KR20120034769A - 연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러 - Google Patents

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고우타로 후지무라
가즈히로 도모토
도시미츠 이치노세
나오후미 아베
준 가사이
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

이 연소 버너(1)는, 고체 연료와 1차 공기를 혼합한 연료 가스를 분사하는 연료 노즐(2)과, 연료 노즐(2)의 외주로부터 2차 공기를 분사하는 2차 공기 노즐(3, 4)과, 연료 노즐(2)의 개구부에 배치되는 보염기(5)를 구비한다. 이 연소 버너(1)에서는, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖는다. 또한, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단까지의 최대 거리(h)와 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는다.

Description

연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러{COMBUSTION BURNER AND BOILER PROVIDED WITH COMBUSTION BURNER}
본 발명은 연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 NOx 발생량을 저감할 수 있는 연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러에 관한 것이다.
종래의 연소 버너에서는 일반적으로 연소 화염을 외부 보염하는 구성이 채용되어 있다. 이러한 구성에서는 연소 화염의 외주부에 고온 고산소 영역이 형성되기 때문에, NOx 발생량이 증가한다는 과제가 있다. 이러한 구성을 채용하는 종래의 연소 버너로서 특허문헌 1에 기재되는 기술이 알려져 있다.
일본 특허 제 2781740 호 공보
본 발명은 NOx 발생량을 저감할 수 있는 연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르는 연소 버너는, 고체 연료와 1차 공기를 혼합한 연료 가스를 분사하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 외주로부터 2차 공기를 분사하는 2차 공기 노즐과, 상기 연료 노즐의 개구부에 배치되는 보염기를 구비하는 연소 버너로서, 상기 보염기가 상기 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭(擴幅)하는 스플릿 형상을 갖고, 또한, 상기 연료 노즐의 중심축을 포함하는 단면 중 상기 보염기의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 상기 연료 노즐의 중심축으로부터 상기 보염기의 확폭단까지의 최대 거리(h)와 상기 연료 노즐의 개구부의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 연소 버너에서는, 연소 화염의 내부 보염(연료 노즐의 개구부의 중앙 영역에 있어서의 보염)이 실현되므로, 연소 화염의 외부 보염(연료 노즐의 외주에 있어서의 보염, 혹은, 연료 노즐의 개구부의 내벽면 근방의 영역에 있어서의 보염)이 실행되는 구성과 비교하여, 연소 화염의 외주부가 저온이 된다. 따라서, 2차 공기에 의해 고산소 분위기하에 있는 연소 화염의 외주부의 온도를 낮게 할 수 있다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부에 있어서의 NOx 발생량을 저감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연소 버너를 도시하는 구성도,
도 2는 도 1에 기재한 연소 버너의 개구부를 도시하는 정면도,
도 3은 도 1에 기재한 연소 버너의 보염기를 도시하는 설명도,
도 4는 도 1에 기재한 연소 버너의 작용을 도시하는 설명도,
도 5는 도 1에 기재한 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 6은 도 3에 기재한 보염기의 작용을 도시하는 설명도,
도 7은 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 8은 도 1에 기재한 연소 버너의 정류 구조를 도시하는 설명도,
도 9는 도 8에 기재한 정류 구조의 정류환을 도시하는 설명도,
도 10은 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 11은 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 12는 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 13은 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 14는 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 15는 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 16은 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 17은 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 18은 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 19는 도 1에 기재한 연소 버너의 변형예를 도시하는 설명도,
도 20은 도 1에 기재한 연소 버너가 추가 공기(additional air) 방식을 채용하는 보일러에 적용되었을 경우의 NOx 발생량을 나타내는 설명도,
도 21은 도 1에 기재한 연소 버너가 추가 공기 방식을 채용하는 보일러에 적용되었을 경우의 NOx 발생량을 나타내는 설명도,
도 22는 일반적인 미분탄 연소 보일러를 도시하는 구성도.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이 실시형태의 구성 요소에는, 발명의 동일성을 유지하면서 치환 가능 또한 치환 자명한 것이 포함된다. 또한, 이 실시형태에 기재된 복수의 변형예는 당업자에게 자명한 범위 내에서 임의로 편성이 가능하다.
[미분탄 연소 보일러]
도 22는 일반적인 미분탄 연소 보일러를 도시하는 구성도이다. 미분탄 연소 보일러(100)는 미분탄을 태워서 열에너지를 취득하는 보일러로서, 예컨대, 발전 용도, 공업 용도 등에 이용된다.
미분탄 연소 보일러(100)는, 화로(110)와, 연소 장치(120)와, 증기 발생 장치(130)를 구비한다(도 22 참조). 화로(110)는, 미분탄을 태우기 위한 노로서, 연소실(111)과, 이 연소실(111)의 상방에 접속되는 연도(煙道)(112)를 갖는다. 연소 장치(120)는 미분탄을 연소시키는 장치로서, 연소 버너(121)와, 연소 버너(121)에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급 계통(122)과, 연소 버너(121)에 2차 공기를 공급하는 공기 공급 계통(123)을 갖는다. 이 연소 장치(120)는 연소 버너(121)를 화로(110)의 연소실(111)에 접속하여 배치된다. 또한, 이 연소 장치(120)에서는 공기 공급 계통(123)이 미분탄의 산화 연소를 완결하기 위한 추가 공기(additional air)를 연소실(111)에 공급한다. 증기 발생 장치(130)는 연료 가스와의 열교환에 의해 보일러 급수를 가열하여 증기를 발생하는 장치로서, 절탄기(131), 재열기(132), 과열기(133) 및 증기 드럼(도시 생략)을 갖는다. 이 증기 발생 장치(130)는 절탄기(131), 재열기(132) 및 과열기(133)를 화로(110)의 연도(112) 상에 단계적으로 배치하여 구성된다.
이 미분탄 연소 보일러(100)에서는, 우선, 연소 장치(120)에서, 미분탄 공급 계통(122)이 미분탄 및 1차 공기를 연소 버너(121)에 공급하고, 또한, 공기 공급 계통(123)이 연소용 2차 공기를 연소 버너(121)에 공급한다(도 22 참조). 다음으로, 연소 버너(121)가 미분탄, 1차 공기 및 2차 공기의 연료 가스에 착화하고, 이 연료 가스를 연소실(111)에 분사한다. 그러면, 이 연료 가스가 연소실(111)에서 연소하여, 연료 가스가 발생한다. 다음으로, 이 연료 가스가 연소실(111) 내로부터 연도(112)를 통과하여 배출된다. 이때, 증기 발생 장치(130)가 연료 가스와 보일러 급수를 열교환시켜 증기를 발생한다. 그리고, 이 증기가 외부의 플랜트(예컨대, 증기 터빈 등)에 공급된다.
또한, 이 미분탄 연소 보일러(100)에서는 1차 공기의 공급량과 2차 공기의 공급량의 합이 미분탄의 공급량에 대하여 이론 공기량 미만이 되도록 설정되어, 연소실(111)이 환원 분위기에 보지된다. 그리고, 미분탄의 연소에 의해 발생한 NOx가 연소실(111)에서 환원되고, 그 후에, 추가 공기(AA)가 추가 공급되어 미분탄의 산화 연소가 완결된다(추가 공기 방식). 이에 의해, 미분탄의 연소에 의한 NOx의 발생량이 저감된다.
[연소 버너]
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연소 버너를 도시하는 구성도이다. 동 도면은 연소 버너의 중심축에 있어서의 높이 방향의 단면도를 도시하고 있다. 도 2는 도 1에 기재한 연소 버너의 개구부를 도시하는 정면도이다.
이 연소 버너(1)는 고체 연료를 연소시키기 위한 고체 연료 연소 버너이며, 예컨대, 도 22에 기재한 미분탄 연소 보일러(100)의 연소 버너(121)로서 이용된다. 여기에서는, 일례로서, 고체 연료로서 미분탄이 이용되며, 연소 버너(1)가 미분탄 연소 보일러(100)에 적용되는 경우에 대해 설명한다.
이 연소 버너(1)는 연료 노즐(2)과, 주 2차 공기 노즐(3)과, 2차 공기 노즐(4)과, 보염기(5)를 구비한다(도 1 및 도 2 참조). 연료 노즐(2)은 미분탄(고체 연료)과 1차 공기를 혼합한 연료 가스(고체 연료를 포함한 1차 공기)를 분사하는 노즐이다. 주 2차 공기 노즐(3)은 연료 노즐(2)로부터 분사된 연료 가스의 외주에 주 2차 공기(Coal　2차 공기)를 분사하는 노즐이다. 2차 공기 노즐(4)은 주 2차 공기 노즐(3)로부터 분사된 주 2차 공기의 외주에 2차 공기를 분사하는 노즐이다. 보염기(5)는 연료 가스의 착화용 및 보염용 기기로서, 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 배치된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 연료 노즐(2) 및 주 2차 공기 노즐(3)이 기다란 관상 구조를 갖고, 직사각형의 개구부(21, 31)를 갖고 있다(도 1 및 도 2 참조). 또한, 연료 노즐(2)을 중심으로 하여 외측에 주 2차 공기 노즐(3)을 배치한 이중관이 구성되어 있다. 또한, 2차 공기 노즐(4)이 이중관 구조를 갖고, 환상의 개구부(41)를 갖고 있다. 그리고, 이 2차 공기 노즐(4)의 내환(內環)에 연료 노즐(2) 및 주 2차 공기 노즐(3)이 삽입되어 배치되어 있다. 이에 의해, 연료 노즐(2)의 개구부(21)가 중심에 배치되고, 그 외측에 주 2차 공기 노즐(3)의 개구부(31)가 배치되며, 그 외측에 2차 공기 노즐(4)의 개구부(41)가 배치되어 있다. 또한, 이들 노즐(2, 3, 4)의 개구부(21, 31, 41)가 동일면 상에 정렬되어 배치되어 있다. 또한, 보염기(5)가 연료 가스의 상류측으로부터 판재(도시 생략)에 의해 지지되어, 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 배치되어 있다. 또한, 보염기(5)의 하류측 단부(확폭 단부)와 노즐(2, 3, 4)의 개구부(21, 31, 41)가 동일면 상에 정렬되어 있다.
이 연소 버너(1)에서는 미분탄과 1차 공기를 혼합한 연료 가스가 연료 노즐(2)의 개구부(21)로부터 분사된다(도 1 참조). 이때, 연료 가스는, 연료 노즐(2)의 개구부(21)에서 보염기(5)에 의해 분기되어 착화되고, 연소하여 연소 연료 가스가 된다. 또한, 이 연료 가스의 외주에, 주 2차 공기가 주 2차 공기 노즐(3)의 개구부(31)로부터 분사되어, 연료 가스의 연소가 촉진된다. 또한, 연소 화염의 외주에, 2차 공기가 2차 공기 노즐(4)의 개구부(41)로부터 공급되어, 연소 화염의 외주부가 냉각된다.
[보염기의 배치]
여기서, 이 연소 버너(1)에서는, 미분탄의 연소에 의한 NOx 발생량을 저감하기 위해서, 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 대한 보염기(5)의 배치가 적정화된다. 이하, 이 점에 대해 설명한다.
우선, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 보염기(5)가 연료 가스(미분탄과 1차 공기의 혼합 가스)의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖는다(도 1 및 도 3 참조). 또한, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단(스플릿 형상의 하류측 단부)까지의 최대 거리(h)와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 연료 노즐(2)이 직사각형의 개구부(21)를 갖고, 그 높이 방향을 연직 방향을 향하게 하는 동시에 그 폭 방향을 수평 방향을 향하게 하여 설치되어 있다(도 1 및 도 2 참조). 그리고, 이 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 보염기(5)가 배치되어 있다. 또한, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖고, 또한, 이 확폭 방향에 직교하는 방향으로 기다란 형상을 갖고 있다. 그리고, 보염기(5)가, 그 길이 방향을 연료 노즐(2)의 폭 방향을 향하게 하여 배치되며, 연료 노즐(2)의 개구부(21)를 폭 방향으로 대략 횡단하고 있다. 또한, 보염기(5)가, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중심선 상에 배치되며, 연료 노즐(2)의 개구부(21)를 높이 방향으로 이등분하고 있다.
또한, 보염기(5)가 대략 이등변 삼각형 단면인 한편 기다란 대략 프리즘 형상을 갖고 있다(도 1 및 도 3 참조). 또한, 연료 노즐(2)의 축 방향 단면에서 보아, 연료 노즐(2)의 중심축 상에 배치되어 있다. 이때, 보염기(5)가, 그 정상부를 연료 가스의 상류측으로 향하는 동시에, 그 저부를 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 정렬하여 배치되어 있다. 이에 의해, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖고 있다. 또한, 보염기(5)의 스플릿 각(이등변 삼각형의 꼭지각)(θ) 및 스플릿 폭(이등변 삼각형의 저변 길이)(L)이 소정의 크기로 설정되어 있다.
또한, 이러한 스플릿 형상을 갖는 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되어 있다(도 1 및 도 2 참조). 여기서, 개구부(21)의 「중앙 영역」이란, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 가질 때, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단(스플릿 형상의 하류측 단부)까지의 최대 거리(h)와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는 영역을 말하는 것으로 한다. 또한, 이 실시형태에서는, 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 중심축 상에 배치되기 때문에, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단까지의 최대 거리(h)가 보염기(5)의 스플릿 반폭(L/2)으로 되어 있다.
이 연소 버너(1)에서는, 보염기(5)가 스플릿 형상을 가지므로, 연료 가스가 연료 노즐(2)의 개구부(21)에서 보염기(5)에 의해 분기된다(도 1 참조). 이때, 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되며, 이 중앙 영역에서 연료 가스의 착화 및 보염이 실행된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부 보염[연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 있어서의 보염]이 실현된다.
이러한 구성에서는, 연소 화염의 외부 보염(연료 노즐의 외주에 있어서의 보염, 혹은, 연료 노즐의 개구부의 내벽면 근방의 영역에 있어서의 보염)이 실행되는 구성(도시 생략)과 비교하여, 연소 화염의 외주부(Y)가 저온으로 된다(도 4 참조). 따라서, 2차 공기에 의해 고산소 분위기하에 있는 연소 화염의 외주부(Y)의 온도를 낮게 할 수 있다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부(Y)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
도 5는 도 1에 기재한 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 동 도면은 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 있어서의 보염기(5)의 위치[h/(r/2)]와 NOx 발생량의 관계에 따른 시험 결과를 나타내고 있다.
이 성능 시험에서는, 도 1에 기재한 연소 버너(1)에 있어서, 보염기(5)의 거리(h)를 변화시켰을 때에 NOx 발생량이 측정되었다. 이때, 연료 노즐(2)의 내경(r), 보염기(5)의 스플릿 각(θ) 및 스플릿 폭(L) 등이 일정하게 설정되어 있다. 또한, NOx 발생량은 연소 화염의 외부 보염이 실행되는 구성(보염기가 연료 노즐의 외주에 배치되는 구성; 특허문헌 1 참조)을 기준(h/(r/2)=1)으로 한 상대값으로 나타나 있다.
시험 결과에 나타내는 바와 같이, 보염기(5)의 위치가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중심에 가까워짐에 따라, NOx 발생량이 감소하는 것을 알 수 있다(도 5 참조). 구체적으로는, 보염기(5)의 위치가 h/(r/2)＜0.6이 되는 것에 의해 NOx 발생량이 10% 이상 감소하여 우위성이 인정되고 있다.
또한, 연소 버너(1)에서는, 보염기(5)의 길이 방향의 단부와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내벽면이 접촉하고 있는 것이 바람직하다. 그러나, 통상의 설계에서는, 보염기(5)의 단부와 연료 노즐(2)의 내벽면 사이에는 부재의 열신장을 고려하여 수 ㎜ 정도의 미소한 간극(d)이 형성된다(도 2 참조). 이와 같이, 보염기(5)의 단부와 연료 노즐(2)의 내벽면이 근접하여 배치되는 구성에서는 보염기(5)의 단부가 연소 화염으로부터의 복사를 받는다. 이에 의해, 보염기(5)의 단부로부터 내부로의 화염 전파를 얻을 수 있으므로 바람직하다.
[보염기의 스플릿 각 및 스플릿 폭]
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 고체 연료의 연소에 의한 NOx 발생량을 억제하기 위해서, 보염기(5)의 스플릿 형상이 적정화되는 것이 바람직하다. 이하, 이 점에 대하여 설명한다.
상기와 같이, 이 연소 버너(1)에서는 보염기(5)가 연료 가스를 분기하기 위한 스플릿 형상을 갖는다(도 3 참조). 이때, 보염기(5)는 삼각형 단면의 스플릿 형상을 갖고, 그 정상부를 연료 가스의 흐름 방향 상류측을 향하게 하여 배치되는 것이 바람직하다[도 6의 (a) 참조]. 이러한 삼각형 단면의 보염기(5)에서는, 분기된 연료 가스가 보염기(5)의 측면을 따라 흐르며 차압에 의해 저변측으로 휩쓸려 들어간다. 따라서, 연료 가스가 보염기(5)의 직경 방향 외측으로 확산하기 어렵기 때문에, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 확보(혹은 보강)된다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부(Y)(도 4 참조)가 저온이 되므로, 2차 공기와의 혼합에 의한 NOx 발생량이 저감된다.
또한, 보염기가 판 형상의 스플릿 형상을 갖는 구성[도 6의 (b) 참조]에서는, 분기된 연료 가스가 보염기로부터 연료 노즐의 내벽면을 향해 흐른다. 기존의 연소 버너에서는, 이와 같이, 보염기에 의해 연료 가스를 분기하여 연료 노즐의 내벽면을 따라 가이드하는 구성이 일반적이다. 이러한 구성에서는, 연료 노즐의 중앙 영역보다 내벽면 근방 영역 쪽이 연료 가스 리치가 되어, 연소 화염의 외주부(Y)가 내부(X)보다 고온이 된다(도 4 참조). 그러면, 이 연소 화염의 외주부(Y)에서, 2차 공기와의 혼합에 의한 NOx 발생량이 증가할 우려가 있다.
또한, 상기의 구성에서는, 삼각형 단면을 갖는 보염기(5)의 스플릿 각(θ)이 θ＜90[도]인 것이 바람직하다(도 3 참조). 또한, 보염기(5)의 스플릿 각(θ)이 θ＜60[도]인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 분기된 연료 가스가 연료 노즐이 없는 벽면측으로 확산하는 사태가 억제되므로, 연소 화염의 내부 보염이 보다 적정하게 확보된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 보염기(5)가 단면 이등변 삼각형의 스플릿 형상을 갖고 있으며, 그 스플릿 각(θ)이 θ＜90[도]로 설정되어 있다(도 3 참조). 또한, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향에 대하여 좌우 대칭으로 배치되는 것에 의해 측면의 경사각(θ/2)이 30[도] 미만으로 설정되어 있다.
또한, 상기의 구성에서는, 삼각형 단면을 갖는 보염기(5)의 스플릿 폭(L)과 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이, 0.06≤L/r의 관계를 갖는 것이 바람직하고, 0.10≤L/r의 관계를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 보염기(5)의 스플릿 폭(L)과 연료 노즐(2)의 내경(r)의 비(L/r)가 적정화되어, NOx 발생량이 저감된다.
도 7은 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 동 도면은 보염기(5)의 스플릿 폭(L) 및 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)의 비(L/r)와 NOx 발생량의 관계에 따른 시험 결과를 나타내고 있다.
이 성능 시험에서는, 도 1에 기재한 연소 버너(1)에 있어서, 보염기(5)의 스플릿 폭(L)을 변화시켰을 때의 NOx 발생량이 측정되었다. 이때, 연료 노즐(2)의 내경(r), 보염기(5)의 거리(h)나 스플릿 각(θ) 등이 일정하게 설정되어 있다. 또한, NOx 발생량은, 연소 화염의 스플릿 폭(L)이 L=0일 때를 기준으로 한 상대값으로 나타나 있다.
시험 결과에 나타내는 바와 같이, 보염기(5)의 스플릿 폭(L)이 커질수록, NOx 발생량이 감소하는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 0.06≤L/r로 함으로써, NOx 발생량이 20% 감소하고, 0.10≤L/r로 함으로써, NOx 발생량이 30% 이상 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 0.13＜L/r가 되면, NOx 발생량의 감소가 바닥을 치게 되는 경향이 있다.
또한, 스플릿 폭(L)의 상한은, 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 있어서의 보염기(5)의 위치[h/(r/2)]와의 관계로 제한된다. 즉, 스플릿 폭(L)이 너무 커지면, 보염기의 위치가 연료 노즐(2)의 내벽면에 가까워져서 연소 화염의 내부 보지에 의한 효과가 저하하기 때문에, 바람직하지 않다(도 5 참조). 따라서, 보염기(5)의 스플릿 폭(L)은 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)과의 관계[비(L/r)] 및 보염기(5)의 위치[h/(r/2)]의 관계에 의해 적정화되는 것이 바람직하다.
또한, 이 실시형태에서는 보염기(5)가 삼각형 단면 형상을 갖지만, 이것에 한정하지 않으며, 보염기(5)가 V자 단면 형상을 가져도 좋다(도시 생략). 이러한 구성으로 해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다만, 보염기(5)는, 삼각형 단면 형상이 V자 단면 형상보다 바람직하다. 예컨대, V자 단면 형상에서는, (1) 오일 연소 시에서 복사열에 의해 보염기가 변형될 우려가 있다. 또한, 보염기의 내부에 재가 체류하여 부착하고 성장할 우려가 있다. 따라서, 보염기(5)를 삼각형 단면 형상으로 하고, 화로측을 세라믹스제로 하는 것에 의해, 재의 부착이 완화된다.
[연료 노즐의 정류 구조]
도 8은 도 1에 기재한 연소 버너의 정류 구조를 도시하는 설명도이다. 도 9는 도 8에 기재한 정류 구조의 정류환을 도시하는 설명도이다.
종래의 연소 버너에서는, 연소 화염을 외부 보염하는 구성에 있어서, 연료 가스 혹은 2차 공기가 선회류 혹은 급격하게 각도를 바꾸는 흐름으로서 공급되고 있다. 이에 의해, 연료 노즐의 외주에 재순환역이 형성되어, 외부 착화 및 외부 보염이 효율적으로 실행되고 있다(도시 생략).
이에 대하여, 이 연소 버너(1)에서는, 상기와 같이 연소 화염을 내부 보염하는 구성이 채용되기 때문에, 연료 가스 및 2차 공기(주 2차 공기 및 2차 공기)가 직진류로서 공급되는 것이 바람직하다(도 1 참조). 즉, 연료 노즐(2), 주 2차 공기 노즐(3) 및 2차 공기 노즐(4)이 연료 가스 혹은 2차 공기를 선회시키는 일 없이 직진류로서 공급하는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
예컨대, 연료 노즐(2), 주 2차 공기 노즐(3) 및 2차 공기 노즐(4)이 연료 가스 혹은 2차 공기의 직진류를 저해하는 장애물을 내부의 가스 통로에 갖지 않는 구성이 바람직하다(도 1 참조). 이러한 장애물에는, 예컨대, 선회류를 형성하기 위한 선회 날개나, 가스 흐름을 내벽면 근방 영역에 가이드하는 구조물 등이 포함된다.
이러한 구성에서는, 연료 가스 및 2차 공기가 직진류로서 분사되어 연소 화염이 형성되므로, 연소 화염을 내부 보염하는 구성에 있어서, 연소 화염 내의 가스 순환이 억제된다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부(Y)(도 4 참조)가 저온인 채 유지되므로, 2차 공기와의 혼합에 의한 NOx 발생량이 저감된다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 연료 노즐(2)이 정류 기구(6)를 갖는 것이 바람직하다(도 8 및 도 9 참조). 이 정류 기구(6)는 연료 노즐(2)에 공급되는 연료 가스의 흐름을 정류하는 기구로서, 예컨대, 연료 노즐(2) 내를 통과하는 연료 가스에 압력 손실을 발생시켜서, 연소 가스의 유량 편차를 억제하는 기능을 갖는다. 이러한 구성에서는, 정류 기구(6)에 의해, 연료 노즐(2) 내에 연료 가스의 직진류가 형성된다. 그리고, 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되는 것에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 실행된다(도 1 참조). 이에 의해, 내부 보염이 적정하게 확보되므로, 연소 화염의 외주부(Y)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 연료 노즐(2)이 연료 가스의 상류측[연소 버너(1)의 근원부]에서 원관 구조를 갖고, 서서히 단면 형상을 변화시켜서, 개구부(21)에서 직사각형의 단면 형상으로 되어 있다(도 2, 도 8 및 도 9 참조). 또한, 환상의 오리피스로 이루어지는 정류 기구(6)가 연료 노즐(2) 내의 상류부에 배치되어 있다. 또한, 연료 노즐(2)이, 이 정류 기구(6)의 위치로부터 개구부(21)에 걸쳐서 직선적인 연료 가스의 유로를 갖고 있다(스트레이트 형상). 또한, 연료 노즐(2)의 내부에는, 정류 기구(6)로부터 개구부(21)[보염기(5)]까지의 범위에, 직진류를 저해하는 장애물이 마련되지 않았다. 이에 의해, 연료 가스를 정류 기구(6)에서 정류하고, 연료 가스의 직진류를 그대로 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 공급하는 구조(연소 가스의 정류 구조)가 형성되어 있다.
또한, 정류 기구(6)와 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 거리는 연소 버너(1)의 높이(H)에 대하여 2H 이상인 것이 바람직하며, 10H인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 정류 기구(6)의 설치에 의한 연소 가스 흐름에의 악영향이 저감되어 매우 적합한 직진류가 형성된다.
[보염기의 형상의 변형예 1]
이 실시형태에서는, 연료 노즐(2)의 정면에서 보아, 연료 노즐(2)이 직사각형형상의 개구부(21)를 갖고, 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역을 대략 횡단하여 배치되어 있다(도 2 참조). 또한, 기다란 보염기(5)가 단독으로 배치되어 있다.
그러나, 이에 한정되지 않으며, 이 연소 버너(1)에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 병렬로 배치되어도 좋다(도 10 참조). 이러한 구성에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)에 개재된 영역이 연료 노즐(2)의 개구부(21)에 형성된다(도 11 참조). 그러면, 이러한 개재된 영역에서 공기 부족이 발생한다. 따라서, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 공기 부족에 의한 환원 분위기가 형성된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 기다란 한쌍의 보염기(5, 5)가, 그 길이 방향을 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 폭 방향을 향하게 하면서 병행으로 정렬되어 배치되어 있다(도 10 참조). 그리고, 이들 보염기(5, 5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)를 폭 방향으로 대략 횡단하는 것에 의해, 연료 노즐(2)의 개구부(21)가 높이 방향으로 3개의 영역으로 구획되어 있다. 이때, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 이들 보염기(5, 5)가 삼각형 단면의 스플릿 형상을 각각 갖고, 그 확폭 방향을 연료 가스의 흐름 방향을 각각 향하게 하여 배치되어 있다(도 11 참조). 또한, 한쌍의 보염기(5, 5)의 쌍방이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 있도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 한쌍의 보염기(5, 5)의 확폭단까지의 최대 거리(h)와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖도록 구성되어 있다. 이에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 실행된다.
또한, 상기의 구성에서는 한쌍의 보염기(5, 5)가 배치되어 있다(도 10 및 도 11 참조). 그러나, 이에 한정되지 않으며, 3개 이상의 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 병렬로 배치되어도 좋다(도시 생략). 이러한 구성으로 해도, 서로 이웃하는 보염기(5, 5)에 개재된 영역에, 공기 부족에 의한 환원 분위기가 형성된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
[보염기의 형상의 변형예 2]
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 교차하여 연결되는 동시에 그 교차부를 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 위치시켜 배치되어도 좋다(도 12 참조). 이러한 구성에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 교차하여 연결되는 것에 의해, 그 교차부에 강한 착화면이 형성된다. 그리고, 이 교차부가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되는 것에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 기다란 한쌍의 보염기(5, 5)가, 그 길이 방향을 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 폭 방향 및 높이 방향을 각각 향하게 하여 배치되어 있다(도 12 참조). 또한, 이들 보염기(5, 5)가 개구부(21)를 폭 방향 혹은 높이 방향으로 각각 대략 횡단하고 있다. 또한, 이들 보염기(5, 5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 각각 배치된다. 이에 의해, 보염기(5, 5)의 교차부가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 위치하고 있다. 또한, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단까지의 최대 거리[h(h')]와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경[r(r')]이 h/(r/2)＜0.6의 관계[h'/(r'/2)＜0.6의 관계]를 갖도록 구성되어 있다. 이에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 실현되고 있다.
또한, 상기의 구성에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 배치되어 있다(도 12 참조). 그러나, 이에 한정되지 않으며, 3개 이상의 보염기(5)가 교차하여 연결되는 동시에 그 교차부를 연료 노즐의 개구부의 중앙 영역에 위치시켜 배치되어도 좋다(도시 생략). 이러한 구성으로 해도, 보염기(5, 5)의 교차부가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 형성된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행되어, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
도 13은 연소 버너의 성능 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 동 도면은 도 10에 기재한 연소 버너(1)와 도 12에 기재한 연소 버너(1)의 비교 시험의 결과를 나타내고 있다. 이들 연소 버너(1)는 모두 한쌍의 보염기(5, 5)를 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치하는 점에서 공통되어 있다. 다만, 도 10에 기재한 연소 버너(1)가 한쌍의 보염기(5, 5)를 병렬로 배치하는 구조(병렬 스플릿 구조)를 갖는 것에 대하여, 도 12에 기재한 연소 버너(1)가 한쌍의 보염기(5, 5)를 십자 형상으로 크로스시켜 배치하는 구조(크로스 스플릿 구조)를 갖는 점에서 상이하다. 또한, 연료 가스의 미연분(未燃分)의 수치는 도 10에 기재한 연소 버너(1)를 기준(1.00)으로 한 상대값이다.
시험 결과에 나타나는 바와 같이, 도 12에 기재한 연소 버너(1)에서는 연료 가스의 미연분이 상대적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
[보염기의 형상의 변형예 3]
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 복수의 보염기(5)가 우물 정자 형상으로 조합되는 동시에, 이들 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 위치해도 좋다(도 14 참조). 즉, 도 10의 구성과 도 12의 구성이 조합되어도 좋다. 이러한 구성에서는, 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분에 강한 착화면이 형성된다. 그리고, 이 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되는 것에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
예컨대, 이 실시형태에서는, 기다란 4개의 보염기(5)가 우물 정자 형상으로 연결되며, 그 길이 방향을 연료 노즐(2)의 폭 방향 혹은 높이 방향을 각각 향하게 하여 배치되어 있다(도 14 참조). 또한, 각 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)를 폭 방향 혹은 높이 방향으로 각각 대략 횡단하고 있다. 4개의 보염기(5)가 각각 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되어 있다. 이에 의해, 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되어 있다. 또한, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단까지의 최대 거리(h)와, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖도록 구성되어 있다. 이에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행되고 있다.
또한, 상기의 구성에서는, 복수의 보염기(5)의 배치 간격이 조밀하게 설정되는 것이 바람직하다(도 14 참조). 이러한 구성에서는, 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분의 자유 영역(free area)이 작아진다. 그러면, 보염기(5)의 스플릿 형상에 의한 압력 손실이 상대적으로 커져서, 연료 노즐(2) 내에 있어서의 연소 가스의 유속이 저하한다. 이에 의해, 연료 가스의 착화가 신속히 실행된다.
또한, 상기의 구성에서는 4개의 보염기(5)가 우물 정자 형상으로 연결되어 있다(도 14 참조). 그러나, 이에 한정되지 않으며, 임의의 수(예컨대, 높이 방향 2개 또한 폭 방향 3개)의 보염기(5)가 연결되어, 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분이 형성되어도 좋다(도시 생략). 그리고, 이 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 위치함으로써, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행된다.
[연료 노즐의 개구부가 원형인 경우의 적용예]
이 실시형태에서는, 연료 노즐(2)의 정면에서 보아, 연료 노즐(2)이 직사각형의 개구부(21)를 갖고, 이 개구부(21)에 보염기(5)가 배치되어 있다(도 2, 도 10, 도 12 및 도 14 참조). 그러나, 이에 한정되지 않으며, 연료 노즐(2)이 원형상의 개구부(21)를 갖고, 이 개구부(21)에 보염기(5)가 배치되어도 좋다(도 15 및 도 16 참조).
예컨대, 도 15에 도시하는 연소 버너(1)에서는, 원형상의 개구부(21)에, 크로스 스플릿 구조를 갖는 보염기(5)(도 12 참조)가 배치되어 있다. 또한, 도 16에 도시하는 연소 버너(1)에서는, 원형상의 개구부(21)에, 우물 정자 형상으로 연결된 보염기(5)(도 14 참조)가 배치되어 있다. 이들 구성에 있어서도, 보염기(5)의 교차부(도 12 참조) 혹은 보염기(5)에 의해 둘러싸인 부분(도 14 참조)이 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되는 것에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행된다.
또한, 예컨대, 원형상의 개구부(21)로 하고, 2차 공기를 동심원 상에서 다중으로 공급하는 것에 의해, 2차 공기가 균일하게 공급된다. 이에 의해, 국소적인 고산소 영역의 발생이 억제되므로 바람직하다.
[2차 공기 노즐의 댐퍼 구조]
일반적으로, 연소 화염의 외주부(Y)는 2차 공기의 공급에 의해 국소적으로 고온 또한 고산소인 영역이 되기 쉽다(도 4 참조). 그래서, 2차 공기의 공급량을 조정하는 것에 의해, 이 고온 또한 고산소인 상태를 완화하는 것이 바람직하다. 그 한편, 연료 가스의 미연분이 많은 경우에는 이것을 완화하는 것이 바람직하다.
그래서, 이 연소 버너(1)에서는 주 2차 공기 노즐(3)의 외주에 복수(여기에서는 3기)의 2차 공기 노즐(4)이 배치된다(도 17 참조). 또한, 주 2차 공기 노즐(3) 및 각 2차 공기 노즐(4)이 댐퍼 구조를 갖는 것에 의해, 주 2차 공기 및 2차 공기의 공급량이 조정된다. 이때, 각 2차 공기 노즐(4)은 2차 공기의 분사 방향을 ±30[도]의 범위에서 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성에서는, 보다 외측에 배치되는 2차 공기 노즐(4)이 보다 내측에 배치되는 2차 공기 노즐(4)보다 넉넉하게 2차 공기를 분사함으로써, 2차 공기의 확산이 완화된다. 그러면, 연소 화염의 외주부(Y)에 있어서의 고온 또한 고산소인 상태가 완화된다. 한편, 이러한 구성에서는, 보다 내측에 배치되는 2차 공기 노즐(4)이 보다 외측에 배치되는 2차 공기 노즐(4)보다 넉넉하게 2차 공기을 분사함으로써, 2차 공기의 확산이 촉진된다. 그러면, 연료 가스의 미연분의 증가가 억제된다. 따라서, 각 2차 공기 노즐(4)로부터의 2차 공기의 분사량을 조정함으로써, 연소 화염 상태를 적정하게 제어할 수 있다.
또한, 상기의 구성은, 서로 다른 연료비를 갖는 고체 연료가 전환되어 사용될 때 유익하다. 예컨대, 휘발분이 많은 석탄이 고체 연료로서 사용되는 경우에는, 2차 공기의 확산을 조기에 실행하는 제어를 실행함으로써, 연소 화염 상태를 적정하게 제어할 수 있다.
또한, 상기의 구성에서는 모든 2차 공기 노즐(4)이 상시 운용되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 운용되지 않는 2차 공기 노즐이 존재하는 구성과 비교하여, 화로로부터의 화염 복사에 의해 2차 공기 노즐이 소실하는 사태가 억제된다. 예컨대, 모든 2차 공기 노즐(4)이 상시 운용된다. 또한, 특정의 2차 공기 노즐(4)이 소실하지 않는 정도의 최저한의 유속으로 2차 공기를 분사한다. 그리고, 다른 2차 공기 노즐(4)이 넓은 범위의 유량 및 유속으로 2차 공기를 공급한다. 이에 의해, 2차 공기의 공급을 보일러의 운전 조건의 변화에 따라 적정하게 실행할 수 있다. 예컨대, 보일러의 저부하 운전시에는 일부의 2차 공기 노즐(4)이 소실하지 않는 정도의 최저한의 유속으로 2차 공기를 분사한다. 그리고, 다른 2차 공기 노즐(4)로부터의 2차 공기의 공급량을 조정한다. 이에 의해, 2차 공기의 유속을 유지할 수 있으므로, 연소 화염 상태를 적정하게 유지할 수 있다.
또한, 상기의 구성에서는 복수의 2차 공기 노즐(4) 중 일부가 오일 포트를 겸해도 좋다(도 18 참조). 이러한 구성에서는, 예컨대, 연소 버너(1)가 미분탄 연소 보일러(100)에 적용될 때, 일부의 2차 공기 노즐(4)이 오일 포트로서 이용된다. 그리고, 이 2차 공기 노즐(4)이 보일러의 기동 운전에 필요한 오일을 공급한다. 이러한 구성에서는 오일 포트 혹은 2차 공기 노즐의 증설이 불필요해지므로 보일러의 높이를 저감할 수 있다.
또한, 상기의 구성에서는, 주 2차 공기 노즐(3)에 공급되는 주 2차 공기와, 2차 공기 노즐(4)에 공급되는 2차 공기가 서로 다른 공급 계통으로부터 공급되는 것이 바람직하다(도 19 참조). 이러한 구성에서는 다수의 2차 공기 노즐[주 2차 공기 노즐(3) 및 복수의 2차 공기 노즐(4)]이 설치될 때 이들 운용 및 조정이 용이해진다.
[대향 연소 보일러에의 적용]
또한, 이 연소 버너(1)는 대향 연소 보일러에 적용되는 것이 바람직하다(도시 생략). 이러한 구성에서는 2차 공기가 서서히 공급되는 구성이므로 공기의 공급량을 용이하게 제어할 수 있다. 이에 의해, NOx 발생량이 저감된다.
[추가 공기 방식의 채용]
또한, 이 연소 버너(1)는 추가 공기 방식을 채용하는 미분탄 연소 보일러(100)에 적용되는 것이 바람직하다(도 22 참조).
즉, 이 연소 버너(1)에서는, 연소 화염을 내부 보염하는 구조가 채용된다(도 1 참조). 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)에서의 균일한 연소가 촉진되고, 연소 화염의 외주부(Y)의 온도가 저감되어, 연소 버너(1)에서의 NOx 발생량이 감소한다(도 4 및 도 5 참조). 그러면, 연소 버너(1)에서의 공기의 공급 비율을 증가시켜, 추가 공기의 공급 비율을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 추가 공기에 의한 NOx 발생량이 감소하므로, 보일러 전체로서의 NOx 발생량이 저감된다.
도 20 및 도 21은, 이 연소 버너(1)가 추가 공기 방식을 채용하는 보일러에 적용되었을 경우의 NOx 발생량을 나타내는 설명도이다.
종래의 연소 버너에서는 연소 화염을 외부 보염하는 구성이 채용되고 있다(특허문헌 1 참조). 이러한 구성에서는 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 산소의 잔존 영역이 생긴다. 이 때문에, NOx 환원을 충분히 실행하기 위해서는, 일반적으로 추가 공기의 공급 비율을 30% 내지 40% 정도로 설정하고, 연소 버너로부터 추가 공기 공급 영역까지의 공기비를 0.8 정도로 설정할 필요가 있다(도 20 좌측 참조). 그러면, 추가 공기 공급 영역에서 다량의 NOx가 발생한다는 과제가 있다.
이에 대하여, 이 연소 버너(1)에서는, 연소 화염을 내부 보염하는 구성이 채용되어 있다(도 1 참조). 이러한 구성에서는, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에서의 균일한 연소가 촉진되므로, 연소 화염의 내부(X)에 환원 분위기가 형성된다. 이 때문에, 연소 버너(1)로부터 추가 공기 공급 영역까지의 공기비를 증가시킬 수 있다(도 21 참조). 따라서, 연소 버너(1)로부터 추가 공기 공급 영역까지의 공기비를 0.9 정도로 증가하는 한편, 추가 공기의 공급 비율을 0% 내지 20%로 저감할 수 있다(도 20 우측 참조). 이에 의해, 추가 공기 공급 영역에 있어서의 NOx 발생량이 감소하므로, 보일러 전체로서의 NOx 발생량이 저감된다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 연소 화염의 내부 보염에 의해, 보일러 전체의 공기 과잉율을 1.0 내지 1.1까지 저감할 수 있다(통상은 공기비 1.15 정도로 운용된다). 이에 의해, 보일러 효율이 증가한다.
[효과]
이상 설명한 바와 같이, 이 연소 버너(1)에서는, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖는다(도 1 및 도 3 참조). 또한, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단(스플릿 형상의 하류측 단부)까지의 최대 거리[h(h')]와 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경[r(r')]이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는다(도 1, 도 2, 도 10 내지 도 12 및 도 14 내지 도 16 참조). 이러한 구성에서는, 연소 화염의 내부 보염(연료 노즐의 개구부의 중앙 영역에 있어서의 보염)이 실현되므로, 연소 화염의 외부 보염(연료 노즐의 외주에 있어서의 보염, 혹은, 연료 노즐의 개구부의 내벽면 근방의 영역에 있어서의 보염)이 실행되는 구성(도시 생략)과 비교하여, 연소 화염의 외주부(Y)가 저온이 된다(도 4 참조). 따라서, 2차 공기에 의해 고산소 분위기하에 있는 연소 화염의 외주부(Y)의 온도를 낮게 할 수 있다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부(Y)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량을 저감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 이 연소 버너(1)에 있어서, 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 「중앙 영역」이란, 보염기(5)가 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 가질 때, 연료 노즐(2)의 중심축을 포함하는 단면 중 보염기(5)의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 연료 노즐(2)의 중심축으로부터 보염기(5)의 확폭단(스플릿 형상의 하류측 단부)까지의 최대 거리[h(h')]와 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경[r(r')]이 h/(r/2)＜0.6의 관계[h'/(r'/2)＜0.6의 관계]를 갖는 영역을 말하는 것으로 한다(도 1, 도 2, 도 10 내지 도 12 및 도 14 내지 도 16 참조). 또한, 최대 거리[h(h')]는, 보염기(5)의 확폭단이 복수 있을 때, 이들의 거리[h(h')] 중의 최대값을 말하는 것으로 한다.
또한, 연소 노즐(2)의 내경이란, 연료 노즐(2)의 개구부(21)가 직사각형의 경우에는 그 폭 방향 및 높이 방향을 따르는 내측 치수(r, r')를 말하는 것으로 한다(도 2, 도 10, 도 12 및 도 14 참조). 또한, 연료 노즐(2)의 개구부(21)가 원형인 경우에는 그 직경(r)을 말하는 것으로 한다(도 15 및 도 16 참조). 또한, 연료 노즐(2)의 개구부(21)가 타원형인 경우에는 그 장경 및 단경을 말하는 것으로 한다(도시 생략).
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 보염기(5)의 스플릿 형상을 따르는 스플릿 폭(L)과 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 내경(r)이 0.06≤L/r의 관계를 갖는다(도 1 및 도 3 참조). 이러한 구성에서는, 보염기(5)의 스플릿 폭(L)과 연료 노즐(2)의 내경(r)의 비(L/r)가 적정화되므로, 내부 보염이 적정하게 확보된다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부(Y)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량을 저감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 연료 노즐(2) 및 2차 공기 노즐(3, 4)이 연료 가스 혹은 2차 공기를 직진류로서 분사하는 구조를 갖는다(도 1, 도 8 및 도 11 참조). 이러한 구성에서는, 연료 가스 및 2차 공기가 직진류로서 분사되어 연소 화염이 형성되므로, 연소 화염을 내부 보염하는 구성에 있어서, 연소 화염 내의 가스 순환이 억제된다. 이에 의해, 연소 화염의 외주부가 저온인 채 유지되므로, 2차 공기와의 혼합에 의한 NOx 발생량이 저감된다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 복수의 보염기(5)가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 병렬로 배치된다(도 10, 도 11, 도 14 및 도 16 참조). 이러한 구성에서는, 서로 이웃하는 보염기(5, 5)에 개재된 영역에, 공기 부족에 의한 환원 분위기가 형성된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감되는 이점이 있다.
이 연소 버너(1)에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 교차하여 연결되는 동시에 교차부를 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 위치시켜 배치된다(도 12, 도 14 내지 도 16 참조). 이러한 구성에서는, 한쌍의 보염기(5, 5)가 교차하여 연결되는 것에 의해, 그 교차부에 강한 착화면이 형성된다. 그리고, 이 교차부가 연료 노즐(2)의 개구부(21)의 중앙 영역에 배치되는 것에 의해, 연소 화염의 내부 보염이 적정하게 실행된다. 이에 의해, 연소 화염의 내부(X)(도 4 참조)에 있어서의 NOx 발생량이 저감된다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 복수의 2차 공기 노즐[2차 공기 노즐(4)]이 배치되는 동시에, 이들 2차 공기 노즐이 2차 공기의 공급량을 서로 조정할 수 있다(도 17 참조). 이러한 구성에서는, 각 2차 공기 노즐(4)로부터의 2차 공기의 분사량을 조정함으로써, 연소 화염 상태를 적정하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 상기의 구성에 있어서, 모든 2차 공기 노즐[2차 공기 노즐(4)]이 상시 운용된다. 이러한 구성에서는, 운용되지 않는 2차 공기 노즐이 존재하는 구성과 비교하여, 화로로부터의 화염 복사에 의해 2차 공기 노즐이 소손하는 사태가 억제되는 이점이 있다.
또한, 이 연소 버너(1)에서는, 상기의 구성에 있어서, 2차 공기 노즐(4) 중 일부가 오일 포트 혹은 가스 포트를 겸한다(도 18 참조). 이러한 구성에서는, 예컨대, 연소 버너(1)가 미분탄 연소 보일러(100)에 적용될 때, 오일 포트 혹은 가스 포트를 겸하는 2차 공기 노즐(4)을 거쳐서 보일러의 기동 운전에 필요한 오일을 공급할 수 있다. 이에 의해, 오일 포트 혹은 2차 공기 노즐의 증설이 불필요해지므로, 보일러의 높이를 저감할 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 연소 버너 및 이 연소 버너를 구비하는 보일러는 NOx 발생량을 저감할 수 있는 점에서 유용하다.
1 : 연소 버너 2 : 연료 노즐
21 : 개구부 3 : 주 2차 공기 노즐
31 : 개구부 4 : 2차 공기 노즐
41 : 개구부 5 : 보염기
6 : 정류 기구 100 : 보일러
110 : 화로 111 : 연소실
112 : 연도 120 : 연소 장치
121 : 연소 버너 122 : 미분탄 공급 계통
123 : 공기 공급 계통 130 : 증기 발생 장치
131 : 절탄기 132 : 재열기
133 : 과열기

Claims (11)

  1. 고체 연료와 1차 공기를 혼합한 연료 가스를 분사하는 연료 노즐과, 상기 연료 노즐의 외주로부터 2차 공기를 분사하는 2차 공기 노즐과, 상기 연료 노즐의 개구부에 배치되는 보염기를 구비하는 연소 버너에 있어서,
    상기 보염기가 상기 연료 가스의 흐름 방향으로 확폭하는 스플릿 형상을 갖고, 또한,
    상기 연료 노즐의 중심축을 포함하는 단면 중 상기 보염기의 확폭 방향을 따르는 단면에서 보아, 상기 연료 노즐의 중심축으로부터 상기 보염기의 확폭단까지의 최대 거리(h)와 상기 연료 노즐의 개구부의 내경(r)이 h/(r/2)＜0.6의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    연소 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보염기의 스플릿 형상에 따른 스플릿 폭(L)과 상기 연료 노즐의 개구부의 내경(r)이 0.06≤L/r의 관계를 갖는
    연소 버너.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 노즐 및 상기 2차 공기 노즐이 연료 가스 혹은 2차 공기를 직진류로서 분사하는 구조를 갖는
    연소 버너.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 보염기가 상기 연료 노즐의 개구부의 중앙 영역에 병렬로 배치되는
    연소 버너.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 보염기가 교차하여 연결되는 동시에 교차부를 상기 연료 노즐의 개구부의 중앙 영역에 위치시켜서 배치되는
    연소 버너.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 노즐이 직사각형 또는 타원 형상의 개구부를 갖는 동시에, 상기 보염기가 상기 연료 노즐의 개구부의 중앙 영역을 대략 횡단하여 배치되는
    연소 버너.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 노즐이 원형상의 개구부를 갖는 동시에, 상기 보염기가 상기 연료 노즐의 개구부의 중앙 영역을 대략 횡단하여 배치되는
    연소 버너.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 2차 공기 노즐이 배치되는 동시에 상기 2차 공기 노즐이 2차 공기의 공급량을 서로 조정할 수 있는
    연소 버너.
  9. 제 8 항에 있어서,
    모든 상기 2차 공기 노즐이 상시 운용되는
    연소 버너.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    복수의 상기 2차 공기 노즐 중 일부의 2차 공기 노즐이 오일 포트 혹은 가스 포트를 겸하는
    연소 버너.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 연소 버너를 구비하는
    보일러.
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