KR20090077765A - 연료-가변식 연소 시스템용 연소기 노즐 - Google Patents

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Abstract

연소기 노즐(72)이 제공된다. 상기 연소기 노즐은 연소 챔버 내로 합성가스 연료를 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 희박 예혼합 연소(lean premixed combustion)가 가능하도록 구성되는 제 1 연료 시스템(74), 및 합성가스 연료, 탄화수소 연료, 희석제 또는 이들의 혼합물을 상기 연소 챔버 내로 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 확산 연소(diffusion combustion)가 가능하도록 구성되는 제 2 연료 시스템(76)을 포함한다.

Description

연료-가변식 연소 시스템용 연소기 노즐{COMBUSTOR NOZZLE FOR A FUEL-FLEXIBLE COMBUSTION SYSTEM}
본 발명은 미국 에너지부에 의해 체결된 계약 번호 제 DE-FC26-03NT41776 호 아래 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 소정의 권리를 갖는다.
본 발명은 일반적으로 연소 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료-가변식 연소 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
여러 유형의 연소기가 공지되어 있으며, 이러한 연소기는 복합 발전소(combined cycle power plant)와 같은 시스템에서 사용된다. 전형적으로, 이러한 시스템용 연소기는 NOX 및 일산화탄소 배출과 같은 배출을 최소화하도록 설계된다. 대부분의 천연 가스 점화 시스템에 있어서, 연소기는 희박 예혼합 화염(lean premixed flame)을 사용하여 작동된다. 이러한 시스템에 있어서, 연료는 희박 상태에서 예혼합 화염을 생성하기 위해 반응 영역의 상류측에서 공기와 혼합되어, 연소 시스템으로부터의 배출을 감소시킨다. 불행히도, 이러한 연소 시스템에 대한 운영 기간이 매우 작다. 또한, NOX를 낮게 유지하고 화염으로부터의 희박 블로 우(lean blow)를 회피하면서, 연소 동역학적 거동을 회피하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 좁은 연료 성분 범위를 목표로 설계되며, 이로써 가스화 석탄 또는 합성가스 연료를 사용하도록 설계된 시스템과 비상용적인 천연 가스용으로 설계된 시스템을 제조한다.
소정의 다른 시스템은 반응 영역 내의 희석 증대(diluent augmentation)를 통해 배출을 최소화하기 위해 확산 연소(diffusion combustion)를 적용한다. 예를 들어, 석탄 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템에 있어서, 증기 또는 질소가 희석제로서 적용되어, 연소를 용이하게 하고 연소기로부터의 배출을 감소시킬 수 있다. 전형적으로, IGCC 시스템에 대해, 연소기는 석탄 가스화 연료를 사용하여 확산 모드에서 작동하도록 설계되고, 확산 모드에서 천연 가스를 사용하는 보조 점화 모드(backup firing mode)를 구비할 수 있다. 그러나, 저 배출량을 유지하면서 다양한 발열량을 갖는 석탄 가스화 연료로 작동할 수 있는 연소기를 설계하기 위해 박차를 가하고 있다. 최근의 IGCC 연소기는 확산 연소를 적용하고, 가스화 연료 저장량에 따라 사이트-바이-사이트(site-by-site) 기반으로 설계된다. 이로써, 배출 요구사항을 만족하기 위해 제한된 연료 가변식을 갖는 특정한 연소 시스템이 도출된다.
따라서, 배출량 감소를 유지하면서 다양한 연료에 대해 작동하는 연소 시스템에 대한 요구가 대두된다. 또한, 보조 연료로 저 배출 점화를 유지하고, 전체 발전 효율을 유지하면서 상이한 발전 구성에 적용될 수 있는 연소 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
요약해서, 일 실시예에 따라 연소기 노즐이 제공된다. 연소기 노즐은 합성가스 연료를 연소 챔버로 유입시켜 연소 챔버 내에서 희박 예혼합 연소가 가능하도록 구성되는 제 1 연료 시스템, 및 합성가스 연료, 탄화수소 연료, 희석제 또는 이들의 혼합물을 연소 챔버로 유입시켜 연소 챔버 내에서 확산 연소가 가능하도록 구성되는 제 2 연료 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 연료-가변식 연소 시스템이 제공된다. 연료-가변식 연소 시스템은 연소 시스템 내에 연료 흐름을 유입시키도록 구성되는 연소기 노즐, 및 연료 흐름의 연료 유형에 근거하여 선택되는 연소 모드를 통해 연료 흐름 및 공기를 연소시키도록 구성되는 연소 챔버를 포함한다. 연소기 노즐은 탄화수소 연료, 합성가스 연료 또는 이들의 혼합물을 연소 챔버 내로 유입시켜 연소 챔버 내에서 예혼합 연소 모드가 가능하도록 구성되는 제 1 연료 시스템, 및 합성가스 연료, 질소, 증기, 탄화수소 연료 또는 이들의 혼합물을 연소 챔버 내로 유입시켜 상기 연소 챔버 내에서 확산 연소 모드가 가능하도록 구성되는 제 2 연료 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 석탄 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템이 제공된다. IGCC 시스템은 석탄으로부터 합성가스 연료를 생산하도록 구성되는 가스화 장치, 및 상기 가스화 장치로부터 합성가스 연료를 수용하고, 연소 시스템 내에서 상기 합성가스 연료와 공기를 연소시켜 전기 에너지를 생산하도록 구성되는 가스 터빈을 포함한다. 연소 시스템은 예혼합 작동 모드 및 확산 작동 모드를 위해 노즐 내에 합성가스를 유입시키기 위한 제 1 및 제 2 연료 시스템을 갖는 연소 노즐, 및 예혼합 연소 모드 또는 확산 연소 모드를 통해 합성가스 연료 및 공기를 연소시키도록 구성되는 연소 챔버를 포함한다.
다른 실시예에서, 연료-가변식 연소 시스템을 작동하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 연소기 노즐을 통해 연소 시스템 내에 연료 흐름을 유입시키는 단계, 저 배출 연소 모드에서 탄화수소 연료 흐름을 연소시키는 단계, 및 제 2 연소 모드에서 합성가스 연료를 연소시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 합성가스의 발열량을 근거로 제 2 연소 모드를 전환시키는 단계, 및 저 배출 연소 모드, 제 2 연소 모드 또는 이들의 혼합 모드를 통해 연료 흐름 및 공기를 연소시키는 단계를 더 포함한다.
도 1은 본원 기술의 태양에 따른 연료-가변식 연소 시스템을 갖는 석탄 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템에 대한 개략도,
도 2는 본원 기술의 태양에 따른 도 1의 IGCC 시스템에 적용되는 가스 터빈에 대한 개략도,
도 3은 본원 기술의 태양에 따른 합성가스 연료와의 예혼합 및 확산 작동능을 갖는 도 2의 연소기 노즐의 예시적인 구성에 대한 개략도,
도 4는 본원 기술의 태양에 따른 스워즐 연료 분사점을 갖는 도 3의 연소기 노즐의 예시적인 구성에 대한 개략도,
도 5는 본원 기술의 태양에 따라, 연료를 스워즐 연료 분사점에 공급하기 위 한 개별 연료 플리넘을 갖는 도 4의 연소기 노즐의 예시적인 구성에 대한 단면도,
도 6은 본원 기술의 태양에 따라, 탄화수소 및 합성가스 연료와의 예혼합 작동능을 갖는 도 2의 연소기 노즐의 다른 예시적인 구성에 대한 개략도,
도 7은 본원 기술의 태양에 따른 스워즐 및 중앙동체 연료 분사점을 갖는 도 6의 연소기 노즐의 예시적인 구성에 대한 개략도,
도 8은 본원 기술의 태양에 따라, 연료를 스워즐 및 중앙동체 연료 분사점에 공급하기 위한 개별 연료 플리넘을 갖는 도 7의 연소기 노즐의 예시적인 구성에 대한 단면도.
본 발명의 이러한 특징, 태양 및 이점과, 다른 특징, 태양 및 이점들은 전체 도면을 통해 유사한 부분에 유사한 도면부호가 표시된 첨부 도면을 참조하여, 이하의 발명의 상세한 설명을 참고할 때 더욱 잘 이해될 것이다.
이하 상세하게 설명되는 바와 같이, 본원 기술의 실시예들은 배출량 감소를 유지하면서, 다양한 연료와 작동하게 될 연료-가변식 연소 시스템을 제공하도록 기능한다. 특히, 본원 기술은 연료 공급원료(fuel feedstock)의 요구되거나 필요한 체적 유량에 근거하여 희박 예혼합 연소 모드와 확산 연소 모드 사이를 전환시킴으로써, 예를 들어, 천연 가스 및 광범위한 합성가스와 작동하는 연소기 노즐을 적용한다. 이제 도면으로 돌아가서, 먼저 도 1을 참조하면, 석탄 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템(10)이 도시된다. IGCC 시스템(10)은 가스화 장치(12) 및 상기 가스화 장치(12)에 결합되는 가스 터빈(14)을 포함한다. 또한, 가스 터빈(14)은 전 기 에너지를 생산하기 위해 가스화 장치(12)로부터의 연료 흐름을 연소시키도록 구성되는 연료-가변식 연소 시스템(16)을 포함한다. 또한, IGCC 시스템(10)은, 가스 터빈(14)에 결합되고 가스 터빈(14)의 배출 가스로부터의 열을 사용하여 전기 에너지를 생성하도록 구성되는 증기 터빈(18)을 포함한다.
작동시, 가스화 장치(12)는 전형적으로 현장 공기 분리 유닛(도시되지 않음)에서 생산되는 산소(22)와 함께 연료 공급원료(20)를 수용한다. 개시된 실시예에서, 연료 공급원료(20)는 석탄을 포함한다. 다른 실시예에서, 연료 공급원료(20)는 예를 들어, 석탄, 바이오매스(biomass), 폐기물, 유사(oil sand), 도시 폐기물, 코크 등과 같은 소정의 저 밸류 연료(LVT)를 포함할 수 있다. 연료 공급원료(20) 및 산소(22)는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 농축된 합성가스(24)를 생산하도록 가스화 장치(12)에서 반응한다. 또한, 공급원료 미네랄은 노반(roadbed), 매립지 커버 및 다른 적용예에 사용될 수 있는 슬래그 생성물(26)로 변환된다.
가스화 장치(12)에 의해 발생된 합성가스(24)는, 상기 합성가스(24)가 냉각되고 오염 물질(30)이 제거되어 정화된 합성가스(32)를 발생하는 가스 냉각 및 세정 유닛(28)으로 안내된다. 개시된 실시예에서, 오염 물질(30)은 예를 들어 황, 수은 또는 이산화탄소를 포함한다. 또한, 정화된 합성가스(32)는 가스 터빈(14) 내에서 연소되어 전기 에너지를 생성한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 공기(34)의 유입 유동은 압축기(36)를 통해 가압되고, 압축 공기는 가스화 장치(12)로부터 합성가스(32)를 연소시키기 위해 연소 시스템(16)으로 안내된다. 또한, 연소 시스 템(16)으로부터의 연소기 가스 흐름은 터빈(38)을 통해 확장되어 추가적인 사용을 위해 전력망(44)으로 안내될 수 있는 전기 에너지(42)를 발생하도록 발전기(40)를 구동한다. 소정의 실시예에서, 연료-가변식 연소 시스템(16)은 전형적으로 보조 작동 모드로서, 희박 예혼합 연소를 위해 천연 가스(46)를 사용한다.
개시된 실시예에서, 가스 터빈(14)으로부터의 배출 가스(48)는 열 재생 증기 발전기(50)로 안내되고, 물을 끓여 증기 터빈(18)용 증기(52)를 생성하는데 사용된다. 또한, 소정의 실시예에서, 증기 터빈으로부터의 열(54)은 열 재생 증기 발전기(50)의 효율을 증대시키기 위해 열 재생 증기 발전기(50)에 결합될 수 있다. 또한, 열 재생 증기 발전기(50)로부터의 증기(56)의 일부는 가스화 장치(12)로 유입되어 상기 가스화 장치(12)로부터 발생된 합성가스(24)의 H2:CO 비를 제어할 수 있다. 증기 터빈(18)은 추가적인 사용을 위해 전력망(44)으로 다시 안내되는 전기 에너지(42)를 발생시키기 위해 발전기(58)를 구동시킨다.
전술된 IGCC 시스템(10)에 적용된 연료-가변식 연소 시스템(16)은 희박 예혼합 또는 확산 연소 모드에서 작동될 수 있다. 특히, 연소 시스템(16)은 연소 시스템(16) 내로 예를 들어, 천연 가스 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위한 개별 연료 시스템을 갖는 연소기 노즐을 포함하며, 연소 모드는 연료 공급원료(20)의 연료 발열량 및 연료 유형에 근거하여 선택된다. 연소 시스템(16)에 적용된 연소기 노즐은 도 2 내지 도 8을 참조하여 이하 상세하게 설명될 것이다.
도 2는 도 1의 IGCC 시스템(10)에 적용된 가스 터빈(14)의 예시적인 구 성(60)에 대한 개략도이다. 가스 터빈(60)은 압축기(62) 및 상기 압축기(62)와 유체 연통하는 연료-가변식 연소 시스템(64)을 포함한다. 또한, 가스 터빈(60)은 연소 시스템(64)의 하류측에 배치되는 터빈(66)을 더 포함한다. 작동시, 압축기(62)는 공기(68)의 유입 유동을 가압하여, 연소 시스템(64)으로 안내되는 압축 공기(70)를 생성한다.
이러한 예시적인 실시예에서, 연소 시스템(64)은 상기 연소 시스템(64) 내에 연료 흐름을 유입하도록 구성되는 연소기 노즐(72)을 포함한다. 특히, 연소기 노즐(72)은 제 1 연료 시스템(74) 및 제 2 연료 시스템(76)을 포함한다. 또한, 연소 시스템(64)은 제 1 또는 제 2 연료 시스템(74, 76)으로부터의 연료 흐름을 연소시키기 위한 연소 챔버(78)를 포함한다. 개시된 실시예에서, 제 1 연료 시스템(74)은 합성가스 연료를 연소 챔버(78) 내로 유입시켜 연소 챔버 내에서 희박 예혼합 연소가 가능하도록 구성된다. 또한, 제 2 연료 시스템(76)은 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제를 연소 챔버(78)로 유입시켜 연소 챔버 내에서 확산 연소가 가능하도록 구성된다. 소정의 실시예에서, 제 1 연료 시스템(74)은 탄화수소 연료를 연소 챔버(78) 내로 유입시켜 희박 예혼합 연소가 가능하도록 적용된다. 소정의 다른 실시예에서, 연소 시스템(64)은 제 1 및 제 2 연료 시스템(74, 76)의 동시 작동을 통해 동시-점화될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제어기(80)는 제 1 및 제 2 연료 시스템(74, 76)에 결합되고, 연료 흐름의 연료 발열량 또는 연료 유형 중 적어도 하나를 근거로 연소 모드를 선택하도록 구성된다. 연소 시스템(64)에 적용되는 제 1 및 제 2 연료 시스템(74, 76)의 작동이 도 3 내지 도 5와 함께 이하 상세하게 설명될 것이다.
도 3은 본원 기술의 태양에 따라, 합성가스 연료와의 예혼합 및 확산 작업능을 갖는 도 2의 연소기 노즐의 예시적인 구성(90)에 대한 개략도이다. 개시된 실시예에서, 버너 튜브(92)는 연소기 노즐(72) 주위에 배치된다. 희박 예혼합 작동 모드를 위해 탄화수소 연료 또는 합성가스 연료를 유입시키는 제 1 연료 시스템(74)이 버너 튜브(92) 상에 배치된 복수의 분사 오리피스(94)를 포함한다. 또한, 제 1 연료 시스템은 연소기 노즐(72) 내에 탄화수소 연료 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위해 복수의 스워즐 베인(도시되지 않음) 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스(96)를 포함한다. 작동시, 복수의 스워즐 베인은, 유입 공기에 교반 거동(swirling motion)을 제공하고 합성가스 또는 탄화수소와의 예혼합 모드를 위해 연소기 노즐 내에 합성가스 연료 또는 탄화수소 연료를 유입시키도록 구성된다. 스워즐 베인은 도 4를 참조하여 이하 보다 상세하게 설명될 것이다.
이러한 실시예에서, 연소기 노즐(90)은 예혼합 합성가스 작동 모드를 위해 노즐(72) 내에 합성가스 연료를 유입시키기 위해 버너 튜브(92) 상에 배치되는 추가 세트의 오리피스(98)를 더 포함한다. 추가 세트의 오리피스(98)는 예혼합 합성가스 작동 모드에 요구되는 합성가스 연료의 체적 유동을 공급하도록 제공된다는 것을 인지하여야 한다. 복수의 패턴의 오리피스(98)가 노즐(72) 내에 합성가스 연료의 유입을 용이하게 하도록 고안될 수 있다. 오리피스의 패턴 및 형상은 베인 섹터 영역의 각 사분면 내로의 분사 통과를 최대화하도록 선택된다. 소정의 실시예에서, 오리피스(98)는 베인 섹터에 걸쳐 등간격으로 이격되고, 베인 섹터의 각 절반부 내로 질량 유량의 균형을 맞추도록 크기 설정된다.
또한, 노즐(90)은 연소 챔버(78) 내에 합성가스 연료, 및/또는 탄화수소 연료 및 희석제를 유입시키기 위한 제 2 연료 시스템(76)을 포함하여 연소 챔버(78) 내에서 합성가스 연료의 확산 연소를 가능하게 한다. 개시된 실시예에서, 제 2 연료 시스템(76)은 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제를 연소 챔버(78) 내에 유입시키기 위해, 내측, 외측 및 중간 공통 환형 경로(106, 108, 110)를 형성하는 분사 오리피스(100, 102, 104)를 포함하는 확산 노즐 선단부를 포함한다. 이러한 실시예에서, 희석제는 증기, 질소 및 이산화탄소를 포함한다. 그러나, 소정의 다른 불활성 가스가 희석제로서 사용될 수 있다. 연소기 노즐(90)은 연료 흐름의 연료 발열량 또는 연료 유형에 근거하여 연소 모드를 선택하기 위해 제 1 및 제 2 연료 시스템(74, 76)에 결합되는 제어기(80)(도 2 참조)를 더 포함한다. 또한, 제어기는 합성가스 연료의 요구되는 체적 유동에 근거하여 제 2 연료 시스템(76)의 분사 오리피스(100, 102, 104)를 통해 유동을 제어하도록 구성된다.
도 4는 본원 기술의 태양에 따른 스워즐 연료 분사점을 갖는 도 3의 연소기 노즐(90)의 예시적인 구성(120)에 대한 개략도이다. 연소기 노즐(120)은 유입 공기에 교반 거동을 제공하도록 구성된 스워즐 베인(122)을 포함한다. 또한, 스워즐 베인(122)은 스워즐 연료 분사점(124)을 통해 노즐(120) 내로 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키도록 구성된다. 전형적으로, 스워즐 베인(122)은 화염 유지 및 저 배출과 같은 성능 요구사항을 충족하기 위해 연료-공기 혼합을 최대화하도록 설계된다. 개시된 실시예에서, 탄화수소 연료는 천연 가스를 포함한다. 작 동시, 스워즐 베인(122)을 통해 유입된 천연 가스 또는 합성가스 연료가 연소 챔버(78)(도 2 참조)의 상류측 위치에서 공기와 혼합되어, 저 배출에 기여하는 희박 조건에서 예혼합 화염을 발생시킨다.
소정의 실시예에서, 복수의 분사 오리피스(96)를 통한 탄화수소 연료 또는 합성가스 연료의 분사은 각각의 스워즐 베인(122)의 측면마다의 일 위치에서 발생한다. 또한, 복수의 분사 오리피스(96)를 통한 탄화수소 연료 또는 합성가스 연료의 분사은 각 교반기 베인의 하나 이상의 분사점에서 발생한다. 분사점은 상이한 반경방향 위치에서 베인의 일 측면 또는 양 측면 상에 배치될 수 있고, 상이한 직경을 가질 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 분사점은 베인의 측면 상에 위치된다. 소정의 다른 실시예에서, 분사점은 후미 에지에 위치될 수 있다. 유리하게, 분사 오리피스(94, 96)를 통한 연료의 이러한 분사은 각각의 베인 섹터의 각 사분면 내로의 연료 제트 통과를 증대시켜, 연소기 노즐(120) 내에서의 혼합을 용이하게 한다. 스워즐 베인(122) 상의 분사점 및 버너 튜브(92) 상의 분사점(94, 98)은 개별 연료 공급 시스템에 결합되며, 이로써 시스템 내에서의 연소 동역학적 거동의 제어를 용이하게 한다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 연소 시스템(64)은 석탄 가스화 합성가스 연료 공급이 차단되거나, 대안적인 발전 사양에 요구되는 경우 천연 가스와의 예혼합 구성에서 점화된다. 대안적으로, 연소 시스템(64)은 합성가스 연료로 예혼합 또는 확산 모드에서 점화되며, 연료는 제 1 또는 제 2 연료 시스템(74, 76)을 통해 노즐(120) 내에 유입된다. 소정의 실시예에서, 연소 시스템은 제 2 연료 시 스템(76) 내에서 천연 가스로 시동될 수 있다.
이러한 예시적인 실시예에서, 확산 노즐 선단부는 스워즐 베인(122)의 설계를 근거로 성능을 최대화하도록 설계된다. 특히, 노즐(120)의 선단부 형상은 스워즐 베인(122)에 의해 발생되는 기류의 패턴에 대해 최적화될 수 있다. 또한, 분사 오리피스(100, 102, 104)는 저 배출 성능을 위해 첨가되는 희석제 및 광범위한 합성가스 연료를 다루도록 설계된다. 분사 오리피스(100, 102, 104)를 통한 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제의 유동이 합성가스 연료의 요구되는 체적 유속에 근거하여 제어될 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 개시된 실시예에서, 제 1 경로(106)는 연소기의 연소 챔버(78) 내로 증기를 유입시키도록 구성된다. 또한, 제 1 경로(106) 주위에 배치되는 제 2 경로(108)는 합성가스 연료를 유입시키도록 구성되며, 제 1 및 제 2 경로(106, 108) 주위에 배치되는 제 3 경로(110)는 연소 시스템의 연소 챔버 내에 질소를 유입시키도록 구성된다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 제 1, 제 2 및 제 3 경로(106, 108, 110)용 복수의 작동 모드는 합성가스 연료의 연료 발열량에 근거하여 착안될 수 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 경로(106, 108, 110)는 연소기 노즐(120)이 산소-증대 또는 전통적인 가스화 유닛과 함께 적용될 수 있도록 설계된다. 전통적인 가스화 유닛에 있어서 당업자에게 이해되는 바와 같이, 가스화 유닛으로부터의 증기는 연소를 용이하게 하기 위해 희석제로서 사용될 수 있다. 그러나, 산소 증대 가스화 유닛에 있어서, 전체 발전 효율을 증대시키기 위해, 공기 분리 유닛으로부터의 질소가 추가 희석제로서 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 경로(106, 108, 110)는 석탄 가스화 유닛으로부터 생산되는 연료의 발열량에 대한 요구되는 범위에 근거하여 설계된다. 이러한 실시예에서, 합성가스 연료의 연료 발열량은 약 310 BTU/scf 미만이다. 일 실시예에서, 합성가스 연료의 연료 발열량은 약 100 BTU/scf 내지 약 230 BTU/scf 이다. 예를 들어, 합성가스 연료를 유동시키는 경로는 큰 체적 유속을 요구하는 저 열량 연료를 유입하도록 설계될 수 있다. 유사하게, 희석제를 유동시키는 경로는 요구되는 성능 수준을 충족하기 위해 상대적으로 큰 희석제 유동을 요구하는 큰 발열 연료에 따라 설계될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 경로(106, 108, 110)는 약 0° 내지 약 75°의 접선방향 분사 각도, 및 약 0° 내지 약 75°의 반경방향 분사 각도를 갖는다. 일 실시예에서, 제 2 및 제 3 경로(108, 110)는 약 40°의 접선방향 분사 각도를 가지며, 제 1 및 제 2 경로(108, 110)는 약 45°의 반경방향 분사 각도를 갖는다. 또한, 일 실시예에서, 제 2 및 제 3 경로(108, 110) 내의 합성가스 연료 및 질소의 유동은 베인(122)에 의해 발생되는 공기 교반에 대해 역방향으로 교반되어, 혼합 증대, 화염 길이 증가, 배출 감소 및 화염 전방 패턴 요소 증가를 용이하게 한다. 또한, 전술된 바와 같이, 제어기(80)(도 2 참조)는 제 1, 제 2 및 제 3 경로(106, 108, 110)에 결합되어 합성가스 연료의 연료 발열량에 근거하여 경로(106, 108, 110) 내에서의 합성가스 연료, 탄화수소 연료, 증기 및 질소와 CO2의 유동을 제어할 수 있다. 전술된 바와 같이, 개별 연료 플리넘은 제 1 및 제 2 연 료 시스템(74, 76)에 결합되어, 예혼합 작동 모드 및 확산 작동 모드 동안 합성가스 또는 탄화수소 연료를 공급할 수 있다.
도 5는 본원 기술의 태양에 따라, 스워즐 연료 분사점 및 버너 튜브 연료 분사점에 연료를 공급하기 위한 개별 연료 플리넘을 갖는 도 4의 연소기 노즐(120)의 예시적인 구성에 대한 단면도(130)이다. 전술된 바와 같이, 연소기 노즐(130)은 노즐(130) 내에 합성가스 또는 탄화수소 연료를 유입시키기 위해 버너 튜브(92) 상에 배치되는 제 1 세트의 오리피스(94)를 포함한다. 또한, 연소기 노즐(130)은 노즐(130) 내에 합성가스 또는 탄화수소 연료를 유입시키기 위해 스워즐 베인(122)(도 4 참조) 상에 배치되는 제 2 세트의 오리피스(96)를 포함한다. 추가적으로, 연소기 노즐(130)은 노즐(130) 내에 합성가스 연료를 유입시키기 위해 버너 튜브(92) 상에 배치되는 제 3 세트의 오리피스(98)를 포함하여 예혼합 작동 모드에 요구되는 합성가스 연료의 추가 체적 유동을 책임진다.
개시된 실시예에서, 연소기 노즐(130)은 버너 튜브(92) 상에 배치된 제 1 세트의 오리피스(94)에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 공급하도록 구성되는 제 1 연료 플리넘(132), 및 스워즐 베인(122) 상에 배치된 제 2 세트의 오리피스(96)에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 공급하도록 구성되는 제 2 연료 플리넘(134)을 포함한다. 또한, 연소기 노즐(130)은 탄화수소 또는 합성가스 연료를 버너 튜브(72) 상에 배치된 제 3 세트의 오리피스(98)에 공급하도록 구성된 제 3 연료 플리넘(136)을 포함한다. 제 1, 제 2 및 제 3 연료 플리넘(132, 134, 136)은 연소기 노즐(130) 내의 연료의 공급을 제어하기 위한 제어기(80)(도 2 참조)에 결합될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 탄화수소 연료와의 예혼합 작동 모드는 노즐(130) 내에 탄화수소 연료를 유입시키기 위한 제 1 및 제 2 세트의 오리피스(94, 96)를 적용한다. 또한, 합성가스 연료와의 예혼합 작동 모드에 대해, 제 3 세트의 오리피스(98)는 노즐(130) 내에 합성가스 연료를 유입시키기 위해 사용된다.
소정의 실시예에 있어서, 연소기 노즐(130)은 예혼합 작동 모드에 대한 독립형 구조로서 작동된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 합성가스 작동 모드는 연료의 발열량에 근거하여 제어된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 세트의 오리피스(94, 96)는 항상 사용 상태에 있으며, 제 3 세트의 오리피스(98)는 연료의 발열량에 근거하여 적용될 것이다. 전술된 바와 같이, 연소기 노즐(130)은 합성가스와의 확산 작동 모드와 함께 예혼합 탄화가스 작동 모드 및 합성가스 작동 모드와 작동될 수 있다. 대안적으로, 연소기 노즐(130)은 도 6을 참조하여 이하 설명되는 바와 같이 합성가스와의 확산 작동 모드 없이 작동될 수 있다.
도 6은 본원 기술의 태양에 따라, 탄화수소 및 합성가스 연료와의 예혼합 작동능을 갖는 도 2의 연소기 노즐(72)의 다른 예시적인 구성에 대한 개략도이다. 도시된 바와 같이, 연소기 노즐(140)은 예혼합 작동 모드용 연소기 노즐(140) 내에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 세트의 오리피스(94, 96, 98)를 포함한다. 또한, 노즐 선단부는 광 차단 상태(light off condition) 동안, 확산 모드를 위해 탄화수소 연료를 유입시키기 위한 오리피스 세트(142)를 포함한다.
도 7은 본원 기술의 태양에 따라, 스워즐 및 중앙동체 연료 분사점을 갖는 도 6의 연소기 노즐(140)의 예시적인 구성(150)에 대한 개략도이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 연소기 노즐(150)은 스워즐 분사점(96)을 포함한다. 또한, 노즐(150)은 예혼합 작동 모드를 위해 노즐(150) 내에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위해 중앙동체 상에 배치되는 제 1 세트의 오리피스(152)를 포함한다. 또한, 노즐은 예혼합 합성가스 작동 모드 동안 요구되는 소정의 추가 체적 유동을 완수하기 위해 합성가스 연료를 유동시키는 제 2 세트의 오리피스(154)를 포함한다. 다시, 제 1 및 제 2 세트의 오리피스(152, 154)는 도 8을 참조하여 이하 설명되는 것과 같이 개별 연료 플리넘에 결합될 수 있다. 유리하게, 이러한 작동 모드는 다소의 분사점이 연료의 발열량에 따라 연료 분사을 위해 사용될 수 있기 때문에, 상당한 작동의 가변식을 제공한다. 또한, 현저한 수의 분사점은 합성가스 연료의 범위에 걸쳐 발생하는 유속에 있어서의 큰 변형을 책임짐으로써 연소기의 보다 큰 연료 가변식을 허용한다.
도 8은 본원 기술의 태양에 따라, 스워즐 및 중앙동체 연료 분사점에 연료를 공급하기 위해 개별 연료 플리넘을 구비하는 도 7의 연소기 노즐(150)의 예시적인 구성에 대한 단면도(160)이다. 도시된 바와 같이, 연소기 노즐(160)은 예혼합 작동 작동 모드 동안, 노즐(160) 내에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 세트의 오리피스(94, 96, 98)를 포함한다. 또한, 노즐(160)은 예혼합 작동 모드를 위해, 노즐(150) 내에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 유입시키기 위해 중앙동체 상에 배치되는 오리피스(152, 154)를 포함한다. 전술된 바와 같이, 제 1, 제 2 및 제 3 세트의 오리피스는 연료를 공급하기 위해 연 료 플리넘(132, 134, 136)에 결합된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 노즐(160)은 각각 오리피스(152, 154)에 탄화수소 또는 합성가스 연료를 공급하도록 구성되는 연료 플리넘(162, 164)을 더 포함한다. 다시, 연료 플리넘(162, 164) 각각은 오리피스(152, 154)로의 연료의 공급을 제어하기 위해 제어기(80)(도 2 참조)에 결합될 수 있다.
전술된 방법의 여러 태양은 IGCC 시스템에 적용된 연소 시스템과 같은 상이한 적용예에서의 사용을 갖는다. 전술된 바와 같이, 연료-가변식 연소 시스템은 배출 감소를 유지하면서 다양한 연료로 작동한다. 또한, 연소 시스템은 보조 연료로 저 배출 점화를 유지하며, 전체 발전 효율을 유지하면서 상이한 발전 구성에 적합하다. 특히, 본원 기술은 연료 공급원료의 요구되는 체적 유속을 근거로 희박 예혼합 모드와 확산 연소 모드 사이를 전환시킴으로써 광범위한 합성가스 연료 및 천연 가스로 작동하는 연소기 노즐을 적용한다.
유리하게, 예혼합 연소 모드는 배출 요구사항을 충족하기 위해 희석제를 요구함이 없이 연소 시스템의 작동을 용이하게 하며, 이로써 연소 시스템의 연료 소비를 감소시킨다. 또한, 예혼합 연소 모드는 산소 증대 가스화 장치용 공기 분리 유닛의 부산물 및 증기 터빈으로부터의 증기가 화학 물질 생산, 사후-처리, 복합 발전 등과 같은 다른 발전 공정에 더욱 효율적으로 사용될 수 있도록 한다. 따라서, 연소 시스템은 배출 감소를 유지하면서 현저하게 증대된 연료 가변식을 가지며, 전체 발전 효율을 유지하면서 상이한 발전 구성으로 작동될 수 있다.
본 발명의 소정의 특징만이 본 명세서에 개시 및 설명되었지만, 많은 변형예 및 변경예들이 당업자 수준에서 도출 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 범주 내에 해당하는 이러한 모든 변형예 및 변경예들을 포함하고자 한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (39)

  1. 연소기 노즐에 있어서,
    연소 챔버 내로 합성가스 연료를 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 희박 예혼합 연소(lean premixed combustion)가 가능하도록 구성되는 제 1 연료 시스템, 및
    상기 연소 챔버 내로 합성가스 연료, 탄화수소 연료, 희석제 또는 이들의 혼합물을 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 확산 연소(diffusion combustion)가 가능하도록 구성되는 제 2 연료 시스템을 포함하는
    연소기 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 추가로, 상기 연소 챔버 내로 탄화수소 연료를 유입시켜 희박 예혼합 연소가 가능하도록 구성되는
    연소기 노즐.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연료 시스템에 결합되는 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 연료 흐름의 연료 발열량 또는 연료 유형 중 적어도 하나에 근거하여 연소 모드를 선택하도록 구성되는
    연소기 노즐.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 복수의 스워즐 베인(swozzle vane)을 포함하며, 상기 스워즐 베인은 유입 공기에 교반 거동(swirling motion)을 제공하고, 각각의 상기 스워즐 베인 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스를 통해 합성가스 연료 및 탄화수소 연료를 유입시키도록 구성되는
    연소기 노즐.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 상기 노즐 내에 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키기 위해 버너 튜브, 스워즐 베인, 버너 중앙동체(centerbody), 또는 이들의 조합체 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스를 더 포함하는
    연소기 노즐.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 예혼합 탄화수소 작동 모드 또는 합성가스 작동 모드를 위해, 상기 노즐 내에 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키도록 상기 버너 튜브 및 베인 상에 배치되는 제 1 및 제 2 세트의 분사 오리피스를 포함하는
    연소기 노즐.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 예혼합 합성가스 작동 모드를 위해, 상기 노즐 내에 합성가스 연료를 유입시키도록 상기 버너 튜브 상에 배치되는 제 3 세트의 분사 오리피스를 더 포함하는
    연소기 노즐.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄화수소 및 합성가스 연료를 상기 버너 튜브, 베인 및 중앙동체 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스에 공급하기 위한 개별 연료 플리넘을 포함하는
    연소기 노즐.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 분사 오리피스의 패턴 및 형상은 베인 섹터 영역(vane sector area)의 각각의 개별 구역 내로의 연료 분출 통과(fuel jet penetration)를 실질적으로 최대화하도록 선택되는
    연소기 노즐.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 시스템은 상기 연소 챔버 내에 합성가스 연료, 탄화수소 연 료 및 희석제를 유입시키도록 구성되는 내측, 중앙 및 외측 공통-환형 경로 및 오리피스를 포함하는
    연소기 노즐.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 연료 흐름의 연료 발열량에 근거하여, 상기 내측, 중앙 및 외측 경로의 각각에서 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제의 유동을 제어하도록 구성되는
    연소기 노즐.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 내측, 중앙 및 외측 경로는 상기 합성가스 연료의 연료 발열량에 대한 요구 범위에 근거하여 설계되는
    연소기 노즐.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 경로의 합성가스 연료 및 희석제의 유동은 공기 교반에 대해 역방향으로 교반되어 혼합 강화를 용이하게 하는
    연소기 노즐.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 내측, 중앙 및 외측 경로는 약 0° 내지 약 75°의 접선방향 분사 각도, 및 약 0° 내지 약 75°의 반경방향 분사 각도를 갖는
    연소기 노즐.
  15. 제 10 항에 있어서,
    공기는 상기 공기보다 상대적으로 낮은 산소 함량을 갖는 재순환 배출 가스와 혼합되는
    연소기 노즐.
  16. 연료-가변식 연소 시스템에 있어서,
    상기 연소 시스템 내에 연료 흐름을 유입시키도록 구성된 연소기 노즐; 및
    상기 연료 흐름의 연료 유형에 근거하여 선택된 연소 모드를 통해 연료 흐름 및 공기를 연소시키도록 구성되는 연소 챔버를 포함하며,
    상기 연소기 노즐은,
    상기 연소 챔버 내로 탄화수소 연료, 합성가스 연료 또는 이들의 혼합물을 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 예혼합 연소 모드가 가능하도록 구성되는 제 1 연료 시스템, 및
    상기 연소 챔버 내로 합성가스 연료, 질소, 증기, 이산화탄소, 탄화수소 연료 또는 이들의 혼합물을 유입시켜, 상기 연소 챔버 내에서 확산 연소 모드가 가능 하도록 구성되는 제 2 연료 시스템을 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연료 시스템에 결합된 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 연료 흐름의 연료 발열량 또는 연료 유형 중 적어도 하나에 근거하여 연소 모드를 선택하도록 구성되는
    연료-가변식 연소 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 복수의 스워즐 베인을 포함하며, 상기 스워즐 베인은 유입 공기에 교반 거동을 제공하고, 각각의 상기 스워즐 베인 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스를 통해 합성가스 연료 및 탄화수소 연료를 유입시키도록 구성되는
    연료-가변식 연소 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 상기 연소기 노즐 내에 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키기 위해, 버너 튜브, 베인, 버너 중앙동체 또는 이들의 조합체 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스를 더 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 상기 노즐 내에 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키기 위해, 상기 버너 튜브 및 스워즐 베인 상에 배치되는 제 1 및 제 2 세트의 분사 오리피스를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 예혼합 합성가스 작동을 위해, 상기 노즐 내에 합성가스 연료를 유입시키도록 상기 버너 튜브 상에 배치되는 제 3 세트의 분사 오리피스를 더 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 버너 튜브, 베인 및 중앙동체 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스에 탄화수소 및 합성가스 연료를 공급하기 위한 개별 연료 플리넘을 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 시스템은 상기 연소 챔버 내에 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제를 유입하도록 구성되는 내측, 중앙 및 외측 공통 환형 경로 및 오리피스를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 연료 흐름의 연료 발열량에 근거하여, 상기 내측, 중앙 및 외측 경로 각각에서 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제의 유동을 제어하도록 구성되는
    연료-가변식 연소 시스템.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 공기의 온도는 약 500 ℉ 내지 약 1400 ℉인
    연료-가변식 연소 시스템.
  26. 제 16 항에 있어서,
    상기 공기는 상기 공기보다 상대적으로 낮은 산소 함량을 갖는 재순환 배출 가스와 혼합되는
    연료-가변식 연소 시스템.
  27. 제 16 항에 있어서,
    상기 연소기 노즐의 예혼합 체류 시간(premixing residence time)은 약 0.1 ms 내지 약 10 ms인
    연료-가변식 연소 시스템.
  28. 석탄 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템에 있어서,
    석탄으로부터 합성가스 연료를 생산하도록 구성되는 가스화 장치; 및
    상기 가스화 장치로부터 합성가스 연료를 수용하고, 연소 시스템 내에서 합성가스 연료 및 공기를 연소시켜 전기 에너지를 생산하도록 구성되는 가스 터빈을 포함하며,
    상기 연소 시스템은,
    예혼합 작동 모드 및 확산 작동 모드를 위해 상기 노즐 내에 합성가스를 유입시키도록 제 1 및 제 2 연료 시스템을 구비하는 연소 노즐; 및
    예혼합 연소 모드 또는 확산 연소 모드를 통해 합성가스 연료 및 공기를 연소시키도록 구성된 연소 챔버를 포함하는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 복수의 스워즐 베인을 포함하며, 상기 스워즐 베인은 공기에 교반 거동을 제공하고 희박 예혼합 연소를 위해 상기 연소 시스템 내로 합성가스 연료를 유입시키도록 구성되는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 시스템은 상기 복수의 스워즐 베인을 통해 상기 연소 시스템 내로 탄화수소 연료를 유입시키도록 구성되는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료 및 합성가스 연료는 스워즐 베인, 버너 튜브, 버너 중앙동체 또는 이들의 조합체 상에 배치되는 복수의 분사 오리피스를 통해 상기 연소 시스템 내로 유입되는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 시스템은 상기 연소 챔버 내에 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제를 유입시키도록 구성되는 내측, 중앙 및 외측 공통 환형 경로 및 오리피스를 포함하는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 희석제는 증기, 질소, 이산화탄소, 또는 이들의 혼합물을 포함하는
    석탄 가스화 복합 발전 시스템.
  34. 연료-가변식 연소 시스템을 작동하는 방법에 있어서,
    연소기 노즐을 통해 상기 연소 시스템 내에 연료 흐름을 유입시키는 단계;
    저 배출 연소 모드에서 탄화수소 연료 흐름을 연소시키고, 제 2 연소 모드에서 합성가스 연료를 연소시키는 단계;
    합성가스의 발열량에 근거하여 상기 제 2 연소 모드를 변경하는 단계; 및
    상기 저 배출 연소 모드, 제 2 연소 모드 또는 이들의 조합을 통해 상기 연료 흐름 및 공기를 연소시키는 단계를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 연료 흐름 및 공기를 연소시키는 상기 단계는 탄화수소 연료에 대한 희박 예혼합 모드, 및 합성가스 연료에 대한 예혼합 모드 또는 확산 모드에서 상기 연소 시스템을 작동시키는 단계를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 희박 예혼합 모드에서 상기 연소 시스템을 작동시키는 상기 단계는 상기 연소 챔버의 상류측에 배치되는 복수의 스워즐 베인, 버너 중앙동체, 버너 튜브 또는 이들의 조합체를 통해 상기 연소 시스템 내에 탄화수소 연료 및 합성가스 연료를 유입시키는 단계를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 확산 모드에서 상기 연소 시스템을 작동시키는 상기 단계는 내측, 중앙 및 외측 공통 환형 경로를 통해 상기 연소 시스템 내에 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제를 유입시키는 단계를 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 연소기 노즐의 공통-점화 작동(co-fired operation)을 위해, 상기 베인, 버너 튜브 및 버너 중앙동체 내의 합성가스 연료의 연료 발열량 및 탄화수소 연료의 유동에 근거하여, 상기 공통 환형 경로 각각에 합성가스 연료, 탄화수소 연료 및 희석제의 체적 유동을 제어하는 단계를 더 포함하는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
  39. 제 37 항에 있어서,
    저 산소 함량을 갖는 재순환 배출 가스의 유동이 상기 연소 시스템으로 진입하는 공기에 유입되는
    연료-가변식 연소 시스템 작동 방법.
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