KR102462494B1

KR102462494B1 - 버너 장치 및 다관식 관류 보일러 장치

Info

Publication number: KR102462494B1
Application number: KR1020207018414A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 우토; 고시 히라노; 구니오 오카다; 아쓰시 호리카와
Original assignee: 가와사키 쥬코교 가부시키가이샤 (가와사키 헤비 인더스트리즈, 엘티디.)
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-11-03
Also published as: JP2019100571A; KR20200090883A; JP7126346B2; CN111630320A; WO2019107355A1; CN111630320B; EP3719396A4; EP3719396A1

Abstract

연료 가스(F)와 조연 가스(A)와의 혼합기(MG)를 연소 영역(R)에 공급하는 버너 장치(1)에 있어서, 연료 가스와 조연 가스가 도입되어 혼합되는 1차 혼합 통로(27)와, 상기 1차 혼합 통로(27)로부터의 혼합기(MG)가 도입되어 더 혼합되는, 회전체 형상의 벽면의 내측에 형성된 2차 혼합실(33)과, 상기 2차 혼합실(33)의 주위벽(5a)에 형성되고, 상기 1차 혼합 통로(27)로부터의 혼합기(MG)를, 상기 2차 혼합실(33)에, 상기 2차 혼합실(33)의 편심 방향으로 도입함으로써 혼합기(MG)의 선회류를 생성하는 복수의 혼합기 도입공(35)을 형성한다.

Description

버너 장치 및 다관식 관류 보일러 장치

본 출원은, 2017년 11월 29일자 일본 특허출원 제2017―229025의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 예를 들면, 수소 가스와 같은 연료 가스와 다른 종류의 가스를 혼합하여 연소시키는 버너 장치에 관한 것이다.

최근, 지구 온난화와 같은 환경 문제의 원인으로 되는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위해, 이른바 저탄소 사회의 실현을 위하여, 연료로 수소를 이용하는 버너 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

미국 특허 출원 공개 제2012/0258409호 명세서

그러나, 수소를 함유하는 연료와 같은 반응성이 높은 연료에서는, 연소 온도가 높아지기 때문에, NOx가 발생하기 쉬우므로, 이것을 억제할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 수소 가스와 같은 고반응성의 연료를 사용한 경우에도 NOx의 발생을 억제할 수 있는 버너 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 버너 장치는,

연료 가스와 조연(助燃; combustion-supporting) 가스와의 혼합기(混合氣)를 연소 영역에 공급하는 버너 장치로서,

연료 가스와 조연 가스가 도입되어 혼합되는 1차 혼합 통로와,

상기 1차 혼합 통로의 내경측(內徑側)에 위치하고, 상기 1차 혼합 통로로부터의 혼합기가 도입되어 더 혼합되는, 회전체 형상의 벽면의 내측에 형성된 2차 혼합실로서, 혼합기를 상기 연소 영역으로 분사하는 분사구를 형성하는 2차 혼합실과,

상기 2차 혼합실의 주위벽에 형성되고, 상기 1차 혼합 통로로부터의 혼합기를, 상기 2차 혼합실에, 상기 2차 혼합실의 편심(偏心) 방향으로 도입함으로써 혼합기의 선회류(旋回流)를 생성하는 복수의 혼합기 도입공

을 구비하는 혼합 분사체를 포함하고 있다.

이 구성에 의하면, 2종류의 가스를 2 단계로 혼합함으로써, 예혼합(預混合)이 촉진되어 균일한 혼합기의 생성이 가능하게 된다. 이로써, 국소적인 화염의 고온화가 억제되므로, NOx의 발생이 억제된다. 다시 혼합 분사체 내의 2차 혼합실에 있어서 선회류를 생성함으로써, 새로운 혼합 촉진이 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치는, 상기 혼합 분사체가, 연료 가스 및 조연 가스의 한쪽을 직경 방향 외측으로부터 상기 1차 혼합 통로에 도입하는 제1 가스 통로와, 연료 가스 및 조연 가스의 다른 쪽을 상기 제1 가스 통로에 교차하는 방향으로 상기 1차 혼합 통로에 도입하는 제2 가스 통로를 더 가지고 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 연료 가스와 조연 가스가 교차할 때의 전단력(剪斷力)에 의해, 1차 혼합 통로에서의 제1 단계 측의 혼합이 촉진된다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치는, 상기 혼합 분사체를 복수 구비해도 된다. 이 구성에 의하면, 전체적으로 필요한 양의 연료를 복수의 혼합 분사체(분사구)로부터 분산시켜 분사함으로써, 국소적으로 고온화가 한층 효과적으로 억제된다. 이로써, NOx의 발생이 더욱 억제된다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치에 있어서, 상기 2차 혼합실이 하류측을 향해 확경(擴徑)되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 2차 혼합실에 있어서 선회류를 생성하고, 혼합기를 2차 혼합실의 벽면을 따라 흐르게 함으로써, 벽면 근방에 있어서 혼합기의 저유속역(低流速域)이 형성되지 않게 되므로, 역화(逆火)의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치에 있어서, 상기 2차 혼합실이 하류측을 향해 확경되어 있는 경우, 상기 2차 혼합실과 동심형으로 배치되고, 상기 2차 혼합실의 최상류부로부터 조연 가스를 상기 2차 혼합실 내로 분사하는 보조 콘 부재를 더 구비하고 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 보조 콘 부재로부터 조연 가스를 분사함으로써, 2차 혼합실의 중앙 부분으로부터의 역화를 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치에 있어서, 상기 2차 혼합실이 하류측을 향해 축경(縮徑)되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 혼합기의 선회류 중의 연료가 외측에 편재하는 것이 억제되어, 보다 균일한 혼합을 실현할 수 있다. 또한, 분사구의 개구 면적을 작게 함으로써 혼합기의 유속(flow rate)이 커져, 역화 현상의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 다관식 관류(貫流) 보일러 장치는,

환형(環形)으로 배열된 다수의 수관(水管)으로 이루어지는 수관군(水管群)과,

인접하는 상기 수관 사이를 연결하는 연결벽과,

상기 수관군 및 연결벽에 의해 형성되는 연소실에 혼합기를 분사하도록 배치된, 복수의 상기 혼합 분사체를 가지는 상기 버너 장치

를 구비하고

상기 버너 장치의 복수의 상기 혼합 분사체가, 상기 수관군과 동심(同心)의 환형으로 배열되어 있다.

이 구성에 의하면, 혼합기의 선회류를 생성하는 혼합 분사체의 외측에 수관군을 배치함으로써, 연소 영역에 있어서 발생한 화염이 각각의 수관에 충돌한다. 따라서, 수관으로의 전열(傳熱)이 촉진되어, 보일러 장치의 효율이 향상된다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 다관식 관류 보일러 장치에 있어서, 환형으로 배열된 복수의 상기 혼합 분사체가, 동일 방향의 혼합기의 선회류를 생성하도록 배치되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 연소실 내에 있어서 화염이 큰 선회류를 발생시켜, 수관에 효율적으로 화염을 충돌시킬 수 있다. 따라서, 수관으로의 전열이 한층 촉진된다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 다관식 관류 보일러 장치에 있어서, 환형으로 배열된 복수의 상기 혼합 분사체가, 인접하는 혼합 분사체가 역방향의 혼합기의 선회류를 생성하도록 배치되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 인접하는 혼합 분사체 간에 있어서 직경 방향 외측으로의 화염의 흐름을 발생시켜, 수관에 효율적으로 화염을 충돌시킬 수 있다. 따라서, 수관으로의 전열이 한층 촉진된다.

특허청구범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 2개 이상의 구성의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치의 개략 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 버너 장치의 혼합 분사체의 주변 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 3는 도 2의 혼합 분사체의 주변 구조를 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 도 2의 혼합 분사체의 주변 구조의 일부를 확대하여 나타낸 종단면도이다.
도 5는 도 1의 버너 장치의 일 변형예에 관한 혼합 분사체의 주변 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 6은 도 1의 버너 장치의 다른 변형예에 관한 혼합 분사체의 주변 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 보일러 장치의 개략 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 8은 도 7의 보일러 장치의 개략 구조를 모식적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 보일러 장치의 개략 구조를 모식적으로 나타낸 횡단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 관한 버너 장치를 나타낸다. 동 도면에 나타내는 버너 장치(1)는, 연료 가스와 조연 가스와의 혼합기(MG)를 연소 영역(R)에 공급하는 장치이다. 버너 장치(1)는, 예를 들면, 보일러나 가스 터빈과 같은 동력 장치의 가열 장치로서 사용된다.

연료 가스는, 예를 들면, 연소 속도가 크고, 가연(可燃) 농도 범위가 넓은 연료이며, 본 실시형태에서는, 연료 가스로서 수소 함유 가스, 예를 들면, 수소 가스를 사용하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 조연 가스로서 공기(A)를 사용하고 있다. 조연 가스로서는, 공기 이외에, 예를 들면, 공기 중의 산소 농도를 조정한 가스, 배기 가스 등을 사용할 수 있다. 이하의 설명에서는, 연료 가스를 「연료(F)」라고 하고, 조연 가스를 「공기(A)」라고 하여 설명한다.

버너 장치(1)는, 혼합기(MG)를 연소 영역(R)에 분사하는 분사구(3)를 형성하는 콘 부재(5)를 포함하는 혼합 분사체(7)를 구비하고 있다. 혼합 분사체(7)는, 중공(中空) 원뿔대형(圓錐臺形)의 콘 부재(5)와, 콘 부재(5)를 수용하는 중공 통형 부재(9)를 가지고 있다. 도시한 예에서는, 중공 통형 부재(9)는 중공 원통형으로 형성되어 있다. 콘 부재(5)와 중공 통형 부재(9)는 동심형으로 배치되어 있다. 먼저, 중공 통형 부재(9)는 각통형(角筒形)이라도 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 버너 장치(1)는 복수(이 예에서는 4×3열로 배열된 12개)의 혼합 분사체(7), 즉 복수의 콘 부재(5)를 구비하고 있다. 이하의 설명에서는, 각 콘 부재(5)의 축심(軸心; axis) 방향에 평행한 방향을 단지 「축심 방향 X」라고 한다. 또한, 콘 부재(5)의 직경 방향을, 단지 「직경 방향」이라고 한다.

그리고, 버너 장치(1)는, 혼합 분사체(7)와는 별개이며, 도시하지 않은 착화용(着火用)의 파일럿 버너를 구비하고 있으면 된다. 착화 시에는 파일럿 버너로부터 착화용 연료가 연소 영역(R)에 분사된다.

혼합 분사체(7)의 상류측에는, 공기(A)를 혼합 분사체(7)에 도입하기 위한 공기 도입(導入) 헤더(11)와, 연료(F)를 혼합 분사체(7)에 도입하기 위한 연료 도입 헤더(13)가 설치되어 있다. 연료 도입 헤더(13)의 하류 측벽(13a)에, 중공 통형 부재(9)의 상류측 저벽(9a)이 끼워넣어져 있다. 연료 도입 헤더(13)의 상류측 벽(13b)에는 연료(F)의 도입 통로를 형성하는 연료 도입관(導入管)(15)이 접속되어 있다. 즉, 연료 도입관(15)은 축심 방향 X로 연장되어 있고, 연료(F)를 연료 도입 헤더(13) 내로 축심 방향 X로 도입한다. 공기 도입 헤더(11)는, 전술한 바와 같이 배치된 혼합 분사체(7), 연료 도입 헤더(13) 및 연료 도입관(15)을 에워싸도록 형성되어 있다. 공기 도입 헤더(11)의 일측벽(11a)에 공기(A)의 도입 통로를 형성하는 공기 도입관(17)이 접속되어 있다.

연료 도입 헤더(13) 내로 도입된 연료(F)는, 연료(F)의 도입 방향이기도 한 축심 방향 X에 평행한 평면 방향으로 분산된 후, 중공 통형 부재(9) 내로 도입된다. 중공 통형 부재(9)의 구조는 후에 상세하게 설명한다. 도시한 예에서는, 연료 도입 헤더(13)의 하류 측벽(13a)에서의 연료 도입관(15)의 하류 부분에, 정류판(整流板)(19)이, 상류측으로 돌출되도록 설치되어 있다. 연료 도입 헤더(13) 내로 도입된 연료(F)는, 정류판(19)에 충돌함으로써 축심 방향 X에 평행한 평면 방향으로 대략 균일하게 분산된다. 먼저, 정류판(19)을 생략하여 연료(F)를 직접 연료 도입 헤더(13)의 하류 측벽(13a)에 충돌시켜도 된다. 공기 도입 헤더(11) 내로 도입된 공기(A)는, 공기 도입 헤더(11)와 연료 도입 헤더(13)와의 사이의 간극(21)을 통과한 후, 중공 통형 부재(9) 내로 도입된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 혼합 분사체(7)의 중공 통형 부재(9)의 측벽(9b)에는, 이 측벽(9b)을 관통하고 또한 내측으로 연장되는 공기 통로(제1 가스 통로)(25)가 형성되어 있다. 공기 도입 헤더(11)로부터의 공기(A)는, 공기 통로(25)를 통하여, 콘 부재(5)의 외측에 형성된 혼합 통로(이하, 「1차 혼합 통로(27)」라고 함]에 도입된다. 즉, 공기 통로(25)는, 공기(A)를 직경 방향 외측으로부터 1차 혼합 통로(27)에 도입한다. 도시한 예에서는, 복수의 공기 통로(25)가 형성되어 있다. 도시한 예에서는, 1차 혼합 통로(27)는, 공기 통로(25)로부터 더 내측으로 연장되어 콘 부재(5)의 주위벽(5a)까지 연장되는 통로로서 형성되어 있다. 이하의 설명에서는, 필요에 따라, 본 실시형태의 중공 통형 부재(9)의 측벽(9b)으로부터 콘 부재(5)의 주위벽(5a)까지 연장되어 공기 통로(25) 및 1차 혼합 통로(27)를 형성하는 통로 전체를 「가스 통로(29)」라고 한다.

다른 한편, 중공 통형 부재(9)의 상류측 저벽(9a)에는, 연료 도입 헤더(13)로부터 연료(F)를 1차 혼합 통로(27)에 도입하는 연료 통로(제2 가스 통로)(31)가 형성되어 있다. 이 예에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 연료 통로(31)가, 중공 통형 부재(9)의 상류측 저벽(9a)의 주위 에지를 따라 등간격(等間隔)으로 배치되어 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 연료 통로(31)는 축심 방향 X로 연장되어 있다. 각 연료 통로(31)는, 중공 통형 부재(9)의 상류측 저벽(9a)을 관통하고, 다시 하류측으로 연장되고, 1차 혼합 통로(27)의 상류단에 접속되어 있다. 환언하면, 가스 통로(29)에서의 연료 통로(31)와의 접속 부분보다 상류측이 공기 통로(25)이며, 하류측이 1차 혼합 통로(27)이다. 1차 혼합 통로(27)에 있어서, 연료 도입 헤더(13)로부터 도입된 연료(F)와 공기 도입 헤더(11)로부터 도입된 공기(A)가 혼합된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 콘 부재(5)의 주위벽(5a)에는, 1차 혼합 통로(27)로부터의 혼합기(MG)를 콘 부재(5)의 내측 공간인 혼합실(이하, 「2차 혼합실(33)」이라고 함]에 도입하는 복수의 혼합기 도입공(35)이 형성되어 있다. 즉, 2차 혼합실(33)은, 1차 혼합 통로(27)의 내경측에 위치하는, 원뿔대형의 벽면의 내측에 형성되어 있다. 2차 혼합실(33)에 있어서, 1차 혼합 통로(27)로부터 도입된 혼합기(MG)가 더 혼합된다. 이 예에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 콘 부재(5)의 주위벽(5a)에서의 상이한 복수(이 예에서는 3개)의 축심 방향 X 위치에 있어서, 복수의 혼합기 도입공(35)이 주위 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 동 도면에서는, 지면(紙面) 바로 앞쪽으로부터 안쪽의 축심 방향 X 위치에 배치된 혼합기 도입공(35)을, 상기 순서로, 혼합기 도입공(35A), (35B), (35C)로 하여, 각각 실선, 파선(破線), 1점 쇄선으로 나타내고 있다. 후술하는 가스 통로(29)에 대해서도 마찬가지로 구별하여 나타내고 있다. 또한, 상이한 축심 방향 X 위치 사이에서, 혼합기 도입공(35)의 주위 방향 위치가 편위(偏位)하도록 배치되어 있다.

이와 같이, 상이한 복수(이 예에서는 3개)의 축심 방향 X 위치에 혼합기 도입공(35)을 형성함으로써, 상류측으로부터의 혼합기(MG)에 더 혼합기(MG)가 분사되므로, 혼합이 촉진된다. 또한, 상이한 축심 방향 X 위치 사이에서, 혼합기 도입공(35)의 주위 방향 위치가 편위하도록 배치함으로써, 보다 균일한 혼합을 실현할 수 있다.

복수의 혼합기 도입공(35)은, 각 축심 방향 X 위치에 있어서, 2차 혼합실(33)의 편심 방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 즉, 각각의 혼합기 도입공(35)은, 직경 방향에 대하여 경사진 방향으로 연장되어 있다. 또한, 동일한 축심 방향 X 위치에서의 복수의 혼합기 도입공(35)의 직경 방향에 대한 경사 각도는 동일하다. 복수의 혼합기 도입공(35)이 이와 같이 구성되어 있는 것에 의해, 이들 혼합기 도입공(35)은, 1차 혼합 통로(27)로부터의 혼합기(MG)를, 2차 혼합실(33)에, 2차 혼합실(33)의 편심 방향으로 도입함으로써 혼합기(MG)의 선회류를 생성한다.

본 실시형태에서는, 상세하게는, 각각의 공기 통로(25) 및 1차 혼합 통로(27)를 형성하는 가스 통로(29)는, 콘 부재(5)의 혼합기 도입공(35)에 대응하는 위치 및 각도로 형성되어 있다. 환언하면, 중공 통형 부재(9)에 설치된 공기 통로(25) 및 1차 혼합 통로(27)의 수는, 각각, 혼합기 도입공(35)의 수(이 예에서는 12)와 동일하며, 또한 각 가스 통로(29)는, 콘 부재(5)의 혼합기 도입공(35)과 동일한 축심(혼합기 도입 축심)(C1)을 가지도록 배치되어 있다.

공기 통로(25), 1차 혼합 통로(27) 및 혼합기 도입공(35)을 전술한 구조로 함으로써, 간단한 구조에 의해 효과적으로 2차 혼합실(33)에 있어서 혼합기(MG)의 선회류를 발생시킬 수 있다. 먼저, 하나 이상의 축심 방향 X 위치에 있어서 복수의 혼합기 도입공(35)이 2차 혼합실(33)의 편심 방향으로 연장되도록 설치되어 있으면, 2차 혼합실(33)에 혼합기(MG)의 선회류를 발생시킬 수 있다. 공기 통로(25), 1차 혼합 통로(27) 및 혼합기 도입공(35)의 그 외의 구성은, 도시한 예에 한정되지 않는다.

본 실시형태에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 연료 통로(31)는, 연료(F)를 공기 통로(25)에 교차하는 방향으로 1차 혼합 통로(27)에 도입하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 중공 통형 부재(9)에 설치된 연료 통로(31)의 수는, 공기 통로(25)의 수(이 예에서는 12)와 동일하며, 또한 각 연료 통로(31)는, 그 축심(연료 도입 축심)(C2)이 대응하는 공기 통로(25)의 축심(공기 도입 축심)(C3)과 직교하도록 배치되어 있다.

이와 같이, 각 연료 통로(31)를, 연료(F)를 공기 통로(25)에 교차하는 방향으로 1차 혼합 통로(27)에 도입하도록 구성함으로써, 연료(F)와 공기(A)가 교차할 때의 전단력에 의해, 1차 혼합 통로(27)에서의 제1 단계의 혼합이 촉진된다. 전단력에 의해 연료(F)와 공기(A)와의 혼합을 촉진하기 위해, 연료 도입 축심(C2)과 공기 도입 축심(C3)과의 교차 각도 α는, 이 예와 같이 90°인 것이 바람직하지만, 90°에 한정되지 않는다. 또한, 각 연료 통로(31)가, 연료(F)를 공기 통로(25)에 교차하는 방향으로 1차 혼합 통로(27)에 도입하도록 구성되는 것은 필수가 아니다. 예를 들면, 각 연료 통로(31)를, 공기 통로(25)에, 공기 도입 축심(C3)에 대하여 편심된 방향으로 접속하도록 형성하는 것에 의해, 1차 혼합 통로(27) 내에서 연료(F)의 선회류가 발생하도록 구성해도, 1차 혼합 통로(27)에서의 연료(F)와 공기(A)와의 혼합이 촉진된다.

그리고, 1차 혼합 통로(27)에 대한 연료(F)와 공기(A)의 각각의 도입 경로는 교체해도 된다. 즉, 공기 통로(25)로서 설명한 제1 가스 통로에 연료(F)를 통과시키고, 연료 통로(31)로서 설명한 제2 가스 통로에 공기(A)를 통과시켜도 된다. 이 경우에는, 대응하는 각각의 도입 헤더(11,13), 각각의 도입관(15, 17)에 대해서도 통과시키는 공기(A)와 연료(F)가 바뀐다.

도 2에 나타낸 중공 원뿔대형의 2차 혼합실(33)은, 하류측을 향해 확경되어 있다. 이 경우, 도 5에 변형예로서 나타낸 바와 같이, 2차 혼합실(33)과 동심형으로 배치되고, 2차 혼합실(33)의 최상류부로부터 공기(A)를 2차 혼합실(33) 내로 분사하는 보조 콘 부재(37)가 설치되어 있어도 된다. 보조 콘 부재(37)는, 하류측을 향해 축경으로 되는 중공 원뿔대형으로 형성되어 있다. 보조 콘 부재(37)로부터 분사하는 공기(A)는, 예를 들면, 연료 도입 헤더(13)(도 1)를 관통하는 보조 콘 부재(37)용의 보조 공기 도입 통로(39)를 설치함으로써, 공기 도입 헤더(11)(도 1)로부터 공급된다. 하류측을 향해 확경되는 2차 혼합실(33)에 있어서 선회류를 생성하고, 혼합기(MG)를 2차 혼합실(33)의 벽면을 따라 흐르게 함으로써, 벽면 근방에 있어서 혼합기(MG)의 저속 영역이 형성되지 않게 되므로, 역화의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 보조 콘 부재(37)로부터 공기(A)를 분사함으로써, 2차 혼합실(33)의 중앙 부분으로부터의 역화를 방지할 수 있다.

먼저, 도 6에 다른 변형예로서 나타낸 바와 같이, 2차 혼합실(33)은 하류측을 향해 축경되어 있어도 된다. 이 경우, 혼합기(MG)의 선회류 중의 연료(F)가 외측에 편재하는 것이 억제되어, 보다 균일한 혼합을 실현할 수 있다. 또한, 분사구(3)의 개구 면적을 작게 함으로써, 유속(flow rate)이 커져, 역화 현상의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

그리고, 2차 혼합실(33)을 형성하는 벽면의 형상은, 상기에서 예시한 원뿔 사다리꼴 이외의 회전체 형상이라도 되고, 그 일례로서 원통 형상이라도 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 혼합기(M)를 형성하여 연소 영역(R)에 분사하는 혼합 분사체(7)로서, 콘 부재(5), 중공 통형 부재(9), 및 가스를 통과 및 혼합시키기 위한 각각의 요소(要素; component)[1차 혼합 통로(27), 2차 혼합실(33), 혼합기 도입공(35) 등]를 형성하는 관부재(管部材)를 조합시켜 구성한 예에 대하여 설명하였다. 먼저, 혼합 분사체(7)의 태양(態樣)은 이에 한정되지 않는다. 즉, 혼합 분사체(7)는, 본 실시형태에서 설명한 가스를 통과 및 혼합시키기 위한 각각의 요소를 가지도록 형성되어 있으면 되고, 예를 들면, 단일의 금속제 블록을 깍아내는 것에 의해 각각의 상기 요소를 가지도록 형성된 부재라도 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 혼합 분사체(7)를 복수 설치한 예를 설명하였다. 이와 같이, 혼합 분사체(7)를 복수 설치함으로써, 전체적으로 필요한 양의 연료(F)를 복수의 혼합 분사체(7)[분사구(3)]로부터 분산시켜 분사 가능하므로, 국소적인 고온화가 효과적으로 억제된다. 이로써, NOx의 발생이 억제된다. 혼합 분사체(7)를 복수 설치하는 경우의 수 및 배열 태양은, 상기한 예에 한정되지 않고, 상기 버너 장치(1)가 적용되는 장치의 사양에 따라 적절히 설정된다. 또한, 버너 장치(1)에 1개의 혼합 분사체(7)만을 설치해도 된다.

이상 설명한 본 실시형태에 관한 버너 장치(1)에 의하면, 2종류의 가스를 1차 혼합 통로(27) 및 2차 혼합실(33)에 의해 2 단계에서 혼합함으로써, 예혼합이 촉진되어 균일한 혼합기(MG)의 생성이 가능하게 된다. 이로써, 국소적인 화염의 고온화가 억제되므로, NOx의 발생이 억제된다. 또한, 2차 혼합실(33)에 있어서 선회류를 생성함으로써, 새로운 혼합 촉진이 가능하게 된다.

다음에, 도 7에 나타낸, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 다관식 관류 보일러 장치(이하, 단지 「보일러 장치」라고 함)(51)에 대하여 설명한다. 보일러 장치(51)는, 상기 실시형태에 관한 버너 장치(1)를 구비하고 있다. 보일러 장치(51)는, 또한 환형(이 예에서는 내외 2열의 환형)으로 배열된 다수의 수관으로 이루어지는 수관군(53)을 구비하고 있다. 이들 수관군(53)은, 환형의 상부 헤더(55) 및 하부 헤더(57)에 의해 연통되어 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 인접하는 수관 사이는 연결벽(59)에 의해 연결되어 있다. 수관군(53)과 연결벽(59)에 의해 연소실(61)이 형성되어 있다. 버너 장치(1)는, 연소실(57)에 혼합기(MG)를 분사하도록 배치되어 있다. 즉, 연소실(1)을 형성하는 수관군(53)은, 평면에서 볼 때, 혼합기(MG)를 분사하는 혼합 분사체(7)를 에워싸도록 배치되어 있다. 그리고, 동 도면에서는 외측 열의 수관군은 생략하고 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 버너 장치(1)에 있어서, 혼합 분사체(7)는, 수관군(53)과 동심의 환형으로 배열되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 보다 구체적으로는, 환형으로 배열된 복수의 혼합 분사체(7)가, 동일 방향의 혼합기(MG)의 선회류를 생성하도록 배치되어 있다. 본 실시형태에 관한 보일러 장치(51)에 의하면, 동 도면 등에 나타낸 바와 같이, 연소실(57) 내에 있어서 화염이 큰 선회류(F1)를 발생시켜, 수관군(53)에 효율적으로 화염을 충돌시킬 수 있다. 따라서, 수관군(53)에 대한 전열이 촉진된다.

그리고, 도시한 예에서는, 수관군(53)의 내측에 환형으로 배열한 혼합 분사체(7) 이외에, 이 환형 배열의 중심부에도 혼합 분사체(7)를 배치하고 있다. 중심부에도 혼합 분사체(7)를 배치함으로써, 연소실(57) 내의 화염 분포가 보다 균일화되어, 역화의 발생이 억제된다. 또한, 도시한 환형으로 배열된 혼합 분사체(7)의 내측에, 다시 한겹 또는 다중으로 혼합 분사체(7)를 배열해도 된다.

도 9에, 제 2실시형태에 관한 보일러 장치(51)를 나타낸다. 본 실시형태에서는, 버너 장치(1)에서의 복수의 혼합 분사체(7)의 배열 태양이 제1 실시형태와는 상위하다. 즉, 본 실시형태에서는, 환형으로 배열된 복수의 혼합 분사체(7)가, 인접하는 혼합 분사체(7)가 역방향의 혼합기(MG)의 선회류를 생성하도록 배치되어 있다. 그 외의 구성은 도 8에 나타낸 제1 실시형태에 관한 보일러 장치(51)와 마찬가지이다.

본 실시형태에 관한 보일러 장치(51)에 의하면, 동 도면 등에 나타낸 바와 같이, 인접하는 혼합 분사체(7), (7) 간에 있어서 직경 방향 외측으로의 화염의 흐름(F2)을 발생시켜, 수관(53)에 효율적으로 화염을 충돌시킬 수 있다. 따라서, 수관(53)에 대한 전열이 촉진된다. 그리고, 평면에서 볼 때에 있어서의 수관군(53)과 혼합 분사체(7)의 위치 관계는 도시한 예에 한정되지 않지만, 본 실시형태에 있어서 보다 효율적으로 수관(53)에 효율적으로 화염을 충돌시키기 위해서는, 동 도면 등에 나타낸 바와 같이, 인접하는 혼합 분사체(7, 7) 사이의 주위 방향 위치의 외측에 1개의 수관(53)이 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기한 각각의 실시형태에 관한 보일러 장치(51)로서, 버너 장치(1)의 환형으로 배열된 복수의 혼합 분사체(7)를, 혼합기(MG)의 선회(旋回) 방향이 규칙성을 가지도록 배치한 예를 나타냈으나, 혼합 분사체(7)의 배치 태양은 이들 예에 한정되지 않는다. 즉, 본 실시형태에 관한 버너 장치(1)는, 혼합기(MG)를 수관군(53)과 평행한 방향으로 분사하는 것이 아니라, 혼합기(MG)를 선회류로서 분사하기 때문에, 버너 장치(1)의 혼합 분사체(7)가 수관군(53)과 동심의 환형으로 배열되어 있으면, 콘 부재(5)로부터 분사(噴射)되어 혼합기(MG)에 의해 발생하는 화염이 수관(53)에 충돌하여, 수관군(53)에 대한 전열이 촉진된다는 효과가 얻어진다.

그리고, 본 실시형태에 관한 버너 장치(1)는, 보일러 장치(51)뿐아니라, 전술한 가스 터빈과 같은 다른 종류의 동력 장치에도 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서, 각종 추가, 변경 또는 삭제가 가능하다. 따라서, 그와 같은 것도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

1: 버너 장치
3: 분사구
7: 혼합 분사체
25: 공기 통로(제1 가스 통로)
27: 1차 혼합 통로
31: 연료 통로(제2 가스 통로)
33: 2차 혼합실
35: 혼합기 도입공
51: 보일러 장치
53: 수관군
55: 연결벽
57: 연소실
A: 공기(조연 가스)
F: 연료(연료 가스)
MG: 혼합기
R: 연소 영역

Claims

연료 가스와 조연(助燃; combustion-supporting) 가스와의 혼합기(混合氣)를 연소 영역에 공급하는 버너 장치로서,
연료 가스와 조연 가스가 도입되어 혼합되는 복수의 1차 혼합 통로;
상기 1차 혼합 통로의 내경측(內徑側)에 위치하고, 상기 1차 혼합 통로로부터의 혼합기가 도입되어 더 혼합되는, 회전체 형상의 벽면의 내측에 형성된 2차 혼합실로서, 혼합기를 상기 연소 영역으로 분사하는 분사구를 형성하는 2차 혼합실;
상기 2차 혼합실을 수용하는 중공 통형 부재;
상기 2차 혼합실의 주위벽에 형성되고, 상기 1차 혼합 통로로부터의 혼합기를, 상기 2차 혼합실에, 상기 2차 혼합실의 편심(偏心) 방향으로 도입함으로써 혼합기의 선회류(旋回流)를 생성하는, 복수의 상기 1차 혼합 통로 각각에 대응하는 복수의 혼합기 도입공;
상기 중공 통형 부재의 측벽으로부터 상기 2차 혼합실의 주위벽까지 연장되고, 상기 혼합기 도입공과 동일한 축심을 갖도록 배치된 가스 통로;
상기 가스 통로의 상류측 부분으로서 형성되고, 상기 연료 가스 및 상기 조연 가스 중 하나를 직경 방향 외측으로부터 상기 1차 혼합 통로에 도입하는 제1 가스 통로; 및
상기 가스 통로에 접속되고, 상기 연료 가스 및 상기 조연 가스의 다른 쪽을 상기 제1 가스 통로에 교차하는 방향으로 상기 1차 혼합 통로에 도입하는 제2 가스 통로
을 구비하는 혼합 분사체를 포함하고,
상기 제1 가스 통로는, 상기 가스 통로에 있어서, 상기 제2 가스 통로와의 접속 부분보다 상류측 부분으로서 형성되어 있고,
상기 1차 혼합 통로는, 상기 가스 통로에 있어서, 상기 접속 부분보다 하류측의 부분으로서 형성되어 있고,
상기 제2 가스 통로는, 상기 혼합 분사체의 상류측 저벽으로부터 상기 제1 가스 통로까지, 상기 혼합 분사체의 축심에 평행한 방향으로 직선 형상으로 연장되어, 상기 제1 가스 통로에 접속되어 있는,
버너 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 혼합 분사체를 복수 구비하는, 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차 혼합실이 하류측을 향해 확경(擴徑)되어 있는, 버너 장치.
제4항에 있어서,
상기 2차 혼합실과 동심형으로 배치되고, 상기 2차 혼합실의 최상류부로부터 조연 가스를 상기 2차 혼합실 내로 분사하는 보조 콘 부재를 더 구비하는, 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차 혼합실이 하류측을 향해 축경(縮徑)되어 있는, 버너 장치.
환형(環形)으로 배열된 다수의 수관으로 이루어지는 수관군(水管群);
인접하는 상기 수관 사이를 연결하는 연결벽; 및
상기 수관군 및 상기 연결벽에 의해 형성되는 연소실에 혼합기를 분사하도록 배치된 제3항에 기재된 버너 장치;
를 포함하고
상기 버너 장치의 복수의 상기 혼합 분사체가, 상기 수관군과 동심(同心)의 환형으로 배열되어 있는,
다관식 관류(貫流) 보일러 장치.
제7항에 있어서,
환형으로 배열된 복수의 상기 혼합 분사체가, 동일 방향의 혼합기의 선회류를 생성하도록 배치되어 있는, 다관식 관류 보일러 장치.
제7항에 있어서,
환형으로 배열된 복수의 상기 혼합 분사체가, 인접하는 혼합 분사체가 역방향의 혼합기의 선회류를 생성하도록 배치되어 있는, 다관식 관류 보일러 장치.