KR101364982B1 - 교체 가능한 마모 부품을 갖는 석탄 로프 분배기 - Google Patents

교체 가능한 마모 부품을 갖는 석탄 로프 분배기 Download PDF

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Abstract

미분탄 노즐용 헤드 조립체(52, 152)는 베인(54, 151, 153)을 갖는 제거 가능한 내마모성 인서트를 포함한다. 베인(54, 151, 153)은 입구 포트(60, 160)로부터 출구 포트(62, 162)를 향해 공기 및 미분 고체 연료 입자의 스트림을 지향시키도록 편평하거나 만곡될 수 있다. 만곡된 베인(151, 153)은 외부면으로부터 이격하여 공기 및 미분 고체 연료의 스트림을 균등하게 분배하기 위해 2차원으로 만곡되어, 마모 및 침식을 감소시킨다. 파이프 엘보우관은 용이한 접근을 허용하는 제거 가능한 커버(70, 170)를 갖는다. 베인은 내마모성 교체 가능한 라이너(185)에 부착되어, 따라서 이들이 용이하게 제거되고 교체될 수 있게 한다. 내마모성 라이너(185)는 용이한 제거 및 교체를 위해 다수의 부분(187, 189)으로부터 제조될 수 있다.

Description

교체 가능한 마모 부품을 갖는 석탄 로프 분배기{COAL ROPE DISTRIBUTOR WITH REPLACEABLE WEAR COMPONENTS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "석탄 로프 분배기를 갖는 미분 연료 헤드 조립체(PULVERIZED FUEL HEAD ASSEMBLY WITH COAL ROPE DISTRIBUTOR)"인 2008년 12월 18일 출원된 미국 가출원 제 61/138,578호(대리인 문서 번호 W08/072-0) 및 발명의 명칭이 "교체 가능한 마모 부품을 갖는 석탄 로프 분배기(COAL ROPE DISTRIBUTOR WITH REPLACEABLE WEAR COMPONENTS)인 2009년 7월 17일 출원된 미국 출원 제 12/504,932호(대리인 문서 번호 WO8/072-1)로부터 우선권 및 이득과 선출원일을 청구한다. 이들 특허 출원은 본 명세서에 그대로 설명된 것과 같이 참조로서 포함되어 있다.
본 발명은 미분 고체 연료(미분탄) 전달 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 미분탄 전달 시스템에 사용을 위한 연료 헤드 조립체에 관한 것이다.
도 1은 미분 고체 연료(예를 들어, 미분탄) 및 공기의 연소가 개시되는 연소 챔버(14)를 포함하는 것으로 도시된 미분 고체 연료 연소 증기 발생기(10)의 예를 도시한다. 미분탄 및 공기의 연소로부터 생성된 고온 가스는 증기 발생기(10)에서 상향으로 상승되고, 증기 발생기(10)의 벽에 통상의 방식으로 라이닝되는 튜브(미도시)를 통해 통과하는 유체에 열을 제공한다. 증기 발생기(10) 내에 발생된 증기는 예를 들어 터빈/발전기 세트(미도시)에 사용되는 것과 같은, 또는 임의의 다른 목적으로 터빈(미도시)에 유동하도록 이루어질 수 있다.
증기 발생기(10)는 증기 발생기(10)의 코너 또는 측면에 위치될 수 있는 하나 이상의 윈드박스(20)를 포함할 수 있다. 각각의 윈드박스(20)는 적합한 소스(예를 들어, 팬)로부터 공급된 공기가 증기 발생기(10)의 연소 챔버(14) 내에 주입되는 복수의 공기 격실(15)을 구비한다. 각각의 윈드박스(20) 내에는 복수의 연료 격실(12)이 또한 배치되고, 이 연료 격실을 통해 미분탄은 증기 발생기(10)의 연소 챔버(14) 내로 주입된다.
미분탄은 복수의 미분 고체 연료 덕트(26)를 경유하여 연료 격실(12)과 유체 연통하는 분쇄기(24)를 포함하는 미분탄 공급 수단(22)에 의해 연료 격실(12)에 공급된다. 분쇄기(24)는 공기 소스(예를 들어, 팬)에 작동적으로 연결되고, 이에 의해 공기 소스에 의해 발생된 공기 스트림이 분쇄기(24)로부터 고체 연료 덕트(26)를 통해, 연료 격실(12)을 통해 연소 챔버(14) 내로 미분탄을 운반한다.
도 2는 연료 격실(12) 내에 배치된 통상의 미분탄 노즐 조립체(34)의 단면 입면도를 도시한다. 단지 하나의 연료 격실(12)만이 도시되어 있지만, 도 1의 각각의 연료 격실(12)은 노즐 조립체(34)를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 노즐 조립체(34)는 연소 챔버(14) 내로 돌출되는 노즐 팁(36), 연료 격실(12)을 통해 연장되는 연료 이송 파이프(38) 및 이에 의해 노즐 조립체(34)가 고체 연료 덕트(26)에 결합되는 헤드 조립체(40)를 포함한다. 통상적으로, 헤드 조립체(40)는 실질적으로 수평 연료 이송 파이프(38)와 실질적으로 수직 고체 연료 덕트(26)를 연결하는 엘보우관(elbow)을 포함한다.
노즐 팁(36)은 외부 쉘(39) 및 내부 쉘(42)을 포함하는 2중 쉘 구성을 가질 수 있다. 내부 쉘(42)은 내부 및 외부 쉘(42, 39) 사이에 환형 공간(44)을 제공하기 위해 외부 쉘(39) 내에 동축으로 배치된다. 내부 쉘(42)은 연료 이송 파이프(38) 및 내부 쉘(42)을 통해 연소 챔버(14)(도 1) 내로 공기 내에 혼입되는 미분탄의 스트림을 이송하기 위한 연료 이송 파이프(38)에 연결된다. 환형 공간(44)은 연소 챔버(14) 내로 2차 공기의 스트림을 이송하고, 이는 노즐 팁(36)을 냉각하는 것을 돕는다. 노즐 팁(36)이 연료 이송 파이프(38)에 대해 분리되고 피벗 가능한 것으로서 도시되어 있지만, 대신에 연료 이송 파이프(38)의 단부는 정지 노즐 팁을 형성하도록 성형될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
역사적으로, 미분탄 보일러 시스템은 미분탄의 균일한 분배를 성취하고 연료 덕트(26) 및 노즐 조립체(34)를 가로지르는 공기를 운반하는데 어려움을 갖는다. 불균일 분배는 미분 고체(예를 들어, 석탄) 및 가스(예를 들어, 공기)의 2상 유동 시스템에서의 운반과 관련된다. 연료 덕트(26) 내에서의 각각의 턴(turn)에서, 상들 사이의 분리가 발생한다. 마지막으로, 배관이 수직 연료 덕트(26)로부터 수평 노즐 조립체(34)로 전이할 때, "석탄 로프"로서 알려진 석탄의 좁은 농축된 스트림이 연료 이송 파이프(38)의 단면의 특정 부분에 형성된다.
각각의 노즐 조립체(34)는 연료 덕트(26)의 상류측 노정(routing) 및 공기 및 석탄 유량과 같은 다른 팩터에 따라 상이한 석탄 로프 농도 및 위치를 가질 수 있다. 이 석탄 로프 형성은 마모를 가속화하고 부품 수명을 감소시키는 국부화된 침식을 촉진한다. 석탄 로프 형성은 또한 연료/공기 혼합 효율을 감소시키고, 따라서 연료 소비의 효율을 감소시킨다.
석탄 로프는 이들이 벽에 접촉하는 침식을 발생시킨다. 이들은 기류 흐름을 따른다. 도 2에서, 흐름은 로프가 연료 공급 파이프(38)의 벽을 침식시키게 할 수 있다. 연료 공급 파이프(38)는 연료 격실(12)의 내부에 위치된다. 이들은 통상적으로 윈드박스를 통해 통과한다. 따라서, 연료 이송 파이프(38) 내의 부분을 교체하는 것이 매우 어렵다.
헤드 조립체(40)와 같은 다른 부분은 노출되어 있고 접근 및 유지 보수가 용이하다.
과거에, 수평 노들 조립체(34)를 통한 향상된 미분탄 분배는 통상적으로 연료 이송 파이프(38) 내에 배치된 기계적 디바이스인 석탄 로프 파쇄기로서 알려진 디바이스로서 수행되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,105,516호는 노즐의 연료 이송 파이프부 내로 돌출하는 다수의 횡단방향 연장 리브 세그먼트를 설명하고 있고, 미국 특허 제 5,526,758호는 버너 노즐 내에 장착된 분배 하프콘(half-cone)을 설명하고 있고, 미국 특허 제 5,588,380호는 석탄 노즐축을 따라 배치된 각형성된 지지 레그를 갖는 원추형 분산기를 설명하고 있다. 석탄 로프를 파쇄하기 위한 다른 공지의 방법은 연료 이송 파이프(38) 내에 오리피스를 배치하는 것을 포함한다.
경험 및 컴퓨터 모델링은 이들 석탄 로프 파쇄 디바이스가 공기를 재분배하는데 있어서 소정의 성공을 갖지만, 노즐 내의 미분탄 분배에 거의 영향을 미치지 않는다. 더욱이, 이들 석판 로프 파쇄 디바이스는 미분탄 전달 시스템에 원하지 않는 압력 강하를 추가한다. 이 압력 강하는 분쇄기 시스템 전달 용량을 감소시키거나 제한하는 가능성을 가질 수 있다.
따라서, 미분탄 전달 시스템의 원하지 않는 압력 강하의 양을 감소시키면서, 석탄 로프의 형성 및 석탄 로프와 관련된 문제점을 제거하거나 감소시키기 위해 버너 노즐 조립체를 통한 미분탄 분배를 향상시키는 서비스 및 유지 보수가 용이한 디바이스에 대한 요구가 존재한다.
종래의 전술된 및 다른 결점 및 결함은 파이프 엘보우관 내에 배치된 적어도 하나의 회전 베인(vane) 및 적어도 하나의 석탄 로프 파쇄 베인을 포함하는 미분탄 노즐용 헤드 조립체에 의해 극복되거나 완화된다. 회전 베인은 입구 포트로부터 출구 포트를 향해 공기 및 미분탄 입자의 스트림을 재지향시키기 위해 파이프 엘보우관의 입구 포트 및 출구 포트에 대해 각형성된다. 석탄 로프 파쇄 베인은 입구 포트로부터 공기 및 미분탄 입자의 스트림에 대한 석탄 로프 파쇄 베인의 각도를 조정하기 위해 축 둘레에서 피벗 가능하다. 석탄 로프 파쇄 베인의 부분은 파이프 엘보우관을 통해 연장될 수 있어 미분탄 입자가 헤드 조립체를 통해 유동하는 동안 석탄 로프 파쇄 베인이 조정될 수 있게 한다. 회전 베인은 또한 조정 가능할 수 있다.
다양한 실시예에서, 파이프 엘보우관은 제거 가능한 커버 검사 포트 및 제거 가능한 커버를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 석탄 로프 파쇄 베인 및 적어도 하나의 회전 베인은 제거 가능한 커버에 부착될 수 있어, 적어도 하나의 회전 베인 및 적어도 하나의 석탄 로프 파쇄 베인이 제거 가능한 커버와 함께 제거될 수 있게 한다.
이제 유사한 항목이 다양한 도면에서 유사한 도면 부호로 표시되어 있는 도면을 참조한다.
본 발명에 의하면, 미분탄 전달 시스템의 원하지 않는 압력 강하의 양을 감소시키면서, 석탄 로프의 형성 및 석탄 로프와 관련된 문제점을 제거하거나 감소시키기 위해, 버너 노즐 조립체를 통한 미분탄 분배를 향상시키는, 서비스 및 유지 보수가 용이한 석탄 로프 분배기를 제공할 수 있다.
종래의 석탄 로프 파쇄 디바이스와 비교할 때, 본 발명의 헤드 조립체(52)는 수평 버너 노즐 조립체(50)를 통한 향상된 미분탄 분배를 제공하여 석탄 로프의 형성 및 석탄 로프와 관련된 문제점을 제거하거나 감소시키면서 원하지 않는 압력 강하의 양을 감소시킨다.
도 1은 내부에 배치된 연료 격실을 갖는 복수의 윈드박스를 포함하는 종래의 석탄 연소식 증기 발생기의 개략도.
도 2는 연료 격실 내에 배치된 종래의 미분탄 노즐 조립체의 단면 입면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 헤드 조립체를 포함하는 미분탄 노즐 조립체의 단면 입면도.
도 4는 도 3의 연료 헤드 조립체의 사시도.
도 5는 출구 단부를 도시하는 도 3의 연료 헤드 조립체의 입면도.
도 6은 접근 포트 커버를 도시하는 도 3의 연료 헤드 조립체의 입면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미분탄 노즐 조립체의 단면 입면도.
도 8은 본 발명에 따른 미분탄 노즐 조립체의 다른 실시예의 사시도.
도 9는 도 8의 헤드 조립체의 사시도.
도 10은 내부 구조체를 도시하는 도 9의 연료 헤드 조립체의 분해도.
도 11은 내부 구조체를 도시하는 연료 헤드 조립체의 다른 실시예의 분해도.
도 12는 만곡된 베인의 길이 방향 곡률을 도시하는 본 발명에 따른 헤드 조립체의 측면 입면도.
도 13은 만곡된 베인의 측방향 곡률을 도시하는 본 발명에 따른 헤드 조립체의 정면 입면도.
도 14는 종래의 헤드 조립체를 위한 미분 고체 연료 입자를 위한 농도 윤곽의 시뮬레이션.
도 15는 본 발명에 따른 헤드 조립체를 위한 미분 고체 연료 입자를 위한 농도 윤곽의 시뮬레이션.
도 3은 연료 격실(12) 내에 배치된 미분탄 노즐 조립체(50)의 단면 입면도를 도시한다. 단지 하나의 연료 격실(12)만이 도시되어 있지만, 도 1의 각각의 연료 격실(12)은 노즐 조립체(50)를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 노즐 조립체(50)는 연소 챔버(14) 내로 돌출될 수 있는 노즐 팁(36), 연료 격실(12)을 통해 연장되는 연료 이송 파이프(38) 및 이에 의해 노즐 조립체(50)가 고체 연료 덕트(26)에 결합되는 헤드 조립체(52)를 포함한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 미분 고체 연료 노즐(50)용 헤드 조립체(52)는 파이프 엘보우관(58) 내에 배치된 적어도 하나의 회전 베인(54) 및 적어도 하나의 석탄 로프 파쇄 베인(56)을 포함한다. 도시된 실시예는 2개의 회전 베인(54) 및 4개의 석탄 로프 파쇄 베인(56)을 포함한다. 파이프 엘보우관(58)은 예를 들어 표준 엘보우관[예를 들어, 도 2의 헤드 조립체(40)] 대신에 현존하는 시스템 내에 끼워질 수 있는 90도 연귀형 엘보우관(mitered elbow)을 포함할 수 있다. 각각의 회전 베인(54)은 입구 포트(60)로부터 출구 포트(2)를 향해 공기 및 미분탄 입자의 스트림을 재지향시키기 위해 파이프 엘보우관(58)의 입구 포트(60) 및 출구 포트(62)에 대해 각형성되고, 이는 유동을 촉진하고 압력 강하를 감소시키는 것을 돕는다. 도시된 예에서, 회전 베인(54)은 만곡되어 반경을 형성하고, 실질적으로 파이프 엘보우관(58)의 전체 유동 영역을 가로질러 연장된다. 각각의 회전 베인(54)은, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 도면 부호 59로 지시된 바와 같이 회전 베인의 좌측 및 우측 측면이 도 5에 도시된 바와 같이 독립적으로 조정될 수 있도록 단절될 수 있다. 회전 베인들(54)은 내연마성 금속 또는 세라믹으로 제조될 수 있다.
각각의 석탄 로프 파쇄 베인(56)은 입구 포트(60)로부터 공기 및 미분탄 입자의 스트림에 대한 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 각도를 조정하도록 축(64) 둘레에서 피벗 가능하다. 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 부분(66)은 파이프 엘보우관(58)을 통해 연장될 수 있어, 미분탄 입자가 헤드 조립체(52)를 통해 유동하면서 석탄 로프 파쇄 베인(56)이 조정될 수 있게 한다. 이는 보일러 내의 노즐 조립체들(50) 사이의 석탄 로프 농도 및 위치의 차이를 고려하도록 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 용이한 온라인 조정을 허용한다. 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 길이에 따라, 회전 베인(54)은 석탄 로프 파쇄 베인(56)이 연장되는 검사 포트(68)(도 5)를 포함할 수 있다. 석탄 로프 파쇄 베인(56)은 내연마성 금속 또는 세라믹으로 제조될 수 있다.
파이프 엘보우관(58)은 검사 포트(68) 및 제거 가능한 커버(70)를 추가로 포함할 수 있다. 석탄 로프 파쇄 베인(56) 및 회전 베인(54)은 제거 가능한 커버(70)에 부착될 수 있고, 따라서 이들이 커버(70)를 간단하게 제거함으로써 용이하게 제거될 수 있다. 윈드박스 또는 노에 대한 접근은 요구되지 않는다. 일단 제거되면, 커버(70) 및 베인(54, 56)은 오프-사이트(off-site) 수리 및 개선을 위한 조립체로서 선적될 수 있다. 버너 헤드(52) 부품을 교체하는 것은 더 큰 고정 노즐 및 팁의 마모 수명을 연장한다.
도시된 실시예에서, 각각의 회전 베인(54)은 지지 바아(72)에 고정되고, 이 지지 바아는 이어서 접근 커버(70)에 고정된다. 하나 이상의 스페이서(74)가 추가의 구조적 안정성을 위해 회전 베인들(54) 사이에 고정될 수 있다. 지지 바아(72)는 지지 바아(72)를 커버(70)에 고정하고 커버(70)를 제거하지 않고 회전 베인(54)이 조정될 수 있게 하도록 제거 가능한 커버(70)를 통해 연장하는 부분(예를 들어, 핀)(76)을 포함할 수 있다. 각각의 지지 바아(72)는 입구 포트(60)로부터 공기 및 미분탄 입자의 스트림에 대해 지지 바아(72)에 고정된 회전 베인(54)의 각도를 조정하도록 축(78) 둘레에서 피벗 가능하다. 지지 바아(72)는 외부 부분(76) 상에 나사 결합될 수 있는 체결 너트 등에 의해 적소에 고정될 수 있다.
석판 로프 파쇄 베인(56)은 석탄 로프 파쇄 베인(56)을 커버(70)에 고정하고 석탄 로프 파쇄 베인(56)이 커버(70)를 제거하지 않고 조정될 수 있게 하도록 제거 가능한 커버(70)를 통해 연장하는 부분(예를 들어, 핀)(66)을 포함할 수 있다. 석탄 로프 파쇄 베인(56)은 외부 부분(66) 상에 나사 결합될 수 있는 체결 너트 등에 의해 적소에 고정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 석탄 로프 파쇄 베인(56) 및 회전 베인(54)은 커버(70) 이외의 파이프 엘보우관(58)에 고정되지 않으며, 따라서 이들이 커버(70)와 함께 파이프 엘보우관(58)으로부터 제거될 수 있게 한다.
컴퓨터 모델링은 본 발명의 연료 헤드 조립체(52)가 표준의 긴 반경 파이프 엘보우관[예를 들어, 도 1의 헤드(40)]에서와 실질적으로 동일한 압력 손실을 유지하면서 노즐 조립체(50) 내의 석탄 분배를 향상시키는 것을 나타내고 있다. 이론에 의해 구속되기를 바라는 것은 아니지만, 노즐 조립체(50) 내의 석탄 분배의 향상은 위치될, 그리고 그에 따라 특정 노즐 조립체(50) 내의 석탄 로프 형성 조건에 적합화 될 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 능력에 부분적으로 기인하는 것으로 고려된다. 더욱이, 노즐(50) 내의 석탄 분배의 향상은 종래의 석탄 로프 파쇄 디바이스가 통상적으로 배치되는 연료 이송 파이프(38)의 상류측에 있는 석탄 로프 파쇄 베인(56)의 위치에 부분적으로 기인하는 것으로 고려된다. 연료 헤드 조립체(52) 내에 석탄 로프 파쇄 베인(56)을 배치함으로써, 석탄 입자가 노즐 조립체(50) 내에 균등하게 분배될 수 있게 하도록 이용 가능한 유효 길이가 증가된다.
따라서, 종래의 석탄 로프 파쇄 디바이스와 비교할 때, 본 발명의 헤드 조립체(52)는 수평 버너 노즐 조립체(50)를 통한 향상된 미분탄 분배를 제공하여 석탄 로프의 형성 및 석탄 로프와 관련된 문제점을 제거하거나 감소시키면서 원하지 않는 압력 강하의 양을 감소시킨다.
노즐 팁(36)은 외부 쉘(39) 및 내부 쉘(42)을 포함하는 2중 쉘 구성을 가질 수 있다. 내부 쉘(42)은 외부 쉘(39) 내에 동축으로 배치되어 내부 및 외부 쉘(42, 39) 사이에 환형 공간(44)을 제공한다. 내부 쉘(42)은 연료 이송 파이프(38) 및 내부 쉘(42)을 통해 연소 챔버(14)(도 1) 내로 공기 중에 혼입된 미분탄의 스트림을 이송시키기 위해 연료 이송 파이프(38)에 연결된다. 환형 공간(44)은 연소 챔버(14) 내로 2차 공기의 스트림을 이송시키고, 이는 노즐 팁(36)을 냉각하는 것을 돕는다. 노즐 팁(36)은 연료 이송 파이프(38)에 대해 분리되고 피벗 가능한 것으로서 도시되어 있지만, 대신에 연료 이송 파이프(38)의 단부는 고정 노즐 팁을 형성하도록 성형될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 7은 노즐 조립체(50)와 관련된 화염을 조정하기 위한 수단(80)을 포함하는 본 발명에 따른 원통형 기하학적 형상을 갖는 버너 노즐 조립체(50)의 실시예를 도시한다. 조정 수단(80)은 온라인 화염 형상 제어를 허용하고, NOx 및 CO와 같은 보일러 배출물의 감소를 최소화하기 위해 화염 전방부를 적합하게 하는 장점을 제공한다. 조정 수단(80)은 노즐 조립체(50)의 중앙축을 따라 연장되는 로드(82)와, 로드(82)의 자유 단부에 배치되고 노즐 팁(36) 내에 위치된 블러프(bluff) 본체(84)(이동 유체 내에 침지될 때 저항을 생성하는 형상을 갖는 본체)를 포함한다. 로드(82)의 대향 단부는 제거 가능한 커버(70)를 통해 배치된 글랜드 밀봉부(gland seal)(84)를 통해 연장된다. 글랜드 밀봉부(84)는 공기 중에 혼입된 미분탄의 스트림이 로드(82)를 따라 탈출하는 것을 방지하는 동시에 로드(82)가 그 축을 따른 방향으로 이동하게 한다. 로드(82)는 상기 로드(82)에 고정되고 연료 이송 파이프(38)의 내부면 상에 놓인 한 쌍의 레그(미도시)에 의해 연료 이송 파이프(38) 내에 지지될 수 있다. 그 축을 따른 방향에서 로드(82) 및 블러프 본체(84)의 이동은 화염의 형상이 조정될 수 있게 한다.
도 7은 블러프 본체(84)의 사용을 도시하고 있지만, 다른 구조체가 조정 수단에 의해 이용될 수 있다는 것이 고려된다. 예를 들어, 스월러(swirler)(그 주위 둘레에 이격된 핀을 갖는 본체)가 공기 내에 혼입된 미분탄의 유동에 회전을 부여하기 위해 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 미분탄 노즐 조립체의 다른 실시예의 사시도이다. 이 실시예는 노즐 조립체(50) 및 헤드 조립체(152)를 포함한다. 노즐 조립체(50)는 연료 격실(12)을 통해 연장하는 연료 이송 파이프(38)를 갖는다. 도 1의 각각의 연료 격실은 노즐 조립체(50)를 포함할 수 있다.
이전의 실시예에서와 같이, 노즐 조립체(50)는 연소 챔버(14) 내로 돌출될 수 있는 연료 이송 파이프(38)의 일 단부에 노즐 팁(36)을 포함한다. 연료 이송 파이프(38)의 다른 단부는 헤드 조립체(152)에 연결된다.
도 9는 도 8의 연료 헤드 조립체(152)의 사시도를 도시한다. 헤드 조립체(152)는 입구 포트(160) 및 출구 포트(162)를 갖는다. 이들 모두는 다른 부분에 부착하기 위한 플랜지를 갖는다. 여기에 헤드 조립체(152)를 연료 이송 파이프(38)에 부착하는 출구 포트 플랜지(164)가 도시되어 있다.
제거 가능한 커버(170) 및 하부 하우징(180)은 입구 포트(160)를 일반적으로 곡률반경(R)을 갖는 출구 포트(162)에 유동적으로 결합하는 만곡된 관형 도관인 내부 캐비티(183)를 생성하도록 서로 연결된다.
내마모성 제거 가능한 및 교체 가능한 케이싱 라이너(185)가 내부 캐비티(183) 내에 배치된다. 이는 복수의 만곡된 베인(151, 153)(본 실시예에서 2개가 도시되어 있지만, 임의의 수가 사용될 수 있음)을 갖는다.
만곡된 베인(151)은 입구 포트(160) 부근의 선단 에지(155)로부터 출구 포트(162) 부근의 후단 에지(156)로 이동하는 길이 방향(CL)에서 만곡되는 표면을 갖는다. 만곡된 베인(151, 153)의 곡률반경은 내부 캐비티(183)의 곡률반경(R)과 대략 동일하다.
표면은 또한 측방향(CS)으로 만곡된다. 만곡된 베인의 측방향 곡률(Cs)은 내부 캐비티(183)의 단면 원주(C)와 대략 동일한 곡률반경을 갖는다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 만곡된 베인(151, 153) 중 적어도 하나의 후단 에지(156)는 그의 가장 근접한 도관 표면으로부터 이격하여 각형성된다. 이 각은 바람직하게는 최대 13도이다. 이는 혼입된 미분탄을 갖는 공기 스트림이 헤드 조립체(152) 및/또는 노즐 조립체(150)의 면과 접촉하는 것을 추가적으로 감소시킨다.
또한, 본 발명의 다른 대안적인 실시예에서, 선단 에지(155)는 내부 캐비티(183)를 에워싸는 그의 가장 근접한 표면에 실질적으로 평행하다. 이는 공기 저항 및 압력 강하를 감소시킨다.
이 2차원의 곡률은 내부 캐비티(183) 및 연료 노즐 주위의 임의의 표면으로부터 이격하여 입구 포트(160)로부터 출구 포트(162)를 향해 공기 및 미분탄 입자의 스트림을 지향시키는데 있어 효과적이다. 이는 석탄 노즐의 마모 및 침식을 상당히 감소시키고, 요구되는 유지 보수를 감소시킨다.
2개의 만곡된 베인(151, 153)이 여기에 부분적으로 도시되어 있다. 이들은 헤드 조립체(152)를 통해 공기/연료 입자를 안내하도록 기능할 뿐만 아니라 석탄 로프를 파쇄하도록 기능한다. 이들은 일반적으로 입구 포트(160)로부터 출구 포트(162)로 공기 유동 내에 혼입된 연료 입자를 지향시켜, 헤드 조립체(152)의 내부면을 따라 통상적으로 연장하는 최대 가능한 곡률반경을 갖는 석탄 로프의 집합을 감소시킨다. 이들은 헤드 조립체(152)의 내부면 대신에 만곡된 베인(151, 153)의 각각 아래로 유동의 부분을 지향시킨다.
바람직한 실시예에서, 만곡된 베인(151, 153)은 고정되고 하부 케이싱(180)에 대해 이동하지 않는다. 이 디자인은 추가의 강도를 제공하고, 만곡된 베인(151, 153)의 원하지 않는 이동 또는 조정을 최소화한다. 이들은 석탄 입자 유동의 분배를 더 균일하게 하고 석탄 로프를 파쇄하도록 성형된다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 연료 이송 파이프로의 침식 및 손상을 최소화하기 위해 연료 이송 파이프(38)를 따라 아래로 통과하도록 연료/공기 유동을 지향시키는 것이 또한 가능하다. 이는 만곡된 베인(151, 153) 및 헤드 조립체(152)의 잔여부에 침식을 제거한다.
만곡된 베인(151, 153) 및 헤드 조립체의 내부는 세라믹 또는 부분적으로 금속 및 부분적으로 세라믹과 같은 고도로 내마모성인 교체 가능한 라이너로 덮인다. 이들 부분은 도 10과 관련하여 더 상세히 설명될 것이다.
연료 이송 파이프(38)가 윈드 박스 내에 있는 연료 격실(12) 내에 있다. 따라서, 연료 이송 파이프(38)를 교체하거나 수리하기 위해, 윈드박스를, 이어서 연료 격실을 분해하고, 이어서 연료 이송 파이프(38)를 교체하거나 수리해야 한다. 이는 시간 소모적이고 고비용이다.
다른 한편으로, 헤드 조립체(152)는 윈드박스의 후방으로부터 연장되어 용이하게 접근 가능하다. 게다가, 연소 챔버는 다른 측면 윈드박스 상에 있고, 따라서 온도는 헤드 조립체(152) 부근에서 상당히 낮다. 이는 서비스를 위한 냉각에 적은 시간을 요구한다.
본 발명의 실시예는 또한 제거 가능한 커버(170)를 갖는다. 이 커버의 제거는 서비스될 부분들에 대한 용이한 접근을 허용한다. 이는 유지 보수를 더 용이하게 한다.
여기에 2개의 만곡된 베인(154)이 도시되어 있지만, 3개 이상의 베인이 사용될 수 있다.
도 10은 내부 구조체를 도시하는 도 9의 연료 헤드 조립체의 분해도이다. 이를 통해 일단 제거 가능한 커버(170)가 제거되면, 다른 부품들이 용이하게 접근 및 교체 가능하게 된다는 사실을 볼 수 있다.
커버 라이너(175)와 같은 고도로 내마모성인 교체 가능한 내부 부분이 존재한다. 이는 제거 가능한 커버(170)의 내부면을 덮는다. 하부 케이싱(180)의 내부면을 덮는 케이싱 라이너(185)가 또한 존재한다. 만곡된 베인(151, 153)은 고도의 내마모성 재료로 제조되고, 또한 제거 가능하고 교체 가능하다.
하나 이상의 검사 포트(168)가 삽입 포트로서 작용하도록 케이싱 및 라이너를 통해 통과하는 헤드 조립체 내에 위치될 수 있다. 추가적으로, 도 3 내지 도 7과 관련하여 설명된 임의의 다른 특징이 본 실시예에서 이용될 수 있다. 로프 파쇄 베인, 제어 장치 및 지지체와 같은 특징부가 추가될 수 있다.
재조립을 위해, 제거 가능한 커버의 상부 플랜지(172) 및 하부 케이싱의 하부 플랜지(182)는 함께 볼트 결합되어 포지티브 밀봉을 위한 가스켓(바람직하게는, 테트라 플루오로 에틸렌으로 제조됨)을 개재한다. 따라서, 본 발명은 제거 가능한 마모부를 갖고, 용이하게 접근 가능하고, 저 비용의 유지 보수로 석탄 로프를 파쇄하기 위한 디바이스를 제공한다.
도 11은 내부 구조체를 도시하는 연료 헤드 조립체의 다른 실시예의 분해도이다.
본 실시예에서, 내마모성 제거 가능한 케이싱 라이너(도 10의 185)는 2개의 부분, 즉 상부 케이싱 라이너(187) 및 하부 케이싱 라이너(189)로 이루어진다. 상부 케이싱 라이너(187)는 제 1 만곡된 베인(151a)의 상부 섹션 및 제 2 만곡된 베인(153a)의 상부 섹션을 포함한다. 양쪽 만곡된 베인의 후단 에지(156)가 도시된다.
하부 케이싱 라이너(189)는 제 1 만곡된 베인(151b)의 하부 섹션 및 제 2 만곡된 베인(153b)의 하부 섹션을 포함한다. 양쪽 만곡된 베인의 선단 에지(155)가 도시된다.
하부 케이싱 라이너(189)는 먼저 하부 케이싱(180) 내에 삽입되고, 이어서 상부 케이싱 라이너(187)의 삽입으로 이어진다. 제 1 만곡된 베인(151a)의 상부 섹션은 제 1 만곡된 베인(151b)의 하부 섹션과 만나게 되어, 도면 부호 151로 총칭하는 단일의 연속적인 만곡된 베인으로서 기능한다.
유사하게, 제 2 만곡된 베인(153a)의 상부 섹션은 제 2 만곡된 베인(153)의 하부 섹션(151b)과 만나게 되어, 도면 부호 153으로 총칭하는 단일의 연속적인 만곡된 베인으로서 기능한다.
이와 같은 방식으로 생성된 케이싱 라이너는 설치가 훨씬 더 용이하고 동일하게 기능한다.
도 12는 만곡된 베인의 길이 방향 곡률을 도시하는 본 발명에 따른 헤드 조립체의 측면 입면도이다.
만곡된 원호(AL)는 입구(160)를 출구(162)에 연결하는 내부 캐비티의 중심선의 곡률을 따른다. 이는 90도 원호에 걸친다. 이 원호(AL)는 그의 곡률반경(rL)을 묘사하도록 원(CL)을 계속 생성한다.
원호(A1L)는 이 도면에 도시되지 않은 내부 제 1 만곡된 베인(도 9 내지 도 11의 도면부호 151) 상에 묘사된다. 이는 곡률반경(r1L)을 갖는 원(C1L)을 생성하도록 확장된다.
이 경우에, 만곡된 베인의 곡률은 헤드 조립체(152)의 곡률과 동축이다. 이는 유동을 섹션으로 효과적으로 분할하고 곡선 주위로 각각의 섹션을 지향시켜 석탄 로프를 파쇄하고 기류 및 헤드 조립체(12)를 통한 혼입된 고체 연료 입자의 분배를 균등하게 한다.
대안 실시예에서, 본 명세서에 가상선으로 도시된 단부 플레이트(251, 253)는 만곡된 베인의 후단 에지에 부착될 수 있다. 통상의 길이는 30.5㎝(12") 직경 도관에서 약 7.6㎝(3") 길이이다. 이들은 출구(162)에서 원호(A1L, A2L)의 방향으로부터 하향으로 13도 정도의 각도만큼 기류를 지향할 수 있다. 이들 원호는 90도 원호이고, 출구(162)에서 원호(A1L, A2L)의 방향은 수평이다.
도 13은 만곡된 베인의 측방향 곡률을 도시하는 본 발명에 따른 헤드 조립체의 정면 입면도이다.
만곡된 베인(151, 153)은 2차원으로 만곡되기 때문에, 본 출원인은 또한 제 2 또는 측방향 치수에서의 곡률을 규정할 수 있다. 출구(162)의 내부면은 원(CS)이다. 이는 rS의 반경을 갖는다.
제 1 만곡된 베인(151)의 곡률은 측방향에서의 곡률반경(r1S)을 갖는 원(C1S)을 생성하도록 확장된다. 유사하게, 제 2 만곡된 베인(153)의 곡률은 측방향에서의 곡률반경(r2S)을 갖는 원(C2S)을 생성하도록 확장된다.
r1L=r1S일 때, 만곡된 베인(151)은 구의 표면의 단면의 형상을 갖는다. 유사하게, r2L=r2S일 때, 만곡된 베인(153)은 구의 표면의 단면의 형상을 갖는다.
더 균일한 유동이 r2S≤r1S≤rS로 선택하는 것으로부터 발생된다는 것이 발견되었다. 이는 외부면과의 접촉량을 최소화한다. 유사하게, 더 많은 기류가 r2L<r2L≤rL로 선택하는 것으로부터 발생된다는 사실이 발견되었다. 이는 또한 외부면과의 접촉량을 최소화한다.
베인의 두께는 배압을 최소화하기 위해 0.6㎝ 내지 2.5㎝(0.25" 내지 1") 두께인 것이 가장 양호하다. 통상의 도관 반경은 15.2㎝ 내지 101.6㎝(6" 내지 40")의 범위이다.
이와 같은 디자인은 유동을 전달하는 복수의 동심 파이프들에 근접한다. 그러나, 본 발명은 동심 파이프와 비교하여 상당히 낮은 배압을 갖는다.
몇몇 시험이 본 발명에서 수행되었다.
도 14는 종래의 헤드 조립체를 위한 미분 고체 연료 입자에 대한 농도 윤곽의 시뮬레이션이다.
도 15는 본 발명에 따른 헤드 조립체를 위한 미분 고체 연료 입자에 대한 농도 윤곽의 시뮬레이션이다.
도 14 및 도 15은 모두 입방 피트당 파운드 단위로 측정된 노즐(도 8의 도면부호 150)의 출력에서의 고체 연료 입자의 농도를 도시한다. 유동 시뮬레이션 프로그램 FLUENT ver. 6.3이 도 14 및 도 15를 생성하는데 사용되었다.
명백한 바와 같이, 도 14의 종래의 노즐의 우측 측벽에 고농도의 고체 입자 유동이 존재한다. 높은 농도는 종래의 헤드 조립체의 내부 상부면을 따르는 것으로 고려된다. 소용돌이 효과는 유동이 헤드 조립체로부터 노즐 출구로 이동함에 따라 이 높은 농도가 우측벽으로 이동되게 할 수 있다.
본 발명의 고체 연료 입자의 농도의 시뮬레이션이 도 15에 도시된다. 농도 전체는 더 균등하게 분배된다. 최고 농도는 2개의 세장형 영역의 벽으로부터 이격된다. 이들 영역의 각각은 만곡된 베인에 속한다. 만곡된 베인은 성공적으로 노즐의 벽으로부터 이격하여 유동을 재지향시킨다. 이는 노즐의 벽의 마모 및 침식을 최소화한다. 시뮬레이션은 도 14의 종래의 디바이스와 도 15의 본 발명 사이에서, 노즐 침식이 95%만큼 감소된 것을 지시한다. 이는 또한 종래의 부분보다 대략 20배 긴 부품 수명을 나타낸다.
농도는 더 균등하게 분배되기 때문에, 미분 고체 연료의 더 청결하고 효율적인 연소를 유도한다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않으면, 본 명세서의 특정 실시예에 관련하여 설명되어 있는 임의의 특징, 특성, 대안 또는 수정이 또한 적용되고, 사용되거나, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 실시예와 통합된다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서의 도면은 실제 축적대로 도시된 것은 아니다.
본 발명은 다양한 수정 및 대안 형태가 가능하기 때문에, 본 발명이 개시된 특정 형태에 한정되도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 등가물 및 대안으로 확장된다.
12: 연료 격실 14: 연소 챔버
26: 고체 연료 덕트 36: 노즐 팁
50: 노즐 조립체 52: 헤드 조립체
54: 회전 베인 56: 석탄 로프 파쇄 베인
58: 파이프 엘보우관 60: 입구 포트
62: 출구 포트 70: 커버
72: 지지 바아 152: 연료 헤드 조립체

Claims (3)

  1. 미분탄(pulverized coal) 노즐용 헤드 조립체(52)로서,
    상기 헤드 조립체(52)는 입구 포트(60) 및 출구 포트(62)를 포함하는 파이프 엘보우(58)를 가지며,
    상기 파이프 엘보우(58) 내에 배치되고, 상기 입구 포트(60)로부터 상기 출구 포트(62)를 향해 공기 및 미분탄 입자들의 스트림을 재지향시키도록 상기 입구 포트(60) 및 상기 출구 포트(62)에 대해 각형성되는(angled) 회전 베인(54);
    상기 파이프 엘보우(58) 내에 배치되고, 상기 입구 포트(60)로부터 공기 및 미분탄 입자들의 스트림에 대한 석탄 로프 파쇄(rope-breaking) 베인(56)의 각도를 조정하기 위해 축(64) 둘레에서 피벗 가능한 상기 석탄 로프 파쇄 베인(56);
    접근 포트;
    상기 접근 포트 위의 제거 가능한 커버(70); 및
    상기 제거 가능한 커버(70)를 상기 회전 베인(54)에 부착시키는 지지 바아(72)로서, 상기 회전 베인(54)이 상기 제거 가능한 커버(70)와 함께 제거될 수 있게 하는, 상기 지지 바아(72)를 특징으로 하는 헤드 조립체(52).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 베인(54)은 상기 입구 포트(60)로부터 공기 및 미분탄 입자들의 스트림에 대한 상기 회전 베인(54)의 각도를 조정하도록 피벗 가능한, 헤드 조립체(52).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 석탄 로프 파쇄 베인(56)은 상기 제거 가능한 커버(70)에 피벗 가능하게 부착되는, 헤드 조립체(52).
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