KR101494949B1 - 미분탄 연소 보일러 - Google Patents

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히로후미 오까자끼
유스께 오찌
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바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 미분탄 연소 보일러는, 상하 2단의 애프터에어 노즐 중 상류측에 위치하는 하단의 애프터에어 노즐의 출구로 되는 개구부를 직사각형 형상으로 형성하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 내부에, 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기의 최소 유로 면적을 규정하는 원통부를 이 하단의 애프터에어 노즐의 유로를 따라 설치하고, 상기 원통부의 내부에 상기 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기에 선회력을 부여하는 선회 날개를 설치하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 유로는, 상기 원통부를 설치한 위치로부터 그 하류측의 애프터에어 노즐의 개구부를 향해서 연소용 공기가 흐르는 애프터에어 노즐의 유로의 유로 면적이 확대되도록 형성한 구성이다.

Description

미분탄 연소 보일러{PULVERIZED COAL BOILER}
본 발명은 미분탄 연소 보일러에 관한 것으로, 특히 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 버너의 하류에 애프터에어 노즐(after-air nozzle)을 구비한 미분탄 연소 보일러에 관한 것이다.
미분탄 연소 보일러에서는 미분탄 연소 보일러에서 연료의 미분탄을 연소해서 발생하는 연소 가스에 포함되는 NOx 농도를 억제하는 것이 요구되고 있고, 그 대책으로서 2단 연소법이 주류가 되고 있다.
2단 연소법을 적용한 미분탄 연소 보일러로서는, 예를 들어 일본 특허 공개 평9-310807호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 미분탄 연소 보일러의 화로에 미분탄 버너와, 버너의 하류측에 애프터에어 노즐을 설치하고, 버너로부터 연료의 미분탄과 연소용 공기를 공급하고, 애프터에어 노즐로부터는 연소용의 공기만을 공급해서 연료의 미분탄을 연소하도록 구성하고 있다.
그리고, 우선, 미분탄 연소 보일러의 버너부에서의 연소에서는, 연료의 미분탄을 완전 연소시키기 위해서 필요한 이론 공기비 이하로 되는 양의 공기를 버너로부터 화로내로 공급하여 공기 부족의 상태에서 미분탄을 연소시키고, 환원 분위기에서 버너에 의한 미분탄의 연소로 발생하는 NOx를 질소로 환원해서 연소 가스중의 NOx 생성을 억제하고 있다.
그러나, 이 환원 분위기에서는 산소 부족에 의해 미연분이 남아, CO(일산화탄소)가 발생한다. 따라서, 다음에, 이 환원 분위기에서 발생한 미연분이나 CO를 완전 연소시키기 위해서, 버너의 하류에 위치하는 애프터에어 노즐로부터, 이론 공기비의 부족분으로 되는 공기량보다 약간 많은 연소용 공기를 화로내에 공급해서 미연분 및 CO를 연소시켜서, 미연분 및 CO를 저감한 연소 배기 가스를 미분탄 연소 보일러로부터 배출하도록 하고 있다.
상기 일본 특허 공개 평9-310807호 공보에 개시된 미분탄 연소 보일러의 2단 연소법에서는, 미연분의 저감을 한층 도모하기 위해서, 버너로부터 상승해 오는 불완전 연소의 가연 가스와 애프터에어 노즐로부터 공급하는 애프터에어의 혼합을 촉진하는 것이 요구되고 있었다.
따라서, 일본 특허 공개 평4-52414호 공보에는, 보일러에 구비된 버너로부터 상승해 오는 불완전 연소의 가연 가스와 애프터에어 노즐로부터 공급하는 애프터에어의 혼합을 촉진하기 위해서, 애프터에어 노즐로부터 공급하는 분류의 유동 양식을 조정해서 직진류와 선회류를 겸비하도록 한 구조의 애프터에어 노즐이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평9-310807호 공보 일본 특허 공개 평4-52414호 공보
일본 특허 공개 평4-52414호 공보에 개시된 보일러의 애프터에어 노즐은, 애프터에어 노즐 출구의 개구부의 형상은 원형이기 때문에 문제되지는 않지만, 그러나 상기 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에는, 애프터에어 노즐 출구로부터 분출하는 분류의 흐름에 직사각형 형상의 개구부에 기인한 편류나, 보일러의 화로 내벽에 따른 선회류를 형성하는 것이 곤란하게 되는 것이 예상된다.
본 발명의 목적은, 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에, 애프터에어 노즐로부터 화로내로 분출하는 연소용 공기의 분류가 화로 내벽의 근방에 공급될 수 있도록, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 미분탄 연소 보일러는, 미분탄을 연소용 공기와 함께 화로내로 공급해서 미분탄을 이론 공기비 이하로 연소시키는 화로 벽에 설치된 버너와, 상기 버너의 하류측의 화로 벽에 각각 구비되어서 상기 버너에서의 부족분의 연소용 공기를 화로내로 공급하는 애프터에어 노즐을 하류측과 상류측의 상하 2단으로 설치한 미분탄 연소 보일러에 있어서, 화로내와 연통하는 상기 상하 2단의 애프터에어 노즐 중 상류측에 위치하는 하단의 애프터에어 노즐의 출구가 되는 개구부를 직사각형 형상으로 형성하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 내부에, 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기의 최소 유로 면적을 규정하는 원통부를 이 하단의 애프터에어 노즐의 유로를 따라 설치하고, 상기 원통부의 내부에 상기 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기에 선회력을 부여하는 선회 날개를 설치하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 유로는, 상기 원통부를 설치한 위치로부터 그 하류측의 애프터에어 노즐의 개구부를 향하여 연소용 공기가 흐르는 애프터에어 노즐의 유로의 유로 면적이 확대되도록 형성한 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러이다.
본 발명에 따르면, 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에, 애프터에어 노즐로부터 화로내에 분출하는 연소용 공기의 분류를 화로 내벽의 근방에 공급할 수 있도록 하여, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 대상이 되는 미분탄 연소 보일러의 개략 구조를 도시하는 보일러의 종방향 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예인 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐을 도시하는 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 실시예의 하단 애프터에어 노즐의 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐을 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 실시예의 하단 애프터에어 노즐의 선회 날개를 화로측으로 이동시킨 상태를 도시하는 하단 애프터에어 노즐의 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시한 실시예의 원통부 구조의 변형예이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예인 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐의 단면도이다.
도 8은 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐의 출구에 있어서 직경 방향(X)의 유속 분포의 실측값이다.
도 9는 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐에 있어서의 스월수와 압력 손실의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 10은 본 실시예의 선회 날개에 있어서 스월수 SW를 구할 때의 스월러의 개요도이다.
도 11은 본 실시예의 미분탄 연소 보일러인 화로내의 노내 공기비 분포 상황을 도시하는 노내 공기비 분포도이다.
도 12는 도 11에 도시한 본 실시예에 의한 상단 애프터에어 노즐로부터 화로내로 분출하는 분류의 이미지 도면이다.
도 13은 도 11에 도시한 본 실시예에 의한 하단 애프터에어 노즐로부터 화로내로 분출하는 분류의 이미지 도면이다.
본 발명의 실시예인 미분탄 연소 보일러의 애프터에어 노즐에 대해서 도면을 참조하여 아래에 설명한다.
실시예 1
도 1에 본 발명의 일 실시예인 애프터에어 노즐을 구비한 미분탄 연소 보일러의 개략 구조를 도시한다. 도 1에 있어서, 미분탄 연소 보일러를 구성하는 화로(1)의 하부 벽면에는, 연료의 미분탄과 연소용 공기를 함께, 화로(1)의 내부로 공급하여 연소하는 복수개의 버너(2)를 수평 방향으로 이격시켜 설치하고, 연료의 미분탄을 완전 연소시키기 위해서 필요한 이론 공기비 이하로 되는 양의 연소용 공기를 버너(2)로부터 화로(1) 내로 공급하여 공기 부족의 상태에서 미분탄을 연소시키고, 환원 분위기에서 버너에 의한 미분탄의 연소로 발생하는 NOx를 질소로 환원하여, 버너부 연소 가스(5)에 포함되는 NOx의 생성을 억제하고 있다.
버너(2)보다도 연소 가스 하류측에 위치하는 화로(1)의 상부 벽면에는, 연소용 공기를 화로(1)의 내부로 공급하는 애프터에어 노즐(3)과 애프터에어 노즐(4)이 상하 2단으로, 복수개, 수평 방향으로 이격되어 설치되고 있다.
상하 2단의 상기 애프터에어 노즐 중, 애프터에어 노즐(3)은 애프터에어 노즐(4)이 설치된 화로(1)의 벽면보다도 상방으로 되는 연소 가스 하류측 화로(1)의 벽면에 설치되고, 상단의 애프터에어 노즐(3)과 하단의 애프터에어 노즐(4)로 애프터에어 노즐을 상하 2단으로 구비된 구조를 채용하고 있다.
그리고, 상단(하류측)에 위치하는 애프터에어 노즐(3)로부터 화로(1) 내로 연소용 공기(30)의 분류(7)를 공급함으로써, 버너(2)에 의해 화로(1) 내에 형성되는 환원 분위기에서는 산소 부족에 의해 남는 미연분이나, 발생한 CO(일산화탄소)를 완전 연소시키기 위해서, 이론 공기비의 부족분으로 되는 공기량보다 약간 많은 연소용 공기(30)를 화로(1) 내로 공급해서 미연분 및 CO를 연소시킨다.
또한, 상단의 애프터에어 노즐(3)보다도 하단(상류측)에 위치하는 애프터에어 노즐(4)로부터 화로(1) 내의 내벽을 따라 연소용 공기(30)의 분류(8)를 공급함으로써, 상단의 애프터에어 노즐(3)로부터 공급하는 연소용 공기와 비교하여, 저유량, 저유속이 되는 분류(8)(연소용 공기)를 보일러 화로(1)의 내부로 공급한다.
이와 같이 하단의 애프터에어 노즐(4)로부터, 저유량, 저유속의 연소용 공기(30)의 분류(8)를 화로(1)의 내벽의 근방에 공급함으로써, 화로(1)의 내벽 근방에 체류하기 쉬운 미연분 및 CO에 대하여 효과적으로 연소용 공기를 공급할 수 있어, 화로(1)의 내벽 근방에 체류하는 미연분 및 CO가 연소해서 연소 배기 가스(6)로 되기 때문에, 화로(1)의 내벽 근방에 체류한 미연분 및 CO를 저감시키는 것이 가능해진다.
그리고, 화로(1) 내에서 미연분 및 CO를 연소시켜서 생성한 연소 배기 가스(6)는 화로(1)의 하류측으로 유하(흐르게)하여 화로(1)로부터 시스템 외부로 배출된다.
도 2는 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예인 미분탄 연소 보일러의 화로(1)의 벽면에 설치된 상하 2단의 애프터에어 노즐(3, 4) 중, 하단의 애프터에어 노즐(4)을 화로(1)의 내부로부터 본 정면도를, 도 3은 도 2에 도시한 하단의 애프터에어 노즐(4)의 A-A 단면도를 각각 도시한다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예인 미분탄 연소 보일러의 화로(1)의 벽면에 설치된 상하 2단으로 구성된 애프터에어 노즐 중, 하단에 위치하는 애프터에어 노즐(4)은 화로(1)의 내부와 연통한 애프터에어 노즐(4)의 출구인 개구부(4a)가 직사각형 형상으로 형성되어 있다.
상기 하단 애프터에어 노즐(4)은, 상기 애프터에어 노즐(4)의 내부를 흐르는 연소용 공기(30)의 유로 면적이 최소가 되도록 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로내의 길이 방향 중앙의 위치에, 연소용 공기(30)의 최소 유로 면적을 규정하는 애프터에어 노즐(4)의 내부를 흐르는 연소용 공기(30)의 유로 방향을 따라서 연장된 원통부(20)를 애프터에어 노즐(4)의 내부에 동심 형상으로 되도록 설치하고, 상기 원통부(20)의 내부에는 이 원통부(20)에 의해 규정된 최소 유로 면적의 유로를 흐르는 연소용 공기(30)에 선회력을 부여하는 원형의 선회 날개(10)가 설치되어 있다.
또한, 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로는, 도 3에 도시한 바와 같이, 유로의 길이 방향의 중앙부에 설치된 원통부(20)에 의해 규정된 최소 유로 면적의 위치로부터 화로(1)의 내측과 연통하는 개구부(4a)를 향해서 유로 면적이 확대되도록 형성되어 있고, 그리고 화로(1) 내부와 연통하는 유로 출구가 되는 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)는 직사각형 형상으로 형성되어 있다. 도 2 및 도 3에는, 원통부(20)와 애프터에어 노즐(4)에 간극(21)이 있지만, 애프터에어 노즐(4)의 직사각형 유로내에 원통부(20)의 외경을 밀착시켜, 간극(21)이 없는 구조로서도 전혀 문제 없다.
또한, 상기 원통부(20)의 내부에 설치되어 연소용 공기(30)에 선회력을 부여하는 원형의 선회 날개(10)는 연결축(31)에 의해 구동 장치(70)와 연결되어 있고, 이 구동 장치(70)의 구동에 의해 연결축(31)을 통해서 상기 선회 날개(10)가 원통부(20)의 내부를 연소용 공기(30)의 흐름 방향을 따라서 전후로 이동 가능하게 구성되어 있다.
상술한 미분탄 연소 보일러의 화로(1) 벽면에 설치된 도 2 및 도 3에 도시한 실시예인 상하 2단 구조의 애프터에어 노즐 중, 하단의 애프터에어 노즐(4)에 대해서, 수평면상에서의 직경 방향(X)[도 2에 도시한 직경 방향(X)에 대응]의 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)의 직하류 위치에 있어서의 유속 분포의 실측값을 비교예와 함께 도 8에 도시했다.
도 8에 도시한 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)가 직사각형 형상인 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 분출하는 분류(8)의 유속 분포의 실측값에 있어서, 본 실시예인 하단의 애프터에어 노즐(4)의 출구에 있어서 유속 분포를 실선(50)으로 도시하고, 비교예로서, 원통부(20)가 없는 애프터에어 노즐 구조의 유속 분포를 파선(51)으로 도시했다.
도 8에 도시한 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구의 분류(8)인 직경 방향(X)의 유속 분포(50)의 실측값으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 분류(8)의 유속 분포(50)는 하단 애프터에어 노즐(4)의 A-A 축선을 대칭축으로 해서 이 축선의 좌우에 유속의 극대값이 형성되어 있고, 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구로부터 화로(1) 내로 분출하는 연소용 공기의 분류(8)가 좌우 균등하게 분출되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 중앙부에는 마이너스의 유속 성분이 있어, 부압에 의해 주위의 가스를 말려들게 하는 역류를 볼 수 있다. 이것은, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 분출된 분류가 강한 선회류를 형성하고 있는 것을 나타내고 있다.
이와 같이, 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)은, 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로내의 길이 방향 중앙의 위치에 설치된 원통부(20)의 내부로 유하하는 연소용 공기(30)에 선회력을 부여하는 선회 날개(10)를 설치함으로써, 선회 날개(10)에서 야기된 선회류를 이 원통부(20)의 내측에서 보호하므로 편류가 없는 선회류를 형성시키는 것이 가능해진다.
이 결과, 화로(1) 내와 연통한 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구의 개구부(4a)가 도 2에 도시한 바와 같이 직사각형 형상의 경우라도, 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구의 개구부(4a)로부터 분출하는 연소용 공기(30)의 분류(8)가 화로(1)의 내벽을 따라 상기 애프터에어 노즐(4)의 A-A 축선을 대칭 축으로 해서 수평면상에서 좌우로 균일하게 확산되도록 형성하므로, 화로(1)의 내벽의 근방에 존재하는 미연분이나 CO에 대하여 분류(8)를 공급해서 연소할 수 있고, 화로(1)의 내벽의 근방에 존재하는 미연분이나 CO를 확실하게 저감할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이에 대해 파선으로 나타낸 비교예의 유속 분포(51)에서는 유속의 극대값이 좌측에 밖에 보이지 않아, 애프터에어 노즐로부터 편류해서 분류가 분출되고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 경우에는 화로(1)의 내벽 근방에 존재하는 미연분이나 CO의 영역에 대하여 애프터에어 노즐로부터 분류(8)를 공급하는 영역이 좁기 때문에, 미반응의 영역이 넓어져, 화로(1)의 내벽 근방의 미연분이나 CO의 저감 효과가 작게 된다.
그런데, 본 실시예의 미분탄 연소 보일러에 설치된 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구로부터 화로(1) 내로 분출시키는 분류(8)에는, 전술한 바와 같이 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로내의 길이 방향 중앙의 위치에 설치한 원통부(20)의 내부에 설치한 선회 날개(10)에 의해 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로를 유하하는 연소용 공기(30)에 선회력을 부여하도록 하고 있다.
따라서, 화로(1)의 내벽 근방에 존재하는 미연분이나 CO에 대하여 하단 애프터에어 노즐(4)의 출구로부터 화로(1) 내로 분출시키는 분류(8)를 효과적으로 공급하기 위해서는, 하단 애프터에어 노즐(4)의 원통부(20)의 내부에 설치된 선회 날개(10)에 의해 발생시키는 선회류의 선회력을 증강시키면 되게 된다.
선회 날개(10)에 의한 선회류의 선회력을 증강시키기 위해서는, 선회 날개(10)를 구성하는 선회 날개에 관해서 연소용 공기의 흐름에 대한 선회 날개의 배치 각도로 되는 날개 각도(θ)를 늘려 가면 된다. 단, 날개 각도(θ)를 늘리면 연소용 공기의 흐름의 저항이 증가하여, 압력 손실이 증대한다. 압력 손실이 커지면, 필요량의 연소용 공기를 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 화로(1) 내로 공급할 수 없게 되기 때문에, 하단 애프터에어 노즐(4)에서 허용할 수 있는 압력 손실에는 상한값(a)이 설정되어 있다.
도 9는 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 있어서, 원통부(20)의 내부에 설치한 선회 날개(10)의 스월수 SW와 압력 손실의 관계를 도시하는 특성도이다. 또한, 도 10은 본 실시예의 선회 날개(10)에 있어서 스월수 SW를 구할 때의 선회 날개의 개요도를 도시한다.
도 9 및 도 10에 있어서, 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 설치되는 선회 날개(10)의 스월수 SW는 (1) 식 내지 (3) 식으로부터 연산에 의해 구했다. 또한, 표 1에는, 연산에 의해 구한 스월수 SW의 값을 나타냈다.
[수1]
Figure 112012013010754-pct00001
(1) 식에 있어서, SW : 스월수, Gφ : 각 운동량, Gx : 축방향 운동량, Rh : 축의 반경, R : 유로의 반경, θ : 날개 각도.
Figure 112012013010754-pct00002
[수2]
(2) 식에 있어서, Gφ : 각 운동량, ρ : 유체 밀도, U : 축방향 유속, W : 직경 방향 유속, Rh : 축의 반경, R : 유로의 반경.
[수3]
Figure 112012013010754-pct00003
(3) 식에 있어서, Gx : 축방향 운동량, ρ : 유체 밀도, U : 축방향 유속, Rh : 축의 반경, R : 유로의 반경.
[표1]
Figure 112012013010754-pct00004
도 9에 도시한 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 설치된 선회 날개(10)의 스월수 SW와 압력 손실의 관계를 도시하는 특성도에 있어서, 비교예로서 선회 날개(10)를 구비하고 있지 않는 압력 손실의 데이터를, 선회 날개 없음의 날개 각도(θ)=0으로서 나타내고 있다.
그리고, 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 설치된 선회 날개(10)의 압력 손실의 데이터로서, 선회 날개(10)의 날개 각도(θ)가, 날개 각도 45°, 55°, 60°의 각각에 대해서, 스월수 SW와 압력 손실을 계측해서 플롯했다. 또한, 압력 손실의 상한값(a)도 나타냈다.
도 9에는, 스월수 SW와 애프터에어 노즐(4)에 설치된 선회 날개(10)에 의한 압력 손실의 관계를 도시하는 특성의 선분을 압력 손실과 스월수의 근사선(A)으로서 실선으로 나타냈다.
도 9로부터 알 수 있는 것은, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 분출하는 분류(9)에 화로(1)의 내벽을 따르는 강한 선회류를 형성하기 위해서, 하단 애프터에어 노즐(4)의 선회 날개(10)로서 날개 각도(θ)가 45° 이상으로 된 것이 필요하고, 이때의 스월수 SW는 0.7인 것을 알 수 있다. 즉, 선회 날개(10)에 의해 강한 선회류를 얻기 위해서는 날개 각도 45° 이상이 필요하게 된다.
또한, 압력 손실의 상한값(a)의 관점으로부터, 압력 손실의 상한값(a)의 파선과 상기 실선(A)이 교차하는 스월수 SW 1.3이 스월수 SW의 상한값이며, 이 스월수 SW 1.3의 경우에 있어서의 선회 날개(10)의 날개 각도(θ)는 표1에 나타낸 바와 같이 날개 각도는 62°가 된다.
이상으로부터, 본 발명의 실시예에 의한 하단 애프터에어 노즐(4)의 원통부(20)의 내부에 설치된 선회 날개(10)에 있어서의 스월수 SW는, 날개 각도(θ)가 45° 내지 62°의 범위내에서, 스월수 SW를 0.7 내지 1.3의 범위 내로 설정하는 것이 최적 범위로 된다는 것을 알 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백해진 바와 같이, 본 실시예에서는 하단 애프터에어 노즐(4)의 선회 날개(10)의 스월수 SW를, 선회 날개의 날개 각도(θ)가 45°로부터 62°의 범위 내에서, SW가 0.7 내지 1.3의 범위로 설정하고, 원통부(20)를 설치함으로써, 편류가 없는 선회류를 형성시키는 것이 가능해진다.
이 결과, 화로(1) 내와 연통한 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부로부터 분출하는 연소용 공기(30)의 분류(8)가 화로(1)의 내벽을 따라 상기 애프터에어 노즐(4)의 A-A 축선을 대칭으로 해서 수평면상에서 좌우로 균일하게 확산되므로, 화로(1)의 내벽 근방에 존재하는 미연분이나 CO에 대하여 분류(8)를 공급해서 연소할 수 있어, 화로(1)의 내벽 근방에 존재하는 미연분이나 CO를 확실하게 저감할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, NOx의 생성을 억제할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에, 애프터에어 노즐로부터 화로내로 분출하는 연소용 공기의 분류를 화로 내벽의 근방에 공급할 수 있게 하여, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 실현할 수 있다.
실시예 2
다음에, 본 발명의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐의 다른 실시예에 대해서 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 다른 실시예인 하단 애프터에어 노즐의 단면도를 도시한다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 실시예의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐(4)은 도 2 및 도 3에 도시한 실시예에 있어서의 하단 애프터에어 노즐과 기본적인 구성이 공통되어 있으므로, 양자에 공통된 구성의 설명은 생략하고, 상이한 구성에 대해서만 이하에 설명한다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)은, 원통부(20)의 길이가 애프터에어 노즐(4)의 유로의 길이 방향 중간부에서 화로(1) 내부와 연통하는 유로 출구가 되는 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)까지 연장되도록 형성되어 있다. 또한, 이 원통부(20)의 내부에 설치된 선회 날개(10)는 연결축(31)을 통해서 구동 장치(70)에 연결되어 있고, 구동 장치(70)의 구동 조작에 의해 연결축(31)을 통해서 선회 날개(10)를 원통부(20)의 내부에서 유로의 전후 방향으로 이동 가능하게 하여, 선회 날개(10)를 도 5에 도시한 바와 같이 화로(1)측에 면한 원통부(20)의 선단측으로 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 상기 연결축(31)은, 하단 애프터에어 노즐(4)의 내벽에 설치된 지지부(33)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
상기한 구성의 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 따르면, 원통부(20)의 길이를 애프터에어 노즐(4)의 유로의 개구부(4a)까지 연장되도록 연장한 것에 의해, 원통부(20)의 내부의 선회 날개(10)에 의해 형성된 연소용 공기(30)의 선회류를 보호하고 있으므로, 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)로부터 화로(1) 내로 분출되는 분류(8)는 도 2 및 도 3의 실시예보다 더욱 화로(1)의 벽면을 따라 좌우로 균일하게 확산되는 강한 선회류를 형성할 수 있다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 구동 장치(70)의 구동 조작에 의해, 지지부(33)로 회전 가능하게 지지된 연결축(31)을 통해서 선회 날개(10)를 원통부(20)의 내부에서 유로의 전후 방향으로 이동 가능하게 하여, 선회 날개(10)를 도 5에 도시하는 화로(1)측에 면한 원통부(20)의 선단측으로 이동하면, 선회류의 조주구간이 짧아지므로 선회 강도가 약해져 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)로부터 분출하는 분류(8)는, 화로(1) 내벽을 따른 분류로부터 화로(1) 내부측으로 흐르는 분류에 이르는 범위내에서, 보일러의 연소 상태에 맞춰서 분류를 조절하는 것이 가능해진다. 따라서, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 화로(1) 내로 분출하는 분류(8)의 선회 강도를 조절할 수 있다고 하는 장점이 있다.
또한, 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)에 있어서는, 원통부(20)의 길이를 하단 애프터에어 노즐(4)의 개구부(4a)까지 연장한 것에 의해, 연소재가 원통부(20)의 외주벽에 퇴적될 가능성이 있다. 따라서, 원통부(20)에 리크 구멍(24)을 적어도 1개 이상 설치함으로써, 이 리크 구멍(24)으로부터 연소용 공기(30)의 일부를 리크에어(25)로서 원통부(20)의 외주벽을 따라 유하시켜, 원통부(20)의 외주벽에 연소재가 퇴적되는 것을 억제하고, 신뢰성이 높은 하부 애프터에어 노즐(4)을 제공할 수 있다.
또한, 연소재가 퇴적하는 것은 주로 원통부(20)의 선단부이며, 도 6에 도시한 바와 같이 원통분(20)의 선단부보다 상류 위치에 리크 구멍(24)을 설치하여, 원통부의 외주벽을 따라 리크에어(25)를 유하시켜도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에, 애프터에어 노즐로부터 화로 내로 분출하는 연소용 공기의 분류를 화로 내벽의 근방에 공급할 수 있게 하여, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 실현할 수 있다.
실시예 3
다음에, 본 발명의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐의 다른 실시예에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 다른 실시예인 하단 애프터에어 노즐의 단면도를 도시한다.
도 7에 도시한 본 실시예의 미분탄 연소 보일러의 화로에 설치된 하단 애프터에어 노즐(4)은, 도 6에 도시한 실시예에 있어서의 하단 애프터에어 노즐과 기본적인 구성이 공통되어 있으므로, 양자에 공통된 구성의 설명은 생략하고, 상이한 구성에 대해서만 이하에 설명한다.
도 7에 도시한 본 실시예의 하단 애프터에어 노즐(4)은, 선회 날개(10)의 상류측에 연소용 공기(30)의 흐름을 정류하는 정류판(35)을 구비하도록 한 구성이다.
정류판(35)은 선회 날개(10)에 유입되는 연소용 공기의 흐름을 정류할 수 있는 한, 다양한 형상으로 이루어질 수 있고 또한 다양한 방식으로 하단 애프터에어 노즐에 결합될 수 있다. 예로써, 도 7에 도시한 바와 같이, 정류판(35)은 서로 이격된 복수개의 판이 연소용 공기의 흐름 방향으로 선회 날개(10)의 상류측 하단 애프터에어 노즐 내에 끼워질 수 있다.
본 실시예의 하단 애프터에어 노즐에 따르면, 정류판(35)을 배치함으로써 선회 날개(10)의 상류의 연소용 공기(30)의 흐름을 정류해서 선회 날개(10)에 유입시키고 있으므로, 선회 날개(10)에 의한 선회류에 공기의 편류가 발생하는 것을 억제하고, 보다 균일하고 편류가 적은 선회류를 형성할 수 있다고 하는 장점이 있다.
또한, 정류판(35)에 의해 연소용 공기(30)의 흐름을 정류하기 위해서, 하단 애프터에어 노즐(4)의 유로를 유하하는 연소용 공기(30)의 압력 손실을 저감하는 효과도 기대할 수 있다. 또한, 본 실시예의 정류판(35)은 도 2 내지 도 6에 도시한 하단 애프터에어 노즐(4)의 구조에도 적용할 수 있고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에 의해서도, 애프터에어 노즐로부터 화로내로 분출하는 연소용 공기의 분류를 화로 내벽 근방에까지 공급해서, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 실현할 수 있다.
도 11에 본 실시예의 상하 2단의 애프터에어 노즐을 구성하는 하단 애프터에어 노즐(4)과 상단 애프터에어 노즐(3)을 구비한 미분탄 연소 보일러에 대해서, 화로(1)의 노내 공기비 분포의 예를 나타낸다.
도 11에 있어서, 상단 애프터에어 노즐(3)로부터는 화로(1)의 노 중앙에 분류(7)를 공급하고, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터는 화로(1)의 내벽의 근방에 분류(8)를 각각 분담해서 공급함으로써, 보다 빨리 화로(1)의 노내로 균일하게 연소용 공기의 애프터에어를 공급 가능하게 해서 미연분이나 CO를 저감하고, 또한 NOx의 생성을 억제할 수 있다.
예를 들어, 도 11에 노내 공기비 분포 라인(13)으로서 노내 공기비 분포의 상황을 도시한 바와 같이, 하단 애프터에어 노즐(4)의 상류부에서의 버너 공기비를 0.8(연료의 미분탄이 완전 연소하는데에 필요한 이론 공기량보다 20% 적다)로 하고, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 연소용 공기로서 분출하는 분류(8)를 투입후의 공기비가 0.9로 되도록 공기비로 0.1의 공기를 이 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 공급한다.
그리고, 상단 애프터에어 노즐(3)의 직전까지 공기비 1.0 미만으로 산소 부족함으로써, 환원 영역을 확대해 환원 시간을 확보해서 NOx를 환원하여, NOx의 생성을 억제하고 있다. 상단 애프터에어 노즐(3)로부터는 분류(7)에 의해 나머지의 연소용 공기를 공급하고, 상단 애프터에어 노즐(3)의 상류부에서의 버너 공기비를 예를 들어 공기비 1.2가 되도록 운용한다.
하단 애프터에어 노즐(4)로부터 분출하는 분류(7)의 애프터에어 투입후의 공기비가 1.0 미만이면, 노내 공기비 분포 라인(13)의 수치에 한정되지 않고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, CO, 미연분을 저감하는 것이 가능해진다. 또한, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터 소량의 연소용 공기를 공급하고, 완만하게 연소시킴으로써 서멀 NOx의 생성을 억제할 수 있다고 하는 장점이 있다.
다음에 도 12 및 도 13에, 도 11에 도시한 상하 2단의 애프터에어 노즐(3, 4)의 위치에서의 노 단면에 있어서의 분류(7, 8)의 이미지를 도시한다.
도 12에 도시한 바와 같이 상단 애프터에어 노즐(3)은, 화로(1)의 노 중앙에 존재하는 고농도의 CO, 미연분 영역(41)에 분류(7)로서 연소용 공기를 공급한다.
또한, 도 13에 도시한 바와 같이 하단 애프터에어 노즐(4)은, 화로(1)의 내벽의 근방에 존재하는 고농도의 CO, 미연분 영역(42)에 분류(8)로서 연소용 공기를 공급한다. 이와 같이 화로(1)의 내부의 공간에 공급하는 연소용 공기를 상단 애프터에어 노즐(3)로부터의 분류(7)와, 하단 애프터에어 노즐(4)로부터의 분류(8)에 의해 분담해서 화로(1) 내에 공급함으로써, 화로 내에서 연소용 공기를 빠르고 균일하게 혼합할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 애프터에어 노즐 출구의 개구부가 직사각형 형상으로 형성되어 있을 경우에, 애프터에어 노즐로부터 화로 내로 분출하는 연소용 공기의 분류를 화로 내벽의 근방에 공급할 수 있게 하고, 화로 내벽의 근방에 존재하는 미연분 및 CO를 저감하는 것을 가능하게 한 미분탄 연소 보일러를 실현할 수 있다.
본 발명은 미분탄의 연소에 적합한 애프터에어 노즐을 구비한 미분탄 보일러에 적용할 수 있다.
1 : 화로
2 : 버너
3 : 상단 애프터에어 노즐
4a : 개구부
4 : 하단 애프터에어 노즐
5 : 버너부 연소 가스
6 : 연소 배기 가스
7, 8 : 분류
10 : 선회 날개
13 : 공기비 분포
20 : 원통부
21 : 간극
24 : 리크 구멍
25 : 리크에어
30 : 연소용 공기
31 : 연결축
33 : 지지부
35 :정류판
41, 42 : 고농도 CO 영역
50 : 실시예의 유속 분포
51 : 비교예의 유속 분포
70 : 구동 장치
A : 압력 손실과 스월수의 근사선

Claims (7)

  1. 미분탄을 연소용 공기와 함께 화로내에 공급해서 미분탄을 이론 공기비 이하로 연소시키는 화로 벽에 설치된 버너와, 상기 버너의 하류측의 화로 벽에 각각 구비되어서 상기 버너에서의 부족분의 연소용 공기를 화로내로 공급하는 애프터에어 노즐을 하류측과 상류측의 상하 2단으로 설치한 미분탄 연소 보일러에 있어서,
    화로내와 연통하는 상기 상하 2단의 애프터에어 노즐 중 상류측에 위치하는 하단의 애프터에어 노즐의 출구로 되는 개구부를 직사각형 형상으로 형성하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 내부에, 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기의 최소 유로 면적을 규정하는 원통부를 직사각형 유로와 동축 형상으로 설치하고, 상기 원통부의 벽면에 원통부를 흐르는 연소용 공기의 일부를 원통부의 외벽측으로 흐르게 하는 리크 구멍을 설치하고, 상기 원통부의 내부에 상기 애프터에어 노즐의 유로를 흐르는 연소용 공기에 선회력을 부여하는 선회 날개를 설치하고, 상기 하단의 애프터에어 노즐의 유로는, 상기 원통부를 설치한 위치로부터 그 하류측의 애프터에어 노즐의 개구부를 향해서 연소용 공기가 흐르는 애프터에어 노즐의 유로의 유로 면적이 확대되도록 형성한 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선회 날개는, 상기 원통부의 내벽에 대응해서 외형이 원형 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원통부의 화로측의 선단이 상기 하단의 애프터에어 노즐의 개구부의 근방까지 연장되어 있고, 상기 선회 날개가 상기 원통부의 내부에서 상기 연소용 공기의 흐름 방향을 따라서 전후로 이동 가능하도록 구동 장치가 설치되고, 이 구동 장치를 선회 날개에 연결하는 연결축이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하단의 애프터에어 노즐에 설치된 상기 선회 날개의 상류측에 연소용 공기를 안내하는 정류판을 구비한 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선회 날개로부터 분출하는 연소용 공기의 선회류는, 선회류의 선회 강도를 나타내는 스월수 SW가, 선회 날개의 날개 각도가 45° 내지 62°의 범위 내에서, 0.7≤SW≤1.3으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하단의 애프터에어 노즐에 공급되는 연소용 공기의 유량은, 상단의 애프터에어 노즐에 공급되는 연소용 공기의 유량보다도 적은 유량으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 미분탄 연소 보일러.
  7. 삭제
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