KR100586474B1 - 보일러 및 그 보일러 내 혼합기를 연소시키는 방법 - Google Patents

보일러 및 그 보일러 내 혼합기를 연소시키는 방법 Download PDF

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오카자키히로후미
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 간단한 구조로 측벽근방의 일산화탄소 농도, 미연소 물질, 및 부착재(attached ash)등을 감소시켜 양호한 연소상태를 유지할 수 있는 저비용의 수단이 구비된 보일러를 제공한다.
적어도 한쪽에 복수 단의 버너(2, 3, 4)가 제공되고, 서로 대향하는 전후벽(버너벽)(14a, 14b)과 상기 버너벽(14a, 14)에 교차하는 측벽(1a, 1b)에 의하여 형성되는 연소실(13)을 구비한 보일러에 있어서, 상기 연소실(13)내에서 측벽(1a, 1b)근방의 가스압력을 상기 연소실(13) 중심부에 있어서의 가스압력보다도 높게 하는, 연료를 포함하지 않는 가스분사포트(6)가 상기 버너(2, 3, 4)의 높이의 범위내에서 가장 바깥버너와 측벽(1a 및 1b)사이에 제공된다. 연소가스(6)는 가스의 에어 제트(18)로 인해 측벽(1a, 1b)에 근접할 수 없게 된다.

Description

보일러 및 그 보일러 내 혼합기를 연소시키는 방법{BOILER AND METHOD FOR BURNING A FUEL-AIR MIXTURE IN THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 관류형 보일러(once-through boiler)의 제 1실시예에 있어서의 노의 개략적인 구조를 나타내는 사시도,
도 2는 제 1실시예에 있어서의 가스분사포트 구조의 일예를 나타내는 단면도,
도 3은 도 2의 가스분사포트 구조의 일예를 나타내는 정면도,
도 4는 가스분사포트가 전벽 및 후벽에 위치된 제 1실시예에 있어서 노내에서의 연소 가스와 가스에어 제트의 개략적인 흐름을 나타내는 도,
도 5는 가스분사포트가 설치되지 않은 종래의 노에 있어서의 개략적인 연소가스 흐름을 나타내는 정면도,
도 6은 가스분사포트가 좌측벽 및 우측벽에 위치된 제 2실시예에 따른 노내에서의 연소가스와 가스에어 제트의 개략적인 흐름을 나타내는 도,
도 7은 본 발명에 따른 관류형 보일러의 제 3실시예에 있어서의 노의 개략적인 구조를 나타내는 사시도,
도 8은 제 3실시예에 있어서의 좌측벽방향으로의 유선(stream line)을 나타내는 정면도,
도 9는 제 1실시예의 좌측벽으로부터 10㎝ 이격된 위치에서의 일산화탄소 농도(%)의 계산결과를 나타내는 도,
도 10은 종래의 관류형 보일러에 있어서의 좌측벽방향으로의 유선을 나타내는 정면도,
도 11은 도 10의 좌측벽으로부터 10㎝ 이격된 위치에서의 일산화탄소 농도(%)의 계산결과를 나타내는 도,
도 12는 벽을 따르는 공기의 흐름을 형성하기 위해 벽의 경계층 근처로 공기를 흐르게 하는 장치가 노의 하부에 위치된 종래의 관류형 보일러에 있어서의 좌측벽 방향으로의 유선을 나타내는 정면도,
도 13은 도 12에 도시된 좌측벽으로부터 10 ㎝ 이격된 위치에서의 일산화탄소의 농도(%)의 계산결과를 나타내는 도,
도 14는 버너의 화학양론비(stoichiometric ratio)가 0.8근방일때 노의 배출구에 있어서의 질소산화물이 최저치가 되는 버너(A)와, 버너의 화학양론비가 0.7근방일때 노의 배출구에 있어서의 질소산화물이 최저치가 되는 버너(B)와의 특성을 비교하여 나타내는 도,
도 15는 본 발명에 따른 관류형 보일러의 제 4실시예의 구성을 나타내는 계통도,
도 16은 부하와 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량과의 관계의 일예를 나타내는 특성도,
도 17은 연료비와 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량과의 관계의 일예를 나타내는 특성도,
도 18은 일산화탄소의 농도와 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량과의 관계의 일예를 나타내는 특성도,
도 19는 버너의 연소공기를 분기시킴으로써 에어 제트용 공기를 공급하는 공급수단을 나타내는 노의 측면도,
도 20은 버너의 공기유량을 조절하는 댐퍼의 상류로부터 분기시킴으로써 에어 제트용 공기를 공급하는 공급수단을 나타내는 노의 측면도,
도 21은 가스분사포트가 애프터 에어포트에 근접한 경우, 에어 제트용 공기가 애프터 에어로부터 분기되어 공기배관이 더 짧아지게 되는 예를 나타내는 노의 측면도이다.
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 특히 노(furnace)의 측벽 근방의 일산화탄소의 농도, 미연소 물질 및 부착재(attached ash)등을 감소시키는데 적당한 보일러에 관련된다.
보일러의 열효율을 높이기 위해서는 노내에서의 일산화탄소(CO)의 농도 및 미연소 물질을 감소시키는 것이 필요하다. 노내에서의 일산화탄소 농도 및 미연소 물질을 감소시키기 위하여, 이하의 방법이 공지되어 있다.
작동조건을 조절하는 방법으로서 제 1 방법은 특히 버너내의 공기유량 및 2단 연소용 애프터 에어포트(after air port)내의 공기유량을 조절하는 방법이다.
제 2 방법은 미연소 물질이 증가하는 공간에 공기를 공급하는 방법이다. 제 2 방법의 예로서, 일본 실개소59-92346호, 일본 실개평2-122909호, 일본 특개소62-131106호, 일본 특개평3-286918호 등에 노의 벽을 따라 공기를 공급하는 방법이 개시된다.
이들 종래예 중, 일본 실개소 59-92346호, 일본 실개평2-122909호, 일본 특개평3-286918호에는, 에어포트가 버너의 하부에 제공된 보일러가 개시된다.
일본 특개소62-131106호에는, 에어포트가 노의 4방향의 벽에 제공되고, 또한 에어포트가 복수의 버너의 상하부 및 중간높이에 제공된 보일러가 개시된다.
본원의 발명자들은 실제의 보일러의 측정 및 수치해석을 기초로 상기 종래의 제 1 방법 및 제 2 방법의 유효성을 검증하였다. 결과적으로, 이들중 어느 방법을 채용하더라도, 적어도 버너의 높이에 버너를 갖는 벽에 교차하는 측벽의 근방의 연소가스내의 일산화탄소농도 및 미연소 물질이 여전히 많은 것이 확인되었다. 또한 분탄을 연소시킬 경우에는 측벽에 재가 부착된다는 것도 확인되었다.
그 원인은 측벽근방의 압력이 노중앙의 연소영역의 압력보다 낮기 때문에 버너로부터 생생된 연소가스가 버너를 구비한 벽에 교차하는 측벽근방으로 오기 때문이다.
이것의 대응책이 일본국 특개평7-98103호 공보에 나타나 있다. 이 예에서는, 복수의 버너 및 버너의 하류에 배치된 복수의 2단 연소공기 흡입구를 포함하고, 보조 연소포트로부터 분사되는 연소가스의 분사량과 제트(jet)의 방향을 조절하도록 노의 측벽과 버너와의 사이에 산소분압이 10% 이하의 연소가스를 공급하는 보조 연소포트가 제공되어, 버너 제트가 노의 측벽으로 되돌아 오는 것을 방지하도록 하는 구조의 보일러를 제안하고 있다.
하지만, 이 종래예에서는 산소분압이 10% 이하의 연소가스를 보조 연소포트까지 공급하는 배관이 필요하게 된다. 수십 미터 길이의 연소가스를 공급하는 배관을 배치하는 것이 필요하므로, 큰 폭의 비용상승이 불가피 하다.
본 발명의 목적은 공기, 산소, 연소 배출가스 등을 사용하여 연소가스가 측벽근방에 오는 것을 방지하도록 구성된 보일러를 제공하는 것이다.
본 발명은 전후벽과 상기 전후벽에 교차하는 측벽에 의해 형성되는 연소실과, 상기 전후벽의 적어도 한쪽에 위치한 복수 단의 버너를 포함하고, 상기 연소실내의 가스의 압력을 상기 연소실 중심부에서보다 측벽근방에서 높게 하기 위하여 상기 버너의 높이의 범위 내에서 가장 바깥열의 버너 및 상기 측벽과 사이에 가스분사포트(gas injection port)가 제공된 보일러를 제공한다.
본 발명은 또한 전후벽과 상기 전후벽에 교차하는 측벽에 의하여 형성되는 연소실과, 상기 전후벽의 적어도 한쪽에 위치한 복수 단의 버너를 포함하고, 상기 연소실내의 상기 측벽근방의 가스의 압력을 상기 연소실 중심부에서의 가스의 압력보다 높게 하기 위하여 가스에어 제트 포트가 상기 버너의 높이의 범위내에서 상기 측벽에 제공되는 보일러를 제공한다.
본 발명은 또한 전후벽과 그 전후벽에 교차하는 측벽에 의하여 형성되는 연소실, 상기 전후벽의 적어도 한쪽에 위치한 복수 단의 버너, 및 상기 버너의 하류에 배치된 2단 연소용 애프터 에어포트를 포함하고, 상기 연소실내의 상기 측벽근방의 가스의 압력을 상기 연소실 중심부에서의 가스의 압력보다 높게 하는 1단 이상의 가스에어 제트 포트가 상기 버너의 높이의 범위내에서 가장 바깥열 버너와 상기 측벽 사이에 제공되고, 상기 최하단 버너 및 상기 애프터 에어포트의 사이에 복수 단의 가스에어 제트 포트가 제공되는 것을 특징으로 하는 보일러를 제안한다.
상술된 각 보일러에 있어서, 같은 높이를 갖는, 상기 대향하는 전후벽의 부분에 상기 가스분사포트가 제공되고, 상기 대향하는 가스분사포트로부터의 가스에어 제트가 상기 전후벽의 중간에서 충돌하는 속도로 상기 에어 제트를 분사하는 가스공급수단이 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 보다 구체적으로는, 연료로서의 분탄(pulverized coal) 및 상기 분탄을 상기 복수 단의 버너로 운반하는 공기를 공급하는 공급수단과, 연소공기를 상기 복수 단의 버너로 공급하는 공급수단과, 상기 가스분사포트에 분출용 가스를 공급하는 공급수단을 포함하고, 상기 보일러의 부하가 낮을 때는 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 감소시키고, 상기 보일러의 부하가 높아짐에 따라 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 증가시키도록 상기 보일러의 부하요구 및 석탄류 정보에 기초하여 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 제어하는 제어수단이 제공된, 상술된 구조의 어느 하나와 같은 보일러를 제공한다.
본 발명은 또 연료로서의 분탄 및 상기 분탄을 상기 복수 단의 버너로 운반하는 공기를 운반하는 공급수단과, 연소공기를 상기 복수 단의 버너로 공급하는 공급수단과, 상기 가스분사포트에 분출용 가스를 공급하는 공급수단을 포함하고, 상기 보일러의 부하가 낮을 때는 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트유량을 감소시키고, 상기 보일러의 부하가 높아짐에 따라 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 증가시키고, 또 상기 일산화탄소의 농도가 소정치 이하일 때에는 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 감소시키도록 상기 보일러의 부하요구 및 상기 일산화탄소의 농도의 측정결과에 기초하여 상기 가스분사포트로부터의 에어 제트의 유량을 제어하는 제어수단이 제공된, 상술된 구조의 어느 하나와 같은 보일러를 제공한다.
제어수단은 분탄의 낮은 연료비만큼 상기 에어 제트의 유량을 증가시키는 수단일 것이다.
상기 가스분사포트에 에어 제트용 가스를 공급하는 공급수단은 공기를 분사시키도록 상기 버너의 연소공기를 분기시키는 수단일 것이다. 이 경우에 있어서, 연소공기의 유로 및 에어 제트용 공기의 유로에 각각 유량조정 댐퍼(damper)가 제공되는 것이 바람직하다.
상기 가스분사포트에 에어 제트용(분사용) 가스를 공급하는 공급수단은 공기를 분사시키도록 분탄운반용 공기를 분기시키는 수단일 것이다.
2단 연소용 애프터 에어포트가 상기 버너의 하류에 위치된 경우, 상기 가스분사포트에 에어 제트용 가스를 공급하는 공급수단은 공기를 분사시키도록 애프터 에어를 분기시키는 수단일 것이다.
본 발명에 따르면, 전후벽과 상기 전후벽에 교차하는 측벽에 의하여 형성되는 연소실과, 상기 전후벽의 적어도 한쪽에 위치된 복수 단의 버너를 포함하는 보일러에 있어서, 상기 연소실내의 가스압력을 상기 연소실의 중심부보다 측벽근방에서 더 높게 하기 위하여, 상기 버너의 높이의 범위내에서 가장 바깥열의 버너와 상기 측벽과의 사이에 가스분사포트가 제공되고, 연소가스가 측벽에 가까이 근접하는 것을 방지하도록 측벽근방의 가스압력을 증가시키는 것이 가능하여, 연소가스의 충돌에 의한 재의 부착, 연소실 출구에 있어서의 일산화탄소의 농도 및 미연소 물질을 감소시킨다.
다음에 설명될 경우에 있어서, 보일러는 연료의 연소에 의해 발생한 연소가스가 연료흡입포트로부터 노의 배출포트를 향하여 일 방향으로 흐르는 보일러를 말한다.
〈실시예 1〉
도 1은 본 발명에 따른 관류형 보일러의 제 1실시예에 있어서의 노의 개략적인 구조를 나타내는 사시도이다. 노는 전벽(14a) 및 후벽(14b)과 이들 벽(14a, 14b)에 교차하는 좌측벽(1a) 및 우측벽(1b)을 가진다. 대향하는 전벽(14a) 및 후벽(14b)의 적어도 어느 한쪽에 복수의 버너가 복수 단 또한 복수열로 장착된다. 제 1실시예의 경우에 있어서, 하단버너(2), 중간단버너(3) 및 상단버너(4)는 각각 4열의 버너로 이루어진다. 각 버너는 연료 및 연소공기를 연소실(13)로 공급한다.
본 발명에 의하여 배치된 가스분사포트(6)는 높이방향으로는 하단버너(2) 및 상단버너(4)와의 사이에, 횡방향(lateral)으로는 측벽(1) 및 가장 바깥열의 버너 사이에 위치한다. 실시예 1의 가스분사포트(6)는 중간단버너(3)와 동일한 높이를 갖는 부분에 형성된다. 전벽(14a)의 가스분사포트(6)와 후벽(14b)의 가스분사포트(6)는 가스분사포트(6)의 에어 제트가 충돌하는 위치에 형성된다.
실시예 1에 있어서, 연료를 포함하지 않은 가스가 가스분사포트(6)로부터 공급된다. 연료를 포함하지 않은 가스의 성분은 공기, 산소, 연소 배출가스 등이다. 대향하는 에어 제트의 유속이 같을 필요는 없고, 에어 제트의 유속 및 유량을 변화시켜 에어 제트가 서로 충돌하는 위치 및 그 충돌위치에 있어서의 압력을 조절하는 것이 가능하다.
도 2는 실시예 1에 따른 가스분사포트(6)의 구조의 일예를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 가스분사포트(6)의 구조의 일예를 나타내는 정면도이다. 가스분사포트(6)의 형상은 보일러를 구성하는 수관(water tube, 17)에 의하여 한정된다. 수관(17)은 가스분사포트(6)의 중심축에 평행한 방향으로 가스분사포트(6)의 주위에 배치된다. 수관(17)을 이러한 방식으로 배치하면 에어 제트(18)가 충돌하였을 때 한번에 압력을 증가시키도록 가스분사포트(6)의 에어 제트(18)의 감쇠가 작아진다. 최적의 가스분사포트(6)의 형상은 단면이 원형인 원통형이다. 가스분사포트(6)의 단면이 원형이면 가스분사포트(6)를 형성하도록 수관(17)을 구부리기 쉽다.
도 4는 가스분사포트(6)가 전벽(14a) 및 후벽(14b)에 설치된 실시예 1의 노내에서의 연소가스(16)와 에어 제트(18)의 개략적인 흐름을 나타내는 도면이다. 가스분사포트(6)를 설치하면 연소가스(16)는 가스분사포트(6)로부터 분사된 가스의 에어 제트(18)에 의해 측벽(1a, 1b)에 근접할 수 없게 된다. 가스분사포트(6)로부터 분사된 가스의 에어 제트(18)에 의하여 측벽(1a, 1b) 근방의 압력이 상승하기 때문이다.
도 5는 가스분사포트(6)가 설치되지 않은 종래의 노에 있어서의 연소가스의 개략적인 흐름을 나타내는 정면도이다. 가스분사포트(6)를 설치되지 않은 경우에 있어서는, 버너(2, 3, 4)에서 형성된 연소가스(16)는 측벽(1a, lb) 방향으로 흐른다. 하단의 버너(2)로부터의 연소가스(16)는 중간단의 버너(3)나 상단의 버너(4)의 연소가스(16)에 의해 방해되어 즉시 위로 상승할 수 없기 때문에, 가스(16)는 압력이 낮은 측벽(1a, lb)방향으로 흐른다.
가스분사포트(6)가 버너(2, 3, 4)의 바로 옆이 아니라 노의 바닥에서 천장 사이에 형성되어도 똑같은 효과가 얻어질 수 있다. 하지만, 버너(2, 3, 4)으로부터 이격된 부분에 설치되면 효과는 감소된다.
종래기술에 도시된 바와 같이, 버너(2, 3, 4)의 아래측에 가스분사포트(6)를 형성하면, 측벽(1) 근방의 압력은 가스분사포트(6)가 형성된 높이에서 높아지지만 버너(2, 3, 4)의 높이에서는 압력이 낮아져, 버너(2, 3, 4)에 의해 생성된 연소가스(16)는 측벽(1a, 1b) 방향으로 흐른다.
버너(2, 3, 4)의 상측에 가스분사포트(6)를 형성하면 가스분사포트(6)가 형성되지 않은 경우와 비교했을때 측벽(1a, 1b) 근방의 압력은 상승한다. 하지만 버너 (2, 3, 4)의 영역에 가스분사포트를 형성한 경우와 비교했을때, 압력상승은 거의 없고 버너(2, 3, 4)에 의해 생성된 연소가스(16)는 측벽(1a, 1b) 방향으로 흐르기 쉽다.
가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)는 측벽(1a, 1b)의 각 중앙부까지 도달하면 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 에어 제트(18)가 측벽(1a, 1b)의 각 중앙부까지 도달할 수 없는 경우, 연소가스(16)는 측벽(1a, 1b) 방향으로 흐르기 쉽다. 따라서 에어 제트(18)를 측벽(1a, 1b)의 각 중앙부에서 충돌시키는 것이 필요하다. 에어 제트(18)의 바람직한 유속은 30 m/s 에서 90 m/s 사이의 범위이다. 더욱이, 가스분사포트(6)가 직류가스(direct flow gas)를 공급하는 형태인 경우는, 선회류 가스(swirling flow gas)를 공급하는 형태의 경우보다 가스의 운동량의 감쇠를 작게 할 수 있기 때문에 보다 높은 압력으로 측벽(1a, 1b)의 중앙부에 가스를 공급하는 것이 가능하다.
가스분사포트(6)의 에어 제트(18)는 버너벽(14)에 수직으로 공급할 뿐만 아니라 임의의 각도로 공급될 것이다. 가스분사포트(6)의 에어 제트(18)를 연소실(13)의 내부를 향하도록 공급하면, 연소가스(16)가 측벽(1)의 방향으로 흐르기 어렵다. 에어 제트(18)를 측벽(1)을 향하도록 분사하면 에어 제트(18)의 가스는 측벽(1)을 따라 공급될 수 있다. 연소가스(16)가 측벽(1)에 근접하면 측벽(1)의 열흡수가 증가되고, 측벽(1)을 구성하는 수벽(water wall)의 온도가 상승한다. 가스분사포트(6)의 에어 제트(18)는 또한 측벽(1)을 냉각하는 역할도 한다.
〈실시예 2〉
도 6은 가스분사포트(8)가 좌측벽(1a) 및 우측벽(1b)상에 설치된 실시예 2에 따른 노내에서의 연소가스(16) 및 에어 제트(18)의 개략적인 흐름을 나타낸 도이다. 버너(2, 3, 4), 전벽(14a) 및 후벽(14b)의 구조는 실시예 1의 구조와 같다. 가스분사포트(8)는 버너(2, 3, 4)가 배치된 전벽(14a) 및 후벽(14b) 상에만 설치될 필요는 없다. 가스분사포트(8)가 측벽(1a, 1b)에 설치되어도, 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우 실시예 1과 같이, 측벽(1a, 1b) 근방의 압력을 높일 필요가 있다. 에어 제트(18)의 유속을 30 m/s 내지 90 m/s 사이의 범위로 설정하는 것이 적당하다. 또한 가스분사포트 (8)의 에어 제트(18)는 후벽(14b)에 수직하게 공급될 뿐만 아니라, 임의의 각도로 공급되어도 좋다. 도 6은 에어 제트(18)가 하향으로 공급되는 일예를 나타낸다. 에어 제트(18)를 하향시키면 에어 제트(18)와 연소가스(16)는 서로 충돌하여 압력이 높아진다. 결과적으로 연소가스(16)는 측벽(1a, lb) 방향에 근접할 수 없다.
〈실시예 3〉
도 7은 본 발명에 따른 관류형 보일러의 실시예 3에 있어서의 노의 개략적인 구조를 나타내는 사시도이다. 버너(2, 3, 4) 및 전벽(14a), 후벽(14b)의 구조는 실시예 1의 구조와 같다. 2단 연소용 애프터 에어포트(9)가 버너(2, 3, 4)의 상부에 장착된다. 하단버너(2) 및 상단버너(4) 사이에 적어도 1단의 가스분사포트(6)가 설치되고, 하단버너(2) 및 애프터 에어포트(9)의 사이에 복수 단의 가스분사포트(6)가 설치된다. 실시예 3에 있어서는, 가스분사포트(6)가 중간단버너(3)와 동일한 높이, 상단버너(4) 및 애프터 에어포트(9) 사이, 및 애프터 에어포트(9)와 동일한 높이등 모두 3군데에 설치된다.
가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)는 실시예 1과 같이, 측벽(1)의 중심부의 압력을 높여 연소가스(16)가 측벽(1)에 접근하는 것을 방지한다. 가스분사포트(6)를 버너(2, 3, 4)에 설치하면, 연소가스(16)가 측벽(1a, 1b)에 근접하기 어렵게 되고, 동시에 2단 연소방법에 따라 생성된 환원성 가스가 산화되어, 측벽(1a, 1b) 근방의 일산화탄소의 농도 및 미연소 물질을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이 복수 단의 가스분사포트(6)를 설치함으로써 측벽(1a, 1b) 근방의 압력이 높아져, 환원성 가스를 포함하는 연소가스(16)가 측벽(1)에 근접하기 어렵게 된다.
도 8은 실시예 3에 있어서 좌측벽(1a) 방향으로의 유선(41)을 나타내는 정면도이다. 도 9는 실시예 1의 좌측벽(1a)으로부터 10 cm 이격된 위치에 있어서의 일산화탄소의 농도(%)의 계산결과를 나타낸 도면이다. 수치해석을 해보면, 보일러는 100% 부하상태에서 500 MW 분탄화염의 최대출력을 갖는 보일러이다. 4%의 연소공기가 가스분사포트(6)로부터 공급된다. 분사속도는 40 m/s 이다.
도 10은 종래의 관류형 보일러에 있어서의 좌측벽(1a) 방향으로의 유선(41)을 나타내는 정면도이다. 도 11은 도 10에 도시된 좌측벽(1a)으로부터 1Ocm 이격된 위치에 있어서의 일산화탄소의 농도(%)의 계산결과를 나타낸 도면이다. 수치해석을 해보면, 보일러는 100% 부하상태에서 500 MW 분탄화염의 최대출력을 갖는 보일러이다.
도 12는 벽을 따르는 공기흐름을 형성하는 벽(42)의 경계층 근방으로 공기를 흐르게 하는 장치가 노의 하부에 제공된 종래의 관류형 보일러에 있어서, 좌측벽(1a) 방향으로의 유선(41)을 나타내는 정면도이다. 도 13은 도 12에 도시된 좌측벽(1a)으로부터 10 cm 이격된 위치에 있어서의 일산화탄소의 농도(%)의 계산결과를 나타내는 도면이다. 수치해석을 해보면, 보일러는 100% 부하상태에서 500 MW 분탄화염의 최대출력을 갖는 보일러이다. 벽의 경계층(43) 근방으로 흐르는 공기로서 8%의 연소공기가 도 12에 도시된 벽(42)의 경계층 근방으로 공기를 흐르게 하는 장치로부터 공급된다.
도 8, 도 10, 도 12를 비교하면, 본 발명의 실시예 1에 기초하여 도 8에 도시된 바와 같은 방식으로 가스분사포트(6)가 제공된 경우에, 도 12에 도시된 종래예보다 측벽(1a, 1b)방향으로의 연소가스(16)의 흐름이 적다. 특히 중간단버너(3)와 상단버너(4)로부터 측벽(1a, 1b) 방향으로의 흐름은 거의 없다. 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)는 연소가스(16)가 측벽에 충돌하는 것을 방지한다. 도 12에 도시된 벽(42)의 경계층 근처로 공기를 흐르게 하는 장치가 제공된 경우, 연소가스(16)가 측벽(1a, 1b)에 충돌하는 것을 방지하기는 거의 불가능하다.
도 9에 도시된 본 발명에 따른 실시예 1에 있어서의 측벽(1) 근방의 일산화탄소의 농도는 버너의 하류에서 1% 이하가 된다.
도 11에 도시된 종래형태의 보일러에 있어서 측벽(1) 근방의 일산화탄소의 농도는, 상단버너(4)와 애프터 에어포트(9) 사이에서 최대 10% 에 이른다. 측벽(1) 근방의 일산화탄소는 산화되기 어렵고 노의 배출구(5)로 흐른다.
도 13에 도시된 벽(42)의 경계층 근처로 흐르는 공기가 존재하는 종래형태의 보일러에 있어서, 측벽(1) 근방의 일산화탄소의 농도는 최대 8% 이며, 종래형태의 보일러와 그다지 다르지 않다. 상술된 일산화탄소의 농도분포는 측벽(1)을 따라 벽(42)의 경계층 근처로 공기를 흐르게 한 후에도 버너(2, 3, 4)로부터 흘러 나오는 연소가스(16)가 압력이 낮은 측벽(1) 방향으로 흘러 측벽(1)과 충돌하기 때문이다.
도 14는 버너의 화학 양론비가 0.8 근방에서 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물이 최저치가 되는 버너(A)와, 버너의 화학 양론비(stoichiometric ratio)가 0.7 근방일때 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물이 최저치가 되는 버너(B)와의 특성을 비교한 것을 보여준다. 실시예 3에서 사용되는 버너는 버너의 화학 양론비가 0.8 보다도 낮은 조작조건하에서 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물이 최저가 되는 특성을 가지는 것이 바람직하다. 버너(B)를 사용할 때, 노의 배출구(5)에 있어서의 질소산화물을 감소시키기 위해서는, 버너의 화학 양론비를 0.8 보다도 0.7로 낮추는 것이 효과적이다. 하지만, 버너의 화학 양론비를 낮게 하면 버너(2, 3, 4)에서 생성된 환원성 가스가 측벽(1)의 근방으로 흘러, 일산화탄소의 농도 및 미연소 물질을 증가시킨다.
따라서, 종래형태의 보일러는 버너의 화학 양론비가 약 0.8 정도로 작동되고, 버너(A)와 버너(B)에서의 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물은 거의 같다.
반대로 본 발명에 있어서는, 예를 들어, 실시예 3에 도시된 바와 같은 가스분사포트(6)를 설치하면 측벽(1) 근방의 일산화탄소의 농도 및 미연소 물질을 감소시키는 것이 가능하기 때문에, 버너의 화학 양론비가 0.7 근방에서 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물이 최저치가 되는 버너(B)를 사용하는 것이 가능하여, 버너(A)를 사용하는 경우와 비교하여 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물을 감소시키는 것이 가능하다.
〈실시예 4〉
도 15는 본 발명에 따른 관류형 보일러의 실시예 4의 구성을 나타내는 계통도이다. 사용되는 연료는 분탄(23)이며 분탄벙커(37)에 저장된다. 분탄벙커(37)에 저장된 분탄은 분탄분쇄기(38)에 의하여 분쇄된다. 분탄 운반용 공기(33)와 분탄은 버너(39)로 공급된다. 송풍기(31)로부터 공급된 공기는 연소배출가스(32) 및 공기히터(30)에 의하여 가열된다. 가열된 공기는 분탄 운반용 공기(34), 연소공기(35), 및 가스분사포트(6)의 에어 제트용 공기(36)로 나누어진다. 댐퍼(27)와 유량계(26)가 분탄 운반용 공기(34), 연소공기(35), 및 에어 제트용 공기(36)의 배관에 설치된다. 에어 제트용 공기(36)의 댐퍼(27)를 제어하도록 제어장치(20)에 부하요구(21), 석탄류 정보(22), 석탄류 측정결과(24), 및 에어 제트용 공기(36)의 유량신호(25)를 입력된다. 가스분사포트(6)는 실시예 1 또는 실시예 2에 도시된 바와 같은 방식으로 설치되면 된다.
제어장치(20)는 석탄류 정보(22) 또는 석탄류 측정결과(24)에 기초하여, 분탄의 특성을 추정하고, 추정된 분탄의 특성, 부하요구, 및 에어 제트용 공기(36)의 유량(25)에 따라 댐퍼(27)의 개방정도를 제어하여, 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)를 조절한다.
도 16은 부하와 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량 사이의 관계의 일예를 보여주는 특성도이다. 부하가 낮을 때는 노내의 연소영역의 압력이 높지 않기 때문에, 측벽(1)방향으로 흐르는 연소가스(16)의 유량은 거의 없다. 따라서, 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량은 적게 설정된다. 부하가 높아짐에 따라 가스분사포트(6)로 부터의 에어 제트(18)의 유량은 많게 설정된다.
도 17은 연료비와 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량 사이의 관계의 일예를 보여주는 특성도이다. 연료비가 낮은 분탄의 경우는, 측벽방향(1)으로 흐르는 연소가스(16)의 환원성 가스량이 증가하기 때문에 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량은 증가되게 설정된다. 반대로, 연료비가 높은 분탄의 경우는 연료비가 낮은 분탄과 비교하여 연소가 촉진되지 않고 환원성 가스량이 감소하기 때문에, 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량은 감소되게 설정된다.
도 16 또는 도 17에 도시된 제어방법에 따라 노내에 형성되는 환원영역을 파괴하지 않고 가스분사포트(6)에서의 에어 제트(18)의 유량을 최소로 설정하면, 노의 배출구(5)에 있어서의 질소 산화물의 농도를 항상 최소로 유지하는 것이 가능하다.
도 18은 일산화탄소의 농도 및 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량 사이의 관계의 일예를 나타내는 특성도이다. 석탄류 정보(22) 또는 석탄류 측정결과(24)가 없어도, 일산화탄소의 농도신호(29)를 받아들여 일산화탄소의 농도에 따라 가스분사포트(6)로부터의 에어 제트(18)의 유량을 제어하도록 일산화탄소의 농도 측정장치(28)를, 예를 들면, 측벽(1)에 설치하는 것이 가능하다. 이 경우에 있어서, 도 18에 도시된 바와 같이 일산화탄소의 농도신호(29)가 약 4 % 이상일때 댐퍼(27)는 가스분사포트(6)의 에어 제트(18)의 유량을 증가시키도록 개방된다. 일산화탄소의 농도신호(29)가 4 % 이하인 경우는 댐퍼(27)는 가스분사포트(6)의 에어 제트(18)의 유량을 감소시키도록 폐쇄된다. 상술된 도 9에 도시된 일산화탄소의 농도의 분포로부터 명백하듯이, 제어를 시작하는 일산화탄소의 농도를 4%로 제한할 필요는 없다. 즉, 일산화탄소의 농도가 버너(2, 3, 4) 근처에서 4%이하이면, 불꽃은 측벽(1)과 충돌하고 있지 않다고 생각되어, 0 내지 4 % 사이의 최적의 일산화탄소의 CO 농도를 선택하는 것이 가능하다.
〈실시예 5〉
도 19, 도 20 및 도 21은 노(15)에 에어 제트용 공기(36)를 공급하는 공급수단의 변형을 나타내는 측면도이다.
도 19에 도시된 에어 제트용 공기(36)는 버너(39)의 연소공기(35)를 분기시킴으로써 공급된다. 버너의 연소공기(35)의 압력은 높기 때문에, 에어 제트(18)를 고속으로 분사하는 것이 가능하여 측벽(1) 근방의 압력을 높이는 데 적합하다.
도 20에 도시된 에어 제트용 공기(36)는 버너(39)의 공기유량을 조절하는 댐퍼(27)의 상류로부터 분기된다. 이와 같은 방식으로 에어 제트용 공기(36)를 분기시키면 버너(39)로의 연소공기의 유량을 바꾸더라도 에어 제트용 공기(36)의 압력 변화가 적어, 더욱 고속으로 에어 제트용 공기(36)를 분사하는 것이 가능하다. 또한, 버너(39)내의 에어 제트용 공기(36)와 연소공기를 독립으로 제어하는 것이 가능하다.
도 21은 가스분사포트(6)가 애프터 에어포트(9)에 근접한 경우, 에어 제트용 공기(36)가 애프터 에어(after air, 45)로부터 분기되어 공기배관이 보다 짧게되는 일예를 보여준다.
상술된 일본국 특개평7-98103호 공보에 개시된 종래예에서는, 산소분압이 10% 이하의 연소가스를 보조 연소포트까지 공급하는 배관이 필요하였다. 결과적으로, 수십 미터 길이를 갖는 연소가스공급용 배관을 배치하는 것이 필요하여, 대폭적인 비용상승이 불가피하였다.
반대로, 도 19, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 노(15)에 에어 제트용 공기(36)를 공급하는 공급수단에 있어서는, 에어 제트용 공기(36)를 공급하도록 매우 가까운 위치까지 배관된 연소공기(35) 또는 애프터 에어(45)를 분기시키는 것만으로도 충분하다. 특히, 가스분사포트(6)가 버너(2, 3, 4)의 높이와 동일한 높이에 제공된 경우, 버너(39)의 윈도박스(window box, 40)의 좌우양단에 가스분사포트(6)를 형성하는 것이 가능하기 때문에, 본 발명을 위해 최소의 설비만 추가하면 된다. 애프터 에어포트(9)의 높이와 같은 높이에 가스분사포트(6)가 제공된 경우도 마찬가지이다.
본 발명에 의하면 전후벽과 상기 전후벽에 교차하는 측벽에 의하여 형성되는 연소실과, 상기 전후벽의 적어도 한 쪽에 설치된 복수 단의 버너를 포함하는 관류형 보일러에 있어서, 연소실내로 가스를 분사시키도록 상기 버너의 높이의 범위내에서 가장 바깥열 버너와 상기 측벽과의 사이에 가스분사포트가 제공되어, 연소실 중심부에서의 가스의 압력보다 측벽근방의 가스의 압력을 높여, 연소가스가 측벽에 근접하는 것을 방지할 수 있음으로써, 연소가스의 충돌에 의한 재의 부착, 노의 출구에 있어서의 일산화탄소의 농도, 및 미연소 물질을 감소시킨다.

Claims (11)

  1. 전후벽(14a, 14b)과 상기 전후벽에 교차하는 한 쌍의 측벽(1a, 1b)을 구비하는 연소실(13);
    적어도 상기 전후벽(14a, 14b) 중 한쪽의 높이방향으로 복수 단으로 제공되고, 하나의 단마다 수평방향으로 배열되며, 연료와 연소공기(35)를 연소시키는 복수 개의 버너(2, 3, 4, 39); 및
    상기 버너(2, 3, 4, 39)가 제공되는 높이 범위 내에서 수평방향으로 가장 바깥열에 제공되는 상기 버너와, 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 사이에서 상기 전벽(14a)과 상기 후벽(14b)의 대향위치에 제공되어 가스를 도입하는 가스분사포트(6);를 포함하여 이루어지는 보일러에 있어서,
    상기 가스분사포트(6)를 통하여 상기 연소실(13)로 에어 제트(18)가 분사되도록 상기 연소공기(35)의 일부를 상기 가스분사포트(6)에 공급하는 분기관(branch line), 및
    상기 전벽(14a)과 상기 후벽(14b)의 대향위치로부터 분사된 상기 에어 제트(18)가 충돌하여 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 부근의 압력이 상승하는, 상기 연소실 내의 충돌영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  2. 제 1항에 있어서,
    공기유량을 순환시키는 댐퍼(27)가, 상기 연소공기(35)를 상기 버너(2, 3, 4, 39)에 공급하는 배관 유로에 제공되고, 상기 분기관은 상기 댐퍼 위치의 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료는 분탄(23)이고, 상기 분탄(23)을 상기 버너에 운반하는 일부의 운반용 공기(34)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    애프터 에어(45)를 분사하는 복수 개의 애프터 에어포트(9)가 상기 연소실(13) 내 적어도 상기 전후벽(14a, 14b) 중 한쪽에 제공되고,
    상기 애프터 에어포트(9)는 최상부 단에서 수평방향으로 상기 버너(4)의 상부 단에 장착되고,
    상기 에어 제트(18)를 분사하는 다른 가스분사포트들(6)이, 수평방향으로 가장 바깥열의 상기 애프터 에어포트(9)와 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 사이에서 상기 대향위치에 제공되고,
    상기 전후벽(14a, 14b)의 상기 최상부 버너(4)와 상기 애프터 에어포트(9) 사이에 배열된 상기 다른 가스분사포트들(6)로부터 분사된 상기 에어 제트(18)가 상기 연소실(13) 내에서 충돌하여 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 부근에서의 압력이 상승하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 애프터 에어포트(9)로 공급된 상기 애프터 에어(45)는, 상기 최상부 버너(4)보다도 높은 위치에 제공되는 상기 다른 가스분사포트들(6)에 공급되도록 분기되는 것을 특징으로 하는 보일러.
  6. 제 5항에 있어서,
    공기 유량을 순환시키는 댐퍼가, 상기 애프터 에어(45)를 상기 애프터 에어포트(9)에 공급하는 배관 유로에 제공되고, 상기 분기관이 상기 댐퍼 위치의 상류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 보일러는, 상기 보일러의 부하 설정 및 석탄류 정보에 의거하여 상기 가스분사포트(6)로부터 상기 에어 제트의 유량을 제어함으로써, 상기 보일러의 상기 부하가 낮은 경우에는 상기 에어 제트의 상기 유량을 감소시키고, 상기 보일러 부하의 증가에 수반하여 상기 에어 제트의 유량을 증가시키는 제어수단(20)을 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 보일러는, 상기 보일러의 부하 설정 및 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 부근의 상기 연소가스의 일산화탄소의 농도(28, 29)에 의거하여 상기 가스분사포트(6)로부터 상기 에어 제트의 유량을 제어함으로써, 상기 보일러의 상기 부하가 낮은 경우에는 상기 에어 제트의 상기 유량을 감소시키고, 상기 보일러 부하의 증가에 수반하여 상기 에어 제트의 유량을 증가시키며, 상기 일산화탄소의 농도가 소정치 이하인 경우에는 상기 에어 제트의 상기 유량을 감소시키는 제어수단(20)을 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러
  9. 전후벽(14a, 14b)과 상기 전후벽에 교차하는 한 쌍의 측벽(1a, 1b)을 구비하는 연소실(13); 및 적어도 상기 전후벽(14a, 14b) 중 하나의 높이방향으로 복수 단으로 제공되고, 하나의 단마다 수평방향으로 배열되는 복수 개의 버너(2, 3, 4, 39);를 포함하여 이루어지는 보일러 내 혼합기(fuel-air mixture)를 연소시키는 방법에 있어서,
    연료와 연소공기(35)를 상기 연소실(13) 내 상기 복수 개의 버너(2, 3, 4, 39)로 분사시키는 단계;
    상기 연소실(13) 내 상기 연료를 연소시키는 단계로 이루어지고,
    상기 연소공기(35)의 일부를 분기하는 방식으로 상기 가스분사포트(6)에 공급하고, 상기 가스분사포트(6)를 통하여 상기 연소실에 에어 제트(18)로 분사하는 단계;
    상기 가스분사포트(6)를 통하여 상기 전벽(14a)과 상기 후벽(14b)의 대향위치에, 상기 버너가 제공되는 높이 범위 내에서 수평방향으로 가장 바깥열에 제공되는 버너(2, 3, 4, 39)와 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 사이에서 에어 제트(18)를 분사시키는 단계; 및
    상기 전벽(14a)의 상기 가스분사포트(6)로부터 분사된 에어 제트(18) 및 상기 후벽(14b)의 상기 가스분사포트(6)로부터 분사된 에어 제트(18)를 상기 연소실(13) 내에서 충돌시켜서, 상기 한 쌍의 측벽(1a, 1b) 부근의 압력을 증가시키는 단계를 더욱 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러 내 혼합기를 연소시키는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가스분사포트(6)로부터 분사된 상기 에어 제트(18)의 유속은, 30 내지 90m/sec의 범위 내인 것을 특징으로 하는 보일러 내 혼합기를 연소시키는 방법.
  11. 삭제
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