KR930009919B1 - 미분탄 연료 버너 - Google Patents

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돈 스마트
디 일렉트리시티 코미숀 오브 뉴 사우스 웨일즈
존 알프레드 멕그라드
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Abstract

내용 없음.

Description

미분탄 연료 버너
제 1 도는 미분탄 공급원과 가스 공급원을 지니는 회로에 연결된 버너의 개략도.
제 2 도는 버너의 단면도.
제 3 도는 버너의 전기 아크 토오치 부분의 좀더 상세한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 외측케이싱 21 : 보일러 벽
23 : 내측케이싱 25 : 선회 발생 장치
26 : 액화 영역 27 : 연소영역
28 : 1차 공급도관 31 : 2차 공급도관
35 : 중심 음극 36 : 원통형 양극
40 : 가열 챔버
[발명의 분야]
본 발명은 갈탄 및 흑탄(黑炭)을 포함하는 미분탄(pulverised coal) 연소용으로 적합한 버너에 관한 것이다. 버너는 주로 발전(electric power generation)에 사용되는 증기 발생 장치내에서 주 버너들을 점화하는데 사용하는 점화기로 개발되었는바, 본 발명은 그러한 용도로 후술될 것이다. 그러나, 본 발명은 버너가 여러 용도로 실시될 수 있다는 점에서 더 넓은 용도를 지니는 것으로 이해될 것이다.
[발명의 배경]
미분탄을 사용하는 증기 발생 장치는 주 버너를 점화하기 위한 점화기를 필요로하며, 그러한 점화기들은 감소된 부하주건하에서의 화염 안정화 및 가열을 위한 보충 에너지 제공을 위하여 단독으로 또는 다른 버너들과 함께 사용될 수 있다. 점화기들은 통상 가스 또는 오일을 연료로 사용했으며, 그 점화기들은 증기 발생장치의 자재 및 운전 비용을 현저히 증가시켰다.
가스 및 오일 점화기에 대한 필요성을 제거하고 미분탄을 연료로하는 점화기를 제공하려는 시도가 있었다. 미합중국 특허 제4,089,628호(P. R. Blackburn)에는 전기 아크(electric arc)로 가열된 고속 산화가스가 미분탄을 점화하는데 사용되는 기본적인 버너 장치가 제기되어 있다. 석탄은 공기 기류내에 포함되어 버너내로 공급되어, 석탄-공기 혼합물이 버너의 연소실 영역내에서 고온의 산화 가스 분사물과 접촉된다. 고온의 가스 분사물은, 연소를 안정화하기 위하여 점화가 발생된 후에는 억제되지만, 미분탄을 점화하기에 충분한 점화 에너지가 존재할때까지 석탄-공기 흐름과 접촉을 유지한다.
이 단순 점화기는 최적 조건 외에는 작동하도록 제조될 수 없으므로 다른 유량에 대한 조건 또는 석탄-공기 혼합물 조건을 충족시키고 다른 형태의 석탄을 연소하기 위하여 다른 점화기 고안물을 제조할 필요가 있다.
미합중국 특허 제4,221,174호(D. A. Smith 등)에는, 또한 미분탄의 직접 점화 및 연소를 위하여 고안된 점화기가 개시되어 있다. 그 점화기는, 시간에 따라 주기적으로 변화하는 공기 대 석탄 중량비를 발생시키도록 주기적인 간격으로 미분탄-공기 연료흐름내로 압축공기가 분사되므로써 매번의 주기 일부중에 점화 및 화염전파를 위한 최적 조건을 제공하는 압축 공기 공급원을 포함한다. 점화는 공기 대 석탄 중량비의 변화 속도보다 더 빠른 속도로 여기되는 높은 에너지 스파크(spark)에 의해 달성되어 최적 조건에서 점화가 발생한다. 그러나, 이 장치는, 점화원이 불연속적이며 또한 점화의 확실성을 감소시키는 중요한 특징이 있다.
미합중국 특허 제4,228,747호(M. E. Smirlock 등) 및 4,241,673 (D. A. Smith 등)에도 미분탄의 직접 점화를 달성하는 점화기가 개시되어 있다. 이 점화기들은 모두 미분탄의 점화 개시에만 사용되는 수축가능한 전기 스파크 발생 장치를 사용하지만 그밖의 점에서는 미합중국 특허 제 4,089,628호에 개시되어 있는 더욱 단순한 점화기와 다소 유사하다.
전술된 특허 모두에 기재된 점화기들의 공통적인 하나의 특징은, 공기에 실린 석탄이 단일 채널(channel)지역을 경유하여 점화기들의 연소영역으로 공급되므로 점화기에 공급된 충분하거나 정상적인 석탄을 즉각적으로 연소시키기 위해(가스 토치 또는 스파크 발생기 형태의) 점화 장치가 필요하다는 점이다.
[발명의 개요]
본 발명은, 미분탄 연소용으로 적합하며 연속 플라즈마(plasma) 발생용 토오치(torch)를 포함하는 버너를 제공한다는 점에서 선행 기술 장치와 구별된다. 토오치를 에워싸며 그것의 전방으로 돌출하는 것이 바람직한 내측 케이싱이 토오치의 전방으로 돌출하는 액화(devolatilisation) 영역을 부분적으로 형성한다. 본 발명은 토오치에 에너지를 공급하는 수단, 및 플라즈마가 액화영역내로 확산되는 방식으로 플라즈마 보조 가스를 토오치에 주입하는 수단을 포함한다. 상기 내측 케이싱을 포위하여 그 내측 케이싱 전방으로 돌출하는 외측 케이싱이 버너의 연소영역을 부분적으로 형성한다. 연소영역이 액화영역을 에워싼다. 고밀도 상태의 1차 공급 미분탄을 액화영역으로 향하게 하기 위하여 최소한 하나의 1차 공급도관이 설치되어 있다. 내측 케이싱과 외측 케이싱에 의해 채널(channel) 지역이 형성되는바, 그 채널 지역은 버너의 사용시에 2차 연소 공기가 공급되는 지역 및 연소영역에 2차 공급 미분탄을 전달하기 위한 최소한 하나의 2차공급도관이 설치되는 바, 그 2차 공급도관은 채널 지역내에 배치되는 개방된 공급 단부를 지님으로써, 2차 공급 미분탄은 상기 채널 지역을 통과할때 2차 연소 공기에 실린다.
버너의 사용시, 성장되는 플라즈마는 1차 공급 미분탄의 액화작용을 야기시킨다는 점에서 연속된 점화원을 제공하고 2차 연소 가스에 직면하여 연속 점화를 제공한다. 이후, 결과적인 부분 연소 휘발성 및 탄소 입자들은 연소영역내로 외측을 향해 이동하여 2차 공급 미분탄의 점화를 일으킨다.
[본 발명의 바람직한 특징]
플라즈마 토오치는 전기적으로 동력을 공급받는 토오치를 포함하는 것이 바람직하지만, 액화영역으로 향하고 고밀도 상태의 석탄의 액화 작용을 야기시킬만큼 충분히 높은 에너지 출력을 지니는 가스 또는 액체 연료 연소 토오치를 선택적으로 포함할 수도 있다. 전기적으로 동력을 공급받는 경우에, 플라즈마 토오치는 사이에서 전기 아크 방전이 지속될 수 있는 이격 전극들, 전극들중 하나에 의해 형성된 가열 챔버, 및 가열 챔버에 불연성 가스의 압축 공급을 허용하는 수단을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 증기 발생 장치에서 점화기로 사용되는 버너의 바람직한 실시예의 후술되는 설명으로부터 충분히 이해될 것이다. 후술설명은 첨부도면을 참조로 기술될 것이다.
[본 발명의 상세한 설명]
제 1 도에 도시된 장치는 보통 보일러의 벽을 통해 장착되는 단일 버너(10)를 포함한다. 버너는 다수의 주버너들(도시안됨) 각각에 인접하게 배치되거나 일군의 주 버너들 내의 중앙에 배치될 수 있다. 따라서, 보일러의 구조 및 용량에 따라 하나의 버너가, 각각의 주 버너용 또는 일군의 주 버너용으로 제공될 수 있다.
본 발명의 버너에는, 토오치(12)에 에너지를 부여하는 수단 및 플라즈마 보조가스를 토오치(12)에 주입하는 수단이 제공된다. 상기 수단들은 버너(10)의 아아크 토오치내에 전기 아크를 발생 및 유지시키기 위한 전기 동력원(11) 및 아크 운반 가스를 아크 토오치(12)에 전달하기 위한 압축 가스 공급원(13)을 포함한다. 상기 운반 가스는 공기 또는 질소를 포함할 수 있다.
미분탄 공급원(14)은 플루다이저(fluidiser;15)를 경유하여 버너(10)에 연결된다. 석탄을 유동화시키거나 그 석탄을 버너로 운반하기 위해 압축 공기 공급원(16)이 제공되며, 버너의 연소영역내에서 석탄의 연소를 보조하기 위하여 공기를 버너내로 향하게하는 공기 공급원이 제공된다.
버너(10)를 제외한 제 1 도에 도시된 모든 구성 요소들이 통상적인 형태 및 구조로될 수 있으므로, 그들에 대한 더이상의 설명을 필요로하지 않는다. 버너 자체가, 제 2 도 및 제 3 도를 참고로하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
버너(10)는 보일러의 벽(21)에 장착되도록 형성된 원통형의 외측 케이싱(20)을 포함한다. 외측 케이싱(20)은 보일러 로(爐)의 내부에서 노출되는 개방된 전방 단부(22)를 포함하며, 본 발명의 버너는 대부분의 공지된 종래의 점화기들과는 달리 로 벽 입구에서 퀄(quarl) 또는 원추체(cone)를 합체하지 않으며 또한 그럴 필요도 없다.
아크 토오치(12)는 원통형의 내측 케이싱(23)내로 돌출되고 내측 케이싱의 대부분의 길이에 걸쳐 연장되어 지지되는바, 그 내측 케이싱은 외측 케이싱(20)의 개방 단부로부터 후방으로 이격된 개방된 전방 단부(24)를 지닌다. 환형의 선회(swirl) 발생장치(25)는 내측 케이싱(23)둘레에 배치되고 내측 케이싱(23)과 외측 케이싱(20) 사이에 확장되어 있다. 선회발생장치(25)는 터어빈 블레이드 형태의 다수의 고정 블레이드 또는 베인을 지니며, 그 선회발생장치는 그 장치를 통과하는 유체에 와류 유동을 가하는 작용을 한다. 따라서, 그 유체는 화살표로 표시된 방향, 및 선회발생장치(25)를 통과한 결과 순환 방향으로 흐른다.
구조적으로 분리되지는 않았지만, 버너의 전방 단부는 관념적으로 분리된 2개의 지역, 즉, 아크 토오치(12)의 전방으로 돌출하고 내측 케이싱(23)의 개방된 전방 단부에 의해 일부가 형성되는 액화영역(26), 및 그 액화 영역 둘레의 연소 지역(27)을 지니는 것으로 간주될 수 있다.
2개의 1차 공급도관(28)들이 버너의 후방 단부로부터 버너내로 들어가 내측 케이싱(23)의 벽을 통해 연장되어 아크 토오치(12)에 인접하게 놓인다. 1차 공급도관(28)들은 토오치의 전방단부(30) 근처에서 종결되며 고밀도 사태의 1차 공급 미분탄이 액화영역(26)내로 향하게하도록 배향된다.
2개의 2차 공급도관(31)들이 외측 케이싱(20)과 내측 케이싱(23) 사이의 채널 지역(32)내로 돌출되어 고밀도상태의 2차 공급 미분탄을 환형 지역내로 운송한다. 쐐기형 편향장치 형태의 편향기(33)들이 2차 공급도관(31)의 단부에 인접하게 배치되어 채널 지역(32)의 대부분의 둘레에 걸쳐 미분탄을 분배하는 작용을 한다.
전술된 버너는 정상적으로 2차 공기를 채널 지역(32)으로 향하게하는 관형구조체(도시안됨)내에 배치되거나 그것의 연장부로 형성될 수 있다.
제 3 도에 도시된 바와같이, 아크 토오치(12)는 2개의 분리이격 극을 지니는바, 그 형태는 중심 음극(35)과 원통형 양극(36)을 지니며, 그 2개의 극 모두는 동력원(11)에 연결되어 있다. 중심 음극(35)은 대체로 원추형의 챔버(37)내에 배치되며, 압축된 아크 운반 가스가 압축가스 공급원(13)으로부터 연결포트(38) 및 환형부(39)를 경유하여 챔버(37)내로 공급된다. 원통형 양극(36)은, 아크 운반 가스가 200 내지 3000 KJ/mole 정도로 상승된 에너지 수준으로 여기되는 가열 챔버(40)를 형성한다.
아크 운반 가스는, 상기 챔버(40)의 길이의 대부분에 대해 아크를 확장시키기에 충분한 압력 및 유량으로 채널에 전달된다. 아크 전압은 통상 100 내지 300볼트이며 아크 전류는 통상 150 내지 800 암페어 범위로 된다.
관련 연결부들이 도면에 도시되어 있지는 않지만, 냉각 유체가 아크 토오치로 공급되고 양극(36)을 에워싸는 채널(41)을 통해 그 둘레로 흐르며, 높은 에너지의 아크 타격 장치(42)는 음극(35)을 포위하는 토오치의 벽부분내에 배치된다. 토오치의 벽에 하나의 구멍이 배치되어 있어 양극과 연결되어, 방전 플라즈마가 아크 타격 장치(42)와 음극(35) 사이를 통과하게 한다.
전술된 버너의 작동에 있어서, 고밀도 상태로 1차 공급도관(28)으로부터 공급되는 미분탄은, 아크 토오치(12)로부터 액화영역(26)으로 들어가는 확장 아크 플라즈마 흐름내로 향한다. 신속한 액화 작용이 발생하고 휘발 성분들은 반경 방향 외측으로 이동하여 뜨거운 탄소 입자들과 함께 연소영역(27)으로 들어간다. 이후, 부분적으로 연소된 휘발 성분들과 탄소 입자들이, 2차 염소 공기와 함께 연소영역(27)으로 들어가는 2차 공급 미분탄과 반응하여 연소가 발생한다.
1차 공급도관(28)을 경유하여 액화영역(26)으로 향하는 고밀도 상태의 1차 공급 미분탄은 10 : 1 정도의 석탄 : 공기 혼합비를 지니며, 2차 공급도관(31)을 경유하여 채널 지역(32)으로 향하는 2차 공급 미분탄도 유사한 혼합비를 지닌다. 그러나, 채널 지역(32)내로 공급되는 2차 공급 공기와 혼합되는 경우에는, 와류 장치(25)를 통해 연소영역(27)으로 들어가는 최종 혼합물은 1 : 10 정도의 석탄 : 공기 혼합비를 지닌다. 석탄 자체는 300마이크로미터 미만의 크기로 미세하게 분쇄되어 있다.

Claims (9)

  1. 미분탄을 연소시키는데 사용되는 미분탄 연료 버너(10)에 있어서, 연속 플라즈마(plasma)를 발생시키는 아크 토오치(torch;12) ; 상기 토오치(12)를 포위하며 상기 토오치(12)의 전방으로 돌출하는 액화영역(26)을 부분적으로 형성하는 내측 케이싱(23) ; 토오치에 에너지를 공급하는 동력원(11) ; 상기 플라즈마가 액화 영역(26)내로 확장되는 방식으로 상기 토오치(12)내로 플라즈마 보조 가스를 주입하기 위한 압축 가스 공급원(13) ; 상기 내측 케이싱(23)을 포위하여 전방으로 돌출하며, 상기 버너(10)의 상기 액화 영역(26)을 포위하는 연소영역(27)을 부분적으로 형성하는 외측 케이싱(20) ; 고밀도 상태의 2차 공급 미분탄을 상기 액화영역(26) 내로 공급하는 적어도 하나의 1차 공급도관(28) ; 상기 내측 케이싱(23)과 외측 케이싱(20)에 의해 형성되며, 버너사용시 2차 연소공기 공급 지역을 형성하는 채널지역(32) ; 및 2차 공급 미분탄을 연소영역(27)으로 전달하며, 버너사용시 채널지역(32)을 통과하는 석탄이 2차 연소 공기내에 포획되어 액화영역으로부터 외측으로 이동하는 부분적으로 연소된 휘발성 물질 및 탄소입자들과 접촉되게되도록 상기 채널지역(32)에 배치된 개방 전달단부를 지니는 적어도 하나의 2차 공급도(31) ;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미분탄연료버너.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 케이싱(23)은 상기 토오치(12) 전방으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 버너.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 공급도관(31) 전방의 채널지역(32)에는 선회발생장치(23)가 제공되며, 상기 선회발생장치(25)는 석탄포획공기가 상기 채널지역(32)으로부터 연소영역(27)내로 통과할때 상기 석탄포획공기에 와류 흐름을 가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 버너.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 공급도관(31)의 개방 전달단부와 선회발생장치(25) 사이에는 편향기(33)가 제공되며, 상기 편향기(33)는 2차 공급석탄이 2차 공급도관(31)으로부터 채널지역(32)내로 입장할때 상기 2차공급석탄을 분산시키는 형상으로 되는 것을 특징으로 하는 버너.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 공급도관(28)은 상기 토오치(12)전방 단부에 인접하게 배치된 개방 전달 단부(30)를 지니는 것을 특징으로하는 버너.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 1차 공급도관(28)은 상기 버너의 내측 케이싱(23)내에 배치된 개방 전달 단부(30)를 지니는 것을 특징으로하는 버너.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 공급도관(28)의 개방 전달 단부 후방의 채널 지역(32)내에 상기 2차 공급 도관(31)의 개방전달 단부가 배치되는 것을 특징으로하는 버너.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 케이싱(23) 및 외측 케이싱(20)은 원통형이며, 상기 내측 케이싱(23)과 외측 케이싱(20)에 의해 형성된 채널 영역(32)의 단면은 환형(annular)인 것을 지니는 것을 특징으로하는 버너.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 토오치(12)는, 버너 사용시 사이에서 전기 아크 방전이 유지되는 이격된 중심 음극(35) 및 원통형 양극(36), 상기 전극들중 하나의 전극으로 형성된 가열 챔버(40) 및 상기 가열 챔버(40)에 플라즈마 보조가스를 압축 공급하는 수단을 지니는 전기 동력 플라즈마 토오치를 포함하는 것을 특징으로하는 버너.
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