KR910006273B1 - 화로시스템 - Google Patents

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KR910006273B1
KR910006273B1 KR1019850000490A KR850000490A KR910006273B1 KR 910006273 B1 KR910006273 B1 KR 910006273B1 KR 1019850000490 A KR1019850000490 A KR 1019850000490A KR 850000490 A KR850000490 A KR 850000490A KR 910006273 B1 KR910006273 B1 KR 910006273B1
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노리오 아라시
시게루 아즈하다
기요시 나라도
도오루 이나다
히로노부 고바야시
게이죠오 오오쓰까
다까오 히시누마
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가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
미다 가쓰시세
바브코크 히다찌 가부시기가이샤
후꾸다 이꾸마사
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Abstract

내용 없음.

Description

화로시스템
제1도는 본원 발명의 화로시스템에 있어서의 채광부 부근의 일예를 나타낸 정면도.
제2도는 제1도의 A-A 단면도.
제3도 및 제4도는 채광광학계의 원리를 설명하는 설명도.
제5도는 제1도와 상이한 다른 채광예를 나타낸 버너부분의 종단면도.
제6도는 채광장치를 사용하여 시험한 기체연료 연소실험장치의 설명도.
제7도는 제6도의 B-B에서 본 도면.
제8도는 채광장치를 사용하여 시험한 미분탄 연소실험장치.
제9도는 화염의 발광분광 분석결과를 나타낸 그래프.
제10도는 발광강도와 연소화염의 공기비와의 관계를 나타낸 그래프.
제11도는 C2라디칼의 발광강도와 배기가스중 가스성분농도의 관계 및 재속의 미연소분량의 관계를 나타낸 그래프.
제12도는 NO*의 발광강도와 배기가스중의 NOx농도의 관계를 나타낸 그래프.
제13도는 OH라디칼의 발광스펙트럼을 나타낸 그래프.
제14도는 화염중에서의 온도분포의 일예를 나타낸 그래프.
제15도는 발광강도측정을 위한 필터박스의 일예를 나타낸 설명도.
제16도는 정상화염 및 비정상화염의 예를 나타낸 설명도.
제17도는 본원 발명의 화로시스템에 있어서의 염소화염의 제어를 나타낸 구성도.
제18도는 제 17도의 화염제어에 사용되는 버너의 일실시예를 나타낸 종단면도.
제19도는 제18도의 C-C 끝면도.
본원 발명은 예를 들면 미분탄(微粉炭)을 연료로 하는 보일러에 설치되어 보일러에서 연소하는 화염의 감시 또는 제어, 또는 보일러에 부속된 배기가스처리장치를 제어하는 화로(火爐)시스템에 관한 것이다.
종래, 보일러에서 연소하는 화염의 제어는 일반적으로는 배기가스중의 가스를 분석하고, 그 분석치를 사용하여 제어계의 신호를 출력하는 방법이 사용되고 있다.
예를 들면, 배가가스중의 질소산화물(이하 NOx라 함) 농도의 파악에는 실제로 연도(煙道)로부터 배기가스를 각종 NOx 계(計)까지 인도하여 NOx 농도를 측정하고 있다. 또한, 직접 연도로부터 측정계기에의 도입이 불가능한 경우에는 주사기형상의 샘플링용 실린지를 사용하여 연도로부터 배기가스를 채집해 와서 각종 NOx계의 샘플입구에 주입하여 NOx 농도를 측정하고 있다. 어느방법이든 가스를 채집하고, 그 분석치로부터 제어신호를 출력하여 제어하는 방법으로 되어 있다. 배기가스중의 NOx의 다른 감시성분으로서는 일산화탄소, 산소, 아황산가스 등이 있으며, NOx와 같이 연도로부터 배기가스를 인도하여 분석하고 그 값으로부터 제어신호를 출력하여 제어하는 방법으로 되어 있다. 그러나, 어떤 감시성분에 관해서도 실제로는 연도로부터 배기가스를 인도하여 오므로, 예를 들면 화염이 가스버너팁(tip)에서 상승한 비정상화염에의 천이와 같은 급격한 연소상태의 변화에는 대응할 수 있는 것은 아니다.
또한, 연료로서 미분탄을 사용한 경우에는 연소재속에 남아 있는 미연소분(미연소의 미분탄)량이 환경오염의 면에서 또는 자원절약면에서 매우 중요시되고 있다. 미분탄연소화염에서는 재속의 미연소분량을 파악하고, 미연소분량을 적게하여 고효율의 최적연소상태로서 감시제어해 갈 필요가 있다. 종래, 재속의 미연소분량의 측정은 직접 연도로부터 재를 채집하여 임의량의 재의 중량을 측정해 두고, 다음에 그 재를 산소분위기하에서 완전연소(매분 10~20℃ 승온으로 850℃까지 가열연소)시키고, 다시 중량을 측정한다. 그리고, 완전연소전의 재의 중량에서 완전연소후의 재의 중량을 빼서 재속의 미연소분량을 산출하는 방법이며, 시차열(示差熱)천평등을 사용하여 행하는 매우 공정이 많고 시간이 걸리는 것이었다. 따라서, 재속의 미연소분량에 대해서 온라인화한 피드백에 의한 화염제어는 종래 행하지 않고, 역시 급격한 연소상태의 변화에는 대응할 수 없는 것이었다.
즉, 전술한 방법의 어느 경우도 연소로(燃燒爐)의 출구에서의 배기가스분석 또는 더스트분석의 결과로부터 연소화염을 제어하려고 하는 것이며, 따라서 급격한 연소상태의 변화에는 대응할 수 없는 것이다. 그러므로, 다음에 화염 자체를 관찰하여 가능한한 정밀도가 높은 제어를 시도하는 것이 고려된다. 즉, 버너출구 부근의 가스농도 분포, 온도분포 등의 정보를 기초로 하여 연소상태를 파악하고, 최적 연소상태시의 화염을 유지할 수 있는 제어방법이 고려된다. 버너출구 부근의 화염중에서의 가스분포의 측정은 통상 샘플링 프로브(probe)를 화염중에 삽입하고, 가스를 샘플링하여 측정된다. 온도분포는 열전대(熱電對)를 삽입하여 측정된다. 그러나, 어떤 방법도 화염을 흐트려 버려서 정확한 분포의 측정은 곤란하다. 또한, 가스의 샘플링에 대한 농도분포의 측정에서는 샘플링 프로브중에서 채집한 가스성분끼리가 반응해 버리는 경우(예를 들면 2CO+O2→2CO2)도 있으며, 가스농도분포의 정확한 파악이 어렵다. 온도분포의 측정에서는 화염 자체의 온도외에 화로벽으로부터의 복사에 의한 온도의 영향이 있으며, 역시 정확한 파악이 어렵다. 즉, 화염에 접촉하는 방법에 의한 버너출구 부근의 가스농도분포, 온도분포 등의 정보를 기초로 하여 행하는 연소상태의 파악은 어려운 것으로 생각된다.
본원 발명은 상기 결점을 개선하려고 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는 연소상태의 정확한 측정과, 이 측정에 따라 정밀도가 높고, 더욱이 응답성이 빠른 연소제어를 행하는 것에 있다.
본원 발명은 버너로부터 분출된 연료를 연소시키는 화로와, 상기 화로에서 연소된 화염의 단층(斷層)에서의 연소상태를 판정하는 연소상태판정장치와, 이 판정장치로부터 출력된 신호를 이용하여 화염을 감시 또는 제어하는 장치, 또는 화로 후류(後流)에 설치된 배기가스 처리장치를 제어하는 장치중 최소한 하나를 가지는 화로시스템에 있다.
상기 구성에 의하여 화염의 단층에서 연소상태에 관한 정보를 얻을 수 있는 채광을 행하고, 그 광을 분광하여 특정파장역(波長域)을 선정하고, 특정파장역의 발광강도나 발광패턴으로부터 연소화염의 온도, 공기비, 연소배기가스중의 질소산화물농도, 일산화탄소농도, 산소농도 및 수소농도, 더스트중의 재속 미연소분량의 정보를 얻고, 그 정보로부터 화염의 연소상태를 판정한다. 이 판정결과에 따라 버너로부터 분출되는 공기 및 연료의 공급량과 그 분산각도를 조정하여 적정한 화염으로 제어하고, 또는 탈초장치(脫硝裝置)나 집진기를 제어하여 배기가스의 배출치가 규정치로 되도록 제어한다.
다음에, 본원 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라 설명한다. 제1도 및 제2도는 채광부 부근의 일예를 나타낸 것으로, 화로(10)에 장착된 버너(20)로부터 분출하는 화염(30)의 광은 뷰포트(view port)(40), (41)로부터 채광된다. 채광된 광은 카메라(50),(51)에 의하여 전기신호로 변환되어, 그 출력은 신호처리기(60)에 인도되고, 그 출력을 받아 신호처리기(60)에서 제어신호가 출력된다.
다음에, 제3도 및 제4도에 의해서 채광광학계에 대하여 그 원리를 설명한다. 볼록렌즈는 평행광선으로 입사한 광을 초점에 맺는다는 성질이 있다. 즉, 제3도에서 볼록렌즈(52),(53)에 평행광선으로서 입사한 광은 초점에 강한 광으로서 결상되고, 초점위치에 검출장치(54),(55)가 있으면 입사평행광선중에 포함되는 정보가 얻어지게 된다.
따라서, 렌즈(52)와 검출장치(54)의 결합에서는 연소로(10)를 가로질러서 평행광선의 영역에 관한 모든 정보가 검출장치(54)에 입사하게 된다. 렌즈(53)와 검출장치(55)의 조합과, 상기 렌즈(52)와 검출장치(54)의 조합과의 2가지 방법을 제3도에 나타낸 바와 같이 화로(10)내에 교차시키는 광학계를 조합하고, 검출장치(54)와 검출장치(55)로부터의 출력을 동시에 동일한 처리장치에 입력함으로써, 2광로의 정보를 동시에 처리하는 것이 된다. 따라서, 제3도의 화로(10)중의 사선부만의 정보가 처리가능해지고, 처리장치에서 출력할 수 있다. 따라서, 예를 들면 원대칭(圓對稱)의 화염에 대하여 단층의 정보를 얻으려고 할 경우에는 제3도 파선과 같이 1광로를 이동시켜서, 이 광로를 화로(10)의 우단에서 좌단으로 이동시킴으로써 화염의 단층의 정보를 얻을 수 있다.
원리적으로는 제3도의 설명으로 충분하지만, 실제적으로는 보다 공간분해능을 높일 필요가 생긴다. 이와 같은 경우는 제4도와 같은 광학계를 조합하게 된다. 즉, 볼록렌즈의 성질을 2회 사용한 광학계이며, 화염중의 1점의 광만이 광검지기(58)에 집광하게 된다. 그러나, 초점위치의 다소의 전후에서의 광도 집광하게 된다. 따라서, 횡방향에서 제3도와 같은 광학계도 조합하여 검출장치(58)와 검출장치(59)로부터의 출력을 동시에 동일한 처리장치에 입력함으로써 매우 공간분해능을 높인 정보처리가 가능해진다. 제4도와 같은 광학계의 경우에는 렌즈(56)만을 전후로 이동하거나, 또 렌즈(56),(57)와 검출장치(58)를 좌우로 이동하게 된다.
이들 제3도 또는 제4도에 나타낸 원리를 이용함으로써 화염중에서의 임의의 위치에서의 화염의 연소상태의 정보를 얻을 수 있다.
상기는 뷰포트에 의한 채광예를 나타냈으나, 제5도는 버너에 장착한 파이버에 의한 예를 나타낸 것이다. 즉, 버너(20)의 본체에 장착된 냉각배관(120)이 부착된 파이버(130)에 의해서 버너(20)의 근방의 화염(30)의 광을 채광하는 것이다. 이 구성은 화로에 구멍을 뚫지않고 화로가 대형화한 경우에도 버너 자체에 채광계가 장착되어 있으므로 충분히 대응할 수 있는 것이다. 채광된 광은 파이버입구에 장착되는 피사계심도(被寫界深度)가 깊은 렌즈(140)에 의해서 행해지고, 파이버(130)에 의해서 화상재생을 위한 카메라(150)에 인도된다.
광신호를 전기신호로 변환하는 광검지기로서는 광전자 증배관(增培管)이나 포토다이오드어레이 등이 있다.
제6도 내지 제8도는 상술한 채광장치를 사용하여 시험한 일예이고, 제6도 및 제7도는 연료로서 기체를 사용한 경우의 것이며, 공기와 기체연료를 미리 혼합한 기체는 버너(160)까지 인도되고, 화염(170)을 형성한다 화염의 발광은 화로(180)에 장착된 채광창(190), (191)에서 채광된다. 채광된 광은 고감도 광학장치(쵸퍼)(200)를 거쳐 분광장치(210)에 인도되어 임의의 파장으로 분광하고, 이 분광된 광의 강도는 광전자증배관(220)에서 전기신호로 출력변환도어서 신호처리장치(230)에 인도된다. 또한, 연소배기가스는 펌프(240)로 흡인되어서 산소, 수소, 일산화탄소에 대해서는 가스크로마토그래프(250)로 측정하고, 질소산화물(NOx)에 대해서는 화학발광식의 NOx계(260)로 측정된다.
제8도에는 연료로서 미분탄을 사용한 경우의 겻으로, 호퍼(270)에서 공급되는 미분탄은 미분탄 반송용공기(280)로 버너(300)까지 반송되고, 연소용 공기(290)와 버너출구 부근에서 혼합하여 화염을 형성한다. 화염의 발광은 뷰포트(310)에서 행하여지며, 분광장치(210)에 인도되어 임의의 파장으로 분광하고, 이 분광된 광의 강도는 광전자 증배관(220)에서 전기신호출력으로 변환되어서 신호처리장치(230)에 인도된다.
또한, 연도(320)로부터 NOX계, 산소농도계, 일산화탄소농도계를 구비한 배기가스분석계(分析計)(330)에 배기가스를 인도하여 배기가스를 분석한다. 더스트에 대해서는 더스트샘플기(340)에 의하여 연도(320)로부터 연소재를 샘플링하고, 시차열 천평을 사용하여 재속의 미연소분량을 측정하였다.
제9도에 제6도 및 제8도의 장치에 의한 연소화염의 발광을 분광 분석한 결과를 나타냈다. 횡축에 파장, 종축에 발광강도를 나타냈다. 그 결과, 화염중에서는 OH라디칼, NH라디칼, CN라디칼, CH라디칼, C2라디칼, NH2라디칼 및 NO등의 화학종(化學種)의 발광이 관찰되었다. 따라서, 상기 화학종의 발광파장역을 특정파장역으로 하고, 이 특정파장역의 발광강도나 발광패턴으로부터 연소화염의 연소상태를 판정한다.
제10도에는 전술한 화학종의 발광과 연소화염의 공기비와의 관계를 나타냈다.
공기비는 연소배기가스분석중의 산소농도, 일산화탄소농도, 수소농도로부터 산출했다.
연소화염의 공기비는 버너에의 공급공기량, 공급연료량에 의해서 변화시켰다.
또한, 도면중에서 OH라디칼(350), CH라디칼(360), CN라디칼(370), NO*(380), NH라디칼(390)은 프로필은 상이하지만, 공기비가 1부근에서 발광강도가 최대로 되어 있다. 또한, C2라디칼(400)의 프로필은 저공기비로 됨에 따라 발광강도가 강하게 되어 있다.
이상의 프로필 결과로부터 각 화학종중에서 최소한 하나 이상의 발광강도 또는 그 발광강도점에서의 미분계수(dλ/dI)의 값으로부터 총합적으로 판단하여 공기비가 보다 정확하게 구해진다. 따라서, 제10도와 같이 공기비와 각 화학종의 발광강도의 관계를 구해 두기만 하면, 배기가스중의 산소농도, 일산화탄소농도, 수소농도로부터 어떤 시간차로 산출하지 않고, 즉석에 공기비의 측정이 가능해진다. 배기가스분석에서는 가스의 샘플링까지 시간이 걸린다.
화염의 연소상태의 다른 상태로의 천이와 같은 미소한 변화에 대응한 공기비가 구해지는 이점이 있으며, 고효율 연소를 도모할 수 있다.
제11도에는 C2라디칼의 발광강도와 배기가스중 가스성분농도의 관계 및 재속의 미연소분량의 관계를 나타냈다. C2라디칼의 발광강도와 배기가스중의 가스성분농도의 관계는 제6도에 나타낸 실험장치에서 구한 결과의 일예이지만, 제8도에 나타낸 실험장치에서 구해도 같은 경향이 되었다. 또한, C2라디칼과 재속의 미연소분량의 관계는 제8도에 나타낸 실험장치에서 얻은 결과의 일예이다.
C2라디칼의 발광강도와 배기가스중의 수소농도(430)와 일산화탄소농도(410)와는 +의 상관관계가 있고, 또 산소농도(420)와는 -의 상관관계가 있었다. 이들 화학종은 연소효율을 나타낸 하나의 지표이다. 즉, 연소성이 악화되고 불완전연소로 되면 일산화탄소농도가 증가하고, 또 수소의 발생도 볼 수 있게 되어 있다. 이들 가스는 산소의 공존하에서는 가연성의 가스이며, 이들을 미연소로 대기중에 방출하는 것은 공해상 문제가 있을 뿐만이 아니라, 자원절약상 매우 불리한 것이다. 따라서, 이들의 농도를 검출하는 것은 매우 중요하다.
산소농도(420)에 관해서는 완전연소이상의 산소공급은 공급기의 부하상 낭비일 뿐만이 아니라, 과산소연소는 과산소로 하기 위해서는 공기의 공급량이 많아지는 것이며, 즉 연소에는 직접 관여하지 않는 질소도 공급되므로 연소온도를 저하시키게 된다.
따라서, 산소농도도 감시하는 것이 고효율연소를 위해서는 반드시 필요하다.
종래, 이들 가스의 감시는 전술한 바와 같이 연도로부터의 샘플링에 의해서 측정장치까지 인도하는 방법이었다. 그러므로, 연소상태가 변화하고, 그것에 따라서 화로내의 가스가 모두 치환되며, 또한 샘플링계 전부가 그 유리로 치환하여 비로서 검지되고 있었다. 그러므로, 많은 시간이 지난 후에 변화를 검지하므로 매우 효율이 좋지 않은 제어로 되어 버리는 결점이 있었다.
다음에, 재속의 남아있는 미연소분량(440)에 대해서는 C2라디칼의 발광강도와 +의 상관관계가 있었다. 전술한 바와 같이, 재속의 미연소분량을 감시하는 것은 고효율 연소를 행하는데 있어서 매우 중요한 인자의 하나이다. 그러나, 재속의 미연소분량으로부터의 즉석의 피드백 제어는 현재까지 불가능했었다. 그러나, 제11도에 나타낸 바와같이 C2라디칼의 +의 상관관계가 있는 것이 처음으로 확인되고, 따라서 재속의 미연소분량에 대해서 즉석에 피드백 제어가 가능해진다.
즉, 제11도에 나타낸 바와같은 C2라디칼과 배기가스중의 산소농도, 수소농도, 일산화탄소농도, 재속의 미연소분량과의 상관관계를 한번 얻어 놓기만 하면, 그 이후는 연도로부터 가스를 샘플링하거나, 더스트를 샘플링하는 등의 시간과 인력이 드는 분석을 행하지 않고, 화염의 광을 채광창에서 채광해 와서, C2라디칼의 특정발광파장의 광의 강도를 관찰하는 것만으로 배기가스중의 산소농도, 수소농도, 일산화탄소농도, 재속의 미연소분량을 즉석에 알 수 있고, 따라서 즉석에 그들의 값을 사용하여 피드백 제어가 가능해진다.
또한, 이들에 대해서는 하나만의 정보로는 고효율 연소에 대해서 정밀도 높은 파악이라고는 할 수 없으며, 최소한 2이상의 정보를 기초로 하여 총합하여 판단할 필요가 있는 것이다. 더욱이, 즉석에 최소한 2이상을 파악할 필요가 있으며, 본원 발명과 같이 화염의 발광으로부터 즉석에 최소한 2이상의 정보를 얻는 것은 고효율 연소에 대한 제어정보로서는 매우 효과적인 것이다.
제12도에는 NO*의 발광강도와 배기가스중의 NOx농도의 관계를 나타냈다. 도면중, (450)의 그래프와, (460)의 그래프는 연소의 공기비가 상이할 경우에 대해서 나타낸 예이지만, 어느것이나 NO*의 발광강도와 배기가스 NOx 농도는 +의 상관관계가 있었다.
따라서, 제11도와 같이 NO*의 발광강도와 배기가스중의 NOx농도와의 관계를 한번 얻어 놓기만 하면, 이후는 화염의 발광을 채광해와서 NO*의 특정발광파장의 광의 강도를 관찰함으로써 즉석에 배기가스중의 NOx농도를 알 수 있게 된다. 따라서, 즉석에 피드백 제어가 가능해진다.
제13도에는 화염중에 널리 존재가 확인되어 있는 OH라디칼의 발광스펙트럼을 나타낸다. 이것은 OH의 진동회전스켁트럼이라고 불리우는 분석결과이며, 종축이 발광강도, 횡축이 파장이다. 분광분석의 결과 얻어진 이 스펙트럼선의 피크의 횡축위치(파장)와 종축위치(발광강도)의 값으로부터 온도를 계산할 수 있다.
계산식은 다음식으로 주어지다.
ln(Iω/ω4·P·g=-E/KT+상수, 식중, Iω는 파수(波數)ω에서의 발광강도, ω는 스펙트럼선의 파장의 역수, P는 파수ω의 광을 발하는 에너지레벨 E에의 천이확률, g는 다중도, K는 볼츠만상수, T는 절대온도이다. 그리고, g는 물질고유의 값이 있으며, 즉 OH라디칼 고유의 값이 있고, 또한 P와 E는 ω에 대해서 고유의 값이 있고, 각각 계산으로 구해진다.
따라서, 분광분석을 행하여 얻어진 스펙트럼선의 강도를 구하고, 좌변의 양을 계산하고, E에 대해서 플로트하면 직선의 경사는 1/KT이며, K는 상수이므로 T가 구해지게 되는 것이다.
또한, 제13도는 연소화염중에서의 어떤 임의의 1점에서의 OH라디칼의 분강분석결과의 일예를 나타낸 것이다.
이상을 정리하면, 연소화염중에서의 어떤 1점을 집광하여 분광분석을 행하고, 얻어진 OH라디칼의 진동회전스펙트럼에 대해서 전술한 식에 의해서 계산해서, 집광된 임의의 1점에서의 온도가 구해지게 된다. 따라서, 이 조각을 화염중의 복수의 위치에 대해서 행하면 화염중에서의 온도분포가 구해진다.
그 결과를 제14도에 나타낸다. 이것은 제6도에 나타낸 실험장치에 사용하고 있는 버너에 대해서의 화염 온도분포를 나타내 것이다.
종래같으면, 버너출구 부근의 화염중의 온도분포는 열전대를 삽입하여 측정되고 있는 것이나, 이 방법으로는 화염을 흐트려 버리므로, 정확한 분포의 측정은 곤란하였다. 그러나, 본원 발명을 이용하면 연소화염중의 온도분포를 광학적 수법을 사용하여 비접촉으로 측정할 수 있다.
따라서, 화염중의 OH라디칼의 발광스펙트럼을 분광분석한 결과를 입력하고, 온도분포를 계산하는 계산회로와, 화염의 최적연소시의 화염중의 온도분포를 기억하고 있는 기억회로와, 이 계산회로로부터의 출력 및 이 비교회로로부터의 출력에 의해서 제어신호를 출력하는 제어회로로 구성되는 신호처리기를 사용함으로써, 버너출구 부근의 화염온도분포를 비접촉으로 측정할 수 있고, 이 온도분포에 의해서 화염 자체를 정밀도 높게 제어할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 화염의 발광을 채광해 와서 특정파장역으로 분광하고, 이 파장역에서의 발강강도 또는 발광패턴으로부터 화염의 연소상태를 판정하는 것이 가능하며, 따라서 연소화염을 즉석에 그리고 정밀도 높게 제어할 수 있다. 그것은 많은 정보를 화염의 광으로부터만 비접촉으로 얻을 수 있으므로, 그들의 많은 정보를 총합적으로 판단하는 것에 의한다.
화염의 특정파장역에서의 발광강도나 발광패턴을 얻기 위해서는 분광장치를 사용한다. 분광장치로서는 광검출기가 구비된 분광기, 또는 필터, 또는 그것과 동등한 동작을 하는 것이면 된다.
어떤 방법이라도 임의의 특정파장역에서의 발광강도나 발광패턴이 잡히면 된다.
전술한 것까지의 데이터는 광전자 배증관을 구비한 분광기를 사용하고, 제6도 또는 제6도와 같이 실험장치를 구성한 경우의 것이다.
제15도에는 발광강도의 측정을 위한 필터박스(470)의 예를 나타낸다. 채광되어 오는 광(480)은 필터박스(470)의 채광창(481)에서 박스내로 입사한다. 다음에, 이 광(480)은 특정파장역만을 반사하고, 기타의 광은 투과한다. 다이크로익필터(dichroic filter)(490),(491)(492)에 의해서 순차 분광되어 간다. 각각의 다이크로익필터(490),(491)(492)는 임의의 반사파장에 의해서 임의로 선택할 수 있다. 임의의 파장으로 반사된 광은 집광렌즈(500)에 의해서 광검출기(510),(511),(512)상에 강한 광으로서 집광된다. 따라서, 임의의 파장에서의 발광강도가 (510),(511),(512)의 광검출기에 대응하여 검출된다. 여기서는 이 필터박스가 3개의 광으로 분광한 예를 나타내고 있으나, 보다 많은 파장으로 분광이 가능하다. 여기서 나타낸 바와 같은 필터박스를 사용함으로써, 채광된 1개의 광은 임의의 파장으로 동시에 분광하여 분석할 수 있고, 많은 파장역에서의 정보를 동시에 검지하는 것이 가능하다. 따라서, 광으로부터 많은 정보를 받아들여 총합적으로 판단해야 할 경우에는 매우 유효한 장치의 하나이다.
지금까지, 화염의 발광을 채광해 와서 특정파장역으로 분광하고, 이 파장역에서의 발광강도 또는 발광패턴으로부터 연소화염의 공기비온도, 배기가스중의 산소농도, 수소농도, 일산화탄소농도, 질소산화물농도, 연소재속의 미연소분량의 정보를 비접촉으로 구하는 것을 설명해 왔다. 또, 제15도와 같이 필터박스에 의해서 채광한 1개의 광을 임의의 파장으로 동시에 분리하는 것이 가능하며, 따라서 채광한 1개의 광으로부터 전술한 정보군을 동시에 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 제4도에 나타낸 채광카메라와 같이 집광렌즈를 전후 이동시켜 채광점을 이동시키고, 제4도중의 광검지기(58)대신으로 제15도의 필터박스(470)를 배치함으로써, 화염의 단층에 대하여 전술한 정보군을 동시에 얻을 수 있게 된다.
따라서, 다음에 설명하는 바와 같이 비정상인 화염에 대해서도 비정상성을 단시간에 정밀도 높게 판정하는 것이 가능하다.
제16도에서 설명하는 예를 들면 미분탄 연소버너(540)에서는 중심에 미분탄의 분출노즐(520)이 있고, 이 동심원 외주상에 연소용 공기의 공급노즐(530)이 배치되어 있는 구조가 일반적이다.
제16도(a)는 미분탄의 공급량이 어떤 원인으로 증가해 버리고, 공기부족이 된 중심부근에서는 착화(着火)되지 않은 화염(550)의 상태를 나타내고 있다.
제16도(b)는 연소용 공기의 공급량이 어떠한 원인으로 증가해 버리고, 공기과잉이 된 외주부근에서는 화염(550)이 소멸된 상태를 나타내고 있다.
제16도(c)는 미분탄의 공급량도, 연소용 공기의 공급량도 균형좋게 정상적으로 연소하고 있는 상태를 나타내고 있다.
제16도(a) 또는 (b)와 같은 연소화염을 형성하는 것을 고효율 연소를 행하는데는 매우 바람직하지 못하다.
더욱이, 종래의 연소화염의 제어방법으로는 연도내에서 이 제16도(a) 및 (b)와 같은 비정상화염으로 되어 변화가 나타날때까지 많은 시간을 요하고, 그리고 또한 변화도 매우 미소하였으므로, 검지가 매우 어려웠었다.
그러나, 본원 발명을 이용하면 예를 들어 제16도의 파선상의 단층을 관찰함으로써 정상적인 화염인가의 여부, 또는 (a)와 같은 비정상화염인가. 또는(b)와 같은 비정상화염인가를 판단할 수 있다.
즉, (c)와 같은 정상화염을 형성하였을 때의 지금까지 설명한 바와 같은 화염의 특정파장역에서의 발광강도분포나 발광패턴분포의 측정에 의해서 화염중에서의 공기비분포, 온도분포 등의 정보를 정상연소시에서의 분포로서 기억해 두고, 항상 도면중의 파선상의 단층의 관찰을 반복해 두면, (a) 또는 (b)와 같은 비정상화염을 정확하게 판단할 수 있는 것이다. 따라서, (a)와 같은 비정상화염이면 미분탄의 공급량을 감소하는 제어를 행하면되고, 또, (b)와 같은 비정상화염이면 연소용 공기의 공급량을 감소하는 제어를 행하면 되는 것도 알 수 있다.
또한, 이러한 비정상화염이 한번 형성되면 정상화염으로 되돌아가기 어려운 성질이 있다. 따라서, 비정상화염으로 되기 전에, 즉 정상화염으로부터 비정상화염으로 천이하는 단계에서 천이중이라는 것을 판단하면 된다. (a) 또는 (b)와 같은 비정상화염을 형성한 후이면, 단순히TV카메라 등에 의한 관찰로도 어느 정도 판단이 가능하나, 작은 증상에서의 비정상화염에서는 판단이 어려우며, 전술한 바와 같이 천이단계는 판정되지 않는다.
그러나 본원 발명에 의하면, 화염의 발광을 특정파장역으로 분광하고, 그중에서 발광강도분포나 발광패턴분포를 측정하고 있으므로, 화염의 발광의 매우 작은 변화까지 검출이 가능하며, 따라서 정상화 염으로부터 비정상화염으로 천이단계를 검지할 수 있다. 더욱이, 비정상화염(a)으로 천이단계인가, 비정상화염(b)으로 천이단계인가도 용이하게 판정되므로 정밀도 높은 제어가 된다.
이것은 화염의 발광을 특정파장역으로 분광하고, 각 파장역에서의 발광강도나 발광패턴을 총합적으로 판단하여 비로서 가능해진 것이다. 즉, 정상화염으로부터 비정상화염으로의 천이단계에 있어서 어느 파장역이고 이 발광강도분포가 하등의 변화를 나타내지 않는 경우도, 다른 파장역에서는 발광강도분포는 변화를 나타낼 경우도 있다.
예를 들면, 비정상화염(a)으로의 천이단계에서는 중심의 미분탄 공급노즐(520)로부터의 공급량이 점차 증가해 가는 것이나, 이때에 온도의 정보를 가지고 있는 OH라디칼의 발광강도 또는 발광패턴에는 거의 변화가 없다.
중심부근에서는 본래 불완전연소에 가까워지므로, 화염온도는 내려가 있을 것이다. 그러나, 중심부근의 동심원 외주에 형성되어 있는 화염으로부터의 복사열로 인한 온도의 변화는 작으므로, OH라디칼의 발광강도 또는 발광패턴은 거의 변화하지 않는다.
한편, C2라디칼이나 CH라디칼의 발광강도분포는 변화한다. 즉, 미분탄 공급노즐(520) 앞면 부근에서 C2라디칼이나 CH라디칼의 발광강도는 증가의 경향을 나타낸다. 이것은 C2라디칼이나 CH라디칼은 기상석출(氣相析出)의 매연의 전구(前驅)물질이라고 불리우며, 미분탄 공급노즐 부근에서 미분탄의 공급량이 조금씩 증가하고 있으므로 국소적으로 불완전연소 영역이 생기며, 따라서 기상석출의 매연의 전구물질인 라디칼의 발광강도가 증가하기 때문이다.
이상과 같은 예도 있고, 세밀하고 또한 총합적인 관찰이 행해지므로, 비로서 천이단계와 같은 비정상화염을 검출할 수 있고, 정밀도 높은 제어가 가능해진다.
다음에, 제17도에 따라서 전체 시스템에 대하여 설명한다. 화염(650)이 발하는 광을 채광장치(660)에서 채광하고, 이 광은 광파이버(670)로 분광장치(680)까지 인도된다. 이 분광장치(680)에는 각 특정파장에서의 발광강도나 발광패턴의 광신호를 각각 전기신호로 변환하는 변환장치가 구비되어 있고, 그 신호는 증폭장치(690)에서 증폭되어 제어기(700)로 인도된다. 제어기(700)는 다음과 같이 구성된다.
즉, 임의의 특정파장영역에서의 발광패턴이나 발광강도의 광신호를 전기신호로 변환한 신호가 증폭장치(690)에서 증폭된다. 증폭장치로부터의 출력은 판정장치(710)에서 최적연소상태시에서의 임의의 특정파장영역의 발광강도나 발광패턴을 전기신호로서 메모리되어 있는 기억장치(720)로부터의 출력과 비교된다. 따라서, 채광광학장치(660), 분광장치(680) 및 판정장치(710)는 연소상태판정장치를 구성한다. 그 결과의 출력은 화염의 연소상태를 제어하는 제어신호를 출력하는 제어장치(730)에 인도된다.
그리고, 제어장치(730)로부터의 출력은 전술한 공기분산조정기(740), 미분탄 분산조정기(750), 미분탄 공급량 조정기(760), 공기공급량조정기(770)에 인도된다.
제어기(700)로부터의 출력은 버너에의 공급공기량, 공급연료량, 버너팁출구의 공기의 분산, 연료의 분산에 대하여 행하여진다. 즉, 공기공급량조정기(770)로부터의 출력은 블로어(blower)(630)로부터의 공기를 버너(640)까지 인도하고 있는 배관도중에 배치된 자동제어밸브에 인도되어 적절한 공기량으로 한다. 또한, 미분탄 공급량조정기(760)로부터의 출력은 미분탄 호퍼(620)로부터의 미분탄을 버너(640)까지 인도하고 있는 배관 도중에 배치된 자동제어밸브로 인도되어 적절한 미분탄량으로 한다. 또한, 공기분산조정기(740) 및 미분탄 분산조정기(750)로부터의 출력은 각각 버너에 구비되어 있는 공기분산 조정구동장치(제18도) 및 미분탄 분산조정구동장치(제18도)에 출력되어 적당한 분산상태로 제어된다. 따라서, 화염을 감시 또는 제어하는 장치로서의 제어기(700)는 버너로부터 분출되는 공기 및 연료의 공급량과 그 분산각도를 조정하는 장치인 공기공급량조정기(770), 미분탄공급량조정기(760) 및 공기분산조정기(740)로 구성된다.
다음에, 제18도 및 제19도에 있어서 미분탄의 분산 및 공기의 분산에 대하여 설명한다. 제17도의 공기분산조정기(740)로부터의 출력은 공기분산조정구동장치(890)에 인도되어 3차공기노즐(840)의 분출방향을 적당하게 변환함으로써 공기의 분산을 제어한다. 또한, 제17도의 미분탄 분산조정기(750)로부터의 출력은 미분탄 분산조정구동장치(850)에 인도된다. 버너에 공기반송된 미분탄은 배관(860)을 지나서 분출노즐슬릿(870)으로부터 분출된다. 이 슬릿(870)은 미분탄 분출노즐의 출구 부근에 구비한 콘(cone)(880)을 출입시킴으로써 개폐도가 조정되고, 미분탄의 분산에 대하여 제어를 행한다.
그러나, 버너에서의 제어에도 한계가 있으며, 버너만으로는 충분히 대응할 수 없는 경우가 있다.
그러한 경우에는 화로시스템 전체로서의 제어가 된다. 일반적으로 화력발전소의 구성은 제17도에 나타낸 바와 같이 화로(800), 탈초장치(810), 집진기(820), 굴뚝(830)이 기본으로 되어 있다. 그리고, 통상 탈초장치(810)는 부하변화에 따라서 NOx의 환원제량을 증감시킨다. 집진기(820)는 일반적으로 부하변화에 대응할 수 없으며, 정상운전을 하고 있다. 탈초장치(810) 및/또는 집진기(820)는 배기가스처리장치를 구성한다.
시스템 전체로서는 저미연소분량, 저 NOx를 도모하는 것이 목적이다. 미분탄을 연료로서 사용하고 있을 경우, 완전연소시켜주면 배기가스중의 NOx 농도가 증가하나, 미연소분량은 낮게 억제할 수 있다. 또한, 불완전연소시킬 경우에는 배기가스중의 NOx 농도는 낮게 억제할 수는 있으나, 미연소분량은 많아진다. 이를테면, 미연소분량과 NOx 농도와는 상반하는 것으로 된다. 즉, 재미연소분량화를 도모할 때는 NOx 농도는 높아지고, 저 NOx 농도화를 도모할 때에는 미연소분량이 많아진다. 전술한 바와 같이, 집진기(820)에서는 부하변화에 충분히 대응하고 있는 것은 아니다. 따라서, 기본적으로는 미연소분량은 정상적으로 유지하게 되는 것이다.
버너에서는 저미연소분량화를 도모한다는 것은 완전연소를 행하는 것이 되고, 비교적 용이하나 NOx 농도가 높아진다.
화염의 발광을 관찰함으로써, 배기가스중의 NOx 농도를 판단할 수 있다. 본 시스템은 본래는 버너로 대응하는 것이나, 화로(800)의 후류의 배기가스 처리계에도 신호의 출력은 가능하도록 구성하고, 예를 들면 NOx 농도가 높아져 가고 있는 화염이라고 판단될 경우에는 환원제량제어신호발생장치(790)로부터의 신호로 탈초장치(810)에서의 환원제량을 증가시킴으로써 배가가스중의 NOx 농도를 저감한다. 또, 미연소분량이 많아진다고 판단되는 화염일 경우에는 전술한 바와 같이 집진기(820)는 부하변화에 대응하여 전극간 전압을 높이는 등의 대응은 현상태의 장치로는 불가능하므로, 완전연소의 방향으로 화염을 제어한다. 즉, 버너에의 공급공기량을 증가시켜 준다. 그러나, 이때 NOx 농도가 상승하는 방향의 화염으로 되므로, 이것에 대응하여 탈초장치(810)에의 출력신호로서 환원제량의 증가로 된다.
또한, 집진기(820)에 관해서 장래적으로 부하변동에 대응하여 전극간 전압을 변화할 수 있는 장치로 된 경우에는 전극간 저압제어신호발생장치(780)의 신호로 직접 집진기(820)를 제어하게 된다.
즉, 미연소분량이 증가의 경향에 있는 화염의 경우에는 집진기(820)에의 출력신호로서 전극간 전압을 상승시킬 수 있는 신호를 출력하면 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 화로시스템에서는 버너에 대응하여 저미연소분량화, 저 NOX 연소화를 도모하고, 또한 탈초장치(810)나 집진기(820)와 같은 화로(800)후류의 배기가스처리계를 제어한다.
본원 발명에 의하면 화염이 발하는 광을 이용하고, 이 광을 임의의 특정파장역으로 분광하여 그 광의 발광강도나 발광패턴으로부터 비접촉으로 연소화염의 연소상태를 판정하고, 그 결과로부터 연소화염을 제어하는 것이며, 따라서 각 임의의 특정파장역에서의 정보에 의해서 총합적으로 연소상태를 판정하고, 더욱이 화염자체로부터 판정하므로, 정밀도 높고 응답성이 빠른 제어가 가능한 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 버너로부터 분출된 연료를 연소시키는 화로와, 상기 화로에의 연소된 화염의 단층(斷層)에서의 연소상태를 판정하는 연소상태판정장치와, 이 판정장치로부터 출력된 신호를 이용하여 화염을 감시 또는 제어하는 장치, 또는 화로 후류(後流)에 설치된 배기가스처리장치를 제어하는 장치중 최소한 하나를 가지는 것을 특징으로 하는 화로시스템.
  2. 제1항에 있어서, 연소상태판정장치는 화염내부의 발광을 채광하고, 이 채광점을 이동시켜서 화염의 단층에서 연소상태에 관한 정보를 포함하는 화염의 발광을 얻는 채광광학장치와, 이 채광광학장치로부터 인도된 광을 분광하여 특정파장역을 선정하는 분광장치와, 이 분광장치에서 분광된 특정파장역에서의 발광강도나 발광패턴으로부터 화염의 연소상태를 판정하는 판정장치로 구성한 것을 특징으로 하는 화로시스템.
  3. 제1항에 있어서, 화염의 제어장치는 버너로부터 분출되는 공기 및 연료의 공급량과 그 분산각도를 조정하는 장치로 구성한 것을 특징으로 하는 화로시스템.
  4. 제1항에 있어서, 배기가스처리장치는 탈초장치(脫硝裝置) 및 집진기 또는 그 하나인 것을 특징으로 하는 화로시스템.
  5. 제2항에 있어서, 분광장치에서 분광되는 특정파장역은 발광강도나 발광패턴으로부터 연소화염의 온도 및 공기비, 연소배기가스중의 질소산화물, 수소농도, 더스트 중의 재속의 미연소분량의 정보가 얻어지는 특정파장역인 것을 특징으로하는 화로시스템.
  6. 제2항에 있어서, 분광장치에서 분광되는 특정파장역은 OH라디칼, NH라디칼, CN라디칼, CH라디칼, C2라디칼, NH라디칼 및 NO의 발광파장역인 것을 특징으로 하는 화로시스템.
  7. 제2항에 있어서, 채광광학장치는 2방향으로부터 각각 화염내부의 발광을 채광하고, 그 광축의 교점에서 연소상태에 관한 정보를 얻는 렌즈와, 최소한 한쪽의 렌즈의 광축을 이동하는 렌즈 이동기구로 구성한 것을 특징으로 하는 화로시스템.
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