 유입하여 2·3차공기로 전환시킨다. 이 공기들은 미분탄의 휘발성분을 방출시키는 효과와 함께 미연소된 휘발성분과 연소되고 남은 촤(char)를 충분한 산소상태로 유지하여 완전연소를 도모하게 된다.

그러나, 미분탄이 화로 내부로 유입되면서 연소되는 과정에서 미분탄 노즐의관축 방향에 대해 직진성만 보유한 것이 아니라 정역 방향으로 소용돌이 치며 분출되면서 화염을 형성하게 되는데, 이 때 미분탄과 공기의 혼합이 원활하지 못한 관계로 질소산화물이 많이 배출되어 화로 내에서 완전연소가 이루어지지 못하는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 이와같은 종래 공지된 질소산화물 저감형 미분탄 버너에서 보다 좀 더 향상된 완전연소를 추구하기 위해 개선된 구조를 갖춘 미분탄 버너를 제안하고자 하는 바, 미분탄 노즐 내부에서 미분탄류의 분포 균일화 및 화로 내로 분사되는 미분탄의 농도를 집중 또는 분산되도록 조정하여 보염 기능을 강화하고 화로 중간부분에 전산소연소 및 버너 출구에서의 연료와 공기의 농도를 부분적으로 높여 질소산화물을 저감할 수 있는 미분탄 버너를 제공하는 것이 목적이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 오일 너버 외통의 외주에 미분탄의 진행 방향으로 경사부를 가진 다수의 블록을 갖추고 회전 가능하게 설치되는 회전 블록부와, 다수의 블록에 대응되는 개수로 미분탄 노즐의 내주에 설치되어지며 미분탄의 진행 방향으로 경사를 달리하는 두 경사부가 갖추어진 다수의 고정 디퓨져가 미분탄 노즐에서 분사되는 미분탄에 의한 화염을 최적으로 발생되게 하는 구조를 제안한다.

바람직하게는, 다수의 블록과 다수의 고정 디퓨져는 각각 동일한 등간격으로 배치될 수 있다.

그리고, 회전 블록부는 0 내지 45도 범위 내에서 회전될 수도 있다.

또한, 다수의 블록에는 화로를 향하는 미분탄의 진행 방향으로 점차 상승되는 경사부가 형성되어 미분탄이 화로내에서 확산되도록 한다.

아울러, 고정 디퓨져의 경사부 중에서 일측의 경사부는 다수의 블록 경사부와 동일하게 경사질 수 있도록 하고, 고정 디퓨져의 타측 경사부는 일측 경사부와 반대로 경사져 오일 버너 외통과 미분탄 노즐 사이에서 화로를 향하는 미분탄의 진행 방향으로 미분탄이 모아지도록 경사진 것이다.

특히, 타측 경사부는 일측의 경사부에 비해 기울기의 절대치가 더 큰 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 미분탄 버너의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.

도 2a는 본 발명에 따른 미분탄 버너의 회전 블록부가 정위치 상태를 도시한 정면도.

도 2b는 도 2a의 A-A에서 본 단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 미분탄 버너의 회전 블록부가 45°회전된 상태에서 도시한 정면도.

도 3b는 도 3a의 B-B에서 본 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 미분탄 버너의 회전 블록부가 정위치 상태에서의 미분탄 노즐 출구의 미분탄농도 분포를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 미분탄 버너의 회전 블록부가 45°회전된 상태에서의 미분탄 노즐 출구의 미분탄농도 분포를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예와 종래 공지된 실시예의 질소산화물 배출특성을 도시한 그래프.

도 7은 종래 공지된 미분탄 버너를 도시한 측단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 버너 타일 32 : 관통구

44 : 미분탄 노즐 46 : 고정 디퓨져

48 : 오일 너버 건 50 : 오일 버너 외통

52 : 블록 54 : 회전 블록부

56 : 압력조정관 60 : 가변블록

이하 본 발명에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1 에는 본 발명의 특징에 따른 미분탄 버너의 개략적인 단면도이고, 도 2a는 미분탄 버너의 회전 블록부가 정위치 상태를 도시한 정면도이며, 도 2b는 도 2a의 A-A에서 본 단면도를, 도 3a는 미분탄 버너의 회전 블록부가 45°회전된 상태에서의 정면도이고, 도 3b는 도 3a의 B-B에서 본 단면도를 나타내고 있다.

부분적으로 생략된 화로의 버너 타일(30)에는 관통구(32)가 형성되고, 이 관통구(32)에 접하여 버너 타일(30) 외측으로 3차공기 공급통(34)이 설치되며, 이 3차공기 공급통(34)의 내부에는 3차공기 선회기(36)가 장착되어 3차공기(외부공기)를 흡입·선회시키게 된다.

또, 3차공기 공급통(34)의 내측에 2차공기 공급통(38)이 설치되며, 이 2차공기 공급통(38)의 내부에도 2차공기(외부공기)를 흡입·선회시키는 2차공기 선회기(40)가 장착된다.

그리고, 3차공기 공급통(34)과 2차공기 공급통(38)의 사이에는 플로우 디바이더(42)가 설치됨으로써 3차공기와 2차공기를 분리하여 화로로 유입되도록 하는 유로를 형성하는 것이다.

한편, 관통구(32)의 중심부이자 2차공기 공급통(38)의 중심부에 배치되는 미분탄 노즐(44)로는 석탄을 분쇄하여 얻은 미분탄과 1차공기가 혼합 후 공급되어 화로의 내부로 분사되어진다.

이러한 미분탄 노즐(44)의 화로측 끝단부에는 본 발명에 따른 다수의 고정 디퓨져(46)가 설치되데, 미분탄 노즐(44)의 내주에 90°간격으로 설치되어 모두 4개가 설치되어질 수 있다.

상기 고정 디퓨져(46)의 단면을 미분탄 노즐(44)의 관축 방향으로 절개하여 측면에서 살펴보면 대략 역사다리꼴로 형성되며 마주보는 양 빗면의 경사는 서로 역으로 형성됨을 알 수 있다. 여기서, 화로측과 가까운 일측 경사면(도 1의 우측)의 기울기와 타측 경사면의 기울기를 절대치로 비교하면 타측 경사면의 기울기가 더 크게 형성되는 것이다.

전술한 미분탄 노즐(44)의 내부 중심부에는 오일 버너 건(48)을 내장한 오일 버너 외통(50)이 화로의 입구까지 배치되어진다.

상기 오일 너버 외통(50)의 끝단부 외주에는 고정 디퓨져(46)의 개수와 동일하게 4개의 블록(52)으로 이루어진 회전 블록부(54)가 정역 방향으로 45°회전 가능하게 설치되는 것이고, 블록(52)은 미분탄과 1차공기의 진행 방향을 기준으로 오일 버너 외통(50)의 외주에서 화로측을 향하여 점차 상승하는 기울기를 가지고, 그 기울기는 고정 디퓨져(46)의 일측 경사면과 동일한 기울기로 된다.

그리고, 상기 각각의 고정 디퓨져(46)와 회전 블록부(54)의 각 블록(52)이 동일 각도에 위치하였을 경우, 고정 디퓨져(46)의 경사면과 블록(52)의 경사면 사이에는 유로가 형성되어 미분탄과 1차공기가 통과될 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 미분탄 버너의 작동과정과 이에 따른 효과를 살펴본다.

우선, 회전 블록부(54)를 고정시킨 상태에서는 화로로 분출되는 미분탄이 미분탄 노즐(44)의 관축 방향에 대해 회전 없이 분출될 경우 적용되며 이 때 미분탄 버너의 작동을 살펴보면, 버너를 작동시킴에 따라 오일 버너 건(52)의 버너 노즐에서 액체 연료가 분사되며 불꽃이 점화되고, 이와 거의 동시에 미분탄과 1차공기가 미분탄 노즐(44)의 내부를 통과하여 화로를 향하게 되는데, 분사되던 미분탄과 1차공기의 일부가 고정 디퓨져(46)에 이르러 타측의 경사면에 의해 유로가 변경됨과 동시에 유속이 빨라지고 블록(52)의 경사면과 고정 디퓨져(46)의 일측 경사면 사이를 통과하여 화로로 분출되면서 분산이 이루어짐으로써 관통구(32)를 통한 화로의 입구측에서는 도 4에 도시한 바와 같은 미분탄농도 분포를 보임으로 그에 따른 화염형상이 형성되는 것이며, 고정 디퓨져(46)와 블록(52)을 경유하지 않고 그대로 화로로 분사되는 미분탄과 1차공기는 통상의 미분탄농도를 갖는 화염형상이 형성된다.

다음으로, 회전 블록부(54)를 45°회전시킨 상태에서 미분탄 버너가 작동되고 미분탄 노즐(44)과 각 공기 공급통(34)(38)을 통해 공기가 공급되면, 미분탄 노즐(44)을 통해 미분탄과 1차공기가 화로를 향하게 되고, 분사되던 미분탄과 1차공기의 일부는 고정 디퓨져(46)와 회전 블록부(54)의 블록(52)에 의해 유로가 변경됨에 따라, 도 5에 도시한 바와 같이 미분탄 농도 분사에 따른 화염 형상이 나타나게 되는 것이다.

여기서, 회전 블록부(54)의 각도 변경은 45°로 국한된 것은 아니며 0~45°범위 내에서 조절가능한 것으로 화로 내부로 분출되는 미분탄이 정역 방향으로 소용돌이 치지 않으면서 분사될 수 있도록 적절하게 조절 가능하다.

이렇게 회전 블록부(54)의 위치를 변경하여 미분탄의 공급 경로를 변경시키게 되면 도 6에 도시한 바와 같이 화로 내부에서 바깥쪽으로는 미분탄 농도가 높게 되고 상대적으로 중심부에서는 희박하게 분사되어 질소산화물 환원영역의 확대로 인한 미분탄의 휘발분 중에 포함된 질소성분은 질소산화물보다는 질소분자로 전환되고, 따라서 화염대 초기에서 집중적으로 발생되는 질소산화물을 다시 환원시킴으로써 그 생성량을 줄일 수 있다. 이러한 질소산화물 억제 과정에서 필연적으로 증가되는 미연분은 화염대 후류에서 3차공기와 활발하게 혼합되면서 완전 연소하게 되는 것이며, 후류연소 지역에서는 화염대 중간부터 연소되기 시작한 대부분의 촤 성분이 계속적으로 연소되는 것으로 화염대 후류로 이동하면서 충분하게 가열된 3차공기와 혼합되어 활발하게 연소됨으로 질소산화물 뿐만 아니라, 연소시의 미연손실을 기존의 미분탄 버너에 비해 현저하게 줄일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 미분탄 버너는 종래의 제품보다 개선된 완전연소를 얻을 수 있다.

즉, 오일 버너 외통과 미분탄 노즐의 사이에 다수의 고정 디퓨져와 이에 대응되는 다수의 블록으로 된 0~45°범위 내에서 회전 가능한 회전 블록부를 설치하여 미분탄이 화로 내부로 분출될 때 무선회되면서 분출될 수 있도록 함으로써 화염대 초기에서 질소산화물을 질소분자로 변환시키도록 한다.

따라서, 종래 공지된 미분탄 버너에 비해 질소산화물의 발생이 줄게 되어 완전연소가 가능함에 따라 공해물질의 배출을 줄일 수 있게 되는 것이다.

Claims (5)

1. 냉각공기를 공급하는 오일 버너 외통의 중심부에 버너 건이 배치되고, 이의 끝단부에 장착된 노즐을 통해 분사되는 액체 연료로 오일 버너 외통을 감싸는 미분탄 노즐을 통해 공급되는 미분탄과 2,3차 공기를 화로 내에서 연소시킬 때 발생되는 열에너지를 이용하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너에 있어서,

   상기 오일 버너 외통(50)의 외주에 미분탄의 진행 방향으로 경사면를 가지고 있으며 원주상 등간격으로 배치된 다수의 블록(52)을 갖추어 설치되는 회전 블록부(54)와;

   상기 회전 블록부(54)는 0 내지 45도 범위 내에서 회전 가능하게 설치되고;

   상기 다수의 블록(52)에 대응되는 개수로 상기 미분탄 노즐(44)의 내주에 원주상 등간격으로 설치되어지며 미분탄의 진행 방향으로 경사를 달리하는 두 경사면이 갖추어진 다수의 고정 디퓨져(46)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 블록(52)에는 화로를 향하는 미분탄의 진행 방향으로 점차 상승되는 경사면이 형성되어 미분탄을 화로내에서 확산되도록 하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 디퓨져(46)의 경사면 중에서 일측의 경사면은상기 다수의 블록(52) 경사면과 동일하게 경사진 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고정 디퓨져(46)의 타측 경사면은 일측 경사면과 반대로 경사져 오일 버너 외통(50)과 미분탄 노즐(44) 사이에서 화로를 향하는 미분탄의 진행 방향으로 미분탄이 모아지도록 경사진 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 타측 경사면은 일측의 경사면에 비해 기울기의 절대치가 더 큰 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.