KR101494989B1

KR101494989B1 - 분무 노즐 및 분무 노즐을 갖는 연소 장치

Info

Publication number: KR101494989B1
Application number: KR20137019390A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 오카자키; 코지 구라마시; 히데오 오키모토; 아키히토 오리이; 겐이치 오치
Original assignee: 바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-02-23
Also published as: EP2664848A1; TW201238664A; US20130319301A1; WO2012096318A1; TWI465291B; EP2664848A4; KR20130103798A; MY166983A; JP5730024B2; JP2012145026A

Abstract

액체 연료를 분무시켜 연소시키는 연소 장치에 있어서, 분무 입자 직경을 작게 하는 동시에 운동량을 저하시킴으로써 연소 반응을 촉진시켜, 연소 효율을 향상시키는 동시에, 매진이나 일산화탄소, 질소 산화물의 배출을 억제한다. 분무 노즐은 상하에 홈(28, 29)이 각각의 표면으로부터 형성되어 있고, 2개의 홈은 십자 형상이며, 교차부(30)가 연통됨으로써 연료 분출 구멍으로 된다. 안내 부재(23)를 상류측의 홈(28)에 접하고, 분무 노즐의 분출 방향에 대하여, 교차부(연료 분출 구멍)(30)와 겹치는 위치에 설치한다. 분무 유체(액체 연료)는, 분무 노즐에 접속하는 연료 유로(21)로부터 상기 안내 부재(23)에 의해 분기하고 상류측의 홈(28)을 통과하고, 교차부(30)로 흘러 분출한다. 분무 유체는 상류측의 홈(28)에 있어서 교차부(30)를 향하는 대향하는 흐름을 형성하고 90° 이상의 둔각을 이뤄 충돌하고, 교차부(30)로부터 분출하여 얇은 부채 형상의 액막(31)을 형성한다. 액막은 주위의 기체와의 전단력에 의해 분열되고, 미세화되어 분무 입자(32)로 된다.

Description

분무 노즐 및 분무 노즐을 갖는 연소 장치{SPRAY NOZZLE, AND COMBUSTION DEVICE HAVING SPRAY NOZZLE}

본 발명은, 액체 연료를 미립화시키는 분무 노즐과, 분무 노즐을 구비한 연소 장치에 관한 것이다.

발전용 보일러와 같이 고출력, 고부하의 연소 장치에서는, 연료를 수평 연소시키는 부유 연소 방식이 많이 채용된다. 연료로서 연료유와 같이 액체 연료를 사용하는 경우에는, 연료를 분무 노즐로 미립화하여 연소 장치의 화로 내에 부유시켜 연소시킨다. 또한, 연료로서 석탄으로 대표되는 고체 연료를 사용하는 경우에는, 고체 연료(석탄)를 입자 직경으로 평균 0.1㎜ 이하로 분쇄하여 미분탄으로 하고, 이 미분탄을 공기 등의 반송 기체로 반송하여 화로 내에서 연소시킨다. 미분탄을 연소시키는 연소 장치에 있어서도 기동이나 화염 안정화를 위해 액체 연료를 사용하는 연소 장치가 부수되는 경우가 많다.

액체 연료의 연소에서는, 분무 입자 직경이 크면 연소 반응이 지연되어, 연소 효율의 저하를 초래하고, 매진, 일산화탄소가 발생하는 경우가 있다. 이로 인해, 액체 연소시키는 경우에는 연료(분무 유체)를 통상 0.5 내지 5㎫로 가압하고 분무 노즐로부터 분무하고, 입자 직경을 300㎛ 이하로 미립화하는 방법(압력 분무 방식)이나, 미립화용 분무 매체로서 공기나 증기를 공급하여 미립화하는 방법(2 유체 분무 방식)이 이용된다. 압력 분무 방식은 분무 매체가 불필요하여 장치를 소형화할 수 있으므로, 상기 기동용 연소 장치 등의 소용량의 연소 장치에 사용되는 경우가 많다.

압력 분무 방식의 분무 노즐에는, 연료에 소용돌이 형상의 선회류를 부여하여, 분출 구멍으로부터 원심력에 의해 얇은 액막을 형성하는 방법(선회식 분무 노즐)이 있다. 액막은 주위의 기체와의 전단력에 의해 분열되어 미립화된다. 이 방법은 액적의 운동량이 크고 관통력이 큰 분무로 된다.

상기한 방법에 반해, 노즐 본체에 슬릿 형상의 구멍을 양면으로부터 십자로 교차시켜 형성하고, 상 십자 형상의 홈으로 이루어지는 유로를 형성하고, 교차부를 연료 분출 구멍으로 하는 크로스 슬릿식 분무 노즐이 있다. 그것을 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 기재한다. 이 방식은 상류측의 홈에서 중심의 교차부를 향하는 2개의 흐름을 형성하고, 대향하는 흐름을 충돌시켜 교차부(분출 구멍)로부터 얇은 부채 형상의 액막을 형성시킨다. 액막은 주위의 기체와의 전단력에 의해 분열되어 미립화된다. 이 방법은 전술한 선회식 분무 노즐에 비해 액적의 운동량이 작고, 미립자를 분무 노즐의 근방에 유지하기 쉽다. 또한, 부채 형상의 분무 형상으로부터 본 방식의 노즐은 팬 스프레이식 분무 노즐이라고도 기재된다. 또한, 특허문헌 4에는 동일하게 분무 노즐 구조를 나타내지만, 흐름판으로부터 오리피스를 향하는 유체의 흐름은 양자의 간극으로부터 분출하는 것이며, 특별히 충돌 경로는 갖지 않는다.

일본 특허 출원 공개 평4-303172호 공보 일본 특허 출원 공개 평6-299932호 공보 일본 특허 출원 공개 제2000-345944호 공보 일본 특허 제2657101호 공보

상기한 크로스 슬릿식 분무 노즐에 관한 특허문헌은, 모두 주로 내연 기관의 연료 분사 장치로의 적용을 목적으로 하고, 분무 노즐 본체의 상류측에 간헐 분무용 밸브를 설치하고, 그 하류측에 공간(유로 확대부)을 형성하고, 더욱 그 하류에 십자 형상의 홈(분무 노즐 본체)을 배치하고 있다.

분무 노즐 본체의 상류에 유로 확대부를 형성함으로써, 밸브로부터 유입되는 분무 유체의 유속이 저감되고, 연료가 상측의 홈에 분포하여 흐른다. 상측의 홈을 흐르는 분무 유체는, 십자 형상의 홈의 교차부를 향해 대향하는 흐름으로 되어, 충돌함으로써 얇은 부채 형상의 액막을 형성한다. 이때, 미립화에는 대향하는 흐름이 보다 둔각을 이뤄 충돌하는 것이 바람직하다.

그러나 상기 특허문헌에서는, 분무 유체의 일부는 밸브로부터 유로 확대부를 통과하여 직선적으로 교차부를 향하는 흐름이 발생하고, 이 흐름은 충돌에의 기여가 작다. 이로 인해, 액막의 두께가 증가하여 미립화되기 어려워진다. 또한, 분출하는 액적의 축 방향의 운동량은 커진다. 특허문헌 3에서는 유로 확대부와 교차부의 형상을 고안함으로써 운동량을 저감하는 방법이 개시되지만, 이 경우에도 유로 확대부로부터 교차부에 직선적으로 흐른다. 이로 인해, 액막의 두께가 증가하여 미립화되기 어려워진다. 또한, 분출하는 액적의 축 방향의 운동량은 크다.

본 발명의 제1 목적은, 십자 형상의 홈 중, 상측의 홈을 분기하고 대향하여 흐르는 유체를 둔각을 이뤄 충돌시켜, 미립화를 촉진하는 것이다. 또한, 분출하는 액적의 축 방향의 운동량을 저하시키는 분무 노즐을 제안하는 것이다.

또한, 특허문헌 1 내지 3에는 십자 형상의 홈을 복수 형성하고, 교차부의 수를 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 좁은 단면적을 갖는 분출 구멍의 수를 증가시킴으로써, 분무 입자의 입경을 작게 한 채 분무량을 증가시키는 것이 가능하지만, 모두 십자 형상 홈을 복수개 동일 평면에 형성하므로, 각각의 분출 구멍으로부터 형성되는 분무가 서로 충돌하기 쉬워져 결합하여 입자 직경이 커진다. 본 발명의 제2 목적은, 각각의 분출 구멍으로부터 형성되는 분무가 서로 간섭하기 어려운 분무 노즐을 제안하는 것이다.

또한, 내연 기관의 연료 분사 장치에서는, 분출량이 비교적 작고 분출 압력이 5 내지 12㎫로 비교적 높다. 또한 간헐 분무로 인해 유로 내를 흐르는 유체에 흐트러짐이 발생하고, 유로 내에 고형물이 퇴적하기 어려워진다. 그러나 보일러 등의 연소 장치에서는 분출량이 많고, 에너지 소비량의 저감의 관점에서 분출 압력의 저감이 요구된다. 이 경우에는, 유로 내에 고형물이 퇴적하면 폐색이나 미립화의 악화의 가능성이 있다. 또한, 일정 유량을 흘리는 일이 많으므로 흐름에 흐트러짐이 발생하기 어렵고, 유로 내의 유속이나 흐트러짐이 적은 부분에 고형물이 퇴적하기 쉬워진다. 이 고형물이 화학 반응 등으로 성장함으로써 유로 폐색이 발생하고, 분무 노즐의 미립화 성능이 악화되고, 대입자가 발생할 가능성이 있다. 본 발명의 제3 목적은, 일정 유량을 흘리는 일이 많은 보일러 등의 연소 장치를 대상으로, 유로 내에 고형물이 퇴적하기 어려운 분무 노즐을 제안하는 것이다.

본 발명은, 액체 연료를 분무 유체로 하여 압력을 가해 유로의 상류로부터 하류에 공급하고, 선단으로부터 분무시키는 분무 노즐이며, 분무 노즐의 선단에 설치한 노즐 플레이트의 양면에 각각 적어도 하나의 홈을 형성하고, 2개의 홈의 교차 부분을 연료 분출 구멍으로 한 분무 노즐에 있어서, 노즐 플레이트의 양면에 형성한 홈 중, 상류측의 홈에 접하여 상기 교차 부분의 상류측의 유로를 흐르는 분무 유체의 안내 부재를 설치하고, 연료 분출 구멍을 향해 상기 유체를 반대 방향으로부터 안내하여 충돌시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 안내 부재에 의해 연료 분출 구멍을 향해 반대 방향으로부터 안내되어 충돌시키는 유체의 흐름 방향의 각도를 둔각으로 한 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 노즐 플레이트는 분무 노즐의 축 방향에 대하여 각각 다른 기울기를 갖는 평면을 갖고, 노즐 플레이트의 양면에 형성한 홈 중 적어도 한쪽을 복수개 형성하고, 홈을 조합하여 연료 분출 구멍을 복수개 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 복수개의 연료 분출 구멍의 축 방향은, 선단에 분무 노즐을 설치하는 유로를 흐르는 분무 유체의 흐름 방향에 대하여 대칭으로 되는 방향으로 기울여 분출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 홈 중 상류측의 홈의 유로 단면적을, 상류측의 홈을 흐르는 분무 유체의 흐름 방향으로 변화시켜 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 상류측의 홈의 유로 단면적을 연료 분출 구멍을 향해 감소시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 분무 노즐에 있어서, 상류측의 홈이 서로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 화석 연료를 연소시키는 연소로와, 연소로에 연료와 연료를 반송하는 반송 기체를 공급하는 연료 공급 계통과, 연소로에 연소용 기체를 공급하는 연소용 기체 공급 계통과, 연소로의 노벽에 설치되는 동시에 연료 공급 계통과 연소용 기체 공급 계통이 접속되어 화석 연료를 연소시키는 버너와, 연소로에서 발생한 연소 배기 가스로부터 외부로 열교환시키는 열교환기를 갖고, 연료의 적어도 일부에 액체 연료를 사용하고 액체 연료를 압력을 가해 분무시키는 분무 노즐을 갖는 연소 장치에 있어서, 분무 노즐로서 상기한 분무 노즐을 사용한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 액체 연료를 분무 유체로 하여 압력을 가해 유로의 상류로부터 하류에 공급하고, 선단으로부터 분무시키는 분무 노즐이며, 분무 노즐의 선단에 설치한 노즐 플레이트의 양면에 각각 적어도 하나의 홈을 형성하고, 2개의 홈의 교차 부분을 연료 분출 구멍으로 한 분무 노즐에 있어서, 노즐 플레이트의 양면에 형성한 홈 중, 상류측의 홈에 접하여 상기 교차 부분의 상류측의 유로를 흐르는 분무 유체의 안내 부재를 설치하고, 연료 분출 구멍을 향해 상기 유체를 반대 방향으로부터 안내하여 충돌시킴으로써, 분무 입자 직경을 미립화할 수 있다. 따라서 연소 반응이 빨라져 연소 효율이 향상되고, 매진이나 일산화탄소가 발생하기 어려워진다. 또한, 분무 입자의 유속이 작고 분무 노즐 근방에 분무 입자가 체류하기 쉬우므로, 착화가 빨라져 화염의 안정성이 향상된다고 하는 실용상 우수한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 연소 장치의 제1 구성예를 나타낸 모식도.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 분무 노즐을 도시하는 단면도.
도 2b는 도 2a의 AA 단면도.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 분무 노즐의 응용예를 나타내는 단면도.
도 3b는 도 3a의 BB 단면도.
도 4는 본 발명의 연소 장치의 제2 구성예를 나타낸 모식도.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 관한 분무 노즐을 도시하는 단면도.
도 5b는 도 5a의 CC 단면도.
도 6은 본 발명의 연소 장치의 제3 구성예를 나타낸 모식도.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 관한 분무 노즐을 도시하는 단면도.
도 7b는 도 7a의 DD 단면도.
도 8a는 본 발명의 제4 실시예에 관한 분무 노즐을 도시하는 단면도.
도 8b는 도 8a의 EE 단면도.
도 9a는 본 발명의 제4 실시예에 관한 분무 노즐의 응용예를 나타내는 단면도.
도 9b는 도 9a의 FF 단면도.

이하에 본 발명의 실시 형태를 각 실시예에 대해 설명한다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 연소 장치의 제1 구성예를 나타낸다. 도 1에 있어서, 보일러를 구성하는 화로(1)의 벽면에, 연료와 연소용 공기를 공급하는 복수개의 버너(2)를 설치한다. 버너(2)에는 연소용 공기 공급 계통(3)과 연료 공급 계통(4)이 접속한다. 제1 실시예에서는 연소용 공기 공급 계통은 버너에 접속하는 배관(5)과 그 하류측의 공기 공급구(7)에 접속하는 배관(6)으로 분기한다. 각각의 배관에는 유량 조절 밸브(도시하지 않음)가 접속한다. 또한, 연료 공급 계통(4)은 연료로서 액체 연료를 사용하는 경우이며, 액체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)이 접속하고, 하류 단부에 분무 노즐(8)이 설치된다.

제1 실시예에서는 연소용 공기는 배관(5와 6)으로 분기되고, 각각 버너(2)와 공기 공급구(7)로부터 화로(1) 내로 분출한다. 버너(2)로부터는 연료를 완전 연소시키기 위해 필요한 이론 공기량보다도 적은 공기를 공급함으로써, 화로(1) 내의 버너 근방에는 공기 부족으로 연소하는 환원 영역이 형성되고, 연소 가스(9)가 이 환원 영역을 상향으로 흐른다. 이 환원 영역에 있어서, 연료 중에 포함되는 질소분의 일부가 환원제로서 생성되고, 버너에 의한 연소로 발생하는 NOx를 질소로 환원하는 반응이 발생한다. 이로 인해, 화로(1) 출구에서의 NOx 농도는 버너(2)로부터 모든 연소용 공기를 공급하는 경우에 비해 저감된다. 또한, 공기 공급구(7)로부터 나머지의 연소용 공기를 공급하고, 연료를 완전 연소시킴으로써 미연소분을 저감한다. 공기 공급구(7)로부터의 연소용 공기와 혼합된 연소 가스(10)는, 화로(1)의 상부의 열교환기(11)를 통해, 연도(12)를 통과하고, 굴뚝(13)으로부터 대기로 방출된다.

도 2a, 2b에 도시하는 제1 실시예의 분무 노즐은, 상류측이 액체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)에 접속하고, 내부에 분무 유체(20)가 흐르는 연료 유로(21)의 하류 단부에 접속한다. 분무 노즐은 노즐 플레이트(22)와 안내 부재(23), 안내 부재의 보유 지지 부재(24) 및 노즐 플레이트를 보유 지지하는 캡(25)으로 구성된다. 보유 지지 부재(24)와 연료 유로(21)의 격벽(26)은 고정되고, 캡(25)은 나사부(27)에 의해 연료 유로(21)의 격벽(26)에 고정된다. 노즐 플레이트(22)와 안내 부재(23)는 격벽(26) 및 보유 지지 부재(24)와 캡(25)에 의해 끼워 넣어져 고정된다. 제1 실시예의 경우에는, 캡(25)의 나사부(27)를 느슨하게 함으로써, 노즐 플레이트(22)와 안내 부재(23)를 제거하여 점검하는 것이 가능해진다. 제1 실시예에서는 분해를 고려한 구성이지만, 노즐 플레이트와 안내 부재를 직접 연료 유로(21)의 격벽(26)에 용접 등의 방법에 의해 고정하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 분무 성능에는 영향을 미치지 않지만, 제거나 점검은 실시하기 어렵다.

노즐 플레이트(22)는 상하에 직사각 형상의 홈(28, 29)이 양면으로부터 형성되어 있고, 2개의 홈은 십자 형상으로 교차하고, 교차부가 연통되어 연료 분출 구멍(30)을 형성한다. 제1 실시예에서는 안내 부재(23)를 갖고, 이것을 노즐 플레이트(22)의 상류측의 홈(28)에 접하고, 분무 노즐의 분출 방향에 대하여, 연료 분출 구멍(30)과 겹치는 위치에 설치한다.

안내 부재(23)를 설치함으로써, 분무 유체(액체 연료)는, 분무 노즐에 접속하는 연료 유로(21)로부터 상기 안내 부재(23)에 의해 분기되어 상기 상류측의 홈(28)을 통과하고, 연료 분출구(30)로 흘러 분출한다. 이때, 연료 유로(21)로부터 직선적으로 연료 분출구(30)를 향하는 흐름이 안내 부재(23)에 의해 방해된다. 이로 인해, 분무 유체는 상류측의 홈(28)에 있어서 연료 분출구(30)를 향하는 대향하는 2개의 흐름을 형성하고, 흐름의 방향이 대략 90° 이상의 둔각을 이뤄 충돌하고 연료 분출구(30)로부터 분출한다. 2개의 흐름이 충돌함으로써 얇은 부채 형상의 액막(31)을 형성하고, 액막은 주위의 기체와의 전단력에 의해 분열되고, 미세화되어 분무 입자(32)로 된다. 또한, 분무 유체가 둔각을 이뤄 충돌하므로, 액막(31)이나 분무 입자(32)의 축 방향의 운동량이 저하되고, 분무 입자(32)의 유속은 작아진다.

본 발명의 제1 실시예의 분무 노즐을 사용한 연소 장치에서는, 분무 입자 직경이 작으므로 연소 반응이 빨라져, 연소 효율이 향상되고, 매진이나 일산화탄소가 발생하기 어려워진다. 또한, 분무 입자의 유속이 작고, 분무 노즐(8) 근방에 분무 입자가 체류하기 쉬우므로, 착화가 빨라져 화염의 안정성이 향상된다. 이로 인해, 도 1에 도시하는 연소 장치와 같이 연소용 공기를 분기하고, 버너(2)와 공기 공급구(7)로부터 화로(1) 내로 분출하는 경우에는, 화로(1) 내의 버너 근방에 공기 부족으로 연소하는 환원 영역이 빠르게 형성되어 화로(1) 내에 확대된다. 환원 영역이 확대됨으로써, 연소 가스(9)가 환원 영역에 머무르는 체류 시간이 증가한다. 이로 인해, 연소로 발생하는 NOx를 질소로 환원하는 반응이 촉진되어, 화로(1) 출구로부터 배출되는 NOx량이 저감된다.

또한, 도 3a, 3b에 나타내는 응용예와 같이, 노즐 플레이트(122)에 복수의 홈(129)을 형성하고, 홈(128)과의 연료 분출 구멍(130)을 복수 형성하는 것도 가능하다. 안내 부재(123)의 중앙부에는 유체 유입용의 구멍(P)이 형성되어 있다. 이 경우에는, 단일의 교차부를 사용하는 경우에 비해 복수의 교차부로 함으로써, 동일한 단면적에서도 교차부의 외측 테두리 길이가 길고, 교차부로부터 분출하는 액막과 주위의 기체의 접촉 면적이 증가하고, 전단력에 의해 분열되기 쉬워진다.

이로 인해, 단일의 교차부를 사용하는 경우에 비해, 동일한 분무 유체량에서 미립화 성능이 높아진다.

또한, 도 1에 도시하는 연소 장치에서는, 연소용 공기를 분기하고 버너(2)와 공기 공급구(7)로부터 화로(1) 내로 분출하는 경우를 나타냈지만, 연소용 공기를 버너(2)로부터 전량 투입하는 경우에도, 본 발명의 제1 실시예의 분무 노즐을 사용함으로써 연소 반응이 빨라져 연소 효율이 향상되고, 매진, 일산화탄소가 발생하기 어려워진다. 또한, 분무 입자의 유속이 작고, 분무 노즐(8) 근방에 분무 입자가 체류하기 쉬우므로, 착화가 빨라져, 화염의 안정성이 향상된다. 화염 안정성이 향상됨으로써, 화염 내에서 발생하는 NOx는 질소로 환원하는 반응이 촉진되어, 화로(1) 출구로부터 배출되는 NOx량이 저감된다.

또한, 제1 실시예에서는, 연소 장치로서 액체 연료를 사용하는 경우를 나타냈지만, 주연료로서 미분탄 등의 고체 연료를 사용하고, 보조 연료로서 액체 연료를 사용하는 경우에도 적용 가능하다. 이 경우에는, 분무 노즐(8)로부터 액체 연료를 화로(1) 내에 분무하는 경우에 상기한 효과가 얻어진다.

제2 실시예

도 4는 본 발명의 연소 장치의 제2 구성예를 나타낸다. 도 4에 도시하는 연소 장치에서는 주연료로서 미분탄이나 바이오매스 등의 고체 연료를 사용하고, 기동 시나 저부하 시에 보조 연료로서 액체 연료를 사용한다.

이로 인해, 버너(2)는 고체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)과 접속하는 연료 배관(41)과, 액체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)과 접속하는 연료 배관(42)이 접속한다. 버너(2)는 중심에 연료 노즐(43)을 갖고, 그 외주에 연소용 공기 공급 계통(3)과 접속하고, 연소용 공기를 화로 내에 공급하는 공기 노즐(44)을 갖는다. 또한, 도 4에 나타내는 실시 형태에서는 고체 연료나 액체 연료의 산화제로서 공기를 예로 나타내지만, 산소 등의 산화제를 사용하는 것도 가능하다.

액체 연료용의 분무 노즐은 버너(2)에 내포된다. 도 4에 도시하는 연소 장치에서는 공기 노즐(44)의 출구 근방에 분무 노즐(8)을 갖고, 연료 배관(42)이 접속한다. 그 밖은 도 1에 도시하는 연소 장치와 동일하다.

도 5a, 5b에 도시하는 제2 실시예의 분무 노즐은, 기본적으로 제1 실시예의 분무 노즐과 거의 동일한 구성이다. 노즐 플레이트(222)는 2개의 평면으로 구성된 볼록 형상을 이루고, 이것에 안내 부재가 대응하는 형상으로 밀착하고 있다. 노즐 플레이트(222)의 하류측 표면에는 복수의 홈(229)이 형성되어 있고, 상류측 표면에는 이것과 직교하는 홈(228)이 형성되고, 연료 분출 구멍(230)이 복수 형성된다. 제1 실시예와의 차이는, 홈(228, 229)의 세트가, 연료 배관(42)을 흐르는 분무 유체의 흐름 방향에 대하여 대칭으로 되는 방향으로 기울기를 가진 평면에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 연료 분출구(230)로부터 분출하는 분무 유체(액체 연료)는 서로 반대 방향의 각도로 분출하고, 분무 입자가 넓은 범위(각도)로 확산된다. 이로 인해, 분무 입자가 서로 충돌하기 어려워 대입자의 생성을 억제할 수 있다.

제2 실시예의 분무 노즐의 응용예로서, 노즐 플레이트의 하류측 표면이 분무 노즐의 축 방향에 대하여 반대 방향으로 각도를 갖는 평면으로 형성되는 경우 외에, 노즐 플레이트의 하류측 표면을 원추 형상으로 하고, 그 표면에 복수의 홈을 형성하는 것도 가능하다.

제3 실시예

도 6은 본 발명의 연소 장치의 제3 구성예를 나타낸다. 도 6에 도시하는 연소 장치에서는 주연료로서 미분탄이나 바이오매스 등의 고체 연료를 사용하고, 특히, 액체 연료로서 기동용에 사용하는 계통과 저부하 시에 사용하는 계통의 2계통을 갖는 경우를 나타낸다. 이로 인해, 버너(2)는 고체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)과 접속하는 연료 배관(41)과, 액체 연료의 공급 계통(도시하지 않음)과 접속하는 연료 배관(42, 51)이 접속한다. 버너(2)는 중심에 연료 노즐(43)을 갖고, 그 외주에 연소용 공기 공급 계통(3)과 접속하고, 연소용 공기를 화로 내에 공급하는 공기 노즐(44)을 갖는다.

액체 연료용의 분무 노즐은 버너(2)에 내포된다. 도 6에서는 공기 노즐(44)의 출구 근방에 기동용의 분무 노즐(8)을 갖고, 연료 배관(42)이 접속한다. 또한, 연료 노즐(43)의 출구 근방에 조연(助燃)용의 분무 노즐(52)을 갖는다. 버너(2)의 기동 시에는 분무 노즐(8)로부터 액체 연료를 분무하고, 점화시킨다. 그 후, 조연용의 분무 노즐(52)로부터 액체 연료를 분무하고, 낮은 부하 범위에서 운용한다. 충분히 화로 내의 온도가 상승한 시점에서 고체 연료의 공급 계통을 기동하고, 고체 연료의 연소로 전환하고, 액체 연료를 정지시킨다. 이와 같이 운전 조건에 의해 사용하는 연료를 전환함으로써, 넓은 부하 범위에서 안정된 연소를 유지할 수 있다. 그 밖은 도 4에 도시하는 연소 장치와 동일하다.

도 7a, 7b에 도시하는 본 발명의 제3 실시예의 분무 노즐은, 기본적으로 본 발명의 제1 실시예의 분무 노즐과 거의 동일한 구성이다. 노즐 플레이트(322)의 상하면에는 홈(328, 329)이 형성되어 있고, 연료 분출구(330)가 연통됨으로써 연료 분출 구멍으로 된다. 제3 실시예에서는 안내 부재(323)를 갖고, 이것을 노즐 플레이트(322)의 상류측의 홈(328)에 접하고, 분무 노즐의 분출 방향에 대하여, 연료 분출 구멍(330)과 겹치는 위치에 설치하는 것을 특징으로 한다. 제1 실시예와의 차이는 홈(328, 329) 중 상류측의 홈(328)의 유로 단면적이 흐름 방향으로 변화하는 것을 특징으로 한다. 도 7b에 있어서, 홈(328)에 유입된 유체의 유로 단면적은 서서히 감소하도록 구성된다.

이로 인해, 상류측을 흐르는 분무 유체가 연료 분출구를 향함에 따라, 유속이 증대된다. 이때, 유속의 변화에 의해 유로 내에 흐트러짐이 발생하고, 유로 내에 고형물이 퇴적하기 어려워진다.

유로 내에 고형물이 퇴적하면, 이것이 화학 반응 등으로 성장함으로써 유로의 폐색의 가능성이 나온다. 유로의 일부가 폐색함으로써, 분무 노즐의 미립화 성능이 악화되고, 대입자가 발생하게 된다. 대입자로 되면, 연소 반응이 지연된다. 이로 인해 분무 노즐을 사용한 연소 장치에서는, 연소 효율의 저하나 매진, 일산화탄소가 발생할 가능성이 있다. 본 실시 형태와 같이 유로 내에 고형물이 퇴적하기 어려워지는 구조로 함으로써 연소 장치를 장기간 안정적으로 운용하는 것이 가능해진다.

제4 실시예

도 8a, 8b에 도시하는 분무 노즐과 같이 연료 분출구(430)를 복수 설치한 경우에도 상기한 효과가 얻어진다. 제4 실시예에서는, 도 8a에 도시하는 바와 같이, 흐름의 방향에 평행한 단면에 있어서 유로 면적이 변화되도록, 안내 부재(423)의 형상을 변화시키고 있다. 특히, 도 8a, 8b와 같이, 노즐 플레이트(422)에 형성한 홈(428과 429)을 교차시켜 복수의 연료 분출구(430)를 설치하는 경우에는, 상류측의 홈(428)을 각각 결합하고, 중앙부의 유체 유입용의 구멍(P)으로부터 흐르는 분무 유체가, 복수의 연료 분출구(30) 중 어느 것으로부터도 흐르도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 고형물이 흐르는 등에 의해 유로 내에 미소한 압력 변화가 발생한 경우에는, 홈(428)이 직결하고 있음으로써 그 내부를 흐르는 분무 유체의 유량 배분이 변한다. 이로 인해, 흐름에 흐트러짐이 발생하고, 고형물의 퇴적을 억제하는 효과가 있다.

도 9a, 9b는, 도 8a, 8b의 연료 분출구를 3개로 한 경우를 나타내는 응용예를 나타낸다.

노즐 플레이트(522)의 하류측에는 3개의 홈(529)이 형성되고, 이것에 직교하는 Y자형의 홈(528)이 상류측에 형성되고, 3개의 연료 분출구(530)를 형성한다.

1 : 화로
2 : 버너
3 : 연소용 공기 공급 계통
4 : 연료 공급 계통
8, 52 : 분무 노즐
11 : 열교환기
20 : 분무 유체
21 : 연료 유로
22, 122, 222, 322, 422, 522 : 노즐 플레이트
23, 123, 223, 323, 423, 523 : 안내 부재
28, 128, 228, 328, 428, 528 : 홈(상류측)
29, 129, 229, 329, 429, 529 : 홈(하류측)
30, 130, 230, 330, 430, 530 : 연료 분출 구멍
31 : 액막
32 : 분무 입자

Claims

액체 연료를 분무 유체로 하여 압력을 가해 유로의 상류로부터 하류에 공급하고, 선단으로부터 분무시키는 분무 노즐이며, 상기 분무 노즐의 선단에 설치한 노즐 플레이트의 양면에 각각 적어도 하나의 홈을 형성하고, 상기 2개의 홈의 교차 부분을 연료 분출 구멍으로 한 분무 노즐에 있어서,
상기 노즐 플레이트의 양면에 설치한 상기 홈 중, 상류측의 홈에 접하여 상기 교차 부분의 상류측으로부터 흐르는 분무 유체의 안내 부재를 설치하고, 상기 안내 부재를 상기 분무 노즐의 분출 방향에 대하여 상기 연료 분출 구멍과 겹치는 위치에 설치하고, 상기 연료 분출 구멍을 향해 상기 유체를 상기 상류측의 홈을 통해 반대 방향으로부터 안내하여 충돌시키고, 상기 노즐 플레이트의 양면에 형성한 상기 홈 중 적어도 한쪽을 복수개 설치하고, 상기 홈을 조합하여 상기 연료 분출 구멍을 복수개 설치하고, 상기 복수개의 연료 분출 구멍의 축 방향을 상기 분무 노즐의 축 방향에 대하여 기울여, 상기 홈 중 상류측의 홈을 상기 분무 노즐 직경 방향으로 흐르도록 설치하는 것을 특징으로 하는, 분무 노즐.
액체 연료를 분무 유체로 하여 압력을 가해 유로의 상류로부터 하류에 공급하고, 선단으로부터 분무시키는 분무 노즐이며, 상기 분무 노즐의 선단에 설치한 노즐 플레이트의 양면에 각각 적어도 하나의 홈을 형성하고, 상기 2개의 홈의 교차 부분을 연료 분출 구멍으로 한 분무 노즐에 있어서,
상기 노즐 플레이트의 양면에 설치한 상기 홈 중, 상류측의 홈에 접하여 상기 교차 부분의 상류측으로부터 흐르는 분무 유체의 안내 부재를 설치하고, 상기 안내 부재를 상기 분무 노즐의 분출 방향에 대하여 상기 연료 분출 구멍과 겹치는 위치에 설치하고, 상기 연료 분출 구멍을 향해 상기 유체를 상기 상류측의 홈을 통해 반대 방향으로부터 안내하여 충돌시키고, 상기 노즐 플레이트의 양면에 형성한 상기 홈 중 적어도 한쪽을 복수개 설치하고, 상기 홈을 조합하여 상기 연료 분출 구멍을 복수개 설치하고, 상기 홈 중 상류측의 홈을 상기 분무 노즐 중앙으로부터 직경 방향으로 분기하여 설치하고, 상기 안내 부재의 중앙과 외주부로부터 상기 상류측의 홈에 분무 유체가 흐르게 하는 것을 특징으로 하는, 분무 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 상류측의 홈과 상기 안내 부재를 격벽으로 하는 유로의 단면적을, 분무 유체의 흐름 방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는, 분무 노즐.
제3항에 있어서, 상기 노즐 플레이트의 상류측의 홈과 상기 안내 부재를 격벽으로 하는 유로의 단면적을 상기 연료 분출 구멍을 향해 감소시킨 것을 특징으로 하는, 분무 노즐.
화석 연료를 연소시키는 연소로와, 상기 연소로에 연료와 연료를 반송하는 반송 기체를 공급하는 연료 공급 계통과, 상기 연소로에 연소용 기체를 공급하는 연소용 기체 공급 계통과, 상기 연소로의 노벽에 설치되는 동시에 상기 연료 공급 계통과 연소용 기체 공급 계통이 접속되어 화석 연료를 연소시키는 버너와, 상기 연소로에서 발생한 연소 배기 가스로부터 외부로 열교환시키는 열교환기를 갖고, 연료의 적어도 일부에 액체 연료를 사용하고 액체 연료를 압력을 가해 분무시키는 분무 노즐을 갖는 연소 장치에 있어서,
상기 분무 노즐로서, 제1항 또는 제2항에 기재된 분무 노즐을 사용한 것을 특징으로 하는, 분무 노즐을 갖는 연소 장치.
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