KR20240129193A - 버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법 - Google Patents

버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법 Download PDF

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KR20240129193A
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아키마사 다카야마
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Abstract

암모니아 연료와 미분 연료를 혼소시키는 경우에 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있는 버너를 제공한다. 중심 축선(CL)을 따라 연장되는 내통 노즐(61)과, 중심 축선(CL)을 따라 연장되어, 내통 노즐(61)을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐(62)과, 외통 노즐(62)로부터 공급된 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기(71)와, 외통 노즐(62)의 내부에 마련되고, 미분 연료용 보염기(71)측에 미분 연료를 농축하는 농축기(69)를 구비하고, 내통 노즐(61)에, 암모니아 연료를 공급한다.

Description

버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법
본 개시는, 예를 들어 고체 연료를 분쇄한 미분 연료와 암모니아 연료를 연소시키는 버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법에 관한 것이다.
발전용 보일러 등의 대형의 보일러는, 중공 형상을 이루어 연직 방향으로 설치되는 화로를 갖고, 이 화로벽에 복수의 버너가 화로의 벽면에 배치되어 있다. 또한, 대형의 보일러는, 화로의 연직 방향 상방에 연도가 연결되어 있고, 이 연도에 증기를 생성하기 위한 열교환기가 배치되어 있다. 그리고 버너가 화로 내에 연료와 공기(산화성 가스)의 혼합기를 분사함으로써 화염이 형성되고, 연소 가스가 생성되어 연도로 흐른다. 연소 가스가 흐르는 영역에 열교환기가 설치되고, 열교환기를 구성하는 전열관 내를 흐르는 물이나 증기를 가열하여 과열 증기가 생성된다.
보일러에 사용되는 버너로서, 미분탄과 암모니아 연료를 혼소시키거나, 또는 미분탄의 전소 및 암모니아 연료의 전소를 행하는 것이 검토되고 있다(예를 들어 특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2020-41748호 공보
그러나 특허문헌 1에서는, 미분탄과 암모니아 연료를 동축상에서 혼소시키는 것이 개시되어 있기는 하지만, 암모니아 연료의 혼소율의 증가에 대해서는 전혀 검토되어 있지 않다. 예를 들어, 특허문헌 1의 구성에서는, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시키면, 미분탄의 보염이 저하되어 암모니아 연료와의 혼소를 계속할 수 없다는 문제가 있다.
본 개시는, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 암모니아 연료와 미분 연료를 혼소시키는 경우에 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있는 버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너는, 중심 축선을 따라 연장되는 내통 노즐과, 상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐과, 상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기와, 상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기를 구비하고, 상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급한다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너의 운전 방법은, 중심 축선을 따라 연장되는 내통 노즐과, 상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐과, 상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기와, 상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기를 구비한 버너의 운전 방법이며, 상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급한다.
본 개시의 버너에 따르면, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시 형태에 관한 보일러를 도시한 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 버너를 도시한 종단면도이다.
도 3a는 본 개시의 제2 실시 형태에 관한 버너를 도시한 종단면도이다.
도 3b는 도 3a의 내통 노즐 및 외통 노즐을 도시한 정면도이다.
도 4a는 도 3a의 변형예를 도시한 버너의 종단면도이다.
도 4b는 도 4a의 내통 노즐 및 외통 노즐을 도시한 정면도이다.
도 5는 본 개시의 제3 실시 형태에 관한 버너를 도시한 종단면도이다.
도 6a는 본 개시의 제4 실시 형태에 관한 버너를 도시한 종단면도이다.
도 6b는 도 6a의 내통 노즐 및 외통 노즐을 도시한 정면도이다.
도 6c는 도 6a 및 도 6b의 둘레 방향 농축기를 도시한 사시도이다.
도 7a는 본 개시의 제5 실시 형태에 관한 버너를 도시한 종단면도이다.
도 7b는 액체 암모니아 분사 팁을 도시한 종단면도이다.
도 8은 본 개시의 제6 실시 형태에 관한 버너를 도시한 종단면도이다.
이하에, 본 개시에 관한 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 또한 실시 형태가 복수 있는 경우에는, 각 실시 형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다. 이후의 설명에서, 위나 상방이란 연직 방향 상측을 나타내고, 아래나 하방이란 연직 방향 하측을 나타내는 것이며, 연직 방향은 엄밀하지 않고 오차를 포함하는 것이다.
[제1 실시 형태]
도 1에는 본 실시 형태의 미분 연료 및/또는 암모니아(NH3) 연료를 주 연료로 하는 보일러(10)가 도시되어 있다.
본 실시 형태의 보일러(10)는, 고체 연료를 분쇄한 미분 연료 및 암모니아 연료를 버너에 의해 연소시키고, 이 연소에 의해 발생한 열을 급수나 증기와 열교환하여 과열 증기를 생성하는 것이 가능한 보일러이다. 고체 연료로서는, 바이오매스 연료나 석탄 등이 사용된다.
보일러(10)는, 화로(11)와 연소 장치(20)와 연소 가스 통로(12)를 갖고 있다. 화로(11)는, 사각통의 중공 형상을 이루어 연직 방향을 따라 설치되어 있다. 화로(11)의 내벽면을 구성하는 화로벽(101)은, 복수의 전열관과, 전열관끼리를 접속하는 핀으로 구성되고, 미분 연료의 연소에 의해 발생한 열을, 전열관의 내부를 유통하는 물이나 증기와 열교환하여 회수함과 함께, 화로벽(101)의 온도 상승을 억제하고 있다.
연소 장치(20)는, 화로(11)의 하부 영역에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 연소 장치(20)는, 화로벽(101)에 장착된 복수의 버너(21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 21F)(이하, 이들 버너를 구별하지 않는 경우에는 단순히 「버너(21)」라고 표기한다.)를 갖고 있다. 버너(21)는, 화로벽(101)을 따라 노 폭 방향으로 균등 간격으로 배치된 것(예를 들어, 대향 연소가 되도록, 대향하는 화로벽(101)에 각각 대향하도록 노 폭 방향으로 배치된 것)을, 연직 방향을 따라 복수단 배치되어 있다. 화로의 형상이나 버너의 단수, 하나의 단에 있어서의 버너의 수, 버너의 배치 등은, 이 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
버너(21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 21F)는, 각각, 복수의 미분 연료 공급관(22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F)(이하, 이들 미분 연료 공급관을 구별하지 않는 경우에는 단순히 「미분 연료 공급관(22)」이라고 표기한다.)을 통해, 복수의 밀(분쇄기)(31A, 31B, 31C, 31D, 31E, 31F)(이하, 이들 밀을 구별하지 않는 경우에는 단순히 「밀(31)」이라고 표기한다.)에 연결되어 있다. 밀(31)은, 예를 들어 내부에 분쇄 테이블(도시 생략)이 구동 회전 가능하게 지지되어 있고, 분쇄 테이블의 상방에 복수의 분쇄 롤러(도시 생략)가 분쇄 테이블의 회전에 연동 회전 가능하게 지지되어 구성되어 있는 수직형 롤러 밀이다. 분쇄 롤러와 분쇄 테이블이 협동하여 분쇄된 고체 연료는, 밀(31)에 공급되는 1차 공기(반송용 가스, 산화성 가스)에 의해, 밀(31)이 구비하는 분급기(도시 생략)로 반송된다. 분급기에서는, 버너(21)에서의 연소에 적합한 입경 이하의 미분 연료와, 해당 입경보다 큰 조분 연료로 분급된다. 미분 연료는, 분급기를 통과하여, 1차 공기와 함께 미분 연료 공급관(22)을 통해 버너(21)에 공급된다. 분급기를 통과하지 않은 조분 연료는, 밀(31)의 내부에서, 자중에 의해 분쇄 테이블 위로 낙하하여, 재분쇄된다.
버너(21)의 장착 위치에 있어서의 화로(11)의 노 외측에는, 풍상(에어 레지스터)(23)이 마련되어 있고, 이 풍상(23)에는 풍도(공기 덕트)(24)의 일단부가 연결되어 있다. 풍도(24)의 타단부에는, 압입 통풍기(FDF: Forced Draft Fan)(32)가 연결되어 있다. 압입 통풍기(32)로부터 공급된 공기는, 풍도(24)에 설치된 공기 예열기(42)에서 가열되고, 풍상(23)을 통해 버너(21)에 2차 공기(연소용 공기, 산화성 가스)로서 공급되어, 화로(11)의 내부에 투입된다.
연소 가스 통로(12)는, 화로(11)의 연직 방향 상부에 연결되어 있다. 연소 가스 통로(12)에는, 연소 가스의 열을 회수하기 위한 열교환기로서, 과열기(102A, 102B, 102C)(이하, 이들 과열기를 구별하지 않는 경우에는 단순히 「과열기(102)」라고 표기한다.), 재열기(103A, 103B)(이하, 이들 재열기를 구별하지 않는 경우에는 단순히 「재열기(103)」라고 표기한다.), 절탄기(104)가 마련되어 있어, 화로(11)에서 발생한 연소 가스와 각 열교환기의 내부를 유통하는 급수나 증기 사이에서 열교환이 행해진다. 또한, 각 열교환기의 배치나 형상은, 도 1에 기재한 형태에 한정되지 않는다.
연소 가스 통로(12)의 하류측에는, 열교환기에서 열회수된 연소 가스가 배출되는 연도(13)가 연결되어 있다. 연도(13)에는, 풍도(24)와의 사이에 공기 예열기(에어 히터)(42)가 마련되어 있어, 풍도(24)를 흐르는 공기와, 연도(13)를 흐르는 연소 가스 사이에서 열교환을 행하고, 밀(31)에 공급하는 1차 공기나 버너(21)에 공급하는 2차 공기를 가열함으로써, 물이나 증기와의 열교환 후의 연소 가스로부터, 또한 열회수를 행한다.
또한, 연도(13)에는, 공기 예열기(42)보다 상류측의 위치에, 탈질 장치(43)가 마련되어 있어도 된다. 탈질 장치(43)는, 암모니아, 요소수 등의 질소 산화물을 환원하는 작용을 갖는 환원제를, 연도(13) 내를 유통하는 연소 가스에 공급하여, 환원제가 공급된 연소 가스 중의 질소 산화물(NOx)과 환원제의 반응을, 탈질 장치(43) 내에 설치된 탈질 촉매의 촉매 작용에 의해 촉진시킴으로써, 연소 가스 중의 질소 산화물을 제거, 저감시키는 것이다.
연도(13)의 공기 예열기(42)보다 하류측에는, 가스 덕트(41)가 연결되어 있다. 가스 덕트(41)에는, 연소 가스 중의 재 등을 제거하는 전기 집진기 등의 집진 장치(44)나 황 산화물을 제거하는 탈황 장치(46) 등의 환경 장치, 또한 그들 환경 장치에 배기 가스를 유도하기 위한 유인 통풍기(IDF: Induced Draft Fan)(45)가 마련되어 있다. 가스 덕트(41)의 하류 단부는, 굴뚝(47)에 연결되어 있고, 환경 장치에서 처리된 연소 가스가, 배기 가스로서 계외로 배출된다.
보일러(10)에 있어서, 미분 연료와 암모니아 연료의 혼소를 행하는 경우에는, 복수의 밀(31)이 구동되면, 분쇄, 분급된 미분 연료가, 1차 공기와 함께 미분 연료 공급관(22)을 통해 버너(21)에 공급된다. 또한, 공기 예열기(42)에서 가열된 2차 공기가, 풍도(24)로부터 풍상(23)을 통해 버너(21)에 공급된다. 버너(21)는, 미분 연료와 1차 공기가 혼합된 미분 연료 혼합기를 화로(11)에 취입함과 함께, 2차 공기를 화로(11)에 취입한다. 화로(11)에 취입된 미분 연료 혼합기가 착화하여, 2차 공기와 반응함으로써 화염을 형성한다. 화로(11) 내의 하부 영역에서 화염이 형성되고, 고온의 연소 가스가 화로(11) 내를 상승하여, 연소 가스 통로(12)로 유입된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 산화성 가스(1차 공기, 2차 공기)로서 공기를 사용하는데, 공기보다 산소 비율이 많은 것이나 반대로 적은 것이어도 되고, 공급되는 연료량에 대한 산소량의 비율을 적정한 범위로 조정함으로써 화로(11)에 있어서 안정된 연소가 실현된다.
또한, 화로(11)의 버너(21)의 장착 위치보다 상방에는, 화로(11) 내에 연소용 추가 공기(AA: Additional Air)를 공급하기 위한 복수의 어디셔널 공기 포트(AA 포트)(25)가 마련되어 있다. 어디셔널 공기 포트(25)에는, 풍도(24)로부터 분기된 어디셔널 공기 덕트(AA 덕트)(26)의 단부가 연결되어 있고, 압입 통풍기(32)로부터 공급된 공기의 일부를, 연소용 추가 공기로서, 어디셔널 공기 덕트(26)를 통해 어디셔널 공기 포트(25)에 공급할 수 있다.
도 1에 도시한 화로(11) 내부의 영역 A(풍상(23)의 높이 방향의 설치 범위에 대응한 영역)에서는, 1차 공기와 미분 연료의 혼합기와 2차 공기의 연소에 의해 화염이 형성된다. 여기서, 영역 A에 있어서의 공기비가 1 이하가 되도록, 구체적으로는 버너(21)에 공급되는 공기량(1차 공기와 2차 공기의 합계량)이, 버너(21)에 공급되는 연료량에 대한 이론 공기량보다 적어지도록 설정됨으로써, 화로(11) 내부의 영역 A와 영역 B(버너(21)의 최상부로부터 어디셔널 공기 포트(25)의 최하부 사이의 영역)는 환원 분위기가 되어, 연소에 의해 발생한 질소 산화물(NOx)이 화로(11)의 내부에서 환원된다. 그 후, 영역 C(어디셔널 공기 포트(25)의 최하부보다 상측의 영역)에 있어서, NOx가 환원된 연소 가스에, 어디셔널 공기 포트(25)로부터 연소용 추가 공기가 공급되어 연소가 완결되는데, 영역 A 및 영역 B에 있어서의 환원 효과만큼 NOx의 발생량이 저감된다.
연소 가스 통로(12)에 유입된 연소 가스는, 연소 가스 통로(12)의 내부에 배치된 과열기(102), 재열기(103), 절탄기(104)에서 물이나 증기와 열교환된 후, 연도(13)로 배출되고, 탈질 장치(43)에서 질소 산화물이 제거되고, 공기 예열기(42)에서 1차 공기 및 2차 공기와 열교환된 후, 또한 가스 덕트(41)로 배출되고, 집진 장치(44)에서 재 등이 제거되고, 탈황 장치(46)에서 황 산화물이 제거된 후, 굴뚝(47)으로부터 계외로 배출된다. 또한, 연소 가스 통로(12)에 있어서의 각 열교환기 및 연도(13)로부터 가스 덕트(41)에 있어서의 각 장치의 배치는, 연소 가스 흐름에 대해 반드시 상술한 기재순으로 배치되지는 않아도 된다.
보일러(10)는, 암모니아 공급원(50)을 구비하고 있다. 암모니아 공급원(50)에는, 암모니아 연료로서 암모니아가 기체 또는 액체의 상태로 저장되어 있다. 암모니아 연료는, 암모니아 공급원(50)으로부터 각 버너(21)에 공급된다. 버너(21)에서 암모니아 가스를 사용하는 경우에는, 암모니아 공급원(50)에서는 암모니아 연료가 가스로서 저장되거나, 혹은 액체 암모니아로서 저장되어 버너(21)로 반송되는 도중에서 기화된다. 버너(21)에서 액체 암모니아를 사용하는 경우에는, 암모니아 공급원(50)에서는 액체 암모니아로서 저장되는 것이 바람직하다.
미분 연료와 암모니아 연료의 전환은, 오퍼레이터에 의한 수동으로 행해도 되지만, 제어부의 지령에 의해 행할 수도 있다.
제어부는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 읽어내어, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM이나 그 밖의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통해 배신되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.
도 2에는 버너(21)가 도시되어 있다. 버너(21)는, 미분 연료와 암모니아 가스(암모니아 연료)의 혼소가 가능하게 되어 있다.
버너(21)는, 중심 축선(CL)을 따라 연장되는 내통 노즐(61)과, 내통 노즐(61)을 덮도록 마련된 외통 노즐(62)을 구비하고 있다. 내통 노즐(61)의 내주측에는 기름 노즐(63)이 마련되어 있다. 각 노즐(61, 62, 63)은, 각각 공통의 중심 축선(CL)을 갖고, 예를 들어 횡단면이 원형으로 되고, 금속제로 되어 있다.
내통 노즐(61)은, 암모니아 가스와 공기(연소용 공기)가 공급되고, 이들 혼합기를 화로(11) 내에 분출한다. 암모니아 가스는, 도 1의 암모니아 공급원(50)으로부터 공급된다.
내통 노즐(61)의 선단에는, 기름 노즐(63)과의 사이에 암모니아용 보염기(67)가 마련되어 있다. 암모니아용 보염기(67)는, 예를 들어 블레이드 형상으로 되어 있고, 암모니아 가스와 공기의 혼합기에 대해 중심 축선(CL) 주위로 선회를 부여한다. 암모니아용 보염기(67)에 의해, 내통 노즐(61)로부터 분사된 암모니아 가스의 화염의 보염이 행해진다.
외통 노즐(62) 내에는, 밀(31)(도 1 참조)로부터 유도된 미분 연료와 1차 공기가 공급된다. 외통 노즐(62) 내에는, 벤투리(68)와 농축기(69)가 마련되어 있다.
벤투리(68)는, 외통 노즐(62)의 내벽에 둘레 방향으로 연장되어 마련되어 있고, 내주측(중심 축선(CL)측)으로 팽출되는 형상에 의해 외통 노즐(62) 내의 유로를 축소한다. 예를 들어, 상류측에 위치함과 함께 내주측으로 경사지는 상류측 경사부(68a)와, 상류측 경사부(68a)의 정점에 접속됨과 함께 하류측을 향해 외주측으로 경사지는 하류측 경사부(68b)를 구비하고 있다. 벤투리(68)에 의해, 중심 축선(CL)을 향하는 속도 성분이 흐름에 대해 부여된다.
농축기(69)는, 벤투리(68)의 하류측에 위치하고, 기름 노즐(63)의 외벽에 둘레 방향으로 연장되어 고정되어, 외주측으로 팽출되는 형상을 갖고 있다. 예를 들어, 상류측에 위치함과 함께 내주측으로 경사지는 상류측 경사부(69a)와, 상류측 경사부(68a)의 정점에 접속됨과 함께 중심 축선(CL)과 평행하게 연장되는 원통부(69c)와, 원통부(69c)의 하류단에 접속됨과 함께 하류측을 향해 외주측으로 경사지는 하류측 경사부(69b)를 구비하고 있다.
농축기(69)에 의해, 벤투리(68)에서 축소된 유로가 확대되어, 외통 노즐(62) 측의 방향(반경 방향)을 향하는 속도 성분이 흐름에 대해 부여된다. 미분 연료는, 1차 공기보다 관성력이 크므로, 벤투리(68) 및 농축기(69)에 의해 외통 노즐(62)의 내벽측으로 모아져, 미분 연료의 고농도 영역을 형성한다.
외통 노즐(62)의 선단이며 또한 외주측에는, 배플로 된 미분 연료용 보염기(71)가 마련되어 있다. 미분 연료용 보염기(71)는, 외통 노즐(62)을 정면에서 본 경우에 링 형상으로 되어 있다. 미분 연료용 보염기(71)에 의해, 2차 공기 유로(73)를 흐르는 2차 공기의 흐름을 부분적으로 차단하여, 그 하류측에 보염 영역을 형성한다. 이에 의해, 외통 노즐(62)로부터 공급된 미분 연료의 화염의 보염이 행해진다.
기름 노즐(63)에는, 도시하지 않은 기름 연료 공급원으로부터 기름 연료가 공급된다. 기름 연료는, 버너(21)의 기동 시에 사용되고, 기동 후에는 기름 연료의 공급이 정지되어 미량의 냉각 공기가 공급된다.
2차 공기 유로(73)는, 외통 노즐(62)을 덮도록 마련되어 있다. 2차 공기 유로(73)의 외주측에는, 2차 공기 유로(73)를 덮도록 3차 공기 유로(74)가 마련되어 있다. 3차 공기 유로(74) 내에는, 3차 공기에 대해 선회를 부여하는 선회기(74a)가 마련되어 있다.
다음으로, 상기 구성의 버너(21)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 기름 노즐(63)로부터 기름 연료를 공급함으로써 버너(21)의 기동을 행한다. 기름 노즐(63)로부터 화로(11) 내에 분사된 기름 연료는, 내통 노즐(61)로부터 공급된 공기와 함께 화염을 형성하고, 화로(11)를 승온시킨다. 기름 연료에 의한 화염은, 암모니아용 보염기(67)에 의해 보염된다. 즉, 암모니아용 보염기(67)는, 기동 시에 기름 연료의 보염에도 사용된다.
그리고 소정 온도까지 화로(11) 내가 승온되어 기동이 종료되면, 기름 연료의 공급이 정지된다. 기름 연료의 공급이 정지되면, 기름 노즐(63)로부터 미량의 공기가 기름 노즐(63)의 냉각용으로서 흘려진다.
버너의 기동을 개시하고 소정 시간 경과한 후에, 미분 연료와 암모니아 가스의 공급이 이하와 같이 행해진다.
미분 연료는, 1차 공기와 함께 외통 노즐(62)로부터 서서히 공급되어, 미분 연료에 의한 화염이 형성된다. 미분 연료는, 벤투리(68) 및 농축기(69)에 의해, 외통 노즐(62)의 내벽측에 고농도 영역을 형성한다. 미분 연료에 의한 화염은, 외통 노즐(62)에 마련된 미분 연료용 보염기(71)에 의해 보염되고, 2차 공기 유로(73)로부터 공급되는 2차 공기 및 3차 공기 유로(74)로부터 공급되는 3차 공기에 의해 단계적으로 연소가 행해진다.
암모니아 가스는, 암모니아 공급원(50)(도 1 참조)으로부터 암모니아 가스가 내통 노즐(61) 내에 공기와 함께 서서히 공급되어, 예혼합된 상태에서 암모니아용 보염기(67)로 유도된다. 암모니아용 보염기(67)에 의해 선회가 부여된 예혼합 기체는, 중심 축선(CL)을 따라 직진하여, 암모니아 가스의 예혼합 화염을 형성한다. 이와 같이 하여 암모니아 가스의 화염은, 암모니아용 보염기(67)에 의해 보염되어, 외통 노즐(62)로부터 공급되는 미분 연료와 함께 혼소된다.
이상 설명한 본 실시 형태의 작용 효과는 이하와 같다.
외통 노즐(62)의 내부에 마련된 농축기(69)에 의해, 미분 연료용 보염기(71)의 내벽측에 미분 연료가 농축된다. 이에 의해, 미분 연료용 보염기(71)에 의한 보염이 보다 안정된다. 그리고 내통 노즐(61)에 암모니아 가스를 공급함으로써, 농축기(69) 및 미분 연료용 보염기(71)를 사용하여 보염이 강화된 미분 연료의 화염의 근방 보다 구체적으로는 내측에 암모니아 가스를 공급함으로써, 암모니아 가스의 연소를 안정시켜 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 단일의 버너에서 동시에 복수종의 연료를 연소시키는 경우의 암모니아 연료의 혼소율을 50％ 이상까지 증가시킬 수 있다.
내통 노즐(61)에 암모니아 가스 및 공기를 공급하여 예혼합 연소를 행함으로써 화염을 안정시키는 것으로 하였다. 그리고 나서, 내통 노즐(61)의 선단에 마련한 암모니아용 보염기(67)에 의해 암모니아 가스의 화염을 더욱 안정시킨다. 이에 의해, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 내통 노즐(61)에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어 밸브(도시하지 않음)를 마련하고, 이 제어 밸브의 개방도를 제어부에 의해 제어하도록 해도 된다.
이때, 제어부는, 암모니아 가스, 공기, 미분 연료 및 1차 공기의 유량을 센서(도시하지 않음)로부터 취득한 암모니아 연료의 혼소율(현재값)을 연산한다. 그리고 제어부는, 암모니아 연료의 혼소율의 증가에 따라서, 공기의 유량을 감소시키도록 제어 밸브의 개방도를 조정한다. 이와 같이 제어함으로써, 암모니아 연료의 혼소율이 증대되어, 미분 연료의 화염의 유지가 어려워질 우려가 있는 경우에도, 암모니아 연료의 증가에 따라서 공기의 유량을 감소시킴으로써 내통 노즐(61)로부터 유출되는 예혼합 연료의 유속을 저감할 수 있다. 이에 의해, 미분 연료의 착화 저해를 가급적 회피하여 미분 연료의 화염을 유지할 수 있어, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태에 대해 도 3a 및 도 3b를 사용하여 설명한다.
본 실시 형태는, 제1 실시 형태의 기름 노즐(63)을 생략한 데다가, 암모니아 가스의 분출 위치가 상위하다. 이하의 설명에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대해서는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하고, 주로 상위한 구성에 대해 설명한다.
도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시 형태의 버너(21)는, 가장 중심 축선(CL)에 가까운 위치에 내통 노즐(61)이 마련되어 있다. 따라서, 내통 노즐(61)의 내측에는 제1 실시 형태의 기름 노즐(63)은 마련되어 있지 않다. 내통 노즐(61)의 화로(11)측의 단부(도 3a에 있어서 우측단)는 폐쇄되어 있어, 여기로부터 암모니아 가스는 분출되지 않는다. 내통 노즐(61)에는, 도 1에 도시한 암모니아 공급원(50)으로부터 암모니아 가스가 공급된다. 단, 제1 실시 형태와 달리 내통 노즐(61)에는, 암모니아 가스만이 공급되고, 공기는 공급되지 않는다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 농축기(69)에는, 복수의 슬릿(암모니아 가스 분출 구멍)(80)이 복수 형성되어 있다. 이들 슬릿(80)은, 반경 방향으로 세로로 긴 유로가 방사상으로 형성되어 있다. 슬릿(80)은, 본 실시 형태에서는 4개로 되어 있지만, 그 수는 특별히 한정되지 않고 2개 이상 또는 3개 이상이면 된다. 각 슬릿(80)은, 내통 노즐(61)과 연통되어 있어, 암모니아 가스가 유통하도록 되어 있다. 각 슬릿(80)은, 도 3a에 도시한 바와 같이, 농축기(69)의 하류측 경사부(68b)에 형성되어 있고, 화살표로 나타낸 바와 같이 암모니아 가스를 중심 축선(CL)을 따르는 방향으로 분사한다. 슬릿(80)에 의해, 암모니아 가스는 외통 노즐(62) 내에 분사된다. 암모니아 가스의 연소용 공기는, 외통 노즐(62) 내를 흐르는 1차 공기가 사용된다.
본 실시 형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
농축기(69)에 형성된 각 슬릿(80)으로부터 외통 노즐(62) 내에 암모니아 가스를 분출하는 것으로 하였으므로, 미분 연료와 함께 화염을 형성할 수 있어, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
슬릿(80)으로부터 암모니아 가스를 중심 축선(CL)을 따라 분출하여 가급적 반경 방향으로 퍼지지 않도록 하였으므로, 농축기(69)에 의해 외통 노즐(62)의 내벽측에 농축된 미분 연료와의 혼합을 지연시켜, NOx 저감이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 슬릿(80)으로부터 중심 축선(CL)을 따라 암모니아 가스를 분출하도록 하였지만, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이 변경해도 된다.
구체적으로는, 암모니아 가스의 분출 방향을 바꾼다. 슬릿(80')은, 도 4a 및 도 4b에 화살표로 나타낸 바와 같이, 암모니아 가스가 중심 축선(CL)에 대해 경사져 외주측(반경 방향)을 향해 분출되는 방향으로 형성되어 있다.
슬릿(80')으로부터 암모니아 가스를 중심 축선(CL)에 대해 경사지게 하여 외주측을 향해 분출하도록 함으로써, 암모니아 가스가 외통 노즐(62)의 내벽측으로 퍼져, 농축기(69)에 의해 외통 노즐(62)의 내벽측에 농축된 미분 연료와 혼합되어, 연소를 촉진시킬 수 있다.
[제3 실시 형태]
다음으로, 본 개시의 제3 실시 형태에 대해 도 5을 사용하여 설명한다.
본 실시 형태는, 제2 실시 형태에 대해 분배기(82)가 추가되어 있는 점에서 상위하고, 그 밖의 구성에 대해서는 마찬가지이므로, 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 외통 노즐(62)의 선단의 내측에, 링 형상의 분배기(82)가 마련되어 있다. 분배기(82)는 농축기(69)의 하류측 경사부(69b)의 하류단을 둘러싸도록 마련되어 있다. 분배기(82)에 의해, 외통 노즐(62) 내의 유로가 내측 유로(62a)와 외측 유로(62b)로 칸막이되어 있다.
외통 노즐(62)의 내측 유로(62a)와 외측 유로(62b)를 칸막이함으로써 농축기(69)로 분리되어 주로 1차 공기가 흐르는 내측 유로(62a)와, 주로 농축된 미분 연료가 흐르는 외측 유로(62b)를 형성하는 것으로 하였다. 이에 의해, 내측 유로(62a)를 흐르는 1차 공기를 암모니아 가스의 연소에 사용할 수 있어, 외측 유로(62b)를 흐르는 농축된 미분 연료에 의해 미분 연료의 착화를 촉진할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 도 5에 도시한 바와 같이, 암모니아 가스의 분출 방향이 도 4a와 같이 중심 축선(CL)에 대해 경사져 외주측을 향해 분출되는 방향으로 되어 있지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3a에 도시한 바와 같이, 슬릿(80)으로부터 중심 축선(CL)을 따라 암모니아 가스를 분출하도록 해도 된다.
[제4 실시 형태]
다음으로, 본 개시의 제4 실시 형태에 대해서, 도 6a 내지 도 6c를 사용하여 설명한다.
제2 실시 형태에서는 암모니아 가스를 외통 노즐(62)의 내주측으로부터 분출하는 구성으로 하였지만, 본 실시 형태는 암모니아 가스가 외통 노즐(62)의 내벽측으로부터 분출되는 점에서 상위하다. 이하의 설명에서는, 제2 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대해서는 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략하고, 주로 상위한 구성에 대해 설명한다.
도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 내통 노즐(61)로부터 암모니아 가스는 공급되지 않는다. 내통 노즐(61)은, 기본적으로 미량의 냉각 공기가 흘려지지만, 필요하면 기동 시에 기름 노즐로서 사용된다.
외통 노즐(62)의 내벽에는, 복수의 둘레 방향 농축기(85)가 마련되어 있다. 각 둘레 방향 농축기(85)는, 농축기(69)의 하류측 경사부(69b)의 외주측에 위치하고 있다.
도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 각 둘레 방향 농축기(85)는, 둘레 방향으로 소정 간격을 두고 외통 노즐(62)의 내벽의 둘레 방향을 따라 마련되어 있다. 농축기(69)에 의해 농축된 미분 연료가, 인접하는 둘레 방향 농축기(85)의 사이를 축류하여 흐르도록 되어 있다.
도 6c에는 일례로서 2개의 둘레 방향 농축기(85)가 도시되어 있다. 동 도면에서는, 상방이 외통 노즐(62)의 외주측을 나타내고, 하방이 외통 노즐(62)의 내주측을 나타낸다. 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이, 둘레 방향 농축기(85)의 선단(하류단)에는, 암모니아 가스를 분출하는 암모니아 가스 분출 구멍(85a)이 마련되어 있다. 둘레 방향 농축기(85)에는, 파이프 형상으로 된 설치부(85b)를 통해, 암모니아 가스 공급관(87)(도 6a 및 도 6b 참조)이 접속되어 있다. 암모니아 가스 공급관(87)을 통해, 암모니아 공급원(50)(도 1 참조)으로부터 암모니아 가스가 둘레 방향 농축기(85)에 공급된다.
둘레 방향 농축기(85)는, 도 6c에 도시한 바와 같이, 외통 노즐(62)의 내주측에서 보았을 때에 마름모 형상으로 되어 있고, 상류단(85c)으로부터 점차 광폭으로 되고, 중간 위치(85d)로부터 하류단(85e)에 걸쳐 점차 협폭으로 되어 있다. 중간 위치(85d)로부터 하류단(85e)에 이르는 하류측면(85f)에, 복수의 암모니아 가스 분출 구멍(85a)이 형성되어 있다. 또한, 둘레 방향 농축기(85)의 내주측의 면인 저면(85g)은 폐쇄되어 있다.
본 실시 형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
농축기(69)를 내통 노즐(61)의 외벽에 마련함으로써, 외통 노즐(62)의 내벽측에 미분 연료를 농축시킨다. 그리고 외통 노즐(62)의 선단의 내벽에, 둘레 방향으로 소정 간격을 갖고 복수의 둘레 방향 농축기(85)를 마련함으로써, 둘레 방향의 유로 폭을 부분적으로 축소시켜, 둘레 방향에 있어서 미분 연료를 농축하는 것으로 하였다. 그리고 둘레 방향 농축기(85)에 마련한 암모니아 가스 분출 구멍(85a)으로부터 암모니아 가스를 분출시킴으로써, 둘레 방향으로 농축된 미분 연료와 혼합시켜 연소를 촉진시킬 수 있다.
[제5 실시 형태]
다음으로, 본 개시의 제5 실시 형태에 대해 도 7a 및 도 7b를 사용하여 설명한다.
제1 실시 형태에서는 암모니아 가스를 사용하는 것으로 하였지만, 본 실시 형태에서는 액체 암모니아를 사용하는 점에서 상위하다. 이하의 설명에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대해서는 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략하고, 주로 상위한 구성에 대해 설명한다.
도 7a에 도시되어 있는 바와 같이, 내통 노즐(61) 내에는, 액체 암모니아를 분사하는 액체 암모니아 공급관(90)이 마련되어 있다. 액체 암모니아 공급관(90)은, 중심 축선(CL) 주위에 소정 간격을 두고 복수 마련되어 있다. 액체 암모니아는, 암모니아 공급원(50)(도 1 참조)으로부터 액체 암모니아 공급관(90)에 공급된다. 내통 노즐(61)에는 공기가 공급된다.
액체 암모니아 공급관(90) 내에는, 도 7b에 도시한 바와 같이 액체 암모니아 분사 팁(92)이 마련되어 있다. 액체 암모니아 분사 팁(92) 내에는, 도 7b에 도시한 바와 같이, 액체 암모니아 유로가 형성되어 있고, 복수의 분사 구멍(92a)으로부터 미립화된 액체 암모니아 연료가 내통 노즐(61) 내를 향해 분사된다. 액체 암모니아 분사 팁(92)에 의해, 액체 암모니아는 압력 분무에 의해 분사된다. 액체 암모니아 공급관(90)의 액체 암모니아 분사 팁(92)으로부터, 액체 암모니아가 암모니아용 보염기(67)의 상류측에 분사된다.
[제6 실시 형태]
다음으로, 본 개시의 제6 실시 형태에 대해 도 8을 사용하여 설명한다.
제5 실시 형태에서 액체 암모니아를 공급하는 형태를 나타냈지만, 액체 암모니아를 연소시키는 버너로서는, 동일한 액체인 기름 연료를 분사시키는 기름 노즐(63)에 액체 암모니아를 공급할 수도 있다. 이 경우, 버너(21)의 중심 축선(CL)측으로부터 액체 암모니아를 화로(11) 내에 다량으로 공급하면, 기화열에 의해 버너(21)의 출구 근방의 온도가 낮아져, 착화가 곤란해지는 것이 생각된다. 그 때문에, 기름 노즐(63)로부터 공급하는 암모니아에 더하여, 기름 노즐(63)의 외주측, 즉 3차 공기 유로(74)에 마련된 암모니아 공급관(95)으로부터도 필요한 양의 암모니아를 공급하는 것이 바람직하다.
암모니아 공급관(95)은, 통 형상 부재로 되어, 적절한 둘레 방향 간격으로 3차 공기 유로(74) 내에 복수 배치되어 있다. 단, 암모니아 공급관(95)의 형상·수량 등에 한정은 없고, 연료를 안정적으로 착화시켜, 연소시킬 수 있는 것이면 된다. 또한, 암모니아 공급관(95)에 공급하는 암모니아는, 액체여도 가스여도 된다.
본 실시 형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
내통 노즐(61)의 선단에 마련한 암모니아용 보염기(67)의 상류측에서 액체 암모니아를 분사하는 것으로 하였다. 이에 의해, 암모니아용 보염기(67)의 상류측에서 내통 노즐(61) 내에 공급된 공기와 혼합되고, 액체 암모니아는 암모니아용 보염기(67)에서 가급적 기화되어, 암모니아용 보염기(67)에 의한 보염이 안정된다. 따라서, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
상술한 각 실시 형태에서는, 본 발명의 보일러를, 연료에 고체 연료를 사용하는 보일러로서 설명하였다. 보일러에 사용되는 고체 연료로서는, 석탄, 바이오매스 연료, 석유 코크스(PC: Petroleum Coke) 연료, 석유 잔사 등이 사용된다.
이상 설명한 각 실시 형태에 기재된 버너 및 이것을 구비한 보일러 그리고 버너의 운전 방법은, 예를 들어 이하와 같이 파악된다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너(21)는, 중심 축선(CL)을 따라 연장되는 내통 노즐(61)과, 상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐(62)과, 상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기(71)와, 상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기(69)를 구비하고, 상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급한다.
외통 노즐의 내부에 마련된 농축기에 의해, 미분 연료용 보염기측에 미분 연료가 농축된다. 이에 의해, 미분 연료용 보염기에 의한 보염이 보다 안정된다. 그리고 내통 노즐 또는 외통 노즐에 암모니아 연료를 공급함으로써, 농축기 및 미분 연료용 보염기를 사용하여 보염이 강화된 미분 연료의 화염 근방에 암모니아 연료를 공급함으로써, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고, 상기 내통 노즐에는, 암모니아 가스 및 공기가 공급되고, 상기 내통 노즐의 선단에는, 상기 내통 노즐로부터 공급된 상기 암모니아 가스의 화염을 보염하는 암모니아용 보염기(67)가 마련되어 있다.
내통 노즐에 암모니아 가스 및 공기를 공급하여 예혼합 연소를 행함으로써 화염을 안정시킨다. 그리고 나서, 내통 노즐의 선단에 마련한 암모니아용 보염기에 의해 암모니아 가스의 화염을 더욱 안정시킨다. 이에 의해, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 내통 노즐에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어 밸브와, 상기 제어 밸브를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 암모니아 연료의 혼소율의 증가에 따라서, 상기 공기의 유량을 감소시키도록 상기 제어 밸브를 제어한다.
암모니아 연료의 혼소율이 증대되면, 미분 연료의 화염의 유지가 어려워질 우려가 있다. 그래서, 암모니아 연료의 증가에 따라서 공기의 유량을 감소시킴으로써 내통 노즐로부터 유출되는 예혼합 연료의 유속을 저감시키는 것으로 하였다. 이에 의해, 미분 연료의 착화 저해를 가급적 회피하여 미분 연료의 화염을 유지할 수 있어, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고, 상기 내통 노즐에는, 암모니아 가스가 공급되고, 상기 농축기는, 상기 내통 노즐의 외벽에 마련되고, 상기 농축기에는, 상기 내통 노즐로부터 유도된 상기 암모니아 가스를 상기 외통 노즐 내에 분출하는 암모니아 가스 분출 구멍(80, 80')이 마련되어 있다.
농축기를 내통 노즐의 외벽에 마련함으로써, 외통 노즐의 내벽측에 미분 연료를 농축시킬 수 있다.
농축기에 형성된 암모니아 가스 분출 구멍으로부터 외통 노즐 내에 암모니아 가스를 분출하는 것으로 하였으므로, 미분 연료와 함께 화염을 형성할 수 있어, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 가스 분출 구멍은, 상기 암모니아 가스가 상기 중심 축선을 따라 분출되는 방향으로 형성되어 있다.
암모니아 가스 분출 구멍으로부터 암모니아 가스를 중심 축선을 따라 분출하도록 함으로써, 농축기에 의해 외통 노즐의 내벽측에 농축된 미분 연료와의 혼합을 지연시켜, NOx 저감이 가능해진다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 가스 분출 구멍은, 상기 암모니아 가스가 상기 중심 축선에 대해 경사져 외주측을 향해 분출되는 방향으로 형성되어 있다.
암모니아 가스 분출 구멍으로부터 암모니아 가스를 중심 축선에 대해 경사지게 하여 외주측을 향해 분출하도록 함으로써, 암모니아 가스가 외통 노즐의 내벽측으로 퍼져, 농축기에 의해 외통 노즐의 내벽측에 농축된 미분 연료와 혼합되어, 연소가 촉진된다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 외통 노즐의 선단에, 내측 유로와 외측 유로를 칸막이하는 분배기(82)가 마련되어 있다.
외통 노즐의 선단에 분배기를 마련하고, 외통 노즐의 내측 유로와 외측 유로를 칸막이함으로써, 주로 1차 공기가 흐르는 내측 유로와, 주로 농축된 미분 연료가 흐르는 외측 유로를 형성하는 것으로 하였다. 이에 의해, 내측 유로를 흐르는 1차 공기를 암모니아 가스의 연소에 사용할 수 있어, 외측 유로를 흐르는 농축된 미분 연료에 의해 미분 연료의 착화를 촉진할 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고, 상기 농축기는, 상기 내통 노즐의 외벽에 마련되고, 상기 외통 노즐의 선단의 내벽에는, 둘레 방향으로 소정 간격을 갖고 복수의 둘레 방향 농축기(85)가 마련되고, 상기 둘레 방향 농축기에는, 상기 암모니아 가스를 분출하는 암모니아 가스 분출 구멍(85a)이 형성되어 있다.
농축기를 내통 노즐의 외벽에 마련함으로써, 외통 노즐의 내벽측에 미분 연료를 농축시킨다. 그리고 외통 노즐의 선단의 내벽에, 둘레 방향으로 소정 간격을 갖고 복수의 둘레 방향 농축기를 마련함으로써, 둘레 방향의 유로 폭을 부분적으로 축소시켜, 둘레 방향에 있어서 미분 연료를 농축하는 것으로 하였다. 그리고 둘레 방향 농축기에 마련한 암모니아 가스 분출 구멍으로부터 암모니아 가스를 분출시킴으로써, 둘레 방향으로 농축된 미분 연료와 혼합시켜 연소를 촉진시키는 것으로 하였다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 암모니아 연료로서, 액체 암모니아가 사용되고, 상기 내통 노즐에는, 공기가 공급되고, 상기 내통 노즐의 선단에는, 상기 내통 노즐로부터 공급된 암모니아의 화염을 보염하는 암모니아용 보염기(67)가 마련되고, 상기 내통 노즐의 내부에는, 상기 암모니아용 보염기의 상류측에서 상기 액체 암모니아를 분사하는 액체 암모니아 공급관(90)이 마련되어 있다.
내통 노즐의 선단에 마련한 암모니아용 보염기의 상류측에서 액체 암모니아를 분사하는 것으로 하였다. 이에 의해, 암모니아용 보염기의 상류측에서 내통 노즐 내에 공급된 공기와 혼합되고, 액체 암모니아는 보염기에서 가급적 기화되어, 암모니아용 보염기에 의한 보염이 안정된다. 따라서, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너에서는, 상기 내통 노즐로부터 액체 암모니아 연료를 공급하고, 상기 외통 노즐의 외주측에 마련된 암모니아 공급관으로부터 암모니아를 분사한다.
내통 노즐로부터 액체 암모니아를 공급함과 함께, 외통 노즐의 외주측에 마련된 암모니아 공급관으로부터 암모니아를 분사함으로써, 암모니아의 혼소율을 높일 수 있다. 또한, 내통 노즐로부터 액체 암모니아를 공급함으로써 기화열에 의해 버너의 출구 근방의 온도가 낮아져 착화가 곤란해질 우려가 있지만, 암모니아 공급관으로부터 공급하는 암모니아에 상당하는 양만큼 내통 노즐로부터 공급하는 액체 암모니아의 양을 저감시킴으로써, 적절하게 착화를 행할 수 있다. 또한, 암모니아 공급관으로부터 공급하는 암모니아는, 액체여도 가스여도 된다.
본 개시의 일 양태에 관한 보일러(10)는, 상기한 어느 버너를 구비하고 있다.
본 개시의 일 양태에 관한 버너의 운전 방법은, 중심 축선을 따라 연장되는 내통 노즐과, 상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐과, 상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기와, 상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기를 구비한 버너의 운전 방법이며, 상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급한다.
또한, 본 개시의 일 양태에 관한 버너에 의하면, 이하의 유리한 효과를 얻을 수 있다.
단일의 버너에서 미분 연료와 암모니아 연료를 동시에 연소시키는 혼소 버너에 있어서, 특히 정격 출력보다 저부하의 영역에서는 연료의 착화성 및 보염성에 관하여 엄격한 조건이 되기 때문에, 혼소율의 상한과 하한의 범위가 좁아지는 경향이 있다.
또한, 최저 부하의 하한도, 혼소 버너에서는 연소 특성이 다른 복수 연료의 화염을 안정적으로 형성·유지시키므로, 특정 연료의 전소 버너에 비해 높아지기 쉽다.
화로벽면에 복수단, 복수열의 버너를 배열하여 연소시키는 벽면 연소식의 보일러에서는, 1단의 버너군을 하나의 그룹으로 하여 점화·소화, 출력(부하) 조정을 행하는 일이 많다.
1단의 버너를 휴지하여 예비로 하고, 다른 운전하는 버너단의 부하를 조정하거나, 휴지하는 버너단을 더 증가시켜 부하를 낮추는 운용도 행해진다.
본 개시의 버너를 각 단, 각 열에 구비한 벽면 연소식의 보일러이면, 암모니아 연료의 혼소율을 높일 수 있다.
보일러 부하가 낮은 영역에서도, 혼소율의 상한과 하한의 범위가 넓어, 보일러의 최저 부하의 하한도 낮출 수 있다. 따라서, 보일러 플랜트의 운용성, 혼소율 및 부하 변동에의 대응의 유연성이 높아진다.
본 개시의 버너에 의하면, 암모니아 연료의 혼소율을 증가시킬 수 있으므로, 즉 혼소율의 상한이 높으므로, 기존의 미분 연료를 연소시키는 버너만을 구비한 보일러의 일부의 버너를 암모니아 연소 가능한 버너로 치환하여 혼소 보일러로 개조하는 경우에, 혼소율의 상한이 낮은 버너에 비해 적은 대수의 버너를 치환하는 것으로 충분하다는 이점이 있다.
본 개시의 버너에 의하면, 암모니아 연료의 혼소율의 상한과 하한의 범위가 넓으므로, 특정한 연료종을 전소하는 버너와, 암모니아와 미분 연료를 혼소시키는 버너가 혼재하는 보일러 플랜트에 있어서, 사용 내지 휴지하는 버너의 선택이나 부하의 조정 범위가, 암모니아 연료의 혼소율의 상한과 하한의 범위가 좁은 버너에 비해 크다는 이점이 있다.
또한, 저부하에서도 안정된 연소가 얻어져, 최저 부하의 하한도 낮게 설정할 수 있다.
보일러 플랜트에 있어서의 연료 조달 등의 사정에 따른, 연료의 공급 비율, 즉 혼소율을 증감시키는 등의 유연한 운용에도 대응하기 쉽다.
10: 보일러
11: 화로
12: 연소 가스 통로
13: 연도
20: 연소 장치
21: 버너
22: 미분 연료 공급관
23: 풍상(에어 레지스터)
24: 풍도(공기 덕트)
25: 어디셔널 공기 포트
26: 어디셔널 공기 덕트
31: 밀(분쇄기)
32: 압입 통풍기(FDF)
41: 가스 덕트
42: 공기 예열기
43: 탈질 장치
44: 집진 장치
45: 유인 통풍기(IDF)
46: 탈황 장치
47: 굴뚝
50: 암모니아 공급원
61: 내통 노즐
62: 외통 노즐
62a: 내측 유로
62b: 외측 유로
63: 기름 노즐
67: 암모니아용 보염기
68: 벤투리
68a: 상류측 경사부
68b: 하류측 경사부
69: 농축기
69a: 상류측 경사부
69b: 하류측 경사부
69c: 원통부
71: 미분 연료용 보염기
73: 2차 공기 유로
74: 3차 공기 유로
74a: 선회기
80, 80': 슬릿(암모니아 가스 분출 구멍)
82: 분배기
85: 둘레 방향 농축기
85a: 암모니아 가스 분출 구멍
85b: 설치부
85c: 상류단
85d: 중간 위치
85e: 하류단
85f: 하류 측면
85g: 저면
87: 암모니아 가스 공급관
90: 액체 암모니아 공급관
92: 액체 암모니아 분사 팁
92a: 분사 구멍
95: 액체 암모니아 공급관
101: 화로벽
102: 과열기
103: 재열기
104: 절탄기

Claims (12)

  1. 중심 축선을 따라 연장되는 내통 노즐과,
    상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐과,
    상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기와,
    상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기
    를 구비하고,
    상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급하는 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고,
    상기 내통 노즐에는, 암모니아 가스 및 공기가 공급되고,
    상기 내통 노즐의 선단에는, 상기 내통 노즐로부터 공급된 상기 암모니아 가스의 화염을 보염하는 암모니아용 보염기가 마련되어 있는 버너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내통 노즐에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어 밸브와,
    상기 제어 밸브를 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 암모니아 연료의 혼소율의 증가에 따라서, 상기 공기의 유량을 감소시키도록 상기 제어 밸브를 제어하는 버너.
  4. 제1항에 있어서.
    상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고,
    상기 내통 노즐에는, 암모니아 가스가 공급되고,
    상기 농축기는, 상기 내통 노즐의 외벽에 마련되고,
    상기 농축기에는, 상기 내통 노즐로부터 유도된 상기 암모니아 가스를 상기 외통 노즐 내에 분출하는 암모니아 가스 분출 구멍이 마련되어 있는 버너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 암모니아 가스 분출 구멍은, 상기 암모니아 가스가 상기 중심 축선을 따라 분출되는 방향으로 형성되어 있는 버너.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 암모니아 가스 분출 구멍은, 상기 암모니아 가스가 상기 중심 축선에 대해 경사져 외주측을 향해 분출되는 방향으로 형성되어 있는 버너.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 외통 노즐의 선단에, 내측 유로와 외측 유로를 칸막이하는 분배기가 마련되어 있는 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 연료로서, 암모니아 가스가 사용되고,
    상기 농축기는, 상기 내통 노즐의 외벽에 마련되고,
    상기 외통 노즐의 선단의 내벽에는, 둘레 방향으로 소정 간격을 갖고 복수의 둘레 방향 농축기가 마련되고,
    상기 둘레 방향 농축기에는, 상기 암모니아 가스를 분출하는 암모니아 가스 분출 구멍이 형성되어 있는 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 연료로서, 액체 암모니아가 사용되고,
    상기 내통 노즐에는, 공기가 공급되고,
    상기 내통 노즐의 선단에는, 상기 내통 노즐로부터 공급된 암모니아의 화염을 보염하는 암모니아용 보염기가 마련되고,
    상기 내통 노즐의 내부에는, 상기 암모니아용 보염기의 상류측에서 상기 액체 암모니아를 분사하는 액체 암모니아 공급관이 마련되어 있는 버너.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내통 노즐로부터 액체 암모니아 연료를 공급하고,
    상기 외통 노즐의 외주측에 마련된 암모니아 공급관으로부터 암모니아를 분사하는 버너.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 버너를 구비한 보일러.
  12. 중심 축선을 따라 연장되는 내통 노즐과,
    상기 중심 축선을 따라 연장되어, 상기 내통 노즐을 덮도록 마련되고, 미분 연료 및 1차 공기를 화로 내에 공급하는 외통 노즐과,
    상기 외통 노즐로부터 공급된 상기 미분 연료의 화염을 보염하는 미분 연료용 보염기와,
    상기 외통 노즐의 내부에 마련되고, 상기 미분 연료용 보염기측에 상기 미분 연료를 농축하는 농축기
    를 구비한 버너의 운전 방법이며,
    상기 내통 노즐 또는 상기 외통 노즐에, 암모니아 연료를 공급하는 버너의 운전 방법.
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