KR101366032B1 - 낮은 질소 산화물 노용 연료 분사기 - Google Patents

Abstract

노에 사용하기 위한 연료 분사기는 1차 스트림이 연료 스트림으로서 분사기를 빠져나와 노의 연소 영역 내측으로 유동하기 이전에, 캐리어 가스와 연료의 1차 스트림이 2차 스트림에 의해 분사기 내에서 가열된 공기, 산소 또는 산소와 이산화탄소의 혼합물 또는 재순환된 연료 가스와 혼합되게 한다. 1차 스트림 과 2차 스트림의 가열된 공기와의 상호 작용에 의해 노 내의 연료 연소를 최대화하고 질소 산화물 형성을 최소화하도록 분사기를 빠져나오는 연료 스트림의 중심에서의 화학량론을 증가시킨다.

Description

낮은 질소 산화물 노용 연료 분사기 {FUEL INJECTOR FOR LOW ＮＯｘ FURNACE}

본 발명은 일반적으로 노에 사용하기 위한 연료 분사기에 관한 것이며, 보다 더 구체적으로는 관련 노에서의 연소에 의해 생성되는 질소 산화물("NO₂")과 미연소 탄소("UBC")의 농도를 낮추기 위한 연료 분사기에 관한 것이다.

부산물로서 생성되는 오염물인 질소 산화물의 양이 최소화되고 불완전 연소 생성물인 UBC도 최소화될 수 있으며, 관련 노에서의 연소를 위해 미분탄이 연료 분사기로 이송될 수 있게 하기 위한 많은 노력들이 종래의 발명자들에 의해 이루어져 왔다. 그러나, 질소 산화물과 UBC 레벨 사이의 일반적인 관련성은 질소 산화물이 낮아질 때 UBC가 증가하는 경향을 가진다. 부산물로서 소량의 질소 산화물을 생성하는 종래 기술의 노는 통상적으로 낮은 질소 산화물 노로서 공지되어 있다.

질소 산화물 배출물은 두 개의 주요 공급원, 즉 "연료 질소 산화물"로서 공지된 석탄과 같은 연료 내에 화학적으로 결합되는 질소, 및 "열적 질소 산화물"로서 공지된 연소 공기 내에 함유된 대기 질소의 고온 고착물(fixation)로부터 형성된다. 연료 및 열적 질소 산화물의 형성은 연소 초기 상 내의 산소 가용성(availability)에 의해 관리된다. 이와 관련하여, 너무 많은 산소가 초기 연소 상 내에 이용되면, 많은 질소 산화물이 배출되는 결과를 초래한다. 열적 질소 산화물은 온도에 정비례한다. 연소 온도가 증가하면 질소 산화물의 배출도 기하급수적으로 증가한다. 매우 풍부한 연료 조건하에서 초기 연소가 발생하도록 연료 분사기의 노즐에서, 즉 노의 연소 영역으로의 입구에서 공기와 연료의 분포를 조절하는 것에 의해 연료에 근거한 질소 산화물 또는 아산화질소의 변환을 충분히 감소시키며 원치 않는 UBC의 형성을 일반적으로 증가시키나, 그로 인해 전체 시스템의 연소 효율을 감소시킨다.

본 기술분야에 공지된 바와 같이, 낮은 질소 산화물 연소를 달성하기 위해 노내 미분탄의 연소는 석탄 내의 질소가 대기 중의 산소와 결합하여 질소 산화물을 생성하는 것을 방지하도록 산소 결핍 영역에서 시작된다. 그와 같은 산소 결핍 영역에서, 석탄으로부터 방출된 질소는 다른 질소 원자와 결합하여 공기 중에서 무해한 질소 분자를 형성한다.

종래 기술에서, 낮은 질소산화물 노는 통상적으로, 미분탄과 같은 연료가 수반된 공기의 1차 스트림을 노 내부의 연소 영역에 제공하는 중앙 연료 분사기를 포함한다. 또한, 이들 노에는 연소 영역 내측으로 가열된 공기의 2차 스트림이 유입된다. 예를 들어, 상기 노는 연료 분사기의 외측으로 가열된 공기의 2차 스트림 유동을 제공하는 다단(multi stage) 2차 공기 레지스터(register)를 포함한다. 2차 공기 레지스터는 연소 영역으로 유입되는 연료 유동의 중앙 부분이 연료 부화되도록 다단 연료 및 공기 유동을 형성한다. 이와는 달리, 다른 종래 기술의 낮은 질소산화물 미분탄 노는 2차 가열 공기 스트림에 의해 에워싸이는 미분탄을 함유하는 여러 분리된 1차 스트림을 형성하는 연료 분사기를 포함한다.

전술한 종래 기술의 노에 있어서, 1차 스트림의 미분탄은 연소 영역의 중앙부에서 높게 농축된다. 연소 영역의 중앙부에 있는 높은 농도의 미분탄은 매우 낮은 공기 대 석탄 농도비를 초래하거나, 연소 영역의 중앙부에 낮은 화학량론을 초래한다. 연소 영역의 외측 부분이 연소를 지원하기에 충분한 화학량론을 갖더라도, 연소 영역의 중앙 부분에 있는 연료 스트림의 화학량론은 연소를 지원하기에 충분한 공기를 갖지 못하며 이는 원하지 않는 질소 산화물과 UBC의 생성을 초래한다.

다른 종래 기술의 낮은 질소산화물 미분탄 노에 있어서, 공기의 2차 스트림이 질소 산화물 감소 영역을 확장하도록 연료 분사기의 출구에서 1차 공기 및 석탄 스트림과 혼합됨으로써 연소 영역에서 발생하는 질소 산화물이 감소될 수 있다. 2차 공기 스트림이 연소 영역으로 유입되는 연료 유동의 중앙 부분에서 연료 분사기의 출구에 공급되는 종래 기술의 노 구성에 있어서, 연소 공기의 영역이 연소 영역의 중앙 부분에서 형성된다. 연소 공기의 이러한 영역은 1차 공기/석탄 스트림과 중앙의 2차 스트림 공기 스트림 사이에 내부 경계면을 형성함으로써, 단지 작은 부분의 1차 공기/석탄 스트림만이 영향을 받도록 화염 영역 내에 높은 화학량론적 화염 표면을 형성한다. 이렇게 형성된 내부 화염 표면이 100% 공기 영역에 의해 지원되기 때문에, 내부 화염 표면 내에서 연소하는 석탄 입자들은 적어도 화학량론적인 조건에 있게 된다. 그 결과, 최종 질소산화물 레벨은 이러한 특징이 없는 노의 질소 산화물 레벨보다 상당히 낮지 않다. 어떤 조건 하에서, 내부 화염 표면은 약간의 질소 산화물 추가 감소를 제공할 수 있다.

그러므로, 질소 산화물의 생성을 최소화하면서 연료의 연소를 최대화하는 관련 노에 사용하기 위한 연료 분사기가 필요하다.

본 발명에 따라서, 미분탄 연소 노와 같은 노용 연료 분사기는 분사기의 내측 통로를 따라 노의 연소 영역 쪽으로 공기와 같은 캐리어 가스와 미분탄과 같은 연료의 혼합물을 함유하는 1차 스트림을 이송하도록 구성되며, 1차 스트림이 분사기를 빠져나가고 연료 스트림의 형태로 노의 연소 영역 내측으로 분사기에 의해 공급되기 이전에, 2차 스트림이 상기 상기 통로의 중심 축선을 따라 그리고 상기 중심 축선 주위의 상기 1차 스트림의 일부분과 혼합되고 가열되며 상기 1차 스트림의 일부분의 산소 농도를 증가시키도록 가열된 가스, 바람직하게 공기의 2차 스트림을 통로 내측으로 유입하도록 구성된다. 연료 분사기는 내측 통로를 형성하는 하우징을 포함하며 상기 통로는 입구 단부로부터 출구 단부로 연료 분사기의 길이를 따라 연장한다. 연료 분사기 내의 2차 스트림의 가열된 공기에 의해 1차 스트림의 부분의 산소 농도를 증가시키는 것에 의해 연소 영역 내의 버너 축선과 그리고 버너 축선 주위에 있는 연료 스트림의 화학량론을 증가시키며, 상기 버너 축선은 분사기의 중심 축선과 동축이므로, 버너 축선과 그리고 버너 축선 주위에 연소를 지원하기 위해 가열된 공기 내에 충분한 양의 산소가 있으나, 연소 영역 내의 버너 축선과 그리고 버너 축선 주위의 가열된 산소의 양은 질소 산화물을 형성하는데 충분하지 않거나 단지 최소량의 질소 산화물의 형성을 위해 제공된다.

따라서, 가열된 2차 공기 스트림의 목적은 중심 축선과 그리고 중심 축선 주위의 연료 분사기 내에 있는 1차 스트림의 부분과 철저히 혼합되기 위한 것이다. 중심 축선과 그리고 중심 축선 주위의 화학량론은 노 가열원 또는 다른 점화원의 추가에 의해 버너 축선에서와 그리고 버너 축선 주위의 연료 스트림이 부분적으로 가스화되도록 충분히 증가된다. 석탄과 같은 연료가 탄소, 수소, 질소, 산소 및 황과 화학적으로 결합되는 다른 종들을 포함하므로, 부분 연소 또는 가스화는 부분 연소된 탄소, 일산화탄소, 물, 이산화 황(SO₂)과, 유해한 질소산화물보다는 무해한 N₂ 형태의 미반응 질소의 혼합물을 생성한다.

일 실시예에서, 2차 스트림은 통로의 입구 단부와 출구 단부 사이에 배열되는 분사기의 하우징 내의 구멍을 통해 분사의 통로로 공급된다. 다른 실시예에서, 공기 레지스터는 구멍을 통해 2차 스트림의 공급을 제어한다.

2차 스트림을 통로로 공급하기 위해 통로의 입구 단부와 출구 단부 사이에 배열되는 하우징 내의 구멍을 포함하는 분사기의 다른 실시예에서, 상기 분사기는 통로의 중심 축선 쪽으로 하우징으로부터 내측으로 연장하며 상기 구멍의 상류에 배열되는 배플을 포함한다. 상기 배플은 중심 축선 쪽으로 상기 구멍에 공급되는 2차 스트림의 관통을 촉진하기 위해, 1차 스트림의 유동을 차단하기 위해 통로 내측에 위치되어 통로 내측으로 연장된다.

통로로 2차 스트림을 공급하기 위해 통로의 입구 단부와 출구 단부 사이에 배열되는 하우징 내에 구멍을 포함하는 분사기의 다른 실시예에서, 상기 분사기는 중심 축선을 따라 유동하는 1차 스트림의 연료량을 감소시키기 위해 구멍의 상류로, 분사기의 중심 축선을 따라 연장하고 중심 축선에 중심 맞춰지는 분기형 콘(cone)을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 상기 분사기는 분사기의 중심 축선을 따라 연장하고 중심 축선에 중심 맞춰지는 바람직하게, 분기형 콘의 형태인 공기 분배기를 포함한다. 상기 분배기는 분사기의 중심 축선을 따라 그리고 중심 축선 주위에 2차 스트림을 분배한다. 일 실시예에서, 2차 스트림은 통로의 입구 단부로부터 분배기로 연장하는 중공형 도관을 통해 분배기로 공급된다. 또 다른 실시예에서, 2차 스트림은 하우징 내의 구멍으로부터 분배기로 연장하는 중공형 도관을 통해 분사기로 공급된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 분배기는 2차 스트림이 공급되는 중공형 내측부를 형성한다. 상기 중공형 내측부는 연소 영역 쪽으로 중심 축선을 따라 그리고 중심 축선 주위로 2차 스트림을 지향시키도록 구성된다.

본 발명의 다른 목적 및 다른 장점들은 동일 참조부호가 동일한 구성 요소를 지칭하고 있는 첨부 도면과 관련하여 설명되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 미분탄 노용 연료 분사기의 예시적인 실시예의 단면도이며,
도 2는 본 발명에 따른 미분탄 노용 세그먼트 노즐을 갖춘 연료 분사기의 다른 실시예의 단면도이며,
도 3a는 본 발명에 따른 미분탄 노용 연료 분사기의 다른 예시적인 실시예의 단면도이며,
도 3b는 본 발명에 따른 미분탄 노용 연료 분사기의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도이며,
도 4는 본 발명에 따라 연료 분사기와 관련하여 사용하기 위한 복수의 중공형 튜브에 결합되는 분기형 콘(cone)의 예시적인 실시예의 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따라 미분탄 노용 연료 분사기의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 연료 분사기(10)를 도시한다. 연료 분사기(10)는 미분탄용 노(furnace)와 같은 노와 관련하여 사용되며 연료, 바람직하게 미분탄이 수반된 캐리어 가스, 바람직하게 공기의 1차 스트림("PS")과, 상기 분사기(10)를 빠져 나와 연료 스트림("FS") 형태로 노의 연소실로 유입되는 1차 스트림 이전에, 분사기(10) 내의 가열 가스, 바람직하게 공기의 2차 스트림을 가열하기 위한 것이다. 다른 실시예에서, 2차 스트림은 100% 산소, 공기와 산소의 혼합물, CO₂와 산소의 혼합물, 또는 재순환된 연료 가스와 산소의 혼합물일 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같이, "연료 분사기"란 용어는 미분 연료 및 관련 노 내에서 연소될 캐리어 가스를 이송하는데 사용되는 장치들을 포함하는 의미이다. 용어 "미분 연료"는 미분탄 등과 같은 다양한 형태의 연료를 포함하는 의미이다. 용어"미분탄"은 편의를 위해 이후에 사용되며 석탄 이외의 다양한 형태의 미분 연료를 포함하는 의미이다. 또한, 용어 "캐리어 가스"는 공기 이외의 가스들을 포함한다.

도 1을 참조하면, 연료 분사기(10)는 입구(12) 및 출구(14)를 갖는 긴 하우징(11)을 포함한다. 연료 분사기(10)를 제조하는 재료는 통상적이며, 철과 같은 극한의 열에 견딜 수 있는 다양한 재료, 탄소강 및 스테인리스 강, 세라믹 등과 같은 다양한 다른 금속 재료를 포함할 수 있다. 하우징(11)은 입구 단부(12)로부터 외측으로 테이퍼진 환형 벽(18)으로 연장하는 긴 환형 벽(16)을 포함한다. 또한, 하우징(11)은 출구 단부(14)와 상기 연료 분사기(10)의 출구 단부(14)와 반대쪽에 있는 상기 벽(18)의 단부(19) 사이로 연장하는 긴 환형 벽(20)을 포함한다. 편의와 용이한 참조를 위해, 벽(16,18,20)들에 의해 한정된 분사기(10)의 부분들은 이후에, 입구 영역(22), 전이 영역(24) 및 노즐 영역(26)으로 각각 지칭된다.

하우징(11)의 벽(16,18,20)들은 분사기(10)의 입구와 출구 단부(12,14) 사이로 연장하는 실질적으로 환형인 긴 통로(28)를 형성한다. 용이한 참조와 본 발명의 특징들을 강조하기 위해, 상기 통로(28)의 중심을 통해 상기 입구 및 출구 단부(12,14) 사이로 연장하는 축방향 라인은 중심 축선(A)으로 정의된다. 상기 통로(28)는 입구 단부(12)로부터 연장하는 유동로로서의 기능을 하며, 상기 입구 단부에서 미분탄과 같은 미분 연료와 캐리어 가스, 바람직하게 공기를 포함하는 1차 스트림이 분사기(10)로 공급되며, 출구 단부(14)로 연료 스트림이 분사기(10)를 빠져 나간다. 분사기(10)의 출구 단부(14)는 관련 노(도시 않음)의 연소 영역(30)에 인접한다. 분사기(10)의 중심 축선(A)은 연소 영역(30)의 중심을 통해 연장하는 버너 축선(B)과 동축이며, 버너 축선을 중심으로 노 내부의 연료 코어(도시 않음)의 화염이 배열된다. 1차 스트림이 입구 단부(12)에 있는 통로(28)로 공급될 때, 1차 스트림은 통로(28)를 따라, 입구 영역, 전이 영역 및 노즐 영역(22,24,26)을 통해 유동한 후에 분사기(10)의 출구 단부(14)에 인접한 연소 영역(30)으로 분배되는 연료 스트림의 형태로 노즐 영역(26)으로부터 분사기(10)를 빠져나간다. 연소 영역(30)에서, 연료 스트림 내의 연료는 연소 영역(30) 내에 위치된 화염에 의해 소모된다.

전술한 바와 같이, 종래 기술의 낮은 질소 산화물 노에서 가열된 공기는 연료 분사기의 출구 단부를 빠져나오는 미분탄과 공기의 1차 스트림을 더욱 가열하기 위해 노의 연소 영역으로 공급되었다. 그러나, 그와 같은 종래 기술의 노에서, 연소 영역으로 분사기에 의해 공급되는 연료 스트림의 중심은 통상적으로 높은 연료 농도를 가진다. 가열된 공기 스트림이 연소 영역 내의 농축 연료를 에워싸더라도, 가열된 공기 스트림은 종종, 연료 스트림의 중심에서 연료의 연소를 지원하기 위해 연료 스트림(1차 스트림)을 충분히 관통하지 못한다. 그 결과로, 연료 스트림의 중심에 있는 미연소 연료 입자들은 연소를 지원하기에 충분한 공기가 있는, 연료 분사기로부터 노의 내측으로 상당히 멀리 떨어진 영역에 도달할 때까지 연소를 시작하지 못한다. 이들 상황 하에서, 화염의 초기 부분 내에 존재하는 것보다 훨씬 더 높은 산소 농도로 연소되는 경우에, 바람직하지 않은 양의 질소 산화물(NO_X)이 형성되게 된다.

본 발명에 따라, 연료 분사기(10)에는 통로(28) 내측으로 가열된 공기의 2차 스트림이 유입되며, 이는 관련 노의 연소 영역(30)으로 분배되는 연료 스트림 형태로 출구 단부(14)에서 1차 스트림이 연료 분사기(10)를 빠져나가기 이전에 1차 스트림의 일부를 2차 스트림과 혼합하고 가열하는 역할을 한다. 출구 단부(14)의 상류인 통로(28)의 한 지점에서 연료 분사기(10) 내측으로 2차 스트림을 유입함으로써, 1차 스트림의 중심부에서의 화학량론(stoichiometry)은 노의 연소 영역(30) 내의 연료 스트림의 중심에서 연료의 가스화를 개선하도록 충분히 증가된다. 유리하게, 2차 스트림은 산소 농도를 증가시키며 분사기(10) 내의 1차 스트림을 가열하여 통로(28)의 중심 축선(A)과 그 주위에 있는 1차 스트림의 증가된 화학량론을 형성하며, 이는 차례로 연소 영역(30) 내의 버너 축선과 그 주위에 있는 연료 스트림의 화학량론을 증가시킨다. 게다가, 1차 스트림과 고온의 2차 공기의 혼합으로 인해 연료 스트림의 온도를 증가시킴으로써, 버너 축선과 그 주위에 있는 결과적인 연료/공기 혼합물은 충분한 에너지가 연소 공정을 시작하도록 공급되는 대로 더욱 쉽게 가스화되거나 연소될 것이다. 낮은 질소 산화물 및 UBC 이외에도, 추가의 이득은 화염의 길이가 보다 짧다는 것이다.

바람직한 실시예에서, 2차 스트림 내에 공급된 공기의 양과 온도는 연소를 지원하기에 충분한 레벨로 버너 축선과 그 주위에 있는 연료 스트림의 화학량론을 증가시키도록 선택되며, 여기서 공기의 양은 바람직하게, 질소 산화물이 형성될 수 있는 레벨을 초과하지 않는다. 환언하면, 2차 스트림으로부터의 공기는 분사기(10) 내의 1차 스트림과 혼합되어 가열됨으로써, 연소 영역(30) 내의 버너 축선과 그 주위에서 산소의 양은 연소를 지원하기에 충분히 부족하여 저 발열량 가스(low heating value gas)를 초래하는데, 이는 브리티쉬 서멀 유닛("BTU")으로 표현될 수 있다. 공지된 바와 같이, 저 발열량 가스는 연료 중의 질소(fuel bound nitrogen)의 실질적으로 모두가 무해한 질소 분자로 변환되기 때문에 연료 중의 질소에서 매우 낮다.

본 발명에 따라 분사기를 빠져나가는 연료 스트림의 화학량론을 증가시킴으로써, 노의 연소 영역 내의 버너 축선의 주위 및 버너 축선에 따른 연료의 연소가 증가되는 추가의 장점이 달성된다. 그 결과, 1차 스트림 내의 연료가 미분탄일 때, 통상적으로 미연(unburned) 탄소("UBC")로서 표현되는 1차 스트림의 미연소 석탄의 전체 양은 종래의 낮은 질소 산화물 미분탄 노에 대한 통상적인 레벨 미만으로 감소된다.

바람직한 실시예에서, 분사기(10)로 공급될 때 2차 스트림 내의 공기의 온도는 약 400 ℉ 내지 1000 ℉ 범위, 더 바람직하게 약 500 ℉ 내지 700 ℉ 범위이다.

도 1을 다시 참조하면, 연료 분사기(10)의 도시된 예시적인 실시예에서 테이퍼진 환형 벽(18)이 환형 구멍(32)을 한정하며, 상기 환형 구멍을 통해 2차 스트림이 분사기(10)의 전이 영역(24)에서 통로(28)로 직접 공급된다. 구멍(32)의 상류에서 환형 배플(34)은 중심 축선(A)에 직각인 통로(28) 내측 반경 방향으로 상기 벽(16,18)의 접합부로부터 연장하여 상기 중심 축선(A)에 평행한 립(35)에서 종료된다. 다른 실시예에서, 배플(34)은 하우징(11)으로부터 통로(28)의 내측으로 출구 단부(14) 쪽으로 연장한다.

또한, 유동 조절기(52)를 포함하는 공기 레지스터(50)는 구멍(32) 주위에서, 하우징(11)의 외측 표면(53)에 장착된다. 유동 조절기(52)는 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 구멍(32)을 덮도록, 환언하면 구멍(32)의 유효 크기를 조절함으로써, 2차 스트림의 유동을 구멍(32)을 통해 통로(28)의 내측으로 제어하도록 위치될 수 있다.

배플(34)을 포함한 분사기(10)의 작동에 있어서, 1차 스트림은 입구 단부(12)로부터 통로(28)를 통해 출구 단부(14)로 하류로 유동한다. 또한, 2차 스트림은 벽(18) 내의 구멍(32)을 통해 통로(28)로 공급된다. 실질적으로 벽(16,18)의 접합부에 인접한 전이 영역(24)의 상류 쪽에서, 립(35)을 갖는 배플(34)은 통로(28) 내의 1차 스트림의 유동을 차단함으로써, 1차 스트림이 출구 단부(14) 쪽으로 유동할 때 2차 스트림이 1차 스트림 내측으로 관통되는 것을 촉진시킨다. 전이 영역(24)에서 시작되어 노즐 영역(26)으로 계속되는, 2차 스트림 내의 가열된 공기는 축선(A)을 따라 그리고 축선(A) 주위에서 유동하는 1차 스트림의 연료과 상호작용함으로써, 축선(A)을 따라 그리고 축선(A) 주위에서의 화학량론을 증가시키며 축선(A)을 따라 그리고 축선(A) 주위로 유동하는 1차 스트림의 연료를 가열한다. 그 결과, 노즐 영역(26)을 빠져나가 연소실(30)로 분배되는 연료 스트림은 2차 스트림에 의해 가열되며 연소 영역(30) 내의 버너 축선과 버너 축선 주위에서 적합하고 바람직한 화학량론을 가진다.

전이 영역(24) 내의 벽(18)의 테이퍼 각도, 입구 및 노즐 영역(22,26) 각각의 내부에 있는 벽(16,20)의 직경, 중심 축선(A)에 대해 출구 단부(14)의 방향 쪽으로 그리고 통로(28) 내측으로 배플(34)이 하우징(11)으로부터 연장하는 각도, 배플(34)에 대한 립(35)의 각도, 배플(34)과 립(35)의 길이, 및 구멍(32)을 통한 2차 스트림의 유동률은 연소 영역(30) 내의 버너 축선과 그리고 버너 축선 주위에 바람직한 화학량론을 제공하기 위해 분사기(10)가 연료 스트림을 분배하는 노의 요건에 따라 적합하게 선택될 수 있다고 이해될 것이다. 예를 들어, 상기 테이퍼 및 직경은 통로(28) 전반에 걸쳐 1차 스트림의 속도가 일정하게 유지되도록 선택되거나, 이와는 달리 분사기(10)의 입구 단부(12)에서 유입되는 1차 스트림의 속도와 상이한 분사기(10)의 출구 단부(14)에서 빠져나가는 연료 스트림에 대해 선택된 속도를 얻을 수 있도록 선택된다.

도 1을 다시 참조하면, 추가의 실시예에서 분사기(10)는 입구 영역(22) 내에 배열되는 선택적인 내측 분기형 콘을 포함한다. 또한 상기 콘(40)의 바람직한 실시예의 사시도인 도 4를 참조하면, 상기 콘은 분사기(10)의 내측 단부(12)를 지향하는 상류의 링 형상 단부 벽(41)을 가지며, 상기 단부 벽(41)은 출구 단부(14)와 지향하는 콘(40)의 링형 하류 단부 벽(43)의 외경보다 작은 외경을 가진다. 또한, 상기 콘(40)은 외측 및 내측 표면(144,146)을 갖는 벽(142)을 포함한다. 내측 표면(146)은 원추형 중공형 내측부(150)를 한정한다. 콘(40)은 적어도 두 개의 레그(154)에 의해 통로(28) 내에 적합하게 지지될 수 있으며 하나 또는 그보다 많은 레그(154)에 부착되고 입구 단부(12)로 연장하는 로드(도시 않음)를 통해 보조적으로 조절될 수 있다. 상기 콘(40)은 축선(A)을 따라 그리고 축선(A)에 중심이 맞춰지며, 상류 단부 벽(41)과 전이 영역(24) 사이의 거리는 상류 단부 벽(41)과 입구 단부(12) 사이의 거리보다 작다.

선택적인 콘(40)을 포함하는 도 1에 도시된 바와 같은 분사기(10)의 작동에 있어서, 1차 스트림은 입구 단부(12)로부터 통로(28)를 따라 입구 영역(22)을 통해 출구 단부(14)의 방향으로 유동한다. 1차 스트림이 통로(28) 내에서 콘(40)과 만날 때, 콘(40)은 입구 영역(22) 내의 통로(28)의 외측 반경 부분 쪽으로 1차 스트림의 유동의 일부를 전환시킨다. 이렇게 전환된 1차 스트림은 콘(40)을 지나 전이 영역(24) 쪽으로 계속해서 유동한다. 배플(34)은 전이 영역(24)에 또는 전이 영역(24) 근처에 있는 1차 스트림의 유동을 차단함으로써, 구멍(32)에 공급된 2차 스트림이 전술한 바와 같이, 중심 축선(A) 쪽으로 관통할 수 있다. 콘(40)의 상류 단부 벽(41)과 벽(16,18)의 접합부 사이의 거리는 1차 스트림이 전이 영역(24)에 도달하기 이전에 통로(28)의 외측 반경 방향 부분 쪽으로 바람직하게 전환되도록 적합하게 선택된다.

바람직한 실시예에서, 분사기(10) 내의 콘(40)은 입구 영역(26) 내의 외측 반경 방향 부분 쪽으로 1차 스트림 내의 예정된 연료량을 지향시킴으로써, 중심 축선(A)에 그리고 중심 축선 주위의 전이 영역(24)으로 유입되는 1차 스트림의 연료, 예를 들어 미분탄의 농도를 감소시켜, 출구 단부(14)로 유입하며 연소 영역(30)의 버너 축선 상에서 유동하고 그 버너 축선을 에워싸는 연료 스트림은 바람직한 화학량론을 가진다.

공기 레지스터(50)의 유동 조절기(52), 콘(40)의 형상, 전이 영역(24)에 대한 콘(40)의 위치 및 배플(34)의 위치, 크기 및 방위에 의해 조절되는 구멍(32)의 유효 크기는 분사기(10)로부터 연소 영역(30)으로 분배되는 연료 스트림에 대한 바람직한 화학량론을 얻을 목적으로 1차 스트림의 특징, 1차 스트림 내의 연료 농도 등에 기초하여 선택가능한 설계 변수라는 것이 이해될 것이다.

분사기(10)의 추가 실시예에서, 분사기(10)는 2차 스트림을 공급하기 위한 콘(40) 및 구멍(32)을 포함하나 배플(34)은 제거되었다.

도 2는 본 발명에 따른 연료 분사기(100)의 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호는 분사기(10)와 관련하여 설명한 것과 구성 및 작동이 동일하거나 실질적으로 유사한 연료 분사기(100)의 구성 요소들을 지칭하는데 사용된다. 도 2를 참조하면, 분사기(100)는 입구 영역, 전이 영역 및 노즐 영역(22,24,26)을 포함하며, 상기 전이 영역(24)에 인접한 노즐 영역(26)의 일부분은 배플(34)에 인접한 구멍(32)을 포함하며, 상기 구멍(32)의 유효 크기는 공기 레지스터(50)의 유동 조절기(52)에 의해 제어된다. 또한, 분사기(100)는 노즐 영역(22)과 출구 단부(14) 사이로 연장하며, 본 발명에 참조된 미국 특허 5,762,007호에 기술된 형태와 같은 세그먼트 노즐 영역(126)을 포함한다. 또한, 2차 공기 레지스터(130)는 상기 분사기(10)를 빠져나와 연소 영역(30)으로 분배되는 연료 스트림의 외측 반경 부분에서 가열된 공기의 추가 스트림을 공급하기 위한 분사기(100)와 관련하여 제공된다. 세그먼트 노즐 영역(126)은 분사기(100)의 통로(28) 내부의 2차 스트림과 상호 작용하고 2차 스트림에 의해 가열되는 1차 스트림의 커다란 외측 표면적을 형성함으로써, 1차 스트림이 분사기(100)를 빠져나와 연료 스트림 형태로 연소 영역(30)으로 유입될 때 연료 스트림 내에 많은 연료가 연소 영역(30) 내의 버너 축선을 에워싸고 버너 축선 상에 있는 산소 결핍 영역 내에서 연소된다. 레지스터(130)에 의해 제공되는 가열된 공기의 추가 스트림은 연소 영역(130) 내의 연료 스트림과 작용하여 가열함으로써, 연소 영역(30) 내의 버너 축선에서 그리고 그 버너 축선 주위의 화학량론의 바람직한 증가를 달성할 수 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 분사기(110)의 또 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호는 분사기(10)와 관련하여 설명한 것과 구성 및 작동이 동일하거나 실질적으로 유사한 연료 분사기(110)의 구성 요소들을 지칭하는데 사용된다. 도 3a를 참조하면, 분사기(110)는 하우징(11)의 각각의 벽(16,18,20)에 의해 한정된 입구 영역, 전이 영역 및 노즐 영역(22,24,26)을 포함한다. 분사기(110)는 단부 벽(41)이 내측부(150)의 입구 단부를 밀봉하며 벽(142)이 내측부(150)와 소통되게 구멍(152)을 더욱 한정하는 것을 제외하면, 바람직하게 전술한 분기형 콘(40)과 동일한 구성을 갖는 공기 분배기(140)를 포함한다. 또한, 입구 영역(22)의 벽(16)은 바람직하게, 분배기(140)의 구멍(152)과 반경 방향으로 일치되는 구멍(132)을 포함한다. 유동 조절기(52)를 갖는 레지스터(50)는 하우징(11)의 외측 표면(53)에 장착됨으로써, 구멍(132)을 통해 유동을 제어하도록 조절기(52)가 작동할 수 있다. 중공형 튜브(154)는 정렬된 구멍(132,152)들 사이로 연장한다. 분배기(140)의 일 실시예에서, 복수의 중공형 튜브(154)들은 각각, 벽(16)의 원주변에 이격된 복수의 구멍(132)과 벽(142)의 원주변에 이격된 대응하는 복수의 구멍(152) 사이로 연장한다.

분사기(110)의 작동에 있어서, 2차 스트림은 구멍(132)을 통해 분사기(110)로 공급된 후에, 구멍(132)으로부터 중공형 튜브(154)를 통해 분배기(140)의 내측부(150)로 유동한다. 내측부(150)의 원추형 형상은 2차 스트림을 실질적으로 상기 통로(28)의 중심 축선(A)에 그리고 그 중심 축선 주위로 지향시킨다. 상기 내측부(150)를 빠져 나올 때 2차 스트림은 1차 스트림과 상호 작용하여 1차 스트림을 가열하며, 이를 분사기(150)가 분사기(10)의 콘(40)에 대해 전술한 것과 유사한 방식으로 분사기(10)의 입구 영역(22)에서 시작하여 전이 영역 및 노즐 영역(24,26)으로 전환시킨다. 분배기(140)로 2차 스트림으로서 공급되는 가열된 공기의 온도와 양은 중심 축선 주위에 그리고 중심 축선에 따른 1차 스트림의 화학량론이 적절히 변경되어 버너 축선에서 그리고 버너 축선을 에워싸는 연소 영역(30)으로 분사기(10)에 의해 분배되는 연료 스트림의 낮은 질소 산화물과 낮은 UBC 연소를 얻을 수 있도록 본 발명에 따라 선택된다.

도 3b는 본 발명에 따른 분사기(170)의 또 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호는 분사기(110)와 관련하여 설명한 것과 구성 및 작동이 동일하거나 실질적으로 유사한 연료 분사기(170)의 구성 요소들을 지칭하는데 사용된다. 도 3b를 참조하면, 분사기(170)는 입구 영역, 전이 영역 및 노즐 영역(22,24,26), 및 상기 입구 영역(22) 내의 분배기(140)를 포함한다. 또한, 분사기(170)는 노즐 영역(22)과 출구 단부(14) 사이로 연장하는 세그먼트 노즐 영역(126)을 포함한다.

도 5는 본 발명에 따른 분사기(200)의 또 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호는 분사기(10)와 관련하여 설명한 것과 구성 및 작동이 동일하거나 실질적으로 유사한 연료 분사기(200)의 구성 요소들을 지칭하는데 사용된다. 도 5를 참조하면, 분사기(200)는 하우징(11)의 각각의 벽(16,18,20)에 의해 한정된 입구 영역, 전이 영역 및 노즐 영역(22,24,26)을 포함한다. 분사기(200)는 바람직하게, 전술한 분기형 콘(40)과 동일한 외측 표면 구성을 갖는 공기 분배기(240)를 포함한다. 분배기(240)는 분배기(140)와 유사하게, 외측 및 내측 표면(144,146)을 갖는 벽(142)을 포함한다. 내측 표면(146) 및 링형 상류 단부 벽(41)은 원추형 중공형 내측부(150)를 한정한다. 상류 단부 벽(41)은 내측부(150)와 소통되는 구멍(241)을 한정한다. 중공형 튜브(154)는 내측 단부(12)로부터 구멍(241)으로 연장한다. 튜브(154)는 또한 입구 단부(12)의 상류로 연장하며 (도시 않은)공기 레지스터에 결합된다.

분사기(200)의 작동에 있어서, 2차 스트림은 튜브(154)를 통해 그리고 구멍(241)을 통해 분배기(240)로 유동한 후에 분배기(240)의 내측부(150)로부터 입구 영역(22) 내의 통로(28) 내측으로 빠져나간다. 내측부(150)의 원추형 형상은 실질적으로 통로(28)의 중심 축선(A)을 따라 그리고 중심 축선을 따라 2차 스트림을 지향시킨다. 분배기(240)의 내측부(150)를 빠져나갈 때 2차 스트림은 1차 스트림이 입구 영역으로부터 전이 영역(24) 내측으로 유동된 후에 분사기(10)의 노즐 영역(26) 내측으로 유동되므로, 통로(28)의 중심 축선을 따라 그리고 중심 축선 주위로 유동하는 1차 스트림의 일부분과 상호 작용하여 이들 가열한다.

본 발명의 내측부의 바람직한 실시예에서, 노즐 영역(26)은 스테인리스 스틸로 제조되며, 입구 영역(22)은 탄소강으로 제조된다.

특정 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 이들 실시예들은 본 발명의 원리와 적용예들을 단지 설명하기 위한 것으로 이해해야 한다. 그러므로 다수의 변형예들이 설명을 위한 상기 실시예들로부터 창안될 수 있으며 다른 실시예들도 다음의 특허청구범위에 의해 정의된 대로 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 창안될 수 있다고 이해해야 한다.

Claims (34)

1. 입구 단부 및 출구 단부를 갖는 하우징; 및
   가열된 가스의 2차 스트림을 통로 내로 유입시키기 위한 유입 수단; 을 포함하며,
   상기 하우징은 상기 입구 단부와 출구 단부 사이로 연장하는 통로를 형성하고, 상기 입구 단부는 캐리어 가스 및 연료의 1차 스트림을 수용하며, 상기 통로의 중심을 통해 그리고 상기 통로의 길이를 따라 중심 축선이 연장하며,
   1차 스트림이 상기 입구 단부에서 통로로 공급되고 2차 스트림이 상기 유입 수단에 의해 통로 내로 유입될 때, 상기 1차 스트림은 상기 통로를 통하여 상기 출구 단부를 향해 유동하며, 상기 1차 스트림이 상기 출구 단부에서 상기 통로를 빠져나가기 이전에, 상기 2차 스트림은 상기 통로의 중심 축선을 따른 그리고 상기 중심 축선 주위의 1차 스트림의 일부분과 혼합되고 상기 1차 스트림의 일부분을 가열시키며 상기 1차 스트림의 일부분의 산소 농도를 증가시키고,
   상기 유입 수단은 상기 통로 내로 2차 스트립을 유입시키기 위한 하나 이상의 구멍을 형성하며, 상기 구멍은 상기 입구 단부와 출구 단부 사이에 위치하고,
   상기 하우징으로부터 상기 통로 내로 그리고 상기 중심 축선을 향해 연장하는 배플(baffle)을 더 포함하며,
   상기 배플은 상기 중심 축선을 향해 상기 2차 스트림의 관통을 촉진시키도록 상기 구멍의 상류에 위치하는,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 스트림의 가스는 공기이고 연료는 미분탄(pulverized coal)인,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 2차 스트림 내의 공기는 400 ℉ 내지 1000 ℉인,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 구멍은 조절가능한 공기 레지스터에 의해 형성되는,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 배플은 상기 구멍에 인접한,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 배플은 상기 출구 단부의 방향으로 연장하는,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 중심 축선을 따라 상기 구멍의 상류에 배치되는 분기형 콘(diverging cone)을 더 포함하며,
   상기 콘은 상기 출구 단부의 방향으로 분기되는,
   노에 사용하기 위한 연료 분사기.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배플은 상기 분기형 콘의 하류에 배치되는,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구 단부에, 상기 2차 스트림과 조합하여 상기 1차 스트림을 상기 통로로부터 수용하기 위한 세그먼트 노즐을 더 포함하며,
    상기 분사기로부터의 분배(delivery)를 위하여, 상기 출구 단부에서 상기 세그먼트 노즐은 상기 1차 스트림과 2차 스트림의 조합을 복수의 타원형 연료 스트림으로 분할시키는,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 스트림은 100% 산소, 공기와 산소의 혼합물, CO₂와 산소의 혼합물, 또는 재-순환된 연료 가스와 산소의 혼합물인,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
13. 입구 단부 및 출구 단부를 갖는 하우징; 및
    상기 출구 단부의 상류에서 중심 축선을 따르는 그리고 중심 축선 주위의 2차 스트림을 분배하기 위한 공기 분배기; 를 포함하며,
    상기 하우징은 상기 입구 단부와 출구 단부 사이로 연장하는 통로를 형성하고, 상기 중심 축선은 상기 통로의 중심을 통해 그리고 상기 통로의 길이를 따라 연장하며, 상기 입구 단부는 캐리어 가스 및 연료의 1차 스트림을 수용하고,
    상기 1차 스트림이 상기 입구 단부에서 상기 통로로 공급되고 상기 통로를 통하여 상기 출구 단부를 향해 유동하며 상기 2차 스트림이 상기 공기 분배기에 의해 분배될 때, 상기 1차 스트림이 상기 출구 단부에서 상기 통로를 빠져나가기 이전에, 상기 분배기를 빠져나온 2차 스트림은 상기 통로의 중심 축선을 따른 그리고 상기 중심 축선 주위의 1차 스트림의 일부분과 혼합되고 상기 1차 스트림의 일부분을 가열시키며 상기 1차 스트림의 일부분의 산소 농도를 증가시키고,
    상기 2차 스트림을 상기 분배기로 공급시키기 위한 중공형 도관을 더 포함하며,
    상기 분배기는, 상기 중공형 도관과 소통하는 중공형 내측부를 형성하는 분기형 콘인,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
14. 삭제
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 중공형 도관은 상기 입구 단부로부터 상기 분배기로 연장하는,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 입구 단부와 출구 단부 사이에 하나 이상의 구멍을 형성하며, 상기 중공형 도관은 상기 구멍으로부터 상기 분배기로 연장하는,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
17. 제 13 항에 있어서,
    상기 2차 스트림의 가스는 공기이고 연료는 미분탄인,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 2차 스트림 내의 공기는 400 ℉ 내지 1000 ℉인,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
19. 제 13 항에 있어서,
    상기 출구 단부에, 상기 2차 스트림과 조합하여 상기 1차 스트림을 상기 통로로부터 수용하기 위한 세그먼트 노즐을 더 포함하며,
    상기 분사기로부터의 분배를 위하여, 상기 출구 단부에서 상기 세그먼트 노즐은 상기 1차 스트림과 2차 스트림의 조합을 복수의 타원형 연료 스트림으로 분할시키는,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
20. 제 13 항에 있어서,
    상기 2차 스트림은 100% 산소, 공기와 산소의 혼합물, CO₂와 산소의 혼합물, 또는 재순환된 연료 가스와 산소의 혼합물인,
    노에 사용하기 위한 연료 분사기.
    
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제

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