KR20100061471A - 고체연료 버너, 고체연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법 - Google Patents

Abstract

버너(60)로부터 분출하는 연료의 연소로 형성되는 화염, 화로내의 온도 분포를 제어하기에 적합한 고체연료 버너(60), 고체연료 버너(60)를 이용한 연소장치와 그 운전방법으로서, 연료노즐(10)내에 복수의 기체분출노즐(81,82)와 그 하류에 조임부(장해물)(19)를 설치하고, 일부의 기체분출노즐(81)로부터 상대적으로 보다 많은 기체를 분출함으로써, 연료농도에 둘레방향의 분포를 갖게 한다. 또한 하류측에 조임부(장해물)(19)를 가짐으로써, 연료농도 편차가 확대된다. 둘레방향으로 연료농도 편차를 갖게 함으로써, 화염의 형성위치를 변경하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 기체분출노즐(81,82)을 흐르는 기체유량의 조정에 의해, 화로 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로 안이나 그 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도를 일정하게 제어 가능하게 된다.

Description

고체연료 버너, 고체연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법{SOLID-FUEL BURNER, COMBUSTION DEVICE USING SOLID-FUEL BURNER, AND METHOD OF OPERATING THE COMBUSTION DEVICE}

본 발명은, 석탄 등의 고체연료를 분쇄하고, 기류 반송한 후에 부유 연소시키는데 적합한 고체연료 버너, 고체연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법에 관한 것으로, 특히 고체 연소 버너로부터 형성되는 화염의 형성위치를 바꿈으로서, 연소장치에서의 열흡수 위치를 변화시키는 것이 가능한 고체연료 버너, 고체연료 버너를 이용한 연소장치와 그 운전방법에 관한 것이다.

연소장치, 특히 보일러에서는 증기 생성의 고효율화를 위해서, 증기 온도나 증기 압력의 상승 또는 재열 사이클의 이용이 이루어지고 있다. 통상, 보일러에 공급된 물은 화로 벽면을 구성하는 수관을 통하여 증발하고, 또한 화로내에 매달리는 과열기의 전열면(Heat transfer surface)에서 과열된 후, 주된 증기로서 증기 터빈을 구동시킨다. 증기 터빈을 구동한 후에 증기는 재열기에 보내져 재가열되고, 또한 그 후 다시 증기 터빈의 구동에 이용되고, 그 후의 증기는 복수기(Condenser)를 지나 물이 되고, 다시 화로에 공급되어 증기 생성에 이용된다.

이와 같이 보일러 플랜트에 있어서 전열관내를 흐르는 유체(급수)를 가열하여 증기의 생성을 행하고, 또한 증기를 재이용하기 위해서 복잡한 유체 경로를 유체가 통과하는 경우, 각 전열부에 있어서 유체에 규정된 전열량을 얻는 것이 중요하게 된다. 유체가 규정의 전열량을 얻기 위해서는, 각 전열부에 대해서는 연소가스의 온도, 유량을 제어할 필요가 생긴다.

종래부터, 유체로의 전열량을 변경하는 수단으로서, 연소가스의 유량을 바꾸는 방법과 연료의 연소위치를 바꾸는 방법의 2가지가 있다. 전자로서는, 화로 안이나 그 하류측의 전열부에 있어서, 연소가스가 흐르는 유로를 분할하고, 각각의 유로를 흐르는 연소가스량을 댐퍼 등의 수단을 이용하여 제어함으로써, 각 유로에 설치한 전열관에서의 전열량을 제어하는 방법이 알려져 있다.

또한, 후자로서는, 버너로부터 화로내에 분출하는 연료의 분출방향을 변경함으로써, 화로내의 온도 분포를 변경하고, 화로내와 하류측의 전열부에서의 전열량을 제어하는 방법이 있다(특허문헌 1). 또한, 버너의 연소 공기유로를 흐르는 연소용 공기의 유량에 둘레방향으로 편차를 주는 방법(특허문헌 2)이 제안되어 있다.

또한, 본 출원인은 먼저 갈탄(Brown coal) 등의 저품위인 고체연료를 대상으로, 미분탄 연료노즐내 벽부에 공급하는 공기량을 조정 가능한 추가 공기노즐을 설치하고, 고부하 조건으로부터 저부하 조건까지, 광범위하게 걸쳐 안정된 연소가 가능한 버너를 제안하였다(특허문헌 3).

미국특허제6439136호명세서(도2) 일본공개특허2002-147713호공보(도3) W002/12791호공보

상기 특허문헌에 기재되어 있는 종래 기술에서는, 유체에의 전열량의 변경을 위해서 제어 기구가 대형화되는 과제가 있었다. 연소가스의 유량을 바꾸는 방법에 의해 유체에의 전열량을 제어하는 경우, 연소가스 유로를 분할하는 유로를 설치할 필요가 있고, 또한, 각각의 유로에 전열관을 설치하기 때문에, 유체 경로가 복잡해진다. 또한, 각각의 상기 연소가스 유로를 흐르는 연소가스량을 댐퍼 등의 수단을 이용하여 유체에의 전열량을 조절할 필요가 있다. 이 때, 연료중의 고형분(주로 연소재)에 의한 댐퍼의 마모, 연소재의 고착, 고온부에 설치한 경우의 열변형 등을 고려할 필요가 있다.

화로내에서의 연료의 연소위치를 바꾸는 방법에는 연료노즐의 방향을 바꾸는 방법과 연소용 공기의 유량을 바꾸는 방법의 2가지의 방법을 들 수 있다. 전자의 방법의 경우, 연료노즐의 방향을 기계적으로 변경할 필요가 있고, 이 경우, 연료노즐의 방향을 변경하기 위한 구동기구가 대형화되는 과제가 있다. 또한, 전자의 방법의 경우에는 고체연료를 이용하는 경우, 마모, 재의 고착에 대해서 충분한 고려가 필요해지고, 또한, 화로를 향하는 부분에 구동기구를 설치하는 것이 필요해지기 때문에, 이 구동기구의 열변형에 대해서도 고려할 필요가 있다.

또한, 후자의 방법의 경우, 공기노즐로부터의 공기량의 조절을 위해, 공기량 조절기구는 화로로부터 분리하여 설치할 수 있고, 또한, 마모, 재의 영향도 전자에 비해 작다. 그러나, 이 경우에는 연료의 분출방향은 연소용 공기의 유량(운동량) 편차에 의해 생기는 노내의 압력 분포에 의해 바뀌기 때문에, 연소용 공기의 유량(운동량) 편차가 연료의 분출 방향에게 주는 영향은 크지는 않고, 전자에 비해 화로내에서의 연소위치의 변경폭은 작고, 전열량의 제어범위는 좁다.

특허문헌 3에 기재된 발명은, 갈탄 등의 저품위인 고체연료를 부하 변동이 있어도 안정되게 연소시키기 위한 것이다. 이러한 저품위의 고체연료에서는, 분쇄 후의 연료의 반송 기체로서, 연소 배기가스와 공기와의 혼합기체가 사용되는 것이 많다. 이 경우, 연료의 반송 기체중의 산소 농도는 21%보다 낮아지기 때문에, 연료가 고체연료 버너로부터 분출 후의 연소 반응이 늦는 경우가 있다. 특허문헌 3에 기재된 발명은 추가 공기노즐로부터 공기를 공급함으로써 연료의 반송 기체중의 산소 농도를 부분적으로 높여, 안정된 연소를 가능하게 한다. 즉, 특허문헌 3에 기재된 발명은, 저부하시에는 연소 노즐내에 설치한 추가 공기노즐로부터 공급하는 공기량을 늘리고, 연료노즐 출구 외측의 하류부에 형성되는 순환류의 산소 농도를 높여, 안정하게 연소시키고, 고부하시는 추가 공기노즐로부터 공급하는 공기량을 줄여 연료노즐로부터 멀어진 위치에서 화염이 형성됨으로써, 고체연료 버너의 구조물이나 화로벽이 받는 복사열을 억제하는 것이며, 유체에의 전열량의 변경을 위한 구성에 관한 것은 아니다.

본 발명의 과제는, 비교적 간단한 방법으로 화로내에서의 연료의 연소위치를 바꿈으로서 유체에의 전열량을 제어하는 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 과제는, 다음의 해결 수단에 의해 해결된다.

청구항 1에 기재된 발명은, 고체연료와 그 반송 기체의 혼합 유체를 분출하는 연료노즐과, 상기 연료노즐의 외주에 연소용 공기를 분출하는 공기노즐을 연료노즐과 동심원 형상으로 적어도 1개 갖는 고체연료 버너에 있어서, 상기 연료노즐 내부의 둘레방향으로 기체를 분출하는 기체분출노즐을 복수 설치하고, 각 분출노즐로부터 분출하는 기체의 분출량을 개별적으로 변경할 수 있는 유량 조절기를 갖는 고체연료 버너이다.

청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐내에 기체분출노즐을 설치하고, 기체분출노즐로부터 기체를 연료노즐내에 분출함으로써, 기체분출노즐의 하류측은 연료입자가 흘러들어가기 어려워지기 때문에, 연료농도가 감소한다. 일부의 상기 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 연료노즐의 둘레방향으로 연료농도의 분포를 갖게 할 수 있다. 고체연료 버너로부터 분출하는 연료 분류(Fuel jet)는 연료농도가 분포를 갖기 때문에, 화로내에서의 연료의 연소위치를 바꿀 수 있다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 연료노즐 내부에 설치한 기체분출노즐은, 상하방향으로 2개 이상 설치되어 있는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐의 내부에 상하방향에 2개 이상의 기체분출노즐을 갖고, 일부의 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 상하방향으로 연료농도의 분포를 갖게 할 수 있다. 이렇게 하여 고체연료 버너로부터 분출하는 연료 분류는 상하방향으로 연료농도의 분포를 갖기 때문에, 화로내에서의 연료의 연소위치를 상하방향으로 바꿀 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명은, 상기 기체분출노즐의 하류측에 상기 연료노즐의 유로 단면적을 일단 축소시킨 후에, 원래의 크기까지 확대시키는 조임부 (Restriction)를 설치한 청구항 1 또는 2에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 기체분출노즐의 하류측에 조임부를 설치함으로써, 유로 축소부에서는 연료노즐내를 흐르는 연료입자는 그 유속이 가속된다. 또한, 상기 유로 축소부에서 일단 가속된 연료입자는 반송 기체에 비해 질량이 크기 때문에, 유로 확대부에 있어서도 유속의 감소가 반송 기체에 비해 늦는다. 기체분출노즐에 의해 기체를 분출하면, 기체분출노즐의 하류측에서는 연료입자에 기체분출노즐로부터 멀어지는 방향의 유속성분이 야기된다. 또한 기체분출노즐의 하류측에 조임부를 설치함으로써, 연료입자의 흐름이 가속되기 때문에, 연료입자의 편류가 조장된다. 이 때문에, 조임부를 설치함으로써, 기체분출노즐로부터의 기체유량의 편차에 의한 연료노즐 출구에서의 연료농도 편차는 커진다. 이렇게 하여, 화로내에서의 연료의 연소위치의 치우침은 커져, 각 전열부의 전열량 제어범위가 넓어진다.

청구항 4에 기재된 발명은, 조임부가 상기 연료노즐을 구성하는 격벽에 설치되거나, 또한 상기 연료노즐의 중앙 축심부에 설치되는 청구항 3에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐의 설계시의 형편에 맞추어 조임부를 설치할 수 있다. 예를 들면, 착화성이 나쁜 연료를 사용하는 경우는, 연료노즐을 구성하는 격벽을 따라서 연료를 모으는 것이 바람직하다. 연료노즐의 중앙 축심부에 조임부를 설치하면, 연료입자에 외주방향으로의 유속성분이 야기되기 때문에, 연료노즐을 구성하는 격벽을 따라서 연료를 모으는 것이 가능해지고, 연료입자의 착화를 촉진시켜, 안정하게 화염을 형성시킬 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명은, 상기 연료노즐내에 설치된 기체분출노즐의 하류측의 연료노즐의 유로가 복수로 분할되어 있는 청구항 1에서 4중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 기체분출노즐의 하류에서, 연료노즐의 유로가 복수로 분할되어 있음으로써, 연료노즐내의 연료농도 편차는 연료노즐 출구까지 유지할 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명은, 상기 연료노즐의 외주측 격벽의 선단부에, 상기 연료노즐을 흐르는 혼합 유체의 흐름과 상기 공기노즐을 흐르는 공기의 흐름의 어느 한쪽 또는 양쪽을 방해하는 장해물을 설치한 청구항 1에서 5중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 장해물의 하류에는 주위를 흐르는 유체의 압력에 의해, 부압의 영역이 형성된다. 이 부압의 부분에는 연료노즐 또는 공기노즐로부터 분출하는 방향에 대해 역방향(하류에서 상류)을 향하는 흐름인 순환류가 형성된다. 순환류에는 연소에 의해 생긴 고온의 가스가 체류하여, 주위를 흐르는 연료입자의 착화를 앞당긴다. 이렇게 하여 화염의 착화를 연료노즐 출구로부터 안정하게 형성하는 것에 의해, 화염 형성위치가 급격하게 변화하는 것을 피하여, 각 전열부의 전열량의 제어를 안정화 할 수 있다.

청구항 7에 기재된 발명은, 상기 공기노즐 중 최외주 공기노즐의 선단부에 공기류(Air flow)를 연료노즐로부터 멀어진 방향으로 편향시키는 확관부를 설치한 청구항 1에서 6중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 최외주 공기노즐 출구가 외주방향으로 확관되어 있기 때문에, 상기 최외주 공기노즐로부터 분출하는 공기의 방향이 외주측에 고정되고, 특히 유량을 감소시킨 경우에도 연료와 공기와의 버너 근방에서의 혼합을 억제하는 것이 가능하게 된다.

고체연료의 연소시에 발생하는 질소산화물(NOx)의 억제방법으로서, 버너 근방에서의 연료와 공기와의 혼합을 억제하고, 연료를 버너 근처에서는 공기가 부족한 조건에서 연소시키는 방법이 알려져 있다. 이 방법을 이용한 버너에 있어서 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 감소시킨 경우, 공기가 연료 분류에 동반되어, 중심축측을 향하여 흘러서, 연료와의 혼합이 앞당겨지는 경우를 생각할 수 있다. 그러나, 최외주의 공기노즐의 선단부에 공기류를 연료노즐로부터 멀어진 방향으로 편향시키는 확관부를 설치함으로써, 상술한 바와 같이 최외주 공기노즐로부터 분출하는 공기의 방향이 외주측을 향하여, 연료와 공기와의 버너 근방에서의 혼합을 억제하는 것이 가능하게 된다.

청구항 8에 기재된 발명은, 상기 최외주 공기노즐은 둘레방향에 2개 이상의 분할한 유로를 갖고, 상기 개개의 유로에는, 공기유량을 조정하는 수단을 구비한 청구항 7에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 최외주 공기노즐이 둘레방향에 2개 이상의 분할한 유로를 갖고, 각각의 유로에는 공기유량 조정수단을 가지므로, 개개의 유로를 흐르는 공기유량을 변경함으로써, 예를 들면, 개개의 유로의 공기류의 운동량의 편차를 발생할 수 있고, 그대로 버너 출구에서의 최외주 공기노즐로부터의 공기 분출류의 운동량에 유로마다 편차를 발생할 수 있다.

예를 들면, 최외주 공기노즐의 아래쪽의 공기유량을 증가시키면, 상기 노즐 출구에서의 공기유량과 유속이 상승하여 운동량이 증가한다. 연료노즐로부터 연료가 수평으로 분출될 때에, 상기 최외주의 공기노즐로부터의 공기에 유도되어, 아래로 향한 힘이 작용한다. 이 때문에, 버너로부터 공기류의 분출 후, 연료도 상기 공기 분류에 유도되어 하향으로 치우쳐 흘러, 화염이 통상보다 하부에 형성된다. 이 때문에, 화로내의 온도 분포가 버너의 아래쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량이 증가하여, 화로의 하류측의 연도부(화로 천정부로부터 매단 과열기 등의 전열관 또는 후부 전열부의 전열관)에 설치한 전열관에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 반대로 최외주 공기노즐의 위쪽의 공기유량을 증가시키면, 화염이 통상보다 상부에 형성되어, 화로내의 온도 분포가 위쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량이 감소하고, 화로의 상기 하류측의 연도부에 설치한 전열관에서의 열흡수량을 증가시키는 것이 가능하게 된다.

청구항 9에 기재된 발명은, 청구항 1에서 8중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너가 배치된 화로의 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 표면온도, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 표면온도 및/또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 버너의 상하방향으로 개별적으로 제어하는 제어장치를 갖는 연소장치이다.

청구항 10에 기재된 발명은, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 상향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 적게 하고, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 많게 하고, 또한, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 하향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 많게 하고, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 적게 하는 청구항 9에 기재된 연소장치의 운전방법이다.

청구항 9, 10에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐내에 설치한 복수의 기체분출노즐의 기체 분출량을 서로 조정하는 것에 의해 연료농도에 연료노즐의 둘레방향의 분포를 갖게 할 수 있다. 예를 들면, 연료노즐내의 상하방향에 기체분출노즐을 가지고 있는 경우에는, 상기 버너의 위쪽의 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 연료노즐내에서 연료입자는 상기 노즐의 위쪽에서 희박하게 되어, 상대적으로 상기 노즐의 아래쪽에 농축된다. 이 때문에, 연료노즐로부터의 상기 혼합 유체의 분출 후에는, 연료가 버너의 아래쪽에서 많이 연소되기 때문에, 연소에 의해 생기는 노내의 고온역은 버너의 아래쪽으로 치우친다. 이렇게 하여 화로내의 온도 분포가 버너의 아래쪽으로 치우치기 때문에, 화로에서의 열흡수량이 증가하고, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관에서의 열흡수량이 감소한다. 또한, 연료노즐내의 아래쪽의 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 연료입자는 상대적으로 연료노즐의 아래쪽에서 희박, 상대적으로 연료노즐의 위쪽에서 농축된다. 이 때문에, 연료노즐로부터 화로에 혼합 유체를 분출 후, 연료가 버너의 위쪽에서 많이 연소되기 때문에, 연소에 의해 생기는 화로내의 고온역은 버너의 위쪽으로 치우친다. 화로내의 온도 분포가 버너의 위쪽으로 치우치기 때문에, 화로에서의 열흡수량이 감소하고, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관에서의 열흡수량이 증가한다.

이와 같이, 복수의 기체분출노즐로부터 분출시키는 기체유량에 각 기체분출노즐에서 서로 편차를 줌으로써, 화로나 그 하류측의 연도부에 설치한 전열관 등의 각 전열부에 있어서 규정의 전열량으로 조정, 제어하는 것이 가능하게 된다.

이 때, 상기 화로 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 표면온도, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 표면온도 및/또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너의 연료노즐에 내포한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상하방향으로 개별적으로 제어할 수 있다.

그 결과, 화로 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로 안이나 그 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도를 일정하게 유지하기 때문에, 화염의 형성위치를 바꾸는 것이 가능하게 된다.

청구항 11에 기재된 발명은, 청구항 1에서 8중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너가 배치된 화로의 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 표면온도, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 표면온도 및/또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량과 함께, 상기 고체연료 버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 버너의 상하방향으로 개별적으로 제어하는 제어장치를 갖는 연소장치이다.

청구항 12에 기재된 발명은, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 화로내에서 상향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽을 적게 하고, 상기 연료노즐의 아래쪽에 많은 유량을 주는 동시에, 상기 고체연료 버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 상기 버너의 위쪽에 비교적 많고, 상기 버너의 아래쪽에 비교적 적은 유량을 주고, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 하향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 많고, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 적은 유량을 주는 동시에, 상기 고체연료 버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 상기 버너의 위쪽에 비교적 적고, 상기 버너의 아래쪽에 비교적 많은 유량을 주는 청구항 11에 기재된 연소장치의 운전방법이다.

청구항 11, 12에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐에 내포한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량의 조정과 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량의 조정에 의해, 고체 버너 출구에서의 화염의 형성위치의 상하방향 등의 제어를 청구항 9, 10에 기재된 발명에 비해 보다 광범위하게 행할 수 있다.

예를 들면, 연료노즐의 위쪽의 기체분출노즐의 유량을 상대적으로 증가시키고, 연료노즐의 아래쪽의 3차 공기노즐의 유량을 상대적으로 증가시키면, 연료노즐 출구에 있어서, 연료노즐의 위쪽은 공기량이 많고, 연료량이 비교적 적어지고, 연료노즐의 아래쪽에서는 연료량이 비교적 많아진다. 또한, 연료노즐 출구에 있어서, 상기 버너의 아래쪽의 3차 공기노즐로부터의 공기유량이 많기 때문에, 적정한 연료와 공기의 비율을 유지하고 연소가 진행된다. 이 때문에, 화로내의 온도 분포가 상기 버너의 아래쪽으로 치우쳐, 화로에서의 열흡수량이 증가하고, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 전열면(화로 천정부로부터 매달리는 과열기의 전열면 또는 후부 전열부에 배치되는 과열기의 전열면)에서의 열흡수량을 감소시키는 동시에, 국소적인 연료와 공기의 비율도 적정범위에 유지할 수 있기 때문에, 질소산화물과 같은 연소 생성물을 억제한 연소 조건을 유지할 수 있다.

청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐내에 기체분출노즐을 설치하고, 기체분출노즐로부터 기체를 연료노즐내에 분출함으로써, 기체분출노즐의 하류측은 연료입자가 흘러들어가기 어려워지기 때문에, 연료농도가 감소한다. 일부의 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 둘레방향으로 연료농도의 분포를 갖게 할 수 있다. 고체연료 버너로부터 분출하는 연료 분류는 연료농도의 분포를 갖기 때문에, 화로내에서의 연료의 연소위치를 바꿀 수 있다.

청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐의 내부에 상하방향에 설치된 2개 이상의 기체분출노즐내의 일부의 기체분출노즐로부터 기체를 분출함으로써, 화로내에서 상하방향으로 연료농도의 분포를 갖게 할 수 있다. 고체연료 버너로부터 분출하는 연료 분류는 화로내에서 상하방향으로 연료농도의 분포를 갖기 때문에, 화로내에서의 연료의 연소위치를 상하방향으로 바꿀 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1 또는 2에 기재된 발명의 효과에 더하여, 기체분출노즐의 하류측에 설치한 조임부에 의해 유로 축소부에서는 연료노즐내를 흐르는 연료입자는 그 유속이 가속되고, 연료입자의 편류가 조장된다. 이 때문에, 기체분출노즐로부터 분출하는 기체유량의 편차에 의한 연료노즐 출구에서의 연료농도 편차는 커진다. 이 때문에, 화로내에서의 연료의 연소위치의 치우침은 커져, 각 전열부의 전열량 제어범위가 넓어진다.

청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 청구항 3에 기재된 발명의 효과에 더하여, 예를 들면, 착화성이 나쁜 연료를 사용하는 경우는, 연료노즐을 구성하는 격벽을 따라서 연료를 모으는 것이 바람직하다. 연료노즐의 중앙 축심부에 조임부를 설치하면, 연료노즐내를 흐르는 연료입자에 외주방향에의 유속성분을 야기 하기 때문에, 연료노즐을 구성하는 격벽을 따라서 연료를 모으는 것이 가능해지고, 연료입자의 착화를 촉진시켜, 안정하게 화염을 형성시킬 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에서 4중의 어느 한 항에 기재된 발명의 효과에 더하여, 기체분출노즐의 하류에서, 연료노즐의 유로가 복수로 분할되어 있음으로써, 연료노즐내의 연료농도 편차는 연료노즐 출구까지 유지할 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에서 5중의 어느 한 항에 기재된 발명의 효과에 더하여, 장해물의 하류부에 순환류가 형성되기 때문에, 화염의 착화를 연료노즐 출구로부터 안정하게 형성할 수 있어, 화로내에서의 화염 형성위치가 급격하게 변화하는 것을 피하여, 각 전열부의 전열량의 제어를 안정화 할 수 있다.

청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에서 6중의 어느 한 항에 기재된 발명의 효과에 더하여, 최외주의 공기노즐의 선단부에 공기류를 연료노즐로부터 멀어진 방향으로 편향시키는 확관부를 설치함으로써, 최외주 공기노즐로부터 화로내에 분출하는 공기의 방향이 외주측으로 향하여, 화로내에서의 연료와 공기와의 버너 근방에서의 혼합을 억제하는 것이 가능하게 된다.

청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에서 7중의 어느 한 항에 기재된 발명의 효과에 더하여, 최외주 공기노즐로부터 화로내에 분출하는 공기유량에 분포를 갖게 할 수 있어, 화로 및 화로의 하류측의 연도부에서의 열흡수량을 조정할 수 있다.

청구항 9, 10에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐내에 설치한 복수의 기체분출노즐의 기체 분출량을 서로 조정하는 것에 의해 연료농도에 연료노즐의 둘레방향의 분포를 갖게 할 수 있다. 이와 같이, 복수의 기체분출노즐로부터 분출시키는 기체유량을 각 기체분출노즐에서 서로 편차를 줌으로써, 화로나 그 하류측의 연도부에 설치한 전열관과 같이 각 전열부에 있어서 규정의 전열량으로 조정, 제어하는 것이 가능하게 된다.

청구항 11, 12에 기재된 발명에 의하면, 연료노즐에 내포한 복수의 기체분출노즐을 흐르는 기체유량의 조정과 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량의 조정에 의해, 고체 버너 출구에서의 화염의 형성위치의 제어를 청구항 9, 10에 기재된 발명에 비해 보다 광범위하게 행할 수 있고, 또한, 국소적인 연료와 공기의 비율도 적정범위에 유지할 수 있기 때문에, 질소산화물과 같은 연소 생성물을 억제한 연소 조건을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 고체연료 버너의 단면 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 있어서의 운용 상태를 설명하기 위한, 고체연료 버너의 단면 개략도이다.
도 3은 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 고체연료 버너를 화로벽에 설치한 연소장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 고체연료 버너의 변형예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예 1의 고체연료 버너의 변형예를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예 2의 고체연료 버너의 단면 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3의 고체연료 버너의 단면 개략도이다.
도 9는 실시예 3에 있어서의 운용 상태를 설명하기 위한, 고체연료 버너의 단면 개략도이다.
도 10은 도 8의 고체연료 버너를 화로측에서 본 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 3의 변형예의 고체연료 버너를 화로측에서 본 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 4인 연소장치의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4의 연소장치에서의 운용 상태를 설명하기 위한, 화로 출구 온도변화의 그래프의 일례이다.

본 발명의 실시형태를 도면과 함께 설명한다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1을 나타내는 고체연료 버너의 단면 개략도를 도 1에 도시하고, 도 2에는 도 1의 고체연료 버너의 단면에 있어서의 기체분출노즐로부터 분출하는 기체유량을 바꾼 경우의 화로내에서의 화염 형성 상황의 개략도를 도시한다. 또한, 도 3에 도 1의 A-A선 단면도를 도시한다. 도 4는, 본 발명의 실시예 1에 나타내는 고체연료 버너를 화로에 넣은 경우의 개략도를 도시한다. 또한, 도 5, 도 6은 본 발명의 실시예 1의 변형예를 도시한다.

도 1에 있어서, 상류측에서 도시되지 않은 고체연료(미분탄)와 그 반송용 기체의 혼합 유체(14)의 반송관에 접속되고, 상기 혼합 유체(14)를 공급 반송하는 연료노즐(10)이 버너(60)의 중심부에 설치되고, 연료노즐(10)의 외주에는 연료노즐 (10)과 동심원 형상으로 2차 공기(15)의 분출용 2차 공기노즐(11)이 설치된다. 또한, 3차 공기(16)를 분출하는 3차 공기노즐(12)이 2차 공기노즐(11)의 외주에, 2차 공기노즐(11)과 동심원 형상으로 설치되고, 이 경우는 상기 3차 공기노즐(12)이 최외주 공기노즐이 된다.

연료노즐(10)의 중앙부를 관통하여 오일 건(Oil gun)(18)이 설치되고, 버너 (60)의 기동시나 저부하 연소시에 조연(Assisting combustion)하기 위한 기름을 선단으로부터 분출한다. 또한, 연료노즐(10)의 내벽에는 조임부(장해물)(19)가 설치되고, 고체연료의 역화(Backfire) 방지의 역할도 담당한다.

연료노즐(10)과 2차 공기노즐(11)을 분리하는 격벽(21)의 외측의 선단부(화로 출구측)에는 화염유지 링(Flame stabilizing ring)(20)이라 불리는 장해물을 설치한다.

화로벽(29)에 개구되어 있는 버너 스로트부(Burner throat portion)(23)는 3차 공기노즐(12)의 외주벽을 겸하고 있다. 또한, 2차 공기노즐(11)과 3차 공기노즐 (12)을 분리하는 격벽(25)의 선단부에는 유도부재(가이드 슬리브)인 확관부(24)가 설치된다. 또한, 연소용 공기는 윈드박스(Wind box)(27)로부터 도입되며, 2차 공기 (15)와 3차 공기(16)로 나뉘어 화로내에 공급된다. 상기 윈드박스(27)내에는 2차 공기노즐(11)에 유입되는 2차 공기(15)의 유량을 조절하는 댐퍼(30)와, 3차 공기노즐(12)에 유입되는 3차 공기(16)의 유량을 조절하는 댐퍼(31)가 설치된다. 또한, 윈드박스(27)의 격벽(26)에는 덕트(79,80)가 설치되고, 덕트(79,80)에는 연료노즐 (10)의 내부에 기체분출노즐(81,82)이 각각 접속한다. 기체분출노즐(81,82)은 연료노즐(10)의 내벽측의 둘레방향에 복수 설치되어 있고, 본 실시예에서는 기체분출노즐(81,82)을 흐르는 기체로서 연소용 공기를 윈드박스(27)로부터 덕트(79,80)를 경유하여 도입하고 있다.

기체분출노즐(81,82)은 조임부(장해물)(19)의 상류측에 설치되어 있다. 또한, 덕트(79,80)내에 각각 조절 댐퍼(83,84)가 설치되고, 상기 조절 댐퍼(83,84)는 기체분출노즐(81,82)로부터 분출하는 기체유량을 조정한다. 기체분출노즐(81,82)은 연료노즐(10)의 둘레방향에 복수 설치되어 있다.

또한 화로벽(29)에는 증기 생성용 수관(28)을 설치하고 있다.

또한, 연료노즐(10)로부터 화로(74)내에 분출되는 미분탄과 그 반송 기체(1차 공기)와의 혼합 유체(연료 분류)(14)의 흐름(41,42), 2차 공기노즐(11)로부터 분출되는 2차 공기(15)의 흐름(43) 및 3차 공기노즐(12)로부터 분출되는 3차 공기 (16)의 흐름(44)에 의해, 화염(46)과 화염(46)내의 고온역(47)이 생긴다.

다음에, 도 4는 본 발명의 고체연료 버너(60)를 화로(74)의 측벽(75)에 설치한 연소장치의 개략도이다.

고체연료는 연료 호퍼(68)로부터 분쇄기(66)에 공급되어, 미분쇄된다. 미분쇄된 고체연료는 연료 반송관(65)을 경유하여 반송 공기팬(67)으로부터의 반송 공기에 의해 고체연료 버너(60)의 연료노즐(10)에 보내진다. 연소용 공기는 공기팬 (70)으로부터 유량조절밸브(도시하지 않음)를 구비한 공기 덕트(61)를 경유하여 고체연료 버너(60)에 공급된다.

일반적으로 화로(74)에는 상기 고체연료 버너(60)가 복수 배치되지만, 본 실시예에서는 고체연료 버너(60)가 1대 접속되어 있는 경우를 예로 설명한다.

화로(74)를 구성하는 측벽(75)은 수관으로 구성되어 있고, 연소열을 흡수한다. 또한 화로(74)의 하류측에는 화로(74)내에 과열기 등의 전열관의 전열면(76)이 배치된다. 또한, 화로(74)의 측벽(75)의 수관이나 전열면(76)에서의 열흡수량을 측정하기 위해, 물이나 증기의 온도, 혹은 수관이나 전열관을 구성하는 재료의 온도를 계측하는 온도계가 적절한 개소에 설치된다.

도 4에서는 화로(74)의 수관 출구에서의 증기 온도와 전열면(76)의 출구에서의 증기 온도를 바탕으로, 고체연료 버너(60)의 기체분출노즐의 조절 댐퍼(83,84) (도 1, 도 2)를 제어하는 제어 연산기(73)를 구비하고 있다.

본 실시형태에서의 연소 상황을 먼저, 도 1에 따라 설명한다.

고체연료 버너(60)에서의 연소에서는, 연료노즐(10)과 2차 공기노즐(11)을 분리하는 격벽(21)의 하류측 영역의 기체는, 각각의 노즐(10,11)로부터 화로(74)내에 분출하는 기체의 분류에 유도된다. 격벽(21) 선단부에 설치된 화염유지 링(20)은 연료노즐(10)로부터 분출하는 연료와 그 반송용 기체의 혼합 유체(14)의 흐름(이하, 미분탄 분류라고 기재하는 경우가 있다)(41,42)이나 2차 공기노즐(11)을 흐르는 2차 공기(15)의 흐름(43)에 대해서 장해물로서 작용한다. 이 때문에, 화염유지 링(20)의 하류측(화로 내측)의 압력이 저하하고, 이 부분은 미분탄 분류(41,42)나 2차 공기(15)의 흐름(43)과는 역방향의 흐름이 야기된다. 이 반대 방향의 흐름을 순환류(22)라고 부른다. 순환류(22)내에는 화로(74)내의 연료노즐(10)의 하류로부터 미분탄의 연소로 생긴 고온 가스가 흘러들어, 체류한다. 이 고온 가스를 연료 분류(41,42)의 옆에 형성함으로써, 연료 분류중의 미분탄의 착화를 앞당겨, 화염을 안정하게 형성할 수 있다.

연료노즐(10)의 출구 근방의 화로(74)내에 화염이 형성되고, 산소의 소비가 진행됨으로써, 화염내에 산소 농도가 낮은 환원염(Reducing flame) 영역이 넓어진다. 이 환원염내에서는 고체연료(미분탄)에 함유되는 질소분이 암모니아나 시안과 같은 환원물질로서 방출되어, 질소산화물(NOx)을 질소로 환원하는 환원제로서 작용한다. 이 때문에, NOx 발생량을 저감할 수 있다. 또한, 착화가 앞당겨짐으로써 고체연료의 연소 반응이 진행되어, 연료재(Fuel ash)중의 미연소분(이하, 미연분이라고 기재한다)도 감소한다. 3차 공기노즐(12)의 출구에는 버너(60)의 외주방향에 3차 공기(16)를 유도하기 위한 확관부(24)를 설치함으로써, 연료 혼합 유체의 흐름 (41,42)과 3차 공기(16)의 흐름(44)이 떨어져서 흐르기 때문에, 버너(60) 근방의 화로(74)내에서의 연료와 3차 공기와의 혼합이 늦고, 환원염 영역이 넓어진다.

다음에 본 실시예의 특징에 대해서, 도 1, 도 2를 이용하여 설명한다.

도 1은, 기체분출노즐(81,82)로부터 등량의 기체(연소용 공기)를 흘린 경우, 도 2는 연료노즐(10)의 아래쪽에 설치한 기체분출노즐(82)에 비해 연료노즐(10)의 위쪽에 설치한 기체분출노즐(81)로부터 보다 많은 기체를 흘린 경우의 화로(74)내에서의 연소가스의 분포를 모식적으로 도시한 것이다.

도 2와 같이 기체분출노즐(81)로부터의 기체유량을 증가시킨 경우, 기체분출노즐(81)의 하류측은 연료입자가 흘러들어가기 어려워지기 때문에, 연료농도가 감소한다. 이와 같이 일부의 기체분출노즐(81)로부터 보다 많은 기체를 분출함으로써, 연료농도에 연료노즐(10)의 둘레방향의 분포를 갖게 할 수 있다.

예를 들면, 도 2에 도시하는 경우, 연료노즐(10)의 상하방향에 기체분출노즐 (81,82)을 갖고, 연료노즐(10)의 아래쪽의 기체분출노즐(82)에 비해 연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐(81)로부터 보다 많은 기체를 분출함으로써, 연료입자는 위쪽에서 희박하게 되어, 상대적으로 아래쪽에 농축된다. 이 때문에, 연료노즐(10)로부터 연료 혼합 유체(14)를 분출 후, 화로(74)내에서는 연료가 버너(60)의 아래쪽에서 많이 연소되기 때문에, 연소에 의해 생기는 화로(74)내의 고온역은 아래쪽으로 치우친다. 화로(74)내의 온도 분포가 버너(60)의 아래쪽으로 치우치기 때문에, 화로(74)에서의 열흡수량이 버너(60)의 아래쪽에서 증가하고, 화로(74)의 하류부{도 4에 도시하는 화로(74) 천정부로부터 매달리는 과열기 등의 전열면(76)과 후부 전열부의 전열관의 전열면(76)}에 설치한 전열관에서의 열흡수량을 감소한다.

본 실시예에 있어서는, 기체분출노즐(81,82)은 조임부(장해물)(19)의 상류측에 설치했지만, 조임부(장해물)(19)의 설치에 의한 연소 노즐(10)내의 유로 축소부에서는 연소 노즐(10)을 흐르는 연료입자는 그 유속이 가속된다. 또한, 일단 가속된 연료입자는 반송 기체에 비해 질량이 크기 때문에, 조임부(장해물)(19)의 설치에 의한 연소 노즐(10)내의 유로 확대부에 있어서도 유속의 감소가 반송 기체에 비해 늦는다. 이 때문에, 상기 유로 축소부의 상류측에서 기체분출노즐(81,82)에 의해 연료농도 편차를 줌으로써, 상기 유로 축소부에서 연료입자의 편류가 조장된다. 이 때문에, 기체분출노즐(81,82)로부터의 기체유량의 편차에 의한 연료노즐(10)의 출구에서의 연료농도 편차는 커진다. 예를 들면, 연료노즐(10)내의 연료입자의 흐름(41,42)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 버너(60)의 아래쪽으로 치우쳐 흐른다. 이 때문에, 화로(74)내의 고온역(47)의 버너(60) 출구에서의 치우침은 크고, 각 전열부의 전열량 제어범위가 넓어진다.

또한, 연료노즐(10)내에 조임부(장해물)(19)를 설치함으로써, 연료노즐(10)의 유로 단면적이 좁아지기 때문에, 연료 혼합 유체(14)의 유속이 높고, 연료입자의 연료노즐(10)내에의 역류에 의한 역화를 막을 수 있다. 특히, 기체분출노즐(81, 82)로부터 공기와 같은 산소 함유 기체를 분출하는 경우, 기체분출노즐(81,82)의 근처에서의 이상 연소를 조임부(19)를 설치함으로써 방지할 수 있다.

상기 조임부(장해물)(19)는 도 6에 도시하는 바와 같이 연료노즐(10)의 중심부에 설치되는 조연용 오일 건(18)의 외주부에 설치해도 좋다.

또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 연료노즐(10)내에 조임부(장해물)(19)를 설치하지 않는 구성이고, 연료노즐(10)의 유로 단면적이 일정한 경우, 조임부(장해물)(19)가 존재하는 경우에 비해 연료 편차는 작아지지만, 기체분출노즐(81,82)로부터 기체를 분출한 경우, 그 하류측은 연료입자가 흘러들어가기 어려워지기 때문에, 연료농도가 감소하는 효과는 얻을 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시하는 경우, 연료노즐(10)의 상하방향에 기체분출노즐(81,82)을 갖고, 연료노즐(10)의 아래쪽의 기체분출노즐(82)에 비해 연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐(81)로부터 보다 많은 기체를 분출함으로써, 연료입자는 연료노즐(10)의 위쪽에서 희박하게 되고, 상대적으로 연료노즐(10)의 아래쪽에 농축되며, 연료노즐(10)내의 연료입자의 흐름 (41,42)은 도 2에 도시하는 바와 같이 버너(60)의 아래쪽으로 치우쳐 흘러, 화로 (74)내에서의 고온역(47)의 버너(60) 출구에서의 치우침은 크고, 각 전열부의 전열량 제어범위가 넓어진다.

한편, 기체분출노즐(81,82)은 연료입자의 퇴적을 막기 위해, 소량의 유량을 확보하는 것이 바람직하다.

다음에, 화로내에서의 연소나 전열의 상황에 대해 도 4를 이용하여 설명한다.

화로(74)내에서의 화염(46,47)의 형성위치를 상기 연료노즐(10)내에 설치한 기체분출노즐(81,82)을 흐르는 공기유량에 주는 편차에 의해, 화로(74)내에서의 버너(60) 출구의 상하방향으로 제어하는 것이 가능하게 된다. 이 때, 화염(46,47)의 형성위치를 고온 가스가 충만하는 화로(74)내에서 직접 계측하는 것은 곤란하다. 따라서, 상기 화로(74)의 출구에서의 연소가스 온도, 화로(74) 벽면에 설치한 전열관의 온도, 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도, 또는 화로(74)내나 그 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너(60)의 기체분출노즐(81,82)을 흐르는 공기유량을 개별적으로 제어하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 화로(74)의 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관이나 그곳을 흐르는 유체의 온도는 화로(74)내에서의 열흡수량을 나타내는 지표이다. 화로(74)내에서의 열흡수량이 많은 경우, 연소가스 온도는 저하하고, 전열관온도나 유체 온도는 상승한다. 또한, 화로(74)의 하류측의 연도부에 설치한 전열면 (76)을 갖는 전열관의 온도나 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도가 낮은 경우는 화로(74)에서의 열흡수량이 상대적으로 많은 것을 도시한다.

화로(74)내에서의 열흡수량을 화로 후부의 상기 전열면(76)에 대해서 상대적으로 저하시키는 경우는, 화염(46,47)을 상향으로 형성시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 기체분출노즐(81,82)중, 아래쪽의 기체분출노즐(82)로부터의 공기량을 늘리고, 연료노즐(10)내의 연료입자를 연료노즐(10)의 위쪽에 모음으로써 화염(46)을 상향으로 형성시킬 수 있다.

또한, 화로(74)내에서의 열흡수량을 화로 후부의 상기 전열면(76)에 대해서 상대적으로 상승시키는 경우는, 도 2에 도시하는 화염(46,47)과 같이 하향으로 형성시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 기체분출노즐(81,82) 중, 연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐로부터의 공기량을 늘리고, 연료노즐(10)내의 연료입자를 아래쪽에 모음으로써 화염(46,47)(도 2)과 같이 화염을 하향으로 형성시킬 수 있다.

또한, 본 실시예의 고체연료 버너(60)는, 연료노즐(10)의 외주측의 격벽(21)의 선단에, 상기 연료노즐(10)을 흐르는 혼합 유체(14)나 상기 공기노즐(11)을 흐르는 공기의 흐름을 방해하는 화염유지 링(20)을 설치하고 있다. 또한, 최외주 공기노즐(12)의 출구에 흐름을 외주측(연료노즐로부터 멀어진 방향)으로 편향시키는 확관부(24)를 설치하고 있다.

상기 연료노즐(10)과 공기노즐(11)의 사이의 격벽(21)에 각 노즐(10,11)로부터 분출하는 연료나 공기의 흐름에 대한 장해물이 되는 화염유지 링(20)을 설치함으로써 화로(74)내에 순환류(22)가 형성된다. 이 순환류(22)에 고온 가스가 체류하여, 연료를 착화함으로써, 화염의 착화 위치를 연료노즐(10)의 출구의 순환류(22)의 근방에 고정하는 것이 가능하게 된다. 이와 같이 착화 위치를 고정 함으로써, 연료농도에 편차를 준 경우도, 화염의 형성 개시 위치를 고정할 수 있다. 이 때문에, 화로(74)내의 온도 분포나 화로(74)에서의 열흡수량, 화로(74)의 하류부에 설치한 전열면(76)을 갖는 전열관에서의 열흡수량을 제어하기 쉬워진다.

한편, 본 실시예에서는 화로(74)내의 연료의 연소위치를 연료노즐(10)내에 내포시킨 기체분출노즐(81,82)로부터 분출하는 공기의 유량으로 제어하고 있다. 화로(74)내에서의 연료의 연소위치를 바꾸는 방법에는 그 외에 연료노즐(10)의 방향을 바꾸는 방법과 연소용 공기의 유량을 바꾸는 방법의 2가지의 방법을 들 수 있다. 본 실시예의 경우, 고체연료 버너(60)로부터 분출하는 연료농도에 편차를 주고 있고, 연료노즐(10)의 방향을 바꾸는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 연료농도의 조정에 이용하는 유량 조정 댐퍼(83,84)는 화로(74)내를 향하는 위치로부터 떨어진 위치에 설치할 수 있다. 이 때문에, 가동부가 열변형을 받기 어려워져, 신뢰성이 향상한다. 또한, 기체의 유량에서 연료입자(농도)에 편차가 주어지기 때문에, 입자와 접촉하는 일이 없다. 이 때문에, 입자의 고착이나 마모에 의한 가동부의 동작의 신뢰성을 높이게 된다.

[실시예 2]

도 7은 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 고체연료 버너(60)의 단면을 도시하는 개략도이다. 본 실시예 2에 있어서의 도 1, 도 2에 도시하는 실시예 1과 다른 구성은, 도 7에 있어서, 연료노즐(10)내에 설치한 기체분출노즐(81,82)과 조임부(장해물)(19)의 하류측에서 연료노즐(10)을 상하로 분할하는 분할판(90)을 설치하고 있는 것이고, 그 외의 구성은 실시예 1과 동일하므로, 그러한 설명은 생략한다.

본 실시예에서는 분할판(90)으로서 연료노즐(10)을 상하방향으로 2분할한 분할판(90)으로 이루어지는 구성이지만, 연료노즐(10)과 동심원 형상으로 배치한 원통부재로 이루어지는 구성이더라도 좋다.

분할판(90)에 의해 연료노즐(10)내의 유로를 분할함으로써, 연료노즐(10)내의 연료농도 편차는 연료노즐(10)의 출구까지 유지할 수 있다. 도 7에 도시하는 제 2 실시예의 경우에는, 연료노즐(10)의 상하방향에 기체분출노즐(81,82)을 갖고, 연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐(81)로부터 기체를 분출함으로써, 연료노즐(10)의 출구에서의 연료입자는 상대적으로 연료노즐(10)의 위쪽에서 희박하게 되어, 상대적으로 연료노즐(10)의 아래쪽에 농축된다. 또한, 기체분출노즐(81,82)을 조임부 (장해물)(19)의 상류측에 설치함으로써, 연료입자의 편류가 조장된다. 이 때문에, 기체분출노즐(81,82)로부터의 기체유량의 편차에 의한 연료노즐(10)의 출구에서의 연료농도 편차는 커진다. 조임부(장해물)(19)의 하류측에서 연료노즐(10)을 분할함으로써, 연료노즐(10)의 출구에서의 연료 편차를 유지한다. 여기서, 기체분출노즐 (81,82)의 유량 조정과 그 효과는 본 발명의 실시예 1에서 설명한 바와 같다.

[실시예 3]

도 8과 도 9는 본 발명의 제 3 실시예를 나타내는 고체연료 버너(60)의 단면을 도시하는 개략도이다. 또한 도 10은 도 8에 도시하는 고체연료 버너(60)를 화로 (74)측에서 본 개략도이다. 또한 도 11은 제 3 실시예의 변형예를 도시하는 화로 (74)측에서 본 개략도이다.

본 실시예에 있어서의 도 1에 도시하는 실시예 1과 다른 구성은, 도 8에 있어서, 3차 공기노즐(12,13)이 상하방향에 유로를 형성하는, 분할된 다른 공기노즐로 되어 있는 것이다.

또한, 조임부(장해물)(19)의 하류측에서, 연료노즐(10)을 상하로 분할하는 한 쌍의 분할판(90,90)을 설치하고 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이 본 실시예에서는 연료노즐(10)을 상하방향으로 분할하는 한 쌍의 분할판(90,90)을 설치하고 있지만, 연료노즐(10)을 동심원 형상으로 분할하는 하나의 분할판(90)이더라도 상관없다.

또한, 본 실시예에서는 3차 공기노즐(12,13)에는 각각 유량조절 댐퍼(31,32)를 설치하고 있지만, 윈드박스를 이용하지 않고, 개별적으로 공기유량을 조정하는 구성으로 하여 연소용 공기를 3차 공기노즐(12,13)에 공급해도 좋다.

도 9에서는, 연료노즐(10)의 위쪽의 3차 공기노즐(12)을 흐르는 공기유량을 적게 하고, 연료노즐(10)의 아래쪽의 3차 공기노즐(13)을 흐르는 공기유량을 많이 설정하고 있는 경우를 도시한다.

상하의 3차 공기노즐(12,13)을 흐르는 공기유량의 차이에 의해, 고체연료 버너(60)로부터 화로(74)내에 분출하는 3차 공기 분류는 상하방향으로 치우친다. 구체적으로는, 연료노즐(10)의 아래쪽의 3차 공기노즐(13)을 흐르는 공기유량을 연료노즐(10)의 위쪽의 3차 공기노즐(12)을 흐르는 공기유량보다 증가시키고, 거기로부터 화로(74)내에 분출하는 유속도 증가한다. 유량과 분출 유속과의 곱으로 구해지는 운동량도, 버너(60) 축방향의 운동량이 강해지는 것 외, 아래로 향한 운동량이 증가한다.

3차 공기의 기류에 의해, 노즐(12,13)의 출구에서는 주위의 가스가 기류에 말려 들어가기 때문에 부압이 생기고, 그 부압에 의해 3차 공기 분류의 근처를 흐르는 2차 공기가 하향으로 치우쳐 흐르게 된다. 또한 순환류(22)도 2차 공기의 흐름(43)을 따라서 아래쪽으로 치우치기 때문에, 순환류(22)의 근방을 흐르는 연료 분류도 하향으로 치우친다.

연료노즐(10)내에 설치한 기체분출노즐(81,82)을 상하방향으로 분할하고, 개개의 유로를 흐르는 공기유량에 편차를 줌으로써, 연료노즐(10)의 출구에서, 상하방향으로 연료 편차를 주는 점은 실시예 1에 나타내는 바와 같다. 또한 본 실시예에서는 3차 공기의 유량 편차를 줌으로써, 화로(74)내에서의 화염의 형성위치를 상하방향으로 제어하는 것이 가능해지기 때문에, 상승효과에 의해 제어범위는 넓어진다.

예를 들면, 연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐(81)의 유량을 상대적으로 증가시키면, 연료노즐(10) 출구에서, 연료 분류(41,42)는 버너(60)의 위쪽은 연료량이 상대적으로 적어지고, 버너(60)의 아래쪽에서는 상대적으로 많아진다. 이 때문에, 연료노즐(10)로부터 화로(74)내에 분출하는 연료 분류(41,42)는 수평방향을 향해서 분출함에도 불구하고, 버너(60) 출구 근방의 화로(74)내에서는 상하방향의 연료농도의 분포가 달라, 버너(60)의 아래쪽의 연료 분류(42)측으로 치우쳐서 연료가 흐른다.

또한, 연료노즐(10)의 아래쪽의 3차 공기노즐(13)의 유량을 상대적으로 증가시키면, 상술한 공기 분류의 운동량 편차에 의한 노즐 출구에서의 압력 분포에 의해, 상기 공기 분류의 옆을 흐르는 연료 분류(42)는 버너(60)의 아래쪽으로 치우쳐 흐른다. 즉, 연료노즐(10)로부터 화로(74)내에 분출하는 연료는 버너(60)의 아래쪽으로 치우쳐 공급되기 때문에, 화염의 형성위치도 아래쪽으로 치우친다.

또한, 연료가 연료노즐(10)의 아래쪽으로 치우쳐 공급되는 동시에, 3차 공기도 연료노즐(10)의 아래쪽으로 많이 흐르기 때문에, 적정한 연료와 공기의 비율을 유지하고 연소가 진행된다. 이 때문에, 화로(74)내의 온도 분포가 아래쪽으로 치우쳐, 화로(74)에서의 열흡수량이 증가하여, 화로(74)의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 전열면(76)(화로 천정부로부터 매달리는 과열기의 전열면 또는 후부 전열부에 배치되는 과열기의 전열면)에서의 열흡수량을 감소시키는 동시에, 국소적인 연료와 공기의 비율도 적정범위에 유지할 수 있기 때문에, 질소산화물과 같은 연소 생성물을 억제한 연소 조건을 유지할 수 있다.

도 11은 실시예 3의 변형예이며, 고체연료 버너(60)를 화로(74)측에서 본 개략도를 도시한다. 도 11에 도시하는 버너(60)는, 도 10에 도시하는 실시예 3의 버너(60)와는 3차 공기노즐의 구조가 다르며, 3차 공기노즐을 둘레방향으로 4분할하여 노즐(12,13,91,92)로 형성한 예이다.

[실시예 4]

도 12는 본 발명의 고체연료 버너(60)를 화로(74)의 측벽(75)에 설치한 연소장치의 개략도이다.

고체연료 버너(60)는, 연료노즐(10)과, 도시하지 않지만 도 1 등에 도시하는 공기노즐(12,13)과 연료노즐(10)에 내포되는 기체분출노즐(81,82)을 구비하고 있다. 연료 호퍼(68)로부터 고체연료의 분쇄기(66)에 공급된 고체연료는 분쇄되어, 연료 반송관(65)을 경유하여 반송 공기팬(67)으로부터의 반송 공기에 의해 연료노즐(10)에 보내진다.

공기노즐(12,13)에는 공기팬(70)으로부터, 유량조절밸브(69)를 구비한 공기 덕트(61)를 경유하여 연소용 공기가 공급된다. 또한, 기체분출노즐(81,82)에는 상기 공기 덕트(61)로부터 분기하여, 각각 유량조절밸브(71,72)를 구비한 공기 덕트 (62,63)을 경유하여 공기팬(70)으로부터의 공기가 공급된다.

일반적으로 화로(74)에는 상기 고체연료 버너(60)가 복수 배치되지만, 본 실시예에서는 고체연료 버너(60)가 1대 접속되어 있는 경우를 예로 설명한다.

화로(74)를 구성하는 측벽(75)은 수관으로 구성되어 있어, 연소열을 흡수한다. 또한 화로(74)의 하류측에는 화로(74)내에 과열기 등의 전열관의 전열면(76)이 배치된다. 또한, 화로(74)의 측벽(75)의 수관이나 전열면(76)에서의 열흡수량을 측정하기 위해, 물이나 증기의 온도, 혹은 수관이나 전열관을 구성하는 재료의 온도를 계측하는 온도계가 적절한 개소에 설치된다.

도 12에서는 화로(74)의 수관 출구에서의 증기 온도와 전열면(76)의 출구에서의 증기 온도를 바탕으로, 유량조절밸브(71,72)를 제어하는 제어 연산기(73)를 구비하고 있다.

또한, 도 12에 도시된 연소장치에서는, 연료노즐(10)내의 상하에 설치한 기체분출노즐(81,82)로부터 연소용 공기를 각각 연료노즐(10)내에 분출한다.

연료노즐(10)의 위쪽의 기체분출노즐(81)로부터 기체를 연료노즐(10)내에 분출함으로써, 연료입자는 연료노즐(10)의 위쪽에서 희박하게 되어, 상대적으로 연료노즐(10)의 아래쪽에 농축된다. 이 때문에, 연료노즐(10)로부터 화로(74)내로의 분출 후, 연료가 버너(60)의 아래쪽에서 보다 많이 연소되기 때문에, 연소에 의해 생기는 노내의 고온역은 연료가 버너(60)의 아래쪽으로 치우친다. 화로(74)내의 온도 분포가 버너(60)의 아래쪽으로 치우치기 때문에, 화로(74)에서의 열흡수량이 증가하고, 화로(74)의 하류부에 설치한 전열관의 전열면(76)(화로 천정부로부터 매달리는 과열기의 전열면 또는 후부 전열부에 배치되는 과열기의 전열면)에 설치한 전열면(76)에서의 열흡수량을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 반대로 연료가 버너(60)의 아래쪽의 기체분출노즐(82)로부터 보다 많은 기체를 분출하게 하면, 화염이 통상보다 버너(60)의 상부측의 화로(74)내에 형성되어, 화로(74)내의 온도 분포가 버너(60)의 위쪽으로 치우쳐, 화로(74)에서의 열흡수량이 감소하고, 화로(74)의 하류부에 설치한 상기 전열관의 전열면(76)에서의 열흡수량을 증가시킬 수 있다.

예를 들면, 도 13은 본 실시예의 고체연료 버너를, 미분탄 사용 보일러에 적용한 경우의 화로(74) 출구의 가스 온도의 계산결과를 도시한다. 화로(74)내에의 입열량이 같은 경우, 화로(74)내의 열흡수량이 많으면 화로(74) 출구의 가스 온도는 저하하고, 화로(74)내의 열흡수량이 적으면 가스 온도는 상승한다. 이와 같이, 화로 출구의 가스 온도는 화로(74)와 그 하류에 설치한 전열관의 전열면(76)의 열흡수 비율의 제어에 밀접하게 관련된다. 특히 화로 출구의 가스 온도가 높으면, 그 하류에 설치한 전열관의 전열면(76)의 재료 온도가 높아지기 때문에, 가스 온도를 지표로 하여, 전열면(76)을 보호하는 경우가 있다.

기체분출노즐(81,82)로부터 분출하는 기체유량 비율을 바꿈으로서, 가스 온도를 변화, 즉 화로(74)내의 열흡수량을 변화할 수 있는 것을 나타낸다.

본 발명은 연소장치내에서의 열흡수 위치를 용이하게 변화시킬 수 있는 고체연료용 버너이고, 연소 효율의 좋은 보일러 등의 화로에 이용 가능성이 높다.

10 : 연료노즐 11 : 2차 공기노즐
12,13 : 최외주(3차) 공기노즐
14 : 혼합 유체 15 : 2차 공기
16 : 3차 공기 18 : 오일 건
19 : 조임부(장해물) 20 : 장해물(화염유지 링)
21,25,26 : 격벽 22 : 순환류
23 : 버너 스로트부 24 : 확관부(유도부재)
27 : 윈드박스 28 : 수관
29 : 화로벽 30,31,32 : 유량조절 댐퍼
41,42 : 연료 분류의 흐름 43 : 2차 공기의 흐름
44 : 3차 공기의 흐름 46 : 화염
47 : 화염의 고온역 60 : 버너
61,62,63 : 공기 덕트
65 : 연료 반송관 66 : 분쇄기
67 : 반송 공기팬 68 : 연료 호퍼
69,71,72 : 유량조절밸브 70 : 공기팬
73 : 제어 연산기 74 : 화로
75 : 측벽 76 : 전열면
79,80 : 덕트 81,82 : 기체분출노즐
83,84 : 조절 댐퍼 90 : 분할판
91,92 : 최외주(3차) 공기노즐

Claims (12)

1. 고체연료와 그 반송 기체의 혼합 유체를 분출하는 연료노즐과, 상기 연료노즐의 외주에 연소용 공기를 분출하는 공기노즐을 연료노즐과 동심원 형상으로 적어도 1개 갖는 고체연료 버너에 있어서,
   상기 연료노즐 내부의 둘레방향으로 기체를 분출하는 기체분출노즐을 복수 설치하고, 각 분출노즐로부터 분출하는 기체의 분출량을 개별적으로 변경할 수 있는 유량 조절기를 갖는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료노즐 내부에 설치한 기체분출노즐은, 상하방향으로 2개 이상 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기체분출노즐의 하류측에 상기 연료노즐의 유로 단면적을 일단 축소시킨 후에, 원래의 크기까지 확대시키는 조임부를 설치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
4. 제 3 항에 있어서, 조임부는 상기 연료노즐을 구성하는 격벽에 설치되거나, 또한 상기 연료노즐의 중앙 축심부에 설치되는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연료노즐내에 설치된 기체분출노즐의 하류측의 연료노즐의 유로가 복수로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연료노즐의 외주측 격벽의 선단부에, 상기 연료노즐을 흐르는 혼합 유체의 흐름과 상기 공기노즐을 흐르는 공기의 흐름의 어느 한쪽 또는 양쪽을 방해하는 장해물을 설치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 공기노즐 중 최외주 공기노즐의 선단부에 공기류를 연료노즐로부터 멀어진 방향으로 편향시키는 확관부를 설치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 최외주 공기노즐은 둘레방향으로 2개 이상의 분할한 유로를 갖고, 상기 개개의 유로에는, 공기유량을 조정하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너가 배치된 화로의 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 표면온도, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 표면온도 및/또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 버너의 상하방향으로 개별적으로 제어하는 제어장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연소장치.
10. 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 상향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 적게 하여, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 많게 하고, 또한, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 하향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 많게 하여, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 적게 하는 것을 특징으로 하는, 제 9 항에 기재된 연소장치의 운전방법.
11. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 기재된 고체연료 버너가 배치된 화로의 출구에서의 연소가스 온도, 화로 벽면에 설치한 전열관의 표면온도, 화로의 하류측의 연도부에 설치한 전열관의 표면온도 및/또는 상기 전열관을 흐르는 유체의 온도에 기초하여, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량과 함께, 상기 고체연료 버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 버너의 상하방향으로 개별적으로 제어하는 제어장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연소장치.
12. 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 화로내에서 상향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽을 적게 하여, 상기 연료노즐의 아래쪽에 많은 유량을 주는 동시에, 상기 고체연료 버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 상기 버너의 위쪽에 비교적 많고, 상기 버너의 아래쪽에 비교적 적은 유량을 주고, 화로내에서 상기 고체연료 버너로부터 형성되는 화염을 하향으로 형성하는 경우는, 상기 고체연료 버너의 상기 연료노즐내에 복수 설치한 기체분출노즐을 흐르는 기체유량을 상기 연료노즐의 위쪽에 비교적 많고, 상기 연료노즐의 아래쪽에 비교적 적은 유량을 주는 동시에, 상기 고체연료버너의 상기 최외주 공기노즐을 흐르는 공기유량을 상기 버너의 위쪽에 비교적 적고, 상기 버너의 아래쪽에 비교적 많은 유량을 주는 것을 특징으로 하는, 제 11 항에 기재된 연소장치의 운전방법.
    
    

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