KR20120136303A - 인젝터 팁 조립체 및 연료 주입 방법 - Google Patents

인젝터 팁 조립체 및 연료 주입 방법 Download PDF

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Abstract

노즐(10)용 인젝터 팁(10)은 말단부(18)에 복수의 중앙체 개구부(16)를 가지고 연료 유동(32)을 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된 중앙체(12)를 포함한다. 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)는 중앙체(12) 둘레에 배열되며, 연료 슬러리를 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 산소 통로(20, 22, 24)는 중앙체(12) 둘레에 배열되며 산소 유동(36)을 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된다.

Description

인젝터 팁 조립체 및 연료 주입 방법{INJECTOR TIP ASSEMBLY AND METHOD OF FUEL INJECTION}
본 발명은 가스화 및 연소기에 관한 것으로서 특히, 가스화용 인젝터 노즐에 관한 것이다.
다수의 공지된 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined-cycle, IGCC) 설비는 적어도 하나의 동력 발생 터빈 시스템과 통합되는 가스화 시스템을 포함한다. 예를 들어, 적어도 몇몇의 공지된 가스화 시스템은 연료, 공기 또는 산소, 증기 및/또는 CO2의 혼합물을 합성 가스(synthetic gas 또는 "syngas")로 변환시킨다. 합성 가스는 가스 터빈 엔진의 연소기로 보내지고, 이것은 전력을 전력 그리드(power grid)에 공급하는 전기 발생기에 동력을 공급한다. 적어도 몇몇의 알려진 가스 터빈 엔진으로부터의 배기는 증기 터빈을 구동하기 위한 증기를 발생시키는 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)에 공급된다. 증기 터빈에 의해 발생된 동력은 전력을 전력 그리드에 제공하는 전기 발생기를 또한 구동한다.
적어도 몇몇의 가스화 시스템은 적어도 하나의 발열 반응을 가능하게 하기 위해서 가스화 반응기에 프로세스 유체를 공급하는 주입 시스템을 포함한다. 몇몇의 가스화 시스템은 가스화 프로세스를 구동시키도록 복합 형태의 연료를 이용한다. 예를 들어, 석탄 가스화 설비는, 석탄의 탄소를 전기를 발생시키는 기체 연료로 변환시키는 가스화를 구동하기 위해서, 연료로서 석탄 슬러리를 주로 이용한다. 그러나, 가스화가 초기화되는 경우에, 가스화 챔버의 시스템 성분 하류부문은 설비 포인트 작동 압력에 못미쳐 프로세스 효율성이 부족하다. 따라서, 석탄 슬러리의 가스화는 하류부문 성분이 압력에 이를 때까지 황 및/또는 NOx와 같은 바람직하지 않은 보다 많은 양의 배출물을 생성시킨다.
이러한 배출물을 완화하기 위한 시도에 있어서, 천연 가스와 같은 세정 연소 연료가 석탄 슬러리 대신에 시동 중에 가스화 챔버에 자주 도입된다. 천연 가스는 석탄 슬러리의 노즐로부터 분리된 전용 노즐을 통해 가스화기에 주입된다.
본 발명은 가스화용 인젝터 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따라서, 가스화 연소기 노즐용 인젝터 팁은 말단부에 복수의 중앙체 개구부를 가지고 연료 유동을 연소기의 연소 구역 내로 주입하도록 구성된 중앙체를 포함한다. 하나 이상의 연료 통로는 중앙체 둘레에 배열되며 연료 슬러리를 연소 구역 내로 주입시키도록 구성된다. 하나 이상의 산소 통로는 중앙체 둘레에 배열되며 산소 유동을 연소 구역 내로 주입시키도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 연소기로의 연료 주입 방법은 연료 유동의 제 1 부분을, 인젝터 팁의 중앙체의 말단부 내의 복수의 중앙체 개구부를 통해 연소기의 연소 구역 내로 주입시키는 단계를 포함한다. 연료 유동의 제 2 부분은 중앙체 둘레에 배열된 하나 이상의 연료 통로를 통해 연소 구역 내로 주입된다. 연료 유동의 제 2 부분의 주입이 보류되고 연료 슬러리가 하나 이상의 연료 통로를 통하여 연소 구역 내로 주입된다.
본 발명의 이들 및 다른 장점 및 특징은 첨부 도면과 연계하여 제시된 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명과 관련한 주제는 명세서의 결론(conclusion)에서 청구범위에 특별하게 지적되고 명확하게 청구된다. 본 발명의 이들 및 다른 특징들, 및 장점들은 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기 상세한 설명으로부터 명확하게 된다.
도 1은 가스화기 노즐용 인젝터 팁의 실시예의 개략적인 단면도.
도 2는 시동 작동 중의 가스화기 노즐용 인젝터 팁의 작동 실시예의 개략적인 도면.
도 3은 석탄 슬러리 작동 중의 가스화기 노즐용 인젝터 팁의 작동 실시예의 개략적인 도면.
본 발명의 상세한 설명은 도면을 참고하여 예로서, 장점 및 특징들과 함께본 발명의 실시예를 설명한다.
가스화기용 주입 노즐 팁(10)의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 실시예의 노즐 팁(10)은 노즐 팁(10)을 통한 물질의 증기 유동을 위한 4개의 분리 및 전용 채널을 포함한다. 우선, 노즐 팁(10)은 몇몇 실시예에서, 노즐 팁(10)의 중심 축(14)에 위치되는, 중앙체(12)를 포함한다. 중앙체(12)는 중앙체(12)의 말단부(18)에 위치되는 복수의 중앙체 개구부(16)를 포함한다.
복수의 연료 통로, 또는 랜스(lance)는 중앙체(12)를 에워싸며 배열된다. 내측 통로(20)는 중앙체(12) 둘레에 위치되며, 몇몇 실시예에서 중앙체(12)와 동심을 갖는다. 중앙 통로(22)는 내측 통로(20)의 바깥쪽의 중앙체(12) 둘레에 위치되며, 몇몇 실시예에서는 중앙체(12) 및/또는 내부 통로(20)와 동심을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 외측 통로(24)는 중앙 통로(22)의 바깥쪽의 중앙체(12) 둘레에 위치되며, 몇몇 실시예에서는 중앙체(12), 내측 통로(20) 및/또는 중앙 통로(22)와 동심을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 내측 통로 단부(26), 중앙 통로 단부(28), 및/또는 외측 통로 단부(30)는 중앙체(12)의 말단부(18)와 동일 평면 상에 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스화기의 시동시에, 연료 유동(32) 예를 들어, 천연 가스와 같은 저 유황 연료가 중앙체 개구부(16)를 통하여 중앙체(12)를 통해 노즐 팁(10)의 연소 구역(34) 하류측에 주입된다. 저 유황 연료의 연료 유동(32)은 중앙 통로(22)를 통해 연소 구역(34) 내로도 주입된다. 제 1 산소(36)의 유동은 외측 통로(24)를 통해 연소 구역(34) 내로 제공된다. 제 1 산소(36)는 연소 구역(34)에서 연료 유동(32)과 혼합되며 내부에서 연소된다. 몇몇 실시예에서, 제 2 산소(38)의 유동은, 연료 유동(32)과의 연소를 위해 추가의 산소를 제공하기 위해서 내측 통로(20)를 통해 연소 구역(34) 내로 주입될 수 있다.
도 3과 관련하여, 가스화기의 석탄 슬러리 모드 작동 중에, 중앙 통로(22)는 석탄 슬러리(40)와 같은 가스화기 연료의 유동을 연소 구역(34) 내로 이송하기 위해서 이용된다. 제 1 산소(36) 및 제 2 산호(38)는 외측 통로(24) 및 내측 통로(20)를 통해 각각 제공된다. 정상 작동 중에, 석탄 슬러리(40)의 유동은 가스화 프로세스를 구동시키기 때문에, 중앙체(12)를 통한 연료 유동(32)이 정지되고, 이산화탄소(재순환될 수 있음), 질소, 증기 또는 물과 같은 다양한 유체(42)의 유동이 중앙체 개구(16)를 통해 유동된다. 유체(42)는 퍼지 각스, 중재 가스(moderator gas) 또는 냉각 액체일 수 있다. 유체(42)는 중앙체(12)에 냉각을 제공하며, 석탄 슬러리(40)의 연소로부터 중앙체 개구부(16)가 미립자로 막히는 것을 또한 방지한다. 또한, 유체(42)는 중앙체(12) 내의 중앙체 개구부(16)를 통해 상류로 역류하는 번 백(burn back), 연소 생성물을 방지한다.
예를 들어, 시동 작동으로부터의 작동 전이 중에, 연료 유동(32) 및 석탄 슬러리(40)는, 중앙체 개구부(16)을 통해 주입되는 연료 유동(32) 및 중앙 통로(22)를 통해 주입되는 석탄 슬러리(40)로 연소 구역(34) 내로 주입될 수 있다. 시동(모두 연료 유동(32))으로부터 석탄 슬러리 모드(모두 석탄 슬러리(40))로 전이가 발생하기 때문에, 각각의 유동양은 두 가지 모드 사이의 순조로운 전이를 제공하도록 점진적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 작동은 시동에서 석탄 슬러리 모드로 진행되기 때문에 중앙체 개구부(16)를 통해 주입되는 연료 유동(32)의 양은 점진적으로 감소되는 반면에, 중앙 통로(22)를 통해 주입되는 석탄 슬러리(40)의 양은 점진적으로 증가된다. 또한, 석탄 슬러리(40)의 유동이 정지되고 연료 유동(32)의 주입이 재개되는, 석탄 슬러리 모드와 대기 모드 사이의 전환은 신속하게 발생할 수 있는데 이는 노즐 팁(10)이 분리된 중앙체(12) 및 중앙 통로(22)를 통해 어느 하나 또는 양 쪽 형태의 연료를 주입하는 역량을 갖기 때문이다.
몇몇 실시예에서, 내측 팁 단부, 중앙 통로 단부(28) 및/또는 외측 통로 단부(30)는 중앙체(12)의 말단부와 동일 평면 상에 있다. 단부들이 서로 모두 동일 평면 상에 있는 경우에, 가스화기 성능에 해가될 수 있는, 제 1 산소가 연료와 예비혼합되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 동일 평면 단부 구조에 의해, 석탄 슬러리 모드 작동 중에 번 백이 방지된다.
본 발명이 제한된 수의 실시예과 관련하여 상세하게 설명한 반면에, 본 발명이 상술된 실시예들에 제한되지 않은 것을 쉽게 이해할 수 있다. 오히려, 본 발명은 상술되지 않은 임의 수의 변형, 대안, 대체 또는 등가물의 구성을 합체하기 위해 변경될 수 있고, 이는 본 발명의 정신 및 범위에 상응한다. 부가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 상술된 한편, 본 발명의 개념은 상술된 실시예들의 일부만을 포함하는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.
10 : 노즐 팁 12 : 중앙체
14 : 축 16 : 개구부
18 : 말단부 20 : 내측 통로
22 : 중앙 통로 24 : 외측 통로
26 : 내측 통로 단부 28 : 중앙 통로 단부
30 : 외측 통로 단부 32 : 연료 유동
34 : 연소 구역 36 : 제 1 산소
38 : 제 2 산소 40 : 석탄 슬러리
42 : 유체

Claims (10)

  1. 노즐용 인젝터 팁(10)에 있어서,
    말단부(18)에 복수의 중앙체 개구부(16)를 가지고 연료 유동(32)을 연소기의 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된 중앙체(12)와,
    상기 중앙체(12) 둘레에 배열되어 연료 슬러리를 상기 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)와,
    산소 유동을 상기 연소 구역(34) 내로 주입하도록 상기 중앙체(12) 둘레에 배열된 하나 이상의 산소 통로(20, 22, 24)를 포함하는
    노즐용 인젝터 팁.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24) 중 적어도 하나 또는 상기 하나 이상의 산소 통로(20, 22, 24) 중 적어도 하나는 상기 중앙체(12)와 실질적으로 동심인
    노즐용 인젝터 팁.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24) 중 적어도 하나 또는 상기 하나 이상의 산소 통로(20, 22, 24) 중 적어도 하나는 상기 중앙체(12)의 말단부(18)와 실질적으로 동일 평면 상에 있는
    노즐용 인젝터 팁.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙체(12)는 추가적으로 퍼지 유체를 상기 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된
    노즐용 인젝터 팁.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)는 추가적으로 연료 유동, 및/또는 연료 유동(32)과 연료 슬러리의 혼합물을 상기 연소 구역(34) 내로 주입하도록 구성된
    노즐용 인젝터 팁.
  6. 연소기 내로의 연료 주입 방법에 있어서,
    연료 유동(32)의 제 1 부분을, 인젝터 팁(10)의 중앙체(12)의 말단부(18) 내의 복수의 중앙체 개구부(16)를 통해 상기 연소기의 연소 구역(34)내로 주입하는 단계와,
    상기 연료 유동(32)의 제 2 부분을, 상기 중앙체(12) 둘레에 배열된 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)를 통해 상기 연소 구역(34) 내로 주입하는 단계와,
    상기 연료 유동(32)의 제 2 부분의 주입을 보류하는 단계와,
    연료 슬러리를 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)를 통해 상기 연소 구역(34) 내로 주입하는 단계를 포함하는
    연소기 내로의 연료 주입 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 유동(32)의 제 1 부분의 주입을 보류하는 단계와,
    유체를 상기 복수의 중앙체 개구부(16)를 통해 상기 연소 구역(34) 내로 주입하는 단계를 더 포함하는
    연소기 내로의 연료 주입 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 유동(32)의 제 2 부분을 주입하는 단계 및 상기 연료 슬러리를 주입하는 단계는, 상기 연료 유동(32)의 제 2 부분을 주입하는 단계 및 상기 연료 슬러리를 상기 하나 이상의 연료 통로(20, 22, 24)를 통해 상기 연소 구역(34) 내로 주입하는 단계를 동시에 포함하는
    연소기 내로의 연료 주입 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 슬러리를 주입하는 단계는 석탄 슬러리(40)를 주입하는 단계를 포함하는
    연소기 내로의 연료 주입 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    산소의 유동을 상기 중앙체(12) 둘레에 배열된 하나 이상의 산소 통로를 통해 상기 연소 구역(34) 내로 주입하는 단계를 더 포함하는
    연소기 내로의 연료 주입 방법.
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