KR20100061322A - Diffusion combustion burner - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 확산 연소 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a diffusive combustion device.
특허 문헌 1에는, 연소실 내에 연료 및 공기를 직접 분사해서 연소시키는 확산 연소 장치에 있어서, 주 연소실에 개구하고, 파일럿 버너가 설치된 1차 연소실에, 연료 및 1차 공기를 분사하여, 1차 연소실의 근방으로부터 주 연소실에 2차 공기를 분사하는 확산 연소 장치가 기재되어 있다.Patent Document 1 discloses a diffusive combustion apparatus that directly injects fuel and air into a combustion chamber and burns the fuel and air into the primary combustion chamber and injects fuel and primary air into a primary combustion chamber that is opened in the main combustion chamber and provided with a pilot burner, Discloses a diffusive combustion apparatus that injects secondary air from the vicinity of the main combustion chamber.
또한, 특허 문헌 2에는, 2차 공기의 공급로와, 배기 가스의 배출로(排出路)를 교번식(交番式; alternating operation)으로 하여, 각각에 축열체(蓄熱體)를 배치한 확산 연소 장치가 기재되어 있다.
이러한 축열 교번식(regenerative type)의 확산 연소 장치는, 가스를 연료로 하는 것에 대해서는 실용화되어 있지만, 액체 연료에 대해서는 아직 실용적이지 않다. 특히, 연소 용량이 큰 연소 장치는, 중유를 연료로서 사용하는 것에의 요구가 크다. 그러나, 액체 연료는, 분무(噴霧)된 연료를 일단 기화(氣化)할 필요가 있기 때문에, 특히 저온일 때에, 착화 지연이나 급격한 연소가 발생하여, 불완전 연소나 노벽(爐壁; furnace wall)(특히 1차 연소실 내벽)에의 카본(carbon) 부착 등의 문 제가 발생한다고 하는 문제가 있다.Such a regenerative type diffusive combustion apparatus is practically used for gas fuel, but it is not yet practical for liquid fuel. Particularly, in a combustion device having a large combustion capacity, there is a great demand for using heavy oil as fuel. However, since the liquid fuel needs to temporarily vaporize the sprayed fuel, ignition delay or rapid combustion may occur particularly at low temperatures, resulting in incomplete combustion, furnace walls, (Particularly, carbon deposition on the inner wall of the primary combustion chamber).
(특허 문헌 1)(Patent Document 1)
일본국 특공평 8-26970호 공보Japanese Patent Publication No. Hei 8-26970
(특허 문헌 2)(Patent Document 2)
일본국 특개 2007-24335호 공보Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-24335
상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 액체 연료를 사용할 수 있는 확산 연소 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a diffusive combustion device capable of using a liquid fuel.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 확산 연소 장치는, 주 연소실에 개구하는 1차 연소실과, 상기 1차 연소실에 설치된 파일럿 버너와, 상기 1차 연소실에 연료를 분사하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 주위에, 상기 연료 노즐을 따라 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로와, 상기 1차 연소실의 근방으로부터, 상기 주 연소실 내에 2차 공기를 분사하는 2차 공기 공급로와, 상기 1차 공기 및 상기 2차 공기의 전체 양에 대한 상기 1차 공기의 비율인 1차 공기 비(比)를, 상기 주 연소실의 온도가 낮을 때에는 높게 하고, 상기 주 연소실의 온도가 높을 때에는 낮게 하는 1차 공기 비 조절 수단을 갖는 것으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a diffusion combustion apparatus comprising a primary combustion chamber opened in a main combustion chamber, a pilot burner installed in the primary combustion chamber, a fuel nozzle for injecting fuel into the primary combustion chamber, A secondary air supply path for injecting secondary air into the main combustion chamber from the vicinity of the primary combustion chamber, a secondary air supply path for injecting secondary air into the main combustion chamber from the vicinity of the primary combustion chamber, The ratio of the primary air to the total amount of the primary air and the secondary air is made to be high when the temperature of the main combustion chamber is low and is made low when the temperature of the main combustion chamber is high Primary air ratio adjusting means.
이 구성에 의하면, 저온일 때에 1차 공기 비를 높게 해서, 분무된 연료를 1차 공기로 둘러쌈으로써, 연소 불완전 연료가 노벽에 부착하는 것을 방지하고, 특히 1차 연소실의 내벽에 카본이 부착되는 것을 방지한다. 그리고, 연료의 기화(氣化) 및 연소가 용이한 고온일 때에는, 1차 공기 비를 낮게 함으로써, NOx를 저감할 수 있다.According to this configuration, the primary air ratio is increased when the temperature is low, and the sprayed fuel is surrounded by the primary air, thereby preventing the combustion incomplete fuel from adhering to the wall of the furnace. In particular, . Further, when the fuel is at a high temperature at which vaporization and combustion are easy, NOx can be reduced by lowering the primary air ratio.
또한, 본 발명의 확산 연소 장치가, 상기 1차 공기를 상기 연료 노즐 주위로 선회시키는 기류 선회 수단을 추가로 구비하면, 선회 기류가 에어 커튼(air curtain)이 되어서 연료를 감싸므로, 상기 1차 연소실의 내벽에의 카본의 부착을 방지하는 효과를 높일 수 있다.Further, when the diffusive combustion apparatus of the present invention further includes an air flow pivoting means for pivoting the primary air around the fuel nozzle, the swirling air flow becomes an air curtain to enclose the fuel, The effect of preventing the carbon from adhering to the inner wall of the combustion chamber can be enhanced.
또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 주 연소실의 온도가 낮을 때의 상기 1차 공기 비를, 5% 이상, 바람직하게는 10% 이상으로 하면, 상기 1차 연소실 내벽에의 카본 부착을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 1차 공기 비를 40% 이하로 함으로써, NOx의 발생을 공업로(工業爐)에 대한 법령의 규제 범위 내로 억제할 수 있다.In addition, in the diffusive combustion apparatus of the present invention, when the primary air ratio at the time of the temperature of the main combustion chamber is set to 5% or more, preferably 10% or more, carbon adhesion to the inner wall of the primary combustion chamber Can be effectively prevented. Further, by setting the primary air ratio to 40% or less, the generation of NOx can be suppressed within the regulation range of the industrial furnace.
또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 주 연소실의 온도가 높을 때의 상기 1차 공기 비를 10% 이하로 하면, 충분한 NOx 억제 효과를 얻을 수 있다.Further, in the diffusive combustion apparatus of the present invention, a sufficient NOx suppressing effect can be obtained by setting the primary air ratio at 10% or less when the temperature of the main combustion chamber is high.
또한, 본 발명의 확산 연소 장치에 있어서, 상기 2차 공기 공급로를, 번갈아서 연소 가스의 배기를 위한 유로를 겸하기 위해서 복수 마련하여, 각각 축열체를 통해서 상기 2차 공기가 도입되도록 하면, 축열체에서 배기 가스로부터 회수한 열에 의해 상기 2차 공기를 예열할 수 있기 때문에, 열효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 주 연소실의 온도가 높을 때는, 상기 1차 공기 비를 낮게 해서 2차 공기의 비율을 높이므로, 더욱 열효율이 높아진다.In the diffusive combustion apparatus of the present invention, a plurality of secondary air supply passages are alternately provided for alternately serving as a flow path for exhausting the combustion gas, and the secondary air is introduced through the heat accumulator, Since the secondary air can be preheated by the heat recovered from the exhaust gas in the sieve, the thermal efficiency can be increased. When the temperature of the main combustion chamber is high, the ratio of the secondary air is increased by lowering the primary air ratio, so that the thermal efficiency is further increased.
이상과 같이, 본 발명의 확산 연소 장치에서는, 주 연소실의 온도가 낮을 때는, 1차 공기 비를 높게 함으로써, 1차 공기가 에어 커튼으로 되어서 분무된 연료가 1차 연소실의 내벽에 부착되는 것을 방지할 수 있고, 주 연소실의 온도가 높을 때는, 1차 공기 비를 내려서 NOx를 억제하는 동시에, 축열체에 의한 열 회수의 효 율을 향상시킬 수 있다.As described above, in the diffusive combustion apparatus of the present invention, when the temperature of the main combustion chamber is low, by increasing the primary air ratio, it is possible to prevent the primary air from becoming an air curtain and the sprayed fuel to adhere to the inner wall of the primary combustion chamber When the temperature of the main combustion chamber is high, the primary air ratio is lowered to suppress NOx, and the efficiency of heat recovery by the regenerator can be improved.
지금부터, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 1개의 실시형태인 확산 연소 장치(1)를 나타낸다. 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2)을 획정(劃定)하는 노벽(3)에 형성되어 있다. 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2)에 개구하도록 노벽(3)에 형성한 오목부로서 이루어지는 1차 연소실(4)과, 1차 연소실(4) 내에서 점화원(点火源)으로 되는 화염을 형성하는 파일럿 버너(5)와, 1차 연소실(4)을 통해서 주 연소실(2) 내에 연료를 분사하는 연료 노즐(6)과, 연료 노즐(6)의 외측(外側)에 끼워 장착된 관(管)에 의해 형성되어, 연료 노즐(6)의 주위에 1차 공기를 공급하는 1차 공기 공급로(7)와, 1차 연소실(4)의 근방으로부터 주 연소실(2) 내에 2차 공기를 분사 가능한 복수의 2차 공기 공급로(8)(1개만 도시)와, 각각, 축열체(9)를 구비하고, 2차 공기 공급로(8)와 연통하여, 축열체(9)를 통해서 2차 공기 공급로(8)에 2차 공기를 공급 가능한 복수의 축열기(10)(1개만 도시)를 갖는다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Now, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 1 shows a diffusive combustion apparatus 1 according to one embodiment of the present invention. The diffusive combustion apparatus 1 is formed in a
1개의 2차 공기 공급로(8) 및 1개의 축열기(10)를 1식(一式)으로 해서, 순번으로, 적어도 1식이 2차 공기의 흡기로(吸氣路)로서 사용되고, 동시에, 다른 적어도 1식이 연소 배기 가스의 배기로(排氣路)로서 사용된다. 축열체(9)는, 배기로로서 사용될 때에 연소 배기 가스의 열 에너지를 회수하고, 2차 공기의 흡기로로서 사용될 때는 2차 공기를 예열하는 역할을 담당한다.At least one of the secondary air supply passages 8 and one
본 실시형태에서, 연료 노즐(6)에는, 액체 연료(예를 들면 중유)와, 액체 연 료를 분무하기 위한 분무 공기가 공급되지만, 분무 공기를 이용하지 않고 액체 연료를 고압 분무해도 좋다. 또한, 1차 공기 공급로(7)는, 1차 공기를 연료 노즐(6) 주위로 선회시키기 위한, 선회 블레이드(blade)(11)를 구비한다.In the present embodiment, the liquid fuel (for example, heavy oil) and the spray air for spraying the liquid fuel are supplied to the
확산 연소 장치(1)에서는, 송풍기(12)에 의해, 연료 노즐(6)로부터 분사되는 연료의 양에 따라서 최적인 공연비(空燃比)를 실현하는 유량의 연소용 공기가 공급되어, 1차 공기 공급로(7)와 축열실(10)에 분배된다. 1차 공기를 공급하는 유로에는, 주 공급 댐퍼(damper)(13)와, 증량(增量) 공급 댐퍼(14)가 병렬로 설치되어 있다. 확산 연소 장치(1)에서는, 주 공급 댐퍼(13)만을 개방하면, 연소용 공기 전량의 5%를 1차 공기로서 1차 공기 공급로(7)에 도입하고, 주 공급 댐퍼(13) 및 증량 공급 댐퍼(14)를 함께 개방하면, 연소용 공기 전량의 10%를 1차 공기로서 1차 공기 공급로(7)에 도입하도록 설계되어 있다.In the diffusive combustion apparatus 1, the blowing air is supplied by the
또한, 확산 연소 장치(1)는, 주 연소실(2) 내의 온도를 계측하는 온도 검출기(15)를 갖추고, 연소 운전 중에 있어서, 온도 검출기(15)의 검출 온도가 소정의 설정 값, 예를 들면 800℃ 이상일 경우에, 증량 공급 댐퍼(14)를 폐쇄하도록 되어 있다. 환언하면, 확산 연소 장치(1)에서는, 1차 공기 및 2차 공기의 전체 양에 대한 1차 공기의 비율인 1차 공기 비를, 주 연소실(4)의 온도가 800℃ 미만의 저온인 경우에는 10%로 높게 설정하고, 주 연소실(2)의 온도가 800℃ 이상의 경우에는 5%로 낮게 설정한다(1차 공기 비 조절 수단).The diffusive combustion apparatus 1 further includes a
도 2에, 확산 연소 장치(1)의 1차 공기 비와 연소 배기 가스 중의 NOx 농도와의 관계를 나타낸다. 도시하는 바와 같이, 1차 공기 비가 높아질수록, NOx 농도 가 높아지지만, 이 관계는, 액체 연료를 이용하는 연소 장치에 있어서 일반적으로 알려져 있는 것이다. 또한, NOx 농도는, 1차 공기 비가 40%를 초과하면 급격하게 증가한다. 또한, 일반적으로, 배기 가스의 NOx 농도는, 법령에 의해서 제한되어 있다. 예를 들면, 일본국의 법령에서는, 공업로에 대하여 산소 농도 11% 환산 값으로 120∼150ppm이 상한(上限)이므로, 공업로의 제품 규격으로서는, 100ppm 정도를 상한으로 하는 것이 적절하다. 이것 때문에, 본 발명의 확산 연소 장치(1)에서는, 1차 공기 비를 40% 이하로 해야 한다. 또한, 1차 공기 비를 10% 이하로 할 수 있다면, 배기 가스의 NOx 농도를 충분히 낮게 할 수 있어, NOx 농도의 관점에서는 대단히 안전하게 된다.2 shows the relationship between the primary air ratio of the diffusive combustion apparatus 1 and the NOx concentration in the combustion exhaust gas. As shown in the figure, the higher the primary air ratio, the higher the NOx concentration, but this relationship is generally known in a combustion apparatus using liquid fuel. Further, the NOx concentration increases sharply when the primary air ratio exceeds 40%. Further, in general, the NOx concentration of the exhaust gas is limited by laws and ordinances. For example, in Japanese law, the upper limit is 120 to 150 ppm in terms of an oxygen concentration of 11% with respect to an industrial furnace, so it is appropriate to set the upper limit of about 100 ppm as the product standard for industrial use. Therefore, in the diffusive combustion apparatus 1 of the present invention, the primary air ratio should be 40% or less. Further, if the primary air ratio can be made 10% or less, the NOx concentration of the exhaust gas can be made sufficiently low, and it is very safe from the viewpoint of the NOx concentration.
계속해서, 표 1에, 상온에 있어서의, 1차 공기 비의 차이에 의한 확산 연소 장치(1)의 1차 연소실(4) 내벽에의 카본 부착 상태 변화를 확인한 결과를 나타낸다. 표에 있어서, 1차 연소실(4)의 내벽에, 분명한 카본의 부착이 있을 경우를 ×, 약간 거무스름한 것을 확인할 수 있을 경우를 △, 전혀 더러움이 없을 경우를 ○로 나타낸다. 또한, 이 실험을 위해서, 주 공급 댐퍼(13) 및 증량 공급 댐퍼(14)는, 적당한 용량의 것으로 적의(適宜) 교환하였다.Subsequently, the results of checking the change of the state of carbon attachment to the inner wall of the
(표 1)(Table 1)
이렇게, 확산 연소 장치(1)에서는, 상온에 있어서의 1차 공기 비가 10% 이상이면, 카본의 발생이 없는, 양호한 연소 상태를 얻을 수 있었다. 또한, 1차 공기 비가 10%에 만족하지 않을 경우라도, 주 연소실(2) 내의 온도나 외기(外氣)(연소용 공기) 온도에 따라서는, 양호한 연소를 얻을 수 있으며, 1차 공기 비가 5% 이상이면, 분명하게 흑연을 발생시키는 불완전 연소를 방지할 수 있는 것이 확인되었다. 따라서, 확산 연소 장치(1)에서는, 상온(常溫)인 경우, 1차 공기 비가 5% 이상, 40% 이하라면, 법령에 대하여도 문제가 없고, 불완전 연소에 대하여도 문제가 없다.Thus, in the diffusive combustion apparatus 1, when the primary air ratio at normal temperature was 10% or more, a favorable combustion state without generation of carbon was obtained. Even when the primary air ratio is not satisfied by 10%, good combustion can be obtained depending on the temperature in the
또한, 표 2에, 주 연소실(2)의 온도가 800℃일 때의, 1차 공기 비의 차이에 의한 카본의 부착 상태 변화를 나타낸다.Table 2 shows changes in the adhesion state of carbon due to the difference in the primary air ratio when the temperature of the
(표 2)(Table 2)
이렇게, 확산 연소 장치(1)에서는, 주 연소실(2)의 온도가 높을 때는, 1차 공기 비를 5%까지 저하시켜도, 카본의 발생이 보이지 않았다.Thus, in the diffusive combustion apparatus 1, when the temperature of the
이상의 연소 조건을 고려하여, 확산 연소 장치(1)에서는, NOx 농도를 될 수 있는 한 낮게 하고, 또한, 이상적인 연소를 얻기 위해서, 먼저 설명한 바와 같이, 1차 공기 비를, 저온일 때에는 10%에, 고온일 때에는 5%로 하도록 하였다. 이것에 의해, 확산 연소 장치(1)는, 액체 연료를 이용해도 연기 발생이나 노벽에의 카본 부착이 없는 양호한 연소를 얻을 수 있어, NOx의 발생도 최저 한도로 제한시킬 수 있다.In consideration of the above combustion conditions, the diffusion combustion apparatus 1 is configured to lower the NOx concentration as much as possible and to obtain the ideal combustion, as described above, at a primary air ratio of 10% And 5% at a high temperature. Thus, even when liquid fuel is used, the diffusion combustion apparatus 1 can obtain good combustion without generation of smoke or carbon adhesion to the wall of the furnace, and the generation of NOx can be limited to the minimum limit.
이것은, 저온일 때에 다량 발생하는 미연소 연료 및 그 불완전 연소물(CO) 을, 1차 연소실(4)의 내부에서, 1차 공기에 의해 감싸서, 주 연소실(2)에 형성되는 화염의 내부로 인도함으로써, 노벽(3)의 내면, 특히, 1차 연소실(4)의 내면에 카본으로서 부착되거나, 연소 배기 가스 중의 연기로 되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 이 에어 커튼으로서의 효과를 갖게 하기 위해서, 본 발명에서는, 특히 저온일 때에, 본 실시형태의 선회 블레이드(11) 등에 의해, 1차 연소 공기를 연료 노즐(6)의 주위로 선회시켜서 공급하는 것이 효과적이다.This is because the unburned fuel generated in a large amount at low temperatures and its incomplete combustible matter CO are wrapped in the
또한, 1차 공기 비를 저하시키는 것은, 연소용 공기 전량에 대하여, 축열체(9)를 통해서 공급되는 2차 공기의 비율을 높이게 된다. 이것 때문에, 1차 공기 비를 될 수 있는 한 낮게 함으로써 열효율을 높이는 것으로도 된다. 확산 연소 장치(1)는, 예를 들면, 1차 공기 비를 40% 이하로 하면, 폐열회수기(recuperator)를 구비하는 버너 등에 비교해도 유리한, 축열식 버너 장치로서의 높은 열효율을 얻을 수 있다.Further, lowering the primary air ratio increases the ratio of the secondary air supplied through the
또한, 확산 연소 장치(1)에서는, 연료 노즐(6) 또는 그 선단 팁(tip)을 LNG 등의 기체 연료에 적합한 것으로 교환함으로써, 기체 연료를 사용 가능하게 해도 좋다.In the diffusive combustion apparatus 1, the gaseous fuel may be used by replacing the
또한, 상기 실시형태에서는, 주 연소실(2)의 온도가 800℃ 이상인가 아닌가의 여부에 따라 1차 공기 비를 5% 및 10%에 설정하고 있지만, 개도(開度) 조절 가능한 댐퍼를 사용하여, 주 연소실(2)의 온도 상승에 따라서 서서히 1차 공기 비를 상승시켜도 좋다.In the above embodiment, the primary air ratio is set to 5% and 10% depending on whether or not the temperature of the
또한, 상기 실시형태에서는, 1차 공기 비를 조정할 때의 주 연소실(2)의 온 도의 역치(threshold)를 800℃로 하고 있지만, 이 온도 설정 값은, 보통, 분무된 액체 연료가 자연 착화하는 온도로 하면 좋다.In the above embodiment, the threshold value of the temperature of the
또한, 상기 실시형태에서는, 1차 공기 비를 저온일 때에는 10%, 고온일 때에는 5%로 설정하였지만, 이것은 일례이며, 다른 실시형태에서는, 그 연소 장치에 따라 최적인 1차 공기 비가 상이할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 고온일 때의 1차 공기 비를 저온일 때의 그것보다도 낮은 값으로 하는 것을 기도하고, 그 값은 상기 실시형태와 상이해도 좋다.In the above embodiment, the primary air ratio is set to 10% when the temperature is low and 5% when the temperature is high. However, this is an example, and in another embodiment, the optimum primary air ratio may be different depending on the combustion apparatus have. Therefore, the present invention is intended to set the primary air ratio at a high temperature to a value lower than that at a low temperature, and the value may be different from that of the above embodiment.
도 1은 본 발명의 하나의 실시형태의 확산 연소 장치의 구성을 나타내는 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a diffusive combustion apparatus according to one embodiment of the present invention. Fig.
도 2는 도 1의 확산 연소 장치에 있어서의 1차 공기 비와 NOx 농도와의 관계를 나타내는 그래프.2 is a graph showing the relationship between the primary air ratio and the NOx concentration in the diffusive combustion apparatus of FIG.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
1: 확산 연소 장치1: Diffusion combustion device
2: 주 연소실2: Main combustion chamber
3: 노벽3: Roof wall
4: 1차 연소실4: Primary combustion chamber
5: 파일럿 노즐5: Pilot nozzle
6: 연료 노즐6: Fuel nozzle
7: 1차 공기 공급로7: primary air supply path
8: 2차 공기 공급로8: Secondary air supply path
9: 축열체9:
10: 축열기10: Opening the axis
11: 선회 블레이드(기류 선회 수단)11: turning blade (airflow turning means)
12: 송풍기12: blower
13: 주 공급 댐퍼13: Main supply damper
14: 증량 공급 댐퍼14: Increasing supply damper
15: 온도 검출기15: Temperature detector
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