KR950012566B1 - 외부과열식 연료분사기를 가진 슬래깅 연소장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

외부과열식 연료분사기를 가진 슬래깅 연소장치

[도면의 간단한 설명]

제 1 도는 유출액 소비로(effluent-consuming furnace)에 관하여 슬래깅 연소 시스템의 배치를 도시한 사시도.

제 2 도는 제 1 도의 슬래깅 연소 시스템의 예비 연소장치의 도면.

제 3 도는 용융 실리브를 수집하여 기체 생성물을 최종 용도 장비로 보내는 관련된 장치와 함께 본 발명이 유리하게 사용되는 일차 연소실의 도면.

제 4 도는 본 발명에 의한 외부 과열식 분사기 조립체의 양호한 실시예의 상세도.

제 5 도 및 제 5a 도는 다른 실시예의 도면.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

액체 또는 기체와 같은 운반 유체(carrier fluid)로 주입된 석탄과 같은 미립 탄소질 물질(particulatecarbonaceous material)의 연소를 위한 개량된 슬래깅 연소 시스템(slagging combustion system)에서, 가능한 신속하게 점화를 달성하고, 연료 주입점에서 또는 그 부근에서 화염 전선(flame front)을 유지하는 일이 중요하다. 그렇지 않으면 점화 지연이 일어날 것이며, 또한 슬래깅 연소 장치내의 잔류 시간이 수백 밀리초 내에 속하기 때문에, 연소 불안정이 발생하거나 또는 탄소 입자가 연소되어 기체 부산물로 변환되기 전에 연료 입자가 연소실에서 빠져 나갈 수 있는 기회가 더 많아진다. 또한, 화염 전선이 분사점에서 너무 멀리 있으면 화염이 불안정해지는 경향이 있다.

상술한 슬래깅 연소 시스템에서 분사기 조립체는 연소실 내에 삽입되어 있다. 활성 연소가 분사기 즉, 분무기 또는 핀틀 노즐(pintle nozzle)의 오리피스에서 또는 그 부근에서 발생한다. 분말 석탄의 응집반응 및/ 또는 부분 탄화와 이로 인한 분사기 조립체의 막힘을 회피하기 위하여, 분사기 조립체는 보통 유체 냉각된다. 분사기의 유체 냉각은 내구성 및 신뢰성을 증가시키지만, 그러한 냉각은 또한 분사기를 둘러싸고 있는 산화제, 연료 및 연소 생성물의 혼합물을 냉각하는 경향이 있다. 이러한 경향은 연소에 악영향을 미친다. 다량의 물이 연소 장치 내로 분사되어서 기화를 필요로 하는 곳에서 석탄-물 슬러리(coai-waterslurry)의 사용으로 인해 문제가 더 악화되지만, 다량의 물은 또한 미립석탄이 운반 기체에 의해 유동화되어 주입될 때는 중요하다.

이런 종류의 고출력-고밀도 연소 시스템에서, 연료 분사기는 649 내지 1093℃(1200 내지 2000℉)에 속하는 온도에서 산화제, 연료 및 연소 생성물의 혼합물에 잠겨 있다. 그러나, 분사기는 분사기 통로의 심한 응집, 탄화 또는 막힘을 초래함이 없이 분사기 통로를 통해 연료가 흐를수 있는 충분히 낮은 온도에서 작동하여야 한다. 동시에, 양호한 화염 안정성과 지속적인 낮은 질산화물 연소(low-NOx combustion)를 위해서, 분사기 조립체 부근의 연소 혼합물은 다소 균일한 작동 온도에서 유지되어야 한다. 따라서 본 발명의 기본 목적은 주위 공간에서 연소를 크게 금지 또는 지연시키지 않으면서 분사기를 비교적 냉각 상태로 유지하는데 있다.

본 발명은 주위의 연료 및 기체의 혼합물에서 분사기에로 열에너지의 전달을 최소로 줄이는 차단벽(barrier)을 제공함에 의하여 상기 목적에 부합한다. 차단벽은 인접한 기체의 냉각으로부터 분사기를 보호하고, 잠재적으로 피해를 주는 열흐름(thermal flux)으로부터 분사기를 보호한다.

[발명의 요약]

기다란 연소 영역에서 미립 탄소질 물질의 연소를 위한 과정의 개량을 제공하고 있다. 연소 영역은 단부벽을 가지는데, 이 벽으로부터 연료 분사 조립체가 회전하여 축방향으로 유동하는 가열된 산화제 유동계(oxidant flow field)내로 연장한다. 연소는 연료에서 보통 고체의 비연소성 성분으로부터 용융 슬래그를 형성하게 만든다. 용융 슬래그는 연소실의 내면을 따라 흐르는데, 만일 노즐의 외면이 비교적 냉각되어 있으면, 노즐 외면에 아주 근접한 곳에서의 연소는 금지되고 지연된다.

개량은 경화 및 응용 슬래그의 층을 유지하고 이에 의해 주위 기체의 냉각을 회피하도록 절연시키는 외부 실리브형 요소를 가지는 분사기 조립체를 제공하는 것으로 되어 있다. 이 실리브는 용해하여 흐르는 모양으로 슬래그를 유지하고, 슬래그는 슬리브와 봉쇄된 분사기의 밀접한 곳에서 미립 연료의 안정된 연소를 유지하는 가열 영역을 실리브 주위에 제공하기 위하여 실리브로부터 유동계내로 배출된다. 분사기 조립체는 이 조립체내에서 종방향으로 유체가 흐름에 의해 냉각된다.

바람직하게도, 분사기 조립체의 슬래그 유지부분은 노즐 본체와 결합하는 제 1 내면과 제 1 외면을 갖추고 있는 제 1 신장도관과, 제 2 내면과 상기 제 1 외면에서 환형으로 이격된 제 2 외면을 갖추고 있는 제 2 신장도관을 구비하는 슬리브형 부재이다. 단부벽은 제 1 신장도관 및 제 2 신장도관과 결합한다. 이것은 제 1 도관과 제 2 도관 사이에서 환형 유체 유동 채널을 제공한다. 단부벽은 노즐의 분사 오리피스 또는 슬롯에 인접하게 위치하도록 되어 있다. 벽들은 상기 환형 유체 유동 채널을 유입관과 유출관으로 분할한다. 리브 또는 핀들은 제 2 외면에서 외향으로 돌출하고, 외면에서 슬래그와 결합 및 유지하여, 용융 슬래그가 경화 슬래그의 외부를 따라 연속적으로 흘러가도록 충분한 절연(insulation)을 제공하는 경화 슬래그의 자연 치료층(self-healing layer)을 형성한다. 이러한 용융 슬래그는 주위의 연료 및 기체의 혼합물과 거의 같은 정도로 높은 온도에서 유지된다. 그러므로, 이러한 유지는 분사기 조립체와 이 조립체의 연료 분사 단부의 아주 가까이에서 연소를 용이하게 한다.

[상세한 설명]

본 발명은 액체 또는 기체인 운반 유체에 의하여 운반된 고체 입자의 농밀한 상태의 유동 분류의 형태로서 연소 장치로 공급된 미립 탄소질 물질을 효율적으로 연소하기 위한 간결한 연소 장치 및 시스템의 개량에 관한 것이며, 여기서 연료의 비연소성 성분은 용융 슬래그의 형태로서 가능한 최고의 레벨로 제거된다. 시스템의 기본적인 개량은 점화가 발생하여 유동학적 유동계에서 연소가 계속되는 상태하에서, 미립 탄소질 물질을 미리 가열된 산화제, 통상 공기와 결합할 수 있게 하는 방법 및 장치를 협력하여 사용함에 의해 만들어진다.

본 발명의 개량은 탄소질 연료의 용적을 분사하는데 사용된 분사기 조립체를 외부와 절연시키는 경화 슬래그 및 반용융 슬래그의 층들을 인접하게 유지하는 시스템에서 존재하는데, 이는 후술될 것이다. 이것은 연료 분사기의 아주 가까이에서 확실하고 지속적인 연소를 안정화시키고 강화시킨다.

A. 슬래깅 연소 시스템

먼저 제 1 도, 2 도 및 3 도를 참조하면, 슬래깅 연소 시스템(10)은 예비 연소실(12), 일차 연소실(14) 및, 슬래그 수집 유닛(18)과 관련된 배출실(16)을 구비한다. 제 1 도에 도시한 바와 같이, 소모해야 할 미립 탄소질 연료의 용적은 저장소(20)로부터 라인(22)을 거쳐 일차 연소실(14)로 공급된다. 보통 총공급량의 약10% 내지 25%가 노즐 조립체(24)에 의해 예비 연소실(12)로 공급된다.

제 1 도는 시스템의 일반적인 배치를 사시도로 나타내는 반면, 여러 보조 시스템을 위해 현재 양호한 구조가 특히 제 2 도 및 3 도를 참고하여 설명될 것이다.

예비 연소실(12)의 기능은 일차 연소실(14)로 공급하기 위한 산화제, 통상 공기를 조절하는 것인데, 일차 연소실에서 미립 탄소질 물질의 일차 공급이 아화학량론적(substoichiometric) 슬래그 형성 상태에서 연소된다.

본 발명에서 사용된 "미립 탄소질 물질(particulate carbonaceous material)"이란 용어는 기체 또는 액체운반체 내에 분산된 연료원으로써 제공될 수 있는 탄소 함유 물질을 뜻한다. 대표적인 탄소질 물질은 다른것들 중에서 석탄, 목탄, 고체-폐물 재생 작업에서의 유기 잔류물, 기체 또는 액체에서 분산될 수 있는 타르질 오일등을 포함한다. 필요로 하는 모든 것은 일차 연소실에서 소비되어야 할 탄소질 물질이 운반 기체 또는 액체와는 분리된 입자로써 챔버내에서 분산되어야 한다는 것이다. 탄소질 물질이 제공되는 가장 전형적인 형태는 석탄이고, 본 발명은 운반 유체로써 물 또는 공기를 이용하여 석탄의 연소에 관하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명에서 사용된 "산화제(oxidant)"란 용어는 산소 기체원을 뜻하고, 양호하게는 공기 또는 산소가 풍부한 공기를 뜻한다.

산화제의 프리컨디셔닝(preconditioning)은 원통형 모양이 이상적인 간결한 예비 연소실에서 달성되는데, 이 연소실내에 제 1 기 산화제가 공급된다. 이러한 제 1 기 산화제는 미립 탄소질 물질의 소량과 혼합하도록 연소 공기 유입구(26)로 공급되고, 이에 의해 예열된 산화제 분류를 연소 생성물과 혼합시켜 일차 연소실(14)로 공급하게 된다. 단위 시간당 연소되어야 할 총 연료중 약 10% 내지 25%가 예비 연소실(12)로 공급된다. 예비 연소실(12)의 양호한 실시예는 본 출원인에게 양도되어 동시에 출원되고, 지금은 포기된 계류중인 특허출원 제670,417호에 상세히 기술되어 있다.

예비 연소실(12)에서 발생된 가열된 산화제 및 반응 생성물은 배출구(30)를 통해 접선 방향에서 양호한 원통형 모양의 일차 연소실(14)로 이동한다. 사각형 배출구는 길이 대 높이의 비가 2.5 대 1이다.

사각형 배출구(30)의 중심은 양호하게는 단부(34)에서 측정하여 일차 연소실(14)의 길이의 약 1/3 내지 1/2의 거리에 있는 지점에 위치한다. 그 장소에서, 예비 연소실로부터 산화제 및 반응 생성물은 원통형 일차 연소실(14)내에서 유동계의 휠링 운동(whirling motion)을 초래할 뿐만 아니라, 제 3 도에 도시한 바와같이, 예비 연소실로부터 흐르는 산화제 및 반응 생성물은 2개의 동일한 2차 유동으로 분할되는데, 하나의유동은 일차 연소실(14)의 헤드 단부(34)를 향하여 벽을 따라 나선상으로 훨링하고, 다른 유동은 구멍난 배플(apertured baffle)을 향하여 일차 연소실의 벽을 따라 나선상으로 이동한다. 헤드 단부에서의 유동은 헤드 단부에서 내부로 돌아가고, 그리고 연료 분사기(40)의 주위를 나선형으로 회전하면서 일차 연소실의 구멍난 배플(36)을 향하여 축방향에서 뒤로 돌아간다. 일차 연소실의 구멍난 배플(36)은 수냉식 배플판인데, 이 판은 일차 연소실의 중심선에 대해 수직으로 위치하고 중앙에 위치한 구멍(38)을 가지며, 이 구멍의 직경은 일차 연소실의 직경의 최소한 약 50%이다.

탄소질 연료의 나머지와 주요부분은 헤드 단부(34)에서 연료 분사기(40)를 통해 일차 연소실(14)내로 유입되는데, 이 분사기는 일차 연소실(14)의 중심선을 따라 양호하게 배치된다. 따라서, 분사기(40)는 연료를 동반한 유체를 일차 연소실의 중심선에 관하여 약 45도 내지 약 90도의 총 각도에서 놓여 있는 대체로 회전하는 가스 유동계내로 원추형 유동 패턴으로서 유입시킨다. 분사기(40)는 헤드 단부(34)에서 일차 연소실(14)내로 들어가서 배출구(30)의 헤드 단부 모서리의 상류측에 있는 지점까지 삽입된다. 본 발명에 의해, 상기 연료 분사기(40)는 주위 가스로부터 최소량의 복사열 에너지를 흡수함으로써 연료 분사점에 인접한 곳에서 신속한 점화와 안정된 연소를 보장하도록 고온의 외면을 유지하는 구조로서 설계, 제작 및 적용되어 있다.

예비 연소실의 산화제와 예비 연소 생성물중에서 일차 연소실(14)의 헤드 단부(34)를 향하여 유동하는 부분은 헤드 단부의 총화학량의 약 0.4 내지 약 0.5를 초기 점화 및 연료가 많은 반응 영역에 공급한다. 기체성 예비 연소 생성물은 용융 슬래그의 방울을 운반하는데, 이 방울이 모여서 예비 연소실(14)의 헤드 단부의 내면상에서 반용융 절연층(semi-molten insulative layer)을 형성한다. 제 3 도에 도시한 바와 같이, 원추형 분사 패턴과 마찬가지로 회전하는 유동계는 미립 탄소질 연료를 일차 반응기의 벽을 향하여 대체로 외향 경로로서 이동시킨다. 다량의 가연물은 가열된 산화제 유동계를 통해 비행하면서 소비되고, 반응열의 형태로서 에너지를 방출하며 또한 만들어진 반응 생성물과 지역적으로 남은 산화제를 가열시킨다. 자유로이 비행하는 탄소질 고체 입자에도 배출구 배플(36)을 향해 축운동이 주어지며, 그러한 축운동은 헤드 단부의 산화제의 귀환 축유동에 의해 부여된다. 작동시에 연료에 포함된 실제로 모든 탄소는 비행시에 소비된다. 소비되지 않은 어떤 탄소는 연소성 숯(char)으로서 일차 연소실(14)의 벽에 도달하여 이 벽(42)에서 계속 소비된다. 회전하는 유동계는 용융된 비가연물을 일차 연소실의 벽으로 원심력으로서 운반한다.

특히, 연소과정은 고체의 신속한 가열을 통해 발생된다. 이것은 고체의 연소성 부분에서 휘발성 반응 생성물을 기체화시켜서 총가연물의 약 50% 내지 약 80%를 추출시킨다. 나머지 고체들은 반드시 고체 숯으로서 연소된다. 추출된 휘발성분은 연소하여 가스와 같이 반응한다.

일차 연소실의 헤드 단부에서 발생된 연료가 풍부한 가스는 대체로 휠링 운동이 유지되는 동안 일차 연소실의 배출구 배플(36)을 향하여 유동한다. 통상적인 체적에서, 평균 축류 속도는 약 24.4 내지 약 30.5ml초(80 내지 100fps)이다. 따라서, 예를 들어 1.52m(5피트)의 연소실에서, 통상적인 입자는 약 40 내지 80밀리초의 체류 시간으로 연소실의 길이를 따라 횡단하고, 분사된 연료의 거의 모든 탄소 함량이 수백 밀리초보다 작은 체류 시간내에서 그리고 기체성 연소 생성물이 연소실에서 구멍난 배플(36)을 통해 배출되기전에 탄소 산화물로 변환된다. 내부 유동, 혼합 및 반응은 배플 구멍(38)의 중심에서부터 일차 연소실(14)의 중심선을 따라 헤드 단부(34)를 향해 유동하는 강한 이차 재순환 유동에 의해 일차 연소실(14)에서 더욱 강화된다. 상기 이차 유동은 예비 연소실의 유출 속도와 중앙 구멍(38)의 직경의 선택에 따라 제어된다. 양호하게도, 예비 연소실의 유출 속도는 약 100.6m/초(330fps)이고, 일차 연소실 직경에 대한 배플 구멍 직경의 양호한 비가 약 0.5이면 일차 연소실(14)내에서 점화 및 총연소의 제어 강화를 위해 이상적인 이차 재순환 유동을 만들어낸다.

유체의 휠링 운동은 그 접선 속도가 일차 연소실(14)의 벽에서 내부 방향으로 증가하도록 되어 있는데, 상기 증가는 출구 배플(36)의 반경에 대략 도달될때까지 계속된다. 내부를 향해 출구 배플(36)의 대략적인 반경에서, 접선 속도는 일차 연소실의 중심선에서 실제로 영의 값까지 감소한다. 일차 연소실의 벽에서 내부로 진행하면서 반경 방향으로 증가하는 접선 속도는, 배플 구멍의 대략적인 반경에 도달하는 지점까지 반경의 감소에 따라 대략 역비례로 변한다. 상기 지점에서 내부로 일차 반응기의 중심선까지 접선 속도는 영으로 소멸한다. 상기 반경방향 유동계는 축방향 유동계와 결합하여 분사된 고체 입자가 초기의 소비 행동에서 반경방향으로 가속될 수 있게 하고, 또한 동시에 연소된 크기가 10미크론 이하까지 내려가는 입자가 일차 연소실(14)의 벽을 따라 포함된 슬래그내에 자동적으로 포획될 수 있게 만든다.

분사기(40)의 노즐은 양호하게도 그 주변이 충분히 과열되어서 산포된 연료의 분사점을 향해 용융 슬래그를 외면을 따라 유동할 수 있도록 그렇게 제작된다. 슬래그는 산포된 연료 분사가 미치치 않는 지점에서 벗겨지고, 또한 헤드 단부에서 발생된 연료가 풍부한 가스의 격렬한 복사 및 점화의 중심에 추가의 작은점을 제공하므로, 분사에서 점화까지의 시간 손실이 최소로 줄어든다.

지적한 바와 같이, 일차 연소실의 화학량은 약 0.7 내지 약 0.9, 바람직하게는 약 0.7 내지 약 0.8에서 선택된다. 시스템을 조절하여 상기 범위내에서 일차 연소실(14)의 평균 화학량을 보유할때, 연료가 풍부한 가스는 충분하게 과열되어서 슬래그 연화 온도보다 충분히 높은 온도에서 용융 슬래그를 만들어 내므로 슬래그는 일차 연소실(14)의 벽을 따라 자유로이 유동할 것이다. 그러나 상기 온도는 증발된 슬래그 손실이 크게 발생될 정도로 높지 않아야 한다.

제 3 도에 도시된 바와 같이, 배출구 배플(36)을 포함하는 일차 연소실(14)의 제한벽은 양호하게도 수냉식튜브 및 막 구조(tube-and-mebrane construction)로 형성된다. 튜브 및 막 구조에는 슬래그 유지 스터드(도시되지 않음)가 더 장착된다. 제한벽은 초기에 내화 물질로 도포되는데, 이는 시스템이 준안정 상태하에서 연장된 기간동안 작동할때 부식되어서 경화 슬래그로 대체되는 경향이 있다. 작동시에, 용융 슬래그는 밑에 놓여 있는 경화된 슬래그층에 부착하고, 과다한 슬래그가 동결된 슬래그층을 따라 유동한다. 이러한 동결 및 용융 슬래그층은 튜브 및 막의 벽 구조에 주요한 열 및 화학적 보호 기능을 제공한다. 슬래그층은 일단 확립되면 오랜 작동기간중에 보호벽을 유지한다.

일차 연소실의 내부 슬래그 유동 패턴은 휠링 및 축류 가스의 공기 역학적 전단력과 중력에 의해 구동된다. 일차 연소실을 수평에 대해 약 15도의 각도로 경사지게 하면, 일차 연소실(14)내에서 배출구 배플(36)에 있는 열쇠 구멍같은 구멍(46)을 통해 만족할만한 슬래그 유동이 발생하여 슬래그 수집 유닛(18)으로 흘러간다.

길이 대 직경의 비가 보통 1.5 대 1 또는 2대 1인 일차 연소실과, 배플직경 대 일차 연소실 직경의 비를 0.5 대 1.0으로 제공하고, 또한 전술한 바와 같이 200메쉬 석탄을 실제로 충분한 자유비행 연소(free-flight burning)를 시키면, 불연소된 탄소의 손실이 전혀 발생되지 않는다. 또한, 우수한 벽-슬래그층의 유동 및 열전달 보호가 달성된다. 원료가 풍부한 화학량은 연료가 풍부한 가스에서 최소의 질산화 생성물을 산출하여 화학 반응을 포함한다.

슬래그 회수실(16) 및 슬래그 제거 보조 장치(18)의 상세한 구조 및 작동은 참고로 본 발명에서 합체되어 있으며 현재 포기된 출원 제670,417호에 특히 상세하게 기술되어 있다.

제 4 도 및 5 도를 참고하면, 분사기(40)는 분무기(atomizer)(54)를 사용할 수 있는데, 이는 물과 같은 액체에서 미립 석탄과 같은 슬러리의 분무에 특히 응용되고, 또는 참고로 여기에 합체된 부저(Burge)씨 등에게 허여된 미국 특허 제4,217,132호에 설명된 핀틀 노즐(56)을 사용할 수도 있다.

B. 과열-슬리브 분사기 조립체

대기압 연소 용도에 사용되든지 또는 고압 전자 유체 역학 분애(higher-pressure magnetohy-drodynamic applications)에 사용되든 관계없이, 슬래그 연소기의 작동의 동력학에 필수적인 것은, 산화제와 예열된 예비 연소 생성물의 고속도 휠링 흐름에서 탄소질 물질의 입자의 분사 및 신속한 연소이다. 이제 제 4 도, 5 도 및 5a 도를 참고하면 분무기(atomizer)(54)는 보통 일차 연소실(14)의 종축선에 대해 약 45도 내지 90도의 각도에서 석탄-물 슬러리를 분사한다. 핀틀 노즐(pintle nozzle)(56)은 운반 기체와 고밀도의 혼합비로 유지된 분말 석탄을 45도 내지 90도의 각도에서 분사한다.

분무기(54) 또는 핀틀 노즐(56)에 의해 분사된 미립 탄소질 물질은 타서, 소비되고, 비가연물은 일차 연소실(14)의 벽과 연료 분사기(40)를 따라서 용융 슬래그로써 수납된다. 탄소질 공급은 공급의 과열, 탄화 또는 응집을 방지하기 위해 그리고 연소실내에 존재하는 과열 분위기에서 분사기 조립체의 구성부품을 보존하기 위해서 냉각이 유지되어야 한다. 이를 위하여, 분무기 또는 핀틀 노즐은 보통 수냉된다. 이것은 분사기(40)의 부근에서 산화제, 연료 및 연소 생성물의 혼합물을 냉각시키는 경향이 있다. 그러한 냉각은 아주 바람직하지 않다. 지역적인 냉각 환경내로 연료 입자가 분사되면 불안정 화염을 만들고, 연소를 분사점에서 멀어지게 만들고 따라서 연소가 발생할 수 있는 시간을 지연시킨다. 필요한 것은 가능하면 분사점 가까이로 연소 영역을 이동시키는 것이다. 이것은 분사점에서 상승 온도를 필요로 한다. 이를 위하여 용융 슬래그가 효과적으로 이용된다.

외부 과열 분사기와 같은 결과를 달성하기 위해서, 단부벽(34)을 따라 이동하는 슬래그는 용융 상태에서 유지되어서 분사기(40)의 단부에서 나팔 모양으로 벌어질 때까지 탄소질 물질의 공급과 동일한 방향으로 분사기(40)의 표면을 따라 유동한다. 이러한 슬래그 작용은 대류 및 복사에 의해 분사 영역에서 산화제 및 미립 탄소질 물질을 가열함으로서 분사점을 향하여 화염 전선을 이동시키고, 화염에 안정성을 부가하여 가능하면 점화가 빨리 일어나게 한다.

상기 결과를 보장하기 위하여, 본 발명에 의해 제 4 도 및 5 도에 도시된 바와 같이 분무기(54) 또는 핀틀노즐(56)을 위한 슬래그 유지 슬리브가 제공된다. 일차 연소실(14)의 단부벽(34)내로 들어가는 슬리브는 액체 냉각 쟈켓(58)을 포함하는데, 여기서 물과 같은 액체는 쟈켓(58)의 한측면(60)으로 흘러들어가서 분할벽(62,64)에 의해 형성된 채널과 환형 플리넘(annular plenum)(67)을 통해 흘러서, 분할벽(62,64)의 대향면에 있는 대향면 채널(66)에서 배출된다. 적절한 도관(도시되지 않음)은 일차 연소실(14)의 외부로부터 쟈켓(58)에 대하여 냉각액의 공급 및 귀환을 제공한다.

제 4 도를 참고하면, 외부벽(68)에서 연장하는 다수의 축방향 핀(pin)(80)은 이들 사이에서 다수의 홈(78)을 형성한다. 일차 연소실(14)의 단부벽(34)을 따라 형성되는 슬래그는 핀이 감속 댐(slowing dam)의 작용을 하는 동안에, 연속하는 홈내를 채운다음 흘러 넘쳐서 분사기(40)를 따라 흐를 것이다. 상기 홈들이 채워질때, 과다한슬래그는 표면에 축적되고, 쟈켓의 단부에서 나팔모양으로 벌어지고, 선회 유동을 따라 일차 연소실(14)의 원통형 벽을 향해 운반된다. 도관(60,66)을 통과하는 물의 유동때문에, 열교환기의 접촉영역에 있는 슬래그는 금속에 직접 접하며 슬래그의 실제적인 고체층으로 경화된다. 상기 고체층의 상단에서 용융 및 반용융 슬래그의 제 2 층이 쟈켓(58)의 외부를 덮는다.

제 5 도 및 5a 도는 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 분사기의 벽에서 연장하는 핀(84)은 초기에 내화물을 유지하는데 사용되고, 내화물이 부식할때 슬래그의 자연 치료층을 형성한다. 홈 또는 핀은 설계 및 슬래그 유량에 의존하여 쟈켓의 길이를 연장할 수 있고, 또는 단부 지역(86)까지 제한될 수 있다.

전술한 구조를 사용하여, 미립 탄소질 물질을 분사하는데 사용된 분사기 조립체는 분말 연료의 해로운 연화 및 응집을 방지하도록 충분하게 냉각이 유지된다. 동시에, 슬래그는 분사기 조립체를 가까이서 둘러싸는 산화제 및 예비 연소 생성물의 혼합물이 다량의 열을 분사기에서 빼앗기지 않도록 열흐름을 제한하는 외부과열 차단벽으로써의 역할을 한다. 또한, 작은 절연막은 약 6.35mm(0.25인치) 내지 약 12.7mm(0.5인치)의 설계 공차 때문에 분사기와 그 슬리브 사이에 가스갭이 존재함에 의하여 형성된다.

요약하면, 본 발명은 고출력 밀도 슬래깅 연소기에서, 분사기에 바로 인접한 ,산화제, 연료 및 연소 생성물의 혼합물이 심하게 냉각되지 않지만 보통 1093.3℃(2000℉)를 초과하는 다소 일정한 예정 온도에서 유지되도록 비교적 고온의 외면을 가지는 연료 분사기를 제공한다. 결과적으로, 상기 혼합물내로 분사된 탄소질 연료는 분사기에 밀접한 곳에서 연료 입자가 연소실의 벽에 도달하기 전에 개선된 안정성을 가지면서 신속하게 점화되어 연소된다.

Claims (25)

1. 분사되는 연료의 재용해(ash-fusion) 온도 이상의 온도에서 산화제 및 연소 생성물의 혼합물을 갖게 되는 연소기의 연소 영역내로 연료를 분사하기 위해 연소 영역 온도보다 더 높은 온도에서는 악영향을 받게 되는 연료 분사기와, 상기 고온에 대해 분사기를 보호하기 위한 수단을 포함하는 연소 장치에 있어서, 분사기 부근의 혼합물에서부터 분사기로 향한 열의 전달을 차폐하기 위한 수단은 상기 분사기의 내부를 냉각하기 위한 냉각 수단과, 경화된 슬래그와 함께 용융 슬래그층을 수집함에 의하여 분사기의 외부면에 형성된 다수의 돌출부에 미치는 고온의 악영향으로부터 분사기를 차폐하기 위한 수집 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 인접한 혼합물로부터 연료 분사기로 향한 열의 전달을 차폐하는 상기 수단은 분사기보다 더 낮은 열 전도율을 가지는 재료를 포함하고, 상기 재료는 연소 영역내에 있는 연료 분사기 부품의 주요부의 혼합물 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 분사기로의 열전달 차폐 수단은, 연료 분사기의 외부의 주요부를 둘러싸는 열차단 부재와 연료 재용해 온도보다 실제로 낮은 온도에서 상기 열차단 부재의 내부를 유지하는 수단을 구비하고, 상기 열차단 부재는 이에 바로 인접한 혼합물 부분을 연료 재용해 온도에 근사한 온도 또는 그 이상의 온도에서 유지시킬 수 있을 정도로 충분한 열차단성을 가지는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 차폐 수단은 연소 영역내에서 분사기의 주요부를 주변에서 둘러싸는 실제로 원통형 슬리브를 구비하고, 상기 슬리브는 연소 영역에서 생겨난 슬래그의 재용해 온도보다 실제로 낮은 온도에서 유지되고, 그리고 비교적 높은 열차단성을 가지는 재료의 층은 상기 슬리브의 외부면에서 유지되며 동시에 상기 층의 주변에 인접한 더 높은 온도의 기체성 혼합물로부터 슬리브로 열에너지의 전달을 방해하는 역할을 하며, 이에 의해 상기 층에 바로 인접한 기체성 혼합물은 상기 재용해 온도에 해당하는 온도 또는 그 이상의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 1 실린더의 내부에 제 2 실린더가 동축으로 위치하여 그 사이에서 환형의 플리넘(annular plenum)을 규정하는 제 1 및 제 2 실린더와, 상기 플리넘으로 유입 및 유출하도록 냉각 유체를 순환시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 차폐 수단은 적어도 연료 분사기의 외부의 주요부를 둘러싸는 열흐름차단벽(thermal-flux barrier)을 구비하고, 상기 차단벽은 연료 분사기보다 실제로 더 낮은 열전도율을 가지는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 재료는 경화된 슬래그 위에서 용융 슬래그를 가지는 모양의 경화된 슬래그의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 차단벽 재료는 경화된 슬래그 위에서 용융 슬래그를 가지는 모양의 경화된 슬래그의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 영역은 기다란 원통형 연소실내에 포함되고, 상기 연료 분사기는 연소실내의 한단부의 중심 부근의 장소에서 연소실 내부를 향해 일정한 거리를 연장하고, 분사기 주변의 기체성 혼합물은 약 1093.3℃ 이상의 온도에서 유지되고, 그리고 상기 연료 분사기는 하나이상의 분사기 부분을 통과하는 냉각액 유동을 제공하고, 이에 의해 분사기의 내부의 평균 온도가 충분히 낮게 유지되어서 혼합물보다 실제로 낮은 온도에서 분사기를 통해 흐르는 미립 탄소질 연료의 해로운 응집을 배제하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 연소 영역은 기다란 원통형 연소실내에 포함되고, 상기 연료 분사기는 연소실내의 한단부의 중심 부근의 장소에서 연소실 내부를 향해 일정한 거리를 연장하고, 분사기 주변의 기체성 혼합물은 약 1093.3℃이상의 온도에서 유지되고, 그리고 상기 연료 분사기는 하나이상의 분사기 부분을 통과하는 냉각액 유동을 제공하고, 이에 의해 분사기의 내부의 평균 온도가 분사기를 통해 흐르는 미립 탄소질 연료의 해로운 응집을 배제할 정도로 충분히 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 연소 영역은 기다란 원통형 연소실내에 포함되고, 상기 연료 분사기는 연소실내의 한단부의 중심부근의 장소에서 연소실 내부를 향해 일정한 거리를 연장하고, 분사기 주변의 기체성 혼합물은 약 1093.3℃ 이상의 온도에서 유지되고, 그리고 상기 연료 분사기는 하나이상의 분사기 부분을 통과하는 냉각액 유동을 제공하고, 이에 의해 분사기의 내부의 평균 온도가 분사기를 통해 흐르는 미립 탄소질 연료의 해로운 응집을 배제할 정도로 충분히 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 연소 영역은 기다란 원통형 연소실내에 포함되고, 상기 연료 분사기는 연소실내의 한 단부의 중심 부근의 장소에서 연소실 내부를 향해 일정한 거리를 연장하고, 분사기 주변의 기체성 혼합물은 약 1093.3℃ 이상의 온도에서 유지되고, 그리고 상기 연료 분사기는 하나이상의 분사기 부분을 통과하는 냉각액 유동을 제공하고, 이에 의해 분사기의 내부의 평균 온도가 분사기를 통해 흐르는 미립 탄소질 연료의 해로운 응집을 배제할 정도로 충분히 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
13. 제 1 항에 있어서, (가) 상기 분사기는 분쇄된 탄소질 연료를 상기 연소실 내로 보내는 기다란 금속도관과, 상기 연소실에서 생겨난 슬래그의 경화 온도보다 실제로 낮은 도관 온도를 유지하기 위해 하나이상의 냉각액 유입 도관과 상기 금속 도관의 주변에 인접하게 배치된 하나이상의 냉각액 유출 도관을 포함하는 도관 수단을 구비하고, (나) 분사기로의 열전달 차폐 수단은 분사기의 외부면에 부착되는 용융 슬래그와 함께 경화된 슬래그의 층을 유지하기 위해 상기 (가)에서 요구한 부품들을 주변에서 포위하며 동시에 분사기 외부면에 부착되는 용융 슬래그와 함께 경화된 슬래그의 층을 유지하는 포위 수단(endompassing means)을 구비하고, 상기 포위 수단이 인접한 혼합물로부터 연료 분사기의 열전달을 방해함으로서 혼합물의 해로운 냉각을 배제하는 열차단 부재를 구성하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
14. 제1항에 있어서, (가) 상기 분사기는 분쇄된 탄소질 연료를 상기 연소실 내로 보내는 기다란 금속도관과, 상기연소실에서 갱겨난 슬래그의 경화 온도보다 실제로 낮은 도관 온도를 유지라기 위해 하나이상의 냉각액 유입 도관과 상기 금속 도관의 주변에 인접하게 배치된 하나이상의 냉각액 유출 도관을 포함하는도관 수단을 구비하고, (나) 분사기로의 열전달 차폐 수단을 분사기의 외부면에 부착되는 용융 슬래그와 함께 경화된슬래그의 층을 유지하기 위해 상기(가)에서 요구한 부품들을 부면에서 포위하는 포위 수단을구비하고, 상기 포위수단이 인접한 혼합물로부터 연료 분사기의열전달을 방해함으로서 혼합물의 해로운 냉각을 배제하는 열차단 부재를 구성하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
15. 제 8항에 있어서, 상기 경화된 슬래그층은 실제로 원통형 금속 슬리브에 형성되어 지지되고, 또한 슬리브의 내부변에 접촉하여 냉각 유체를 안내하는 도관 수단을 더 구비한 는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 2 실린더가 제 1 실린더내에서 동축상으로 위치한 제 1 및 제 2 실린더를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 1 실린더의 내부에 제 2 실린더가 동축상으로 위치하며 그 사이에 환형 플리넘을 규정하는 제 1 및 제 2 실린더와, 상기 플리넘으로 유입 및 유출하도록 냉각 유체를 순환시키기 위한 구조로서 배열된 도관 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 경화된 슬래그층은 실제로 원통형 금속 슬리브에 형성되어 지지되고, 또한 슬리브의 내부면에 접촉하여 냉각 유체를 안내하는 도관 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 2 실린더가 제 1 실린더내에서 동축상으로 위치한 제 1 및 제 2 실린더를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
20. 제 18 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 1 실린더의 내부에 제 2 실린더가 동축상으로 위치하며 그 사이에 환형 플리넘을 규정하는 제 1 및 제 2 실린더를 구비하고, 상기 도관 수단은 상기 플리넘으로 유입 및 유출하도록 냉각 유체를 순환시키기 위한 구조로서 배열되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
21. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 차폐 수단은 슬리브의 외부면에 유지된 비교적 낮은 열전도율을 가지는 재료의 층과, 상기 층의 외부면에 달라붙은 용융 슬래그와, 상기 분사기를 둘러싸는 슬리브를 구비하는것을 특징으로 하는 연소 장치.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 재료의 열전도율은 상기 슬리브보다 실제로 낮은 것을 특징으로 하는 연소 장치.
23. 제 21 항에 있어서, 상기 재료는 상기 슬리브에 형성되어 지지된 경화된 슬래그층이고, 또한 슬리브의 내부면에 접촉하여 냉각액을 안내하는 도관 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
24. 제 21 항에 있어서, 상기 슬리브는 제 1 실린더의 내부에 제 2 실린더가 동축상으로 위치하며 그 사이에 환형 플리넘을 규정하는 제 1 및 제 2 실린더와, 상기 플리넘으로 유입 및 유출하도록 냉각 유체를 순환시키는 도관 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
25. 제 21 항에 있어서, 상기 연소 영역은 기다란 원통형 연소실내로 포함되고, 상기 연료 분사기는 연소실내의 한 단부의 중심부근의 장소에서 연소실 내부를 향해 일정한 거리를 연장하고, 분사기 주변의 기체성 혼합물은 약 1093.3℃ 내지 약 2093.3℃(3800。F)의 범위내의 온도에서 유지되고, 상기 슬리브는, (가) 상기 연소 영역에서 생겨난 슬래그의 재용해 온도보다 실제로 낮은 슬리브의 온도를 유지하기 위한 하나 이상의 냉각액 유입 도관 및 냉각액 유출 도관과, (나) 층의 외부면에 부착되는 용융 슬래그와 함께 경화된 슬래그의 층을 유지하는수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.

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