KR950011331B1 - 슬래깅 연소 시스템 - Google Patents

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KR950011331B1
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fuel
slag
oxidant
chamber
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KR1019880700727A
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KR920702544A (ko
Inventor
1995년09월30일
찰스 스탄셀 죤
솔브스 알버트
엘리오트 힐 란스
Original Assignee
티 알 더블유 인코포레이티드
원본미기재
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Abstract

내용 없음.

Description

슬래깅 연소 시스템
[도면의 간단한 설명]
제1도는 유출물 소비로에 관련되어 있는 시스템의 사시도이다.
제2도는 예비 연소기의 도면이다.
제3도는 일차 연소기, 슬래그 회수 및 수집, 연소 생성물 도관 및 보조 버너의 도면이다.
제4도는 일차 연소기의 팽창실에서 반응물과, 반응 생성물의 상호 작용을 상세히 도시한 도면이다.
제5도는 장치의 벽의 열을 보호하는데 사용된 구조적 배열의 도면이다.
제6도는 장치의 제한벽에 대한 튜브 및 막 구조의 상세한 도면이다.
제7도 및 제7a도는 과열-슬리브 분사기 조립체의 도면이다.
제8도 및 제8a도는 슬러리와 함께 분사하기에 적합한 연료 분사기 조립의 도면이다.
제9도는 예비 연소기와 일차 연소기의 접합부에서의 조립에 관한 단면도이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
종래 석탄 연소용 보일러 설비 및 공업로는 연소 온도를 충분히 높여서 슬래그 용해 온도 이상에서 슬래그를 유지하는 노(furnace)내의 반응 영역에서 직접 석탄을 연소한다. 노는 보통 총 화학량수(overall stoichiometry)가 1보다 큰 상태에서 작동하고, 그 결과 다량의 질산화물 및 황산화물을 발생시킬 뿐만 아니라 미립자를 비교적 많이 대기로 방출시킨다. 그러한 노들은 단위 체적당 비교적 낮은 에너지 방출을 가지고, 슬래그 부식에 대해 보호받기 위해 내화물질을 사용하고 있다. 보통 노들은 비교적 낮은 출력 밀도에서 작동하고, 연료의 탄소 내용물을 연소시키기 위해 대용량 "연소 상자(fire boxes)"를 요구하며, 잔류 슬래그를 수집하고, 화염에서 에너지를 추출한다.
최근에 오일 가격이 약 10배까지 증가되었다. 많은 전기 이용 보일러 설비 및 공업로들이 원가 압박을 받고 있다. 예를 들어, 트로나 킬른(Trona kiln)은 다량의 열 에너지를 필요로 하며, 그러한 공업 공정의 조작자는 현재의 오일 및 가스 비용에서 경제적으로 살아갈 수 없는 시설에 많은 자본을 투자하고 있다. 오일 또는 가스 보다는 석탄을 연소하기 위해 상기 보일러 및 노를 변경하면 실제적인 에너지 및 비용의 절약을 할 수 있을 것이며, 또한 이것은 설비 폐쇄, 자본 투자의 포기 및 공동 사회에서의 실업을 종종 회피할 수 있다. 그러나, 본래 오일 또는 가스용으로 설계 및 제작된 수메가와트 보일러에서 석탄은 연소시킬려는 시도는 극복할 수 없다고 생각되는 여러가지 어려움을 나타내고 있다. 즉, 종래 석탄 연소로부터 나오는 슬래그 및 날리는 재가 수관(water tube)을 뒤덮어서 효율을 크게 감소시킬 것이며, 황산화물(SOx) 및/또는 질산화물(NOx)의 방출이 사회적으로 거부되고, 또한 현재의 환경 규약하에서 전력 발생 보일러 설비가 일반적으로 위치해 있는 도시 및 도시 근교지역에서는 종종 금지되고 있다. 가장 빈번한 것은, 석탄 취급 및 연소 장비의 설치를 이용할 수 있는 공간이 크게 제한되고 있다. 또한 본래 오일 및 가스용으로 제작된 보일러는 보통 슬래그 수집 및 처분용 장치를 가지고 있지 아니하다.
따라서, 우리 사회는 석탄을 연소하는데 적합하게 하기 위해서 현존하는 보일러 및 노를 변경(구형 장치의 개장)하기 위한 방법 및 장치에 대해 사회적 경제적 필요성을 크게 증가시키고 있다. 경제적으로, 기술적으로 그리고 환경적으로 허용가능한 그러한 시스템은 아래의 조건에 부합하여야 한다.
고출력 밀도:일차 연소실에서 약 1.0×106Btu/hr/ft3
저질산화물(NOx):지속적으로 450ppmv 이하,
바람직하게는 대기로 방출된 기체에서 250ppmv 이하,
저황산화물(SOx):종래 연소기로 달성가능한 양보다 실제로 적게, 바람직하게는 퇴적 기체의 황-혼합물 농도를 약 50 내지 90%까지 감소
불연소의 제거:특정한 최종 온도의 조건에 따라 기체 생성물이 최종 용도의 노 또는 보일러로 안내되기전에 연료의 불연소성 광물의 함량을 연소의 기체 생성물로부터 70% 내지 90%까지 포획 및 제거할 것.
탄소의 캐리오버(carryover):기체 생성물이 보일러 또는 다른 열 이용 설비로 통과하기 전에 거의 모든 탄소를 탄산화물로 변환시킬 것.
내구성:벽의 해로운 부식/또는 침식이 상업적으로 허용가능한 한계내에서 유지되도록 연소기의 벽을 보호할 것.
열 효율:탄소질 연료의 화학적 잠재 에너지의 약 85 내지 90%를 가지는 기체 생성물 분류를 최종 용도 설비로 공급할 것. 바람직하게도 이 에너지는 부분적으로 민감한 열로써 공급되고 또한 부분적으로 최종 용도 설비에서 기체 생성물에 포함된 일산화탄소 및 수소의 형태로서 용이하게 완전 연소된다.
본 발명은 상기 조건에 부합하는 시스템을 제공한다.
참고로 본 발명에 합체된 버지(Burge)씨 등에서 허여된 미국 특허 제4,217,132호는 불연소 광물성 구성물을 함유하는 탄소질 연료를 연소하며, 그러한 구성물을 액체 슬래그로써 분리하고, 과열된 연소 생성물의 분류를 보일러와 같이 열 에너지 이용 설비로 운반하는 장치를 설명하고 있다. 버지씨의 장치에서 고체 탄소질 연료(예를 들어 분말 석탄)는 연소실내로 분산되고, 동시에 산화제(oxidizer)(예를 들어 예열 공기)의 분류가 연소실내로 접선 방향에서 유입되어서 연소실의 내벽으로 다량의 액체 슬래그를 원심적으로 구동하기에 적합한 고속도 와류 상태를 만들어낸다. 상기 특허에 설명된 장치는 제1세대의 고출력 밀도 슬래깅 연소기(slagging combustor)이다. 본 발명은 본래 오일 및/또는 천연가스를 사용하도록 설계 및 제작된 공업로 및 전기이용 보일러에 슬래깅 연소기를 적응하기에 적합한 조건을 고려하여 열심히 연구 및 개발한 결과로서 생겨난 슬래깅 연소기의 개량에 관한 것이다. 여기에 설명한 우리의 장치는 버지씨등에 의해 설명된 것과 동일한 종류에 속하는 슬래깅 연소기이다. 이 장치는 여러가지 개량하였으며, 또한 우리 지식의 최선을 다한 것으로, 실제로 모든 슬래그를 동시에 제거하며, NOx 및 SOx 방출을 제어하며, 불연소된 탄소 및 다른 미립자의 캐리오버를 회피하면서, 고효율에서 작동하고, 상업상 허용가능한 내구성을 가지며, 보통 상업적인 크기의 공업 및 이용 설비에서 이용가능한 제한 공간내에 개장(refrofit)될 정도로 충분히 작게 하기 위한 유일한 기술이다.
[발명의 요약]
본 발명에 의하여 가능한 최고의 수준으로 불연소물을 제거하며 동시에 질산화물의 발생을 최소로 줄이고 연료의 황의 함량을 대부분 제거하면서, 단위 체적당 고에너지 출력에서 미립 탄소질 물질의 효율적인 연소를 위한 방법 및 소형 장치가 제공된다.
본 발명은 제1축선을 가지는 예비 연소실, 상기 제1축선에 실제로 수직하는 제2축선을 가지는 일차 연소실, 상기 연소실을 출구 단부에서 열쇠 구멍같은 구멍을 가지는 배플판(baffle plate), 연소의 기체 생성물로부터 슬래그를 회수하는 플리넘(plenum), 용융 슬래그를 처분하기 위한 수단, 생성 기체를 최종 용도의 적용 장치로 운반하는 수단, 및 생성 기체가 최종 용도의 설비에 실제로 도달할 때 보충 산화제를 생성기체에 첨가하는 수단을 조합하여 구성하고 있다.
[양호한 실시예의 간단한 설명]
양호한 실시예로서, 예비 연소실은 우선 이 연소실의 단부벽에 의해 규정된 원통형 산화제 첨가실(cylindrical oxidant addition chamber)과, 상기 단부 벽에서 이격된 구멍난 제1배플을 구비한다. 또한 예비 연소실은 제1산화제 첨가실에 수직 방향에서 산화제를 주입하는 수단을 포함한다. 제1연소 영역은 배플에서 제1축선을 따라 제2산화제 주입 영역으로 연장하고, 상기 주입 영역은 말단부에서 제1연소 영역의 유출물(effluent)을 수령하는 도관과 연통하는 플리넘을 구비하고, 상기 도관은 제1연소 영역의 유출물과 혼합되기 위한 제2산화제 분류를 유입시키는 수단을 포함한다. 미립 연료를 유입시키는 노즐 수단을 예비 연소실의 단부벽에서부터 대략적으로 구멍난 제1배플의 구멍 위치까지 연장한다. 이 노즐 수단은 미립 탄소질 물질(particulate cabonaceous material)을 제1연소 영역내로 제1축선에 대해 적어도 약 45°의 각도로 분사하도록 되어 있다. 제2산화제 주입 영역은 일차 연소실까지 연장하는 도관에서 끝나고, 일차 연소실의 벽에 가까이에서 수직 방향으로 예비 연소실로부터 나온 산화제 및 연소 생성물을 유입시킬 수 있도록 위치한 사각형 구멍을 통해 상기 도관에 부착된다. 예비 연소실의 축선은 예비 연소실 거의 모든 생성물을 일차 연소실로 유입시키기에 충분한 수평에서의 각도로 위치한다.
미립 탄소질 물질을 주입하는 연료 분사기는 일차 연소실의 단부벽에서 이 연소실내로 연장한다.
일차 연소실은 미립 탄소질 물질의 연소로부터 생기는 슬래그층을 유지하여 그 위에 보유하도록 되어 있는 내벽면(inner wall surface)을 제공한다. 일차 연소실에서 산화제 입구는 예비 연소기의 유출물을 두 유동 방향 즉, 헤드 단부를 향하는 한 방향과 출구 단부를 향하는 다른 방향으로 분할하는 위치에 있다. 바람직하게도, 예비 연소실은 질량 유량에 관계없이 일차 연소실로 흐르는 유동 속도를 제어하여 이로써 유입접선 속도를 사전 선택된 레벨에서 유지하기 위하여 사각형 구멍에서 댐퍼(damper)를 포함한다.
연소 생성물은 구멍난 배플판의 열쇠 구멍같은 구멍을 통해 고속도 와류 상태에서 일차 연소실을 떠난다. 또한, 액체 슬래그는 열쇠 구멍 모양의 구멍의 하향 연장 슬롯부를 통해 유동한다. 따라서, 이러한 연소 생성물은 일차 연소실에서 팽창실로 가고, 이 팽창실에서 기체 생성물이 팽창하고 와류 속도가 감소한다. 그러므로 슬래그의 더 큰 덩어리 및 방울들은 이 팽창실에서 기체 연소 생성물과는 분리되어서 중력에 의해 슬래그 처분 보조 시스템으로 유동한다. 연소의 기체 생성물은 비교적 저속도로서 상향으로 유동하고, 다음에 보일러 또는 노와 같은 최종 용도 설비로 전달된다. 이러한 기체가 본 장치와 최종 용도 설비와의 사이에 있는 접촉 영역에 도달하면, 보충 산화제가 아직 연소되지 않은 유동 구성물(즉, 일산화탄소, 그을음 및/또는 수소)을 완전 산화시킬 정도로 충분한 양에서 기체 연소 생성물에 첨가한다.
작동시에, 산화제는 예비 연소기의 제1혼합물로 유입되어서 구멍난 제1배플의 구멍으로부터 와류 상태로서 유출된다. 산화제는 시스템에 공급되어야 할 총 미립 탄소질 물질의 약 10 내지 25%와 혼합된다. 상기 혼합실에 유입된 산화제의 양은 보통 예비 연소기로 공급된 모든 연료의 화학량론적 연소에 충분한 양이다. 이 연소 생성물은 제2산화제에 의해 유동에서 희석되어 예비 연소실의 화학량수에 비해 약 2 내지 5가지 산화제가 풍분한 유출물을 형성하며 이는 일차 입력분을 연소하기 위해 단독 산화제원으로써 사용한다. 미립 탄소질 물질의 차액(balance)은 연소 분사기에 의하여 일차 연소실의 축선에 대해 약 45 내지 90도의 각도에서 일차 연소실로 공급되어서, 예비 연소실로부터 나온 산화제가 풍분한 유출물과 혼합되고, 상기 유출물은 약 648.9℃(1200℉) 내지 1093.3℃(2000℉)의 온도에서 공급된다. 이 일차 연소실에서의 연소는 연료내의 모든 연소물을 연소하는데 필요로 하는 화학량수의 약 0.7 내지 약 0.9의 범위에 속하는 일차 연소실로 공급된 총 산화제와 아화학량론적(substoichiometric) 상태에 있다.
일차 연소실에서, 연소는 거의 모든 불연소물이 용융 슬래그로 변환되는 과정으로서 발생하며, 상기 슬래그는 일차 연소실내에서 유동계의 휠링 작용(Whirling action)에 의해 일차 연소실의 벽으로 원심적으로 구동되어서 표면이 용유되어 있는 슬래그 층으로서 벽에 수집된다. 정상 상태의 작동에서, 슬래그는 일차 연소실의 구멍난 배플을 향하여 슬롯 구멍을 통해 슬래그 수집 수단까지 유동한다. 예비 연소기로부터 과열된 산화제 유입은 산화제 유입 구멍의 부근에서 동결 슬래그(frozed slag)의 축선을 방지하는데 유익하다. 더 중요한 것은, 과열된 산화제 유입이 일차 연소실의 헤드 단부를 통해 방사된 연소 생성물로 인하여 가열된 고온 환경을 유지하고, 이로써 연료 분사 조립체에 아주 인접한 곳에서 신속하고 안정된 연료 연소를 보장하고 또한 연료 입자가 일차 연소실의 벽에 도달하기 전에 탄소의 85% 내지 90%를 변환시킨다. 연소의 기체 생성물은 배플의 구멍을 통해 팽창실로 흘러가고, 이 팽창실에서 치수가 큰 어떤 잔류 슬래그는 최종 용도 장치로 유입되기 전에 기체 생성물로부터 분리된다. 보충 산화제는 최종 용도 장치와의 접촉 영역에서 기체 생성물로 유입되고, 따라서 아화학량론적 일차 연소실에서 생성된 Co 및 H2의 최종 연소가 기체 생성물이 최종 온도 장치로 들어갈 때 완성된다.
본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 예비 연소실은 길이 대 직경의 비가 3대 1이고, 일차 연소실은 길이대 직경의 비가 1.5 내지 2대 1이고, 팽창실은 길이 대 직경의 비가 1대 1이고, 일차 연소실은 2:1 내지 4:1의 범위에 속하는 배플 면적비를 가진다. 전술한 바와 같이, 일차 연소실로 공급된 총 산소는 연료에 함유된 모든 탄소 및 탄화수소를 이산화탄소 및 물로 완전 연소시키는데 필요한 하는 양의 약 0.7 내지 0.8이 바람직하다. 이에 따라, 일차 연소실을 떠더나는 기체 연소 생성물은 다량의 일산화탄소 및 수소를 포함하며, 따라서, 보일러 또는 공업로와 같은 최종 용도 장치에서 완전 연소를 위해 더 연소시키기에 적합하다. 양호한 탄소질 공급 재료는 석탄이다. 탄소질 연소의 황함유 구성물을 포획할 수 있도록 황 흡수제(sulfur sorbent)가 반응물의 체적 유동 방향의 역방향으로 일차 연소실내로 유입될 수 있다.
[상세한 설명]
본 발명에 의하여, 미립 탄소질 물질을 효과적으로 연소하고, 또한 고체 불연소물을 가능한 최고의 레벨로 제거하며 동시에, 질산화물의 발생을 최소로 줄이고, 황화합물을 제거하는 효과적인 수단을 제공하고 그리고, 기체 생성물이 관련된 열에너지 이용 설비로 유입되기 전에 용융 슬래그의 70 내지 90%를 수집 및 제거하는 특별한 장치 및 방법을 구체화하는 시스템이 제공된다.
이러한 개선점들은 미립 탄소질 물질과 이 물질을 연소하는데 사용된 산화제를 유체 동력학적 유동계에서 신속하게 점화 및 반응시키는 방법 및 장치를 이용함으로써 달성된다. 사용된 장치는 서로 연결된 4개의 기계적 유닛을 구성하는 즉, 예비 연소기, 일차 연소기, 슬래그 수집 유닛 및, 보조 버너와 일체로 된 도관을 구성한다. 모든 것은 밀집되어 있고, 종래 석탄 연소로에서 달성될 수 있는 것 보다 더 큰 장치의 단위 체적당 에너지 방출율을 만들어낸다.
본 발명에서 사용되는 미립 탄소질 연료(particulate carbonaceous fuel)"란 용어는 불연소성 광물을 포함하며, 자유 입자로써 또는 슬러리로써 운반 유체에 보유되는 분산 상태에서 연료로 공급될 수 있는 탄소함유 물질을 뜻한다. 대표적인 탄소질 물질은 석탄, 목탄, 고체 폐기물 회수 작업에서의 유기산 잔류물, 액체에 산포될 수 있는 타르오일 등을 포함한다. 필요로 하는 탄소질 물질은 모두가 일차 연소실에서 최소한 부분적으로 산화될 수 있어야 하고, 운반 유체에서 분리된 입자로써 일차 연소실내에 산포될 수 있어야 한다. 통상적으로 연료는 분말 석탄이다.
"산화제(oxidant)"란 용어는 공기 또는 산소가 풍부한 공기를 뜻한다.
"운반 유체(carrier fluid)"란 말은 불할성이 되거나 또는 산화제일 수 있는 기체 또는 액체를 뜻한다. 산화제는 운반기체로서 바람직하고, 물은 운반 액체로써 바람직하다.
산화제의 사전 조절(preconditioning)은 모든 일차 산화제가 공급되는 짧은 소형의 원통형 예비 연소기에서 달성된다. 일차 산화제는 제1반응 생성물을 형성하기 위해 총 탄소질 연료의 약 10% 내지 25%까지 산화시키기 위해 사용된다. 이차 산화제는 예비 연소기로 들어가서 제1반응 생성물과 혼합하여 과열된 산화제가 풍부한 기체 분류를 형성하며, 이 분류는 제어되어 일차 연소기로 향한다. 또한, 산화제가 풍부한 기체 분류는 모든 잔류 예비 연소기 연료 및 불연소물을 운반하며, 체적 전체로 산포된 계속 연소되는 탄소질입자를 포함한다. 그 결과, 예비 연소기 출구 온도는 약 649℃(1200℉)에서 약 1093℃(2000℉)까지의 범위에 있다.
예비 연소기에서의 미립 탄소질 물질은 예비 연소실의 헤드 단부에 있는 격렬하게 교란되는 기체 유동계내로 대부분 고체로써 주입된다. 미립 탄소질 물질의 원추형 유동은 산화제 와류 유동계와 혼합시키는 중앙에 위치한 분사기를 통해 주입된다. 산화제와 만들어진 반응 생성물의 와류 유동계는 일단 점화가 달성되며, 고온 기체 및 연소 입자의 강한 재순환 영역을 만든다. 예비 연소기의 기하학적 형태는 산화제로써 공기가 사용될때 자활 연소(self-sustaining combustion)를 제공하고, 그러한 공기는 약 149℃(300℉)에서 260℃(500℉) 이상의 온도에서 주입된다. 예비 연소기는 바람직하게는 수평에서 약 22.5도의 각도로 배열되어서 모든 유동이 헤드 단부로부터 이 각도를 따라 사각형 출구로 내려가므로 예비 연소기에서는 고체 또는 액체 슬래그가 남아 있지 않음을 보장한다. 예비 연소기의 총 화학량수는 예비 연소기로 공급되는 연료의 탄소 함량을 모두 산화시키는데 필요한 필요한 산소량의 약 2 내지 5배까지이다. 이러한 화학량수는 미립 탄소질물질이 산화제 유동으로 흘러가는 유량을 조절하여 상기 출구 온도를 유지함으로써 제어된다.
예비 연소기에서 발생된 가열된 산화제 및 반응물은 사각형 출구를 통해 원통형 일차 연소기로 이동한다. 이러한 예비 연소기 유출 분류는 필수적으로 일차 연소실의 내벽에 접선 방향으로 주입된다. 예비 연소기의 사각형 출구는 일차 연소의 축선에 평행한 치수(dimension)가 일차 연소기의 축선에 수직인 치수보다 크게 되도록 만들어진다 길이 대 높이의 비는 2.5대 1이 양호하다. 양호하게도, 사각형 출구의 중심선은 예비 연소기의 종축선과 정렬되고, 일차 연소실의 종축선의 중간 지점에서 상류측에 즉, 헤드 단부에서부터 일차 연소실의 구멍난 배플까지 상류측에 즉, 헤드 단부에서부터 일차 연소실의 구멍난 배플까지 거리의 약 1/3 내지 1/2이 되는 곳에 위치한다.
예비 연소기의 사각형 출구룰 전술한 방법대로 설치하면, 예비 연소기 유출물이 일차 연소기내의 유동에 휠링 운동을 부여하게 된다. 예비 연소기의 사각형출구 영역내에 댐퍼판을 이용하여 예비 연소기 출구 속도를 100.6mps(330fps)로 제어함에 의하여, 넓은 범위의 예비 연소기 연료 공급율에 걸쳐 만족한 연소가 달성될 수 있다. 또한 전술한 장소는 유출물을 거의 동일한 두 유동으로 분할시키는데, 하나의 유동은 헤드 단부를 향해 벽을 따라 소용돌이 치게 하고 다른 유동은 대체로 출구를 향해 일차 연소기의 벽을 따라 나선형으로 이동한다. 헤드 단부를 향한 휠링 유동의 축방향 성분은 15.2mps(50fps)에 속하는 비교적 낮은 속도를 가진다. 이 유동은 일차 연소기의 헤드 단부벽에서 내부로 회전할 다음에 일차 연소기의 출구를 향해 축방향으로 돌아가는데, 모두 휠링 떠는 나선 경로를 따른다. 일차 연소기의 출구 단부는 일차 연소기의 축선에 대해 수직으로 놓여서 대체로 중앙에 구멍이 위치한 배플판을 갖추고 있다.
대부분의 고체 탄소질 연료는 대략 헤드 단부의 중앙에서 연료 분사기 조립체를 통해 일차 연소기로 주입된다. 이 조립체는 미립 탄소질 물질을 운반 기체 또는 운반 액체내의 고체로써 원추형 유동 패턴을 따라 휠링 기체 유동계내로 주입시킨다. 분사기 조립체는 일차 연소실에서 헤드 단부로부터 예비 연소기 출구의 사각형 구멍의 약간의 사류측에 있는 지점까지 연장한다.
전술한 바와 같이, 일차 연소실로 가는 산화제 유입은 예비 연소기 유출물의 약 50%를 헤드 단부를 향해 유동시키면서 두 분류로 분할되고, 여기서 초기 점화가 연료가 풍부한 반응 영역에서 헤드 단부의 총화학량수가 약 0.4에서 약 0.5까지 가지며 발생한다. 유입 산화제의 나머지는 일차 연소기의 출구 단부를 향해 유동한다. 원추형 패턴의 연료 분사와 고속도 휠링 유동계와의 상호 작용은 연료, 산화제 및 연소 생성물의 친밀하고 신속한 혼합을 제공한다. 이후에 상세한 설명에서 명백하게 나타나겠지만, 이것은 화학량수, 혼합물 및 연소 영역의 여러 부분에서의 가속력을 정확하고 대단히 효율적으로 제어하게 하고, 이러한 특성들은 정확하고 대단히 효율적으로 제허하게 하고, 이러한 특성들은 전술한 목적 및 요구 조건을 달성하는데 중요하다. 연소의 연소물은 가열된 산화제 유동계를 통해 비행하며 소비되고, 반응열의 형태로서 에너지를 포기하며 또 만들어진 연소 생성물을 가열시킨다. 자유 비행에서의 입자는 대체로 일차 연소실의 출구 단부를 향해가는 나선형 유동 경로를 따라간다.
통상적인 작동에 있어서, 연료의 탄소 함량중 약 12% 이하의 탄소가 불연소된 탄소 즉, 연소성 목탄의 형태로서 일차 연소기의 벽에 도달하는데, 이는 계속 소비되어야 한다. 액체 슬래그층은 공기 역학적 견인력 및 중력에 반응하여 일차 연소실의 벽을 따라 출구 단부 배플을 향해 나선형으로 유동한다. 통상적으로 연료의 연소는 입자의 신속한 가열을 통해 일어나고, 이는 휘발성 유기물의 기화를 초래하고, 이 유기물은 총 연소물의 50중량% 내지 80중량%에 속한다. 나머지는 기본적으로 비행중에 있으면서 목탄의 입자로써 연소된다.
일차 연소기의 헤드 단부에서 발생된 연료가 풍부한 기체는 대체로 휠링 운동이 유지되는 동안 출구 단부 배플을 향해 유동한다. 예비 연소가 유출물중에서 헤드 단부 유동으로부터 초기에 분할된 그 부분은 외부환형 영역에서 출구 단부 배플판을 향해 휠링 운동을 하면서 전진하고, 배플판에 의해 내부로 추진되고, 일차 연소기의 총화학량수를 약 0.7 내지 약 0.9까지 바람직하게 0.7에서 0.8까지의 수준까지 올리기 위해 연료 및 연료가 풍분한 기체와 혼합 및 반응되고, 그리고 일차 연소기의 출력 생성물로써 Co 및 H2가 많은 과열된 연소 생성물의 분류(대부분의 불연소물이 제거되었음)을 액체 슬래그로써 만들어낸다.
내부 혼합 및 반응은 일차 연소기에서 중심선을 따라가는 강한 이차 재순환 유동에 의해 더욱 강화되고, 상기 유동은 대체로 일차 연소기의 헤드 단부를 향해 중심선을 따라 이동한다. 또한 상기 재순환 유동은 소용 돌이치며, 따라서 실제로 나선형이지만, 유동의 축방향 성분은 일차 연소기의 헤드 단부를 향한다. 이 유동은 일차 연소실내에서 연료가 풍부한 코아부를 만든다. 이러한 역류 코아부(reverse-flowing core portion)의 평균 직경 및 질량 유량은 예비 연소기 출구 유속과 일차 연소실의 배플 구멍의 직경을 선택함에 의해 결정되고 제어된다. 바람직하게도, 예비 연소기 출구 속도는 약 100.6mps(330fts)이고, 일차 연소실 직경에 대한 양호한 배플 구멍 직경비는 대량 0.5이상인데, 이는 일차 연소실에서 점화 및 총연소의 제어를 강화하기 위해 이상적인 이차 재순환 유동을 만든다.
대략 배플 구멍의 반경에서부터 내부로 향한 접선 속도는 일차 연소기의 중심선에서 실제로 영으로 감소한다. 이러한 휠링 유동계는 초기 소비 과정에서 연료 입자를 반경 방향으로 가속시키고, 동시에 연소 입자를 약 10미크론까지 감소시켜서 용융 슬래그로써 일차 연소기내에 포획될 수 있게 한다.
일차 연소실의 연료 분사기 조립체는 용융 슬래그 유동이 헤드 단부로부터 분사기 조립체의 외면을 따라 미립 탄소질 물질의 분사점을 향해 흐를 수 있도록 제작된다. 이러한 고열된(용융 슬래그) 외면은 분사기 조립체에서 화염 홀더(flame holder)로써의 역할을 하므로 연료 입자가 분사기를 떠날때 연료 입자의 신속한 점화를 보장하며, 이로 인해 효과적인 연소를 촉진하고 최대로 높인다. 작동에서, 분사기를 따라 유동하는 슬래그는 고체 입자 분사점의 직전에서 떨어지고, 헤드 단부에서 발생된 연료가 풍부한 기체의 격렬한 복사 및 점화에 작은 중심점을 제공한다.
기체성 운반 유체가 사용될때, 미립 연료는 농밀 상태로서 일차 연소기내로 운반되고, 여기서 보통의 출력 수준에서 고체 대 운반 유체비는 무게당 약 3 내지 1대 약 10 내지 1까지의 범위에 있다. 연료가 액체 슬러리로써 공급될때, 연료 대 운반 유체의 무게비는 약 2:1이상이 사용될 수 있다. 일차 연소실의 연료생성물은 슬래그 용해 온도 이상의 온도에서 용융 슬래그 층을 유지하도록 충분히 과열된다. 따라서, 슬래그는 일차 연소실의 벽을 따라 자유로이 유동한다. 냉각체 유동이 금속벽에서 제어된다. 미립 연료의 질량 유량이 제어된다. 예비 연소기로부터 산화제의 질량 유량 및 속도가 제어된다. 이러한 독립 변수의 통합된 조절은 일차 연소 영역 온도를 슬래그 기화를 배제하는 범위에 유지하고, 보호 슬래그층이 금속벽에서 유지되고 액체 슬래그가 연속적으로 보호 슬래그층을 따라 슬래그 처분 보조 조립체를 향해 유동한다. 헤드 단부 영역에서의 연료가 풍부한 연소와 코아부는 NOx를 환경상 허용 수준 이하로 제어할 수 있게 한다.
바람직하게도, 일차 연소실의 벽은 대체로 원주 방향으로 튜브가 둘러싸인 수냉식 튜브-막 구조로 제조된다. 튜브-막 구조는 슬래그 유지 스터드(slag-retaining stud)를 더 장착하고 있다. 제한벽은 처음에 약 1.27cm(0.5인치)의 공칭 두께를 가진 희생 내화재(sacrificial refractory)로 도포되어 스터드에 의해 유지된다. 작동에서, 사용된 내화재는 용융 슬래그를 얇은 동결층내의 내화재에 단단히 부착되게 하고, 나머지 슬래그는 동결 슬래그 층을 따라 흘러간다. 오랜 작동 주기후에 이러한 내화 물질은 부식되는데 즉, 희생이 된다. 그러나 그렇게 부식된 어떤 부분은 즉시 동결 슬래그에 의해 대체된다. 내화재와 동결 슬래그층 및 용융 슬래그층의 이러한 조합은 용접된 튜브-막 벽구조에 열 및 화학적 보호층을 제공한다. 지역적 슬래그 유동은 손실된 어떤 내화재의 자동 보충을 위해 제공된다. 냉각 회로의 설계는 약 162.8℃(325℉)에서 약 315℃(600℉)의 금속벽 온도를 위해 제공되는데, 이것은 산성 혼합물의 응축을 배제하고 이로써 부식을 최소로 줄인다. 슬래그 용해 온도는 동시 계류 출원(서류 번호 31-0143)에서 상세히 기술된 바와 같이 황혼합물을 본래의 장소에서 포획함으로써 어떤 석탄에 대해서는 더 감소될 수 있다.
일차 연소실의 종축선은 수평에서 약 15도의 각도로 양호하게 위치하므로 슬래그가 적절히 유동하게 되어 연소실 바닥에 과다한 양이 축적되는 것을 배제할 수 있다. 대체로 슬래그는 일차 연소기의 벽을 따라 출구 단부 배플을 향해 나선형 패턴으로 구동된다. 슬래그가 벽을 따라 흘러갈때, 대부분의 용융 슬래그는 일차 연소기 바닥으로 흘러가는데, 왜냐하면 중력이 공기 역학력을 초과하기 때문이다. 바닥에 수집된 슬래그는 배프을 향해 흐른다. 배플판은 중앙에 위치한 구멍과, 상기 구멍에서 일차 연소실 바닥벽까지 연장하는 열쇠구멍 모양의 사각형 구멍을 가진다. 이러한 사각형 구멍은 슬래그가 배플판을 통해 연소실 바닥벽 가까이까지 흐를 수 있게 한다. 200메시(mesh) 석탄을 연소시킬 때, 석탄의 불연소물 함량의 약 80 내지 95%는 기체생성물 분류에서 제거되어 액체 슬래그로써 포획되고, 열쇠 구멍 배플의 하류측에 놓인 슬래그 배출보조 시스템을 경유하여 처분된다.
길이 대 직경비를 2대 1로 하고, 배플 직경 대 일차 연소실 직경비를 0.5이상으로 한일차 연소기에서, 전술한 바와 같이 200메시 석탄을 자유 비행 연소시키면, 실제로 일차 연소실에서 불연소 탄소가 손실(캐리오버)되지 않는다. 일차 연소기로부터 나온 연소 생성물 및 액체 슬러그는 양호한 원통형 슬래그 회수실내로 들어간다. 슬래그 회수 유닛은 일차 연소실 직경과 근사하게 동일한 직경을 가지는 짧은 길이 대 직경의 실을 구비한다. 회수 유닛 바닥에서 슬래그 배출 구멍이 있다. 유닛 상단에는 원형 구멍이 있고, 전이 형태가 슬래그 회수실의 중심선에 관하여 실제로 수직으로 배치된다. 이구멍에서부터 슬래그 회수실의 상단에서 유출 도관이 연료가 풍부한 기체를 최종적으로 사용되는 곳으로 운반하기 위해 연장한다. 이 도관은 수직에 가까운 어떤 각도를 가지고 슬래그 회수부에서 나오며, 연소 생성물 분류를 최종 사용을 향해 수평으로 돌리기 전에 약 1 내지 2의 길이 대 직경비(1이 양호함)로서 연장한다. 슬래그 회수 유닛은 추가로 일차 연소실의 배플과 수직 출구간에 짧은 거리를 제공하므로, 기체 생성물 분류에서 어떤 잔류 슬래그 방울의 대부분이 슬래그 회수부의 벽에 포획된다. 수직 출구는 포획된 어떤 슬래그 입자의 중력 정착을 강화시킨다. 수직 출구의 거의 반대편에 슬래그 배출구를 설치하면 슬래그 배출에 대한 내부열 복사를 강화시켜 슬래그 배출구를 통해 슬래그 제거 탱크로 흐르는 슬래그 유동을 양호하게 유지하는데 도움을 준다.
배플판과 관련된 슬래그 회수부는 또한 일차 연소 영역의 코아부로 나선형식으로 귀환 유동하는 과열된 재순환 기체원을 제공한다. 이러한 재순환 과열 기체 코아부의 직경은 일차 연소실의 배플판 구멍의 직경의 약 70 내지 75%가 보통이다. 이것은 배플 구멍에서 빠져나가는 연소 생성물 분류의 접선 방향 및 축방향 속도를 증가시킨다. 이러한 유동내의 슬래그 방울은 용융 슬래그로써 포획되기 위해 슬래그 회수실의 벽을 향해 더욱 가속된다. 더 중요한 것으로서, 상기 코아부는 황화합물과 같이 잠재적인 공기 오염 물질을 포획하기 위해 첨가제를 주입시킬 수 있는 비교적 작은 난류 영역을 제공한다. 이 코아부는 횡방출 제어를 위한 흡수제용 분사기를 최적 상태로 배치하게 한다. 일차 연소기의 중심선을 따라 배플 구멍 부근에 있는 한지점에서 흡수제(sorbent)를 상기 역류 코아부로 분사하면 흡수제를 화학적으로 조제할 뿐만 아니라 뛰어난 열 사전 조절 능력을 제공하게 된다. 역류 유동계는 일차 연소 영역의 코아부내로 대부분의 흡수제를 운반하는데, 여기서 흡수제는 연료가 풍부한 환경에서 황화합물과 반응한다. 흡수제를 효율적으로 사용하면 연료의 황농도의 60% 내지 70%만큼 높은 회수율을 만든다.
본 발명의 실시에서, 일차 연소실의 총화학량수를 약 0.75에서 작동하면 질산화물 방출 레벨이 250 내지 300ppm의 범위에 이른다. 이것은 본 시스템이 값비싼 연도 기체 세정 방법(stack-gas cleanup measures)에 의존하지 않고 청정 공기 규약에 부응할 수 있게 한다.
본 발명은 하나의 동력 크기에서 다른 동력 크기까지 확실하게 조절할 수 있는 유체 및 연소-반응 원리를 이용한다. 본 발명자는 동일한 조절 원리를 이용하며, 출력 용량을 50,000kw(170×106BTU/hr) 이상가지는 장치를 만들었다. 이러한 조절 원리의 실예로써, 예비 연소기, 일차 연소기 및 슬래그 회수실의 단면적 치수는 요구 출력 용량의 자승근(square-root)에 대략 정비례한다. 상업적 이득이 크기로서, 길이대 직경비는 예비 연소기에 대해 약 3대 1로 하고, 일차 연소기에 대해 약 1.5 내지 2대 1로 하고, 슬래그 회수 유닛에 대해 약 1:1로서 일정하게 유지된다. 거의 수직인 출구 도관은 최종 슬래그를 포획하기 위해 또 과열된 배기 기체를 어떤 특정한 최종 용도 장치로 전달하기 위해 길이 대 직경을 약 1대 1로 한다. 예비 연소기의 사각형 출구는 출구 높이 대 일차 연소기 직경비가 약 0.2 내지 0.3이 되도록 제작되고, 사각형 출구 폭을 조절하여 약 648.9 내지 1093.3℃(1200°내지 2000℉)의 온도에서 약 100.6mps(330fps)의 공정 입구 속도를 만들게 한다. 또한 입구는 활주 댐퍼 시스템과 함께 사용 지점에서 가변성 수요를 수용하기 위하여 3 내지 1의 턴다운 비(turn-down ration)를 달성하는데 도움을 준다. 턴다운은 산화제 유동 및 미립 탄소질 물질을 유동을 에비 연소기에서 정비례 또는 거의 정비례로 교축(throtte)함에 의해 그리고 일차 연소기로 향하는 미립 탄소질 물질 유동을 교착함에 의하여 달성된다.
유입 공기 유동을 위해, 시스템은 대략 63.5 내지 114.3cm 수주(25 내지 45인치)의 유입 압력에서 유입산화제를 제공하는 종래 팬 시스템을 효과적으로 이용한다. 이것은 본 장치를 현존하는 최종 용도 설비에 직접 적용할 수 있게 하는데, 이러한 설비에는 본래 오일 또는 천연가스를 연소시키기 위해 설계, 제작된 공업로 및 전기 이용 보일러가 있고, 또한, 대기압 연소를 규정한 보일러 플랜트의 새로운 설계에 적용할 수 있다. 석탄-물 슬러리 비를 약 70% 고체 대 30% 액체로 하였을 대 성공적으로 연소되었다.
이제 제1도, 제2도 및 제3도를 참조하면, 슬래깅 연소(10)는 예비 연소기(12), 일차 연소실(14), 및 슬래그 수집 보조 시스템(18)과 협동하는 슬래그 회수실(16)로 구성된다. 기체, 증기 또는 액체일 수 있는 운반 유체는 미립 탄소질 연료를 저장소(20)에서 라인(22)을 거쳐 단부벽(26)에 위치한 분사 조립체(24)까지 운반하는데 사용된다. 통상적인 작동에서, 연료의 약 75% 내지 90%는 일차 연소실(14)로 운반되고, 나머지는 농밀 상태의 운반 수단(도시 안됨)에 의해 예비 연소기(12)로 운반된다.
연료는 노즐 조립체(28)를 통해 예비 연소기(12)로 공급된다. 예비 연소기(12)는 단부 폐쇄판(30)에 의해 한 단부에서 폐쇄된 연통형 구조물이고, 상기 폐쇄판을 통해 노즐 조립체(28)가 연장한다. 바람직하게 약 148.9℃ 내지 260℃(300° 내지 500℉) 이상의 온도까지 예열된 산화제 유동은 접선 방향에서 예비 연소기(12)에 부착된 도관(32)을 통해 혼합 영역(34)으로 주입된다. 산화제의 접선 방향 주입은 혼합 영역(34)에서 휠링 운동을 일으킨다. 산화제 유동의 휠링 운동은 배플(14)의 구멍(40)을 통해 예비 연소기(12)의 연소 영역(38)으로 가는 산화제 속도를 증가시키기 위해 댐퍼판(36)에 의해 강화될 수 있다. 통상적으로 혼합 및 연소 영역(34,38)의 직경은 동일하다. 연료 분사용 노즐 조립체(28)는 적어도 반응이 혼합 영역(34)에서 발생하지 않게 하는 위치까지 양호하게 구멍(40)을 통해 예비 연소기(12)내로 연장한다. 적절한 점화 시스템(42)은 단부판(30)을 통해 삽입하고, 산화제 및 미립 연료의 초기 점화를 제공하는 위치에 있다. 미립 탄소질 물질 및 산화제는 연소 영역(38)에서 반응하여 현재의 모든 탄소를 이산화탄소로 변환시키는데 필요로 하는 산소량의 약 0.5 내지 1.5배의 총 화학량수를 초기에 일으키고, 이에 의해 산화제와 탄소질 물질의 혼합을 위해 통상 단열적 화염 온도에 가까운 안정된 반응 온도를 만들어낸다.
혼합 영역(34)에서 통상적인 산화제 유동의 접선 속도는 약 45.7mps(150fps)에 속한다. 도관(32)내에 위치한 댐퍼판(36)은 요구한 출력 정격이 변할때 혼합 영역(34)에서 필요한 접선 속도를 유지하기 위한 수단으로써 사용된다. 배플(44)에서 구멍(40)의 직경은 예비 연소기(12)의 직경의 약 절반이 바람직하다. 휠링운동은 연소 영역(38)에서 계속되고, 내부의 연소를 안정화시키는데 이용된다.
추가의 산화제는 분배망(distribution network)(52)을 봉쇄하는 주변 플리넘(50)에 개방되어 있는 도관(48)을 경유하여 예비 연소기(12)로 주입된다. 상기 추가 산화제는 연소 영역(38)에서 나온 과열 반응 생성물인 탄화수소 및 잔류 산화제의 혼합되어서, 원통형 단면이 사각형 단면으로 바뀌는 도관(56)을 통과하는 반응 생성물 분류를 만든다. 이 분류는 구멍(58)을 통해 일차 연소실(14)로 접선 방향에서 흘러 들어간다. 예비 연소기의 생성물 분류 속도를 제어하기 위하여, 도관(56)은 사각형 구멍(58)의 효과적인 개방을 제어하는 2개의 댐퍼판(60,62)을 장착하고 있다. 보조 산화제와 연소 영역(38)의 반응 생성물과의 혼합은 약 648.9℃에서 약 1093.3℃의 온도를 가지는 총 반응 생성물 분류를 만든다. 이 분류는 보통 노즐 조립체(28)로 공급된 모든 연료를 완전히 산화시키기에 필요로 하는 산소량의 약 2배 내지 5배를 포함하는 산화제를 가지고 있다.
일차 연소실(14)은 헤드 단부에서 단부벽(26)에 의해 폐쇄되고, 출구 단부는 구멍난 배플(64)로써 규정되어 있다. 미립 탄소질 물질은 단부벽(26)에서 일차 연소실(14)의 축선상에 위치하는 연료 분사기(24)를 통해 운반 유체를 따라 주입된다. 연료 분사기(24)는 미립 연료 및 운반 유체가 산화체 입구(58)의 상류측에 있는 연소 영역(70)내로 분사되도록 하는 그러한 위치까지 단부벽(26)을 통해 연장한다. 연소 영역(70)에서 화학량수는 미립 탄소질 물질 및 운반 유체의 유량과, 입구(58)로부터 나온 산화제 유동에 의해 제어된다. 연소는 선화제가 균형 화학량수의 약 0.7 내지 0.9에서 바람직하게는, 0.7 내지 0.8에서 공급되는 상태하에서 발생한다. 접선 방향에서 주입된 산화제 분류는 접선 방향 입구(58)를 통해 흐르면서, 연소 영역(70)에 강한 휠링 유동을 제공한다. 배플(64)의 구멍(68)은 용융 슬래그가 바닥 챔버(64)를 따라 입구(58)의 바닥에 있는 슬롯을 통해 슬래그 회수부로 유동하는 일을 용이하게 하는 열쇠 구멍 형태가 바람직하다.
구멍(68)에 대한 배플(64)의 면적비는 약 2 내지 4의 범위에서 선택되고, 연소 영역(70)에서 필요한 휠링 및 원심 작용을 유지한다. 연소 영역(70)에서약 76.2 내지 122mps(250 내지 400fps), 양호하게는 약 100.6mps(330fps)에 속하는 반응 생성물의 공칭 접선 방향 유속은 필요한 작동을 유지하기 위해 휠링 및 원심 유동계에서 중요하다. 연소 영역(70)에서 휠링 유동은 공급 분류의 반응에서 발생된 불연소성 및 비 기체성 생성물에 강한 원심력을 부여한다. 이 원심력은 실제로 모든 액체 및 고체 불연소물과 어떤 연소되지 않은 연소물을 용융 슬래그의 형태로서 일차 연소실(14)의 벽에 추진한다. 일차 연소실(14)에서 용융 슬래그는 공기 역학적 견인력 및 중력의 조합에 반응하여 구멍(68)을 향해 흐른다. 일차 연소실은 슬래그 회수실(18)에 연결된다. 열쇠 구멍과 같은 구멍(68)을 경유하여 슬래그 회수실(16)로 들어가는 용융 슬래그는 도관(71)내로흘러서 구멍(73)을 통해 슬래그 수집기(76)로 흘러간다. 단부벽(66)은 도관(77,79)의 표면과 같이, 수집기(76)로 공급되는 자유 비행하는 커다란 슬래그 입자를 수집하는 역할을 한다.
슬래그 회수실(16)에서는 있다 하더라도 연소가 거의 발생하지 않는다. 일차 연소실(14)로부터 나온 연소 생성물 분류는 도관(77)을 따라 상향으로 통과함에 의하여 용융 슬래그를 더 많이 떼어내는데, 이 도관은 실제로 수직이고, 기체 분류의 체적 유속이 약 30.5 내지 45.7mps(100 내지 150fps), 양호하게는 38.1mps(125fps)에 속하게 하는 그러한 직경을 가진다. 이러한 비교적 낮은 속도는 어떤 커다란 슬래그 방울에 적응된 공기 역학적 견인력이 충분히 작아서 중력이 극복할 것임을 보장한다. 또한, 용융 슬래그는 벽(77,79)을 따라 아래로 슬래그 수집 보조 시스템(18)의 바닥까지 흐르는데, 이 보조 시스템은 슬래그 배출 구멍(73)을 구비하며, 이 구멍은 짧게 연결된 도관(71)내에 위치하고 슬래그 저장소(76)와 교통한다. 이제 용융슬래그, 재 및 미립자들이 거의 제거된 기체 반응 생성물은 도관 직경의 약 1 내지 2배의 거리에 걸쳐 거의 수직으로 도관(77)위로 흐르며, 그후 덕트(81)에 의해 거의 수평으로 돌아가며, 이 덕트를 통해 기체 연소 생성물이 노(78)의 이차 연소 영역(72)에 있는 최종 이용 지점으로 운반된다. 특정한 최종 용도에 따라, 보조 산화제(즉, 공기)가 플리넘(80)으로부터 환형 덕트(83)를 통해 연소기 유출물 분류내로 유입된다. 따라서 최종 이용의 노(78)의 연소 영역(72)에서 연소가 완료된다. 최종 이용은 예를 들어 처리 열을 공급하기 위해 전기 보일러 발전소 또는 공업 보일러 도는 공업로일 수 있다. 도관(85)에서 총 생성물 분류의 화학량수는 일차 연소실(14)의 출구 단부에서의 화학량수와 동일하다. 연소 영역(72)에서 연소를 완성하는데 필요한 모든 산화제는 플리넘(80)에서 나온다.
다시 제2도를 참조하면, 예비 연소기(12)의 작동은 보통 약 45.7m/s(150fps)의 분사 속도로서 혼합 영역(34)내로 산화제를 접선 방향으로 유동시키는 것을 포함한다. 와류 운동은 산화제가 배플(44)에 있는 구멍(40)을 통과할때 속도가 증가하고, 연소 영역(38)에서 다시 감소한다. 미립 탄소질 연료 및 운반 유체는 예비 연소기(12)의 중심선에 관하여 약 45°내지 90°의 각도로서 연소 영역(38)내로 유입된다. 분사된 연료 및 산화제 유동계는 강력한 트로이드형 재순환(toroidal recirculation)을 일으킨다. 이런 재순환은 과열 연소 기체를 노즐 조립체(28)를 향해 운반하여 연소 영역(38)의 헤드 단부에서 격렬한 연소 영역을 만들어낸다. 연료가 많이 변환되지만 예비연소기(12)에서 완전히 연소시킬 필요는 없다. 그 대신, 구멍(58)에서 예비 연소기 출구 온도가 648.9°내지 1093.3℃(1200℉ 내지 2000℉) 사이에 있도록 시스템을 제어하는 것이 바람직하다. 플리넘(50)으로 들어가는 산화제는 작은 유동 화살표로 도시된 바와 같이 산화제분포망(52)에 의해 형성된 전이 영역내로 반경 방향에서 들어가서, 연소 영역(38)에서 흘러 나오는 반응물과 함께 도관(56)에서 혼합된다. 따라서, 예비 연소기(12)는 일차 연소기(14)의 벽 가까이에서 와류하는 유사 나선형 유동계를 발생하기에 적합한 고온 및 고속 산화제 분류를 일차 연소실(14)에 공급한다. 예비 연소기의 체적, 직경 및 길이는 예비 연소기의 벽에 있다 하더라도 슬래그가 거의 수집되지 않도록 선택된다. 게다가, 예비연소기(14)에 방출되는 것을 보장하기 위하여 수평에 대해 어떤 각도로 기울어져 있다.
일차 연소실(14)과 슬래그 회수실(16)에서 유동계의 상호 작용이 제4도에 상세히 도시되어 있다. 유동계는 복잡하고, 시간의 함수로써 변하고, 다소 난류성이다. 그러나 제4도는 시간으로 평균으로 낸 상태 및 성능을 거시적으로 도시하고 있다. 에비 연소기(12)에서 나오는 산화제 분류는 구멍(58)을 통해 접선 방향 유동으로서 일차 연소실(14)로 들어가서 대체로 휠링 유동계(whirling flow field)(2)를 만든다. 휠링 유동계(2)에는 여러개의 중요한 이차 유동이 중복된다. 구멍(58)에서 나오는 분류의 기체 부분은 거의 동일한 2개의 절반으로 분할되는데, 한 부분은 내벽에 인접하게 다수 나선형으로 배플(64)을 향해 흐르고, 다른 부분은 대체로 단부벽(26)을 향해 흘러서 벽부근에서 소용돌이 치고, 또 화살표(5)로 도시된 바와 같이 단부벽(26)에서 귀환한다. 분말 연료 및 운반 유체는 중앙에 위치한 연료 분사기(24)로부터 일차 연소실(14)의 종축선에 관하여 약 45도 내지 90도의 공칭 각도를 가지는 대략 원추형 패턴으로서 분사된다. 운반 기체에 대한 미립 연료의 무게비는 3 내지 10의 범위에 있고, 시스템이 정격 동력에서 작동할때 10에 근접하는 것이 바람직하다. 유입 연료 및 운반 기체의 유속은 약 15.2 내지 61m/sec(50 내지 200fps)이다. 예비 연소기(92)에서 유출하는 산화제는 통상 200메시 석탄에 대해 작게는 몇 미크론에서 크게는 150미크론까지 이르는 치수 분포로서 정상적으로 분사된 연료에 대하여 유입 온도에서 일차 점화원을 제공한다.
평균 메시 치수는 최소 치수를 약 125 내지 150미크론으로 하면서 약 75미크론인 것이 바람직하다. 분사된 미립 연료및 운반 유체는 강력한 회전 유동계(2)에 의해 신속히 포획하고, 또 일차 연소실(14)의 벽을 향해 가속되어진다. 동시에 축류 성분이 미립 탄소질 물질에 작용한다. 통상 석탄의 질량의 50% 내지 80%에 속하는 가연성 휘발성 물질은 미립 탄소질 물질의 자유 비행 연소시에 날아간다. 더 작은 치수의 미립자는 거의 완전하게 연소되어서 벽을 때리기 전에 다만 용융 슬래그의 방울만을 남긴다. 연료 탄소의 작은 부분만이 벽에 도달하여 거기에 용융 슬래그에서 연소된다. 집합적으로 부호(6)로서 지칭된 분사된 미립 연료와 유동 화살표(2,3,4,5)의 상호 작용은 도시한 바와 같이 고체 입자를 산포시키는 원인이 된다. 내부 회전유동계(2)의 강도는 분사된 산화 유출물의 속도와 일차 연소실(14)의 내경에 대한 배플 구멍(68)의 직경비에 의해 결정된다. 직경비가 0.5이고, 일차 연소실의 길이 대 직경비가 2대 1이면, 보통 10미크론 이상의 연료 입자로부터 잔류 용융 슬래그가 배플에서 포획된다. 점차로 더 큰 고체 입자는 모두 도시한 바와 같이 다른 궤적에 의해 일차 연소실 벽면의 다른 충격지점에서 포획된다. 또한 일차 연소실(14) 벽에 수집된 플래그는 자체의 유동 특성을 가진다. 배플(64) 부근의 외부 또는 하부 단부에서 슬래그는 얇은 액체층으로써 대체로 나선형 패턴으로서 배플(64)을 향해 흘러간다. 일차 연소실(14)의 상부 또는 헤드 단부에서, 슬래그는 얇은 층으로서 부분적으로 단부 벽(26)을 향해 그리고 중앙에 위치한 노즐 조립체를 따라 반경 방향 내부 및 축방향으로 흐르고, 이 연소실에서 축방향으로 흐르는 슬래그는 벗겨지며, 또 슬래그 궤적(8)에 의해 지칭된 바와 같이 일차 연소실 벽으로 반경 방향 외부로 구동된다.
나선형의 표면 슬래그 유동 및 헤드 단부에서 반경 방향 내부로 흐르는 슬래그 유동은 공기 역학적으로 전단 응력을 받으며 구동된다. 공기 역학적 힘이 모든 용융 슬래그 유동을 더 이상 나선형으로 구동할 수 없을때, 슬래그 일부는 일차 연소실(14)의 바닥을 따라 배플(64)을 향해 흐른다. 배플(64)에서 열쇠 구멍 모양의 용융 슬래그를 슬래그 회수실(16)로, 최종적으로 슬래그 수집실(18)로 흘러가도록 허용한다. 또한, 배플(64)에서, 반경 방향으로 유입하는 연소생성물은 용융 슬래그의 일부에 내부로 공기 역학적 전단 견인력을 초래하고 이로 인하여 약간의 슬래그가 기체 생성물과 더불어 구멍(68)을 통해 구동된다. 강력한 휠링 유동계(2)는 배플 구멍(68)에 관련하여 대략 경계(9)내에서 역류 재순환 코아부를 발생시키는 원인이 된다. 이러한 역류는 슬래그 수집실(16)의 중앙부에서 발생한다. 일차 연소실(14)의 체적(70)내에서, 역류 기체는 유동 화살표(11)로 도시한 바와 같이 경계(9)를 가로질러 확산한다. 평균적으로 이러한 코아부는 이를 둘러싸는 환형부에 비해 비교적 연료가 풍부하다. 연료가 풍부한 기체가 경계(9)를 가로질러 이동할때, 기체들은 산화제와 혼합되어 더욱 연소된다. 기체 생성물 유동(13)이 배플 구멍(68)을 통해 역류 경계(9)의 외부로 지나갈 때, 이 유동은 구멍(68)의 지역에서 초기의 산화제 유동계(2)의 속도에 의해 일차로 결정된 증가된 휠링 속도를 가진다. 기체 생성물 유동(13)은 또한 배플 구멍(68)과 역류 경계(9)의 의해 만들어진 환경지역을 통과해야만 하는 유동량에 의해 결정되는 축방향 속도 성분을 가진다. 대략 배플(68)의 직경에 대한 역류 경계(9)의 직경의 비는 약 0.7이고, 작동 상태에서의 변화는 이 비를 약 0.50에서 0.75까지의 범위에 이르게 한다.
바람직하게도, 일차 연소실의 종축선은 수평에 관하여 약 15도의 각도로 기울어져 있다. 이러한 기울기는 액체 슬래그를 열쇠 구멍 모양의 구멍(68)을 통해 연소실(14)에서 만족하게 흘러나오게 한다. 특정한 최종 용도 분야를 위해 선택한 유속, 동력 레벨 및 작동 온도에 의존하여, 이러한 기울기는 약 5도 만큼 작을 수 있다. 더 큰 각도에서, 배플 구멍(68)의 중앙부를 통해 흐르는 슬래그 양은 과다한 용융 슬래그 캐리오버를 초래할 수 있고, 이는 배플(64)의 모서리에서 용융 슬래그를 벗겨내는 기체 생성물 유동으로부터 초래된다.
슬래그 회수실(16)의 하부와 적어도 상부의 일부분의 내면 전면은 유동하는 용융 슬래그의 얇은 층으로 덮힌다. 일차 연소실(14)에서 용융 슬래그 유동은 배플(64)의 열쇠 구멍을 통해 흘러서 슬래그 회수실(16)과 슬래그 수집실(18)로 계속 진행한다. 일차 연소실(14)에서 유출하는 기체 연소 생성물은 구멍(68)에서 최대 속도를 가지고, 유동이 슬래그 수집실(16)에서 확장할 때 속도가 감소한다.
반응 생성물 유동(2)을 실제 동일한 두 부분(3,4)으로 분할하면, 분사기 조립체(24)를 포함하는 헤드 단부 지역에서의 화학량수가 근사적으로 일차 연소실(14)의 총화학량수의 절반이 된다. 이러한 낮은 화학량수는 가열된 산화제 생성물 분류와 미립 연료간의 반응이 일차 연소실(14)에서 반응하기 시작할 때 질산화물의 형성을 방지한다. NH3및 HCN과 같은 기체 종류가 형성되고 이에 의해 질산화물을 형성을 감소한다. 일차 연소실(14)의 화학량수가 전체적으로 감소하면 질산화물 형성을 더욱 금지시킨다. 덧붙여, 일차 연소실(14)내에서 전체의 공간 평균 화학량수가 약 0.7 내지 0.8의 범위내에서 유지될 때, 영역(70)내의 온도는 슬래그 용융을 유지하기에 충분히 높지만, 슬래그가 슬래그 수집실(18)에서 제거되기 전에 용융 슬래그를 더 많이 증발시킬 정도로 높이지는 않다. 슬래그 수집실(16)과 배출 도관(81,85)에서 총화학량수는 영역(70)의 하류측 단부에서의 화학량수와 동일하므로, 저 질산화물 방출 시스템을 보호하게 된다. 전체적으로 이것은 이차 연소후 250 내지 450ppmv에 속하는 연소 기체의 NOx 감소를 초래한다.
연료가 정상 비율로 노즐 조립체(28)를 통해 예비 연소기(12)로 유입되는 동안, 구멍(58)에서의 반응 생성물 유동은 계속 연소하는 소량의 입자와 고체의 플라이 애시(fly ash) 및 슬래그의 형태로 된 다량의 연소된 입자를 포함한다. 플라이 애시 및 슬래그는 반응 생성물을 통해 필수적으로 균일하게 분포되고, 또 유입하는 산화제 분류의 평균 보다 더 고온일 수 있다. 그 결과, 일차 연소실(14)로 들어가는 산소가 풍부한 분류는 복사체로서의 역할을 하며, 따라서, 영역(70)의 헤드 단부 전체가 상기 복사 분류로부터 나오는 격렬한 복사에 노출되고, 이에 의해 헤드 단부 지역과, 분사기 조립체(24) 내부 및 주위에서 점화, 연소 및 슬래그 유동이 강화된다. 유사하게도, 연소 영역(70)을 통해 기체 유동에 편승된 미립자는 격렬한 열복사를 발생시키고, 이것은 영역(70)내에서 온도 균일성을 촉진하여 전체 연소의 안정화를 돕는다.
거의 수직 덕트(71,77,79)의 정반대측에 슬래그 배출 구멍(73)을 설치하면, 슬래그 배출 구멍에 복사되는 열이 증가하게 된다. 이렇게 증가된 열복사는 슬래그 수집기(76)에서 용융 슬래그의 양호한 유체 유동을 유지하는데 도움을 준다.
제5도는 장치벽을 열 및 부식에 보호하기 위한 양호한 구조를 도시한다. 표면(88,90)으로 봉쇄된 통로내부를 적절한 속도로 냉각제(86)가 유동하므로써 냉각된다. 통로는 관, 이중벽 막구조 등일 수 있다. 처음에 제작할 때, 미조리 플린트 크레이(Missours Flint Clay)와 같이 적절한 희생 내화 점토(92)가 표면(90)의 과열 가스면에 약 1.27cm(0.5인치)의 공칭 두께로 피복된다. 작동시에, 중력, 및 화살표(92)로 도시된 과열 가스는 여러가지 물리적 현상을 일으키는데, 즉 용융 슬래그(98)가 점토(92)의 내면에 침전되고, 슬래깅 표면으로의 열전달이 대류 및 열 복사에 의해 일어나고, 유동하는 과열 가스(94)는 내면을 따라 액체 슬래그의 일부를 공기 역학적으로 견인 및 전단하고, 중력은 액체 슬래그를 내면의 최하부 지점으로 이동시키는 원인이 되고, 냉각제로의 열전달이 슬래그를 또한 점토(92)상에서 동결된 슬래그층(96)을 형성하게 하고, 그리고 지역적 열 전달은 액체 슬래그(98), 동결 슬래그(96) 및 내화 점토(92)의 조합을 지역적 열 유속(heat flux)을 수용하는 두께로 조절한다. 시간이 경화할때, 본래의 내화 점토는 고체 및 액체 슬래그층에 의해 부분적으로 또는 완전히 대체된다. 따라서 냉각제 통로벽(90)은 열적 보호를 받고, 동시에 벽(88,90)으로 형성된 냉각제 통로는 산성 혼합물의 응축을 방지하며 부식을 최초로 줄이기 위하여 이상적인 온도에서 작동한다. 더우기, 유동하는 용융 슬래그(98)는 벽면(90)의 열 보호에 어떠한 손실이 있을때 치료 및 보충하기 위한 절연체의 공급원을 제공한다.
냉각제 유동(86)은 약 162.8 내지 315.6℃(약 325℃ 내지 600℉)의 온도 범위에서 유지된다. 162.8℃ 이상으로 작동하면 표면(90)의 산성 부식을 최소로 줄인다. 315.6℃ 이하에서 유지하면 황화 수소 부식을 방지한다. 물은 냉각제로써 양호하게 이용된다. 미조리 프린트 크레이는 완강하게 부착시키기 위해 전형적인 슬래그를 위한 예비 표면(92)을 제공하는 것으로 알려져 있는데, 따라서 여기에 설명한 장치는 점토층(92)이 초기에 냉각제 통로면(90)에 적절하게 접합되어 유지되어 있는 한 열 보호의 어떠한 손실에 관심을 두지 않고 시동 및 중단될 수 있다.
제6도는 내화재 및/또는 슬래그를 안전하게 유지하는 양호한 벽구조 및 배치를 도시한다. 냉각제 통로면(90,88)은 냉각제 유동(86)이 통과하는 원통형 금속 튜브의 내면 및 외면이다. 통로면(90)에 용접에 의해 부착되는 스터드(100)는 약 2.22cm(7.8인치)로 이격된 열(row)로서 냉각제 통로 길이를 따라 공칭 3.17cm(1.25인치) 중심에서 갈짓자로 되어 있다. 희생 점토(92)는 초기에 스터드 패턴 주위에 형성된다.
또한 제6도는 예비 연소기(12), 일차 연소실(14) 및 슬래그 회수실(16)의 제한벽에서 이용된 튜브-막구조를 도시한다. 표면(88,90)이 만들어져 있는 각각의 튜브는 직경 중간에서 완전 관통 용접에 의해 다음의 튜브에 막(102)과 함께 결합된다. 튜브-막 구조는 슬래그 및/또는 내화재의 열 보호에 지역적 손실이 있을지라도 적합한 벽 온도를 유지한다.
일차 연소실(14)의 영역(70)에서 연소의 점화 및 안정성은 외부 과열식 연료 분사기(externally-hot fuel injector)를 이용함에 의하여 강화되는데, 이의 실예가 제7도, 제7a도, 제8도, 제8a도에 도시되어 있다. 과열된 외부는 일차 분사기 조립체를 슬리브(104) 내에 배치함에 의해 달성된다. 제7도 및 제7a도에 도시한 바와 같이, 분사기는 응집 상태의 분말 석탄을 운반 기체로 공급하기에 적합한 동축의 장치이다. 제8도 및 제8a도에서, 분사기 조립체는 액체 예를 들어, 석탄-물 슬러리내에 떠 있는 탄소질 입자를 위한 분무기(atomizer)이다.
제7도, 제7a도, 제8도 및 제8a도를 참고하면, 슬리브(104)는 종단면이 도시되고, 분사기는 부분 단면이 도시되어 있다. 슬리브(104)에는 제8도에 도시한 바와 같이, 사각형 홈(106)이 파여질 수 있고, 이는 실리브(104)상에서 원형 핀(fin)을 형성한다. 다른 방법으로서 핀(pin)(108)이 제7도에 도시되어 있다. 슬리브(104)는 핀를 노즐(110) 또는 분무기(112)를 슬리브(104)내로 활주시키기 위하여 약 6.35mm(0.25인치)의 틈새를 가지도록 제작된다 .슬리브(104)의 단부는 핀틀 노즐(110)의 분사구(114) 또는 분무기(112)의 포트(116)에서 약 6.35mm 내지 25.4mm(0.25 내지 1.0인치)에 이르는 범위내에 위치하게 되고, 이 오리피스 또는 포트를 통해 미립 연료 및 운반 유체가 유동한다. 제8도를 참고하면, 사각형 홈(106)은 6.35×6.35mm(0.25×0.25인치)의 공칭 차원에 속하는 것이 바람직하다. 슬래그는 실리브(104)의 표면에 있는 홈(106) 내부에서 또는 제7도에 도시한 바와 같이 핀(108) 주위에서 동결층을 형성한다. 용융 슬래그는 실리브(104)의 단부를 향하여 축방향에서 공기 역학적으로 견인되고, 일차 연소실(14)에서 영역(70)으로 분사하여 연소를 강화하는 연료 분사점에서 과열 경계층을 만든다.
제7도 및 제7a도는 핀틀 노즐(110)의 통상적으로 단면을 도시한다. 미립 탄소질 물질 및 운반 유체는 환형 덕트(116)를 경유하여 분사기 조립체로 들어가고, 분사구(114)에서 표면(118)을 따라 약 60도의 분사 각도로 배출한다. 분사기 조립체 전체가 단부벽(26,30)내에 위치한다. 유동하는 미립 탄소질 물질 및 운반 유체의 불필요한 고결화(caking) 및 타르화(tarring) 효과를 방지하기 위하여 영역(38,70)의 열에 노출된 상태하에서, 과열 반응 환경내에 있는 분사기 노즐(110,112)을 내부에서 냉각할 필요가 있다. 제7도를 참고하면, 냉각제를 공급관(130) 및 귀환관(132)을 사용하여 덕트(116) 외부의 통로(124)와 헤드 매니폴드(128)에 의해 제공된다. 외부 환경과 영역(28,70)과의 사이는 어떤 적절한 조절 수단에 의해 밀폐가 조절되는 적절한 누르게 밀봉 수단(도시되지 않음)에 의해 밀봉된다.
제8도 및 제8a도를 참고하면, 분무기(112)는 분무 상태로 슬러리 연료를 주입하기 위해 사용될 수 있다. 영역(38,70)내에서 슬러리의 분사점에 가까운 곳에서 분무기의 작동과 연소의 보존은 분무기체, 보통 공기와 같은 산화제의 사용에 따라 정해지는데, 이 기체는 슬러리 유동에 대해 거의 수직 방향으로 슬러리를 교차하고 또, 슬러리와 혼합되어 분무되어서 분사기로부터 분출되는 즉시 분무된 입자들의 급격한 팽창을 달성하게 된다. 이것은 분사기 주변에 바로 접한 곳에서 연소를 촉진시킨다.
분무기(112)는 슬리브(104)내에 유지된다. 슬러리는 분무기(112)로부터 사출 방향에 거의 수직인 축선을 따라 도관(137)을 통해 분무기로 주입된다. 도관(134)을 통해 주입된 보통 공기와 같은 산화제인 분무하는 운반 기체는 포트(136)로부터포트(138)까지 슬러리의 이동지점에 거의 수직인 방향에서 교통하는 포트(136,138)의 접합부에서 슬러리를 교차한다. 이런 교차가 영역이 축선에 대해 거의 직각에서 실러리를 전단하며 영역(38 또는 70)내로 실리브를 분무시킨다.
주입된 실러리는 원추형 돌출부(140)에 의해 사출 포트(136)와 이어지는 다수의 도관(135)으로 방향이 전환된다. 사출 포트(138)는 전단하는 기체유입을 고려하여 짝짓기 포트(136)보다 더 큰 직경으로 최대 상태로서 약 5도의 발산각도로서 유동 방향에서 약간 발산된다. 물과 같은 냉각제는 도관(143)을 거쳐 매니폴드(142)에 공급되어서 도관(144)을 통해 귀환된다. 이것은 분무기(112)의 헤드를 보호한다. 제7도, 제7a도 및 제8도를 참고하면, 슬리브(104)는 도관(146)을 통해 들어가서 도관(148)을 통해 나오는 물과 같이 유체에 의해 독립적으로 냉각된다. 이것은 핀틀 및/또는 분무기를 보호하고 또 실리브(104)의 외면에서 동결 슬래그의 층을 안전하게 한다. 분사구(114)와 포트(136)의 곡선을 통과하는 통상적인 분사 속도는 15.24 내지 61m/s(50 내지 200fps)에 속한다. 유동 방향의 변화를 일으키는 텅스텐 카바이드, 탄탈륨 카바이드 또는 동등한 내마모성 물질로 형성된 표면을 이용함을써 적절한 수명을 얻는다.
제7도, 제7a도, 제8도 및 제8a도에 도시된 외부 과열식 연료 분사기의 구조, 작동 및 장점은 명칭이 "외부 과열식 연료 분사기를 가진 슬래깅 연소기"인 계류중인 특허출원(문서 번호 제31,0113호)에 상세히 설명되어 있는데, 이 출원은 본원과 동시에 출원되었고 동일한 양수인에게 양도되었고, 참고로 본 명세서에 합체되어 있다. 또한 참고로 합체된 출원인 명칭이 "슬래깅 연소기의 황제거"인 동시 계류중인 특허출원(문서번호 제31-0143호) 및 명칭이 "탄소질 슬러리 연소기"인 특허출원(문서 번호 제11-0304호)이다. 장치의 주요 문제가 본 발명와 어떻게 관련되어 사용될 수 있는지 더 상세히 이해하기 위해서는 상기 계류중인 출원을 참고할 수 있다.
제9도는 제5도 및 제6도의 튜브 및 막 냉각 시스템을 약간 상세히 도시하고 특히, 예비 연소기(12)를 일차 연소실(14)에 연결하는 구조적 배열을 도시한다. 일차 연소실(14)로 흘러가는 산화제 유동의 속도 및 질량 유량을 제어하는 댐퍼판(60,62)은 적절한 작용기(150) 및 모터(152)에 의해 구동된다. 댐퍼판은 예비 연소기(12)로부터 일차 연소실(14)로 산화제 분류를 주입시키기 위해 사각형 구멍(58)을 형성하도록 내부 및 외부로 구동된다.
본 발명에 내포된 설계 원리는 다양한 동력 레벨을 예비 계수하는 수단을 제공한다. 반응 과정은 공기 역학적 원리가 제어하는, 필수적으로 격렬한 체적을 연소하는 과정이기 때문에, 산화제 유입 속도를 최소로 조절하면서 유동 단면적을 이용하여 치수 결정이 달성된다. 기본적인 계수 관계는 아래와 같다.
1. 예비 여소기, 일차 연소실 및 슬래그 회수실의 단면적:
Figure kpo00001
2. 길이 대직경 조건. L/D:
즉, 동력 용량이 더 큰 치수를 계수할 때 동력 용량은 대략 원통형 연소실의 직경의 제곱과 같이 증가한다.
예비 연소기 3:1
일차 연소실(1.5 내지 2):1
3. 일차 연소실에 대한 배플 면적비(2 내지 4):1
상기 관계들은 하드웨어 실시 조건에 의해서만 조절된다.
오하이오 #6,200메시 석탄을 이용하는 공칭. 14655kw(50×106BTU/hr) 유닛에 대해 하드웨어의 치수를 정하는 통상적인 결과는 아래와 같다.
예비 연소기
직경 43.18cm(17인치)
길이 139.7cm(55인치)
일차 연소기
직경 86.36cm(34인치)
길이 152.4cm(60인치)
유입구 63.5×25.4cm(25×10인치)
배플 구멍 43.500cm(17.125인치)
배플 열쇠 구멍 폭 7.62×높이 21.380cm(3×8.417인치)
슬래그회수실
직경 86.36cm(34인치)
길이 152.4cm(60인치)
슬래그 탭 45.72cm(18인치)
동등한 출구 직경 76.2cm(30인치)
전술한 치수의 연소 장치에 대해서, 사용된 석탄은 200메시를 통과하는 80%가 바람직하다. 더 큰 용량으로 제작된 장치에 대해서는, 본 발명의 전술한 여러 장점을 실현하면서 다수 굵은 연료를 사용할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예를 설명하겠지만, 본 발명을 벗어나지 않고 여러가지 변경이 가능하며, 따라서 모든 변경 및 수정은 본 발명의 진정한 정신 및 범위내에 속할 것이다.

Claims (22)

  1. 연소 영역에서 탄소질 연료를 연소시키고 연료내에 존재하는 불연소물을 연소의 기체 생성물로부터 분리하기 위한 장치로서, 여기서 연소 영역은 슬래그층을 벽 내면에서 보류하도록 하는온도에서 견디는 벽을 가지는 연소실(10)로서 둘러싸이고, 산화제는 상기 내면에 인접한 연소실의 환형부내에서 산화재 및 연소 생성물로 구성된 혼합물의 고속 휠링 유동을 확립 및 유지하는 방법에 따라 상기 연소실로 보내어지고, 탄소질 연료는 산화제에 비해 비교적 저속적에서 그리고 실제적인 연소 영역(38)내에서 비교적 연료가 풍부한 화학량을 유지하는 방법 및 방향에 따라 상기 연소실(10)내로 주입되고, 산화제 입력율에 관한 연료 입력율은 연료에 포함된 탄소의 재부분이 탄소 산화물로 변환되고 연료내에 존재하는 불연소물의 대부분이 용해되어 액체 슬래그로써 존해하는 침전됨으로써 연소의 기체 생성물과 분리시키는 범위내에서 유속 및 연소 온도를 유지하도록 조절되는 것으로 이루어진 연소 장치에 있어서, (a) 상기 연소실(10)로부터 연소의 기체 생성물을 수령하며 상기 생성물로부터 잔류 불연소물을 용융 슬래그의 형태로서 회수하고, 그러한 용융 슬래그를 분리하여 배치함으로서, 관련된 열 이용 설비로 공급하기 위해 비교적 슬래그가 없이 연료가 풍부한 기체생성물을 제공하기 위해 이화학량론적으로 작동하도록 되어 있는 슬래그 회수실(16,18)과, (b) 상기 슬래그 회수실로부터 비교적 슬래그가 없는 기체 생성물을 관련된 열 이용 설비(72)로 전달하는 수단(77)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  2. 제1항에 있어서, 연소실(10)내로 주입하는 산화제를 예열하는 수단과, 그러한 생성물이 관련된 열이용 설비(72)로 들어갈 때 기체 생성물에 추가의 산화재를 첨가하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  3. 제1항에 있어서, 공기 및 연소 생성물의 산소가 풍부한 예열된 혼합물을 상기 연소실(10)내로 주입하는 예비 연소기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 예비 연소기의 화학량수는 연소실(10)로 흘러가는 예비 연소기의 생성물의 속도 및 질량 유량에 관계없이 제어될 수 있고 그리고 탄소질 연료가 연소실로 주입되는 속도 및 질량 유량에 관계없이 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  5. 제3항에 있어서, 예비 연소기의 출력 분류의 온도는 연소 영역에서 안정된 연소를 최적 상태로 하기 위하여 약 648.9에서 1093.3℃(1200℉에서 2000℉)의 범위내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  6. 제3항에 있어서, 예비 연소기는 헤드 단부 및 출구 단부를 가지는 기다란 원통형 예비 연소실과, 미립 탄소질 연료를 예비 연소실내로 주입하기 위해 헤드 단부 중신 부근에 위치한 연료 분사기와, 산화제를 예비 연소실로 주입하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 연료는 운반 유체내에서 부유하는 미립 탄소질 물질을 포함하고, 또한 상기 장치는 예열된 산소가 풍부한 혼합물을 약 648.9℃에서 1093.℃(1200℉에서 2000℉)의 범위내에 있는 온도를 가지는 분류의 형태로서 연소실로 주입하는 수단과, 운반 유체 무게에 대한 연료 무게의 비를 조절함으로써 불연소물의 재용해 온도(ash-fusion temperature)보다 더 높지 연소 온도를 유지하는 방법에 따라 연소실내에서 연소를 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  8. 제1항에 있어서, 연소실(10)로부터 나온 생성물 및 용융 슬래그를 슬래그 회수실(16,18)로 보내기 위해 연소실과 슬래그 회수실 사이에 위치한 구멍난 배플을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구멍난 배플은 대략 열쇠 구멍 모양의 구멍을 만들고, 상기 구멍을 통해 연소의 기체 생성물이 고속 와류 분류의 형태로서 연소실로부터 슬래그 회수실로 지나가며 또 용융 슬래그는 상기 슬래그 회수실로 더욱 천천히 흘러가는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  10. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 연료는 기본적으로 석탄 입자의 대부분이 평균 직경이 150미크론 보다 작게될 정도로 분쇄된 석탄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  11. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 탄소질 연료는 연소실의 한 단부의 중심 부근으로 주입됨에 의하여 연소 영역에서 종방향으로 연장한 중앙부에서 비교적 연료가 풍부한 연료 및 연소 생성물의 혼합물을 만드는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  12. 슬래그 연소 영역에서 탄소질 연료를 연소시키고 연료내에 존재하는 불연소물을 연소의 기체 생성물로부터 분리하기 위한 방법으로서, 여기서 연소 영역은 슬래그층을 벽 내면에서 본류하도록 하는 온도에서 견디는 벽을 가지는 연소실로 둘러사이고, 산화제는 상기 내면에 인접한 연소실의 환형부내에서 산화제 및 연소 생성물로 구성된 혼합물의 고속 휠링 유동을 확립 및 유지하는 방법에 따라 상기 연소실로 보내어지고, 탄소질 연료는 산화제에 비해 저속도에서 그리고 실제적인 연소 영역의 내에서 비교적 연료가 풍부한 화학량을 유지하는 방법 및 방향에 따라 상기 연소실내로 주입되고, 산화제 입력율에 관한 연료 입력율은 연료에 포함된 탄소의 대부분이 탄소 산화물로 변화되고 연료내에 존재하는 불연소물의 대부분이 용해되어 액체 슬래그로써 침전됨으로써 연소의 기체 생성물과 분리시키는 범위내에서 유속 및 연소 온도를 유지하도록 조절되는 것으로 이루어지는 연소 방법에 있어서, (a) 상기 연소 영역으로부터 나오는 연소 생성물을 슬래그 회수 영역으로 흐르게 하며 이 영역으로부터 관련된 열 이용 설비로 유동시키는 단계와, (b) 상기 생성물로부터 융용 슬래그의 형태로 된 잔류 불연소물을분리함으로써 상기 열 이용 설비로 공급하기 위해 비교적 슬래그가 없는 기체 생성물을 제공하는 단계와, (c) 슬래그 회수 영역내에서 이화학론적 상태를 유지함으로서 질산화물의 형성을 최소로 줄이는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  13. 제12항에 있어서, 생성물이 관련된 열 이용 설비로 들어갈 때 비교적 슬래그가 없는 기체 생성물에 추가 산화제를 첨가하는 추가 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  14. 제12항에 있어서, 기체 생성물이 관련된 열 이용 설비로 들어간 후 그러한 생성물과 추가 산화제를 혼합하는 단계를 더 포함하고, 상기 추가 산하제는 기체 생성물내에 포함된 일산화탄소 및 수소를 거의 모두 완전 연소시키기에 충분한 질량 유량으로 제공되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  15. 제12항에 있어서, 연소 영역으로 주입되는 산화제를 예열하는 추가 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  16. 제12항에 있어서, 연소 영역으로 향하는 산화제는 공기 및 연소 생성물의 산호가 풍부한 예열된 혼합물인 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 산화제 예열 단계는 헤드 단부 및 출구 단부를 가지는 기다란 원통형 예비 연소실에서 예비 연소실 헤드 단부의 중심 부근으로 연료를 분사하고,연료의 연소를 위해 예비 연소실로 산화제를 주입하고, 그리고 연소실에서 안정된 연소 상태를 제공하기 위해 약 648.9℃에서 약 1093.3℃(1200℉에서 2000℉)의 범위내에서 에비 연소기 출력 분류의 온도를 조절함에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  18. 제12항에 있어서, 연소 영역으로 향하는 산화제의 평균 온도는 산화제의 질량 유량 및 속도에 관계없이 제어되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  19. 제12항에 있어서, (a) 연소 영역에서 향한 산화제의 온도를 약 648.9℃ 내지 약 1093.3℃(1200℉에서 2000℉)의 범위내에서 유지하고, (b) 탄소질 연료가 연소 영역으로 주입될 때의 질량 유량은 탄소질 연료의 불연소성 구성물이 재용해(ash-fusion)온도 보다 높은 연소 온도를 연소 영역에서 유지하도록 산화제 질량 유량에 곤하여 조절되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  20. 제12항에 있어서, 연소 영역내의 연소 온도는 연소 영역에서 생겨난 용융 슬래그가 연소의 기체 생성물과는 분리하여 흐르면서 비교적 저속 분류의 형태로 연소 영역에서 용융 슬래그를 제거할 수 있게 하는 충분히 낮은 점성을 가지도록 만드는 그러한 온도 범위내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  21. 제12항에 있어서, 슬래그 회수 영역을 통해 흐르는 기체 생성물 온도는 탄소질 연료의 불연소성 구성물의 재용해 온도 보다 더 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
  22. 제10항에 있어서, 탄소질 연료는 연소실의 한 단부의 중심 부근으로 주입됨에 의해 연소 영역에서 종방향으로 연장한 중앙부에서 비교적 연료가 풍부한 연료 및 연소 생성물의 혼합물을 만드는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
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