KR100372147B1 - 질소산화물 저감형 미분탄 버너 - Google Patents

Abstract

목적 : 화석 연료의 연소과정에서 필연적으로 생성되는 공해물질인 질소산화물의 생성을 억제하면서 저부하에서도 안정적인 석탄 연소가 가능한 미분탄 버너를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 종래의 액체연료를 공급하는 오일 노즐(10), 2차공기 선회기(22)와 3차공기 선회기(32)가 각각 장착된 2차공기 공급통(20)과 3차공기 공급통(30), 2차공기 공급통(20)과 3차공기 공급통(30)에 의한 공기를 분리하기 위한 공기 분리통(50), 버너타일(12)로 구성된 종래의 미분탄 버너에 있어서, 화실측 선단에 일정 경사각을 갖도록 구성된 미분탄 노즐 확산기(62)를 구비한 미분탄 노즐(60)을 구성하고, 그 내측에 미분탄 노즐 확산기(62)와 동일한 각도의 이동노즐 확산부(74)를 갖으며 이동 가능한 이동 노즐(70)을 설치한 구조로 구성된다.

효과 : 질소 산화물의 생성량을 감소시키고 안정된 미분탄 연소를 수행할 수 있으며, 추가 설비 없이 환경규제치를 만족하므로 경제적인 효과가 있다.

Description

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

본 발명은 미분탄 버너(pulverized coal burner)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화석연료의 연소로 인하여 발생되는 질소 산화물을 연소과정에서 감소시킬 수 있는 미분탄 버너에 관한 것이다.

미분탄 버너는 화석연료의 일종인 석탄을 분쇄기로 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.

화석 연료를 사용하고 있는 산업용 보일러에 있어서 연소과정중에 형성되는 질소 산화물은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로 이의 배출량이 엄격히 규제되고 있으므로 질소산화물의 저감 여부는 버너의 설계시 중요하게 작용한다.

종래의 산업용 버너에서의 질소산화물 감소방법으로는 연소용 공기중에 함유된 질소가 고온의 연소분위기에서 과잉 산소와 반응하면서 생성되는 '열적 질소산화물(Thermal NOx)'을 감소시키기 위해 고온의 연소지역에서는 과잉산소가 부족하도록 연료과잉-공기부족 상태를 유지하면서 질소의 반응을 억제하고, 공기부족에의해 발생되는 불완전 연소물은 화실 온도가 상대적으로 낮아지는 화로 후류측에서 충분한 연소용 공기를 주입하여 완전연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

버너 앞부분에서 상대적으로 저온의 연소분위기를 형성하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 1차 연소공기를 공급하여 연료과잉-공기부족 상태를 유지하고, 이때 생성된 불완전 연소물을 완전연소시키기 위해서 2차 연소공기를 공급한다.

상술한 바와 같이, 버너 앞에서 연료과잉-공기부족 상태를 형성하기 위한 방법으로 현재 실용화되어 있는 방법으로는 배기가스 재순환법(연소된 배기가스의 일부를 연소용 공기와 혼합하여 버너로 유입시켜 연소하는 방법), 화로내 이단연소(연소공기의 일부분을 버너위에 설치된 구멍으로 직접보내어 버너지역에서 불완전 연소된 연소가스를 완전연소시키는 방법)등의 설비 추가에 의한 질소산화물 감소방법이 있으나 이 방법은 질소산화물 감소효과는 높지만 기존 설비에 질소산화물 저감용 설비를 추가 설치해야하므로 경제적인 부담 및 설비, 보수, 유지에 지속적인 부담이 요구되는 문제점이 있다.

이에 따라 최근에는 부가적인 설비없이, 버너에서 연소공기를 분할 공급하는 공기역학적인 방법을 사용하여 연소용 공기와 연료의 혼합특성을 제어함으로써 질소산화물의 생성을 감소시키는 '저 질소산화물 버너'를 선호한다.

도 7 은 종래의 저공해형 버너를 나타내고 있다.

액체 연료를 화로의 내부로 오일버너 노즐(12)을 포함하는 오일 버너 건(10)이 오일버너 외통(14)에 포함된 채 버너 타일(42)의 일부에 형성된 관통구를 통해 연통되어 설치되고, 오일버너 외통(14)의 외측에는 화석 연료의 일종인 미분탄과 1차공기를 혼합하여 공급할 수 있는 원통형의 미분탄 노즐(16)이 배치된다.

그리고 미분탄 노즐(16)의 외측에는 2차공기 선회기(22)와 3차공기 선회기(32)가 각각 장착된 2차공기 공급통(20)과 3차공기 공급통(30)을 설치한다. 이들 2차공기 공급통과 3차공기 공급통의 사이에는 공기 분리통(50)이 설치됨으로써 2차 공기 및 3차 공기 선회기들(22)(32)에 의해 유입되는 외부공기를 2차공기와 3차공기로 분리시킨다.

이러한 미분탄 버너는 미분탄 노즐(16)을 통해 공급되는 미분탄과 1차공기가 오일버너 건(10)의 선단부에 설치되는 오일버너 노즐(12)에 의해 점화되어 화염대를 형성하게 되는 것으로서, 이 때 2차공기 공급통(20)과 3차 공기 공급통(30)에 장착된 2·3차공기 선회기(22)(32)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.

상기와 같은 종래의 버너에서는 고부하시에는 2·3차 공기 공급통(20)(30)에 의하여 완전연소에 가깝게 연소됨으로써, 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있으나, 저부하시에는 공기의 과잉 공급에 의하여 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 없게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 저 질소산화물 버너에서 고부하시 뿐만 아니라, 저부하시에도 좀더 향상된 완전연소를 추구함으로써 질소산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있는 질소 산화물 저감형 버너를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 버너에는, 종래의 미분탄 버너에 있어서, 오일 버너 외통의 외측에 설치되는 미분탄 노즐의 중간에 강사면을 갖는 노즐 벤츄리부를 형성하여 미분탄 이송용 1차 공기가 미분탄 노즐 내부에서 유로 변경이 가능하도록 함으로써 분출되는 미분탄 농도를 집중 도는 분산되도록 조정하여 다양한 부하에 대하여 착화 및 연소 안정화를 추구함으로써, 다양한 부하 변화에 대하여 연소 과정중 형성되는 공해물질 배출을 억제할 수 있도록 한 것이다.

또한, 2차공기 선회기를 통과한 연소공기는 미분탄류 및 노내 재순환류와 혼합을 최적화 함으로써, 버너 근처에서 석탄 중의 질소성분 가스화 촉진으로 주 연소 영역에서 환원 분위기 형성에 기여하여 후류쪽에 질소성분 산화 반응억제로 인한 연료중 질소산화물(NOx) 생성을 억제한다. 이와 함께 강선회한 3차 공기의 분출방향을 화로 벽측으로 향하도록 함으로써 화염대는 화로 반경 방향으로 넓고 짧게 형성하고, 중심부에 큰 재순환류를 만들어 준다.

상기한 과정에서 형성된 화염은 버너 근처에 고온부가 집중되지만, 전체적으로 화로 벽과의 전열면적 증가에 의해 복사열 전달이 원활하게 진행되어 전체적인 화염대 온도는 낮게 유지되고, 중심부의 저 산소 영역 확대에 의해 기 형성된 질소 산화물의 환원 반응을 촉진하게 된다.

이에 따라 주 화염대의 미분탄 연소는 휘발성분이 둔화되며, 전반적인 화염대의 산소농도가 낮음으로 촤(Char) 중의 질소 분에 의한 질소 산화물 생성량도 크게 증가되지 않는다.

또한, 화로 벽을 따라 화염대 후류부로 집중된 3 차 공기는 미연 상태로 이동된 휘발성분과 촤(Char)를 충분한 산소상태로 유지하면서 완전 연소를 이루게 함으로써 미분탄을 연소할 때 질소 산화물과 분진량을 통시에 저감할 수 있도록 한 것이다.

이와 같은 미분탄 버너에 의하여, 고부하시와 저부하시에 농도 분리통의 위치를 변경하고, 화실 내부에서의 공기의 흐름을 제어함으로써, 다양한 운전부하에 대해 관내 미분탄 축적을 방지하고 연소 안정화 및 이에 따른 질소 산화물을 줄일 수 있도록 하는 것이다.

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

도 2는 도 1의 주요부에 대한 확대 단면도 및 A-A'선 단면도

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 부하별 미분탄의 농도를 나타내는 작동 상태도

도 4는 본 발명에 의한 화로내 온도 분포 특성을 나태내는 그래프

도 5는 본 발명에 의한 화로내 질소산화물 배출특성을 나타내는 그래프

도 6은 본 발명에 의한 화로내 산소 요구량 및 분진의 배출특성을 나타내는 그래프.

도 7는 종래의 미분탄 버너의 구성을 개략적으로 도시한 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 오일 노즐 12 : 버너 타일

20 : 2차 공기 공급통 30 : 3차 공기 공급통

50 : 공기분리통 60 : 미분탄 노즐62 : 노즐 벤츄리부 70 : 미분탄 농도 분리통

72 : 농도 분리통 이동바 74 : 농도 분리통 지지바

76 : 관통공

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

또한 본 실시예에서 도 7을 참조한 종래 구성의 구조와 동일한 부분은 설명의 중복을 피하기 위해 동일 부호를 사용한다.

도 1 에는 본 발명의 특징에 따른 질소산화물 저감형 미분탄 버너의 개략적인 단면도를 나타내는 것이며,

도 2는 도 1의 주요부에 대한 확대 단면도 및 A-A'선 단면도이다.

액체 연료를 화로의 내부로 오일버너 노즐(12)을 포함하는 오일 버너 건(10)이 오일버너 외통(14)에 포함된 채 버너 타일(42)의 일부에 형성된 관통구를 통해 연통되어 설치되고, 오일버너 외통(14)의 외측에는 화석 연료의 일종인 미분탄과 1차공기를 혼합하여 공급할 수 있는 원통형의 미분탄 노즐(16)이 배치되며, 미분탄 노즐(16)의 외측에는 2차공기 선회기(22)와 3차공기 선회기(32)가 각각 장착된 2차공기 공급통(20)과 3차공기 공급통(30)을 종래의 미분탄 버너에 있어서,

중앙에 경사면의 노즐 벤츄리부(62)를 갖는 미분탄 노즐(60)을 형성하고, 그 내부에는 오일 버너 외통(14)을 타고 이동 가능한 농도 분리통(70)이 구성되어 있다.

미분탄 분리통(70)은 2개의 원통을 다수개의 농도 분리통 지지바(74)에 의해 지지하며, 농도 분리통 이동 바(72)에 의하여 오일버너 외통(14)을 타고 움직일 수있게 되어 있는 구조로서, 미분탄 농도 분리통(70)에 의하여 화실로 유입되는 1차 공기에 섞인 미분탄의 농도를 조절할 수 있도록 한다.

상기 미분탄 농도분리통(70)은 고부하에서는 초기 연소영역의 저산소화를 실현토록 하고, 저부하에서는 과다한 1차공기-석탄비를 줄일 수 있도록 하여 질소산화물(NOx) 억제와 저부하에서의 화염안정성 강화를 추구할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 질소산화물 저감형 버너의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.

버너를 작동시킴에 따라 오일 노즐(10)에서 액체 연료가 분사되어 불꽃이 점화되고, 이와 동시에 미분탄 노즐(60)을 통해 미분탄과 1차공기가 화로 내부로 분출된다.

이 때, 미분탄 농도 분리통(70)에 의하여 부하 조정을 하게 되는 것으로서, 고 부하시에는 농도 분리통 이동바(72)을 이용하여 미분탄 농도 분리통(70)을 화실 가까이 삽입하면, 미분탄 농도 분리통(70)이 미분탄 노즐(60)의 노즐 벤츄리부(62)에 의한 간격이 멀어지게 되어 다량의 미분탄 및 1차 공기가 화실로 확산하게 되며, 여기에 2차 공기 선회기(22) 및 3차 공기(32)에 의하여 연소를 함으로써, 완전 연소를 도모하게 되는 것이다.

또한, 저 부하시에는 농도 분리통 이동바(72)에 의하여 미분탄 농도 분리통(70)을 화실로 부터 멀리하게 되면, 미분탄 노즐(60)의 경사면을 갖는 노즐 벤츄리부(62)가 근접하게 되고, 이에 따라 화실로 유입되는 1차 공기와 섞인 미분탄의 양이 줄어들게 됨으로써, 질소산화물 생성이 증가되는 것을 막을 수 있도록 하는 것이다.

이를 좀 더 상세하게 도면을 참조하면서 이동 노즐의 부하별 위치에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 3에는 이동노즐의 부하별 위치 및 흐름형상을 나타내고 있는 것으로서,

도 3a는 저부하시, 도 3b는 고부하시를 나타내는 것이다.

도 3a에서와 같이, 저부하시에는 농도 분리통 이송 바(72)을 버너 외측으로 잡아 당기면 미분탄 농도 분리통(70)이 미분탄 버너 노즐(60)의 노즐 벤츄리부(62)가까이 위치하게 된다. 이렇게 함으로써 노즐 벤츄리부(62)를 통해 집중된 미분탄류가 미분탄 농도 분리통(70)에 의하여 미분탄 노즐(60)의 중앙부에 집중화되어 적절한 1차공기/미분탄 비를 유지함으로써 안정된 연소를 실현할 수 있으며, 여기에 2차 공기 및 3차공기 선회기(22)(32)를 통하여 공기 과일선회류로 둘러쌓인 공기부족 난류화염의 형성으로 버너 근처에서 고온으로 인한 연료의 증발 및 열 분해를 촉진시켜 질소산화물을 질소로 환원 반응을 유도하며, 강선회된 연소공기의 유입으로 화염 후류 측의 일산화탄소 발생량 및 불투명도를 현저히 줄일 수 있는 것이다.

또한, 고부하시에는 도 3b에 도시된 바와 같이, 미분탄 농도 분리통(70)을 화실측으로 밀어 넣어, 미분탄 농도 분리통(70)이 비분탄 버너 노즐(60)의 경사면을 갖는 노즐 벤츄리부(62)에서 멀리 위치토록 하면 농도 분리통(70)에 의한 효과는 적어지게 되어, 종래의 미분탄 버너에서와 같이 미분탄 버너노즐(60)의 구경 전체적으로 분포되어 화실로 분출됨으로써, 분포된 미분탄 및 1차 공기에 2차 공기 선회기를 통해 반경 방향 질량 분포를 조절함으로써 화염 형상을 조절할 수 있도록 하였으며, 환원 분위기 강화로 미분탄의 휘발분 중에 포함된 질소성분은 질소 산화물 보다는 질소 분자로 전환되도록 하였다.

따라서, 화염대 초기에서 집중적으로 발생되는 질소 산화물을 다시 환원시킴으로써 그 생성량을 줄일 수 있다.

이러한 질소 산화물 억제 과정에서 필연적으로 증가되는 미연분은 화염대 후류에서 3차 공기와 활발하게 혼합되면서 완전 연소하게 된다.

후류 연소 지역에서는 화염대 중간 부위부터 연소되기 시작한 대부분의 촤(Char) 성분이 계속적으로 연소되는 것으로 화염대 후류로 이동하면서 충분하게 가열된 3차 공기와 혼합되어 활발하게 연소됨으로써 질소산화물 뿐만 아니라, 연소시의 미연 손실을 기존의 미분탄 버너에 비해 현저하게 줄일 수 있는 것이다.

도 4 는 상기한 미분탄 버너에 의한 화실내의 온도 분포 특성되이다.

종래의 미분탄 버너에서는 버너 입구에서는 완만한 상승 후, 일정 깊이 후에는 완만한 하강 곡선을 그리며 온도 분포가 형성되는데 반하여, 본 발명의 미분탄 버너에 있어서는 버너의 노즐에서 나온 미분탄이 2차, 3차 공기와 혼합되기 전까지는 급격한 온도의 상승을 보이다가, 2차, 3차 공기가 섞이는 부분부터는 급격히 하강하고 있다.

도 5는 상기한 미분탄 버너에 있어서의 질소산화물 배출 특성도이다.

종래의 미분탄 버너에서는 버너 입구에서는 완만한 상승 후, 일정 깊이 후에는 완만한 하강 곡선을 그리며 질소산화물이 배출되는데 반하여, 본 발명의 미분탄 버너에 있어서는 미분탄 노즐에 의한 1차 연소 영역에서 급격한 질소산화물 배출되나, 2차 공기 및 3차 공기에 의한 주 연소영역 및 후류 연소영역을 지나면서 질소산화물의 배출이 급격히 하강하고 있다.

이에 따라 도면에서 보는 바와 같이, 전체적인 질소산화물 발생량은 본 발명이 종래 발명보다 현저히 감소함을 알 수 있다.

도 6은 화실에서의 산소 요구량 및 분진 배출량을 나타내는 특성도로서,

종래의 미분탄 버너에 비하여 요구되는 산소의 양도 적을 뿐만 아니라, 배출되는 분진의 양도 감소함을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 미분탄 버너는 고 부하시 뿐만 아니라, 저부하시에도 종래의 버너보다 개선된 완전연소를 얻을 수 있다.

연소 초기에는 다량의 질소산화물이 생성되지만 저산소 분위기가 지속되면서 질소 산화물은 급격히 질소 분자로 환원되어 종래 고안에 비해 약 20%이상으로 질소산화물 발생량을 줄일 수 있다.

또한 저부하에서도 적절한 석탄-공기비를 형성시킬 수 있어 오일 노즐에 의한 부가적인 화염없이도 안정된 미분탄 연소를 수행할 수 있다.

본 발명의 미분탄 버너만으로도 별도의 질소산화물 저감 설비를 사용하지 않고 환경규제치를 만족하므로, 추가 설비 부담을 해소하여 경제성을 추구할 수 있다.

Claims (3)

1. 액체연료를 공급하는 오일 노즐, 2차공기 선회기와 3차공기 선회기가 각각 장착된 2차공기 공급통과 3차공기 공급통, 2차공기 공급통과 3차공기 공급통에 의한 공기를 분리하기 위한 공기 분리통, 버너타일로 구성된 미분탄 버너에 있어서,

   중앙에 일정 경사각을 갖는 노즐 벤츄리부를 구비한 미분탄 노즐과;

   상기 미분탄 노즐의 내측 및 상기 노즐 벤츄리부의 후단쪽에 설치되는 미분탄 농도분리통과;

   상기 미분탄 농도분리통은 저부하시 상기 벤츄리부 후단쪽으로 근접 이동되고, 고부하시 상기 벤츄리부 후단으로부터 이격 이동 설치됨을 특징으로 하는 질소 산화물 저감형 미분탄 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 미분탄 농도 분리통은 2 개의 원통 사이로 미분탄 및 1차 공기가 통과할 수 있도록 2개의 원통 사이에 다수개의 농도 분리통 지지바(74)에 의해 고정한 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감항 미분타 버너.
3. 제 1 항에 있어서, 미분탄 농도 분리통은 농도 분리통 이송 지지바에 의하여 부하에 따라 외부에서 이송 가능토록하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 질소산화물 저감형 미분탄 버너.