KR100432802B1 - 미분탄 분리기가 장착된 미분탄 연소용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미분탄 연소용 노즐에 관한 것으로서, 냉각공기가 통과하는 내부 노즐과, 상기 내부 노즐의 외부에 위치하며 미분탄과 1차공기의 혼합기가 통과하는 외부 노즐과, 상기 외부 노즐의 측면과 연통되며 노즐의 축방향에 대해 직각방향으로 상기 혼합기를 유입시키는 혼합기 유입구를 갖는 미분탄 연소용 노즐에 있어서, 상기 외부 노즐의 중간부분 내측에는 벤츄리가 형성되어 있고, 외부 노즐의 하류측 단부에는 외부 노즐과 내부 노즐 사이에 원통형의 고정 분리기가 설치되며, 상기 고정 분리기의 하류측에는 선회 억제판이 부착되고, 상기 고정 분리기와 벤츄리의 끝단부 사이에는 축방향으로 이동 가능한 원통형 가변 분리기가 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

미분탄 분리기가 장착된 미분탄 연소용 노즐{A combustion nozzle for pulverized coal with coal separator}

본 발명은 미분탄 연소용 노즐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 석탄 분리기를 사용하여 화로 내에 분사되는 연료의 분포를 조절할 수 있는 미분탄 분사용 노즐에 관한 것이다.

현재 석탄연료를 사용하는 대형 화력발전소는 석탄을 미분탄기로 미세 분말화 한 후 연소기로 이송하여 화로로 분사시키는 미분탄 연소시스테을 주로 채택하고 있다. 이러한 연소시스템을 사용하고 있는 석탄연소설비는 연소효율 개선, 화염 안정성 확보 및 공해물질 생성억제를 위한 목적으로 적절한 연료 분사시스템과 산화제 공급방식을 갖춘 연소장치가 필요하다.

도1 및 도2를 참조하면, 측면에 접선방향으로 1차 공기 및 미분탄을 유입하는 미분탄 유입구(61)가 형성되어 있고, 외부 노즐(62)과 내부 노즐(63)의 이중 구조를 갖는 일반적인 노즐이 도시되어 있다. 상기 노즐은 측면에 형성된 보조 공기 유입구(64) 및 공기량 조절댐퍼(65)를 통해 추가적인 공기를 공급하며, 내부에 설치된 워밍업 건(67)에 의해 공급되는 공기의 온도를 조절하는 구조이다.

이러한 노즐에 있어서, 1차 공기에 의해 이송되어 화로 내로 분사되는 미분탄의 분포에 따라 연소성능 및 화염구조에 큰 영향을 미치므로 이를 적절하게 공급할 수 있는 미분탄 분사노즐의 개발은 더욱 중요시되고 있다. 즉, 미분탄 버너에서 착화단계의 공기대 석탄비, 즉 미분탄 농도를 적절하게 조절하면 연소 안정범위의 확대 및 연소과정 중에 형성되는 공해물질의 생성을 억제할 수 있기 때문이다.

그러나, 석탄 연소시스템에서 미분탄 버너의 노즐로 공급되는 1차 공기 및 미분탄량은 분쇄기에 의한 제조 및 운송특성에 의해 결정되는 양으로 정격부하에서 1차 공기 대 석탄비의 조정은 한계가 있다. 따라서, 화로 내로 분사되는 미분탄의 농도 분포의 인위적인 조정을 위해서는 부가적인 수단이 필요하다.

최근, 미분탄 버너에서 저부하 혹은 저급탄 연소시 화염 및 착화안정을 위하여 혹은 질소산화물 저감을 목적으로, 화로 내에 분사되는 미분탄 농도를 조정하여 초기 급속착화를 유도하는 몇가지 방식이 제안되고 있다.

이러한 방식으로는, 운전특성이 다른 밀(mill)을 추가하는 방식과 미분탄류 수송도관을 저농도용/고농도용 수송도관으로 분류하여 노즐에 각각 공급하는 방식 그리고 노즐 중심부에 유선형 혹은 치형의 농도 조절 수단 등을 설치하는 방식이 그것이다.

그러나, 앞의 두가지 방식은 각각 별도의 밀을 설치해야 하는 어려움과 부하변동에 따른 전환 댐퍼 조정 및 공기량 적정배분 등의 문제가 있어, 버너 제작사들은 마지막의 방식을 사용하여 노즐 자체의 구조 변경만으로 화로 내에 분사되는 미분탄 농도를 적절하게 조정하여 이러한 문제를 해결하려 하고 있다.

즉, 미분탄 연소시 1차 연소영역(초기 연소영역)에서 미분탄 집중 및 연소 공기와의 혼합 극대화에 의한 급속 착화를 통해 연료 중의 질소성분의 가스화를 촉진하고, 중심부에 연료과잉 및 공기부족 상태(공기비 0.6 정도)를 확대하여 기형성된 질소산화물을 환원시키는 방법으로, 부가적인 설비가 필요없이, 미분탄 분사노즐 내부의 공기역학적 고려 또는 구조의 변경으로 최적연소를 추구하려는 경향이다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로서, 1차 공기 및 미분탄의 혼합기를 노즐 내부에서 각각의 유로를 변경하여, 출구로 분사되는 미분탄의 농도를 변경할 수 있는 미분탄 연소용 노즐을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

도1은 종래의 미분탄 연소용 노즐을 도시한 정면도이다.

도2는 도1의 노즐에 대한 단면도이다.

도3은 본 발명에 의한 미분탄 연소용 노즐의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도4는 도3에서 벤츄리 부분을 확대한 확대 단면도이다.

도5는 도4의 A-A'선에 따른 단면도이다.

도6a는 가변 분리기의 위치에 따른 외측 미분탄의 질량분율을 나타낸 그래프이다.

도6b는 가변 분리기의 위치에 따른 외측 1차 공기 유량비를 나타낸 그래프이다.

도7은 종래 노즐과 본 발명에 의한 노즐의 농도 가변 범위를 비교하는 그래프이다.

[도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명]

11 … 유입구, 12 … 선회조절 댐퍼,

13 … 외부 노즐, 14 … 벤츄리,

15 … 가변 분리기, 16 … 고정 분리기,

17 … 이송바아, 18 … 내부 노즐,

19 … 선회 억제판, 20 … 이송핸들,

22 … 가이드 레일, 23 … 돌출부.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 냉각공기가 통과하는 내부 노즐과, 상기 내부 노즐의 외부에 위치하며 미분탄과 1차공기의 혼합기가 통과하는 외부 노즐과, 상기 외부 노즐의 측면과 연통되며 노즐의 축방향에 대해 직각방향으로 상기 혼합기를 유입시키는 혼합기 유입구를 갖는 미분탄 연소용 노즐에 있어서, 상기 외부 노즐의 중간부분 내측에는 벤츄리가 형성되어 있고, 외부 노즐의 하류측 단부에는 외부 노즐과 내부 노즐 사이에 원통형의 고정 분리기가 설치되며, 상기 고정 분리기의 하류측에는 선회 억제판이 부착되고, 상기 고정 분리기와 벤츄리의 끝단부 사이에는 축방향으로 이동 가능한 원통형 가변 분리기가 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 밞명은 상기 고정 분리기의 내면에는 축방향을 따라 가이드 레일이 형성되고, 상기 가이드 레일에 맞물리는 돌출부가 상기 가변 분리기에 형성되며, 상기 가변 분리기는 노즐 외부에 설치된 이송핸들과 이송바아로 연결되어 있는 것을 다른 특징으로 하고 있다.

바람직하게는, 상기 미분탄 연소용 노즐에 있어서, 상기 유입구 내부에 회전가능하게 설치되는 판형상의 베인(vane)으로 이루어지는 선회조절 댐퍼를 추가적으로 설치하는 것이 좋다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미분탄 연소용 노즐의 일 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

도3 내지 도5에 도시된 바와 같이, 1차 공기 및 미분탄의 혼합기가 유입되는 유입구(11)가 선회조절 댐퍼(12)와 함께 외부 노즐(13)에 고정되어 있다. 상기 선회조절 댐퍼(12)는 유입구(11) 내부에 위치하는 베인(vane)의 각도를 조절하여 유입되는 혼합기의 선회정도를 조절할 수 있도록 구성된다.

상기 외부 노즐(13)은 원형 단면을 가지며, 중간부에는 단이 형성되어 있고, 단이 형성된 내부에는 유속을 변경하는 벤츄리(14)가 형성되어 있다. 상기 벤츄리(14)의 하류쪽에는 비교적 짧은 길이를 갖는 가변 분리기(15)가 위치하고 있다. 또한, 상기 가변 분리기(15)의 일부를 내부에 삽입하고 있는 고정 분리기(16)가 노즐의 하류 단부까지 연장되어 설치된다.

상기 가변 분리기(15)는 핀으로 고정된 한 쌍의 이송바아(17)가 부착되며,상기 이송바아(17)의 안쪽으로 내부 노즐(18)이 위치한다. 노즐의 상류측 단부에는 상기 이송바아(17)와 연결되어 가변 분리기(15)를 좌우로 이동시키는 이송핸들(20)이 고정된다. 상기 고정 분리기(16)와 가변 분리기(15)에는 각각 노즐의 축방향으로 연장되는 레일(22)과 홈(23)이 형성되어 있고, 상기 레일(22)과 홈(23)은 서로 맞물려 있어, 가변 분리기(15)가 이동하는 것을 안내한다.

상기 고정 분리기(16)의 하류측 단부 근처에는 다수개의 판형태의 선회 억제판(19)이 외부 노즐(13)과 내부 노즐(18) 사이에 위치하고 있으며, 상기 고정 분리기(16)는 상기 선회 억제판(19)에 용접 등에 의해 고정된다..

이하, 상기 실시예의 작동에 대해 설명한다.

분쇄기(도시하지 않음)를 지나온 미분탄과 1차 공기의 혼합기는 유입구(11)를 통과하고, 선회 조절 댐퍼(12)를 지나면서 외부 노즐(13)과 내부 노즐(18) 사이의 고리형 공간에 나선형 유동을 형성한다.

이러한 선회 유동은 1차 공기 및 미분탄의 혼합기에 원심력을 발생시켜, 외부 노즐(13) 쪽으로 치우치게 하며, 벤츄리(14)를 통과하면서 축방향 속도가 증가하여, 벤츄리(14)의 후단에 1차 공기와 미분탄 사이의 관성력 차이로 인한 미끄럼(slip)을 발생시킨다. 이 때, 가변 분리기(15)를 이송바아(17) 및 이송핸들(20)을 이용하여 벤츄리(14) 쪽으로 끌어당김면 원심력의 영향을 덜 받은 1차 공기는 도4의 내측으로 주로 분사되며, 1차 공기에 비해 원심력의 영향이 큰 미분탄은 도4의 L_c거리에 따라 외측 또는 내측으로 이동하게 되므로, 분사량을 조정할 수 있다.

도4에서 L_c가 L_d보다 크게 가변 분리기(15)를 조정하면, 선회의 영향을 받은 1차 공기와 미분탄은 벤츄리(14) 블록 후단에서 확산되어 주로 도4의 외측으로 분사되는 경향을 갖는다. 이러한 방식으로 노즐 내에서 분리된 미분탄과 1차 공기는 내/외측에 그 양을 유지한 채 고정 분리기(16) 및 4~8 개의 선회 억제판(19)을 지나 화로로 분사되어 화염을 형성한다.

도6a 및 도6b는 상기 실시예에 대해서 선회 조절 댐퍼(14)의 베인 각도별로 가변 분리기(15)의 위치를 변경하면서 노즐 출구에 분사되어 나오는 미분탄량 및 1차 공기량을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 벤츄리(14)를 지난 후 궤적변화는 1차 공기보다는 상대적으로 원심력의 작용을 크게 받는 미분탄이 가변 분리기(5)의 위치변화에 민감하게 반응함을 알 수 있다. 이러한 특성은 노즐출구에서 미분탄 농도, 즉 미분탄 질량유량/1차 공기 질량유량 비의 범위를 확대할 수 있음을 의미한다.

도7을 참조하면, 본 발명에 의한 노즐과 기존의 노즐과의 출구 미분탄 농도조절성을 비교한 결과를 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 노즐 내 미분탄 농도조절 특성이 없는 기존이 선회 유입식 노즐은 출구의 농축율(= 국소 미분탄 농도/출구 평균 미분탄 농도)이 일정하나(그래프의 형상을 변경할 수 없음), 상기 실시예는 가변 분리기(15)의 위치 변경에 따라 반경방향으로 다양하게 미분탄을 집중할 수 있으며, 최고 2.0 이상의 농축율을 가질 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 미분탄 입자와 1차 공기에 작용하는 원시력의 차이를 이용하여 노즐 자체만으로도 분사되는 미분탄의 농도조절 범위를 확대할 수 있으므로, 이를 통하여 다탄종 연소 및 연소공기의 다양한 운전모드에 부응하여 최적의 연소를 구현할 수 있다.

도한, 별도의 밀이나 추가 도관 등을 설치하지 않고 미분탄 농도조정 및 다양한 운전모드를 확보할 수 있으며, 추가적인 공해물질 저감 설비 없이도 노즐 자체로 저공해 연소를 실현할 수 있으모로, 매우 경제적이다.

Claims (3)

1. 냉각공기가 통과하는 내부 노즐(18)과, 상기 내부 노즐(18)의 외부에 위치하며 미분탄과 1차공기의 혼합기가 통과하는 외부 노즐(13)과, 상기 외부 노즐(13)의 측면과 연통되며 노즐의 축방향에 대해 직각방향으로 상기 혼합기를 유입시키는 혼합기 유입구(11)를 갖는 미분탄 연소용 노즐에 있어서,

   상기 외부 노즐(13)의 중간부분 내측에는 벤츄리(14)가 형성되어 있고, 외부 노즐(13)의 하류측 단부에는 외부 노즐(13)과 내부 노즐(18) 사이에 원통형의 고정 분리기(16)가 설치되며, 상기 고정 분리기(16)의 하류측에는 선회 억제판(19)이 설치되고, 상기 고정 분리기(16)와 벤츄리(14)의 끝단부 사이에는 축방향으로 이동 가능한 원통형 가변 분리기(15)가 설치되는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소용 노즐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정 분리기(16)의 내면에는 축방향을 따라 가이드 레일(22)이 형성되고, 상기 가이드 레일(22)에 맞물리는 돌출부(23)가 상기 가변 분리기(15)에 형성되며, 상기 가변 분리기(15)는 노즐 외부에 설치된 이송핸들(20)과 이송바아(17)로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소용 노즐.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 유입구(11) 내부에 회전가능하게 설치되는 판형상의 베인(vane)으로 이루어지는 선회조절 댐퍼(12)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄 연소용 노즐.