KR101814687B1 - 연소 장치 - Google Patents

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두산 밥콕 리미티드
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Abstract

연소 장치용 버너, 이러한 버너를 포함하는 연소 장치, 및 연소 장치의 작동 방법이 개시된다. 상기 버너는 버너로 연료를 공급하기 위한 연료 도입관과, 제1 스테이지 연소 사이트로 연소 가스를 공급하기 위한 연소 가스 도입관과, 제2 스테이지 연소 사이트로 오버파이어 가스를 공급하기 위한 오버파이어 가스 도입관과, 그리고 가스 공급 수단을 포함하며, 상기 가스 공급 수단은, 상기 연소 가스 도입관 및 상기 오버파이어 가스 도입관 모두에 적절한 비율로 공기가 공급되는 제1 작동 모드와, 공기 이외의 가스를 함유하는 산소가 상기 연소 가스 도입관에 공급되고 상기 오버파이어 가스 도입관으로 공급되는 가스가 실질적으로 없는 제2 작동 모드 사이에서 전환가능하게 가스를 공급하도록 되어 있다.

Description

연소 장치 {COMBUSTION APPARATUS}
본 발명은 연소 장치, 연소 장치용 연료 버너, 및 연료 버너/연소 장치를 작동하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 공기 또는 순산소(oxyfuel) 작동 조건에서 작동하기 위한 버너에 관한 것이다.
증기 발생을 위한 산업상 및 실용적인 보일러에 적용되는 것과 같은 종래의 화석 연료 발화형(fired) 연소 장비에 있어서, 연료를 태우는데 필요한 산소는 대기를 통해 공급된다. 공기 중에서 연료의 연소는 연료 내에 저장된 화학 에너지를 열로서 방출하며, 이때 이러한 열이 보일러 내의 물에 전달되어 증기를 발생시킨다. 통상적으로, 공기는 보통 낮은 NOx 구조의 버너를 통해 그리고 오버파이어 공기 포트(overfire air port)를 통해 버너에 공급된다. 보일러는 하나 또는 통상적으로 그 이상인, 다수의 버너 및 오버파이어 공기 포트를 가질 수 있다. 버너는 통상적으로 하나 또는 그 이상의 공기 스트림으로 둘러싸인 연료 스트림을 포함할 것이며, 이 공기 스트림은 소용돌이칠 것이며, 소용돌이 치는 공기는 버너 상의 플레임(flame)의 안정화를 제공한다. 공기는 덕트를 통해 각각의 버너 또는 오버파이어 공기 포트에 개별적으로, 또는 통상 윈드 박스(windbox)로 알려진 일반적인 플리넘(plenum)을 통해 일군(group)의 버너 또는 오버파이어 공기 포트에 공급될 것이다.
버너(또는 버너들)에 있어서, (연소가 완료된 후에 잔존하는 연소되지 않은 탄소 및 일산화탄소의 수준으로 나타내어지는) 연소의 효율 및 질소산화물(NOx)의 형성에 대한 경향은 연소하는 연료와 산화되는 매체의 혼합의 비율과 그에 제공된 산소의 양과 관련이 있다. 공기 중의 산소의 농도는 고정되어 있기 때문에, 개별의 레지스터(register)에 대한 산소의 비율 및/또는 공기의 총량을 조절하는 것이 필요하고, 그리고 최적의 시스템 성능을 달성하도록 버너들 및 오버파이어 공기 포트들에 공급되는 산소의 비율을 조절하는 것이 필요하다. 그러나, 고정형 버너 형상을 갖는 시스템에서, 버너로부터 오버파이어로 공기를 전환시키는 범위는 안정된 플레임을 유지하도록 충분한 소용돌이 에너지를 발생시키는데 필요한 버너로의 최소 유동 요구조건에 의해 한정된다.
연소 장비에서 연소되는 화석 연료에 대한 순산소 기술의 일 구현예에서, 연소 프로세스는 재순환된 연도 가스 스트림(flue gas stream)을 활용할 것이며, 이 연도 가스 스트림에는 순수 또는 거의 순수한 산소 주입 스트림이 버너의 상류에 추가되어, 종래의 공기 연소의 성능과 동일한 연소 프로세스 성능을 제공하는 단일 연소 가스를 발생시킨다. 이 연소 가스의 산소 농도는 가변적이며, 연도 가스 재순환률을 감소시킴으로써 증가한다. 이러한 방법을 때때로 "모의 공기(simulated air)" 연소라고 부른다. 순산소 플랜트의 비율은 공기 연소 능력을 유지시킬 것으로 기대된다.
"모의 공기" 연소의 특징은 산소 혼합물과 재순환된 연도 가스의 밀도가 대체하는 공기 보다 대체로 높고 이것이 버너 내부의 국부적인 가스 속도의 감소를 야기하여, 순산소 연소 모드에서 작동하는 경우 공기 발화에 대해 구성된 버너의 안정성을 손상시킨다는 점이다. 역으로, 버너는 순산소 발화 조건 하에서 적절한 가스 속도를 위해 구성될 수 있어서, 공기에 의해 발화되는 경우 버너를 가로지르는 과도한 압력 강하를 야기한다.
본 발명의 제1 양상에 의하면, 연소 장치용 버너가 제공되며, 이 버너는,
버너로 연료를 공급하기 위한 연료 도입관과,
제1 스테이지 연소 사이트로 연소 가스를 공급하기 위한 연소 가스 도입관과,
제2 스테이지 연소 사이트로 오버파이어 가스를 공급하기 위한 오버파이어 가스 도입관과, 그리고
가스 공급 수단을 포함하며,
상기 가스 공급 수단은,
상기 연소 가스 도입관 및 상기 오버파이어 가스 도입관 모두에 적절한 비율로 공기가 공급되는 제1 작동 모드와,
공기 이외의 산소 함유 가스가 상기 연소 가스 도입관에 공급되고 상기 오버파이어 가스 도입관으로 공급되는 가스가 실질적으로 없는 제2 작동 모드 사이에서 전환가능하게 가스를 공급하도록 되어 있다.
용어 "공기 이외의 산소 함유 가스"는 상기 제1 스테이지 연소 사이트에서의 연소를 지원하는 산소의 비율을 포함하지만 단순히 공기가 아닌 제1 모드 가스 공급을 포함하고자 하는 것이다. 특히, 상기 용어는 실질적으로 순수한 산소, 또는 실질적으로 순수한 산소 또는 다른 산소 부화 가스(즉, 공기 보다 실질적으로 높은 체적의 산소 함량을 갖는 가스)와 제2 가스의 혼합물을 포함하는 맞춤형 가스(bespoke gas) 공급을 포함하고자 하는 것이며, 여기서, 제2 가스는 공기를 제외하며, 특히 공기 대비 감소된 질소 함량을 갖는다. 바람직하게 가스 공급 수단은 연소 가스 도입관에 상기한 혼합물을 선택적으로 공급하도록 되어 있다. 바람직하게 제 2 가스는 재순환된 연도 가스이다. 따라서, 제2 모드 가스 공급은 바람직하게 산소 부화된 재순환 연도 가스를 포함하며, 선택적으로 추가 성분의 가스를 포함한다. 즉, 따라서 제2 모드는 "순산소" 발화(firing) 모드이다.
연소 가스 도입관으로의 제2 모드 가스 공급은 제1 연소 사이트에서 연소를 지원할 수 있는 임의 비율의 산소를 가질 수 있다. 바람직한 경우, 제2 모드 가스 공급은 공기에 의해 달성되는 것과 대체로 동일한 연소 프로세스 성능을 제공하는 산소의 비율, 예컨대 약 20 내지 50%를 갖는다. 즉, 제2 모드는 "모의 공기" 순산소 발화 모드를 포함한다.
본 발명에 의하면, 따라서 버너는 상이한 가스 공급을 각각 가지며 상이한 연소 프로세스를 각각 갖는 2개의 작동 모드 사이에서 전환가능하다. 제1 작동 모드에서, 버너에 공기가 공급되며 2개의 스테이지 연소 작동을 실시한다. 즉, 총 연소 공기의 상당한 비율이 버너로부터 오버파이어 공기 포트로 전환된다. 제2 작동 모드에서, 버너에 맞춤형 가스 연소물이 공급되고 단일 스테이지 연소 작동을 실시한다. 즉, 개념상으로 산소 함유 연소물 모두가 버너를 통해 공급되고, 그리고 개념상으로 오버파이어 공기 포트로 연소 공기가 전환되지 않는다.
따라서, 제1 양상의 본 발명에 의해, 버너 형상을 변경할 필요없이 연소 프로세스를 최적화시키는 방식으로, 버너가 공기 발화 상태 하에서 또는 순산소 연소 상태 특히 "모의 공기" 순산소 연소 상태 하에서 선택적으로 작동될 수 있다.
따라서, 제1 양상의 본 발명은 공기에 비해 보다 높은 밀도의 연도 가스에서 발생하는 압력 강하와 턴다운(turndown) 성능, 플레임 안정성에 대한 부정적인 충격이 잠재적으로 감소하면서 공기 및 순산소 연소 상태로의 작동을 가능하게 하는 버너를 포함한다.
바람직하게 가스 공급 수단은 연소실로 연료를 운반하는 것을 적어도 가스가 돕도록 연료 도입관에 공기 또는 공기 이외의 산소 함유 가스를 추가로 전환가능하게 공급하도록 되어 있다. 따라서, 가스 공급 수단은 연료 도입관 및 연소 가스 도입관 모두에게로 공기 또는 공기 이외의 산소 함유 가스를 전환가능하게 공급하도록 되어 있다. 바람직하게 가스 공급 수단은 연료 도입관 및 연소 가스 도입관 및 오버파이어 가스 도입관을 하나 또는 2개 또는 적용가능하다면 모두에 공급되는 가스의 비율을 변경시키는 배플(baffle) 또는 밸브 수단과 같은 변경 수단을 포함한다.
따라서, 버너는 버너에 연료를 공급하는 1차 연료 도입관, 제1 스테이지 연소 사이트에 연소 가스를 공급하는 2차 연소 가스 도입관, 및 제2 스테이지 연소 사이트에 연소 가스를 공급하는 선택적으로 작동가능한 오버파이어 가스 도입관을 포함한다. 연소 가스 도입관은, 예컨대 버너 또는 그렇지 않으면 버너가 위치하는 연소 장치에 직접, 버너에 의해 한정되는 연소 사이트에 공기 또는 산소 함유 가스를 공급하기 위한 가스 공급 수단에 유체소통가능하게 연결되는 복수의 유동적으로 독립적인 도입관을 포함하는데, 예컨대 추가의 3차 또는 보다 높은 차수의 도입관을 포함할 수 있다. 통상의 장치에서, 1차 연료 도입관은 버너를 따라 연장될 수 있고, 2차 연소 가스 도입관은 예컨대 1차 연료 도입관 주위에 환형으로 배열되고 그리고 1차 연료 도입관의 외측으로 배치될 수 있으며, 존재한다면 보다 높은 차수의 연소 가스 도입관은 예컨대 유사한 방식으로 2차 도입관 주위에 환형으로 배열되고 그리고 2차 도입관의 외측으로 배치될 수 있다. 1차 도입관은 예컨대 중심선 상에서 버너를 따라 대체로 축방향으로 연장하는 중심 도관일 수 있다. 대안으로, 1차 도입관은 예컨대 환형으로 중심 도관 주위에 그 자체로 배치될 수 있고, 이때 중심 도관은 다른 목적으로 기능한다. 1차 도입관은 더 바람직하게 2차 및 보다 높은 차수의 도관 보다 중심선에 보다 가까이 있지만, 1차 스트림이 반드시 중심선 자체를 따라 유동할 필요는 없다. 도관은 내부에 있는 가스 공급물에 대해 축방향 소용돌이를 부여하도록 적합한 소용돌이 발생 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 양상에 있어서, 연소장치가 제공되는데 이 연소 장치는,
연소실과, 그리고
상기 연소실 내부에 연소 사이트를 형성하도록 전술한 바와 같이 위치되는 하나 이상의 그리고 바람직하게는 복수의 버너를 포함한다.
바람직하게 연소 장치는 증기를 발생시키는 보일러를 포함한다.
바람직하게 사용되는 연료는 석탄, 가장 바람직하게 미분탄이다.
바람직하게 연소 장치는 연도 가스 재순환관을 포함한다. 바람직하게 연도 가스 재순환관은 연도 가스를 포함하는 혼합물이 상기 제2 작동 모드에서 사용 중일 때 상기 연소실로 공급될 수 있도록 상기 연료 도입관과 상기 연소 가스 도입관 중 하나 이상 및/또는 상기 가스 공급 수단에 유체소통가능하게 연결된다. 바람직하게 상기 연도 가스 재순환관은 연료 도입관 및 연소 가스 도입관 모두에 유체소통가능하게 연결된다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드를 포함하는 2가지 작동 모드에서 선택적으로 연소 장치 내의 버너를 연소시키는 방법이 제공되며, 제1 작동 모드에서,
상기 버너에 연료를 공급하는 단계,
제1 스테이지 연소 사이트에 공기를 포함한 연소 가스를 공급하는 단계,
제2 스테이지 연소 사이트에 가스를 포함한 오버파이어 가스를 공급하는 단계,
2개의 스테이지 프로세스에서 연료의 연소가 발생되게 하는 단계를 포함하며,
상기 제2 작동 모드에서,
상기 버너에 연료를 공급하는 단계,
제1 스테이지 연소 사이트에 공기 이외의 산소를 함유한 가스를 포함한 연소 가스를 공급하는 단계,
단일 스테이지 프로세스에서 연료의 연소가 발생되게 하는 단계를 포함한다.
바람직하게 산소 함유 가스는 실질적으로 순수한 산소와, 공기 대비 감소된 산소 농도 및/또는 공기 대비 감소된 질소 농도를 갖는 제2 가스의 혼합물을 포함한다. 제2 모드의 바람직한 실시예에서, 생성된 혼합물이 공기에 의해 달성된 것과 동일한 연소 프로세스 성능을 생성시키는 산소의 비율, 예컨대 약 20-50 %의 비를 갖는 방식으로, 연소 가스들이 연소 사이트에 공급된다.
상기한 방법의 다른 바람직한 양상들과, 특히 작동 모드와 가스 조성들이 유추되어 이해될 것이다.
첨부 도면을 참조하여 단지 예시를 통해 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 종래의 공기 발화 및 순산소 발화 모두에 적합한 버너의 개략도이고;
도 2는 오버파이어 원리의 개략도이며;
도 3은 순산소 프로세스의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 발화 및 순산소 발화 모두에 적합한 간단한 버너의 개략도이다.
공기 발화 모드에서, 연료를 태우는데 필요한 산소를 함유하는 연소 공기는 공기 덕트를 통해 개별의 버너로 또는 윈드박스(windbox)를 통해 복수 그룹의 버너로 강제 드래프트 팬(forced draught fan; FD fan)에 의해 공급된다. 도시된 실례에서, 버너(1) 내에는 3개의 개별의 공기 스트림 즉, 석탄을 운반하는 1차 공기(PA), 2차 공기(SA), 및 3차 공기(TA)가 존재하며, 특별한 버너 구성에서는 보다 적거나 보다 많은 공기 스트림을 가질 수도 있다. 도시된 실례에서, 1차 공기(PA) 스트림은 버너 축선(11)을 따라가며, 2차 공기(SA) 및 3차 공기(TA) 스트림은 그 주위의 동심으로 덕트 내로 축방향으로 인도된다. 버너(1)는 노 벽(furnace wall; FW)의 출구를 통해 발화된다.
실시예에서 1차 공기 스트림은 중앙 도관 내에 있다. 본 발명은 이러한 배열에 한정되지 않는다. 하나의 대안의 구성 옵션은 중심선과 환상으로 평행한 도관으로 1차 공기(또는 PFGR/산소/연료 혼합물)를 이동시키는 것을 포함하나, 다른 목적들(핵심 공기 및/또는 오일/가스 점화기)을 위해 축선에 따른 중심 실린더가 사용된다. 이 경우, 1차 스트림은 여전히, 2차 및 3차 스트림 보다 가까이 중심선에 있게 되지만, 실제 중심선을 따라 유동하지는 않는다.
댐퍼(3)는 2차 스트림(SA)과 3차 스트림(TA) 사이에서 공기의 분할을 제어한다. 2차 스트림(SA)과 3차 스트림(TA)은 소용돌이칠 수도 있고, 소용돌이의 정도는 조절가능할 수 있다. 이를 위해 댐퍼의 하류에 소용돌이 장치(5)가 제공된다. 버너에 공급되는 공기의 총량, 여러 스트림 사이의 공기의 분할, 및 적용되는 소용돌이의 레벨에 변화를 가함으로써 연소 효율, 배출, 플레임 안정성에 대한 버너의 최적화가 달성된다.
NOx 제어를 위해, 총 연소 공기의 일부가 오버파이어 공기(overfire air)로서 버너로부터 멀어지게 전환될 수 있으며, 2차 및 3차 환형관의 유동 영역은 버너 레지스터(register) 내부에서 공기 속도를 유지하도록 비례하여 감소될 수 있으며, 따라서 소용돌이 발생에 의해 유도되는 플레임 안정 효과를 유지한다. 도 2는 오버파이어 원리의 일반적인 개략도이며, 여기서 오버파이어 포트는 도 1에 도시된 일반적인 형태일 수도 있는 버너 위에 대체로 위치된다.
도 2는 전형적인 석탄-발화형 분말 스테이션 장치를 도시한다. 연소실(13)에는 복수의 버너(15)를 통해 석탄 및 연소 공기가 공급된다. 각각의 버너로의 공기 공급은 윈드박스(16) 쪽으로(석탄을 운반하기 위한) 1차 공기, 2차 및 3차 공기로 분기된다(분기는 낮은 NOx 버너로의 혼합과 공기역학을 제어하도록 된다). 현대의 플랜트에서, NOx 제어를 용이하게 하기 위해 (대체로 버너 위의) 복수의 포트(17)를 통해 오버파이어 공기로서 연소 공기의 일부가 별도로 공급된다.
도 3은 순산소 프로세스의 개략도이다.
여기에 도시된 순산소 발화의 "모의 공기(simulated air)" 실증에서, 연도 가스(flue gas)는 전용 팬(각각 1차 연도 가스 재순환 팬(25) 및 2차 연도 가스 재순환 팬(27))에 의해 미분탄기(coal pulverising mill)(21)(1차 연도 가스 재순환 또는 PFGR)로, 그리고 버너를 포함하는 윈드박스(23)(도 3에 구체적으로 도시 안됨)(2차 연도 가스 재순환, 또는 SFGR)로 재순환된다. 이러한 프로세스의 다수의 상세한 변형예가 존재하지만, 이들 모두는 동일한 포괄적인 방법을 따른다.
재순환된 연도 가스의 조성은 연소 프로세스와 관련이 있지만, 보일러 출구로부터 추출된 스트림은 낮은 수준의 산소, 통상적으로 5 체적% 미만을 함유할 것이며 연소를 지원하기에 충분하지 않다. 순수하거나 거의 순수한 산소가 PFGR 및 SFGR 스트림들 안으로 도입되어 연료를 연소시키는데 필요한 산화제를 제공한다. PFGR 및 SFGR 스트림의 조성은 순산소 기술의 상세한 구현에 좌우될 것이지만, 통상적으로 PFGR은 약 20 내지 25 체적% 또는 그 이상의 산소를 함유하는 한편, SFGR은 상당히 높은 산소 농도인 예컨대 25 내지 50 %를 함유할 것이다. 정확한 농도 수준은 총 노 화학량론(overall furnace stoichiometry), 보일러에 재순환되는 연도 가스의 양, 재순환 스트림으로부터 제거되는 연소 발생 수분의 양, 프로세스 내에서 누출되는 공기의 양 등을 포함하는 다수의 인자(factor)에 좌우될 것이다.
상기한 스트림들은 일반적으로 알려진 방식으로 노/보일러(31)를 연소시키기 위해 윈드박스(23)를 통해 버너(구체적으로 도시 안 됨)에 공급되며, 연도 가스들은 고체(재(34) 등)를 제거하도록 미립자 제거 시스템(33)을 통해 빼내어지고, 유사하게 유도 드래프트(induced draugt; ID) 팬(35)에 의해 스택 또는 포착 스테이지(stack or capture stage; 37)로 빼내어 진다.
순산소 기술의 "모의 공기" 구현에 대한 핵심 프로세스 설계 파라미터는 보일러 내의 총 유동의 백분률로서 통상 표현되는 재순환된 연도 가스의 양이다. 이러한 파라미터는 공기 발화에 관한 순산소 발화형 보일러의 복사식 및 대류식 열전달 특성을 가능한 한 유지하는 것에 기초하여 선택되며, 보일러 가스 유동의 60% 내지 80%의 재순환 가스 유량이 종종 인용된다. 이들 통상의 양과 산소/재순환된 연도 가스 혼합물의 물리적 특성에 근거하여, "모의 공기" 순산소 발화 조건 하에서 작동되는 경우 버너 내부의 속도를 확립하는 것이 가능하다. 이미 주지한 바와 같이, 버너 내부에서의 가스 속도는 공기 발화에 대해서 보다 순산소 발화에 대해서 더 낮다.
단순한 종래의 공기-발화 작동을 포함하는 "버너 A", 및 본 발명에 따라 전환가능한 스테이지 발화형 작동을 포함하는 "버너 B"를 실례로서 고려해 본다. 실례 작동 데이타를 아래 표로 나타낸다.
무차원화됨
버너 A 버너 B
공기 순산소 공기 순산소
버너 화학량론 1.17 1.17 1.00 1.17
질량 유량(%)
1차 19 22 19 22
2차+핵심 15 12 13 12
3차 66 66 53 66
오버파이어 0 0 15 0
====== ====== ====== ======
총량 100 100 100 100
속도(% 변화)
1차 기본 7.9 기본 7.9
3차 기본 -20.7 기본 -2.4
"버너 A"를 고려해 보자, 이것은 통상적인 언스테이징 저 NOx 버너를 나타낸다. 1차 공기 속도는 버너 출구로의 이송된 석탄 분진의 효과적인 운송을 보장하도록 선택되는 반면에, 3차 공기 속도는 필요한 공기역학을 달성하기 위해 소용돌이 발생로를 통과하는 충분한 전진 모멘텀을 보장하도록 선택된다.
순산소 연소로의 이동시 공기는 주로 CO2 및 H2O를 포함하는 재순환된 연도 가스(FGR)로 대체된다. FGR의 밀도는 대체할 공기의 밀도보다 더 크다. 따라서 순산소 조건 하에서 "버너 A"의 작동으로부터 유발되는 다음과 같은 다수의 결과들이 있다.
1) 1차 FGR의 질량이 1차 공기의 질량보다 커서 1차 속도가 공기 발화 경우에 대해 작은 값으로 유지된다.
2) 따라서 3차 FGR의 질량은 그렇지 않았더라면 가졌을 값보다 감소된다.
3) 또한 3차 FGR의 밀도는 공기보다 더 크다.
4) 3차 FGR의 속도는 3차 공기의 속도보다 충분히 더 낮다.
5) 감소된 질량 유량 및 속도는 공기 발화에 비해서 낮은 3차 FGR 모멘텀을 초래하며, 이는 프레임 공기역학에 악영향을 끼친다.
결과적으로, "버너 A"는 변경 없이 공기 및 순산소 발화 모드 모두에서 작동될 수 없다.
이제 "버너 B"를 고려해 보자. 이것은 (연소 공기의 일부가 버너로부터 오버파이어 공기 포트로 전환되는) 공기 스테이징 조건(air staging condition) 하에서 작동하도록 구성되는 공기 발화형 버너이다. 1차 공기 속도는 상기한 바와 같이 버너 출구로의 석탄의 효율적인 운반을 보장하도록 유지되며, 버너 직경은 감소된 질량 유량에도 불구하고 3차 공기 속도가 이전의 값에서 유지되도록 감소된다.
"버너 A"에 대해 상기한 바와 동일한 조건에서 언스테이징 순산소 발화(unstaged oxyfuel firing) 하에서의 "버너 B"의 작동은, 버너를 통해 FGR을 유지함으로써, 1차 및 2차 FGR 속도 모두가 스테이지 공기 연소 작동 조건과 동일한 값에서 유지될 수 있음을 증명한다. 따라서, "버너 B"는 2개의 모드 사이에서 공급 조건을 전환시키는 적절한 수단의 단순한 제공에 의해 그리고 버너 기하학적 형상에 대한 어떠한 실질적인 변경 없이 공기 발화 및 순산소 발화 모드 모두에서 작동될 수 있다.
따라서, 본 발명은 기하학적 또는 다른 프로세스 변화에 대한 필요없이 공기 발화 또는 순산소 ("모의 공기") 발화 중 어느 하나 하에서 작동가능한 버너의 설계를 포함한다. 이러한 버너는 통상적인 단일 스테이지 작동 보다 낮은 화학량론적 공기 대 연료비를 갖는 공기 스테이징 조건 하에서 작동하는 크기를 갖는다. 단일 스테이지 순산소 연소에 대한 증가된 질량 유량으로 이러한 버너를 작동하면, 버너 내부의 가스 속도는 종래의 스테이징 공기 발화에 대한 속도에 근접하고, 플레임 안정성, 부하 감소 및 압력 강하와 관련된 버너의 성능이 손상되지 않는다.
본 발명은 공기 발화 조건들 하에서 버너가 작동될 수 있게 한다. 본 발명은 "모의 공기" 순산소 연소 조건들 하에서 동일한 버너가 작동될 수 있게 한다.
본 발명은 버너 기하학, 설정, 또는 2차 레지스터와 3차(또는 다른) 레지스터 사이의 상대 유동 분기를 변경할 필요없이 상기한 모든 것을 가능하게 한다.
본 발명은 정상적인 등급의 버너 용량의 40% 내지 110%의 전체 정상적인 작동 부하 범위에 걸쳐 허용가능한 압력 강화와 모든 플레임 안정성 모두의 유지성에 대한 허용가능한 속도로서 공기 또는 순산소 모드로 버너를 작동할 수 있게 한다.
삭제
1: 버너 3: 댐퍼
5: 소용돌이 장치 11: 버너 축선
13: 연소실 15: 다수의 버너
16: 윈드박스 17: 다수의 포트
21: 미분탄기 23: 윈드박스
25: 1차 연도 가스 재순환 팬 27: 2차 연도 가스 재순환 팬
31: 노/보일러 33: 미립자 제거 시스템
35: 유도 드래프트(ID) 팬 37: 스택 또는 포착 스테이지
PA: 1차 공기 SA: 2차 공기
TA: 3차 공기 FW: 노 벽

Claims (16)

  1. 연소 장치용 버너로서,
    버너로 연료를 공급하기 위한 연료 도입관과,
    제1 스테이지 연소 사이트로 연소 가스를 공급하기 위한 연소 가스 도입관과,
    제2 스테이지 연소 사이트로 오버파이어 가스를 공급하기 위한 오버파이어 가스 도입관과, 그리고
    가스 공급 수단을 포함하며,
    상기 가스 공급 수단은,
    상기 연소 가스 도입관 및 상기 오버파이어 가스 도입관 모두에 공기가 공급되는 제1 작동 모드와, 공기 이외의 산소 함유 가스가 상기 연소 가스 도입관에 공급되고 상기 오버파이어 가스 도입관으로 공급되는 가스가 실질적으로 없는 제2 작동 모드 사이에서 전환가능하게 가스를 공급하도록 되어 있고,
    상기 가스 공급 수단은 산소 부화 가스와 제2 가스의 혼합물을 포함하는 공기 이외의 산소 함유 가스를 공급하도록 되어 있으며,
    상기 산소 부화 가스는 실질적으로 순수한 산소이고, 상기 제2 가스는 재순환된 연도 가스인 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 가스는 공기 대비 감소된 질소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스 공급 수단은 20 내지 50 체적%의 산소 비율을 구비하여 공기에 의해 달성되는 것과 동일한 연소 프로세스 성능을 제공하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 수단은 상기 가스가 적어도 연소실로 상기 연료를 운반하는 것을 돕도록 상기 연료 도입관에 추가로 공기 이외의 상기 산소 함유 가스 또는 공기를 전환가능하게 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 수단은 상기 연료 도입관 및 상기 연소 가스 도입관 그리고 오버파이어 가스 도입관 중 하나 또는 둘 또는 적용가능하다면 모두에 공급되는 가스의 비율을 변경시키는 변경 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 가스 도입관은 상기 가스 공급 수단에 유체소통가능하게 연결되는 복수의 유동적으로 독립적인 도입관을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치용 버너.
  10. 연소실과,
    상기 연소실 내부에 연소 사이트를 형성하도록 위치되는 제 1 항에 따른 하나 이상의 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    증기를 발생시키는 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    미분탄 연료 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 버너 및 상기 연소 장치의 다른 구성 요소들 중 하나 이상에 직접 가스를 공급하기 위한 가스 공급 수단에 유체소통가능하게 연결되는 하나 이상의 다른 유동적으로 독립적인 연소 가스 도입관과 상기 버너의 일부를 포함하는 제1 연소 가스 도입관을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  14. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    연도 가스 재순환관을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연도 가스 재순환관은 연도 가스를 포함하는 혼합물이 상기 제2 작동 모드에서 사용 중일 때 상기 연소실로 공급될 수 있도록 상기 연료 도입관 및 상기 연소 가스 도입관 중 적어도 하나에 또는 상기 가스 공급 수단에 유체소통가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는,
    연소 장치.
  16. 연소 장치 내의 버너를 연소시키는 방법으로서,
    제1 작동 모드 및 제2 작동 모드의 2가지 작동 모드 중 하나에서 선택적으로 버너를 연소시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1 작동 모드는,
    상기 버너에 연료를 공급하는 단계,
    제1 스테이지 연소 사이트에 공기를 포함한 연소 가스를 공급하는 단계,
    제2 스테이지 연소 사이트에 공기를 포함한 오버파이어 가스를 공급하는 단계,
    2개의 스테이지 프로세스에서 연료의 연소가 발생되게 하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 작동 모드는,
    상기 버너에 연료를 공급하는 단계,
    제1 스테이지 연소 사이트에 산소 부화 가스와 제2 가스의 혼합물을 함유하는 공기 이외의 산소 함유 가스를 포함한 연소 가스를 공급하는 단계,
    단일 스테이지 프로세스에서 연료의 연소가 발생되게 하는 단계를 포함하고,
    상기 산소 부화 가스는 실질적으로 순수한 산소이고, 상기 제2 가스는 재순환된 연도 가스인 것을 특징으로 하는,
    연료 장치 내의 버너의 연소 방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201114894D0 (en) 2011-08-30 2011-10-12 Doosan Power Systems Ltd Combustion apparatus
US11493202B2 (en) * 2020-09-18 2022-11-08 Huazhong University Of Science And Technology Supercritical CO2 boiler capable of realizing uniform combustion, corrosion resistance and coking resistance, and boiler system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080006188A1 (en) * 2006-07-06 2008-01-10 Kuang Tsai Wu Increasing boiler output with oxygen
JP2008531967A (ja) * 2005-02-25 2008-08-14 クリーン コンバスチョン テクノロジーズ エルエルシー 燃焼方法およびシステム
US20080286707A1 (en) * 2007-05-15 2008-11-20 Panesar Raghbir S Combustion apparatus

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2485934C (en) * 2002-05-15 2009-12-15 Praxair Technology, Inc. Low nox combustion
JP2004205161A (ja) * 2002-12-26 2004-07-22 Hitachi Ltd 固体燃料ボイラ及びボイラ燃焼方法
US7497682B2 (en) * 2005-01-18 2009-03-03 Praxair Technology, Inc. Method of operating furnace to reduce emissions
WO2007062019A2 (en) * 2005-11-22 2007-05-31 Clean Combustion Technologies Llc Combustion method and system
US20080264310A1 (en) * 2005-11-22 2008-10-30 Clean Combustion Technologies, Llc Combustion Method and System

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008531967A (ja) * 2005-02-25 2008-08-14 クリーン コンバスチョン テクノロジーズ エルエルシー 燃焼方法およびシステム
US20080006188A1 (en) * 2006-07-06 2008-01-10 Kuang Tsai Wu Increasing boiler output with oxygen
US20080286707A1 (en) * 2007-05-15 2008-11-20 Panesar Raghbir S Combustion apparatus

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