KR101660051B1 - 고체 연료 버너, 고체 연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

고체 연료 버너(1)의 연료 노즐(10)의 바깥쪽에 마련되는 공기 노즐은 둘레방향으로 복수의 영역(12∼17)으로 나누어져 있으며, 상하 방향의 분할된 노즐 (12,13)을 흐르는 공기 유량을 조정하는 수단(43,44)을 가진다. 상기 노즐(영역)(12∼17)은, 노즐벽(19)에만 접속되어, 노즐 내부를 둘레방향으로 복수 구분하는 장해물(20,21)을 구비하고, 최외주 공기 노즐내의 개개의 영역을 흐르는 공기 유량을 변경함으로써, 버너(1)의 상하 방향으로 운동량에 편차를 발생시켜, 화염의 형성 위치를 변경시키고, 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관이나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로내나 그 하류측의 연도부에 마련한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도가 일정해지도록 제어한다.

Description

고체 연료 버너, 고체 연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법{Solid Fuel Burner, Combustion Apparatus Using Solid Fuel Burner, and Method of Operating the Combustion Apparatus}

본 발명은, 고체 연료를 분쇄하고, 기류 반송하여, 부유 연소시키는데 적합한 고체 연료 버너, 고체 연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법에 관한 것이다.

연소장치(보일러 등)에서는 고효율화를 위해서, 증기 온도나 압력의 상승, 재열 사이클이 이용되고 있다. 통상적으로, 보일러에 급수된 물은 화로 벽면을 따라서 설치된 전열관을 통과하여 증발하고, 과열기를 통과하여 수증기로서 증기 터빈을 구동하며, 그 후, 재열증기로서 재열기를 통과하고, 재가열되어 다시 증기 터빈을 구동하고, 복수기를 통과하여 물이 되어, 다시 화로에 공급된다.

이렇게 복잡한 유체 경로를 통과하는 경우, 각 전열부에서 규정의 전열량을 얻는 것이 중요하다. 규정의 전열량을 얻기 위해서, 각 전열부에 대해서는 연소 가스의 온도, 유량을 제어할 필요가 있다.

상기 연소 가스의 온도와 유량의 제어 방법으로서는, 종래로부터 버너로부터의 연료의 분출 방향을 상하로 변경시켜, 화로내의 온도 분포를 제어시키는 방법이 있다(특허문헌 1). 또한, 화로의 하류 부분에 있어서, 연소 가스 유로를 분할하여, 각각의 유로를 흐르는 연소 가스량을 댐퍼 등의 수단을 이용하여 제어함으로써, 각각의 연소 가스 유로에 설치한 전열부의 전열량을 조정하는 방법이 알려져 있다.

특허문헌 1:미국 특허 명세서 제6439136호(도 3)

상기한 종래 기술은, 버너로부터의 연료의 분출 방향을 바꾸는 경우에는 연료 노즐의 방향을 기계적으로 바꿀 필요가 있다. 이 때문에, 구동기구가 대형화하는 과제가 있었다. 특히 연료로서 고체 연료를 이용하는 경우, 연료 노즐의 방향을 기계적으로 바꾸기 위해서는, 연료 노즐의 방향을 기계적으로 바꾸기 위한 부재의 마모, 재의 고착에 대하여 충분한 고려가 필요하다. 또한, 연료 노즐로부터의 연료 분출 방향을 바꾸려면 화로에 면하는 부분에 구동기구를 마련할 필요가 있으므로, 이 구동기구에도 열변형에 대한 배려가 필요하다.

또한, 연료 노즐에 연료를 공급하는 연소 가스 유로는, 상기 가스 유로를 분할하여, 각각의 가스 유로 내를 흐르는 연소 가스량을 변경하는 경우에도, 연소 가스중의 재의 고착에 대한 충분한 고려가 필요하다. 또한, 격벽을 형성하기 때문에 개개의 유로가 좁아지므로, 전열부의 설치에 충분한 고려가 필요하다.

본 발명의 과제는, 비교적 간단한 구조로 상기 공기 노즐을 흐르는 공기 유량에 의해 고체 연료 버너로부터 화로에 분출하는 연료의 방향을 상하 방향 또는 좌우 방향으로 제어하여 화로내에서의 화염의 형성 위치를 바꾸어 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관이나 그 하류측의 연도부(flue)에 마련한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 고체 연료 버너, 고체 연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법을 제공하는 것이다.

상기의 본 발명의 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은, 고체 연료와 그 반송 기체의 혼합 유체를 분출하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 바깥쪽에 배치되어, 연소용 공기를 분출하는 적어도 1개의 공기 노즐을 가지는 고체 연료 버너에 있어서, 상기 공기 노즐 중에서, 적어도 1개의 공기 노즐은 상기 연료 노즐의 외주(外周)에 환상(環狀)으로 구성되고, 내부의 공기 유로가 장해물로 상기 노즐의 둘레방향에 복수의 영역으로 구분되어 있으며, 상기 복수의 영역 중에서, 적어도 1개의 영역을 흐르는 유량을 조정하는 유량조정수단을 가진 고체 연료 버너이다.

상기 공기 노즐을 복수의 영역으로 구분하여, 개개의 영역을 흐르는 공기 유량을 변경함으로써, 상기 공기 노즐로부터 분출하는 흐름에 대하여, 상기 연료 노즐의 둘레방향에 유량이나 운동량의 편차가 발생할 수 있다.

예를 들면, 연료 노즐의 아래쪽의 공기 노즐을 흐르는 공기 유량을 증가시키면, 노즐 출구에서의 공기의 유량과 유속이 상승하여 운동량이 증가한다. 이 때, 분출하는 공기가 주위의 기체를 말려들게 하는 것으로 인해 연료 노즐의 아래쪽 영역에서는 부(負)의 압력이 생긴다. 이 때문에, 연료 노즐 주위의 둘레방향의 압력 분포는, 연료 노즐의 아래쪽 영역에서 부의 압력이 강해진다. 이 때문에, 연료 노즐로부터 화로내에 분출하는 연료는 압력 분포에 의해 하향의 힘이 작용하는 것에 의해 하향으로 치우쳐 흐르고, 화염이 통상보다 화로내의 하부에 형성된다.

이 때문에, 화로내의 온도 분포가 아래쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량이 증가하여, 화로의 하류측의 연도부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능해진다.

또한, 반대로 연료 노즐의 위쪽의 공기 노즐을 흐르는 공기 유량을 증가시키면, 화로내에서의 화염이 통상보다 상부에 형성되어 화로내의 온도 분포가 위쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량이 감소하고, 화로의 하류부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 증가시키는 것이 가능해진다.

상술한 바와 같이 공기 노즐을 상기 연료 노즐의 둘레방향으로 복수로 분할시키는 경우, 내주측 격벽과 외주측 격벽을 접속하기 위해서 공기 노즐의 지름 방향으로 격벽에 접속하는 장해물을 마련할 필요가 있다. 그러나, 고체 연료 버너에서는 상기 공기 노즐의 내주측 격벽과 외주측 격벽 사이의 거리가 열팽창 등의 영향에 의해 연소장치(보일러 등)의 운전중에 바뀌는 경우가 있다. 예를 들면, 통상적으로, 고체 연료 버너는 가장 외주의 유로의 외주측 격벽을, 화로를 구성하는 노체의 격벽 또는 수벽으로 구성한다.

한편, 고체 연료 버너의 가장 외주의 유로의 내주측 격벽은 연료 노즐이나 버너가 접속하는 윈드 박스와 접속한다. 화로를 구성하는 노체의 격벽 또는 수벽과 연료 노즐이나 윈드 박스는, 연소장치(보일러 등)의 운전중에는 온도가 다르기 때문에, 열팽창의 비율에 차이가 있다. 이 때문에, 고체 연료 버너에서는 상기 공기 노즐의 외주측의 노체의 격벽 또는 수벽이나 그것과 접속하는 격벽(노체측 격벽)과 내주측의 연료 노즐이나 윈드 박스와 접속하는 격벽(연료 노즐측 격벽)은 온도에 따라, 그 상대 위치가 바뀐다. 이 때문에, 공기 노즐을 구성하는 내주측 격벽과 외주측 격벽을 접속하는 지름 방향으로 장해물을 마련하여 유로를 둘레방향으로 분할하는 것은 곤란하다.

따라서, 본 발명에서는 상기 공기 노즐의 내부를 둘레방향(가스 흐름을 횡단하는 방향)으로 복수로 구분하는 방법으로서, 하기의 (A)로부터 (C)중의 어느 하나에 나타나는 구조를 이용하였다.

(A) 환상으로 구성된 공기 노즐의 내부를 둘레방향으로 복수의 영역으로 구분하는 장해물을 가지며, 상기 장해물은 상기 공기 노즐의 내주측 격벽과 접속하고, 외주측 격벽과 접속하지 않는다. 상기 공기 노즐의 복수의 영역의 적어도 1개의 영역을 흐르는 유량을 조정하는 유량조정수단을 가지며, 상기 공기 노즐로부터 분출하는 흐름에 대하여, 상기 연료 노즐의 둘레방향에 유량 편차를 부여한다.

이 때, 일부의 공기는 장해물과 외주측 격벽과의 간격을 빠져나가지만, 대부분의 공기는 동일 영역내에 머무른다. 상기 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기의 흐름이 주위의 기체를 말려 들게 하는 것에 의해 발생하는 연료 노즐 주위의 둘레방향의 압력 분포는, 상기 유량 편차에 따라서 압력 분포에 차이가 생긴다. 이 때문에, 연료 노즐로부터 분출하는 연료는 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기량이 많은 방향으로 치우쳐 흐른다.

(B) 환상으로 구성된 공기 노즐의 내부를 둘레방향으로 복수의 영역으로 구분하는 장해물을 가지며, 상기 장해물은 상기 공기 노즐의 외주측 격벽과 접속하고, 내주측 격벽과 접속하지 않는다. 그리고 상기 공기 노즐의 복수의 영역의 적어도 1개의 영역을 흐르는 유량을 조정하는 유량조정수단을 가지며, 상기 공기 노즐로부터 분출하는 흐름에 대하여, 상기 연료 노즐의 둘레방향에 유량 편차를 부여한다.

이 경우는, 일부의 공기는 장해물과 내주측 격벽과의 간격을 통과하여 빠져나가지만, 대부분의 공기는 동일 영역내에 머무른다. 이 때문에, (A)의 방법과 마찬가지로 연료 노즐로부터 분출하는 연료는 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기량이 많은 방향으로 치우쳐 흐른다.

(C) 환상으로 구성된 공기 노즐의 내부를 둘레방향으로 복수의 영역으로 구분하는 장해물을 가지며, 상기 장해물은 상기 공기 노즐의 외주측 격벽과 접속하고 내주측 격벽과 접속하지 않는 장해물과, 상기 공기 노즐의 내주측 격벽과 접속하고 외주측 격벽과 접속하지 않는 장해물을 마련한다. 상기 공기 노즐의 복수의 영역의 적어도 1개의 영역을 흐르는 유량을 조정하는 유량조정수단을 가지며, 상기 공기 노즐로부터 분출하는 흐름에 대하여 상기 연료 노즐의 둘레방향에 유량 편차를 부여한다.

이 경우는, 일부의 공기는 장해물과 내주측 또는 외주측 격벽과의 간격을 통과하여 빠져나가지만, 대부분의 공기는 동일 영역내에 머무른다. 이 때문에, (A)나 (B)의 방법과 마찬가지로 연료 노즐로부터 분출하는 연료는 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기량이 많은 방향으로 치우쳐 흐른다.

또한, 상기 (A)로부터 (C)에서 설명한 공기 노즐의 내부를 둘레방향으로 복수의 영역으로 구분하는 장해물은 도 8∼도 10에 도시한 연소용 공기가 장해물과 공기 노즐 벽면의 사이를 빠져나가는 구성에 한정되지 않고, 장해물은 연소용 공기의 흐름 방향의 입구와 출구만을 개방한 폐쇄 공간을 형성하여, 그 폐쇄 공간내를 버너 상류측으로부터 화로측을 향하여 연소용 공기를 흐르게 하는 구성(분할형 공기 노즐이라 하는 경우도 있음)으로 하여도 좋다. 도 3, 도 4에 도시한 공기 노즐 내주벽에 접속한 2개의 장해물끼리를 접속하여 일체화하고 있는 3차 공기 노즐 (12,13)이 그 구체적인 예이며, 상기 (A)에서 설명한 공기 노즐의 한가지 실시형태이다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 상기 (B)에서 설명한 공기 노즐의 외주벽에 접속한 2개의 장해물끼리를 접속하여 일체화한 분할형 공기 노즐도 본 발명의 범위내에 들어간다.

연료 노즐의 바깥쪽에 배치되는 상기 분할형 공기 노즐 중의 적어도 1개의 공기 노즐을 흐르는 공기 유량을 유량조정수단으로 조정함으로써, 상기 분할형 공기 노즐로부터 분출하는 흐름에 대하여, 상기 연료 노즐의 둘레방향으로 유량 편차를 부여할 수 있다. 이 때문에, 연료 노즐로부터 분출하는 연료는 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기량이 많은 방향으로 치우쳐 흐른다.

또한, 연료 노즐의 바깥쪽에 배치되는 상기 분할형 공기 노즐을 상기 연료 노즐에 대하여, 상하 방향으로 배치하고, 각각 상하의 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기의 유량과 분출 유속을 조정함으로써, 공기 유량과 그 분출 유속의 곱으로 구해지는 운동량이 버너 출구의 상하 방향에서 바뀌어, 버너의 상하의 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기 유량을 버너 출구의 화로내에서 상하 방향으로 개별적으로 제어할 수 있다. 이 때문에, 화로내의 온도 분포가 버너 출구 상하 방향에서 다르며, 화로에서의 열흡수량 및 화로의 하류측의 연도부에 마련한 전열관에서의 열흡수량이 변화한다.

이와 같이 연료 노즐의 상하에 마련한 분할형 공기 노즐에 의해, 버너에서의 공기 유량의 제어성이 높아진다.

또한, 도 3, 도 4에 도시한 분할형 공기 노즐과 도 8∼도 10에 도시한 2개의 장해물을 접속하지 않는(분할형으로 하지 않음) 공기 노즐을 병용하면 공기의 유량이나 운동량의 편차를 조장시킬 수 있다.

한편, 상기 환상의 공기 노즐에 더하여, 상기 환상 노즐의 바깥쪽에 공기 노즐을 배치하여 환상의 공기 노즐의 내부의 둘레방향으로 복수의 영역으로 구분하는 장해물을 배치하고, 상기 환상 노즐의 바깥쪽의 공기 노즐로부터 분출하는 공기량을 조정하는 유량조정수단을 가지는 구성으로 해도 좋다.

또한, 본 발명의 고체 연료 버너는, 연료 노즐 출구가 한방향으로 상대적으로 짧게, 그 반대 방향으로 상대적으로 긴 광폭(연료 노즐의 유로를 횡단하는 방향의 단면은, 직교하는 2방향중에서, 1방향의 지름 방향의 길이가 다른 방향의 지름 방향의 길이보다 길다)의 노즐이 되어, 상기 공기 노즐 중에서, 적어도 1개의 유로를 구성하는 내주 격벽도 직교하는 2방향의 길이가 다르고, 외주 격벽은 직교하는 2방향의 길이가 동일한 구성으로 할 수도 있다.

연료 노즐의 출구를 상기 광폭의 노즐 형상으로 함으로써, 연료 노즐로부터 분출하는 연료는 장변 방향으로 분산하기 쉬워진다. 예를 들면, 장변 방향을 연소장치(화로) 내의 가스의 흐름 방향에 대해서 직교하는 방향으로 했을 경우에 화로내에서 연료가 분산함으로써, 화로내의 공간을 유효하게 활용하여, 연료의 화로내에서의 체류 시간을 종래에 비해 늘릴 수 있다. 이 때문에, 질소산화물(NOx)의 배출량을 감소시키고, 또한, 미연소분도 저감시키는 것이 가능해진다.

또한, 연료 노즐의 출구가 광폭의 노즐 형상이 되어, 상기 공기 노즐 중에서, 적어도 1개의 공기 유로를 구성하는 내주 격벽은 장변 방향과 단변 방향의 길이가 다르고, 외주 격벽은 직교하는 2방향의 길이가 동일한 구성으로 함으로써, 공기 노즐의 유로를 횡단하는 방향의 단면은 직교하는 2방향 중에서, 1방향의 두께가 증가한다. 이 때문에, 두께가 두꺼운 부분에 공기 유량의 편차를 부여한 경우는, 공기 유량이 많기 때문에, 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기 유량의 편차에 의해, 연료 노즐로부터 분출하는 연료 제트류를 유도하기 쉬워진다.

특히, 내부에서 상하 방향으로 연소 가스가 흐르는 연소장치(화로)에 있어서, 고체 연료 버너의 연료 노즐의 출구를 수평방향으로 장변측이 있는, 소위 광폭의 노즐 형상으로 하고, 상술한 공기 노즐의 두께를 상하 방향으로 두껍게 하고, 또한 상하 방향으로 연료 유량의 편차를 부여하는 것에 의해, 상기 고체 연료 버너로부터 분출하는 연료 제트류의 방향을 상하 방향으로 바꿀 수 있다. 이 때, 연소장치(화로) 내를 흐르는 연소 가스의 체류 시간이 바뀌기 때문에, 연소장치 내에서의 전열량이 바뀌어, 출구의 연소 가스의 온도를 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 고체 연료 버너는, 상기 연료 노즐의 외주측 격벽 선단, 또는 상기 연료 노즐을 내포하는 공기 노즐의 내주측 격벽 선단에, 상기 연료 노즐을 흐르는 혼합 유체, 또는 상기 공기 노즐을 흐르는 공기의 흐름을 방해하는 장해물인 보염 링을 마련하는 것이 바람직하다.

연료 노즐과 공기 노즐 사이의 격벽에 각 노즐로부터 분출하는 연료나 공기의 흐름에 대해서 저항이 되는 보염 링을 마련하는 것에 의해, 보염 링의 하류에는 주위를 흐르는 유체의 압력에 의해, 부압의 영역이 형성된다. 이 부압의 부분에는 각 노즐로부터 분출하는 방향에 대해서 역방향(하류로부터 상류)을 향하는 흐름인 순환류가 형성된다.

상기 순환류에는 연소에 의해 발생한 고온의 가스가 하류로부터 되돌아와, 체류하고, 주위를 흐르는 연료 입자의 착화를 촉진한다. 이 순환류에 의해 착화한 연료 제트류가 상기 공기 노즐 중에서, 개개의 영역의 공기 유량차에 의해, 상하 방향으로 치우쳐 흐르는 것에 의해, 화염의 형성 위치를 바꿀 수 있다. 특히, 화염의 착화가 연료 노즐 출구의 순환류의 근방에서 안정적으로 이루어져, 착화 형성 방향만 바꿀 수 있으므로, 화로내의 온도 분포나 화로에서의 열흡수량, 화로의 하류측의 연도부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 제어하기 쉬워진다.

또한, 본 발명의 고체 연료 버너는, 상기 가장 외주의 공기 노즐 출구에 흐름을 외주측(연료 노즐로부터 멀어지는 방향)에 편향시키는 유도 부재를 마련하는 것이 바람직하다.

고체 연료의 연소시에 발생하는 질소산화물(NOx)의 억제 방법으로서, 버너 근방에서의 연료와 공기의 혼합을 억제하여, 연료를 버너 근방에서는 공기 부족의 조건으로 연소시키는 방법이 있다. 이 방법을 이용한 버너에서 공기 노즐을 흐르는 공기 유량을 감소시켰을 경우에는 공기가 연료 제트류에 동반되어 중심축측을 향하여 흐르고, 연료와의 혼합이 촉진되는 경우가 고려된다. 그러나 공기 노즐 선단에 공기 분출 흐름의 방향을 외주측으로 유도하는 유도 부재를 마련하는 것에 의해, 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기의 방향이 외주측에 고정된다. 이 때문에, 특히 공기 유량을 감소시켰을 경우에도 연료와 공기의 버너 근방에서의 혼합을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 유도 부재는, 버너축 방향에의 투영 면적이 상기 공기 노즐의 최소부(스로트부)에서의 유로를 횡단하는 방향의 단면적에 대해서 90% 이상의 투영 면적을 차지하는 것이 바람직하다. 90% 이상의 투영 면적으로 함으로써, 유도 부재에 의해 흐름 방향이 외주로 유도된다.

또한, 상기 유도 부재에 의해 공기 노즐로부터 분출하는 공기에 연료 노즐의 지름 방향 외향의 유속 성분을 야기시킨다. 상기 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기의 흐름이 주위의 기체를 상기 외향으로 말려 들어가게 하기 쉽기 때문에, 공기 노즐과 연료 노즐 사이의 영역에서의 기체 압력은 상기 유도 부재를 마련하지 않는 경우보다 저하한다. 이 때문에 상기 공기 노즐로부터 분출하는 공기에 상기 연료 노즐의 둘레방향에 유량 편차를 부여한 경우, 연료 노즐로부터 분출하는 연료의 편향은 강해진다.

본 발명의 요건에 의해, 상기 공기 노즐을 흐르는 공기 유량의 조정에 의해, 화염의 형성 위치를 연료 노즐 출구의 화로내에서 상하 방향 또는 좌우 방향으로 제어하는 것이 가능해진다. 이 때, 상기 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 화로내나 그 하류측의 연도부에 마련한 전열관의 온도 또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체 연료 버너의 상기 공기 노즐을 흐르는 공기 유량을 상하 방향으로 개별적으로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 고체 연료 버너에 의하면, 상기 공기 노즐을 흐르는 공기 유량에 의해 화로내에서의 화염의 형성 위치를 고체 연료 버너의 상하 방향 또는 좌우 방향으로 제어하는 것이 가능해져, 연소장치(화로) 내를 흐르는 연소 가스의 체류 시간이 바뀌기 때문에, 연소장치 내에서의 전열량이 바뀌어, 출구의 연소 가스의 온도를 변경할 수 있다.

또한 본 발명의 고체 연료 버너를 구비한 연소장치(화로) 및 그 운전방법에 의하면, 상기 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로내나 그 하류측의 연도부(도 14 참조)에 마련한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도를 일정하게 유지하기 때문에, 화염의 형성 위치를 바꾸는 것이 가능해진다.

[도 1] 본 발명의 제1 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다.
[도 2] 본 발명의 제1 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다.
[도 3] 도 1의 고체 연료 버너의 A-A선 단면 화살표시도이다.
[도 4] 도 1의 고체 연료 버너의 B-B선 단면 화살표시도이다.
[도 5] 도 1의 고체 연료 버너의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 6] 본 발명의 제1 실시형태의 고체 연료 버너를 구비한 연소장치의 화로출구에서의 가스 온도 거동을 도시한 도면이다.
[도 7] 본 발명의 제2 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다.
[도 8] 도 7의 고체 연료 버너의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 9] 도 7의 고체 연료 버너의 다른 일례의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 10] 도 7의 고체 연료 버너의 다른 일례의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 11] 본 발명의 제3 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다.
[도 12] 도 11의 고체 연료 버너의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 13] 도 11의 고체 연료 버너의 다른 일례의 C-C선 단면 화살표시도이다.
[도 14] 본 발명의 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너를 화로벽에 마련한 연소장치의 개략도이다.

이하에 본 발명의 실시예를 도면과 함께 설명한다.

[실시예 1]

본 발명의 제1 실시형태를 도 1로부터 도 5를 이용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 제1 실시형태를 설명하기 위해서, 도 1의 고체 연료 버너에 대해서 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기 유량에 편차를 부여한 경우의 화염 형성 상황을 도시하기 위한 개략도이다. 도 3은 도 1에 도시한 고체 연료 버너의 화로 격벽 부분에서의 단면 화살표시도(도 1의 A-A선 단면 화살표시도)이고, 도 4는 도 1에 도시한 고체 연료 버너의 윈드 박스부분에서의 단면 화살표시도(도 1의 B-B선 단면 화살표시도)이며, 도 5는 도 1에 도시한 고체 연료 버너의 윈드 박스부분에서의 단면 화살표시도(도 1의 C-C선 단면 화살표시도)이다.

도 1에서, 고체 연료 버너(1)의 1차 공기와 함께 고체 연료의 혼합 유체를 공급 반송하는 연료 노즐(10)은 상류측에서 도시되어 있지 않은 반송관에 접속되고 있으며, 상기 연료 노즐(10)의 외주에 환상의 2차 공기를 분출하는 2차 공기 노즐 (11)이 마련되어 있다. 2차 공기 노즐(11)의 외주에 3차 공기를 분출하는 3차 공기 노즐(12,13)이 마련되어 있다. 또한, 3차 공기 노즐(12,13)의 외주에 4차 공기를 분출하는 4차 공기 노즐(14∼17)이 마련되어 있다. 본 실시형태의 3차 공기 노즐 (12,13)은 연료 노즐(10)을 사이에 두고 상하 방향에 마련된 분할형 공기 노즐이 된다. 또한, 4차 공기 노즐(14∼17)은 본 실시예의 고체 연료 버너(1)에 있어서, 가장 외주에 유로를 형성하는 최외주 공기 노즐이 된다.

여기서, 도 3에 기초하여 각 노즐(10∼17)의 배치와, 노즐(10∼17)에 마련된 격벽의 구성을 설명한다.

연료 노즐(10)을 구성하는 격벽(18)은, 연료 노즐(10)의 외주에 환상으로 마련된 2차 공기 노즐(11)의 내주벽을 겸하고 있다. 또한, 2차 공기 노즐(11)의 외주벽(19)은 3차 공기 노즐(12,13)이나 4차 공기 노즐(16,17)의 내주벽을 겸하고 있다. 연료 노즐(10)을 사이에 두고 위쪽의 3차 공기 노즐(12)과 아래쪽의 3차 공기 노즐(13)이 배치되며, 원통형상의 격벽(19)과 절곡판 형상의 둘레벽 장해물(20)로 위쪽의 3차 공기 노즐(12)이 구성되고, 원통형상의 격벽(19)과 절곡판 형상의 장해물(21)로 아래쪽의 3차 공기 노즐(13)이 구성된다. 4차 공기 노즐(14∼17)은 둘레벽 장해물(20,21)로 각각의 영역으로 구분되지만, 외주측의 격벽(29)과 내주측의 격벽(19)은 분리하고 있다. 4차 공기 노즐(14)은 3차 공기 노즐(12)의 외주 위쪽에 마련되고, 4차 공기 노즐(15)은 3차 공기 노즐(13)의 외주 아래쪽에 마련되며, 4차 공기 노즐(16)은 화로측으로부터 보아 왼쪽의 3차 공기 노즐의 격벽(19)과 장해물(20,21)의 바깥쪽에 마련되고, 4차 공기 노즐(17)은 화로측으로부터 보아 오른쪽의 3차 공기 노즐의 격벽(19)과 둘레벽 장해물(20,21)의 바깥쪽에 마련되어 있다.

다음에 도 1에 기초하여 버너의 기기 구성과 연소 상태를 설명한다.

연료(미분탄) 노즐(10)의 중앙부를 관통하여 오일 건(24)이 마련되어 있으며, 버너 기동시나 저부하 연소시에 연소를 돕기 위해서 사용된다. 고체 연료의 역화 방지를 위해서 연료 노즐(10) 내에 구속부(restriction)(25)가 마련되어 있다. 또한, 연료 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)을 격리하는 격벽(18)의 선단에 보염 링 (ring for stabilizing flame)(26)이 마련되어 있으며, 상기 보염 링(26)은 연료(미분탄) 노즐(10)의 선단부 부근의 화로내에서 연료와 1차 공기의 혼합 유체와 2차 공기가 혼합하여 발생하는 순환류(33)를 확대하는 기능이 있다.

또한 화로벽(28)의 버너(1)를 설치하는 개구부는 버너 스로트부(burner throat portion)(29)이고, 버너 스로트부(29)는 4차 공기 노즐(14∼17)의 외주 격벽을 겸하고 있다. 또한, 화로벽(28)의 버너 스로트부(29) 이외의 벽면에는 수관(30)이 마련되어 있다.

2차 공기 노즐(11)과 3차 공기 노즐(12,13) 사이의 격벽(19)의 선단에는 2차 공기와 3차 공기를 연료 노즐(10)로부터 멀어지는 방향으로 유도하는 유도 부재(가이드 슬리브)(32)가 마련되고, 또한 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14,15) 사이의 둘레벽 장해물(20,21)의 선단에는 3차 공기와 4차 공기를 연료 노즐(10)로부터 멀어지는 방향으로 유도하는 유도 부재(가이드 슬리브)(34,35)가 각각 마련되어 있다.

또한 이들 연소용 공기 노즐(11∼17)을 흐르는 공기는 버너(1)를 둘러싸는 윈드 박스(39)로부터 공급된다.

연료(미분탄) 노즐(10) 내에는 고체 연료와 1차 공기의 혼합 유체의 흐름 (37)이 흐르고, 2차 공기 노즐(11) 내에는 2차 공기의 흐름(41)이 흐른다. 또한, 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14∼17)의 상류측은 동일한 공기 유로로 되어 있으며, 유량 조절기(댐퍼)(38a,38b,43,44)와 3차 공기와 4차 공기로서 이용되는 공기의 흐름(42)이 조정된다.

또한 2차 공기 노즐(11)을 흐르는 2차 공기 흐름(41)의 유량은 유량 조절기(댐퍼)(40)로 유량을 조절하고, 유량 조절기(댐퍼)(38)로 전체 유량이 조정된 3차 공기와 4차 공기로서 이용되는 공기의 흐름(42) 중에서, 3차 공기로서 이용되는 3차 공기 노즐(12,13)내의 공기는 각각 유량 조절기(댐퍼)(43,44)로 조절한다.

연료 노즐(10)로부터 화로내에 분출되는 고체 연료와 1차 공기의 혼합 유체(연료 제트류)의 흐름(46)과 2차 공기 노즐(11)로부터 화로내에 분출되는 2차 공기의 흐름(48)과 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14∼17)로부터 화로내에 분출되는 3차 공기와 4차 공기의 흐름(49,50){도 1에는 화로내에서의 3차 공기와 4차 공기를 구별하지 않고 위쪽의 흐름(49)과 아래쪽의 흐름(50)으로서 나타내고 있다.}이 형성된다. 또한, 화로내에는 화염의 외주부(연료 제트류)(51)가 형성된다.

고체 연료 버너(1)에서의 고체 연료의 연소에서는, 연료 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)을 격리하는 격벽(18)의 하류측 영역의 공기는, 각각의 노즐(10,11)로부터 분출하는 흐름에 말려들어간다. 이 때문에, 격벽(18)의 하류측의 영역은 압력이 저하하고, 하류로부터 상류를 향하는 흐름인 순환류(33)가 형성된다.

격벽(18)의 선단부에 보염 링(26)을 마련하는 경우, 화로내에서의 연료 혼합 유체의 흐름(46)과 2차 공기의 흐름(48)은 분리되어 순환류(33)는 확대한다. 이 순환류(33)내에는 고온의 가스가 체류하기 때문에, 연료 입자의 착화가 진행되어, 화염의 안정성이 향상한다.

또한, 연료 노즐(10)의 출구 근방에 화염이 형성되어, 산소의 소비가 진행되는 것에 의해, 화염내에 산소 농도가 낮은 환원염 영역이 확산한다. 이 환원염내에서는 고체 연료에 함유되는 질소분이 암모니아나 시안과 같은 환원 물질로서 방출되어, 질소산화물(NOx)을 질소로 환원하는 환원제로서 작용한다. 이 때문에, NOx 발생량을 저감할 수 있다.

또한, 착화가 촉진되는 것에 의해 고체 연료의 연소 반응이 진행되어, 연료재(fuel ash) 중의 미연소분(이하, 미연분이라고 한다)도 감소한다. 3차 공기 노즐 (12,13)이나 4차 공기 노즐(14∼17)의 출구에 각각의 공기 노즐로부터 분출하는 공기를 외주 방향으로 유도하기 위한 유도 부재(32,34,35)를 마련하는 것에 의해, 화로내에서의 연료 혼합 유체의 흐름(46)과 2차 공기의 흐름(48)과 3차 공기와 4차 공기의 흐름(49,50)이 떨어져 흐르기 때문에, 버너 근방에서의 연료와 3차 공기와 4차 공기의 혼합이 늦고, 환원염 영역이 확대된다.

다음에 본 실시형태의 특징에 대하여, 도 1, 도 2를 이용하여 설명한다.

도 1은, 3차 공기 노즐(12,13)로부터 균등의 분출 유속이 되도록 공기를 흐르게 한 경우, 도 2는 버너(1)의 위쪽에 설치한 3차 공기 노즐(12)의 유량 조정 댐퍼(43)를 조작하여, 다른 노즐에 비해서 소량의 공기를 흐르게 한 경우이다.

도 2와 같이 버너(1)의 아래쪽의 공기량을 증가시킨 경우, 3차 공기 노즐 (12,13)로부터의 제트류는 위쪽의 공기 노즐(12)로부터의 공기 유량과 분출 유속이 감소하고, 아래쪽의 공기 노즐(13)로부터의 공기 유량과 분출 유속이 증가한다. 유량과 분출 유속의 곱으로 구해지는 운동량도 버너(1)의 위쪽에 대해서 버너(1)의 아래쪽이 증가한다. 3차 공기의 제트류에 의해, 버너(1)의 출구에서는 주위의 가스가 제트류에 말려 들어가기 때문에, 부압이 발생한다. 도 2와 같이 버너(1)의 아래쪽의 공기 노즐(13)의 공기량을 증가시킨 경우, 3차 공기 노즐(12,13) 주위의 압력 분포는 아래쪽의 3차 공기 노즐(13)이 부압은 강해지고, 2차 공기 노즐(11)의 외주부에서는 상하 방향으로 압력에 차이가 생긴다. 부압이 강한 아래쪽에서는 2차 공기(48)가 하향에 치우쳐 흐르기 쉬워진다. 이 때문에, 연료 노즐(10)의 외주부도 2차 공기(48)가 버너(1)의 하향에 치우쳐 흐르는 것에 의해, 화로내에서는 하향으로 부압이 강해진다. 이 때문에, 연료 제트류(화염)(51)도 하향으로 치우친다.

즉, 연료 제트류(51)는 3차 공기 노즐(12,13)을 흐르는 공기 유량의 편차에 의해, 하향의 흐름으로서 화로내에 형성된다. 또한, 연료가 하향으로 흐르는 것에 의해, 보염 링(26)의 하류의 순환류(33)로부터 형성되는 화염도 하향으로 형성된다. 이 때문에, 화로내의 온도 분포가 아래쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량을 증가시키고, 화로의 하류부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능해진다.

또한, 도 2와는 반대로, 버너(1)의 아래쪽에 설치한 3차 공기 노즐(13)의 유량 조정 댐퍼(44)를 조작하여, 상대적으로 위쪽의 공기 유량을 증가시키면, 화로내에서는 화염이 통상보다 상부에 형성되고, 화로내의 온도 분포가 위쪽으로 치우쳐, 화로내에서의 열흡수량을 감소시키고, 화로의 하류측 연도부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 증가시키는 것이 가능해진다.

본 실시예에 의해, 화염(51)의 형성 위치를, 상기 3차 공기 노즐(12,13)을 흐르는 공기 유량에 편차를 부여하는 것에 의해 상하 방향으로 제어하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 상기 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로내나 그 하류측의 연도부에 마련한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체 연료 버너(1)의 상기 3차 공기 노즐(12,13)을 흐르는 공기 유량을 버너(1)의 상하 방향으로 개별적으로 제어하는 것이 가능해진다.

본 실시예의 고체 연료 버너(1)는, 연료 노즐(10)의 외주측 격벽(18)의 선단에는, 상기 연료 노즐(10)을 흐르는 혼합 유체(37)나 상기 2차 공기 노즐(11)을 흐르는 공기의 흐름을 방해하는 보염 링(26)을 마련하고 있다. 또한, 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14∼17)의 출구에 흐름을 외주측{연료 노즐(10)로부터 멀어지는 방향}으로 편향시키는 유도 부재(32,34,35)를 마련하고 있다.

보염 링(26)을 마련하는 것에 의해 화로내에는 순환류(33)가 형성되고, 상기 순환류(33)에 고온 가스가 체류하여, 연료를 착화함으로써, 화염의 착화를 연료 노즐(10)의 출구의 보염 링(26)의 하류측에 안정적으로 형성시키는 것이 가능해진다. 이 때문에, 3차 공기 노즐(12,13)로부터 분출하는 공기의 유량에 관계없이, 착화 위치를 고정할 수 있다. 이 때문에, 3차 공기 노즐(12,13)로부터 분출하는 공기 유량 편차를 부여한 경우에도, 화염(51)의 형성 방향(각도)만을 바꿀 수 있다. 화염 (51)의 형성 개시 위치는 변함이 없이, 화염(51)의 각도만 바뀌기 때문에, 화로내의 온도 분포나 화로에서의 열흡수량, 화로의 하류부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 제어하기 쉬워진다.

또한, 유도 부재(32,34,35)를 마련하였으므로 상기 공기 노즐(11∼17)로부터 분출하는 공기의 방향을 버너(1)의 외주측에 항상 형성할 수 있다. 이 때문에, 특히 유량을 감소시켰을 경우에도 화로내에서의 연료와 공기의 버너(1)의 근방에서의 혼합을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서 화로내에서의 연료와 공기와의 버너(1)의 근방에서의 혼합을 억제하여, NOx를 저감할 수 있다.

본 실시형태에서 공기 유량의 조정 댐퍼로서 2차 공기 노즐(11)과 3차 공기 노즐(12,13)에 대응한 각 댐퍼(40,43,44)를 도시하고 있지만, 도 5에 도시하는 바와 같이, 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14∼17)의 공기량을 조정하는 유량 조정 댐퍼로서 상하의 4차 공기 노즐(14,15)에 각각 마련된 유량 조절 댐퍼 (38a,38b)와 좌우의 4차 공기 노즐(16,17)에 마련된 유량 조절 댐퍼(56a,56b)로서 마련하여도 좋다.

이 경우, 유량 조정 댐퍼(38a,38b,56a,56b)에 의해, 3차 공기 노즐(12,13)과 4차 공기 노즐(14∼17)을 흐르는 공기 유량에 서로 편차를 부여할 수 있다. 도 6에 제1 실시형태의 고체 연료 버너(1)의 4차 공기 노즐(14,15)의 공기량을 조정하는 유량 조정 댐퍼(38a,38b)를 조작하여 버너(1)의 상하 방향의 유량에 편차를 부여한 경우와, 3차 공기 노즐(12,13)의 유량 조정 댐퍼(43,44)를 조작하여, 버너(1)의 상하 방향의 유량에 편차를 부여한 경우의 화로 출구에서의 가스 온도 변화를 각각 도시한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 버너(1)의 공기 노즐의 상하 방향의 공기 유량의 편차에 의해, 화로 출구에서의 가스 온도가 변화한다. 화로 출구에서의 가스 온도 변화는 화로내에서의 열흡수의 증감을 나타낸다. 예를 들면, 가스 온도가 내려가는 것은, 화로내에서의 열흡수가 증가하여 연소 가스의 냉각이 진행된 것을 의미한다.

도 6에 도시된 결과로부터 4차 공기 노즐(14∼17)은 서로 유로가 접속하고 있기 때문에, 댐퍼(38,56)에 의한 유량 조정의 효과는 3차 공기 노즐(12,13)의 댐퍼(43,44)에 비해 작지만, 동일한 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

상기와 같이 공기 노즐(12∼17)을 둘레방향으로 복수로 분할시키는 경우, 격벽(19,29)과 둘레벽 장해물(20,21) 등을 마련할 필요가 있다. 통상적으로, 고체 연료 버너(1)는 도 3에 도시한 4차 공기 노즐(14∼17)과 같이, 가장 외주 유로의 외주측 격벽(29)은 화로를 구성하는 노체 격벽(28) 또는 수벽(30)이다. 한편, 내주측 격벽(19), 둘레벽 장해물(20,21)은 연료 노즐(10)이나 버너(1)가 접속하는 윈드 박스(39)에 접속한다. 노체 격벽(28) 또는 수벽(30)에 대해서 연료 노즐(10)이나 윈드 박스(39)는, 연소장치(보일러)의 운전에 따른 열팽창에 차이가 있다. 이 때문에, 고체 연료 버너(1)에서는 가장 외주 유로의 외주측 격벽(29)과 내주측 격벽 (19)과 둘레벽 장해물(20,21)은 온도에 따라 그 상대 위치가 바뀌기 때문에, 양자를 독립적으로 설치할 필요가 있다. 이로 인해, 내주측 격벽(19)과 둘레벽 장해물 (20,21)과 외주측 격벽(29)을 접속하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 4차 공기 노즐(14∼17)을 3차 공기 노즐(12,13)에만 접속한 장해물(20,21)에 의해 4개의 영역으로 분할함으로써, 유량 조정의 효과를 부여하고 있다.

[실시예 2]

도 7은 본 발명의 제2 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다. 또한, 도 8은 도 7에 도시한 고체 연료 버너의 C-C선 단면 화살표시도이다.

도 1∼도 5에 도시한 제1 실시형태와 다른 점은, 도 7, 도 8에서는 제 1 실시형태의 분할형의 3차 공기 노즐(12,13)을 갖지 않고, 최외주 노즐 영역(14∼17)을 둘레방향으로 구분하고 있는 것이다.

최외주 공기 노즐은 장해물(53,54)에 의해 본 버너(1)에서는 3차 공기에 상당하는 공기가 흐르는 영역(14∼17)으로 구분된다. 윈드 박스(39)에 접속하는 영역 (14∼17)은 상부 영역(14)과 하부 영역(15)과 화로측으로부터 보아 왼쪽의 영역 (16)과 오른쪽의 영역(17)으로 이루어지고, 상하 영역(14,15)에 각각 마련된 유량 조절 댐퍼(38a,38b)와 좌우 영역(16,17)에 마련된 유량 조절 댐퍼(56a,56b)에 의해 각각 개별적으로 공기 유량을 조정할 수 있다.

장해물(53,54)은 최외주 공기 노즐의 내주측의 격벽(19)에 접속하고, 외주측의 격벽(29){화로벽(28)의 버너(1)를 설치하는 개구부인 버너 스로트부}에는 접속하지 않는다. 장해물(53,54)을 마련하는 것에 의해, 영역(14∼17) 사이에서의 연소용 공기의 이동은 방해된다. 이 때문에, 유량 조절 댐퍼(38a,38b,56a,56b)의 조정에 의해, 각 영역(14∼17)으로부터 화로내에 분출하는 공기량을 조정할 수 있다.

구체적으로는, 댐퍼(38a)를 조절하는 것에 의해 위쪽의 영역(14)을 흐르는 공기 유량과 공기 분출 유속이 감소한다. 이로 인해, 다른 영역(15∼17)의 공기 유량과 공기 분출 유속이 증가한다. 이 때문에, 공기 유량과 공기 분출 유속의 곱으로 구해지는 공기 운동량은, 연료 노즐(10)의 둘레방향에 대해서 하향의 운동량이 증가하게 된다. 최외주 공기 노즐로부터 화로내에 분출하는 공기 제트류에 의해, 최외주 공기 노즐 출구에서는 주위의 가스가 제트류에 말려 들어가기 때문에, 부압이 발생한다. 최외주 공기 노즐에서의 운동량이 하향으로 강해지는 것에 의해, 최외주 공기 노즐 출구에서는 아래쪽의 부압이 강해진다. 이 때문에, 최외주 공기 노즐의 곁을 흐르는 화로내의 2차 공기의 흐름(48)은 화로내에서 하향으로 치우쳐 흐른다. 게다가 2차 공기의 흐름(48)에 의해 순환류(33)도 아래쪽 부분의 부압이 강해지기 때문에, 순환류(33)의 곁을 흐르는 연료 제트류(46)도 하향으로 치우친다.

즉, 연료 제트류(46)는 최외주 공기 노즐의 각 영역(14∼17)을 흐르는 공기 유량의 편차에 의해, 화로내에서는 하향의 흐름으로서 형성된다. 또한, 연료가 하향으로 흐르는 것에 의해, 화염(51)도 하향으로 형성된다. 이 때문에, 화로내의 온도 분포가 아래쪽으로 치우쳐, 화로내에서의 열흡수량을 증가시키고, 화로의 하류측 연도부에 마련한 전열관에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 상기와 같이 고체 연료 버너(1)의 연소용 공기 노즐을 둘레방향으로 복수로 구분시키는 장해물(53,54)을 마련하였다. 통상적으로, 고체 연료 버너(1)의 외주측 격벽(29)은 화로를 구성하는 노체 격벽(28) 또는 수벽 (35)으로 구성하고, 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)의 내주측 격벽(19)은 연료 노즐(10)이나 버너(1)가 접속하는 윈드 박스(39)에 접속한다. 외주측 격벽(29)과 내주측 격벽(19)은, 연소장치(보일러)의 운전에 따른 열팽창에 차이가 있다. 이 때문에, 고체 연료 버너(1)에서는 외주측 격벽(29)과 내주측 격벽(19)이 온도에 따라, 그 상대 위치가 바뀌기 때문에, 양자를 독립하여 설치할 필요가 있다. 이 때문에, 내주측 격벽(19)과 외주측 격벽(29)을 접속하는 것은 곤란하다.

본 실시형태에서는 최외주 공기 노즐이 복수의 영역으로 구분되어 있지만, 장해물(53,54)은 외주측 격벽(29)과는 접속하지 않는다. 이 때문에, 열팽창 차이에 의한 외주측 격벽(29)과 내주측 격벽(19)의 상대 위치의 변동에 영향을 받는 경우 없이, 연료 노즐(10)의 둘레방향에 유량 편차를 부여할 수 있다. 또한, 상기 설명에서는 화로내의 상하 방향에의 화염의 형성 방향에 대하여 설명했지만, 화로내의 좌우 방향에의 화염의 형성을 위해서는 영역(16,17)을 흐르는 연소용 공기의 유량 편차를 부여하는 것에 의해, 화염의 형성 방향을 좌우로 편향시키는 것도 가능하다.

도 7과 도 8에 도시한 제2 실시형태에서는 장해물(53,54)은 내주측 격벽(19)으로부터 접속했지만, 도 9에 도시하는 바와 같이 장해물(53,54)을 외주측 격벽 (29)과 접속하고, 내주측 격벽(19)과 분리해도 좋다. 또는 도 10에 도시하는 바와 같이 장해물(53,54)은 내주측 격벽(19)과만 접속하고, 장해물(60,61)은 외주측 격벽(29)과만 접속하여, 내주측과 외주측의 쌍방과 각각 접속하는 장해물(53,54,60, 61)을 2중으로 마련하여도 좋다. 2중으로 장해물을 마련하는 것에 의해, 각 영역 (14∼17)의 사이에서의 공기의 이동은 더 적어진다.

또한, 본 실시형태에서는 2차 공기 노즐(11)을 연료 노즐(10)의 외주부에 마련했지만, 2차 공기 노즐(11)을 마련하지 않고, 연료 노즐(10)과 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)이 접하는 경우도 상기의 공기 유량 편차에 의한 화염 형성 위치의 편향의 효과는 마찬가지로 얻을 수 있다.

[실시예 3]

도 11은 본 발명의 제3 실시형태를 도시한 고체 연료 버너의 단면을 도시한 개략도이다. 또한, 도 12는 도 11의 C-C선 단면 화살표시도이다.

도 11, 도 12에 도시한 실시예와 도 7, 도 8에 도시한 제2 실시형태와 다른 점은, 연료 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)이, 예를 들면 상하 방향의 지름은 상대적으로 짧고, 이것과 직교하는 좌우 방향의 지름은 상대적으로 긴, 소위 광폭의 노즐인 것이다. 본 실시형태에서는, 연료 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)은 장변측이 수평방향으로 형성된 예를 나타내고 있다. 또한, 최외주 공기 노즐의 각 영역(14∼17)의 외주 격벽(29)은 상하 방향과 좌우 방향의 길이가 동일한 원형 형상이 된다.

연료 노즐(10)과 2차 공기 노즐(11)이, 소위 편평한 형상이 되기 때문에, 최외주 공기 노즐의 각 영역(14∼17)의 유로를 횡단하는 방향의 단면 방향의 두께는, 직교하는 2방향 중에서, 1방향 쪽이 두껍다. 이 때문에, 두께가 두꺼운 부분에 유량의 편차를 부여한 경우는, 유량이 많기 때문에, 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)으로부터 분출하는 유량의 편차에 의해, 연료 노즐(10)로부터 화로내에 분출하는 연료 제트류를 유도하기 쉬워진다.

도 11, 도 12에 도시한 본 발명의 제3 실시형태에서는, 공기 노즐을 2차 공기 노즐(11)과 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)으로 했지만, 도 13에 도시한 바와 같이, 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)의 안쪽에 분할형 공기 노즐인 3차 공기 노즐(12,13)을 마련하여도 좋다. 이 경우, 도 13에 도시된 바와 같이, 분할형의 3차 공기 노즐(12,13)의 둘레벽 장해물(20,21)을 최외주 공기 노즐의 영역(14∼17)을 구분하는 장해물로서 이용하는 것도 가능하다.

[실시예 4]

도 14는 본 발명의 제1 실시형태를 나타내는 고체 연료 버너를 화로벽에 마련한 연소장치의 개략도이다.

고체 연료 버너(1)는 연료 노즐(10)과 공기 노즐(12,13)로 구성된다. 본 실시형태에서는, 상하 방향의 공기량 편차에 대하여 설명하기 위해서, 공기 노즐 (12,13)을 상하에 마련하고 있지만, 상술한 본 발명의 실시형태 1에서 3의 어느 버너(1)에도 적용할 수 있다.

연료 노즐(10)은 그 상류의 연료 반송관(65)을 통하여, 고체 연료의 분쇄기 (66), 반송 공기 팬(67), 연료 호퍼(68)와 접속한다. 또한, 공기 노즐(12,13)은 유량 조절 밸브(71,72)를 통하여, 공기 팬(70)과 접속한다.

일반적으로 화로(74)에는 상기 고체 연료 버너(1)가 복수 접속되지만, 본 실시예에서는 고체 연료 버너(1)가 1대 접속되는 경우를 예로 들어 설명한다.

화로(74)를 구성하는 격벽(28)은 수관으로 구성되어 있으며, 연소열을 흡수한다. 또한, 화로(74)내의 천정부로부터 매달아내린 전열면(76)과 화로(74)의 하류측 연도부에 배치한 전열면(76)이 배치되어 있다. 또한, 화로(74)의 벽면의 수관 (30)(도 1참조)이나 상기 전열면(76)에서의 열흡수량을 측정하기 위해서, 물이나 증기의 온도, 또는 수관(30)이나 전열관을 구성하는 재료의 온도를 계측하는 온도계(도시하지 않음)가 각각 적소에 복수개 설치된다.

도 14는 화로(74)의 수관 출구에서의 증기 온도와 전열면(76)의 출구에서의 증기 온도를 바탕으로, 유량 조절 밸브(71,72)를 제어하는 제어 연산기(73)를 구비한다. 도 14에 도시한 실시형태에서는, 상하에 연료 노즐(10)을 사이에 두도록 구성한 공기 노즐(12,13)로부터 공기를 각각 연료 노즐(10)과 반대 방향으로 기울여 분출한다.

아래쪽의 공기 노즐(13)의 공기 유량을 증가시키면, 분출 유속도 증가한다. 유량과 분출 유속의 곱으로 구해지는 운동량도 축방향의 운동량이 강해지는 것 외에, 화로(74)내에서는 하향의 운동량이 증가한다. 공기의 제트류에 의해, 연료 노즐(10)의 출구에서는 주위의 가스가 제트류에 말려 들어가기 때문에, 부압이 발생하고, 그 부압에 의해, 공기 제트류의 곁을 흐르는 연료 제트류도 하향으로 치우쳐 흐른다.

즉, 연료 노즐(10)로부터 분출하는 연료 제트류가 공기 노즐(12,13)로부터 분출하는 공기 유량의 편차에 의해, 화로의 버너(1)의 출구에서는 하향의 흐름으로서 형성된다. 또한, 연료가 하향으로 흐르는 것에 의해, 고체 연료 버너(1)로부터 화로(74)내에서 형성되는 화염도 하향으로 형성된다. 이 때문에, 화로(74)내의 온도 분포가 아래쪽으로 치우쳐, 화로(74)에서의 열흡수량을 증가시키고, 화로(74)의 하류측 연도부에 마련한 전열면(76)에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능해진다.

또한, 위쪽의 공기 노즐(12)의 공기 유량을 증가시키면, 버너(1)의 출구에서 형성되는 화염이 통상보다 상부에 형성되어, 화로(74)내의 온도 분포가 위쪽으로 치우쳐, 화로(74)에서의 열흡수량을 감소시키고, 화로(74)의 하류부측 연도부에 마련한 전열면(76)에서의 열흡수량을 증가시키는 것이 가능해진다.

상술한 본 발명의 제1 실시형태에 나타내는 버너 구조를 도 14에 도시한 화로(74)에 적용한 경우의 화로 출구에서의 가스 온도의 변화는 도 6에 도시한 바와 같다. 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 고체 연료 버너(1)를 화로벽에 마련한 연소장치에서는, 버너(1)의 상하 방향의 공기 유량의 편차에 의해, 화로(74)의 출구에서의 가스 온도가 변화한다. 화로(74)의 출구에서의 가스 온도 변화는 화로 (74)내에서의 열흡수의 증감을 나타낸다. 예를 들면, 가스 온도가 내려가는 것은, 화로(74)내에서의 열흡수가 증가하여, 연소 가스의 냉각이 진행된 것을 의미한다.

본 실시형태에 의하면, 제어 연산기(73)를 통하여, 유량 조절 밸브(71,72)를 제어하고, 화염의 형성 위치를 바꾸는 것에 의해, 각 전열면(76)에서의 열흡수량을 바꾸는 것이 가능해진다. 화로(74)의 벽이나 전열면(76)을 흐르는 증기의 온도는 그 하류측에 설치되는 터빈이나 상류측의 전열면의 재료를 보호하기 위해서, 소정의 설계 온도가 존재하지만, 열흡수량을 바꾸는 것에 의해 설계 온도 범위를 지킬 수 있다.

특히, 전열면(76)에 부착한 재를 제거하면, 일시적으로 열흡수량이 증가하는 경우가 있다. 이 경우, 증기 온도가 변동하지만, 상기와 같이 화염의 형성 위치를 바꾸는 것에 의해 증기 온도의 변동을 억제할 수 있다. 또한, 부하 변화나 연료 종류의 변화 등에 의한 증기 온도의 변동도 억제할 수 있다.

[산업상 이용가능성]

본 발명은 연소장치 내에서의 열흡수 위치를 용이하게 변화시킬 수 있는 고체 연료용 버너이며, 연소 효율이 좋은 보일러 등의 화로에 이용 가능성이 높다.

1 고체 연료 버너 10 연료 노즐
11 2차 공기 노즐
12, 13 3차 공기 노즐
14∼17 4차 공기 노즐(최외주 노즐 영역)
18, 19 격벽 20, 21 둘레벽 장해물
24 오일 건 25 구속부
26 장해물(보염 링)
28 화로벽(노체 격벽)
29 버너 스로트부(가장 외주 유로의 외주측 격벽)
30 수벽(수관)
32, 34, 35 유도 부재(가이드 슬리브)
33 순환류
37 고체 연료와 1차 공기의 혼합 유체의 흐름
38, 40, 43, 44 유량 조절기(댐퍼)
39 윈드 박스 41 2차 공기의 흐름
42 3차 공기와 4차 공기로서 이용되는 공기의 흐름
46 화로내에서의 혼합 유체(연료 제트류)의 흐름
48 화로내에서의 2차 공기의 흐름
49, 50 화로내에서의 3차 공기와 4차 공기의 흐름
51 화로내에서의 화염 외주부(연료 제트류)
53, 54 장해물 56 유량 조절 댐퍼
65 연료 반송관 66 고체 연료의 분쇄기
67 반송 공기 팬 68 연료 호퍼
70 공기 팬 71, 72 유량 조절 밸브
73 제어 연산기 74 화로
76 전열면

Claims (11)

1. 화로 벽면에 배치하고, 고체 연료와 그 반송 기체의 혼합 유체를 화로내에 분출하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 바깥쪽에 배치되어, 연소용 공기를 분출하는 적어도 1개의 공기 노즐을 구비한 고체 연료 버너에 있어서,
   상기 공기 노즐 중에서, 적어도 1개의 공기 노즐은 상기 연료 노즐의 외주에 환상으로 구성되고, 상기 환상 공기 노즐의 내부의 공기 유로는 상기 환상 공기 노즐의 둘레방향에 복수의 영역으로 장해물에 의해 구분되고,
   상기 장해물은, (a) 상기 공기 노즐을 구성하는 내주측의 격벽과만 접속한 장해물, (b) 상기 공기 노즐의 외주측 격벽과만 접속한 장해물 또는 (c) 내주측의 격벽과만 접속한 장해물과 외주측의 격벽과만 접속한 장해물을 조합한 이중 장해물이고,
   상기 구분된 복수의 영역 중에서, 적어도 1개의 영역을 흐르는 공기 유량을 조정하는 유량조정수단을 가진 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료 노즐의 출구측의 유로를 횡단하는 방향의 단면 형상을, 상기 연료 노즐의 한방향의 지름 방향의 길이를 상대적으로 짧게 하고, 상기 한방향의 지름 방향에 직교하는 지름 방향의 길이를 상대적으로 길게 하며,
   상기 공기 노즐 중에서, 적어도 1개의 공기 유로를 구성하는 내주 격벽은, 상기 공기 유로를 횡단하는 방향의 단면 형상을, 상기 공기 노즐의 한방향의 지름 방향의 길이를 상대적으로 짧게 하고, 상기 한방향의 지름 방향에 직교하는 지름 방향의 길이를 상대적으로 길게 하며, 외주 격벽은 한방향의 지름 방향의 길이와 상기 한방향의 지름 방향에 직교하는 지름 방향의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 연료 노즐 및 상기 공기 노즐의 한방향의 지름 방향의 길이가 상대적으로 짧은 단변측을 연직 방향으로 형성하고, 상기 한방향의 지름 방향에 직교하는 지름 방향의 길이가 상대적으로 긴 장변측을 수평방향으로 형성한 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 환상의 공기 노즐에 더하여, 상기 환상의 공기 노즐의 바깥쪽에 배치되는 공기 노즐을 가지며, 상기 환상의 공기 노즐의 바깥쪽에 배치되는 공기 노즐로부터 분출하는 공기량을 조정하는 유량조정수단을 가진 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 환상의 공기 노즐의 내부를 상기 공기 노즐의 둘레방향에 복수의 영역으로 구분하는 장해물을, 상기 연료 노즐의 바깥쪽 벽면에 접속시킨 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 연료 노즐의 외주에 환상으로 구성된 공기 노즐의 외주에 마련되는 상기 복수의 영역으로 구분된 공기 노즐의 일부는 상기 연료 노즐의 위쪽과 아래쪽에만 공기 유로를 가지며, 상기 공기 유로는, 상기 공기 유로의 내주측 격벽과만 접속한 장해물을 구비하고, 상기 장해물은 연소용 공기의 흐름 방향의 입구와 출구만을 개방한 폐쇄 공간을 형성한 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 공기 노즐 중의 적어도 1개의 공기 노즐의 출구에 공기의 흐름을 연료 노즐로부터 떨어진 상기 공기 노즐의 외주측 방향으로 편향시키는 유도 부재를 마련한 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료 노즐의 출구에 상기 연료 노즐을 흐르는 연료 제트류 또는 상기 연료 노즐에 근접하는 공기 노즐을 흐르는 공기의 흐름을 방해하는 장해물을 마련한 것을 특징으로 하는 고체 연료 버너.
9. 제 1 항에 기재된 고체 연료 버너를 노벽에 설치한 화로를 가진 연소장치에 있어서,
   상기 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 화로내나 그 하류측의 연도부에 마련한 전열관의 온도 또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체 연료 버너의 상기 공기 노즐 중에서, 내부가 상기 연료 노즐의 둘레방향으로 장해물로 복수의 영역으로 구분된 상기 복수의 영역 중에서, 적어도 1개의 영역을 흐르는 공기 유량을 변경하는 제어장치를 가지는 것을 특징으로 하는 연소장치.
10. 제 1 항에 기재된 고체 연료 버너를 노벽에 설치한 화로를 가진 연소장치의 운전방법으로서,
    상기 화로 출구에서의 연소 가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로내나 그 하류측의 연도부에 마련한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체 연료 버너의 상기 공기 노즐을 흐르는 공기량에 대하여, 상기 연료 노즐의 둘레방향으로 편차를 부여하는 것을 특징으로 하는 연소장치의 운전방법.
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