KR20080036935A - 분말 고체 연료 버너 - Google Patents

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KR20080036935A
KR20080036935A KR1020070107130A KR20070107130A KR20080036935A KR 20080036935 A KR20080036935 A KR 20080036935A KR 1020070107130 A KR1020070107130 A KR 1020070107130A KR 20070107130 A KR20070107130 A KR 20070107130A KR 20080036935 A KR20080036935 A KR 20080036935A
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마크 다니엘 디애고스티니
프란시스 안소니 밀쎄티크
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

산화제의 제1 스트림을 전달하도록 되어 있는 제1 산화제 도관; 배출구를 구비하며, 제1 산화제 도관을 둘러싸서 전달가스와 고체 연료 입자들의 혼합물을 전달하도록 되어 있는 제1 환형부를 형성하는 고체 연료 도관; 고체 연료 도관을 둘러싸서 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림을 전달하는 제2 환형부를 형성하는 제2 산화제 도관; 및 배출구에 근접한 혼합물을, 희박한 부분의 혼합물 스트림과 농후한 부분의 혼합물 스트림으로 분리하는 분리 수단을 포함하는 버너가 개시된다. 제1 산화제 출구로 배출되는 산화제의 제1 스트림은 연소 중에 희박한 부분의 스트림과 혼합되어, 배출구에 이웃한 내측 연소 영역을 형성하고, 제2 산화제 도관으로 배출되는 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림은 농후한 부분의 스트림과 혼합되어, 외측 연소 영역을 형성한다.
분말 고체 연료 버너, 산화제 도관, 연료 도관, 보조 가스 도관, 스월 발생기

Description

분말 고체 연료 버너{PULVERIZED SOLID FUEL BURNER}
본 발명은, 산소 및 산소가 농후한 공기를 포함하면서도 이들로 한정되지 않는 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 연료 버너 및 연소 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 유리, 세라믹 재료, 금속 등을 위한 산업용 용해로에서 열을 발생시키기 위해 분말 고체 연료를 연소시키기 위한 상기 버너 및 연소 방법에 관한 것이다.
그러나, 본 발명은 상기 산업용 용해로에 사용되는 것으로 한정되지 않는다. 당업자라면, 본 발명의 버너와 연소 방법이 시멘트 킬른 및 증기 발생기를 포함하면서도 이들로 한정되지 않는 다른 다수의 점화 공정 가열 용례에서 사용될 수 있음을 알 것이다.
산소 및/또는 산소가 농후한 공기와 같은 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 상기 연료 버너 및 연소 방법은, 이미 공지되어 있다. 연료와 산소를 공급하기 위한 동심 또는 동축의 통로를 구비한 산소-연료 버너를 비롯하여 다양한 타입의 상기 버너가 상이한 산업(예컨대, 유리 용해)에서 개발되었다. 상기 버너는 미국 특허 제5,104,310호(Saltin), 제5,743,723호(Iatrides, et al.) 및 제 6,685,461호(Rio, et al.)에 기술되어 있다. 다른 상기 버너들은 미국 특허 제3,894,834호(Estes), 제4,797,087호(Gitman), 제4,902,223호(Young), 제4,928,605호(Suwa, et al.), 제6,843,185호(Taylor) 및 미국 특허 출원 공개 제2003/0075843호(Wunsche)에 교시되어 있다.
예를 들면, 미국 특허 제3,894,834호(Estes)에는 화염의 길이를 조절하고 안정성을 유지하기 위해 석탄/공기 버너 내에 축방향으로 위치하는 산소-연료 버너가 기술되어 있다.
미국 특허 제5,743,723호(Iatrides, et al.)에는 80% 이상의 산소를 갖는 산화제 공급원; 산화제 공급원에 연결된 각각의 외측 및 내측 산화제 통로; 2개의 산화제 통로 사이에 배치된 연료 안내 통로; 및 산화제 통로 사이에서 유동을 조절하기 위한 밸브를 포함하는 3-튜브 산소-연료 버너가 개시되어 있다.
미국 특허 제6,685,461호(Rio et al.)에는 미국 특허 제5,743,723호에 개시된 것과 유사한 버너가 개시되어 있으나, 몇 가지 구조적 차이 그리고 작동상의 차이가 있다. 예를 들면, 버너는 버너 퀄(quarl)에 고정되며, 제어 밸브는 2개의 산화제 튜브 사이의 산화제 유동을 조절하기 위해 버너에 수용된다. 산화제의 산소 농도에 대해서는 아무런 제한도 명시되어 있지 않다.
미국 특허 제5,104,310호(Saltin)에는, 각각 산소를 받아들이는 챔버(챔버는 버너의 부품임)에 연결된 중앙의 산소 노즐, 중앙의 산소 노즐로부터 반경방향으로 이격된 하나 이상의 연료 노즐, 및 중앙의 산소 노즐로부터 반경방향으로 [연료 노즐(들)에 비해] 더 멀리에 하나 이상의 주계 산소 노즐을 필요로 하는 여러 구성을 갖는 것인 산소-연료 버너가 개시되어 있다. 여러 가지의 변형은, 연료와 산소를 버너에 공급하는 수단의 일부가 버너에 대한 냉각 재킷이라는 점, 수렴-발산 구조의 주계 산소 노즐(들)을 구비한다는 점, 그리고 연료 노즐은 오직 연료만을 전달한다는 점 (즉, 캐리어 가스가 없다는 점) 중 하나 이상의 특징을 포함한다.
전술한 산소-연료 버너 외에도, 다른 많은 고체 연료 버너가 분탄 및 다른 연료의 연소를 위해 개발되었다. 이러한 버너들은 미국 특허 제4,497,263호(Vatsky, et al.), 제5,090,339호(Okiura, et al.), 제6,715,432호(Tsumura, et al.), 제6,752,620호(Heier, et al.), 제6,889,619호(Okazaki, et al.) 및 일본 특허 제60-194208호(Takayuki Abe)에 기술되어 있다.
또한, 특히 저부하로 작동하는 동안 분탄을 연료로 하는 버너 및 가열로와 함께 사용하기 위한 다양한 장치들이 개발되었다. 예를 들면, 미국 특허 제4,274,343호(Kokkinos)에는 저부하 작동 중에 석탄을 연료로 하는 화염의 점화를 안정화하기 위한 장치가 개시되어 있다. 미국 특허 제4,448,135호(Dougan, et al.) 및 미국 특허 제6,475,267호(Lehn)에는 버너와 함께 사용하기 위한 상이한 타입의 상기 장치들이 개시되어 있다.
전술한 버너와 장치들은 연료 버너 및 고체 연료의 연소 방법에 관한 다양한 문제들을 해결하였다. 그러나, 많은 문제가 남아 있거나, 만족스럽게 해결되지 않았다.
예를 들면, 종래 기술은 강건한 화염 안정성, 향상된 턴다운(turndown), 화염 특성의 조절가능성, 및 매우 다양한 물성을 갖는 고체 연료, 특히 (석유 코크스 를 비롯하여) 휘발성이 큰 고체 연료 및 휘발성이 적은 고체 연료 모두를 연소시키는 능력을 만족스럽게 동시에 달성할 수 있는 고체 연료의 연소를 위한 버너 및 방법을 교시하지 못하였다.
통상적인 고체 연료 버너에서, 특히 턴다운 (즉, 점화 속도가 느린) 조건에서 발생하는 다른 문제에는 버너 화염의 축방향 운동량의 저하, 분명한 화염 구조의 붕괴 및 화염의 길이 감소가 포함된다. 일반적으로, 종래 기술의 버너는 전체 작동 영역에 걸쳐 일정한 (또는 거의 일정한) 화염 길이를 유지하지 못한다.
산소/연료(이른바, 옥시/연료)의 연소 또는 산소가 농후한 공기/연료의 연소가 공기/연료의 연소에 비해 월등한 결과를 제공하는 연료 및/또는 연소 용례가 있다. 종래 기술의 특허[예컨대, 미국 특허 제4,928,605호(Suwa, et al.) 및 미국 특허 제4,902,223호(Young)]는 산소 기반의 고체 연료의 연소에 관한 것인데, 이들 특허는 전술한 문제를 만족스럽게 포괄적으로 해결하지 못하였지만, 또한 산소 기반의 연소의 특수한 난제를 해결하고자 하였다. 이들 난제는, 산소 부화 화염에 의해 형성되는 고온, 및 이들 화염이 버너와 가열로 구성요소에 대해 영향을 주는 잠재적으로 유해한 효과에 국한된 것은 아니지만, 주로 이와 관련된다. 고온의 산소 부화 화염으로부터 버너의 구성요소를 보호하는 것은 종종 수냉각식 재킷의 사용에 의해 달성된다. 상기 재킷은 명목상 많은 경우에 고온으로 인한 손상으로부터 버너의 구성요소들을 보호한다고 하지만, 고온으로 인한 손상의 주요 원인, 즉 유동 분포(다시 말하면, 버너 노즐 내의 유동 프로파일)의 제어 및 반응물의 혼합 방식 중 하나를 완화시키지 못하면서도 작동에 있어서 복잡함을 더하고 추가적인 비용이 소요되게 한다. 고체 연료를 연소시키는 경우에 있어서, 반응물 유동 분포 및 혼합의 부적절한 제어는 고온으로 인한 손상을 유발할 뿐만 아니라, 고체 입자의 충돌 및 이에 따른 버너와 가열로의 구성요소의 부식을 유발한다.
산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 종래 기술의 버너 및 연소 방법과 관련된 이들 문제 및 다른 많은 문제를 고려하여, 종래 기술의 장애, 문제, 한계, 단점 및 결함을 극복하고 더 나은 많은 이로운 결과를 제공하는 버너와 연소 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 보다 효율적인 버너 및 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 강건한 화염 안정성, 강화된 턴다운, 화염 특성의 조절 가능성, 및 매우 다양한 특성을 갖는 고체 연료, 특히 휘발성이 큰 고체 연료 및 휘발성이 작은 고체 연료 모두를 연소시키는 능력을 갖는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서는 다른 방식으로 달성되는 것보다 더 낮은 최고 온도에서 더 길고 느린 혼합 화염을 생성하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서 일반적으로 달성 가능한 것보다 더 넓은 범위의 점화 속도에 걸쳐 효율적으로 작동하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 버너 화염의 축방향 운동량을 증강시키면서, 통상적인 고체 연료 버너 및 연소 방법을 사용하는 경우에 발생하는 분명한 화염 구조의 붕괴를 방지하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 감소된 부하에서 버너 화염의 길이를 쉽게 증가시키고 이에 따라 전체 작동 영역에 걸쳐 거의 일정한 화염 길이를 유지하는 수단을 제공하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 석유 코크스와 같이 휘발성이 적은 고체 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 반응물의 혼합 특성을 제어함으로써 화염 특성을 조절할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 산소 부화 또는 산소-연료 연소를 유지할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 종래 기술의 버너 및 연소 방법과 관련된 이들 문제 및 다른 많은 문제를 고려하여, 종래 기술의 장애, 문제, 한계, 단점 및 결함을 극복하고 더 나은 많은 이로운 결과를 제공하는 버너와 연소 방법을 제공하고, 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 보다 효율적인 버너 및 연소 방법을 제공하며, 강건한 화염 안정성, 강화된 턴다운, 화염 특성의 조절 가능성, 및 매우 다양한 특성을 갖는 고체 연료, 특히 휘발성이 큰 고체 연료 및 휘발성이 작은 고체 연료 모두를 연소시키는 능력을 갖는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서는 다른 방식으로 달성되는 것보다 더 낮은 정점 온도에서 더 길고 느린 혼합 화염을 생성하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서 일반적으로 달성 가능한 것보다 더 넓은 범위의 점화 속도에 걸쳐 효율적으로 작동하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 버너 화염의 축방향 운동량을 증강시키면서, 통상적인 고체 연료 버너 및 연소 방법을 사용하는 경우에 발생하는 분명한 화염 구조의 붕괴를 방지하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 감소된 부하에서 버너 화염의 길이를 쉽게 증가시키고 이에 따라 전체 작동 영역에 걸쳐 거의 일정한 화염 길이를 유지하는 수단을 제공하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 석유 코크스와 같이 휘발성이 적은 고체 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 반응물의 혼합 특성 을 제어함으로써 화염 특성을 조절할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 산소 부화 또는 산소-연료 연소를 유지할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고체 연료 버너 및 고체 연료를 연소시키기 위한 연소 방법을 포함한다. 버너와 연소 방법에 관한 다수의 실시예뿐만 아니라 이들 실시예의 다수의 변형이 존재한다.
고체 연료를 연소시키기 위한 버너의 제1 실시예에서는 다수의 요소들이 존재한다. 제1 요소는, 제1 종축, 제1 산화제 입구 및 이 제1 산화제 입구로부터 이격된 제1 산화제 출구를 구비하는 제1 산화제 도관이다. 제1 산화제 도관은, 제1 산화제 입구로 유입되며 제1 산화제 출구로 배출되는 산화제의 제1 스트림을 제1 유량으로 전달하도록 되어 있고, 이 산화제는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는다.
제2 요소는, 제1 종축에 실질적으로 평행한 제2 종축, 흡입구 및 이 흡입구로부터 이격된 배출구를 구비하는 고체 연료 도관이다. 고체 연료 도관은 제1 산화제 도관을 둘러싸서 제1 산화제 도관과 고체 연료 도관 사이에 제1 환형부를 형성한다. 제1 환형부는, 흡입구로 유입되고 배출구로 배출되는 전달 가스와 복수의 고체 연료 입자의 혼합물을 전달하도록 되어 있다.
제3 요소는, 제2 종축에 실질적으로 평행한 제3 종축, 제2 산화제 입구 및 이 제2 산화제 입구로부터 이격된 제2 산화제 출구를 구비하는 제2 산화제 도관이 다. 제2 산화제 도관은 고체 연료 도관을 둘러싸서 고체 연료 도관과 제2 산화제 도관 사이에 제2 환형부를 형성한다. 제2 환형부는 상기 산화제 또는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 다른 산화제의 제2 스트림을 제2 유량으로 전달하도록 되어 있으며, 상기 제2 스트림은 제2 산화제 입구로 유입되고 제2 산화제 출구로 배출된다.
제4 요소는, 배출구에 근접한 혼합물을, 제1 산화제 도관에 이웃한 희박한 부분의 혼합물 스트림과 고체 연료 도관에 이웃한 농후한 부분의 혼합물 스트림으로 분리하기 위한 수단이다. 농후한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제1 질량비를 가지며, 희박한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제2 질량비를 가지는데, 제2 질량비는 제1 질량비보다 크다.
제1 산화제 출구로 배출되는 상기 산화제의 제1 스트림의 적어도 일부는 연소 중에 희박한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 혼합되어, 배출구에 이웃한 내측 연소 영역을 형성한다. 제2 산화제 출구로 배출되는 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림의 적어도 일부는 연소 중에 농후한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 혼합되어, 내측 연소 영역 근처에 외측 연소 영역을 형성한다.
버너의 제1 실시예에 대한 많은 변형이 존재한다. 한 가지 변형에서는, 제1 유량과 제2 유량 중 적어도 하나가 가변적이다. 다른 한 가지 변형에서는, 제2 산화제 도관과 고체 연료 도관이 실질적으로 동축이다. 또 다른 한 가지 변형에서는, 제1 산화제 도관, 고체 연료 도관 및 제2 산화제 도관 중 2개 이상이 동축이다.
다른 한 가지 변형에서, 혼합물을 분리하는 수단은, 배출구에 근접하게 제1 환형부에 배치된 스월 발생기 및 이 스월 발생기와 배출구 사이의 위치에서 스월 발생기로부터 소정 거리만큼 떨어져 제1 환형부에 배치된 선회류 출구를 포함하고, 선회류 출구는 제1 환형부의 제1 수력 반경보다 작은 수력 반경을 갖는다.
본 발명에 대한 여러 가지 변형이 존재한다. 한 가지 변형에서는, 혼합물의 분리가, 선회류 출구의 수력 반경 및 스월 발생기로부터 선회류 출구까지의 거리 중 적어도 하나를 증가시키거나 감소시킴으로써 조절된다. 다른 한 가지 변형에서는, 희박한 부분의 스트림과 농후한 부분의 스트림 중 적어도 하나와 접촉하도록 되어 있는 스월 베인 또는 일자형 베인 중 어느 하나가 선회류 출구에 마련된다. 또한, 다른 한 가지 변형에서는, 고체 연료 도관의 배출구 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분이 노즐 선단부 프로파일을 형성하며, 노즐 선단부 프로파일은 배출구의 외측 발산 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분의 내측 수렴 중 적어도 하나에 의해 바뀌게 된다.
다른 한 가지 변형에서는, 배출구 및 제1 산화제 출구 양자 모두가 실질적으로 서로 평행하며, 배출구에서 제2 종축에 실질적으로 수직하고 제1 산화제 출구에서 제1 종축에 실질적으로 수직한 제1 평면 상에 실질적으로 존재하고, 산화제의 제1 스트림의 일부는 제1 평면 부근에서 혼합물 중 희박한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉한다. 이러한 변형의 추가적인 변형에 있어서, 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 일부는, 제1 평면으로부터 이격되어 있는 다른 평면 부근에서 혼합물 중 농후한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉한다.
버너의 제2 실시예는 버너의 제1 실시예와 유사하지만, 제1 산화제 도관에 배치된 스월러를 더 포함한다.
버너의 제3 실시예는 버너의 제1 실시예와 유사하지만, 제3 종축에 실질적으로 평행한 제4 종축, 보조 가스 입구 및 이 보조 가스 입구로부터 이격된 보조 가스 출구를 갖춘 보조 가스 도관을 더 포함한다. 보조 가스 도관은 제2 산화제 도관을 둘러싸서 제2 산화제 도관과 보조 가스 도관 사이에 제3 환형부를 형성한다. 제3 환형부는, 보조 가스 입구로 유입되고 보조 가스 출구로 배출되는 보조 가스의 스트림을 제3 유량으로 전달하도록 되어 있다.
고체 연료를 연소시키는 방법의 제1 실시예에는 여러 가지 단계들이 있다. 제1 단계는 제1 종축, 제1 산화제 입구 및 이 제1 산화제 입구로부터 이격된 제1 산화제 출구를 갖춘 제1 산화제 도관을 제공하는 것이다. 제2 단계는, 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 가지며 제1 산화제 입구로 유입되고 제1 산화제 출구로 배출되는 산화제의 제1 스트림을 제1 산화제 도관을 통해 제1 유량으로 전달하는 것이다. 제3 단계는, 제1 종축에 실질적으로 평행한 제2 종축, 흡입구 및 이 흡입구로부터 이격된 배출구를 갖추고, 제1 산화제 도관과 고체 연료 도관 사이에 제1 환형부를 형성하는 고체 연료 도관을 제공하는 것이다. 제4 단계는, 흡입구로 유입되고 배출구로 배출되는 전달 가스와 복수의 고체 연료 입자의 혼합물을 제1 환형부를 통해 전달하는 것이다. 제5 단계는, 제2 종축에 실질적으로 평행한 제3 종축, 제2 산화제 입구 및 이 제2 산화제 입구로부터 이격된 제2 산화제 출구를 갖춘 제2 산화제 도관을 제공하는 것이며, 제2 산화제 도관은 고체 연료 도관을 둘러 싸서 고체 연료 도관과 제2 산화제 도관 사이에 제2 환형부를 형성한다. 제6 단계는, 제2 산화제 입구로 유입되고 제2 산화제 출구로 배출되는, 상기 산화제 또는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 다른 산화제의 제2 스트림을 제2 환형부를 통해 제2 유량으로 전달하는 것이다. 제7 단계는, 배출구에 근접한 혼합물을 제1 산화제 도관에 이웃하는 혼합물의 희박한 부분의 스트림과 고체 연료 도관에 이웃하는 혼합물의 농후한 부분의 스트림으로 분리하는 것이며, 농후한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제1 질량비를 가지고, 희박한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제2 질량비를 가지며, 제2 질량비는 제1 질량비보다 크다. 제8 단계는 희박한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 함께 산화제의 제1 스트림의 적어도 일부를 연소시켜 배출구에 이웃한 내측 연소 영역을 형성하는 것이다. 제9 단계는 농후한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 함께 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 적어도 일부를 연소시켜 내측 연소 영역 가까이에 외측 연소 영역을 형성하는 것이다.
고체 연료를 연소시키는 방법의 제1 실시예에는 많은 변형이 있다. 한 가지 변형에서는, 제1 유량과 제2 유량 중 적어도 하나가 가변적이다. 다른 한 가지 변형에서는, 제2 산화제 도관 및 고체 연료 도관이 실질적으로 동축이다. 또한 다른 한 가지 변형에서는, 제1 산화제 도관, 고체 연료 도관 및 제2 산화제 도관 중 2개 이상이 동축이다. 또한 다른 한 가지 변형에서는, 스월러가 제1 산화제 도관에 배치된다.
다른 한 가지 변형에서, 스월 발생기는 배출구에 가장 근접한 제1 환형부에 배치되며 선회류 출구는 스월 발생기로부터 소정 거리에 있는 제1 환형부에, 스월 발생기와 배출구 사이의 위치에 배치되고, 선회류 출구의 수력 반경은 제1 환형부의 수력 반경보다 작다. 이러한 변형의 추가적인 변형에 있어서, 혼합물의 분리는, 선회류 출구의 수력 반경 및 스월 발생기로부터 선회류 출구까지의 거리 중 적어도 하나를 증가시키거나 감소시킴으로써 조절된다. 다른 한 가지 변형에서는, 선회류 출구가 스월 베인이나 일자형 베인 중 하나를 구비하여 희박한 부분의 스트림과 농후한 부분의 스트림 중 적어도 하나와 접촉하도록 되어 있다. 또 다른 한 가지 변형에서는, 고체 연료 도관의 배출구 및 이 배출구에 근접한 선회류 출구의 일부가 노즐 선단부 프로파일을 형성하며, 노즐 선단부 프로파일은 배출구의 외측 발산 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분의 내측 수렴 중 적어도 하나에 의해 바뀌게 된다.
고체 연료를 연소시키는 방법의 다른 한 가지 변형에 있어서, 배출구와 제1 산화제 출구 양자 모두는 서로 실질적으로 평행이며, 배출구에서의 제2 종축과 제1 산화제 출구에서의 제1 종축 양자 모두에 실질적으로 수직인 제1 평면 상에 실질적으로 존재한다. 이러한 변형의 추가적인 변형에 있어서, 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 일부는, 제1 평면으로부터 이격된 다른 평면 부근에서 혼합물 중 농후한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉한다.
고체 연료를 연소시키는 방법의 제2 실시예는 제1 실시예와 유사하지만 2가지 단계를 더 포함한다. 추가적인 제1 단계는 제3 종축에 실질적으로 평행인 제4 종축, 보조 가스 입구, 및 이 보조 가스 입구로부터 이격된 보조 가스 출구를 갖춘 보조 가스 도관을 제공하는 것이며, 보조 가스 도관은 제2 산화제 도관을 둘러싸서 제2 산화제 도관과 보조 가스 도관 사이에 제3 환형부를 형성한다. 추가적인 제2 단계는, 보조 가스 입구로 유입되고 보조 가스 출구로 배출되는 보조 가스 스트림을 제3 환형부를 통해 제3 유량으로 전달하는 것이다.
본 발명에 따르면, 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 종래 기술의 버너 및 연소 방법과 관련된 이들 문제 및 다른 많은 문제를 고려하여, 종래 기술의 장애, 문제, 한계, 단점 및 결함을 극복하고 더 나은 많은 이로운 결과를 제공하는 버너와 연소 방법을 제공하고, 산화제와 함께 고체 연료를 연소시키기 위한 보다 효율적인 버너 및 연소 방법을 제공하며, 강건한 화염 안정성, 강화된 턴다운, 화염 특성의 조절 가능성, 및 매우 다양한 특성을 갖는 고체 연료, 특히 휘발성이 큰 고체 연료 및 휘발성이 작은 고체 연료 모두를 연소시키는 능력을 갖는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서는 다른 방식으로 달성되는 것보다 더 낮은 정점 온도에서 더 길고 느린 혼합 화염을 생성하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 종래 기술의 버너와 연소 방법에서 일반적으로 달성 가능한 것보다 더 넓은 범위의 점화 속도에 걸쳐 효율적으로 작동하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 버너 화염의 축방향 운동량을 증강시키면서, 통상적인 고체 연료 버너 및 연소 방법을 사용하는 경우에 발생하는 분명한 화염 구조의 붕괴를 방지하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 감소된 부하에서 버너 화염의 길이를 쉽게 증가시키고 이에 따라 전체 작동 영역에 걸쳐 거의 일정한 화염 길이를 유지하는 수단을 제공하는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 석유 코크스와 같이 휘발성이 적은 고체 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하며, 반응물의 혼합 특성을 제어함으로써 화염 특성을 조절할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공하고, 산소 부화 또는 산소-연료 연소를 유지할 수 있는 버너 및 고체 연료의 연소 방법을 제공할 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 예로서 본 발명을 설명할 것이다.
본 발명은 산화제를 이용하여 고체 연료를 연소시키기 위한 버너와 연소 방법을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "고체 연료"라는 용어는 연소 목적에 적합한 임의의 고체 연료를 지칭한다. 분탄 버너에 기초하여 본 발명을 기술하고 있지만, 다양한 타입의 석탄 및 다른 고체 연료가 본 발명의 버너 및 연소 방법과 함께 사용될 수 있다.
예를 들면, 본 발명은, 무연탄, 역청탄, 아역청탄 및 갈탄; 타르; 역청; 석유 코크스; 제지 슬러지 고형물 및 하수 슬러지 고형물; 목재; 토탄; 목초; 그리고 이들 연료 모두의 조합물과 혼합물을 포함하면서도 이들로 한정되지 않는 것인 다양한 타입의 탄소계열 연료와 함께 사용될 수 있다.
본 발명에 사용된 바와 같이, "산화제"라는 용어는 산소, 산소가 농후한 공기, 또는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 임의의 다른 적절한 산화제를 지칭한다. 가능한 산화제 중 하나는 극저온 공기 분리 설비, 멤브레인 또는 흡착 공정에 의해 생성되는 입수 가능한 순수한 산소이다. 상기 산화제의 산소 농도는 일반적으로 90 체적%를 초과한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "보조 가스"라는 용어는 본 발명의 구체적인 실시예에 사용된 제1 산화제 또는 제2 산화제 중 하나의 산소 농도와는 상이한 산소 농도를 갖는 기체 혹은 기체의 혼합물(예컨대, 공기, 질소, 산소, 또는 재순환된 연소 생성물)이다.
도 1 및 도 2에 도시된 산소가 농후한 분말 고체 연료 버너(10)는 턴다운 및 화염 안정성을 개선하며, 특히 휘발성이 작은 고체 연료에 대해 화염 온도, 화염 길이, 화염 형상의 제어를 개선시킨다. 버너는 3개의 통로-내측 산화제 통로(12), 환형의 고체 연료/전달 가스 통로(16)를 둘러싸는 환형의 산화제 통로(14)-를 포함한다. 선택적인 외측 환형 통로(18)는 보조 가스를 위해 사용될 수 있다. 내측 및 외측 산화제 유동의 조절, 반응물 유동 프로파일의 제어, 및 반응물 속도의 조절을 통해 통상적인 고체 연료 버너 기술에 비해 향상된 성능을 얻을 수 있다.
도 1을 참조하면, 산화제 스트림(20)은 내측 산화제 통로(12)의 입구(22)로 유입되어 상기 통로의 출구(24)로 전달된다. 산화제의 다른 스트림(또는 다른 산화제)(26)은 환형 산화제 통로(14)의 입구(28)로 유입되어 상기 통로의 출구(30)로 전달된다. 선택적인 보조 가스 스트림(32)은 선택적인 외측 환형 통로(18)의 입구(34)로부터 상기 통로의 출구(36)로 전달될 수 있다. 전달 가스(예컨대, 공기, 질소, 재순환된 연소 생성물, 천연 가스, 산소가 농후한 공기)와 고체 연료(예컨대, 분탄)의 혼합물 스트림(38)은 환형의 고체 연료/전달 가스 통로(16)의 흡입 구(40)로 유입되어 상기 통로의 배출구(42)로 전달된다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 고체 연료 분류기(stratifier; 44) 및 분리기(46)는 환형인 고체 연료/전달 가스 통로(16)에 배치된다. 고체 연료 분류기 및 분리기(separator)를 조합하면 연료와 전달 가스의 혼합물을 구분되는 특성을 갖는 2개의 스트림으로 나눌 수 있다.
당업자라면, 분류 및 분리 공정을 수행하는 다양한 장치 및 방법[이하에서는분류와 분리를 함께 분리라 함]이 있다는 것을 알 것이다. 본 명세서에서 설명하는 일실시예에서는 고체 연료 분류기(44)로서 스월 발생기를, 분리기(separator)(46)로서 선회류 출구를 사용한다. 스월 발생기는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 원심력을 이용하여 고체 연료/전달 가스 스트림을 외측의 농후한 부분의 스트림(48)과 내측의 희박한 부분의 스트림(50)으로 분류한다. 희박한 부분의 스트림에서의 전달 가스에 대한 고체 연료의 질량비는, 농후한 부분의 스트림에서의 전달 가스에 대한 고체 연료의 질량비보다 작다. 원심력은 또한 입자 크기에 따라 분류에 영향을 미치므로, 농후한 부분의 스트림은 일반적으로 희박한 부분의 스트림보다는 더 많은 비율의 조립질 입자를 포함한다.
이러한 형태로 분리하는 것의 한 가지 장점은, 전달 가스 내에 충분하게 존재했다면 국부적으로 이용가능한 열 에너지의 대부분을 흡수하였을 외측의 농후한 부분의 스트림이 전달 가스 내에 불충분하게 존재하기 때문에, 외측의 농후한 부분의 스트림(48)은 보다 빠르게 가열된다는 점이다. 따라서, 고체 연료에 존재하는 휘발성 화학종은 스트림이 더 희석되어있는 경우에서보다 더 빠른 속도로 배출되어 더 신속하게 연소된다. 따라서, 버너 화염은 버너 선단부에 더 가까운 위치에서 자연 발화되며, 버너(10)가 이러한 분리 능력을 갖추지 못한 경우보다 본래 더 안정적이다. 다시 말하면, 버너 화염 전면은 버너 출구면에 더 가깝게 형성되며, 연소 과정의 섭동에 의해 불안정해지거나 꺼질 가능성이 더 적게 된다. 또한, 휘발성 물질은 버너 선단부에 대해 더 가까이에서 연소되기 때문에, 국부적인 가스 환경에서는 휘발성 물질의 연소가 지연되는 경우에서보다 연료가 농후하다. 이는 비분리 스트림에 비해 NOx 배출이 줄어들 수 있도록 한다.
일반적으로 농후한 부분의 스트림(48)에 존재하는 것보다 체적에 대한 표면적의 비가 큰, 더 미세한 고체 입자를 포함하는 희박한 부분의 스트림(50)은 내측 산화제 스트림(20)에 이웃하여 버너(10)를 빠져나간다. 희박한 부분의 스트림의 연소는, 단위 체적당 큰 표면적을 갖는 미세한 고체 입자 및 산소가 농후한 내측 산화제 스트림의 향상된 산화 능력에 의해 가속된다. 희박한 부분의 스트림의 연소 생성물은 이에 따라 농후한 부분의 스트림을 점화하고 안정화하는 데 추가적으로 도움이 되는 화학적으로 활성인 화학종(라디칼) 및 열 에너지에 기여한다.
외측의 농후한 부분의 스트림(48) 및 내측의 희박한 부분의 스트림(50)에서의 고체 입자의 분리 특성은, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 선회류 출구[분리기(46)]의 크기 및/또는 반경방향 위치를 바꿈으로써 변할 수 있다. 설명을 목적으로, 도 4a는 선회류 출구가 특정 수력 반경을 갖는 기본적인 경우를 도시하며, 농후한 부분의 스트림(48) 및 희박한 부분의 스트림(50) 각각에 있어서 전달 가스에 대한 고체 입자의 질량 유량비는 기본적인 경우에 있어서 이들 스트림의 상대적 인 음영차로 표시된다(음영이 더 어두운 것은 전달 가스에 대한 고체 입자의 질량 유량비가 더 크다는 것을 의미함). 도 4b에 도시된 실시예에 있어서, 선회류 출구는 상기 기본적인 경우에 비해 더 큰 수력 반경을 갖는다. 이 도면에는 농후한 부분의 스트림(48)에서의 전달 가스에 대한 고체 입자의 질량 유량비가 [기본적인 경우에 있어서 농후한 부분의 스트림(48)에 비해] 더 큰 것을 더 어두운 음영으로 표시하는 반면, 도 4b의 희박한 부분의 스트림(50)은 또한 기본적인 경우에서의 희박한 부분의 스트림보다는 더 어두운 음영을 갖는다.
본 명세서에서 사용된 "수력 반경"이라는 용어는 선회류 출구의 주계에 대한 선회류 출구의 경계 내부의 단면적의 비율의 2배에 해당한다. 당업자라면, 분리 장치(이 경우에는 선회류 출구)가, 원형, 타원형, 다각형, 또는 불규칙한 형상 또는 이들의 조합을 포함하면서도 이들에 한정되지 않는 다양한 단면 형상을 취할 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 전달 가스에 대한 고체 입자의 질량 유량비는 분류 및 분리 장치들(도 5a 참조) 사이의 축방향 분리 거리(d)의 변화를 통해서도 조절될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 고체 연료와 전달 가스의 혼합물 스트림(38)(도 1 참조)의 공기역학적 특성은 선회류 출구[분리기(46)]에 스월 베인(52) 또는 일자형 베인(54)과 같은 장치를 사용하여 변화시킬 수 있다. 도 5a는 스월 베인을 구비한 선회류 출구를 도시하고 있는 반면, 도 5b는 일자형 베인을 구비한 선회류 출구를 도시하고 있다. 스월 베인은 연료와 산화제 사이의 혼합 속도를 증가시키도록 작용하므로 화염이 짧아지게 하는 반면, 일자형 베인은 고체 연료/전달 가스 스트림의 유선을 따르므로 혼합 속도를 느리게 하고 최고 온도를 낮추며 화염이 길어지게 한다. 베인 또는 유사한 장치는, 고체 연료/전달 가스 혼합물의 희박한 부분의 스트림(50) 또는 농후한 부분의 스트림(48) 중 어느 하나 혹은 양자 모두에 대한 유동 변환기(flow modifier)로서 작용할 수 있으므로, 반응물의 혼합물 조절하여 요구되는 화염 특성에 맞추도록 한다.
2개의 스트림[농후한 부분의 스트림(48) 및 희박한 부분의 스트림(50)]의 유동 및 혼합 특성은 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 버너(10)의 노즐 선단부에 대한 프로파일 변경에 의해 바뀔 수 있다. 도 6a는 내측으로 수렴하는 선회류 출구 선단부(60)를 도시하고 있으며, 이는 희박한 부분의 스트림(50)이 내측의 산화제와 버너 노즐 출구에서 보다 신속하게 혼합되도록 한다. 도 6b는 외측으로 발산하는 고체 연료 노즐(62)을 도시하고 있으며, 이는 버너 노즐을 빠져나오는 농후한 부분의 스트림(48)이 반경방향으로 팽창하도록 하고, 결과적으로 버너 노즐 출구의 하류에서 역류 또는 재순환 유동의 중앙의 압력이 낮아지도록 한다. 이러한 타입의 유동은 화염의 안정성을 촉진하는 데 이롭다. 도 6a 및 도 6b의 특징은 조합될 수 있으며, 그 결과로 노즐 선단부는 내측으로 수렴하는 선회류 출구 선단부와 외측으로 발산하는 고체 연료 노즐을 갖게 된다. 당업자라면, 유동 및 혼합 특성은 또한, 다양한 반응물 스트림의 출구면의 상대적인 축방향 위치를 조절함으로써 바뀔 수 있다는 것을 알 것이다.
본 발명의 중요한 장점은 내측 산화제 스트림과 외측 산화제 스트림을 각각 희박한 부분의 스트림과 농후한 부분의 스트림과 혼합함으로써 2개의 구분되는 연 소 영역을 형성할 수 있다는 것이다. 도 7은, 내측의 희박한 부분의 스트림(50)이 반경방향 내측으로 내측의 산화제 스트림(20)을 향하게 유도함으로써 이러한 장점을 달성하는, 본 발명의 실시예를 도시한다. 비교적 작고 안정적인 내측 화염(64)은 이에 따라 버너 노즐 출구에 이웃하여 형성된다. 또한, 농후한 부분의 스트림(48), 외측 산화제 스트림(26) 및 재순환된 연소 생성물(66)로 주로 이루어지는 외측 화염(65)이 생성된다. 역류(68) 영역이 형성되도록 하는 외측 화염에 스월이 부여된다. 이러한 역류 영역으로부터의 재순환 물질(66)은 직접적으로 내측 화염(64)과 상호작용하여, 재순환된 물질이 가열되거나 및/또는 점화되도록 한다. 이렇게 가열되면서 (또는 점화되면서) 재순환된 물질은 이후, 상기 물질의 열 에너지 및/또는 점화원을 외측 화염에 가하면서 다시 한번 방향을 전환하게 되므로, 추가로 외측 화염으로부터의 휘발성 화학종의 방출 속도 및 연소 속도를 증가시키고, 화염 안정성을 개선하며 NOx 배출을 감소시킨다. 또한, 연료가 농후한 부분의 스트림(48)의 외측 경계는 산소가 농후한 외측 산화제 스트림(26)과의 상호작용을 통해 이익을 얻게 된다. 이러한 경계에서의 가열의 가속은 또한 안정성을 개선하는 반면, 외측 화염으로부터의 복사열을 증가시키며 탄소 동반배출을 감소시킨다. 당업자라면, 본 발명을 이용하여 반응물 스트림을 혼합하는 다른 방법이 있을 수 있음을 알 수 있으며, 각각은 그에 따른 이익을 얻을 수 있다.
본 발명의 중요한 특징은, 고체 연료/전달 가스 스트림(38)이 상이한 2가지 반경으로 2개의 경계면에서 2가지 산화제 스트림(20, 26)과 접촉한다는 점이다. 이는 연료/전달 가스와 산화제 사이의 접촉 표면적을 증가시키는 반면, 또한 산화 제와 연료가 상호 확산되는 연료/전달 가스 스트림의 유효 두께를 감소시킨다. 이는, 연료와 산화제가 오직 하나의 경계만을 공유하는 종래의 버너에 비해 연료의 반응을 가속시킨다.
이러한 구성의 추가적인 장점은, 산화제 스트림(20, 26)의 유량 및 속도를 변화시킬 수 있는 능력 및 이에 따라 연료/전달 가스 스트림(38)의 내측 경계 및 외측 경계 모두에서의 전단력을 제어할 수 있는 능력에 있다. 따라서, 예컨대 휘발성이 작은 고체 연료가 선택되거나 비교적 짧은 화염이 요구되는 경우에는, 이에 따라 버너 노즐 출구에서의 내측 및 외측 산화제 스트림(20, 26)의 속도가 희박한 부분의 스트림(50)과 농후한 부분의 스트림(48)의 속도와는 상이하게 되도록 설계된다. 특히, 외측 산화제 스트림(26)의 속도가 농후한 부분의 스트림(50)의 속도보다 실질적으로 큰 경우, 그리고 내측 산화제 스트림(20)의 속도가 희박한 부분의 스트림(48)의 속도보다 실질적으로 작은 경우, 전단 속도는 비교적 빠르게 되어 빠른 혼합 및 축방향 운동량의 소산을 촉진시키고, 그 결과 상대적으로 짧고 안정적인 화염이 생성된다. 반대로, 휘발성이 큰 고체 연료가 선택되거나 상대적으로 온도가 낮은 긴 화염이 요구되는 경우에는, 버너 노즐 출구에서의 산화제 스트림과 연료 스트림의 속도는 대략 같은 크기로 유지되므로, 전단 속도가 최소화되고 축방향 운동량의 소산 속도 및 반응물의 혼합 속도가 느려진다.
다수의 종래 기술의 고체 연료 버너가 갖는 잘 알려진 한 가지 한계점은 연료의 점화 속도가 좁은 범위에 있다는 것이다. 일반적으로 턴다운 조건에서 고체 연료/전달 가스 스트림의 축방향 운동량이 줄어들기 때문에 이러한 현상이 발생한 다. 도 8에 도시된 바와 같이, 버너 노출 출구면(72)에 비교적 가까운 위치에서 화염 구조가 결과적으로 붕괴됨에 따라 화염(70)은 처지게 되는 경향이 있다. 반면에 도 9에 도시된 바와 같이 스월(74)이 분말 연료/전달 가스 스트림에 가해지면 분명한 화염 구조를 유지할 수 있고, 이 때문에 화염(76)이 짧아지면서 넓어지는 부가적인 효과를 갖는데, 항상 바람직한 것은 아니다.
본 발명은 내측 산화제 통로(12)를 향하는 유동을 증가시켜 화염의 운동량을 증가시킴으로써 턴다운에서 분명한 화염 구조를 유지한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 분말 고체 연료(78)는 운동량이 큰 중앙의 산화제 제트(80) 내부에 비말 동반된다. 이러한 작용은 버너의 화염 구조를 강화하므로, 부력에 의해 유도되는 왜곡에 굴복하는 일 없이 더 큰 화염이 공정 가열 영역으로 침투할 수 있도록 하며, 이는 본래 난류 연소 환경에서는 제어하기가 어렵다. 본 발명의 이러한 양태는 특히, 화염의 형상, 길이 또는 궤적에 대해 제어하지 못하면 공정 안전성 또는 효율에 해로운 용례에서 중요하다.
당업자라면, 내측 산화제 통로(12)와 환형 산화제 통로(14) 사이에서의 산화제 유량의 분기는 다양한 방법으로 변화될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 유동을 2개의 통로로 바꾸기 위해 밸브(들)가 사용될 수 있다. 한 가지 다른 방법은 자동식 유동 제어기와, 2개의 통로에 산화제(들)를 독립적으로 공급하도록 제어되는 2개의 계측 라인을 이용하는 것이다.
고체 연료 특성 및 공정 제한요소에 따라, 몇몇 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 내측 산화제 통로(12)에 스월 생성기(84)[또는 스월러(swirler)]를 사용함 으로써 화염 안정성을 추가적으로 향상시키는 것이 바람직하다. 이러한 내측 산화제 스월러(84)를 사용하는 경우, 내측 산화제 스월러는 버너의 축선을 따라 작은 재순환 영역을 생성하는데, 재순환 영역은, 그 크기와 위치에 따라 분말 고체 연료의 비말 동반 및 재순환을 촉진함으로써, 그리고 버너 노즐 출구에 바로 인접한 하류에 있어서 체류 시간 및 열 방출을 증가시킴으로써 화염의 고정을 돕는다.
본 발명은, 고체 연료/전달 가스 혼합물의 스트림을 버너 노즐로부터 배출하기에 앞서 이 스트림을 분리하고, 입자 가열 속도 및 액화 속도를 증가시키며, 산화제 스트림으로 양쪽에서 고체 연료/전달 가스 혼합물의 스트림을 둘러쌈으로써 버너 화염 안정성을 향상시킨다. 또한, 외측과 내측 산화제 통로에 대한 산화제 유동의 비율을 제어하면서 변화시킴으로써 버너의 턴다운 범위는 확대된다. 따라서, 턴다운 (즉, 점화 속도가 느려지는) 조건에서 외측 산화제에 대한 내측 산화제의 비율이 커지므로, 버너 화염의 축방향 운동량이 커지게 되고 통상적인 고체 연료 버너 기술을 이용할 때 발생하는 분명한 화염 구조의 붕괴를 방지하게 된다. 동일한 메커니즘에 의해, 본 발명은 또한 감소된 부하에서 화염이 쉽게 길어지도록 한다. 따라서, 본 발명은 작동 범위에 걸쳐 거의 일정한 화염 길이를 유지하기 위한 수단을 제공한다.
본 명세서에서는 특정한 구체적인 실시예를 참조하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 전술한 내용으로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 청구범위의 등가물의 범위 및 범주 내에서 세부적으로 다양한 변형이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 개략적인 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서 고체 연료 스월 발생기 및 선회류 출구를 이용한 예를 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 반경이 다른 상이한 선회류 출구를 사용하는 본 발명의 몇 가지 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 5a는 스월 베인를 갖춘 선회류 출구를 이용하는 본 발명의 일실시예의 개략적인 측면도이다.
도 5b는 일자형 베인를 갖춘 선회류 출구를 이용하는 본 발명의 일실시예의 개략적인 측면도이다.
도 6a은 선단부가 내측으로 수렴되는 선회류 출구를 이용하는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 6b는 선단부가 외측으로 발산되는 고체 연료 노즐을 이용하는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 내측 연소 영역과 외측 연소 영역의 2개의 연소 영역 및 고체 연료/외측 산화제 경계를 도시하는 개략도이다.
도 8은 통상적인 분탄 버너에서의 화염을 도시하는 개략도이다.
도 9는 통상적인 분탄 버너에서의 선회류 화염을 도시하는 개략도이다.
도 10은 운동량이 큰 중앙의 산화제 제트 내부로 비말 동반된 분말 고체 연 료를 도시하는 개략도이다.
도 11은 내측 산화제 통로에 있는 선회류 발생기를 이용하는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고체 연료 버너
12 : 내측 산화제 통로
14 : 외측 산화제 통로
16 : 고체 연료/전달 가스 통로
18 : 외측 환형 통로
20 : 내측 산화제 스트림
26 : 외측 산화제 스트림
32 : 보조 가스 스트림
38 : 혼합물 스트림
44 : 분류기
46 : 분리기
48 : 농후한 부분의 스트림
50 : 희박한 부분의 스트림
52 : 스월 베인
54 : 일자형 베인
64 : 내측 화염
65 : 외측 화염
66 : 재순환 물질
68 : 역류
70 : 화염
74 : 스월
76 : 화염
78 : 분말 고체 연료
80 : 산화제 제트
d : 축방향 분리 거리

Claims (24)

  1. 제1 종축, 제1 산화제 입구, 및 제1 산화제 입구로부터 이격된 제1 산화제 출구를 구비하고, 제1 산화제 입구로 유입되며 제1 산화제 출구로 배출되는 산화제의 제1 스트림을 제1 유량으로 전달하도록 되어 있고, 산화제는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 것인 제1 산화제 도관;
    제1 종축에 실질적으로 평행한 제2 종축, 흡입구 및 이 흡입구로부터 이격된 배출구를 구비하며, 제1 산화제 도관을 둘러싸서 제1 산화제 도관과 고체 연료 도관 사이에 제1 환형부를 형성하며, 제1 환형부는 흡입구로 유입되고 배출구로 배출되는 전달가스와 복수의 고체 연료 입자의 혼합물을 전달하도록 되어 있는 것인 고체 연료 도관;
    제2 종축에 실질적으로 평행한 제3 종축, 제2 산화제 입구 및 이 제2 산화제 입구로부터 이격된 제2 산화제 출구를 구비하며, 고체 연료 도관을 둘러싸서 고체 연료 도관과 제2 산화제 도관 사이에 제2 환형부를 형성하고, 제2 환형부는 상기 산화제 또는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 다른 산화제의 제2 스트림을 제2 유량으로 전달하도록 되어 있으며, 상기 제2 스트림은 제2 산화제 입구로 유입되고 제2 산화제 출구로 배출되는 것인 제2 산화제 도관; 및
    배출구에 근접한 혼합물을, 제1 산화제 도관에 이웃한 희박한 부분의 혼합물 스트림과 고체 연료 도관에 이웃한 농후한 부분의 혼합물 스트림으로 분리하며, 농후한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제1 질량비를 가지고, 희박한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제2 질량비를 가지며, 제2 질량비는 제1 질량비보다 큰 것인 혼합물의 분리 수단
    을 포함하는 것인 고체 연료를 연소시키기 위한 버너로서,
    제1 산화제 출구로 배출되는 상기 산화제의 제1 스트림의 적어도 일부는 연소 중에 희박한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 혼합되어, 배출구에 이웃한 내측 연소 영역을 형성하고,
    제2 산화제 출구로 배출되는 상기 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림의 적어도 일부는 연소 중에 농후한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 혼합되어, 내측 연소 영역 근처에 외측 연소 영역을 형성하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  2. 제1항에 있어서, 제3 종축에 실질적으로 평행한 제4 종축, 보조 가스 입구 및 이 보조 가스 입구로부터 이격된 보조 가스 출구를 가지며, 제2 산화제 도관을 둘러싸서 제2 산화제 도관과 보조 가스 도관 사이에 제3 환형부를 형성하고, 제3 환형부는, 보조 가스 입구로 유입되고 보조 가스 출구로 배출되는 보조 가스의 스트림을 제3 유량으로 전달하도록 되어 있는 것인 보조 가스 도관을 더 포함하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  3. 제1항에 있어서, 제1 산화제 도관에 배치된 스월러를 더 포함하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  4. 제1항에 있어서, 혼합물을 분리하는 수단은, 배출구에 근접하게 제1 환형부에 배치된 스월 발생기; 및 이 스월 발생기와 배출구 사이의 위치에서 스월 발생기로부터 소정 거리만큼 떨어져 제1 환형부에 배치되고, 제1 환형부의 제1 수력 반경보다 작은 수력 반경을 갖는 선회류 출구를 구비하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  5. 제4항에 있어서, 혼합물의 분리는, 선회류 출구의 수력 반경 및 스월 발생기로부터 선회류 출구까지의 거리 중 하나 이상을 증가시키거나 감소시킴으로써 조절되는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  6. 제4항에 있어서, 선회류 출구는, 희박한 부분의 스트림과 농후한 부분의 스트림 중 적어도 하나와 접촉하도록 되어 있는 스월 베인 또는 일자형 베인을 구비하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  7. 제4항에 있어서, 고체 연료 도관의 배출구 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분이 노즐 선단부 프로파일을 형성하며, 노즐 선단부 프로파일은 배출구의 외측 발산 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분의 내측 수렴 중 적어도 하나에 의해 바뀌는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  8. 제1항에 있어서, 제1 유량과 제2 유량 중 적어도 하나는 가변적인 것인 고체 연료 연소용 버너.
  9. 제1항에 있어서, 제1 산화제 도관과 제2 산화제 도관은 실질적으로 동축인 것인 고체 연료 연소용 버너.
  10. 제1항에 있어서, 제1 산화제 도관, 고체 연료 도관 및 제2 산화제 도관 중 2개 이상은 동축인 것인 고체 연료 연소용 버너.
  11. 제1항에 있어서, 배출구와 제1 산화제 출구 양자 모두는 서로 실질적으로 평행하며, 배출구에서의 제2 종축과 제1 산화제 출구에서의 제1 종축 양자 모두에 실질적으로 수직인 제1 평면 상에 실질적으로 존재하고, 상기 산화제의 제1 스트림 중 일부는 제1 평면의 근방에서 혼합물 중 희박한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  12. 제11항에 있어서, 상기 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 일부는, 제1 평면으로부터 이격되어 있는 다른 평면 근방에서 혼합물 중 농후한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉하는 것인 고체 연료 연소용 버너.
  13. 제1 종축, 제1 산화제 입구 및 이 제1 산화제 입구로부터 이격된 제1 산화제 출구를 갖춘 제1 산화제 도관을 제공하는 단계;
    약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 가지며 제1 산화제 입구로 유입되고 제 1 산화제 출구로 배출되는 산화제의 제1 스트림을 제1 산화제 도관을 통해 제1 유량으로 전달하는 단계;
    제1 종축에 실질적으로 평행한 제2 종축, 흡입구 및 이 흡입구로부터 이격된 배출구를 갖추고, 제1 산화제 도관을 둘러싸서 제1 산화제 도관과 고체 연료 도관 사이에 제1 환형부를 형성하는 것인 고체 연료 도관을 제공하는 단계;
    흡입구로 유입되고 배출구로 배출되는 전달 가스와 복수의 고체 연료 입자의 혼합물을 제1 환형부를 통해 전달하는 단계;
    제2 종축에 실질적으로 평행한 제3 종축, 제2 산화제 입구 및 이 제2 산화제 입구로부터 이격된 제2 산화제 출구를 갖추고, 고체 연료 도관을 둘러싸서 고체 연료 도관과 제2 산화제 도관 사이에 제2 환형부를 형성하는 것인 제2 산화제 도관을 제공하는 단계;
    제2 산화제 입구로 유입되고 제2 산화제 출구로 배출되는 상기 산화제 또는 약 21 체적%를 초과하는 산소 농도를 갖는 다른 산화제의 제2 스트림을 제2 환형부를 통해 제2 유량으로 전달하는 단계;
    배출구에 근접한 혼합물을 제1 산화제 도관에 이웃하는 혼합물의 희박한 부분의 스트림과 고체 연료 도관에 이웃하는 혼합물의 농후한 부분의 스트림으로 분리하는 단계로서, 농후한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제1 질량비를 가지고, 희박한 부분의 스트림은 고체 연료에 대한 전달 가스의 제2 질량비를 가지며, 제2 질량비는 제1 질량비보다 큰 것인 혼합물 분리 단계;
    희박한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 함께 상기 산화제의 제1 스트림의 적어도 일부를 연소시켜 배출구에 이웃한 내측 연소 영역을 형성하는 단계; 및
    농후한 부분의 스트림 중 적어도 일부와 함께 상기 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 적어도 일부를 연소시켜 내측 연소 영역 가까이에 외측 연소 영역을 형성하는 단계
    를 포함하는 고체 연료 연소 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    제3 종축에 실질적으로 평행인 제4 종축, 보조 가스 입구, 및 이 보조 가스 입구로부터 이격된 보조 가스 출구를 갖추고, 제2 산화제 도관을 둘러싸서 제2 산화제 도관과 보조 가스 도관 사이에 제3 환형부를 형성하는 것인 보조 가스 도관을 제공하는 단계 및
    보조 가스 입구로 유입되고 보조 가스 출구로 배출되는 보조 가스 스트림을 제3 환형부를 통해 제3 유량으로 전달하는 단계
    를 더 포함하는 것인 고체 연료 연소 방법.
  15. 제13항에 있어서, 제1 산화제 도관에 스월러가 배치되는 것인 고체 연료 연소 방법.
  16. 제13항에 있어서, 배출구에 근접한 제1 환형부에 스월 발생기가 배치되고, 이 스월 발생기와 배출구 사이의 위치에서 스월 발생기로부터 소정 거리만큼 떨어 져 선회류 출구가 제1 환형부에 배치되며, 이 선회류 출구는 제1 환형부의 제1 수력 반경보다 작은 수력 반경을 갖는 것인 고체 연료 연소 방법.
  17. 제16항에 있어서, 혼합물의 분리는, 선회류 출구의 수력 반경 및 스월 발생기로부터 선회류 출구까지의 거리 중 적어도 하나를 증가시키거나 감소시킴으로써 조절되는 것인 고체 연료 연소 방법.
  18. 제16항에 있어서, 선회류 출구는, 희박한 부분의 스트림과 농후한 부분의 스트림 중 적어도 하나와 접촉하도록 되어 있는 스월 베인 또는 일자형 베인을 구비하는 것인 고체 연료 연소 방법.
  19. 제16항에 있어서, 고체 연료 도관의 배출구 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분이 노즐 선단부 프로파일을 형성하며, 노즐 선단부 프로파일은 배출구의 외측 발산 및 선회류 출구 중 상기 배출구에 근접한 부분의 내측 수렴 중 적어도 하나에 의해 바뀌는 것인 고체 연료 연소 방법.
  20. 제13항에 있어서, 제1 유량과 제2 유량 중 적어도 하나는 가변적인 것인 고체 연료 연소 방법.
  21. 제13항에 있어서, 제1 산화제 도관과 고체 연료 도관은 실질적으로 동축인 것인 고체 연료 연소 방법.
  22. 제13항에 있어서, 제1 산화제 도관, 고체 연료 도관 및 제2 산화제 도관 중 2개 이상은 동축인 것인 고체 연료 연소 방법.
  23. 제13항에 있어서, 배출구와 제1 산화제 출구 양자 모두는 서로 실질적으로 평행하며, 배출구에서의 제2 종축과 제1 산화제 출구에서의 제1 종축 양자 모두에 실질적으로 수직인 제1 평면 상에 실질적으로 존재하고, 상기 산화제의 제1 스트림 중 일부는 제1 평면의 근방에서 혼합물 중 희박한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉하는 것인 고체 연료 연소 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 산화제 또는 다른 산화제의 제2 스트림 중 일부는, 제1 평면으로부터 이격되어 있는 다른 평면 근방에서 혼합물 중 농후한 부분의 스트림의 일부와 처음 접촉하는 것인 고체 연료 연소 방법.
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